3.3.1. Chọn vật liệu nghiên cứu
+ Dựa trên các thông số kỹ thuật (độ bền, hệ số ma sát và cường độ hao
mòn) của vật liệu được Viện công nghệ Polyme Dresden - Đức nghiên cứu, hiện đang sở hữu bản quyền cung cấp. Cụ thể :
Chất dẻo PA6 tăng cường PTFE 1100, theo trọng lượng 3 mức (7.5; 15; 30)% có các thông số kỹ thuật [45], [52], [53] như sau:
- PA6 -7.5%PTFE1100: k= 52.4 MPa, E = 2.01 GPa, fkhô= 0.37, I = 25 mm3/m - PA6 -15%PTFE1100: k= 49.1 MPa, E = 2.03 GPa, fkhô= 0.20, I = 9.5 mm3/m - PA6 -30%PTFE1100: k= 43.1 MPa, E = 2.05 GPa, fkhô= 0.31, I = 7.0 mm3/m (Tiêu chuẩn kiểm tra: DIN 7148 của Đức, ở điều kiện không bôi trơn, bề mặt đối bánh thép100 Cr 5; Rz = 3.2 m), k độ bền kéo, E mô đun đàn hồi, I cường độ hao
mòn, fkhô hệ số ma sát khô; điều kiện chiếu xạ ở liều lượng 2000 kGy).
+ Vật liệu cần đảm bảo tiêu chuẩn về độ bền, có ma sát, hao mòn nhỏ. + Viện Công nghệ Polyme Dresden (Đức) có khả năng cung cấp vật liệu. + Công nghệ tạo vật liệu (chất dẻo) này phù hợp với điều kiện thiết bị, trình
độ kỹ thuật ở Việt Nam.
Mặt khác qua thực tế sử dụng bạc trượt PA trong hệ động lực tàu thuyền cho thấy: PA bền nhưng không cao lắm, hút nước nhiều, trương nở lớn, khi thiếu bôi trơn, làm mát dễ phát sinh nhiệt nên mau chóng bị mòn.
Dựa trên cơ sở và tiêu chí nêu trên, với sự kết hợp một cách hợp lý thấy rằng ngoài ưu điểm có hệ số ma sát nhỏ và cũng nhỏ hơn PA66 tăng cường đến 20% trọng lượng PTFE [89], vật liệu này còn có khả năng làm việc ngay cả khi không có chất bôi trơn. Và trong sự phát triển năng động của nền kinh tế rất cần vật liệu mới với những tính năng tốt để phục vụ công nghiệp hóa, đặc biệt trong lĩnh vực đóng mới và sửa chữa tàu thuyền ở nước ta.
3.3.2. Đặc điểm vật liệu nghiên cứu
Chất dẻo (PA6 -15%PTFE 1100) được tạo thành bởi Polyamit 6 và Polytetraflouetylen (15% trọng lượng PTFE 1100), bằng công nghệ chiếu xạ tia Rơnghen [45], [51], [53] trong môi trường ôxy tạo phản ứng liên kết ở điều kiện nóng chảy. Các hạt PTFE 1100 có kích thước từ (28) m, trong điều kiện chiếu xạ liều lượng 2000 kGy, chúng bị phân rã rất mạnh thành các hạt cực nhỏ cỡ 20 nm, và liên kết tương hợp phân bố đồng đều trong dung dịch PA6 nóng chảy do phản ứng chuyển hóa amít như sau:
PTFE-COOH + R-[PA1]-C0-NH-[PA2]-COOH PTFE-CO-NH- [PA2]-COOH + R-[PA1]- COOH.
Hợp chất mới (PA6 -15%PTFE 1100) là sự kết hợp các đặc tính tốt của chất dẻo kỹ thuật PA6 và PTFE ( hơn hẳn so với việc hòa trộn vật lý, Viện Công nghệ Polyme Dresden-Đức, nghiên cứu từ mùa đông và xuân năm 1998, được cấp bản quyền Patents DE 198 23 609 - Priority date 27.5.1998/date of publication 02.12.1999, PCT/EF 9903303 [87]).
3.3.3. Phương thức tạo vật liệu từ các nguyên liệu hạt [3], [9], [ 25], [27]:
Nguyên liệu hạt có thể có phụ gia hoặc loại chưa có phụ gia (thuần khiết). Nếu nguyên liệu thuần khiết thì cần chuẩn bị chất dẻo và phụ gia, đây là khâu quan trọng để thực hiện qui trình chế tạo vật liệu. Những chất này về lượng chiếm khoảng (0.0150)% [9] so với lượng chất dẻo trong tổ hợp vật liệu. Để tạo ra vật liệu có tính chất cơ lý tốt cần phải hòa trộn đồng đều giữa phụ gia và chất dẻo. Có thể trộn khô và trộn trong trạng thái dẻo. Để đạt được vật liệu dạng hạt nhỏ mịn phải sử dụng máy nghiền. Hoặc có thể sử dụng các loại máy khuấy, máy trộn lệch tâm, máy trộn trục vít hoặc sử dụng máy trộn hình tang quay...
Đối với chất dẻo PA có độ hút ẩm cao nên cần phải sấy trước khi trộn với phụ gia, thời gian và nhiệt độ sấy theo qui định của nhà sản xuất, có thể sấy ở nhiệt độ (8085)0C, thời gian (1624) giờ, thậm chí đến 50 giờ [3] để
độ ẩm đạt khoảng 0.1% [34]. Mặt khác nếu sử dụng phụ gia tăng cường là Graphít, MoS2 (trọng lượng riêng cao hơn nhiều PA), thì cần phải trộn PA với phụ gia trong thiết bị trộn hình tang quay trước khi đưa vào chế tạo.
Có thể sử dụng công nghệ đúc hoặc ép đùn, ép phun áp lực trên các thiết bị chuyên dùng cho ngành nhựa để chế tạo vật liệu.
Cần phải quan tâm nhiệt độ xi lanh của thiết bị đúc, hoặc nhiệt độ đầu phun (thiết bị phun ép) đặc biệt quan trọng. Nếu cao quá, gần nhiệt độ phá hủy có thể làm hỏng sản phẩm. Nếu nhiệt độ thấp, độ nhớt của chất dẻo cao dẫn đến giảm khả năng chảy, không thể điền đầy khuôn đúc, chất lượng sản phẩm thiếu đồng nhất.
Nếu áp lực đúc, phun ép tăng sẽ làm tăng độ lèn chặt của sản phẩm. áp lực quá thấp sẽ làm giảm độ lèn chặt, có khả năng tạo ra nhiều lỗ rỗng cho sản phẩm. Ngoài ra còn phải chú ý đến việc làm nguội khuôn đúc và sản phẩm...
3.3.4. Tạo mẫu vật liệu thí nghiệm
Chúng tôi đặt hàng chế tạo mẫu thí nghiệm trên thiết bị ép phun PYI - 120 PO PY Z8 - 12961 PO - YUEN (TóS) (phụ lục 1), tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Chế độ nhiệt xi lanh (260 - 265 - 285)0C, áp suất phun p = 94 bar, áp suất duy trì p = 40 bar, thời gian phun 4s.Trước khi chế tạo, hạt nhựa (PA6 -15% PTFE 1100) được sấy hút ẩm ở nhiệt độ (8085)0C trong 16 giờ [37], sau đó kiểm tra đặc tính chảy rồi mới tiến hành ép phun.
3.3.5. Xác định cơ, lý tính vật liệu tự tạo (PA6 -15%PTFE 1100)
Xác định tính chất cơ, lý của vật liệu nghiên cứu được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM, ISO, JIS... tất cả các thí nghiệm đều đo trong môi trường không khí, ở nhiệt độ phòng t = 260C, độ ẩm = 70%.
3.3.5.1. Độ bền kéo (giới hạn bền kéo)
80
1
0
4
Mẫu kéo có kích thước 165x25x3.2 (mm) hoặc 130x20x4.0 (mm). Số lượng 5. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.2: Mẫu khảo nghiệm độ bền kéo vật liệu (PA6 -15%PTFE 1100)
Giới hạn bền kéo của vật liệu (PA6 -15%PTFE 1100) được tính từ điểm chuyển tiếp đường thẳng sang đường cong của đồ thị biểu diễn quan hệ giữa biến dạng và lực tác dụng lên mẫu.
Mô đun đàn hồi của vật liệu được tính bởi đoạn thẳng của đồ thị, tính theo công thức sức bền vật liệu.
3.3.5.2. Độ bền uốn (giới hạn bền uốn)
Giới hạn bền uốn của vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn ISO 178 - 1975 (E). Mẫu uốn có kích thước 80x10x4 (mm). Số lượng 5.
Hình 3.3: Mẫu khảo nghiệm độ bền uốn vật liệu (PA6 -15%PTFE 1100) Độ bền uốn được xác định bằng biểu thức sau:
U 2 h . b . 2 L . F . 3 (MPa) (3.1) 3.3.5.3. Độ bền nén (giới hạn bền nén)
Giới hạn bền nén được xác định theo tiêu chuẩn ISO 604 -1973.
Mẫu nén có kích thước 10x10x10(mm) trình bày trên hình 3.4. Số lượng 5.
Hình 3.4: Mẫu khảo nghiệm độ bền nén vật liệu (PA6 -15%PTFE 1100)
Giới hạn bền nén biểu thị bằng tỉ số giữa tải trọng cực đại tác dụng lên mẫu thử với diện tích mặt cắt ngang nhỏ nhất ban đầu.
Xác định giới hạn bền kéo, uốn nén, mô đun đàn hồi vật liệu được tiến hành trên thiết bị LLOTD-LR 30K hoặc HOUNSFEILD H50K-S (phụ lục 1).
3.3.5.4. Hệ số Poisson
Xác định hệ số Poisson theo tiêu chuẩn ASTM E251-74 hoặc JIS 2300- 9. Tiến hành trên thiết bị đo biến dạng động DC-104R của Nhật Bản.
Hệ số Poisson của vật liệu được xác định bằng tỉ số giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc theo phương nén đúng tâm.
Hình 3.5: Mẫu khảo nghiệm hệ số Poisson vật liệu (PA6-15%PTFE 1100)
1, 2: Đát trích (cảm biến).
3.3.5.5. Nhiệt độ biến dạng (HDT)
Nhiệt độ biến dạng (HDT) xác định theo tiêu chuẩn ISO 75 - 1 và 2. Thực hiện trên máy do biến dạng HDT Junior của Italia (phụ lục 1). Đo trong môi trường dầu đặc chủng, tốc độ gia nhiệt 20C/phút, tải trọng tác dụng P = 6 N. Độ võng yêu cầu là 0.26 mm.
Mẫu đo có kích thước 120 x12.5 x3.2 (mm), trình bày trên hình 3.6. Số lượng 5.
Hình 3.6: Mẫu (PA6 -15%PTFE 1100) đo nhiệt độ biến dạng (HDT).
1 0 10 10 20 12 2 0 1 2 3.2 12 1 2 .
3.3.5.6.Tỉ trọng của vật liệu
Xác định tỉ trọng của vật liệu được tiến hành theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 362 - 70.
Mẫu thí nghiệm được chế tạo có kích thước 20x20x10 (mm). Sấy hút ẩm mẫu 24 giờ, tiến hành cân, đo mẫu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tỉ trọng của vật liệu biểu thị bằng tỉ số giữa khối lượng với thể tích của nó.
3.3.5.7. Độ hút nước, hút dầu, sự dãn nở do hút nước, dầu
Độ hút nước của vật liệu, được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D570-81. Mẫu được chế tạo chính xác (trình bày trên hình 3.7), kích thước hình vuông 50x50 x3 (mm). Sấy khô mẫu đến khối lượng không đổi, để trong bình hút ẩm 24 giờ.
Tiến hành cân mẫu rồi ngâm trong bình chứa nước cất (không để các mẫu chạm nhau). Sau 24 giờ lấy mẫu thấm khô, đo và cân lại. Số lượng 5 mẫu. Độ hấp thụ nước được tính bằng phần trăm giữa lượng hấp thụ nước so với khi còn khô, cụ thể:
.100 G G G K 1 1 2 n % (3.2) Trong đó: Kn: Độ hấp thụ nước %.
G1: Trọng lượng mẫu trước khi ngâm (g) G2: Trọng lượng mẫu sau khi ngâm (g)
Hình 3.7: Mẫu đo độ hấp thụ dầu,
nước và dãn nở.
3 5
Độ hấp thụ dầu của vật liệu, được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 543 87. Qui trình thực hiện, phương pháp thử và kích thước mẫu tương tự phương pháp xác định độ hút nước của vật liệu.
Độ hấp thụ dầu được tính theo biểu thức sau: .100% M M M K 1 1 2 d (3.3) Trong đó: Kd: Độ hấp thụ dầu %.
M1, M2: Trọng lượng mẫu trước và sau khi ngâm dầu (g)
Độ dãn nở thể tích do hút nước, hút dầu của vật liệu biểu thị bằng phần trăm giữa thể tích dãn nở so với thể tích của nó khi còn khô, được biểu diễn như sau: 0 0 dn V V V K . 100% (3.4) Trong đó : Kdn : Độ dãn nở thể tích %
V0,V: Thể tích mẫu sau khi ngâm trong nước hoặc dầu và thể tích ban đầu.
3.3.6. Phương pháp xác định độ nhám, cấu trúc bề mặt
+ Độ nhám bề mặt được đo theo tiêu chuẩn JIS 1994. Tiến hành trên thiết bị Surftest SJ - 301 Mitutoyo của Nhật Bản (phụ lục 1).
Độ nhám được đo trong cùng một điều kiện. Kết quả nhận được là giá trị trung bình sau 5 lần đo.
+ Cấu trúc bề mặt được soi nổi chụp hình trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét OLYMPUS SZX, độ phóng đại 300 lần của Nhật Bản (phụ lục 1), tiến hành ở các điều kiện hoàn toàn như nhau.
Ngoài ra chúng tôi còn sử dụng các thiết bị khác để nghiên cứu, trình bày tại bảng 3.1.
Bảng 3.1: Thiết bị nghiên cứu. T T Phương tiện đo Đơn vị Nơi sản xuất Mã hiệu Sai Số Ghi chú
1 Máy đo độ cứng mm Anh Shore.D 10-2(mm) ASTM
D2240-97
2 Pan me so ngoài mm Nhật Mitutoyo 10-2
(mm) Điện tử số 3 So mét đo lỗ trong m Nhật Mitutoyo 10-3
(mm)
4 Cân trọng lượng g Nhật LIBROR 10-4 (g) Điện tử số
5 áp tô mát nhiệt và nhiệt kế 0 C Trung Quốc 0.5 0 C
6 Thiết bị đo nhiệt 0C Italia XR 60 C Điện tử số
7 Đồng hồ giây Nhật Casio 1 s Điện tử (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
8 Máy đếm vòng
quang điện vg/ph Nhật
DIGITAL
TACHOMETER Điện tử số
9 Nhiệt ẩm kế % Anh
Quốc THERMO-HYGRO Điện tử số
3.3.7. Khảo nghiệm ma sát khô và ướt
- Khảo sát ma sát khô chỉ thực hiện trong điều kiện thí nghiệm với các bề mặt “sạch vật lý”. Hệ số ma sát khô lớn nhất trong các hệ số ma sát trượt. Trong thực tế thì ngay cả những bề mặt sạch nhất cũng chứa các lớp khí mỏng, độ ẩm...
- Khảo sát ma sát ướt là trường hợp sử dụng các phương pháp bôi trơn tạo ra trên bề mặt tiếp xúc ma sát lớp bôi trơn liên tục. Hệ số ma sát khi bôi trơn ướt vào khoảng phần ngàn. Khi vật liệu bôi trơn không đủ ngập các mấp mô bề mặt, một phần của diện tích ma sát có tiếp xúc trực tiếp một phần khác được phân cách bởi lớp dầu bôi trơn giới hạn đây là trường hợp khảo sát ma
sát hỗn hợp, hay còn gọi khảo sát ma sát nửa ướt. Giá trị của hệ số ma sát hỗn hợp khoảng phần trăm đến phần mười. Khi điều kiện bôi trơn không được đảm bảo nhưng nhờ có tính chất bôi trơn của vật liệu bôi trơn mà tạo được lớp màng bôi trơn mỏng, độ dày khoảng (0.10.5) m giữa hai bề mặt ma sát, trường hợp này là dạng khảo sát ma sát giới hạn (ma sát nửa khô). Giá trị của hệ số ma sát giới hạn vào khoảng phần mười. Khi được bôi trơn nhưng giữa hai bề mặt tiếp xúc là tập trung đường hay điểm (thường ma sát lăn) chịu áp lực cao, bề mặt bị biến dạng, đây là trường hợp khảo sát ma sát bôi trơn thủy động lực đàn hồi.
Khảo nghiệm ma sát trượt cho cặp mẫu thử khi không bôi trơn và được bôi trơn tiến hành trên thiết bị đo ma sát MS -TS1 ứng dụng chương trình số, nguyên thiết bị đo là công trình sáng chế của PGS -TS Quách Đình Liên và PGS -TS Nguyễn Văn Ba năm 1989.
3.3.7.1. Thiết bị đo ma sát MS - TS1 ( đo ma sát mẫu vật liệu)
Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo được trình bày trên hình 3.8.
2 3 4 5 6 7 8 9 P 10 A A 11 12 16 15 13 14 17 1 III II I 1- Động cơ điện 2- Bộ truyền đai 3, 4- Cặp bánh răng ăn khớp ngoài (Z3, Z4) 5- Kim chỉ góc lệch 6, 7- Cặp bánh răng ăn khớp trong (Z1, Z2) 8- Mẫu thử 1 9- Mẫu thử 2 10- Cần gá mẫu và gây tải
11- Vật treo gia tải 12- Đối trọng
13- Cặp vành răng - bánh răng
lắp trên cần lắc 14- Cảm biến
15- Bộ giao tiếp chuyển đổi 16- Máy tính
17- Biến tần
I, II, III- Trục truyền động
Nguyên lý làm việc của thiết bị: động cơ điện 1 hoạt động, thông qua bộ truyền đai 2 truyền chuyển động tới trục I và chuyển động quay được truyền từ trục I đến trục II nhờ bộ truyền bánh răng ăn khớp ngoài (3, 4). Thông qua bộ truyền bánh răng ăn khớp trong (6,7) mô men quay được truyền qua trục III có gắn mẫu thử thứ 1 làm mẫu thử này quay.
Tồn tại của phương pháp đo hệ số ma sát với thiết bị này ở chỗ: kết quả đo, độ tin cậy phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố chủ quan của người đọc.
Khắc phục điều đó chúng tôi tự thiết kế, lắp đặt: cảm biến đo góc lệch, bộ chuyển đổi tín hiệu, hệ thống máy tính và các thiết bị đi kèm trên thiết bị MS - TS1 (xem hình 3.8) đồng thời bảo dưỡng hoàn thiện đồng bộ thiết bị để phục vụ đo hệ số ma sát mẫu thí nghiệm.
Trong quá trình thực hiện đưa chương trình số vào thiết bị đo ma sát MS - TS1, chúng tôi nhận được sự góp ý trực tiếp, vô cùng quan trọng của GS - TSKH Nguyễn Anh Tuấn, PGS -TS Nguyễn Văn Thêm, PGS -TS Dương Đình Đối, PGS -TS Nguyễn Văn Ba... và khá nhiều giáo viên Khoa Cơ khí Trường đại học Thủy sản.
Khi thiết bị hoạt động, giá trị góc lệch ( ) do cảm biến quang (14) cung cấp dưới dạng tín hiệu xung và chuyển thành tín hiệu số nhờ bộ giao tiếp chuyển đổi (15), hiển thị lên màn hình (16).
Cảm biến quang kiểu giao thoa (số hiệu 629802 của Nhật Bản sản xuất) có cấu tạo và nguyên lý hoạt động được trình bày trên hình 3.9 và hình 3.10 [88].
Trên thiết bị đo MS - TS1 chúng tôi thiết kế dẫn động cho cảm biến quang giao thoa bằng cặp vành răng - bánh răng trụ (13) với tỉ số truyền 1: 2. Chọn cách giao tiếp từ cảm biến quang vào bộ chuyển đổi đến máy tính thông qua cổng máy in, cách này kinh tế và phù hợp với điều kiện của Việt Nam [11].
+ Bộ phận cố định:
Gồm một tấm nhựa trong suốt, đặt song song sát với đĩa di động, trên
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});