1. Vật liệu bôi trơn
1.8. Tác độngcủa nhiệt đối với sự bôi trơ nổ trục
Kích cỡ của trục, tỷ lệ vòng quay và cổ trục chịu lực của một ổ trục thƣờng đƣợc thiết kế với những thông số ăn khớp với ý định của nhà thiết kế, đƣợc yêu cầu đƣa ra một mô hình thiết kế bôi trơn hoàn hảo liên quan đến những đặc tính của ổ trục nhƣ: chiều dài ổ, khe hở ổ, vật liệu hay tỷ lệ vòng quay. Chúng ta có độ dày của vòng ngoài đạt đƣợc tối thiểu tƣơng tự với dung sai (giới hạn bền của ổ trục trƣớc khi xuất hiện những sự phá hủy bề mặt hoặc phân rã) phụ thuộc vào cả chất lƣợng cũng nhƣ khe hở c. Nếu thiết kế khe hở của ổ quá lớn dầu tốn kém, bất hợp lý. Trái lại, việc đề ra khe hở quá bé cũng tạo ra những sai lỗi ở ổ trục, việc trƣợt từ vòng quay này sang vòng quay khác hay các bề mặt tiếp xúc. Trong quá trình hoạt động, việc trƣợt của màng dầu bôi trơn sẽ làm tăng nhiệt độ tại chỗ và làm giảm khả năng bôi trơn của nó, một số nhiệt lƣợng biến mất thông qua chuyển động đối lƣu khi dầu bôi trơn đƣợc dẫn vào ổ trục và khi ổ trục cọ sát vào những bộ phận sát đáy.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 55
Đối với những trƣờng hợp nghiên cứu mặt cắt của ổ trục; Cammeron và Ettles (1981) đã đƣa ra một luận điểm hết sức đơn giản dƣới đây để khẳng định một cách chắc chắn về việc chuyển động thấp hơn đƣợc duy trì ở nhiệt độ thông thƣờng trong khi mặt cắt cao hơn có nhiệt độ tăng dần từ mức cân bằng ( x = 0) cho đến khi nhiệt độ đạt mức tối đa. xung quanh mức cân bằng tại điểm x = B. Tại một điểm trên bề mặt của miếng đệm gắn với biến x, nhiệt độ lúc này là
B . Độ dày trung bình của lớp màng là h, độ dốc lúc này là
Bh . Nhiệt độ tại đó trên một đơn vị diện tích giảm xuống thành
K
Bh (trong đó K: nhiệt lƣợng của phần bôi trơn). Điều này đƣợc giải thích bằng tổng dòng nhiệt lƣợng trên một đơn vị rộng của ổ trục, với công thức:
0 2 B cond x KB H dx Bh h
Dòng nhiệt thông qua việc chuyển động đối lƣu Hconv là sản phẩm đơn giản của lƣợng dầu, nhiệt độ đặc biệt và tăng nhiệt độ trung bình
2 . Do vậy: 2 2 h c conv U H
Chúng ta cũng có công thức tỷ lệ của nhiệt lƣợng đối lƣu và nhiệt lƣợng dẫn nhiệt nhƣ sau: 2 2 cond conv H K B H c Uh
đƣợc tính theo phƣơng trình H Hcond Hconv bằng tổng nhiệt lƣợng phát sinh ở ổ trục. Nhiệt lƣợng K/ c đƣợc hiểu là chỉ số phát sinh nhiệt, và giả sử dầu tự nhiên có giá trị xấp xỉ 0,08.10-6
m2s-1. Hình thức lập luận đơn giản có thể đƣợc phát triển đối với quá trình bôi trơn ổ trục khi nó đƣa ra
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 56
trƣờng hợp tỷ lệ nhiệt lƣợng dẫn truyền và tỷ lệ nhiệt lƣợng chuyển động đối lƣu nhƣ sau: 2 2 4 cond conv H R K H R c
Chúng ta cũng có thể giả sử rằng chuyển động đối lƣu ngày càng tăng khi tốc độ ổ trục tăng.
Việc phân tích đầy đủ vấn đề cân bằng nhiệt lƣợng này đƣa đến những dự đoán về nhiệt lƣợng thực của ổ trục và nhiệt độ bôi trơn của nó, điều này xem nhƣ là khó khăn và tiêu tốn thời gian khi nó đòi hỏi một giải pháp tích cực về việc cân bằng trong bôi trơn kết hợp với cân bằng dọng nhiệt lƣợng ở màng dầu và các bộ phận cơ khí. Dƣới đây là những gợi ý đã đựợc đơn giản hóa rất nhiều nhƣng là một quá trình hoàn thiện có thể đƣợc sử dụng thay thế cho những dự đoán ban đầu về việc tăng nhiệt lƣợng có thể trong những trƣờng hợp kỹ thuật của dầu bôi trơn. Trong nhiều trƣờng hợp để đảm bảo sự hợp lý ngƣời ta sẽ cụ thể hóa thiết kế bằng một ổ đặc biệt có chiều dài L nhỏ hơn đƣờng kính D. Nếu chúng ta lựa chọn làm ổ kích thƣớc L/D k = 0,5 sau đó theo nhƣ dự đoán ban đầu chúng ta có thể giảm phân tích ổ trục ngắn. Chúng ta chỉ ra rằng: 1 2 2 2 1 1 0, 62 2 1 L s D
Trong đó S là số Sommerfeld cho bởi công thức. Một cộng việc nhạy cảm cho chúng ta giá trị 0, 7 đây là giá trị tiêu chuẩn cho tỷ lệ khe hở cổ trục c/R có thể hoạt động tôt ở mức 0,001; thay số liệu ta có công thức hệ quả:
7 32.10
W
L
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 57
Mặc dù tâm của bất kỳ ngỗng trục dƣờng nhƣ không có mối quan hệ thay cho ngỗng trục của ổ trục, năng lƣợng mất đi có khả năng dự đoán hợp lý bằng cách lý tƣởng hóa chúng khi vận hành một cách tập trung, do vậy thời điểm cọ xát có thể đƣợc tách khỏi phƣơng trình cân bằng Petrov. Tỷ lệ phát sinh nhiệt H trong ổ trục là:
3 2 2 . R L H M c
Chúng ta giả sử rằng tất cả nhiệt lƣợng đều đƣợc chuyển hóa khi cọ xát thông qua lƣợng dầu đi qua ổ trục, sử dụng công thức ta có thể viết.
2
1
1 2
R Lc
H c
Trong đó và c lần lƣợt là độ đậm đặc và nhiệt lƣợng cụ thể của dầu,
c là mức tăng nhiệt. Đạt 0, 7 và giả sử dầu nguyên chất có 3
900kgm và 1 1 1,88 c Jkg K chúng ta có công thức: 2 5, 30 R c c
Do vấn đề ở đây là xác định giá trị của liên quan đến cả hai công thức trên cũng nhƣ đặc tính của dầu theo một cách cụ thể, ở đó độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ, điều này cũng xem xét với từng loại dầu cụ thể ở phần sau. Ví dụ: giả sử vấn đề giới hạn nhiệt lƣợng của bộ phận máy bơm dầu E300 đối với quá trình bôi trơn, kích thích bán kính R = 0,025 dài L = 0,0025 c/R = 0,001 chịu lực N = 4500 N tại tốc độ 1000 v/ph. Trong trƣờng hợp này L/D = 0,5, 104, 7 rad/s và từ phƣơng trình ta có: 7 3 4500.0, 05 2.10 0, 0275 104, 7.0, 025 Pas
Nhƣng từ phƣơng trình nhiệt độ thích hợp để tăng nhiệt độ cho bởi công thức:
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 58
0
5, 3.104, 7.0, 0275 15, 3
Xem biểu đồ 1.10 cho thấy SAE30 có độ nhớt khoảng 0,0275 Pas tại nhiệt độ xấp xỉ 650C và do vậy dầu tham gia vào quá trình bôi trơn ổ ở nhiệt độ (65-15) tức là không quá 500
C.
Ấn bản số 66023 của cục thống kê số liệu chỉ ra quá trình tƣơng tác đầy đủ tạo ra tình trạng ổn định bôi trơn ngỗng trục.
Mục đích ở đây phải xác định độ dày tối thiểu của màng dầu đủ để bảo vệ bề mặt của chi tiết khỏi hƣ hại mà không phải điều chỉnh ổ trục cũng nhƣ nhiệt độ của dầu, khi việc điều chỉnh có thể dẫn tới hạn chế nhiệt độ phân rã của cả hai phần. Mô hình tổ quát của trình này đƣợc biểu hiện qua các trục phản ánh tốc độ và độ chịu lực. Tại mức có tốc độ nhỏ, tải trọng lớn và chiều dày màng dầu nhỏ thì ta thấy nguy cơ tiếp xúc thật giữa các chi tiết máy, giới hạn tiếp xúc đó là đƣờng A trong sơ đồ vận hành của ổ bi. Tại mức độ cao và tải trọng lớn, tiếp xúc này xảy ra, sau đó một sự tăng tốc nhỏ có thể khiến cho nhiệt lƣợng bề mặt tăng, có thể làm nền thậm chí làm nóng chảy hợp kim của ổ bi dẫn đến việc làm bẩn hay lau sạch bề mặt, chúng ta có thể thấy giới hạn này qua đƣờng B.
Safe operation
Journal speed
Radial
load
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 59
Cuối cùng, tại mức nhiệt lƣợng cao hơn đi nhƣng tải trọng thấp đi, tốc độ chuyển động của màng dầu có thể khiến cho nhiệt lƣợng bôi trơn tăng lên cao đến mức nguy cơ phân rã hóa học có thể xảy ra, điển hình là quá trình oxy hóa, ảnh hƣởng này tạo ra mức giới hạn đƣợc miêu tả trên đƣờng cong C.
Biểu đồ mô tả máy móc của Macrtin và Garmer (1974), mô hình này tạo ra một không gian lớn cho độ dày của màng dầu để có thể tính toán quá trình bôi trơn của ổ bi. Về mặt cơ bản, ba trƣờng hợp trên xác định vấn đề và bằng cách kết nối chúng theo một khung hƣớng dẫn chung thì có thể nhìn nhận đƣợc vấn đề ở giải pháp số 4. Trong ví dụ trƣớc các đầu vào của thiết kế là khe hở c/R, tỷ lệ chiều dài đƣờng kính L/D, tốc độ, độ nhớt của dầu và một mức độ chịu tải trọng cụ thể W/LD lần lƣợt là 0,001; 0,5; 105 s-1
; SAE30 và 3,6 Mpa. Sử dụng những mũi tên xác định trong sơ đồ 1.46 cho
thấy một giá trị ƣớc tính của vào khoảng 0,75; do vậy
min 1 0, 75 .0, 001 6,3
h R . Hình 1.29 dựa trên một thiết kế đơn giản của ổ bi có ngỗng trục phẳng mà ở đó khe hở ổ bi do các rãnh dầu tạo ra tại áp suất dầu là 100 kpa
Nhiệt độ cao nhất của dầu max sẽ đạt đƣợc khi màng bôi trơn trên vị trí khá trùng khớp với độ dày của màng dầu là nhỏ nhất. Mô hình có thể đƣợc sử dụng để xác định giá trị của nó. Ví dụ sử dụng biểu đồ này do các số liệu cung cấp mà tại đó effđặc trƣng cho nhiệt độ của dầu, giả sử khi làm việc ở nhiệt độ 500; các điều kiện đã cho trong ví dụ của mô hình.