Chƣơng 3 DẦU, MỠ BÔI TRƠN DUNG DỊCH LÀM MÁT
3.1 Dầu bôi trơn
3.1.1 Khái niệm về ma sát và bôi trơn
a. Ma sát:
Ma sát là kết quả của nhiều dạng tƣơng tác phức tạp khác nhau, khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hƣớng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra các q trình cơ, lý, hố, điện... quan hệ của các q trình đó rất phức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trƣợt, vật liệu và môi trƣờng.
- hệ số ma sát, = f(p,v,C) N-tải trọng pháp tuyến
C-điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia cơng, môi trƣờng). Công ma sát A chuyển hoá thành nhiệt năng Q và năng lƣợng hấp phụ giữa 2 bề mặt E.
Các yếu tố ảnh hƣởng tới hệ số ma sát: + Tải trọng
Khoa Cơ khí Động lực
Bộ mơn:Cơ khí Ơ tơ. Trang 39
Các dạng ma sát + Vật liệu và các yếu tố khác: nhiệt độ, độ nhám bề mặt... Phân loại ma sát:
+ Dựa vào động học và chuyển động Ma sát trƣợt
Ma sát lăn Ma sát xoay
+ Dựa vào sự tham gia của chất bôi trơn Ma sát ƣớt
Ma sát khô Ma sát tới hạn
Ma sát khô
Khái niệm: Là ma sát mà giữa hai vật rắn tiếp xúc trực tiếp với nhau mà khơng có bất kỳ loại vật liệu bôi trơn nào trên bề mặt tiếp xúc.
Khi gia cơng các chi tiết dù đạt độ chính xác cao thì trên bề mặt vẫn có độ mấp mơ q trình chuyển động tƣơng đối giữa hai chi tiết lắp ghép với nhau các chỗ mấp mô nào sẽ khớp vào nhau và tạo thành lực cản chuyển động giữa tại vị trí tiếp xúc sẽ xảy ra sự tiếp xúc đàn hồi xuất hiện các biến dạng dẻo và có sự cắt gọt lẫn nhau làm cho các chi tiết bị mài mịn.
Ta có cơng thức xác định lực ma sát khơ
Fmskhơ = ftrượt.Ph
Trong đó: ftrượt - Hệ số ma sát khô phụ thuộc và vật liệu chế tạo và trạng thái bề mặt tiếp xúc đó là khơ ráp hay nhẵn bóng.
Ph - Tải trọng tác dụng theo phƣơng vng góc với phƣơng chuyển động.
Tác hại của ma sát khơ:
Ma sát khơ có tác hại làm tổn thất năng lƣợng, tăng nhiệt độ làm việc tại bề mặt của các chi tiết dẫn tới sự ơxy hố phá huỷ bề mặt làm việc giảm cơng suất hữu ích dẫn đến giảm tuổi thọ máy.
Biện pháp hạn chế:
Khoa Cơ khí Động lực
Lắp vào giữa hai bề mặt mặt ma sát chi tiết có hình dạng phù hợp đƣợc gia cơng có độ chính xác cao để chuyển ma sát trƣợt thành ma sát lăn.
Ví dụ nhƣ từ sử dụng bạc sang dùng vịng bi.
Hình thành và duy trì giữa các bề mặt làm việc một lớp vật liệu bôi trơn ở dạng lỏng hoặc dạng dẻo đó là dầu bơi trơn hoặc mỡ...
Công thức xác định lực ma sát lăn
Fmslăn = flăn. Ph/r
Trong đó: r - bán kính con lăn
c. Ma sát ướt:
Khái niệm: Là dạng ma sát mà giữa hai bề mặt làm việc của các chi tiết được
ngăn cách với nhau bởi một lớp dầu có chiều dầy lớn hơn tổng chiều cao của các lớp mấp mô (chi tiết được bôi trơn theo dạng này gọi là bôi trơn thuỷ động học).
d. Ma sát giới hạn:
Khái niệm: Là giữa các bề mặt của các chi tiết có một lớp dầu rất mỏng tồn tại
dưới tác dụng tương hỗ của các lực phân tử giữa hai bề mặt kim loại, lớp dầu này gắn chặt vào kim loại mà không chuyển động tự do được, ma sát ở dạng này gọi là ma sát giới hạn.
Dầu bơi trơn có thành phần làm giảm ma sát, giảm mài mịn, tăng tuổi thọ của chi tiết do đó chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đó là cơng nghiệp, giao thông.
3.1.2 Phân loại công dụng và yêu cầu đối với chất lượng của dầu bôi trơn: 3.1.2.1 Phân loại:
Theo ngành sử dụng thì dầu bơi trơn đƣợc chia ra làm 4 nhóm:
Nhóm 1: Dầu dùng cho động cơ đốt trong, trong nhóm này lại phân ra: dầu dùng cho động cơ máy bay, động cơ tàu thủy, dầu dùng cho động cơ ô tô máy kéo (động cơ xăng, động cơ diesel).
Nhóm 2: Dầu bơi trơn dùng cho các hệ thống truyền động: hộp số, cầu...
Nhóm 3: Dầu dùng cho các thiết bị công nghiệp: Máy gia công cắt gọt, và các thiết bị khác.
Nhóm 4: Dầu chuyên dùng: dầu biến thế, dầu tuốc bin...
3.1.2.2 Công dụng:
Dầu bôi trơn làm giảm ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tƣơng đối với nhau do đó làm giảm tổn hao năng lƣợng do ma sát sinh ra bằng cách chuyển ma sát khô thành ma sát ƣớt.
Khoa Cơ khí Động lực
Bộ mơn:Cơ khí Ơ tơ. Trang 41
Giảm độ mài mòn của các chi tiết do có sự ngăn cách bởi lớp dầu.
Làm mát các chi tiết bằng cách nhận nhiệt lƣợng toả ra từ các bề mặt làm việc và trao đổi nhiệt qua hệ thống làm mát trong quá trình chuyển động.
Làm kín các khe hở các chi tiết lắp ghép.
Bảo vệ bề mặt các chi tiết tránh sự tiếp xúc trực tiếp với các chất gây ôxy hoá với nƣớc, với môi trƣờng.
Làm sạch các bề mặt bôi trơn nhờ rửa trôi các cặn bẩn mạt kim loại. Làm chất lỏng công tác trong các bộ truyền động thuỷ lực.
Ngồi ra cịn là mơi trƣờng cách điện trong một số thiết bị, linh kiện.
3.1.2.3 Yêu cầu:
Dầu phải có nhiệt độ đơng đặc thấp, có độ nhớt nhất định, có sự ổn định về lý hóa, tác dụng ăn mịn kim loại nhỏ nhất, không lẫn tạp chất cơ học và nƣớc.
3.1.3 Tính chất của dầu bơi trơn:
3.1.3.1 Nhiệt độ đông dặc và phương pháp giảm nhiệt độ đông đặc:
Xác định nhiệt độ đông đặc của dầu giống nhƣ với nhiên liệu diesel.
Khi làm lạnh tới một nhiệt độ nào đó thì dầu mất tính lƣu động. Khi dầu mất tính lƣu động sẽ tăng tổn thất năng lƣợng của động cơ, và dầu khơnng cịn giữ đƣợc vai trị của nó. Do đó, u cầu nhiệt độ đơng đặc của dầu phải thấp.
Trong sản xuất, ngƣời ta thực hiện nhiều biện pháp nhằm giảm nhiệt độ đông đặc của dầu nhƣ:
+ Pha thêm vào dầu các chất phụ gia.
+ Tách các hydrocacbon có nhiệt độ sơi cao bằng dụng cụ chuyên dùng.
Trong hai phƣơng án này thì phƣơng án một có hiệu quả rất cao và đƣợc ứng dụng phổ biến ngày nay.
3.1.3.2 Độ nhớt của dầu bôi trơn: 1. Độ nhớt của dầu ở nhiệt độ làm việc: 1. Độ nhớt của dầu ở nhiệt độ làm việc:
Dầu bơi trơn có độ nhớt xác định ở nhiệt độ làm việc. Khi nhiệt độ thay đổi, yêu cầu độ nhớt của dầu bôi trơn chỉ đƣợc thay đổi trong phạm vi hẹp.
Dầu có độ nhớt quá thấp sẽ dễ dàng bị ép ra khỏi khe hở giữa các chi tiết dẫn đến các bề mặt làm việc tiếp xúc trực tiếp với nhau làm tăng nhanh sự mài mòn.
Ngƣợc lại, độ nhớt quá cao sẽ làm tăng tổn hao năng lƣợng.
Nhiệt độ làm việc của cac cơ cấu tổng thành khác nhau, thì yêu cầu độ nhớt khác nhau, ví dụ:
Khoa Cơ khí Động lực
+ Trong đa số các thiết bị công nghiệp nhiệt độ làm việc khoảng 500C, do đó trong tiêu chuẩn của dầu cơng nghiệp nhất thiết phải cho độ nhớt 500C.
+ Trong động cơ ô tô máy kéo, nhiệt độ làm việc thấp nhất ở cácte, trục khuỷu là 1000C.
+ Trong các bộ phận truyền động: hộp số, cầu...nhiệt độ làm việc cũng khoảng 1000C. Do đó độ nhớt cở bản của dầu truyền động là độ nhớt ở 1000C.
Độ nhớt của dầu bôi trơn phù hợp với kêt cấu và điều kiện làm việc của động cơ ô tô máy kéo hiện nay là 5~15 cst ở 1000C.
2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt của dầu bôi trơn:
Trong điều kiện sử dụng khác nhau, độ nhớt của dầu cũng khác nhau. Khi điều kiện làm việc của động cơ chuyển từ mùa đông sang mùa hè hoặc chuyển từ chế độ tải nặng sang chế độ tải nhẹ đều làm cho độ nhớt của dầu thay đổi. Vì vậy, độ nhớt của dầu cần phải quy định sao cho nhiệt độ thay đổi thì độ nhớt của dầu khơng đƣợc thay đổi quá lớn so với quy định. Nói chung ta thấy nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm.
Tính chất độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ biểu thị bằng chỉ tiêu: Đặc tính độ nhớt theo nhiệt độ.
Ngƣời ta dùng tỷ số độ nhớt của dầu ở các nhiệt độ khác nhau để đánh giá đặc tính độ nhớt nhiệt độ của dầu. Đối với dầu dùng cho động cơ cho phép dùng tỷ số: độ nhớt ở 500C với độ nhớt ở 1000C. Tỷ số này càng nhỏ thì dầu càng tốt (đối với dầu lý tƣởng tỷ số này bằng 1).
Độ nhớt của dầu có ảnh hƣởng tới khả năng khởi động của động cơ. Dựa trên kết quả của các thí nghiệm ngƣời ta đã xác định rằng: muốn khởi động động cơ dễ dàng và khơng bị mài mịn nhiều (kể cả hâm nóng) chỉ đạt đƣợc trong điều kiện nếu độ nhớt của dầu bôi trơn không vƣợt quá một giá trị giới hạn bằng 104 cst, đối với động cơ ô tô.
Ngƣời ta căn cứ vào giá trị độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ, để xác định đƣợc nhiệt độ nhỏ nhất có thể khởi động đƣợc động cơ, ví dụ: dầu AK3n-6 có độ nhớt 104 cst ở -350C. Vậy nhiệt độ thấp có thể khởi động đƣợc động cơ khi dùng loại dầu này là - 350C.
3. Đặc điểm của các loại dầu hóa đặc:
Để sử dụng dầu bôi trơn tốt trong điều kiện nhiệt độ thay đổi ngƣời ta thƣờng pha thêm vào dầu các chất hóa đặc. Đó là những chất lấy từ dầu mỏ có độ nhớt thấp. Sử dụng phổ biến nhất là chất pơly iso butilen có trọng lƣợng phân tử giới hạn 10000~20000.
Khoa Cơ khí Động lực
Bộ mơn:Cơ khí Ơ tơ. Trang 43
Đặc điểm của dầu hóa đặc là: ở nhiệt độ thấp có độ nhớt nhỏ hơn 3-4 lần so với độ nhớt của dầu ơ tơ bình thƣờng. Cịn ở nhiệt độ cao chùng lại có độ nhớt giống nhau. Do đó, dầu hóa đặc tạo điều kiện khởi động động cơ dễ hơn trong mùa đơng và đảm bảo bơi trơn bình thƣờng các bề mặt ở nhiệt độ làm việc.
Độ nhớt của dầu là một chỉ tiêu rất quan trọng nên đƣợc ghi ngay trong ký hiệu của dầu.
3.1.3.3 Tính ổn định của dầu, tính ăn mịn kim loại, tạp chất cơ học ở trong dầu bơi trơn: bơi trơn:
a. Tính ổn định của dầu:
Là khả năng bảo toàn thành phần, tính chất trong tồn bộ q trình sử dụng. Tính ổn định thƣờng đƣợc chia ra là ổn định vật lý và ổn định hóa học.
Tính ổn định vật lý: gắn với sự thay đổi trạng thái của dầu dƣới tác dụng của quá trình
biến đổi vật lý nhƣ bay hơi, đơng đặc,hút ẩm.
Tính ổn định hóa học: gắn với các q trình biến đổi hóa học của các thành phần có
mặt trong dầu. Các quá trình biến đỏi hóa học quan trọng nhất bao gồm ơxy hóa và pơlyme hóa.
- Mức độ ổn định của dầu trong sử dụng, bảo quản phụ thuộc vào thành phần hóa học của dầu, điều kiện làm việc và mức độ tác động của các yếu tố liên quan nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, nƣớc, chất xúc tác ...
- Khi sử dụng trực tiếp trên các cụm chi tiết máy, dầu chịu tác động nhiều nhất của nhiệt độ làm việc. Nhiệt độ càng cao các phản ứng ơxy hóa các thành phần xảy ra càng nhanh và sản phẩm tạo ra các phản ứng đó càng nhiều.
b. Tính ăn mịn kim loại:
Bản thân dầu nhờn có tính ăn mịn thấp khi tiếp xúc với kim loại do tỷ lệ các thành phần có hoạt tính cao, gây ăn mịn kim loại chỉ hình thành sau một thời gian bảo quản hoặc trong các điều kiện sử dụng trực tiếp ở các cụm chi tiết.
Các loại dầu động cơ sau một thời gian sử dụng thƣờng có tính ăn mịn cao, đặc biệt đối với động cơ diesel nguyên nhân do lƣợng SO2, SO3 tạo thành khi đốt cháy nhiên liệu bị lọt lại một phần xuống đáy dầu và hòa trộn với dầu sau khi đã kết hợp với nƣớc tạo thành các axít tƣơng ứng.
SO2 + H2O = H2SO3 SO3+ H2O = H2SO4
Khoa Cơ khí Động lực
Các axít này có tính ăn mịn đối với miếng kim loại (đồng, chì) việc hạn chế tính ăn mịn của dầu thƣờng đạt đƣợc bằng cách chọn thành phần dầu hoặc sử dụng phụ gia (các chất ức chế ăn mòn).
Để đánh giá lƣợng axit có trong dầu, ngƣời ta đƣa ra chỉ tiêu đó là số mg KOH để trung hịa hết số lƣợng axit naptenic có trong 1g dầu. Đối với dầu dùng cho động cơ xăng, lƣợng KOH cho phép từ 0,1 ~ 0,25 mg KOH cho một gam dầu nhờn AK-15, còn đối với động cơ diesel lƣợng KOH không đƣợc vƣợt quá 0,15mg KOH đối với 1 gam dầu.
c. Tạp chất cơ học, nước có trong dầu bơi trơn:
Hàm lƣợng nƣớc là lƣợng nƣớc đƣợc tính bằng phần trăm (%) so với khối lƣợng của dầu, nƣớc lẫn vào trong dầu làm thay dổi rất nhiều chất lƣợng của dầu. Với hàm lƣợng nƣớc từ 100 ppm làm độ cách điện của dầu giảm rõ rệt. Hàm lƣợng nƣớc lớn hơn làm giảm khả năng bơi trơn của dầu, làm tăng tính ăn mịn kim loại, xúc tiến q trình ơ xy hóa, phân hủy các loại phụ gia do đó làm tăng q trình tạo muội, mài mịn xéc măng, bạc lót cổ trục. Hàm lƣợng nƣớc trong dầu đến 2% đƣợc đánh giá là có vết nƣớc trong dầu.
Quy định hàm lƣợng nƣớc không vƣợt quá không đƣợc phép quá 0,025% và hàm lƣợng cơ học khơng đƣợc vƣợt q một vài phần nghìn.
3.1.3.4 Tính chất đặc biệt của dầu bơi trơn động cơ: 1. Điều kiện làm việc của dầu bôi trơn:
Dầu bôi trơn động cơ làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt: áp suất đạt 100kG/cm2, nhiệt độ đạt tới 20000C.
Theo nhiệt độ động cơ có thể chia ra làm 3 phần sau:
+ Vùng nhiệt độ cao: là các chi tiết tạo thành buồng cháy của động cơ, đỉnh piston 4000C, xupáp xả 8000C.
+ Vùng nhiệt độ trung bình bao gồm tất cả các phần bao xung quanh piston, xécmăng, đầu nhỏ thanh truyền và thành xylanh. Nhiệt độ lớn nhất ở vùng này có thể đạt là 3000
~ 3500.
+ Vùng nhiệt độ thấp bao gồm trục khuỷu, cácte... nhiệt độ lớn nhất ở vùng này có thể đạt là 1800
C.
Khoa Cơ khí Động lực
Bộ mơn:Cơ khí Ơ tơ. Trang 45
Ở vùng nhiệt độ thấp và trung bình, khi nhiệt độ tăng dầu nhờn có khả năng bốc hơi mạnh làm cho tính chất vật lý của dầu kém ổn định. Kết quả hàm lƣợng dầu bôi trơn trong hệ thống giảm, chất lƣợng dầu kém đi.
Để giảm mức tiêu hao và sự thay đổi tính chất của dầu trong quá trình làm việc cần thiết phải chọn dầu phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể theo khả năng bay hơi (theo thành phần chƣng cất).
Nhƣng xác định thành phần chƣng cất rất phức tạp, để đơn giản ngƣời ta xác định nhiệt độ bốc cháy của dầu (Nhiệt độ bốc cháy là nhiệt độ nhỏ nhất mà hơi dầu có thể bốc cháy khi gặp lửa). Dựa vào nhiệt độ bốc cháy, có thể phán đốn đƣợc tính bay hơi của dầu và thành phần nhẹ của dầu bôi trơn. Nhiệt độ bốc cháy càng cao, tính bay hơi của dầu càng nhỏ và độ ổn định vật lý của dầu càng tốt.
3. Dầu nhờn ở vùng có nhiệt độ cao của động cơ:
Trong quá trình động cơ làm việc, một phần dầu bôi trơn bị đốt và tạo thành muội than, nhựa. Chúng bám lên bề mặt các chi tiết: Piston, Xéc măng, Bugi... làm giảm khả năng truyền nhiệt của chi tiết, làm ngắn mạch bugi, tăng khả năng cháy kích nổ của động cơ xăng.
Nhƣ vậy ở vùng nhiệt độ cao, dầu khơng có khả năng bơi trơn mà cịn làm xấu khả năng cơng tác của động cơ.
4. Dầu nhờn ở vùng có nhiệt độ trung bình của động cơ:
Ở vùng nhiệt độ trung bình dầu có tác dụng bôi trơn giảm ma sát, giảm mài