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, ngỗng trục chịu tác dụng theo hướng BE bắt đầu quay và bị ép trực tiếp lên ổ đỡ tại E. Từ thời điểm ngỗng trục bắt đầu quay điểm tiếp xúc này dịch chuyển cùng với hướng quay của trục và có xu hướng dịch về phía trên.
Tiếp tục tăng tốc độ quay của trục sẽ làm suất hiện chem. dầu có tác dụng nâng trục không cho chúng tiếp xúc trực tiếp với ổ đỡ.
1- Trục. 2- Ổ đỡ. 3- Chêm dầu.
Chêm dầu được hình thành là do hiệu quả của ma sát trong dầu bôi trơn. Trục quay cuốn theo các lớp dầu bám theo nó với các vận tốc khác nhau. Vận tốc của các lớp dầu có phân bố theo quy luật gradient được tạo nên giữa ổ đỡ và ngỗng trục. Chính do nội ma sát trong lớp dầu mà hầu như toàn bộ lượng dầu chứa trong ổ chuyển động tuần hoàn quanh chu vi ổ trục nhữnglớp mỏng bám trên thành của ổ đỡ và ngỗng trục.
*Ưu nhược điểm:
Ưu điểm: - Hê thống đơn giản gọn nhẹ hơn nhiều so với bôi trơn thuỷ tĩnh. Nhược điểm:
- Độ chính xác chế tạo cao.
Hình 1.12:
- Khi khởi động và ở tốc độ thấp khó hình thành sự chêm dầu.
- Không hoàn toàn bảo đảm được chế độ bôi trơn ướt nên hệ số ma sát khá lớn: µ = 10ˉ³.
CHƯƠNG 2
DÙNG QUANG PHỔ PHÂN TÍCH DẦU BÔI TRƠN
CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ 2.1. Động học về hàm lượng tạp chất trong dầu bôi trơn
2.1.1. Bảo quản và xử lý dầu bôi trơn
Để giảm nguy cơ ô nhiễm chất bôi trơn, cần phải bảo quản dầu bôi trơn trong kho kín trong các thùng chứa có nắp đậy cẩn thận, giữ sạch khu vực bảo quản. Nhận biết từng loại dầu một cách rỏ ràng để tránh nhầm lẫn hoặc pha trộn. Sử dụng thiết bị đo và rót dầu riêng cho từng loại dầu. Các nắp thùng chứa dầu phải được siết chặt khi bảo quản hoặc sạu khi sử dụng. Chỉ dùng loại chìa khoá chuyên dùng để đóng mở nắp thùng.
Phương pháp chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ thông qua việc xác định hàm lượng sản vật mài mòn trong dầu cacte có khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng mà không hạ thấp mức độ hoạt động, tính tin cậy nhờ không phải tháo dời động cơ . Khả năng và tính hợp lý của phương pháp này dựa trên cơ sở của đặc tính mài mòn không đều và xác định được một cách khá chính xác trạng thái kỹ thuật của động cơ Trong quá trình làm việc của động cơ dầu nhớt thực hiện các chức năng bôi trơn, làm kín, làm mát, làm sạch, bảo vệ bề mặt v.v..Quá trình tác động tương hổ xảy ra giữa dầu bôi trơn với các bề mặt chi tiết máy, với các chất hoạt tính, với sản phẩm cháy, do vậy dầu bôi trơn đã bị lẩn tạp chất và do vậy chất lượng và tính năng của dầu bôi trơn giảm dần qua thời gian sử dụng. Nhưng nhờ có bầu lọc dầu nên một phần tạp chất bị tách ra khỏi dầu do đó mà dầu được sạch hơn đôi chút, thời gian bôi trơn tăng lên.
Khi chất lượng của dầu bôi trơn giảm thì độ mài mòn của các chi tiết tăng lên, mà độ mài mòn của chi tiết tăng thì hàm lượng tạp chất trong dầu cũng tăng lên, mức độ nhiễm tạp chất phụ thuộc và độ lọc sạch của bầu lọc.
Hàm lượng tạp chất do mài mòn (gọi là sản vật mài mòn) trong dầu rất có ảnh hưởng đến cường độ mài mòn. Trong dầu mới, lượng tạp chất mài mòn không vượt quá 1g trong 1lít dầu. Trong quá trình sử dụng tạp chất trong dầu bôi trơn tăng lên đến một thời gian làm việc nhất định thì bắt buộc phải thay dầu bôi trơn, nếu như kéo dài thời giam làm việc hơn nữa thì hàm lượng sản vật mài mòn tăng lên tới 5g/l dầu, nghĩa là tăng lên gấp 5 lần.
1.Phân tích dầu là một trong những công cụ chẩn đoán quan trọng nhất với sự kiểm tra này ta có khả năng: Giám sát chất lượng quá trình bảo trì các bộ lọc dầu và khí, khoảng thời gian thực hiện sự thay đổi dầu.
2.Thiết lập quy trình sửa chữa chính.
3.Chẩn đoán các hư hỏng động cơ chính xác hơn
Sử dụng phương pháp đo lượng sản vật mài mòn trong dầu để xác định trạng thái kỹ thuật của động cơ mà không cần phải tháo rời các chi tiết của động cơ.
Ngay từ năm 1927, người ta đã bắt đầu nghiên cứu theo hướng này. Lúc đó, người ta đề xuất phương pháp xác định độ mài mòn của động cơ trên cơ sở chỉ số sắt trong dầu nhớt rồi thiết lập đồ thị đường mài mòn trên kết quả phân tích hàm lượng sắt trong dầu thải. Phương pháp này rút ngắn quá trình kiểm tra độ mài mòn của động cơ nhưng không hoàn chỉnh vì không xác định đầy đủ ảnh hưởng của sự biến đổi thể tích do dầu bị cháy hao.
Việc đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ không cần phải tháo rời, trên cơ sở xác định hàm lượng sản vật mài mòn trong dầu, trong quá trình vận hành là một phương pháp gián tiếp. Muốn vậy, cần phải nghiên cứu sự biến động hàm lượng tạp chất trong dầu nhớt có kể đến từng điều kiện vận hành cụ thể, đến chu kỳ sửa chữa và cần vận dụng lý thuyết độ tin cậy của máy, cơ cấu máy. Thiết lập đồ thị chỉ rõ mối quan hệ hàm lượng tạp chất trong gian đoạn mài mòn trên cơ sở phân tích dầu bằng quang phổ. Bằng đồ thị xác định được trị số giới hạn tạp chất mài mòn trong dầu. Thông số này không phải luôn luôn phù hợp với trạng thái sự cố của động cơ. Cần lưu ý rằng, khi tăng thời gian làm việc của động cơ, hoặc ngay sau khi ở xưởng sửa chữa ra, không phải là toàn bộ chi tiết phục hồi điều đạt tới kích thước nguyên thuỷ. Vì vậy mà độ bền, chiụ mòn của động cơ sẽ rất khác nhau, còn thông số giới hạn cho phép của hàm lượng
tạp chất mòn sẽ biến động trong một giới hạn rất rộng. Vì vậy để có thể thiết lập được phương pháp kiểm tra trạng thái kỹ thuật của động cơ không cần tháo rời ta phải nắm chắc được sự biến động của hàm lượng tạp chất trong dầu (có chú ý đến điều kiện vận hành và độ bền của động cơ).
Hình 2.1: Sơ đồ tác động tương đối giữa dầu nhớt trong cacte với tạp chất: qg - lượng dầu sạch bổ sung cho vào cacte. (kg/h).
qm - lượng nhiên liệu chưa cháy lọt và cacte, (kg/h). qy - lượng dầu cháy hao và thải khỏi cacte, (kg/h). g- tạp chất lọt vào dầu, (kg/h).
qM0 -dầu bẩn đi qua bầu lọc.
ky - là hiệu suất lọc sạch của bầu lọc. Q- là dầu bẩn (dầu có tạp chất). G - lượng tạp chất có trong dầu.
Q0- số lượng ban đầu của dầu trong cacte, (kg). K- hàm lượng tạp chất trong dầu, (kg/kg).
qn - giá trị tương đương dòng dầu chảy qua bầu lọc, (kg/h). qm - lượng dầu qua bầu lọc, (kg/h).
µM- hệ số lọc sạch.
Nếu coi mật độ tạp chất trong cacte lúc động cơ đang làm việc phân bố điều và có sự bù đắp sự hao tổn dầu, thì phương trình vi phân của sự cân bằng vật chất trong hệ thống dầu bôi trơn sẽ có dạng sau:
0 ( ) ( ) n g m y g m g q q q K dk dt Q q q q t (2.1)
Giải phương trình (2.1) ta được:
0 0 0 Bt A g Bt A K K I I I Q C A Q C (2.2) Trong đó:
K0- Trị số hàm lượng ban đầu của sắt trong dầu, K0 = 0. A = qn – qg – qm;
Khi động cơ làm việc số lượng dầu giữ ở một mức xác định, nghĩa là khi qy = qg – qm thì phương trình có dạng: 0 0 0 1 n y n y q q q q t t Q Q n y g K K e e q q (2.3)
Khi động cơ làm việc trong điều kiện không bổ sung dầu sạch và không có nhiên liệu chưa cháy lọt vào (qg = 0; qm = 0), thì phương trình có dạng:
0 0 ln 1 y y q t g K K q Q (2.4)
Phương trình (2.2) và (2.3) phù hợp với chế độ là việc chính của động cơ đốt trong trong thực tế vận hành và quá trình thí nghiệm. Phương trình (2.4) được thiết lập trên nguyên tắc động cơ làm việc không bổ sung dầu và chỉ được áp dụng để tính toán khi biết chắc rằng lượng nhiên liệu chưa cháy lọt rất ít vào dầu cacte.
Để phân tích hàm lượng tạp chất trong hệ thống bôi trơn, khi dầu giữ ở một trị số xác định thì sử dụng phương trình (2.3).
Khi xác định yếu tố mài mòn lắng trong cacte khi vận hành cũng như khi thí nghiệm động cơ không được dùng công thức này thay lẫn cho công thức kia. điều này dẫn đến sai số.
Theo phương pháp này để xác định độ mài mòn của các bộ phận động cơ theo trị số hàm lượng tạp chất trong dầu cần phải kể đến sản vật mài mòn của nhóm piston – xylanh đã theo khí thải ra ngoài.
Khi hàm lượng tạp chất tăng lên thì lượng tạp chất được giữ lại trong bầu lọc và theo khí thải ra ngoài cũng tăng lên.
Sử dụng phương trình (1.3) với biểu thức
0 n y q q t Q được gọi là hệ số thể tích dầu tham gia trong hệ thống dầu bôi trơn ứng với một thời gian nào đó [gọi tắt là hệ số tham gia (HSTG) ký hiệu (m)].
0 m 1 m n y g K K e e q q (2.5)
Với số liệu minh hoạ trên:
1 m y g K e q
Khi hệ số tham gia (m = 1) thì hàm lượng sắt đạt tới 62% ; khi m = 2 là 80% và khi m = 3 là 96%, lớn nhất là 100%. Thực tế khi m = 3 là hàm lượng sắt trong dầu đạt tới trị số bảo hoà.
Trong quá trình động cơ làm việc không cần phải lưu ý đến sự biến đổi theo chu kỳ của thể tích dầu nhớt, thực tế biến đổi đó không có ảnh hưởng. Điều này được thấy rõ trên đường 2 và 3 (hình 2.2).
Hình 2.2. Mô tả mối quan hệ giữa hàm lượng sắt trong dầu động cơ diesel
K0 = 0, Kg = 0,
1. không đổ thêm dầu. 2. Có bổ sung dầu thường
xuyên.
3. Bổ xung dầu định kỳ, với lượng mỗi lần bổ sung là 0,2Q0.
2.1.3. Quan hệ giữa lượng dầu bôi trơn trong cacte và hàm lượng tạp chất
trong dầu.
Kết quả phân tích từ số liệu thực nghiệm có thể rút ra một số kết luận về việc xác định trị số tối ưu của lượng dầu trong hệ thống dầu bôi trơn của động cơ đốt trong. Ví dụ: khi tổng khối lượng dầu Q0 = 1440 kg và mức độ nhiễm tạp chất là g = 0,15 g/hao mòn sau 1000 giờ làm việc, hàm lượng tạp chất bằng 6
60.10 còn HSTG m=1,2, đối với động cơ 2д-100.
Quan hệ hàm lượng sắt trong dầu động cơ Diesel 2д-100 với thời gian làm việc và thể tích dầu trong hệ thống bôi trơn:
1- 1440 kg dầu trong cacte. 2- 720 kg dầu trong cacte. 3- 360 kg dầu trong cacte.
Trên (hình 2.3) cho thấy khi giảm thể tích lượng dầu trong cacte hàm lượng tạp chất trong dầu nhớt tăng không theo tỉ lệ tương ứng.
Về mặt kinh tế có thể giảm lượng dầu trong cacte mà cũng không làm cho dầu