Phân loại ma sát

M Ụ CL ỤC

K ết luận chương

2.3.3. Phân loại ma sát

Ma sát được phân loại dưới các dạng khác nhau, chủ yếu được phân theo đối tượng tiếp xúc ( ma sát nội , ngoại, vi mô, vĩ mô) theo quá trình ( chuyển động, dừng, khởi động và va đập...) theo dạng chuyển động( trượt, lăn, xoay..) và theo trạng thái bôi trơn ( rắn, lỏng, plasma..)

- Căn cứ vào dạng chuyển động của bề mặt ma sát có :

+ Ma sát trượt: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt của vật rắn có chuyển động trượt tương đối, vận tốc tại các điểm tiếp xúc có giá trị và phương như nhau.

+ Ma sát lăn: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt của vật rắn có chuyển động lăn tương

đối vận tốc tại điểm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị nhưng luôn có phương như

nhau.

Hình 2.9. Các dạng chuyển động lăn

+ Ma sát xoay: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động xoay tương đối, vận tốc tại thời điêm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị và về phương.

+ Ma sát hỗn hợp là ma sát giữa các bề mặt có tổng hợp các dạng ma sát trượt, lăn và xoay.

- Căn cứ vào điều kiện bề mặt có các dạng ma sát sau:

Hình 2.8. Các dạng chuyển động trượt có chất bô itrơn và không chất bôi trơn

+ Ma sát không có chất bôi trơn: Là ma sát của hai vật rắn tiếp xúc khi trên bề mặt của chúng không có điều kiện khẳng định rõ ràng sự tồn tại của chất bôi trơn hay bất kỳ

chất nào. Trong một số trường hợp còn được gọi là ma sát khô.

Hình 2.10.Ma sát khô

+ Ma sát bôi trơn giới hạn : Là ma sát của hai vật rắn khi giữa liên kết của chúng tồn tại một lớp chất lỏng rất mỏng có cơ tính hoàn toàn khác khối chất bôi trơn. Ma sát bôi trơn giới hạn cũng có thể sảy ra khi ta bôi trơn bằng chất rắn.

+ Ma sát ướt: Là ma sát mã giữa hai bề mặt vật rắn được phân tác hoàn toàn bởi các lớp chất bôi trơn có chuyển động tương đối, khi đó tập hợp tất cả các ứng xuất tiếp tạo thành lực ma sát.

Hình 2.11. Ma sát ướt

+ Ma sát nửa ướt: Là ma sát giữa hai bề mặt vật rắn khi giữa chúng tồn tại cả ma sát bôi trơn giới hạn lẫn ma sát bôi trơn ướt.

Hình 2.12.Ma sát nửa ướt

- Căn cứ vào điều kiện làm việc

+ Ma sát bình thường: là quá trình mats được đặc trưng bởi sự cân bằng động giữa phá huỷ và phục hồi lớp màng mỏng có tính bảo vệ trên bề mặt ma sát mà thông thường là lớp màng ôxit.

+ Ma sát không bình thường: Là dạng ma sát không được phép sảy ra trong khớp ma sát khi đó đỉnh nhấp nhô bề mặt tiếp xúc ma sát sẽ thâm nhập vào nhau gây ra cày xuớc hoặc cắt vi mô.Khi đó các đặc tính tiếp xuác sẽ thay đổi hoàn toàn.

- Căn cứ theo động lực học tiếp xúc

+ Ma sát tĩnh xuất hiện trong quá trình dịch chuyển ban đầu, lực ma sát ngăn cản biến dạng lớp bề mặt

+ Ma sát động xuất hiện trong quá trình chuyển động tương đối - lực ma sát

động sẽ thúc đẩy quá trình biến dạng trên lớp bề mặt. vĩ mô vi mô Nội Ngoại Ma sát Khởi động Va đập Dừng Chuyển động Đối tượng Quá trình Lăn Trượt Xoay Lăn Trượt xoay Chuyển động

Hình 2.13. Tổng quan về phân loại ma sát

2.3.4.Các định luật về ma sát

Các đinh luật về bảo toàn năng lượng, chuyển độn và các nguyên lý cực tiểu

được áp dụng trong điều kiện ma sát và mòn bình thường, nghĩa là quan hệ giữa các

đại lượng tương tác khác nhau trong quá trình ma sát mang tính chất hoàn toàn xác

định.

2.3.4.1.Định luật ma sát thứ nhất

Công của ma sát ngoài bằng tổng của nhiệt sinh ra và các năng lượng hấp thụ ( chủ yếu do kim loại)

A = Q + E A- Công của lực ma sát. Q- Nhiệt sinh ra.

E: Năng lượng do kim loại hấp thụ.

* Công của ma sát ngoài không bao giờ biến hoàn toàn thành nhiệt A > Q. *  E > 0 (Năng lượng hấp thụ không bao giờ bằng 0 )

* Tỷ số giữa năng lượng bị hấp thụ và công của ma sát ngoài là 1 đại lượng thay đổi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và điều kiện ma sát ngoài.

const A E   fp v c A E , ,   Trong đó : P - áp suất V- Vận tốc trượt

C - véttơ thông số ma sát phụ thuộc vào tính chất vật liệu môi trường, nhiệt độ ...

Tỷ số năng lượng bị hấp thụ và công của ma sát ngoài được gọi là hàm năng lượng hấp thụ tương đối của bề mặt ma sát.

* Vì vậy: Định luật thứ nhất cho phép đưa ra khả năng điều khiển quá trình ma sát bằng cách điều chỉnh cân bằng năng lượng để có tỷ số A E  ổn định và nhỏ nhất. 2.3.4.2.Định luật ma sát thứ 2

Trên cơ sở phân tích ma sát ngoài trong mối quan hệ với các quá trình sảy ra trong vùng tiếp xúc, cho phép pháp biểu định luật thứ 2 như sau

Lực ma sát là tổng các lực thành phần được dùng để làm tiến triển các qúa trình cơ lý hoá tất yếu ứng với điều kiện tiếp xúc nhất định của các vật thể ma sát.

Fms  F1 F2 F3  F4 ... F10

Trong đó :Fms – Tổng lực của các dạng liên kết chủ yếu

F1 – Lực ma sát bên trong của các lớp thuỷ khí động F2 – Lực ma sát tựa thuỷđộng- sự bám trượt

F3 – Lực trượt trong các lớp giới hạn.

F4 – Lực hình thành dải trong các lớp bề mặt kim loại vật mỏng

F5- Lực tạo ra trong quá trình dao động đàn hồi trong lớp dưới bề mặt. F6 – Lực biến dạng của các thể tích bề mặt vĩ mô

F7 – Lực phá hoại các liên kết khuyếch tán. F8- Lực tương tác của trường phân tử cac pha rắn

F9BT - Lực phá huỷ các khuyếch tật tích luỹ và làm tan rã cấp trúc thứ

cấp.

F9KBT - Lực phá hoại thể tích vĩ mô kim loại. F10 – Lực tản mát ra ngoài.

Thực vậy, liên kết là một trong những lực gây ra công ma sát.

Căn cứ vào ccá thành phần nội lực nói trên ta có thể xác định được các dạng ma sát chủ

yếu sau:

+ Chếđộ thuỷ khí động : F1 và F2

+ Quá trình ma sát bình thường : F3 ,F4 ,F 5 ,F 8 ,F 10 ,FBT9

+ Quá trình ma sát không bình thường : F6 ,F 7 ,F 8 ,F 10 ,FKBT9

Quá trình ma sát không bình thường và bình thường tương ứng với cá dạng liên kết khác nhau.

Quá trình ma sát bình thường được đặc trưng bằng tính ổn định của hệ số ma sát và nó có giá trị nhỏ nhất.

2.3.4.3.Định luật ma sát thứ 3:

Nó được pháp biểu như sau : ứng với một tổ hợp các thông số ( vật liệu, môi trường) nhất định, có một vừng của tác dụng cơ học trong đó tích phân của tỷ số năng lượng dự trữ trên công của lực ma sát lấy trong toàn thể tích bị biến dạng có giá trị cực tiểu.”

   min

 EnnA d

Định luật thứ ba cho phép phân tích các thông số chủ yếu trong miền ổn định của các điều kiện ma sát khác nhau.

Kết luận: Ba định luật trên cho phép phân tích quá trình ma sát phức tạp và chỉ ra miền bình thường trong đó gần như toàn bộ công ma sát biến thành nhiệt.( hình.2.14)

Trong đó:

II - Vùng chuyển tiếp. III - Hư hỏng cơ học mạnh

và tróc loại I. VoáI IV- Tróc loại II.

Hình 2.14

Sơđồ vị trí các vùng ma sát bình thường và không bình thường

Giai đọan ổn định bình thường luôn gắn liền với dạng chuyển đổi và phá hủynhất định của bề mặt. Trong những điều kiện làm việc thông thường đó là quá trình cơ lý hóa của ma sát mòn ôxi hóa. Các hiện tượng diễn ra trong các lớp bề mặt của vật thể ma sát ở điều kiện bình thường có liên quan đến ba trạng thái biến dạng - ứng suất sau :

1 - Ở giới hạn phân chia các pha rắn diễn ra sự dịch chuyển và sự trượt của lớp tới hạn, kết quả này làm nảy sinh và phá hủy các liên kết phân tử có bản chất phân tán. 2 - Trong các lớp bề mặt rất mỏng ( 100 - 100 A0 ) diễn ra biến dạng mạnh và có hướng- sự tạo dải.

3 - Trong các lớp nằm bên dưới có quá trình lan truyền ( dạng sóng) của các biến dạng đàn hồi có liên quan với dịc chuyển tương đối của vật thể ma sát.

Hình 2.15 Ba trạng thái biến dạng ứng suất

Trong đó: N - Tải pháp tuyến , F - lực tiếp tuyến, F1 - Lực liên kết do sự trượt của lớp giới hạn tạo nên, , F2 - Lực liên kết do sự biến dạng có hướng của các lớp bề mặt tạo nên, , F3 - Lực liên kết do biến dạng sóng đàn hồi tạo nên.

2.3.4.4.Những quy luật ma sát thực nghiệm

Quan hệ này có ba vùng đặc trưng sau:

- Vùng I: Vùng ổn định, ứng với chếđộ làm việc bình thường của cặp ma sát tại vùng này cường độ các quá trình chuyển đổi và phá hoại bề mặt tiếp xúc là nhỏ

nhất.Trong vùng này phần lớn công ma sát biến thành nhiệt.

- Vùng II: Vùng chuyển tiếp, ứng với các giá trị P nhỏ , trong đó không có điều kiện bình thường hoá hoàn toàn quá trinhf ma sát. Các giá trị áp suát ấy không đủ để

làm bền và tạo giải giới hạn, những điều kiện cần cho tính thích ứng của vật liệu.

- Vùng III: Vùng hư hỏng, quan hệ giữa hệ số ma sát với áp suất pháp tuyến có sai khác với quy luật tuyến tính. Kết quả cuối cùng là chếđộ ma sát không bình thường và sự hư hỏng bề mặt tiếp xúc xuất hiện có thể chuyển sang tróc, dập, cào xước… Chế độ bình thuờng được xác định bằng hệ số ma sát ổn định và hao mòn cho phép( nhỏ nhất) diễn ra do sự hình thành các cấu trúc thứ cấp bên trên bề mặt kim loại chịu ma sát. Giới hạn của chếđộ làm việc bình thường được xác định bởi trị số áp suất pháp tuyến tới hạn Pth. Việc vượt qua Pth sẽ dẫn đến hiện tượng tróc dập, cào xước và những quá trình không bình thường khác với cường độ khác nhau.

b. Quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc độ trượt f = f ( v)

Quan hệ này có 3 vùng đặc trưng sau:

- Vùng I: Chếđộ bình thường, ứng với hao mòn ôxi hóa ổn định ( vth’ < v < vth,, ) - Vùng II: Các quá trình không bình thường, pháp triển khi có hiện tượng tróc ( 0 < V < V’th .)

- Vùng III: Các quá trình không bình thường, phát triển khi có hiện tượng tróc nhiệt ( v > vth,, ). Vùng ma sát bình thường nằm giữa tốc độ vth’ < và vth,, được đặc trưng bởi giá trị ổn định của hệ số ma sát và mòn cho phép. Nó được quyết định bởi sự cực tiểu hoá chiều dày của lớp biến dạng dẻo và sự hình thành các cấu trúc thứ cấp tuỳ thuộc vào sự thay đổi của các thông số ma sát.

d. Quan hệ giữa hệ số ma sát và các thông số khác

Hệ số ma sát được quyết định bởi các thông số ma sát đó là vật liệu và công nghệ chế tạo ra chúng, các kích thước của các cặp lắp ghép ; kiểu và tính chất bôi trơn…Tác dụng tổ hợp của các thông sốấy sẽ làm thay đổi các hàm chủ yếu.

f = f ( p ) và f = f( v). ảnh hưởng này được xác định thông qua vetơ c trong đó có nhiệt

độ, độẩm,... Trong trường hợp tổng quát hệ số ma sát được thể hiện bằng toán tử : f = A( p)

2.3.5. Tính toán hệ số ma sát

Fms = F pt + F ch f = f pt +f ch

a. Công thức tính hệ số ma sát theo kinh nghiệm

F ms= f.N f - Hệ số ma sát N – TảI trọng pháp tuyến Theo Leonardvinci f = 0,25 b. COULOMB F ms= A + B.N Hay f = ( A/N) + B

A : Là đặc trưng cho mối tương tác giữa hai vật thể ma sát c. TABOR và BOWDEN Thành phần biến dạng là không đáng kể so với thành phần ma sát phân tử f pt = t p   - Độ bền cắt của vật liệu mềm hơn pt - Áp lực chảy f = 0,17 – 0,2

d.Công thức R.Kinh và Tabor

f = f0 +K. t   Trong đó : K- Là hệ số thực nghiệm

Khi f = 0 và K= 1 ta sử dung côngthức Tabor và Bowden

e. Công thức R.T.Spurr và T.P.Navcomb có mối quan hệ

f = D d  3 4 Trong đó : D- là đường kính mẫu thử

d- Là chiều rộng vết đường trượt

i.Công thức Rabinowic tính hệ số ma sát cho tiếp xúc dẻo

f =         a p W P ab t . cos . 2 1  Trong đó :  và PT - sức bền cắt và giới hạn chảy Wab – năng lượng bám dính - Góc nghiêng của nhấp nhô. a- Bán kính vùng bám dính 2.4.MÒN VẬT LIỆU 2.4.1.Định nghĩa

- Mòn là quá trình phá hủy lớp bề mặt của vật rắn trong tiếp xúc ma sát, giá trị

mòn được đánh giá theo sự suy giảm kích thước hay khối lượng hoặc theo thể tích mòn.

- Mòn là một phản ứng của hệ thống ma sát đối với tác động của hệ thống bên ngoài.

- Dạng mòn chính xác không thể xác định bởi các giới hạn đơn giản. Nó phụ thuộc vào nhiều đặc tính, đồng thời cũng cho thấy cơ chế của quá trình mòn bề mặt là khác nhau trong những điều kiện cụ thể.

+ Căn cứ vào vật thể thứ 3 hình thành khi ma sát để phân biệt 3 quá trình mòn : mòn không bôi trơn, mòn bôi trơn giới hạn và mòn bám dính.

+ Căn cứ vào biến dạng của lớp bề mặt khi tiếp xúc ma sát để phân biệt ma sát mòn trong quá trình tiế xúc đàn hồi, đàn dẻo – dẻo và cắt tế vi.

+ Căn cứ vào thời gian có 3 giai đoạn cơ bản: chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt.

2.4.2.Mòn của cặp ma sát

- Mòn cặp ma sát là quá trình mòn tại bề mặt tiếp xúc có chuyển động tương đối của các chi tiết lắp ghép trong điều kiện sử dụng.

- Kết cấu ma sát là kết cấu máy chứa các cặp ma sát chúng có vai trò quan trọng trong phân bố áp suất làm việc, tỏa nhiệt, chống bụi….

- Lượng mòn : ( U) Là mòn của cặp ma sát trong khoảng thời gian hoặc trên một quãng đường ma sát nào đó ( mm , mg, mm3…). Nó có thểđánh giá theo chiều cao của lớp mòn bên trên bề mặt ma sát hay theo khối lượng mất đi của cặp ma sát trong quá trình làm việc hoặc theo thể tích mòn của bề mặt khi đang hoạt động.

- Tốc độ mòn : Là đạo hàm của lượng mòn theo thời gian hoặc theo quãng đường ma sát

dl du dt du

tg, , . Nó sử dụng để đánh giá quá trình mòn và so sánh với mòn tiêu

chuẩn.

- Cường độ mòn của cặp ma sát I: Là đại lượng đánh giá mòn trên một đơn vị

- Cường độ mòn không thứ nghuyên Ih : Không phụ thuộc vào đơn vị đo dùng để đánh giá quá trình mòn, xác định dạng biến dạng, hoặc so sánh với quá trình mòn tiêu chuẩn.

- Lượng mòn giới hạn của một cặp ma sát Umax _ Là lượng mòn mà nếu tiếp tục sử dụng sẽ gây ra hư hỏng hoặc không có hiệu quả kinh tế, là căn cứ cơ bản để xác