1.4.1. Các đại l−ợng đặc tr−ng của ma sát
Để đánh giá ma sát th−ờng sử dụng ba đại l−ợng không thứ nguyên: hệ số ma sát, hệ số ma sát khi va đập và hệ số mất mát năng l−ợng khi ma sát.
Hệ số ma sát tr−ợt là tỷ số giữa lực ma sát và tải pháp tuyến N F f = (1.3) Trong đó: F – lực ma sát N – tải pháp tuyến
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 22 Trong tr−ờng hợp gia công chi tiết bằng biện pháp gia công áp lực thì hệ số ma sát là tỷ số của sức bền tiếp tuyến trong vùng tiếp xúc giữa hai vật thể và giới hạn chảy của kim loại yếu hơn, nó t−ơng ứng với lý thuyết biến dạng dẻo, hệ số ma sát v−ợt quá 0,5.
Hệ số ma sát khi va đập là tỷ số của l−ợng thay đổi về mặt động l−ợng của vật thể va đập theo h−ớng tiếp tuyến và pháp tuyến
( ) (mvn) mv f ∆ ∆ = 1 (1.4) Trong đó: ∆(mv1) – l−ợng thay đổi động l−ợng theo ph−ơng tiếp tuyến
∆(mvn) – l−ợng thay đổi động l−ợng theo ph−ơng pháp tuyến Hệ số mất mát năng l−ọng khi ma sát là tỷ số của công tiêu hao để thắng lực ma sát và công tiêu hao chung:
Σ = W W f t (1.5) Trong đó: Wt – công tiêu hao để thắng lực ma sát.
W∑ - công tiêu hao chung.
Các đại l−ợng đặc tr−ng nói trên th−ờng đ−ợc sử dụng để phân tích và đánh giá các tổn thất về ma sát trong máy và cơ cấu
1.4.2. Phân loại các dạng ma sát
1.4.2.1. Phân loại ma sát theo dạng chuyển động.
Căn cứ vào dạng chuyển động của bề mặt ma sát có: ma sát tr−ợt, ma sát lăn, ma sát xoay và ma sát hỗn hợp.
- Ma sát tr−ợt là ma sát giữa hai bề mặt của vật rắn có chuyển động tr−ợt t−ơng đối, vận tốc tại các điểm tiếp xúc có giá trị và ph−ơng nh− nhau (hình 1.2a).
- Ma sát lăn là ma sát giữa hai bề mặt của vật rắn có chuyển động lăn t−ơng đối, vận tốc tại các điểm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị nh−ng luôn có ph−ơng nh− nhau (hình 1.2b).
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 23 - Ma sát xoay là ma sát giữa hai bề mặt có chuyển động xoay t−ơng đối, vận tốc tại các điểm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị và ph−ơng (hình 1.2c).
- Ma sát hỗn hợp là ma sát giữa các bề mặt có tổng hợp các dạng ma sát tr−ợt, lăn và xoay.
Hình 1.2: Các dạng ma sát theo căn cứ chuyển động.
1.4.2.2. Phân loại ma sát theo điều kiện bề mặt
Ma sát không 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 một chất nào. Trong một số tr−ờng hợp nó đ−ợc gọi là chất khô.
Ma sát bôi trơn giới hạn là ma sát của hai vật rắn giữa liên kết của chúng tồn tại một chất lỏng rất mỏng có cơ tính hoàn toàn khác khối chất bôi trơn( chiều dày cỡ phân tử đến 0,1àm ). Ma sát bôi trơn giới hạn cũng xảy ra khi bôi trơn bằng chất rắn. Do chiều dày màng dầu rất mỏng nên trong tr−ờng hợp này các ph−ơng trình thuỷ động không áp dụng đ−ợc.
Ma sát −ớt là ma sát giữa hai vật rắn đ−ợc phân tách hoàn toàn bởi các lớp chất bôi trơn có chuyển động t−ơng đối, khi đó tập hợp của tất cả các ứng suất tiếp tạo thành ma sát.
ω ω V c) b) a)
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 24 Ma sát nửa −ớt 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 −ớt. Ma sát nửa −ớt th−ờng xảy ra trong quá trình quá độ làm việc của ổ thuỷ động.
1.4.2.3. Phân loại ma sát theo động lực học tiếp xúc
Ma sát tĩnh là ma sát xuất hiện giữa hai bề mặt vật rắn trong trạng thái dịc chuyển ban đầu, khi đó thông th−ờng lực ma sát sẽ ngăn cản chuyển động của lớp bề mặt.
Ma sát động là ma sát xuất hiện giữa hai bề mặt vật rắn trong tr−ờng hợp có chuyển động t−ơng đối ở vùng tiếp xúc, trong tr−ờng hợp này lực ma sát động có tác dụng thúc đẩy quá trình biến dạng trên lớp bề mặt mỏng và làm tăng diện tích tiếp xúc.
1.4.2.4. Phân loại ma sát theo điều kiện bề mặt
Ma sát bình th−ờng là ma sát đ−ợc đặc tr−ng bởi sự cân bằng động giữa phá huỷ và phục hồi lớp màng mỏng có tính bảo vê trên bề mặt ma sát, mà thông th−ờng lớp màng ôxyt. Trong quá trình chạy rà điều kiện ma sát bình th−ờng sẽ dần đ−ợc thiết lập một cách tự phát trong khớp ma sát.
Ma sát không bình th−ờng là ma sát không đ−ợc phép xảy ra trong khớp ma sát, khi đó đỉnh nhấp nhô trong khớp ma sát sẽ thâm nhập vào nhau, gây ra cầy, x−ớc hoặc cắt vi mô,…. Khi đó tất cả các đặc tính tiếp xúc sẽ thay đổi hoàn toàn. Nói cách khác, sự phân cân bằng động giữa phá huỷ và phục hồi lớp màng thứ cấp có tính bảo vệ bị phá vỡ. Ma sát không bình th−ờng hay đ−ợc áp dụng để làm cơ sở cho các ph−ơng pháp công nghệ gia công tinh lần cuối nh− mài mòn nghiền, đánh bóng…
1.4.2.5. Các định luật cơ bản về ma sát
Ma sát ngoài là quá trình tiêu hao năng l−ợng khi hai vật thể rắn có chuyển động t−ơng đối ở vùng tiếp xúc thực d−ới tác động của tải trọng ngoài. Các định luật tổng quát về bảo toàn năng l−ợng, chuyển động và các nguyên
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 25 lý cực tiểu đ−ợc ứng dụng trong ma sát mòn bình th−ờng cho phép xác định đ−ợc mối quan hệ giữa các dạng t−ơng khác nhau trong quá trình ma sát.
1.Định luật ma sát thứ nhất
Với ý nghĩa tổng quát nhất, quá trình ma sát là quá trình chuyển động từ chuyển động cơ học vĩ mô của các vật rắn tiếp xúc ma sát thành chuyển động vi mô và siêu vi mô bên trong, kèm theo sự sinh nhiệt và sự thay đổi cấu trúc bên trong của các phần thể tích bề mặt tế vi tham gia vào quá trình. Theo định luật nhiệt động thứ nhất, quá trình ma sát ngoài đ−ợc biểu diễn bằng quan hệ:
A = Q + ∆Enn + ∆Es + Et + Ec (1.6) Trong đó: A – công của lực ma sát
Q – nhiệt đ−ợc sinh ra
∆Enn – l−ợng thay đổi nội năng ∆Es – số gia của năng l−ợng bề mặt Et – năng l−ợng tiêu tán bên ngoài
Ec – dùng để cắt và tr−ợt trong lớp giới hạn
Trên thực tế năng l−ợng tiêu tán bên ngoài Et và số gia của năng l−ợng bề mặt ∆Es là rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Định luật thứ nhất của ma sát ngoài đ−ợc phát biểu nh− sau.
“Công của ma sát ngoài bằng tổng của nhiệt sinh ra và các năng l−ợng đ−ợc hấp thụ” (chủ yếu do kim loại).
A = Q + ∆E (1.7)
∆E – tổng số độ tăng nhiệt hàm của bộ phận ma sát, vì độ tăng nhiệt hàm dầu không lớn nên có thể coi là năng l−ợng do kim loại hấp thụ.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 26
Hình 1.3: Quan hệ năng l−ợng
A E
∆ đối với các vùng ma sát khác nhau. a) Khi thay đổi áp suất pháp tuyến p, b) Khi thay đổi tốc độ chuyển động v.
I – vùng chuyển tiếp ứng với giá trị p,v nhỏ. II – vùng ma sát ngoài bình th−ờng.
III – vùng phá hoại cân bằng.
IV – vùng phát triển các quá trình không bình th−ờng.
A > Q (không bao giờ công của ma sát ngoài biến hoàn toàn thành nhiệt).
∆E > 0 (không bao giờ năng l−ợng hấp thụ bằng không).
Tỷ số giữa năng l−ợng bị hấp thụ và công của ma sát ngoài là một đại l−ợng thay đổi, phụ thuộc vào tính chất vật liệu và điều kiện ma sát ngoài:
const A E ≠ ∆ hay ∆ = A E f(p,v,c) E A min E A =min E A max I II III IV f 0 p E A =max E A min E A =min E A max I II III IV f 0 p E A =max a) b)
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 27 Trong đó: p - áp suất.
v – tốc độ tr−ợt.
c- vectơ thông số ma sát phụ thuộc tính chất vật liệu môi tr−ờng, nhiệt độ,…
Tỷ số giữa năng l−ợng bị hấp thụ và công của ma sát ngoài đ−ợc gọi là hàm năng l−ợng hấp thụ t−ơng đối của bề mặt ma sát.
Các sơ đồ nguyên tắc mô tả những quan hệ có thể có đối với khoảng biến thiên t−ơng ứng của tác động cơ học là áp suất p và tốc độ chuyển động v đ−ợc trình bày trên hình 1.3
Định luật thứ nhất cho phép đ−a ra khả năng điều khiển quá trình ma sát bằng cách điều chỉnh cân bằng năng l−ợng để có tỷ số
A E
∆ ổn định và nhỏ nhất.
2. Định luật ma sát thứ hai
Trên cơ sở phân tích ma sát ngoài trong mối quan hệ với các quá trình xảy ra trong vùng tiếp xúc, cho phép phát biểu định luật thứ hai của lý thuyết nh− sau: “lực ma sát là tổng của các lực thành phần đ−ợc dùng làm tiến triển các quá 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 + F5 + … + F10 (1.8) Trong đó:
Fms – tổng lực của các dạng liên kết.
F1 – lực ma sát bên trong của các lớp thuỷ khí động.
F2 – lực ma sát tựa thuỷ động (các lớp biên) – sự bám tr−ợt. F3 – lực tr−ợt trong các lớp giới hạn.
F4–lực hình thành dải trong các lớp bề mặt kim loại vật mỏng (từ 100ữ 400A0 ).
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 28 F6–lực biến dạng của các thể tích bề mặt vĩ mô - các thành phần cơ học.
F7 – lực phá hoại các liên kết khuếch tán (thành phần dính kết). F8 – lực t−ơng tác của tr−ờng phân tử của các pha rắn. F9BT- lực phá huỷ các khuếch tật tích luỹ và làm tan rY cấu trúc thứ cấp.
F10 – lực tản mát năng l−ợng ra ngoài (dao động âm, phát xạ…)
Thật vậy liên kết là một trong những lực gây ra công ma sát. Căn cứ vào các thành phần lực nói trên (dạng liên kết chủ yếu) có thể xác định các dạng ma sát chủ yếu nh− sau:
+ Chế độ thuỷ khí động: …F1& F2
+ Quá trình ma sát bình th−ờng: F3, F4, F5, F8, F9BT, F10 + Quá trình ma sát không bình th−ờng: F6, F7, F8, F9KBT, F10
Cần khẳng định rằng quá trình ma sát bình th−ờng và ma sát không bình th−ờng t−ơng ứng với các dạng liên kết khác nhau. Quá trình ma sát đ−ợc quan tâm nhất về lý thuyết và có ý nghĩa to lớn nhất đối với thực tiễn là quá trình ma sát bình th−ờng và các liên kết t−ơng ứng với nó. Quá trình ma sát bình th−ờng đ−ợc đặc tr−ng bằng tính ổn định của hệ số ma sát và giá trị của hệ số ấy là nhỏ nhất.
3.Định luật ma sát thứ ba
Giai đoạn ổn định bình th−ờng luôn gắn liền với dạng chuyển đổi và phá huỷ nhất định của bề mặt. Trong những điều kiện làm việc thông th−ờng đó là quá trình cơ lý hoá của ma sát mòn ôxy hoá. Các hiện t−ợng diễn ra trong các lớp bề mặt của vật thể ma sát ở điều kiện bình th−ờng 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 tr−ợt của lớp tới hạn, kết qủa làm nảy sinh và phá huỷ các liên kết phân tử có bản chất phân tán.
2. Trong các lớp bề mặt rất mỏng (100 ữ 100A0 ) diễn ra biến dạng mạnh và có h−ớng – sự tạo dải.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 29 3. Trong các lớp nằm bên d−ới có quá trình lan truyền (dạng sóng) của các biến dạng đàn hồi có liên quan với dịch chuyển t−ơng đổi của vật thể ma sát.
Ba trạng thái biến dạng ứng suất đ−ợc thể hiện trên hình 1.4.
Hình 1.4: Ba trạng thái biến dạng – ứng suất
N – tải pháp tuyến; F – lực tiếp tuyến; F1 – lực liên kết do sự tr−ợt của lớp biến dạng tạo nên;
F2 – lực liên kết do sự biến dạng có h−ớng (tạo dải) của lớp bề mặt tạo nên; F3 – lực liên kết do biến dạng sóng đàn hồi tạo nên.
Định luật thứ ba đ−ợc phát biểu nh− sau: “ứng với một tổ hợp các thông số (vật liệu, môi tr−ờng) nhất định, có một vùng của tác dụng cơ học trong đó tích phân của tỷ số năng l−ợng dự trữ trên công của lực ma sát lấy trong toàn thể tích bị biến dạng có giá trị cực tiểu”.
∫∆ = λ λ λ min ) ( A d Enn
Vùng ma sát bình th−ờng đ−ợc trình bày trên sơ đồ hình 1.3. Trong vùng đó gần nh− toàn bộ công ma sát bị biến thành nhiệt.
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.
F1 F2 F3 F N V F=F1 + F2 + F3
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật --- 30 Ba định luật về ma sát ngoài cho phép phân tích quá trình ma sát phức tạp và chỉ ra miền bình th−ờng (ổn định), xác định các giới hạn chuyển sang các hiện t−ợng h− hỏng và nghiên cứu ma sát trong vùng ổn định. Từ đó có thể điều khiển có hiệu quả các quá trình ma sát nhằm cải thiện tính chống mòn, tính chống ma sát, và tính ma sát mong muốn của các cặp ma sát.
1.4.3. Những quy luật ma sát thực nghiệm
1.4.3.1. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất pháp tuyến f = f(p)
Quan hệ này có ba vùng đặc tr−ng trên hình 1.5.
I–vùng ổn định, ứng với chế độ làm việc bình th−ờng của cặp ma sát (mòn ôxy hoá).
II – vùng chuyển tiếp.
III–vùng h− hỏng, trên đó diễn ra những quá trình không bình th−ờng (tróc, cầy, x−ớc…)
Hình1.5: Sơ đồ biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vào áp suất pháp tuyến f = f(p). Chế độ ma sát bình th−ờng đ−ợc xác định bằng hệ số ma sát ổn định và mòn nhỏ nhất, xảy ra do sự 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 các bề mặt, trong đó hàm f = f(p) có thể có tính chất khác nhau (đ−ợc biểu diễn