Trong điều kiện ma sát mòn bình thường, sự phụ thuộc của mòn theo thời gian hoặc quãng đường ma sát được chia thành thành ba giai đoạn cơ bản: Giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt [5]. Hình 2.1 biểu diễn sự phụ thuộc của mòn vào thời gian.
Hình 2.1Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hay quãng đường ma sát L [5]
Giai đoạn chạy rà là giai đoạn có tốc độ mòn giảm dần do ban đầu tiếp xúc thực nhỏ, áp suất lớn gây biến dạng dẻo, các nhấp nhô bị phá hủy và đồng thời bị nén ép tạo thành các bề mặt thứ cấp có tiếp xúc thực lớn hơn, khi áp suất riêng trung bình phù hợp với áp suất riêng cho phép thì tốc độ mòn sẽ giảm đến một giá trị ổn định theo thời gian, quá trình mòn lúc này chuyển sang giai đoạn mòn ổn định.
Giai đoạn mòn ổn định: giai đoạn này lượng mòn tuyến tính với thời gian hoặc quãng đường ma sát. Với lượng mòn giới hạn được xác định trước có thể dự báo được tuổi thọ làm việc của cặp ma sát
Giai đoạn mòn khốc liệt: Khi lượng mòn U đạt giá trị tới hạn, nó làm thay đổi rõ ràng chế độ lắp ghép, tăng sai lệch hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc dẫn đến va đập của các bề mặt ma sát và chuyển sang quá trình mòn khốc liệt, trạng thái hình học tế vi xấu đi, nhấp nhô tăng lên làm tốc độ mòn ngày càng tăng mạnh.
“Trong giai đoạn mòn ổn định, thừa nhận quy luật mòn là tuyến tính” [5, 7]. Để xác định được quy luật của giai đoạn này cần ít nhất giá trị của lượng mòn tại hai thời điểm khác nhau, từ đó xác định được tốc độ mòn của giai đoạn mòn bình thường này.
Quãng đường ma sát (thời gian)
Lư
ợng
39
2.1.2. Ảnh hƣởng các yếu tố cơ bản đến mòn
2.1.2.1. Ảnh hưởng của tải và vận tốc đến mòn
a. Sự phụ thuộc của cường độ mòn vào tải (áp lực) [5]
Đối với các bề mặt không được chạy rà, tải trọng riêng ảnh hưởng phi tuyến đến cường độ mòn: I P(1.4 ...3), đặc biệt là với những bề mặt có diện tích tiếp xúc nhỏ. Đối với bề mặt đã được chạy rà, độ sóng bề mặt làm giảm tính phi tuyến, cường độ mòn tỷ lệ với tải trọng riêng. Trong trường hợp tổng quát, I P(1....3) là phù hợp với thực nghiệm.
b. Sự phụ thuộc của cường độ mòn vào vận tốc [5]
Tính chất và cường độ của quá trình mòn được quyết định trước hết do giá trị vận tốc, quan hệ I = f(v) là quan hệ cơ bản trong mối quan hệ với các thông số cơ học
Hình 2.2Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc của mòn vào vận tốc [5]
Mối quan hệ có tính nguyên tắc giữa cường độ mòn I và vận tốc v được trình bày trên hình vẽ cho thấy trong trường hợp tổng quát có ba giai đoạn điển hình:
I - giai đoạn mòn ổn định cùng với mòn ôxy hoá trong chế độ ma sát bình thường v'th ≤ v ≤ v"th
II - giai đoạn mòn không bình thường với tróc loại 1, 0 < v< v'th
III - giai đoạn mòn không bình thường do tróc loại 2 và sự quá tải nhiệt trong vùng tiếp xúc v > v"th
Tuỳ thuộc vào điều kiện ma sát, các trị số vận tốc giới hạn v'th, v"th có thể thay đổi, làm cho giới hạn của miền ổn định và cường độ mòn bị thay đổi đi.
Hai yếu tố chính quyết định sự biến đổi quá trình ma sát và mòn của tác dụng cơ học bên ngoài đó là: áp lực và vận tốc. Chúng xác định mức độ và gradian của biến dạng dẻo, đàn hồi của nhiệt độ trong vùng ma sát, mức độ hoạt hoá kim loại và các hiện tượng dẫn xuất khác. Nói cách khác là chúng quyết định dạng quá trình phá huỷ hay mòn chiếm ưu thế.
Chấp nhận lý thuyết mỏi cho các dạng mòn khác nhau, cường độ mòn tuyến tính phụ thuộc vào áp suất p trong vùng tiếp xúc
Cư ờng đ ộ m ò n Vận tốc
40
I = k . p m (2.1)
Tốc độ mòn theo thời gian ( = ) và cường độ mòn tuyến tính (I) có mối quan hệ:
= v . I (2.2)
Tổng quát, tốc độ mòn được xác định theo hàm số mũ [5]:
= k . p m . v n (2.3)
2.1.2.2. Ảnh hưởng của rung động [5]
Tải trọng động tạo nên các biến dạng đàn hồi của vật liệu ở vùng tiếp xúc của các bề mặt lắp ghép, đồng thời làm xuất hiện dòng điện cảm ứng thay đổi trong lớp biến dạng. Sự thay đổi của từ thông tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung (hình thành bởi các chi tiết lắp ghép). Tính chất của lớp ôxyt và chất bôi trơn ảnh hưởng tới điện trở và thể hiện trong vùng tiếp xúc là nguyên nhân của sự hoạt hóa bề mặt và sự phát triển mòn ôxy hoá. Sự xâm thực và các quá trình điện hoá làm giảm tuổi thọ của các mối ghép rất nhiều. Hiện tượng này gọi là hiện tượng điện động lực học của sự mòn.
2.1.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn [5, 7, 33]
Vật liệu bôi trơn được chọn phải đảm bảo giảm ma sát, bảo vệ lớp bề mặt kim loại. Vật liệu bôi trơn được lựa chọn theo tải và tốc độ chuyển động tương đối giữa trục vít, bi, đai ốc. Nếu dùng đúng, ngoài việc giảm hệ số ma sát và bảo vệ bề mặt, nó còn giảm bớt lượng tăng nhiệt độ trong VMĐB.
Khi tốc độ chuyển động lớn và tải nhỏ, nên chọn dầu có độ nhớt nhỏ, khi tốc độ chuyển động thấp mà tải lớn thì nên chọn dầu có độ nhớt cao hơn.
Thông thường, sử dụng dầu có độ nhớt 32-68 cSt tại 400
C (ISO VG 32 – 68) được dùng cho bộ truyền VMĐB có tốc độ cao, dầu có độ nhớt đến 90 cSt (ISO VG 90) được dùng cho các bộ truyền có tốc độ thấp [33].
2.1.2.4. Ảnh hưởng của môi trường [5, 7, 11]
Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và biến đổi nhiệt ẩm - Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Trong quá trình ma sát, nhiệt độ các lớp bề mặt tăng lên dẫn đến hóa mềm bề mặt ma sát, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khuyếch tán kim loại. Sự khuyếch tán tăng lên khi đó là ma sát giữa những kim loại dẻo thuần khiết và tăng lên nhiều khi độ biến dạng vật liệu lớn [5].
Khi nhiệt độ xuống thấp, vật liệu có xu hướng co lại, lớp vật liệu bên ngoài sẽ co nhiều hơn do không chịu cản trở của các lớp vật liệu liền kề với nó làm cho kích thước chi tiết có xu hướng giảm về phía có vật liệu. Sự co kéo không đều do hình dáng, kích thước
41
và vật liệu của các chi tiết máy cũng giống như sự giãn nở không đều khi tăng nhiệt độ: làm xuất hiện hiện tượng kẹt (tăng tải), hoặc tải va đập, do khoảng trống giữa các bề mặt ma sát tương ứng là nhỏ đi, hoặc tăng lên. Cả hai hiện tượng này đều dẫn đến biến dạng bề bặt nhiều hơn, chất lượng bề mặt kém đi, thuận lợi cho việc cào xước bề mặt trong quá trình chuyển động gây mòn.
- Ảnh hưởng của độ ẩm:
Độ ẩm không khí được biểu thị bằng hai đại lượng. Độ ẩm tuyệt đối được tính theo lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí (kg/cm3); Độ ẩm tương đối (RH %) là tỷ số tính phần trăm giữa lượng hơi có thực trong không khí so với lượng hơi có trong không khí bão hòa với cùng nhiệt độ.
Độ ẩm tương đối là đại lượng thể hiện lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí và nói lên khả năng hòa tan thêm hơi nước trong không khí so với mức tối đa. Bởi vậy trong thực tế thường sử dụng khái niệm độ ẩm tương đối thay vì sử dụng khái niệm độ ẩm tuyệt đối.
Khi lượng hơi nước trong không khí tăng lên, tiếp xúc với chất bôi trơn làm suy giảm tính năng bôi trơn của chất bôi trơn. Lượng oxy trong không khí có cơ hội tiếp xúc với bề mặt ma sát nhiều hơn tạo điều kiện cho việc hình thành lớp oxyt trên bề mặt. Lớp oxyt này có cơ tính khác hẳn với cơ tính của lớp kim loại nền. Khi hai bề mặt ma sát tương tác với nhau tại vị trí có lớp màng oxyt, ứng suất giữa lớp bề mặt và lớp kim loại nền có sự chênh lệch lớn làm lớp màng oxyt dễ bị bong tróc, gây mòn vật liệu [5].
- Tác động do biến đổi nhiệt độ và độ ẩm
Do các chi tiết trong máy, thiết bị có kích thước, yêu cầu kỹ thuật khác nhau nên chúng thường được làm bằng các vật liệu khác nhau. Khi biến đổi nhiệt độ xảy ra, các chi tiết có vật liệu và kích thước khác nhau sẽ có hệ số giãn nở (co) nhiệt khác nhau dẫn tới hiện tượng biến đổi tăng tải trong các chi tiết máy (co, kéo), hoặc thay đổi đặc tính tải (tải tĩnh trở thành tải động, hoặc xung,..), làm suy giảm tính năng kỹ thuật của máy.
Độ ẩm tương đối không khí cao có ảnh hưởng lớn hơn đến sự mài mòn chi tiết máy. Thực tế cho thấy độ ẩm tương đối của không khí chỉ thực sự có ảnh hưởng đáng kể tới sự tạo thành lớp oxyt trên bề mặt và ăn mòn các chi tiết máy khi chúng có giá trị từ 80% đến 100%. Khi ở vùng có độ ẩm tương đối cao, không khí tiếp xúc với bề mặt có chênh lệch nhiệt độ khoảng > 50C sẽ rất dễ rơi vào vùng không khí quá bão hòa, dẫn đến hiện tượng đọng sương (hơi nước ngưng tụ) trên bề mặt có tiếp xúc với không khí. Chênh lệch nhiệt độ càng cao càng làm tăng lượng hơi nước ngưng tụ trên bề mặt, làm suy giảm tính năng bôi trơn, thẩm thấu và oxy hóa bề mặt kim loại, gây bong, tróc, mòn khi có tải.
42
Hình 2.3 thể hiện biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí ở áp suất 760 mmHg.
Hình 2.3Biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí [74]
Dựa trên số liệu của biểu đồ nhiệt ẩm Y-D của không khí ở mức áp suất khí quyển 760 mm Hg, khi nhiệt độ và độ ẩm cùng biến đổi với điều kiện RH < 80% hoặc t0 > 500C, các tác động lên khả năng làm việc của máy, chi tiết máy chỉ đơn thuần là tổng toán học từng tác động của nhiệt độ, độ ẩm (độ ẩm không khí không thể đạt mức bão hòa khi ở nhiệt độ cao >500
C). Khi độ ẩm tương đối trong môi trường ở mức cao (RH 80% RH100%) và nhiệt độ dưới 500C, kết hợp với biến động nhiệt độ với tốc độ cao (khoảng 50C/giờ) làm
43
chênh lệch nhiệt độ giữa mối trường và bề mặt ma sát lớn, hơi nước trong không khí gặp bề mặt có nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ đọng sương sẽ ngưng kết trên bề mặt đó (ngưng tụ nước trên bề mặt ma sát). Lượng biến đổi nhiệt độ và tốc độ biến đổi là cơ sở xác định thời gian và lượng hơi nước đọng thành sương trên bề mặt.
Ở mức áp suất khí quyển khác, nhiệt độ giới hạn mà ở đó độ ẩm tương đối của không khí có thể đạt mức bão hòa (RH 100%) sẽ thay đổi.
Sự có mặt của hơi nước ngưng tụ trên bề mặt vật liệu là kết quả của sự biến đổi có điều kiện của cả nhiệt độ và độ ẩm không khí (khi nhiệt độ biến đổi với tốc độ cao, biên độ lớn và kèm thêm độ ẩm tương đối của không khí cao) [18]. Hơi nước ngưng tụ có thể xuất hiện tại mọi vị trí bề mặt thiết bị có tiếp xúc với môi trường, nếu bề mặt chi tiết được bảo vệ bằng lớp dầu bôi trơn, nước thẩm thấu vào lớp dầu, gây biến tính và giảm khả năng bôi trơn, bảo vệ của dầu và oxy hóa bề mặt kim loại.
Nhiệt độ biến đổi với biên độ lớn, tốc độ cao, kết hợp với độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao (RH 80%) dẫn đến các hiện tượng: Tăng tải, hoặc hay đổi đặc tính tải; Xuất hiện đọng sương trên bề mặt ma sát. Đây là một môi trường khá khắc nghiệt nếu các cặp ma sát làm việc ở điều kiện này.
Đặc biệt, với những chi tiết làm bằng vật liệu dễ oxy hóa bề mặt khi không được bảo vệ, nguyên tử oxy trong nước khi nước tự phân tách sẽ oxyt hóa bề mặt, đồng thời tạp chất do bụi bẩn trong không khí ngưng tụ trong các hạt sương chui vào giữa hai bề mặt tiếp xúc có tác dụng như những hạt mài li ty làm trầy xước, bong tróc và mòn cặp vật liệu nhanh chóng.
Sự khắc nghiệt của điều kiện môi trường miền Bắc với biến động nhiệt lớn, độ ẩm tương đối cao, thể hiện qua TCVN 7699-2-30 và được ghi nhận bởi rất nhiều trường hợp suy giảm độ chính xác của máy, thiết bị trên thực tế là cơ sở triển khai nghiên cứu đề tài.
2.1.3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7699-2-30 về thử nghiệm môi trƣờng
* Phạm vi áp dụng:
Tiêu chuẩn này để mô phỏng và xác định sự thích hợp của các linh kiện, thiết bị hoặc các sản phẩm khác khi được sử dụng, vận chuyển, bảo quản trong các điều kiện có độ ẩm cao kết hợp với sự thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ và thường tạo ra sự ngưng tụ trên bề mặt. * Yêu cầu kết cấu tủ thử:
Nhiệt độ tủ thử phải thay đổi theo chu kỳ trong khoảng từ 250C ± 30C đến nhiệt độ giới hạn trên (phương án 1: 400C hoặc phương án 2: 550C) với dung sai và tốc độ thay đổi quy định nếu thuộc đối tượng áp dụng.
44
Dung sai nhiệt độ tổng ±30C. Miền dung sai này là thích hợp để tính đến sai số tuyệt đối của phép đo cũng như các thay đổi chậm về nhiệt độ và sự biến đổi nhiệt độ của không gian làm việc. Có thể cần phải giữ dao động trong thời gian ngắn ở phạm vi ± 0,50C để duy trì độ ẩm yêu cầu.
Độ ẩm tương đối trong không gian làm việc được duy trì trong các giới hạn theo các giai đoạn và phương án được chọn.
Phải cẩn thận để đảm bảo nhiệt độ, độ ẩm tại các điểm trong tủ thử phải nằm trong giới hạn yêu cầu. Chú ý đến sự trao đổi nhiệt của không khí.
Nước ngưng tụ phải được xả ra liên tục từ tủ thử và không được sử dụng lại cho đến khi nước được làm tinh khiết trở lại.
Phải đảm bảo rằng không có nước ngưng tụ rơi lên mẫu thử. * Mức khắc nghiệt:
Có hai phương án quy định mức khắc nghiệt, phối hợp giữa nhiệt độ giới hạn trên và số chu kỳ quyết định mức khắc nghiệt của thử nghiệm.
Mức khắc nghiệt thứ nhất: 550C Số chu kỳ thử nghiệm 1; 2; 6.
Mức khắc nghiệt thứ hai: 400C Số chu kỳ thử nghiệm 2; 6; 12; 21; 56. * Mô tả chu kỳ 24h:
Giai đoạn tăng nhiệt:
“Nhiệt độ của tủ thử phải được tăng lên nhiệt độ giới hạn trên thích hợp mô tả trong quy định kỹ thuật liên quan. Nhiệt độ giới hạn trên phải đạt được trong thời gian 3h ± 30’ với tốc độ nằm trong các giới hạn xác định bởi diện tích được tô đậm như hình 2a và 2b”
Sự ngưng tụ có thể xuất hiện trên mẫu trong giai đoạn tăng nhiệt độ này. Giai đoạn ổn định nhiệt:
Nhiệt độ phải được duy trì trong các giới hạn quy định đối với nhiệt độ giới hạn trên (± 20C) trong vòng 12h ±30’ tính từ khi bắt đầu chu kỳ.
Trong giai đoạn này, độ ẩm tương đối phải là 93% RH ± 3% RH, trong 15 phút đầu và 15 phút kết thúc, độ ẩm phải đạt từ 90% RH đến 100% RH.
Giai đoạn hạ nhiệt:
Chọn một trong hai phương án thích hợp cho mẫu thử - Chọn phương án 2 (hình 2b, trang 191 của TCVN 7699-2-30:2007) do sự thích hợp với tất cả các loại mẫu [18].
Nhiệt độ phải được hạ xuống 250C ± 30C trong từ 3 đến 6 giờ. Độ ẩm tương đối không được nhỏ hơn RH 80%.
Sau đó, nhiệt độ phải được duy trì ở 250
C ± 30C với độ ẩm tương đối không được nhỏ hơn 95% RH cho đến khi kết thúc chu kỳ 24h.
45
Sự kết hợp biến đổi từng yếu tố nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian của chu trình 24 giờ được mô tả bởi hình 2.4
Hình 2.4Mô tả chu trình nhiệt ẩm [18]