7. Các kết quả mới
2.1 Tổng quan về ma sát
2.1 1 Một số khái niệm chung về ma sát
Ma sát ngoài là hiện tƣợng xảy ra khi hai vật thể rắn có chuyển động tƣơng đối ở vùng tiếp xúc thực dƣới tác động của tải trọng ngoài [4,5].
Lực ma sát là đại lƣợng vật lý đặc trƣng của quá trình ma sát. Lực ma sát là lực cản trở dịch chuyển tƣơng đổi của các vật rắn có hƣớng ngƣợc chiều chuyển động xuất hiện tại các vùng tiếp xúc thực. Lực ma sát ngoài không ổn định, công của lực ma sát phụ thuộc vào quãng đƣờng mà vật rắn di chuyển. Độ lớn của lực ma sát ngoài nhìn chung đƣợc xác định theo khoảng dịch chuyển của vật rắn theo phƣơng tiếp tuyến. Căn cứ vào khoảng dịch chuyển này phân biệt lực ma sát tĩnh và lực ma sát động.
Lực ma sát khởi động là lực cản trở chuyển động trong trƣờng hợp dịch chuyển nhỏ, khoảng dịch tiếp tuyến có tính thuận nghịch này đƣợc gọi là dịch chuyển ban đầu.
Lực ma sát tĩnh là toàn bộ lực ma sát tƣơng ứng với dịch chuyển ban đầu lớn nhất, hay nói cách khác là sự dịch chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái trƣợt.
Lực ma sát động là lực ma sát xuất hiện trong quá trình có chuyển động tƣơng đối ở vùng tiếp xúc.
Lực ma sát trƣợt có xu hƣớng chống lại (cản trở) chuyển động theo phƣơng tiếp tuyến trên vật thể tiếp xúc ma sát, nó không phụ thuộc vào độ lớn của dịch chuyển.
Hình 2.1 trình bày đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc của lực ma sát vào giá trị dịch chuyển, gồm 3 giai đoạn [4]:
Giai đoạn 1: Giai đoạn dịch chuyển ban đầu OA, lực ma sát Fms tăng từ 0÷ Fmst (giai đoạn khởi động).
Giai đoạn 2: Giai đoạn gián đoạn AA‟, lực ma sát giảm đột ngột từ Fmst xuống giá trị Fmsd.
Hình 2.1 Đồ thị nguyên tắc biến
50 Giai đoạn 3: Giai đoạn ổn định A‟B với giá trị lực ma sát Fmsd.
Lực ma sát ngoài có quan hệ với cƣờng độ biến dạng của lớp bề mặt trên vật thể mềm hơn do sự thâm nhập của các nhấp nhô bề mặt cứng hơn. Nhƣng không phải mọi qúa trình biến dạng trên lớp bề mặt đều liên quan đến quá trình ma sát ngoài. Trên thực tế ma sát ngoài chỉ liên quan tới biến dạng của lớp bề mặt theo phƣơng tiếp tuyến với chuyển động trong tiếp xúc của vật thể rắn.
Để đánh giá ma sát thƣờng sử dụng ba đại lƣợng không thứ nguyên: Hệ số ma sát trƣợt, hệ số ma sát khi va đập, hệ số mất mát năng lƣợng khi ma sát.
- Hệ số ma sát trƣợt f là tỷ số giữa lực ma sát và tải pháp tuyến [4] :
F f N (2.1) Trong đó : F - Lực ma sát (N); N - Tải pháp tuyến (N).
- Hệ số ma sát khi va đập (fvđ): là tỷ số của sự thay đổi động lƣợng của vật thể va đập theo hƣớng tiếp tuyến và pháp tuyến [4].
d mv t f v mv n (2.2)
Trong đó : mvt - Thay đổi động lƣợng theo phƣơng tiếp tuyến (N.s); mvn- Thay đổi động lƣợng theo phƣơng pháp tuyến (N.s).
- Hệ số mất mát năng lƣợng fw khi ma sát là tỷ số của công tiêu hao để thắng lực ma sát và công tiêu hao chung [4]:
w W T f W (2.3) Trong đó : WT - Công tiêu hao để thắng lực ma sát (J);
W - Công tiêu hao chung (J).
Các đại lƣợng đặc trƣng nói trên thƣờng đƣợc sử dụng để phân tích và đánh giá các tổn thất về ma sát trong máy và cơ cấu
2.1.2 Đặc điểm tiếp xúc ma sát của cặp ma sát trƣợt
Hiện tƣợng ma sát xuất hiện giữa các bề mặt khi có chuyển động tƣơng đối tại những điểm tiếp xúc thực. Vì vậy, việc tính toán chính xác lực ma sát trên bề mặt là rất khó khăn và phức tạp do các bề mặt tiếp xúc khác nhau về cấu tạo vật lý, hóa học, cơ học … Hơn
51 nữa, đặc tính bề mặt cũng bị thay đổi do có sự tƣơng tác nguyên tử bề mặt dƣới tác động của môi trƣờng và các điều kiện làm việc khác [4].
Hình 2.2 Đặc điểm tiếp xúc của 2 bề mặt
Để hiểu đƣợc cơ chế của hiện tƣợng ma sát trƣợt, cần thiết phải xét đến hình dạng hình học tiếp xúc. Các bề mặt công nghệ thƣờng có những lớp nhám tự nhiên, chúng đƣợc bao phủ với sự phân bố nhấp nhô ở độ cao nhất định, lớp oxit và các vật liệu khác. Khi 2 vật thể tiếp xúc có chuyển động tƣơng đối với nhau sẽ tiếp xúc tại những đỉnh nhấp nhô cao nhất. Tổng những điểm tiếp xúc riêng lẻ sẽ cho ta diện tích tiếp xúc thực nhƣ hình 2.2. Tại vùng tiếp xúc thực hai bề mặt trƣợt lên nhau, ma sát của nó phụ thuộc vào tính chất cơ học, mô đun đàn hồi và hình dạng hình học bề mặt tiếp xúc cũng nhƣ sự phân phối các đỉnh nhấp nhô, bán kính đỉnh nhấp nhô, độ lệch bình phƣơng chiều cao nhấp nhô [22]. Nếu vùng tiếp xúc đƣợc bôi trơn thì sẽ hình thành một lớp màng dầu hay mỡ trên bề mặt.
Quá trình ma sát giữa hai bề mặt trƣợt nhƣ hình 2.3 là sự kết hợp của một số yếu tố nhƣ: Sự bám dính của những bề mặt tiếp xúc, sự biến dạng của lớp nhám. Tổng hợp của mỗi thành phần phụ thuộc vào vật liệu, hình dáng bề mặt, điều kiện trƣợt, môi trƣờng hoạt động.
Hình 2.3 Tiếp xúc bề mặt ma sát trượt
Tại vùng tiếp xúc có hai hiện tƣợng xảy ra: 1- Biến dạng đàn hồi tạo ra sự dịch chuyển và đƣợc xem nhƣ là một vật rắn nối với một lò xo cứng. 2- Lớp nhám và lớp màng bao bị biến dạng dƣới tác dụng của tải (lực tác dụng), làm lực ma sát tĩnh tăng lên tại điểm tiếp
52 xúc [20]. Điểm tiếp xúc lý tƣởng đƣợc mô tả nhƣ những lò xo tuyến tính (hình 2.4). Điều này có nghĩa lực là một hàm tuyến tính của sự dịch chuyển nhỏ. Nếu lực nhỏ hơn lực ma sát tĩnh sẽ gây ra biến dạng đàn hồi và lƣợng biến dạng này tỉ lệ với lực tác dụng. Nếu bỏ lực tác dụng đi, năng lƣợng dự trữ trong vùng tiếp xúc lý tƣởng sẽ phục hồi và làm biến dạng đàn hồi biến mất (hình 2.5). Nếu lực tác dụng lớn hơn lực ma sát tĩnh, vùng tiếp xúc lý tƣởng bị phá vỡ và quá trình trƣợt bắt đầu xuất hiện (hình 2.6)
Hình 2.4. Điểm tiếp xúc lý tưởng mô tả như lò xo tuyến tính
Hình 2.5 Biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực
Hình 2.6 Liên kết phá vỡ bắt đầu hiện tượng trượt 2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cặp ma sát trƣợt
Khi cặp ma sát làm việc trong chế độ ổn định bình thƣờng, lực ma sát sẽ chịu ảnh hƣởng của các thông số ma sát cơ bản nhƣ: Áp suất, tốc dộ dịch chuyển, vật liệu, chất lƣợng bề mặt, chất bôi trơn, môi trƣờng làm việc…
Lực tác dụng ≥ ma sát tĩnh Bề mặt A Bề mặt B Lý tƣởng hóa điểm tiếp xúc Bề mặt A Bề mặt B Lực tác dụng < Lực ma sát tĩnh Lực tác dụng < Lực ma sát tĩnh Tỷ lệ lực Tỷ lệ lực Bề mặt B Bề mặt A Bề mặt A Bề mặt B Phá vỡ
53
2.2.1 Ảnh hƣởng của áp suất pháp tuyến
Trên hình 2.7 thể hiện đồ thị nguyên tắc về quan hệ giữa hệ số ma sát f và áp lực pháp tuyến [4,5,8]. Quan hệ này có ba vùng đặc trƣng:
I – Vùng ổn định, ứng với chế độ làm việc bình thƣờng của cặp ma sát (mòn oxy hóa)
II – Vùng chuyển tiếp
III – Vùng hƣ hỏng, trên đó diễn ra những quá trình không bình thƣờng (tróc, cầy xƣớc v.v…)
Hình 2.7 Đồ thị nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc áp suất pháp tuyến
f = f(p)
Vùng I: Chế độ ma sát bình thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi hệ số ma sát ổn định và mòn nhỏ nhất, diễn ra do việc hình thành các cấu trúc thứ cấp bên trên bề mặt các kim loại chịu ma sát. Đoạn chuyển tiếp ứng với khả năng thích ứng của bề mặt, trong đó hàm f = f(p) có thể có cƣờng độ khác nhau (nhƣ đƣờng biểu diễn bằng nét đứt trong vùng II).
Vùng II: Đặc trƣng cho một sự chuyển tiếp nào đó ứng với các trị số p nhỏ, trong đó không có điều kiện bình thƣờng hóa hoàn toàn quá trình ma sát. Các giá trị áp suất ấy không đủ để làm bền và tạo dải giới hạn là những điều kiện cần cho tính thích ứng của vật liệu. Trong vùng chuyển tiếp, các lực có liên quan với sự dịch sát của các đoạn bề mặt đến một khoảng cách bằng khoảng cách giữa các nguyên tử, sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên lực ma sát. Tỷ số E/A tiến đến giá trị cực tiểu.
Trong đó: E – Năng lƣợng đƣợc hấp thụ vào bề mặt ma sát; A – Công của lực ma sát.
Vùng III – Biến dạng và phá hủy các cấu trúc thứ cấp bảo vệ diễn ra mạnh hơn. Trên vùng này tỷ số E/A tiến đến giá trị lớn nhất
Giới hạn của chế độ làm việc bình thƣờng (ma sát bình thƣờng) đƣợc xác định bởi trị số áp suất pháp tuyến giới hạn pth. Khi vƣợt qúa pth sẽ dẫn tới hiện tƣợng tróc, dập, cào
f I II III p pth1 pth2 0
54 xƣớc và những qúa trình không bình thƣờng khác với cƣờng độ khác nhau (nét đứt trên đồ thị đặc trƣng dao động lớn của lực ma sát – vùng III) và mòn mãnh liệt do đó nó chuyển nhanh sang trạng thái hƣ hỏng.
2.2.2. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trƣợt
Trên hình 2.8 thể hiện đồ thị nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát f phụ thuộc vào vận tốc trƣợt, f = f(v); Đồ thị có ba vùng đặc trƣng[4, 5, 8]:
I – Vùng bình thƣờng, ứng với ma sát oxy hóa ổn định vth v vth” II – Vùng chuyển tiếp - không bình thƣờng, với tróc loại I ( 0< v < vth) III – Vùng không bình thƣờng với tróc loại II (v > vth”)
Hình 2.8 Đồ thị nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc trượt f = f(v)
Vùng ma sát bình thƣờng nằm giữa tốc độ vth và vth” đƣợc đặc trƣng bởi giá trị ổn định của hệ số ma sát và mòn cho phép, đƣợc hình thành bởi sự cực tiểu hóa chiều dày của lớp biến dạng dẻo và sự hình thành các cấu trúc thứ cấp. Khi v > v”th nhiệt độ tăng, sự phá hoại cấu trúc diễn ra mạnh mẽ hơn dẫn tới hiện tƣợng tróc nhiệt.
2.2.3 Sự phụ thuộc lực ma sát vào tốc độ dịch chuyển khi có bôi trơn
Đƣờng cong Stribeck chỉ ra sự phụ thuộc của lực ma sát vào vận tốc trƣợt đƣợc thể hiện trên hình 2.9 gồm 4 trạng thái [20]: Ma sát tĩnh, Bôi trơn giới hạn, bôi trơn từng phần và bôi trơn ƣớt hoàn toàn
Trạng thái 1: Ma sát tĩnh (vùng bám dính), không có sự dịch chuyển và quá trình bôi trơn chƣa xảy ra. Tiếp xúc xuất hiện tại các đỉnh nhấp nhô hay còn đƣợc gọi là các mối nối và đƣợc mô tả nhƣ lò xo cứng. Các nhấp nhô bị biến dạng chịu tải dẫn đến tăng ma sát tĩnh
V III I II f(v) fodn V'th V''th
55
Hình 2.9 Đường cong Stribeck [20]
Trạng thái 2: Bôi trơn giới hạn, sự dịch chuyển xuất hiện nhƣng quá trình bôi trơn bề mặt mới bắt đầu xảy ra. Vận tốc chƣa đủ lớn để tạo thành màng bôi trơn giữa 2 bề mặt tiếp xúc. (hình 2.10)
Hình 2.10 Vùng bôi trơn giới hạn [20]
Trạng thái 3: Bôi trơn từng phần, vận tốc đủ lớn khi chuyển động cuốn chất bôi trơn chuyển động theo tạo màng bôi trơn giữa 2 bề mặt tiếp xúc nhƣ hình 2.11.
Hình 2.11 Chuyển động cuốn chất bôi trơn vào vùng tiếp xúc [20]
Tuy nhiên, do bề mặt nhám nên tiếp xúc lƣỡng tính cục bộ, quá trình bôi trơn xảy ra trên nhiều vùng khác nhau nhƣ trên hình 2.12
Bề mặt A
56
Hình 2.12 Vùng 3 bôi trơn hỗn hợp [20]
Trạng thái 4: Bôi trơn ƣớt hoàn toàn: Xuất hiện khi hai bề mặt bị phân cách hoàn toàn bởi lớp màng bôi trơn nhƣ hình 2.13
Hình 2.13 Trạng thái 4- bôi trơn uớt hoàn toàn [20]
2.2.4 Ảnh hƣởng của vật liệu bôi trơn
Vật liệu bôi trơn đƣợc sử dụng để làm giảm ma sát, bảo vệ các bề mặt khi làm việc. Vật liệu bôi trơn đƣợc chọn theo tải trọng, tốc độ dịch chuyển, nhiệt độ làm việc. Nếu chất bôi trơn phù hợp không những làm giảm hệ số ma sát, bảo vệ bề mặt tiếp xúc ma sát còn giảm lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc của cặp ma sát. Trong điều kiện không khẳng định đƣợc rõ ràng chất bôi trơn trên bề mặt thì có thể gọi là ma sát khô hoặc không chất bôi trơn [5].
2.2.5 Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Trong quá trình làm việc các cặp ma sát tiếp xúc sẽ làm tăng nhiệt độ các bề mặt tiếp xúc, nhiệt độ tại các bề mặt tiếp xúc gồm nhiệt độ của môi trƣờng và nhiệt độ do tiếp xúc ma sát sinh ra.
Nhiệt độ tăng sẽ làm hóa mềm các bề mặt tiếp xúc tạo điều kiện cho khuyếch tán kim loại. Lực ma sát có xu hƣớng tăng do sự biến dạng nhiệt tăng [4].
Khi nhiệt độ xuống thấp, vật liệu có xu hƣớng co lại, lớp bề mặt bên ngoài co nhiều hơn do tiếp xúc trực tiếp môi trƣờng, bị cản trở bởi lớp kim loại liền kề, vì vậy kích thƣớc chi tiết có xu hƣớng giảm. Sự co không đều do hình dáng, kích thƣớc, vật liệu của các chi tiết sẽ làm cho chất lƣợng làm việc của các bề mặt thay đổi ảnh hƣởng đến quá trình làm việc của cặp ma sát.
Bôi trơn ƣớt hoàn toàn
Bề mặt B Bề mặtA
Bề mặtA
57 Mặt khác nhiệt độ thay đổi còn làm thay đổi độ nhớt của chất bôi trơn, làm giảm tính năng bôi trơn của chất bôi trơn, gây ảnh hƣởng đến bề mặt tiếp xúc [8].
2.2.6 Ảnh hƣởng của độ ẩm
Độ ẩm không khí là một trong những thông số quan trọng của môi trƣờng khí hậu, có ảnh hƣởng rất lớn đến tính năng của vật liệu, độ chính xác, độ bền của vật liệu. Đã có nhiều nhà nghiên cứu về ảnh hƣởng của độ ẩm không khí đến chi tiết ma sát.
Độ ẩm không khí đƣợc xác định theo 2 đại lƣợng: Độ ẩm tƣơng đối và độ ẩm tuyệt đối. Độ ẩm tuyệt đối: Tính theo lƣợng hơi nƣớc có trong một đơn vị thể tích không khí kg/cm3.
Độ ẩm tƣơng đối: (RH%) đƣợc biểu thị dƣới dạng % của tỷ số lƣợng ẩm tuyệt đối và lƣợng ẩm bão hòa. Độ ẩm tƣơng đối cho biết mức độ hòa tan thêm hơi nƣớc trong không khí so với mức tuyệt đối. Do vậy, thực tế thƣờng sử dụng đại lƣợng độ ẩm tƣơng đối thay cho đại lƣợng độ ẩm tuyệt đối.
Khi các cặp ma sát làm việc trong môi trƣờng không khí có độ ẩm tƣơng đối cao, các bề mặt khi tiếp xúc sẽ bị ảnh hƣởng làm giảm tính năng của chất bôi trơn. Lƣợng oxi trong không khí tiếp xúc với bề mặt kim loại gốc tạo nên lớp oxit, có tác dụng nhƣ lớp cấu trúc thứ cấp. Lớp oxit này có tính chất khác hẳn so với tính chất kim loại gốc, quá trình phá hủy thƣờng xảy ra trên lớp màng oxit này [4].
Tác động biến đổi nhiệt độ và độ ẩm
Do nhu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật nên các chi tiết máy đƣợc tính toán, thiết kế, chế tạo với các vật liệu khác nhau. Khi làm việc trong môi trƣờng có nhiệt độ thay đổi, sự giãn nở vì nhiệt của các chi tiết khác nhau sẽ làm thay đổi điều kiện tiếp xúc, giảm độ chính xác lắp ghép, giảm tính năng máy.
Biến đổi độ ẩm tƣơng đối không khí cao có ảnh hƣởng lớn đến ma sát mài mòn của các cặp ma sát, do xuất hiện hiện tƣợng đọng sƣơng trên bề mặt ma sát.
2.3. Các lý thuyết tính ma sát cặp vật liệu
2.3.1. Công thức tính hệ số ma sát theo thực nghiệm
Các nghiên cứu về thực nghiệm đã khẳng định mối quan hệ