L ời cảm tạ
3.2. Thử nghiệm khả năng bôi trơn của mỡ bôi trơn từ dầu cá basa trên cặp ma
3.2.1. Mục đích thử nghiệm
Phương hướng chính của việc nghiên cứu hao mòn hay tính chống mài mòn của chất bôi trơn là tìm các quan hệ thực nghiệm giữa lượng hao mòn với các nhân tố ảnh hưởng đến hao mòn của cặp ma sátcụ thể là sự thay đổi của hệ số ma sát ( μ). Tác dụng tổng hợp của các thông số như chế độ làm việc, vật liệu chế tạo cặp ma sát, công nghệ gia công chế tạo, kích th ước của cặp ma sát, c ơ chế bôi trơn, tính chất của chất bôi trơn, v.v.. sẽ làm thay đổi hệ số ma sát. Tuy nhiên, để định lượng tính bôi trơn một cách đầy đủ có thể sử dụng 4 thông số đặc trưng (Pgh, Tgh, Vgh, tgαhình 3.11).
Hình 3.11. Các thông số đặc trưng cho tính bôi trơn
- Hệ số ma sát (μ),
- Trị số lớn nhất của áp lực riêng, nhiệt độ và vận tốc tương đối cho phép hệ số ma sát có giá trị ổn định (Pgh, Tgh, Vgh),
-Độ gia tăng hệ số ma sát khi có sự ổn định của màng dầu bôi trơn bị phá vỡ, (tgα). Do hạn chế về mặt thời gian cũng nh ư điều kiện nghiên cứu do đó chỉ khảo sát hai nhân tố chính quyết định đến tiến triển của các quá trình ma sát và hao mòn là áp suất pháp tuyến và vận tốc trượt. Như vậy, việc thực nghiệm khảo sát tính bôi trơn của MBT ở đây ta chỉkhảo sát sự biến thiên của hệ số ma sát thay đổi khi vận tốc, áp lực pháp tuyếnµ = f(p,v).
3.2.2. Phương pháp khảo nghiệm
Khảo nghiệm ma sát cho phép xem xét sự thay đổi hệ số ma sát của cặp ma sát khi trượt trương đối với nhau bằng một vận tốc tr ượt nào đó ứng với từng tải trọng tác dụng lên cặp ma sát và được bôi trơn bằng mỡ bôi trơn.
Tiến hành nghiên cứu xác định tính chất bôi tr ơn của MBTBS bằng cách xem xét sự thay đổi hệ số ma sát của cặp ma sát thép đồng đ ược bôi trơn bằng MBTBS theo từng mức tải đồng thời khảo sát sự thay đổi về hệ số ma sát của cặp ma sát trục thép bạc đồng được bôi trơn bằng một loại mỡ bôi tr ơn có tính chất hóa lý tương đương đang sử dụng để bôi trơn cho cặp ma sát trục thép bạc đồng cho thiết bị tàu thủy (tời lưới kéo). Sau khi có kết quả đem so sánh để đánh giá.
MBT được khảo sát đối chứng ở đây là mỡ bôi trơn Castrol-spheerol AP3 có các thông số kỹ thuật được thể hiện dưới bảng 3.6.
Đối tượng nghiên cứu(Tính bôi hấp
phụ của MBTBS) µ = f(p,v)
p
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật Castrol-Spheerol AP3
STT Castrol Spheerol AP3 Trị số
1 Phân loại NLGI 3
2 Độ xuyên kim 235x10-1mm
3 Điểm chảy giọt 180oC
4 Tách dầu, 18h/40ºC 0,5%
5 Áp lực thủy động tại 40ºC Max, 700 mbar
6 Kháng nước, 3h/90ºC Max, Degree 1
7 Tách dầu 7d/40ºC Max, 1,80%
8 Độ ổn định oxy hóa,100h/100ºC Max 0,7 Kg/cm2
9 Mất mát do bay hơi, 22h/100ºC Max 2%
10 Nhiệt độ làm việc Từ 65 đến 130ºC
3.2.3. Thiết bị khảo nghiệm hệ số ma sát
Thiết bị khảo nghiệm hệ số ma sát ở đây là máy khảo nghiệm ma sát tại phòng thực hành vật liệu khoa Kỹ thuật Tàu thủy trường Đại học Nha Trang, thông số kỹ thuật máy đượctrình bày như trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật của máy khảo nghiệm ma sát
STT Tên gọi Đơn vị
1 Tốc độ quay của mẫu thử (số 1): 0 đến1500 v/p 2 Điều chỉnh vận tốc trượt vô cấp tương đương 0 đến 4m/s
3 Lực ma sát 150N
4 Cảm biến đo lực ma sát 0–980N
5 Đường kính mẫu thử quay (số 1): 75mm 6 Kích thước đầumẫu trượt(số 2) 2mm
3.2.3.1. Đặc điểm cấu tạo của máy khảo nghiệm ma sát
Máy khảo nghiệm ma sát có kết cấu nh ư hình 3.12
Hình 3.12. Máy khảo nghiệm ma sát
Máy khảo nghiệm ma sát được kết nối với máy tính bằng Wifi, USB. Sơ đồ cấu tạo được trình bàyở hình 3.13
Cấu tạo của máy khảo nghiệm ma sát
Hình 3.13. Sơ đồ cấu tạo máy khảo nghiệm ma sát
14. Vít me điều chỉnh mẫu thử và gây tải 15. Tay quay
16. Trục gá cảm biến đo lực ma sát 17. Cảm biến đo lực ma sát
18. Gối đỡ, cần gá đối mẫu thử 19. Trục, gá đối mẫu thử 20. Vít me căng đai 21. Động cơ biến tần 22. Vít me điều chỉnh thanh gá cảm biến mòn 23. Thanh gá cảm biến mòn 1. Khung máy 2. Giá đỡ cảm biến 3,4. Cảm biến đo tải 5. Lò xo
6,7.Ổ và gối đỡ trục chính 8. Bộ chuyền động đai 9.Ống then hoa
10.Ổ đỡ và gối đỡ trục chính 11. Trục then hoa gắn mẫu thử 12. Đối mẫu thử (đĩa thép) 13. Mẫu thử (đồng thau)
3.2.3.2. Nguyên lý hoạt động
Khi động cơ biến tần (21) làm việc, thông qua bộ truyền động đai (8) truyền mô men quay đến trục (11) có gắn đối mẫu thử (12) làm mẫu thử quay (xem hình 3.14), dùng vít me và đai ốc (20) để căng đai. Để thay đổi số vòng quay của đối mẫu thử (12) ta điều chỉnh tốc độ vô cấp nhờ động c ơ DC servo (21). Muốn thay đổi tải tác dụng lên mẫu thử ta quay tay quay (15), để xác định chính xác tải tác dụng dùng cảm biến (3) để đo lực tác dụng.
Hình 3.14. Cặp ma sát thử nghiệm bôi tr ơn bằng MBTBS
Vít me (14) để gây tải, gá lắp và điều chỉnh mẫu thử (13) và đối mẫu (12) tiếp xúc với nhau, lúc chưa chịu tác dụng do lực ma sát gây ra thì cần gá đối mẫu (18) đứng yênở vị trí ban đầu, lúc này giá trị của cảm biến đo lực ma sát bằng 0. Khi chịu lực tác dụng của tải trọng, sẽ ép hai mẫu thử lại khi đó lực ma sát sinh ra giữa hai mẫu thử, lực ma sát sẽ kéo mẫu (13), dùng cảm biến điện tử đo lực ma sát (17) đo giá trị của lực ma sát và báo về bộ vi xử lý đã được lập trình, lúc này hệ số ma sát được tính toán và thể hiện trên màn hình máy tính. Mỡ bôi trơn được thoa lên bề mặt của đối mẫu 12.
Đối mẫu
Mẫu thí nghiệm
3.2.4. Tiến hành khảo nghiệm 3.2.4.1. Sơ đồ bố tríkhảonghiệm
Khảo nghiệm đối chứng hệ số ma sát của cặp ma sát trục thép bạc đồng đ ược tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ như sau:
Hình 3.15. Sơ đồ khảo nghiệm
3.2.4.2. Quy trình khảonghiệm
- Chuẩn bị mẫu:Vật liệu khảo nghiệm l à đối mẫu được chế tạo bằng thép C45 và mẫu đồng thau, được bôi trơn bằng MBT. Xem rằng vật liệu cặp ma sát không có khuyết tật, hình dáng và kính thước của mẫu như hình vẽ 3.16. Sau khi gia công mẫu được rửa sạch qua xăng, sau đó lau sạch hong khô.
Hình 3.16. Mẫu khảo nghiệm ma sát
- Xử lý mẫu: Sau khi gia công mẫu hình trụ tròn như hình vẽ, tiến hành mài phẳng để lấy mặt phẳng của mẫu.
Trước khi khảo sát mẫu ta tiến hành chạy rà cho đến khi hệ số ma sát ổn định, lúc này mới tiến hành khảo sát.
Diện tích tiếp xúc danh nghĩa của mẫu khảo sát S=7,06mm2
Số mẫu thử nghiệm bao gồm 48 mẫu chia l àm 6 nhóm có kính thư ớc và cấu tạo như nhau và được đánh dấu mẫu bằng khắc dấu thứ tự trên mẫu chữ và số (Số mẫu ở trong nhóm có thể sử dụng lại).
- Lựa chọn thông số thực nghiệm
Đối với tốc độ trong khảo nghiệm:
Tiến hành thí nghiệm với vận tốc trượt nhỏ nhất của máy có thể thực hiện được đến vận tốc trượt cao nhất là dải từ 0,1 đến 3m/s. Tuy nhi ên, đối với tốc độ của các loại máy tời thì số vòng quay thường vào khoảng 80 ÷ 150 v/phút t ương
ứng với 0,3 ÷ 0,6 m/s với đ ường kính trục là 80mm. Còn với các loại ổ bi làm việc trong máy chế biết thực phẩm hoặc tại ổ trục của động c ơ điện thì dải tốc độ có thể đến 1500v/phút tương ứng với tốc độ trượt 6m/s. Thông thường thì các loại máy tời làm việc tại tốc độ khoảng 0,5 m/s là phổ biến do vậy đối với dải tốc độ d ưới 0,5m/s ta không tiến hành khảo sát mà chỉ khảo sát với tốc độ tr ượt từ 0,5 ÷ 3m/s, tốc độ trượt này tương ứng với số vòng quay của trục làm việc vào khoảng từ 100 ÷ 1500 v/phút (với số vòng quay không đổi, nếu đường kính trục tăng lên thì tốc độ trượt tương đốicũng tăng nhưng không đáng kể).
Với yêu cầu trên, ta thực nghiệm sư thay đổi hệ số ma sát khi thay đổi lực tác dụng bằng cách tăng dần mức tải tại tốc độ 0,5 m/s cho đến khi m àng bôi trơn bị phá vỡ thì dừng lại. Tương tự khảo sát đối với các dải tốc độ 1; 1,5; 2; 2,5; 3m/s đối với các cặp mẫu thử.
Đối với tải trọng trong khảo nghiệm:
Trên cơ sở áp lực riêng cho phép của các loại bạc lót (xem bảng 2.2) chỉ vào khoảng từ 3 ÷ 15 N/mm2. Với diện tích tiếp xúc của cặp ma sát khảo nghiệm (mẫu thử và đĩa ma sát) là 7,06 mm2. Do vậy, mức tải đề nghị thử nghiệm có ý nghĩa thực
tế ở đây là từ 10 ÷ 50N tương ứng với áp lực riêng là 0,14 ÷ 0,708 kg/mm2. Qua khảo sát thử tại mức tải nhỏ h ơn 10N thì hệ số ma sát thay đổi không đáng kểdo vậy không khảo sát và tại mức tải trọng bằng 60N thì màng bôi trơn bị phá vỡ. Do đó tiến hành lấy tổ hợp mẫu tải là 10N; 20N; 30N; 40N; 50N; 60N đ ể khảo sát (tương đương với áp lực riêng là 0,142; 0,283; 0,425; 0,566; 0,708; 0,849kg/mm2).
3.2.4.3. Kết quảvà xử lý kết quả khảo nghiệm
Trong quá trình đo đạc thực nghiệm sẽ xảy ra một số sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng, sai số do độ nhạy của cảm biến bị thay đổi , sai số do điều kiện và chế độ sử dụng, sai số do xử lý kết quả đo , sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị, sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên . Do vậy, biện pháp khắc phục sai số khi đo lường, số lần tiến hành thí nghiệm phải phải đủ lớn, số l ượng
mẫu phải đại diện cho tổng thể mẫu và giá trị hệ số ma sát có được bằng tổng bình của các lần thử có được. Ta lấy được n mẫu: x1, x2,… xn.
1 1 n i i X x n (3.1)
Trong đó: X là giá trị trung bình
i
x kết quả đo lần thứ i n: số lần đo
Các giá trị trung bình các kết quả đo được trong thực nghiệm là thông số quan trọng để mô tả đặc tính nàođó của tập hợp. Song giá trị trung bình chỉ có ý nghĩa để phân tích và so sánh khi ta biết được sự phân bố của các kết quả thực nghiệm theo một độ tin cậy nào đó. Việc đánh giá các kết quả trung bình là hết sức quan trọng, nhất là khi tiến hành nghiên cứu so sánh các đối tượng khác nhau cùng điều kiện có các yếu tố thực nghiệm như nhau.
Giá trị trung bình của kết quả thực nghiệm đo đ ược thường được xác định bởi công thức(3.1).
Trong thực nghiệm người ta thường dùng mô hình phân bố chung của tập hợp N(m,σ) để phân tích đánh giá giá trị trung bình,ở đây hai giá trị chưa biết là giá trị m và độ lệch chuẩn của tập hợp σ. Với tập hợp nhỏ các mẫu thử với a phần tử (cá thể thực nghiệm), sau khi xác định hay chọn mức độ tin cậy để đánh giá kết quả ta có sự phân bố kết quả thu được quanh giá trị m theo công thức:
1 1 1 S S P X t m X t n n (3.2)
Với: X - giá trung bình được tính từ kết quả đo đ ược qua các lần thực nghiệm,
2 1 1 1 n i i S X X n (3.3) Xi–kết quả lần đo thứ i,
1-α : được giả thiết là xác xuất lớn nhất phân bố kết quả có thể xảy ra được gọi là mức tin cậy hay hệ số tin cậy.
tα - giá trị của phân bố Studient v à được tra trong bảng phân bố t- Studient với bậc tự do n-1.
Từ kết quả thực nghiệm hệ số ma sát của cặp ma sát thép đồng đ ược bôi trơn bằng MBT với 6 mức tải l à 10N, 20N, 30N, 40N, 50N, 60N và tương ứng với từng tốc độ trượt là 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3m/s và chọn 20 mẫu thử cho mỗi lần khảo sát (kết quả đo được tại phụ lục 5) tiến hành phân tích đánh giá k ết quả thu được thông qua các thông sô sau.
Hệ số ma sáttrung bình của các mẫu thử ứng với từng áp lực khác nhau
20 1 1 20 i i x x (3.5)
Và phương sai bình phương:
2 20 2 1 1 S 20 1i i x x (3.6)
Giả sử ta chọn mức độ tin cậy của số liệu thực nghiệm là 1-α = 0,95,α= 0,05, vì thực nghiệm nhắc lại 20 lần nên số bậc tự do sẽ là n-1=19, tra bảng phân bố t- Student ta tìmđược giá trị t/ 2 = 2,093. Xác định các giới hạn trên và dưới của vùng tin cậy theo công thức:
/ 2 1 S x x t n (3.7) Và / 2 1 S x x t n (3.8)
Các kết quả tính toán các giá trị của các đại l ượng trên đối với cặp ma sát bôi trơn bằng MBTBS được cho trong bảng từ 3.10 đến 3.16 v à đối với cặp ma sát bôi trơn bằngCastrol-spheerol AP3được cho trong bảng từ 3.17 đến 3.22.
Bảng 3.10. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv = 0,5 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0442 0,0013870 2,0930 0,0435 0,0448 20N 0,0535 0,0009987 2,0930 0,0530 0,0539 30N 0,0539 0,0016512 2,0930 0,0531 0,0547 40N 0,0735 0,0017911 2,0930 0,0726 0,0743 50N 0,1228 0,0020995 2,0930 0,1217 0,1238 60N 0,1518 0,0054926 2,0930 0,1492 0,1544
Bảng 3.12. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv= 1,0 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0494 0,0032347 2,0930 0,0478 0,0510 20N 0,0568 0,0014824 2,0930 0,0560 0,0575 30N 0,0604 0,0025629 2,0930 0,0592 0,0616 40N 0,0805 0,0004728 2,0930 0,0802 0,0807 50N 0,1317 0,0021300 2,0930 0,1307 0,1327 60N 0,1786 0,0026036 2,0930 0,1773 0,1799
Bảng 3.13. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv= 1,5 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0548 0,0021667 2,0930 0,0538 0,0558 20N 0,0575 0,0009987 2,0930 0,0570 0,0579 30N 0,0697 0,0015594 2,0930 0,0690 0,0704 40N 0,1023 0,0011642 2,0930 0,1017 0,1028 50N 0,1444 0,0015985 2,0930 0,1436 0,1451 60N 0,2044 0,0013534 2,0930 0,2038 0,2050
Bảng 3.14. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv= 2,0 m/s Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0593 0,0017800 2,0930 0,0584 0,0602 20N 0,0704 0,0025808 2,0930 0,0691 0,0716 30N 0,0899 0,0042040 2,0930 0,0879 0,0919 40N 0,1303 0,0028074 2,0930 0,1289 0,1316 50N 0,1917 0,0027357 2,0930 0,1904 0,1930 60N 0,2519 0,0314223 2,0930 0,2368 0,2670
Bảng 3.15. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv= 2,5 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0611 0,0020235 2,0930 0,0601 0,0621 20N 0.0812 0,0053339 2,0930 0,0786 0,0837 30N 0,1030 0,0015218 2,0930 0,1023 0,1037 40N 0,1386 0,0024149 2,0930 0,1374 0,1398 50N 0,2003 0,0017130 2,0930 0,1994 0,2011 60N 0,2702 0,0036746 2,0930 0,2684 0,2719
Bảng 3.16. Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 3,0 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0739 0,0012096 2,0930 0,0733 0,0745 20N 0,0869 0,0025935 2,0930 0,0857 0,0881 30N 0,1142 0,0024121 2,0930 0,1130 0,1153 40N 0,1483 0,0027121 2,0930 0,1469 0,1496 50N 0,2236 0,0020384 2,0930 0,2226 0,2245 60N 0,2811 0,0037343 2,0930 0,2793 0,2828
Bảng 3.17. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv= 0,5 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+)
20N 0,0521 0,0017741 2,0930 0,0512 0,0530
30N 0,0544 0,0010894 2,0930 0,0538 0,0549
40N 0,0636 0,0018202 2,0930 0,0627 0,0644
50N 0,0998 0,0030586 2,0930 0,0983 0,1012
60N 0,1323 0,0036433 2,0930 0,1306 0,1340
Bảng 3.18. Các đại lượng đặc trưng ứng vớiv= 1,0 m/s
Tải tác dụng x S t x(-) x(+) 10N 0,0492 0,0027644 2,0930 0,0479 0,0505 20N 0,0563 0,0018028 2,0930 0,0554 0,0571 30N 0,0570 0,0012140 2,0930 0,0564 0,0576 40N 0,0813 0,0027739 2,0930 0,0800 0,0826 50N 0,1071 0,0013169 2,0930 0,1064 0,1077 60N 0,1486 0,0026036 2,0930 0,1473 0,1499
Bảng 3.19. Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 1,5 m/s