Tính bôi trơn

Cho đến nay đã có khá nhiều quan niệm khác nhau về tính bôi trơn của chất bôi trơn. Có thể lệt kê dưới đây một số định nghĩa về tính bôi trơn:

1) Tính bôi trơn là tính chất được đặc trưng bởi khả năng bám dính trên các bề mặt được bôi trơn để ngăn chặn sự xuất hiện ma sát khô.

2) Tính bôi trơn là thước đo sự khác nhau về sức cản ma sát khi so sánh các loại dầu bôi trơn có cùng độ nhớt.

3) Tính bôi trơn là tổ hợp các tính chất tác dụng tương hỗ giữa các bề mặt có tiếp xúc với môi trường bôi trơn, đảm bảo lực ma sát và hao mòn của bề mặt được bôi trơn là nhỏ nhất.

Tính bôi trơn không chỉ phụ thuộc vào bản thân chất bôi trơn, mà còn chiệu ảnh hưởng, ở mức độ khác nhau, của hàng loạt các yếu tố ngoại cảnh khác, như: vật liệu được bôi trơn, tải tác dụng lên bề mặt bôi trơn, tốc độ tương đối của các bề mặt bôi trơn, khe hở giữa các bề mặt ma sát, v.v.

Độ nhớt: Độ nhớt là một trong những chỉ tiêu có ý nghĩa quyết định chất lượng của chất bôi trợn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao năng lượng do ma sát, cường độ hao mòn chi tiết máy, khả năng làm kín, khả năng làm mát,v.v. Khi chọn độ nhớt của chất bôi trơn cần phải tính đến tính năng, đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của động cơ được bôi trơn. Độ nhớt quá cao sẽ làm tăng tổn hao năng lượng do ma sát, giảm khả năng làm mát. Ngược lại, độ nhớt quá thấp sẽ làm tăng cường độ hao mòn và giảm khả năng làm kím.

1.3.3. Phân loại

Có nhiều phương pháp phân loại: sau đây là phương pháp phân loại dựa trên các vật liệu bôi trơn khác nhau và kỹ thuật sử dụng vật liệu bôi trơn.

- Theo thể mạng: người ta chia vật liệu bôi trơn ra các loại: rắn, lỏng, đặc, khí. - Theo kỹ thuật sử dụng vật liệu bôi trơn: người ta phân các chế độ bôi trơn ra:

1) Bôi trơn ướt. 2) Bôi trơn nửa ướt. 3) Bôi trơn giới hạn.

Phân loại tổng quát chất bôi trơn: có rất nhiều chất có thể dùng để bôi trơn, như mỡ động vật, dầu thực vật, nước, v.v. Trong một số trường hợp, người ta dùng cả chất rắn và chất khí để bôi trơn, ví dụ: graphíte, molybdenum, disulfide, một số khí hydrocarbon.

Bảng 1.3: Phân loại chất bôi trơn

Tiêu chí phân loại Loại chất bôi trơn

Trạng thái ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển

- Khí bôi trơn - Dầu bôi trơn - Mỡ bôi trơn - Chất rắn bôi trơn

Nguyên liệu sản xuất chất bôi trơn - Chất bôi trơn sản xuất từ khoáng chất (dầu khoáng)

- Chất bôi trơn sản xuất từ động, thực vật

Nhóm hydrocarbon chiếm ưu thế - Dầu parafin - Dần naphthene - Dầu aromatic Phương pháp sản xuất - Dầu chưng cất

- Dầu tinh chế - Chất bôi trơn tổng hợp Mục đích sử dụng - Dầu động cơ - Dầu máy lạnh - Dầu thuỷ lực - Dầu truyền động - Dầu cách điện v.v.

Độ nhớt - SAE: 20W, SAE: 30, SAE: 40, SAE: 50, v.v.

1.3.4. Phân loại dầu bôi trơn động cơ đốt trong

Bảng 1.4: phân loại dầu bôi trơn theo SAE.J300a.

Độ nhớt 0 E     Ở o°F (-17,8 °C) Ở 210 °F (98,9 °C) Mã hiệu

Min Max Min Max

Ước lượng độ nhớt ở 50°C 0 E     SAE 5W - 172 - < 2,5 SAE 10W 172 343 - 3,0 - 4,0 SAE 20W 343 1386 } 1,30 - 4,0 - 6,5 SAE 20 - - 1,45 1,80 3,5 - 6,5 SAE 30 - - 1,80 2,12 6,5 - 10,0 SAE 40 - - 2,12 2,52 10,0 - 16,0 SAE 50 - - 2,52 3,19 16,0 – 26,0

Theo tiêu chuẩn SAE J300a, các số 5, 10, 20, 30,…trong mã hiệu mỗi loại dầu động cơ ( bảng 1.4) không phải là trị số của độ nhớt mà là những số quy ước có liên quan đến độ nhớt. Chữ W ký hiệu loại dầu dùng trong mùa đông, chúng có độ nhớt giới hạn tối đa ở 0°F để đảm bảo khởi động được động cơ trong thời tiết lạnh. Các loại dầu khác có độ nhớt giới hạn tối thiểu ở 210 °F, đảm bảo sự hoạt động an toàn của động cơ trong thời tiết điều kiện thời tiết nóng và chế độ làm việc nặng. Dầu động cơ dùng trong cả mùa đông và mùa hè được ký hiệu bằng 2 nhóm chữ và số, ví dụ SAE 5W/ 10W, SAE 10W/20, SAE20W/30, v.v.

1.3.5. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu bôi trơn

1.3.5.1. Một số tính chất vật lý

1) Khối lượng riêng (KLR) và tỷ trọng:

- KLR đo bằng g/cm³ hay kg/cm³, là khối lượng của một đơn vị thể tích. - Tỷ trọng: tỷ số KLR của một ch ất ở nhiệt độ nào đó so với KLR

của nước ở 40 °C.

KLR là một tính chất cơ bản cùng với những tính chất vật lý khác nó đặc trưng cho từng loại phân đoạn sản phẩm dầu mỏ cũng như dùng để đánh giá phần nào chất lượng của dầu thô. Đối với dầu bôi trơn KLR ít có ý nghĩa dùng để đánh giá chất lượng. KLR của dầu đã qua sử dụng không khác nhau là mấy so với dầu chưa qua sử dụng.

2) Màu sắc dầu bôi trơn

Các loại sản phẩm dầu mỏ thường được xác định màu sắc, để trên cơ sở đó xem xét sản phẩm còn giữ được chất lượng.

Chỉ tiêu màu sắc của dầu nhờn được sử dụng chủ yếu kiểm tra quá trình pha chế. Đối với người tiêu dùng đó cùng là chỉ tiêu mang tính cảm quan có tác động tâm lý, và người ta ưa dùng những loại dầu nhờn màu sáng.

1.3.5.2.Tính bôi trơn và lưu chuyển của dầu bôi trơn

Khi máy móc làm việc, dầu bôi trơn được lưu chuyển trong hệ thống bôi trơn, để dầu có thể bôi trơn tốt, đồng thời thực hiện các chức năng khác, yêu cầu cần phải có tính lưu chuyển tốt. Để đánh giá tính lưu chuyển của dầu bôi trơn ở các điều kiện khác nhau và xét khả năng bôi trơn của chúng, người ta sử dụng các chỉ tiêu chất lượng là độ nhớt, chỉ số nhớt và nhiệt độ đông đặc.

1) Độ nhớt

Độ nhớt là một tính chất cơ bản và quan trọng nhất của dầu bôi trơn, thông thường được đánh giá bằng độ nhớt động học, đo bằng mm²/sec (centi stock). Độ nhớt động học được tính theo công thức sau:

V = C.t (1.1) V - Độ nhớt động học (mm²/sec)

C - Hằng số của ống đo độ nhớt.

t - Thời gian thể lỏng chảy qua mao quản.

Độ nhớt của nhóm hydrôcacbon thay đổi theo thứ tự sau:

Nhóm hydrôcacbon parafin nhóm hydrôcacbon thơm, nhóm naphten khi sử dụng dầu bôi trơn phải chú ý đến sự thích hợp của độ nhớt tới từng loại máy móc, động cơ, nếu không thích hợp sẽ gây ra những tác hại sau:

- Khi độ nhớt quá lớn sẽ làm giảm công suất máy do tiêu hao nhiều công để thắng lực cản của dầu, khó khởi động máy, nhất là vào mùa đông nhiệt độ môi trường thấp, giảm khả năng làm mát máy, làm sạch máy do dầu lưu thông kém.

- Khi độ nhớt quá nhỏ dầu sẽ không tạo được lớp màng bền vững bảo vệ các chi tiết máy móc nên làm tăng sự ma sát, đưa đến ma sát nửa ướt gây hư hại máy móc, giảm công suất, tác dụng làm kín kém, lượng dầu hao hụt nhiều trong quá trình sử dụng.

2) Chỉ số độ nhớt

Chỉ số độ nhớt là một hệ số chuyên dùng để đánh giá sự thay đổi độ nhớt của dầu bôi trơn theo nhiệt độ. Chỉ số độ nhớt càng cao có nghĩa là chỉ số độ nhớt của dầu càng ít thay đổi theo nhiệt độ và ngược lại. Loại dầu có chỉ số độ nhớt cao là dầu có tính nhớt - nhiệt tốt.

Chỉ số độ nhớt ký hiệu VI (Viscocity Index)

Họ dầu gốc parafin có tính nhớt nhiệt tốt, quy ước VI = 100. Họ dầu naphten có độ nhớt nhiệt kém, quy ước VI = 0.

Chỉ số độ nhớt của dầu thí nghiệm được xác định theo công thức sau:

VI = 100 L U

L H



 (1.2)

L và H - được tra trong bảng số ASTM D2270 dựa theo độ nhớt ở 100°C (cSt) của dầu thử nghiệm.

U - độ nhớt ở 40 °C (cSt) của dầu thử nghiệm.

Nếu L > U > H thì VI sẽ trong khoảng 0 và 100.

Nếu H > U thì VI lớn hơn 100. Dầu này có tính nhớt nhiệt tốt, thông thường dầu bôi trơn có VI ≈ 95.

1) Nhiệt độ đông đặc và vẫn đục

Hai tiêu chuẩn đo bằng °C, yêu cầu dầu bôi trơn có nhiệt độ đông đặc và vẫn đục không thấp hơn giới hạn cho phép. Chỉ tiêu chất lượng này đặc biệt quan trọng đối với các nước cùng giá lạnh. Ở nước ta thông thường không vượt quá – 9 °C.

1.3.5.3. Tính bay hơi của dầu bôi trơn

Thành phần chính của dầu bôi trơn (nhớt) là hydrôcacbon có nhiệt độ sôi cao do đó chúng rất khó bay hơi. Tuy vậy, người ta vẩn đánh giá tính bay hơi của dầu nhớt vì có thể có những thành phần nhẹ lẩn trong dầu, nhất là dầu đã qua sử dụng thường hay bị lẫn nhiên liệu.

- Tính bay hơi của dầu có liên quan đến an toàn cháy nổ nên được đánh giá cẩn thận qua các chỉ tiêu độ chớp cháy và lượng nhiên liệu lẩn vào dầu.

- Nhiệt độ bén cháy. Là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi dầu thoát ra trên bề mặt dầu có thể bén cháy khi có mồi lửa lại gần.

- Nhiệt độ chớp cháy. Là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi thoát ra trên bề mặt dầu có thể bén cháy khi có mồi lửa lại gần và cháy ít nhất trong thời gian 5 giây không tắt.

- Nhiên liệu lẩn vào dầu sẽ là giảm nhiệt độ bén cháy và nhiệt độ chớp cháy, dễ gây nên mất an toàn cháy nổ và làm giảm chất lượng dầu về nhiều mặt.

1.3.5.4.Trọng lượng riêng

Trọng lượng riêng là sự so sách trọng lượng giữa dầu và nước có cùng thể tích, đại lượng này hầu như không liên quan với độ nhớt hoặc chất lượng dầu bôi trơn.

1.3.6.Yêu cầu đối với dầu bôi trơn

Ngày nay, do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, dầu bôi trơn không chỉ thoả mãn yêu cầu kỹ thuật đó là giảm tổn thất công mất nảy sinh giữa các chi tiết chịu ma sát của máy móc và cơ cấu, giảm hao mòn chi tiết máy, mà dầu bôi trơn cần

phải được cải thiện chất lượng để đáp ứng những nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng:

1) Giảm lực ma sát.

2) Giảm cường độ hao mòn. 3) Làm mát các chi tiết máy.

4) Bảo vệ các chi tiết máy khỏi bị han gỉ.

5) Bảo vệ độ kín khít của các chi tiết chịu ma sát. 6) Làm sạch các bề mặt chi tiết.

7) Đảm bảo khả năng làm việc ở tốc độ cao, áp suất lớn.

8) Tạo sức cản trợt lớn theo phương vuông góc với bề mặt ma sát, nhỏ theo phương tiếp tuyến.

9) Không gây cháy nổ, không gây tác hại đối với chi tiết. 10) Không tạo cấu cặn có hại, không sinh bọt, tạo nhũ.

11) Vận chuyển dễ dàng, không độc hại và gây ô nhiễm môi trường, giá thành không quá cao.v.v…

Không một loại dầu nào thoả mãn tất cả các yêu câu trên, vậy tuỳ theo từng điều kiện cụ thể mà chúng ta lựa chọn dầu bôi trơn cho phù hợp nhất.

1.3.7. Sử dụng chất bôi trơn

Lịch sử về vấn đề bôi trơn đã ra đời từ rất xa xưa người Ai Cập cổ đại đã biết dùng dầu thực vật bôi trơn để giảm ma sát khi vận chuyển các khối đá lớn xuây dựng kim tự tháp Hình 1.10: bôi trơn bằng cách bôi quét của người cổ đại.

Kim Tự Tháp Ai Cập.

Từ năm 1870 – 1900 dầu khoáng được sử dụng. Từ năm 1950 – 1970 dầu khoáng có chất pha phổ biến. Từ năm 1970 đến nay, nhiều loại dầu tổng hợp có chứa chất pha nhiều tác dụng đã ra đời.

Lý thuyết về bôi trơn và hao mòn cũng như ma sát ngày càng được hoàn thiện và ngày càng đi sâu vào bản chất vấn đề, góp phần đắc lực thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế Quốc dân, ở các nước phát triển. Như Anh, năm 1966 đã công bố kết quả nghiên cứu của nhóm chuyên gia dưới sự điều khiển của H. P. Jest. Theo báo cáo của nhóm này, ở Anh nếu chỉ hoàn thiện kỹ thuật bôi trơn thì hàng năm có thể tiết kiệm cho nước Anh 515 triệu bảng. Ở Mỹ, theo công bố mới đây của chương trình ECUT việc hoàn thiện các quá trình Tribology có thể tiết kiệm cho nước Mỹ 4,22 TJ năng lượng. Theo một số nhà nghiên cứu có uy tín trên thế giới, hàng năm ma sát đã lấy đi của loài người 30 – 35% năng lượng được sản xuất ra. Củng phải nói thêm rằng hàng năm trên thế giới hàng trăm ngàn các máy móc thiết bị loại ra khỏi dây chuyền sản xuất do hậu quả của hao mòn. Từ đó ta thấy việc nghiên cứu Tribology và ứng dụng những kết quả nghiên cứu vào sản xuất có ý nghĩa kinh tế biết nhường nào, nhất là đối với đất nước ta khi mà trình độ khoa học kỹ thuật nói chung cũng như trình độ về sử dụng các thiết bị và máy móc còn nhiều hạn chế nếu như không nói là ở trình độ thấp.

Sử dụng dầu bôi trơn dưới tác động của chất hoạt tính hoá học có trong dầu bôi trơn sẽ tạo ra lớp thứ cấp có lợi cho ma sát và hao mòn.

Khi liên kết ma sát làm việc, các chất hoạt tính hoá học (S,O, P, CL,…) sẽ hấp phụ hay khuếch tán vào lớp bề mặt tạo dung dịch rắn với kim loại, cũng có thể tạo các hợp chất hoá học… để hình thành lớp thứ cấp. Bản chất, cấu trúc, tính chất cơ – lý – hoá của nó, sự bám dính của nó với kim loại gốc sẽ có tác dụng tới ma sát và hao mòn bình thường, có khả năng chống tróc loại I và tróc loại II .

Ví dụ: Sunfuaxianua đồng, cho phép tăng tải trọng giới hạn gây tróc loại I lên hai lần. Còn nếu dùng chất pha Tricrezilfotfat, Pentaclodifennil thì giới hạn tăng lên từ 1,5 – 1,7 lần và hao mòn giảm xuống.

1.3.7.1. Sử dụng chất bôi trơn trong bôi trơn thuỷ tĩnh

Bôi trơn thuỷ tỉnh là hình thức bôi trơn trong chất lỏng bôi trơn được duy trì dưới áp suất nhất định từ nguồn năng lượng bên ngoài. Các bề mặt ma sát hoàn toàn được phân cách bởi chất lỏng bôi trơn.

Nguyên lý hoạt động:

dầu áp lực nâng trục 2 lên giữ nó ở vị trí nhất định khi có tải, trục di chuyển một lượng nhỏ theo chiều ngoại lực làm thay đổi áp lực trong buồng dầu để ổ làm việc ở chể độ ma sát ướt.

Hình 1.11: là sơ đồ của ổ trục được bôi trơn bằng chất lỏng, trong trường hợp bôi trơn thuỷ tỉnh.

1 - Ổ đỡ. 2 - Trục.

3 - Dầu bôi trơn. 4 - Đường dầu áp lực.

Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

- Hệ số ma sát rất nhỏ có thể đạt tới µ = 0,000004.

- Có khả năng chịu tải cao ngay cả khi vận tốc của ngỗng trục rất thấp. - Không có ma sát khô và ma sát cục bộ khi khởi động.

- Khả năng chống rung cao, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị. - Thiết bị chạy êm khi khởi động máy và thay đổi tốc độ.

Nhược điểm:

- Kết cấu phức tạp.

- Hệ thống cấp dầu cao áp cồng kềnh.

- Giá thành cao.

- Yêu cầu chế tạo phải có độ chính xác cao.

1.3.7.2. Bôi trơn thuỷ động

Quá trình hình thành các chêm dầu sơ đồ thí nghiệm (hình 1.12), trong ổ,