Hỡnh 2. 6: Cỏc loại ma sỏt động cơ bản
Ma sỏt là một tổn thất cơ năng trong quỏ trỡnh chuyển động tương đối tại miền vật liệu tiếp xỳc từ khi bắt đầu cho tới khi kết thỳc.
Hệ số ma sỏt luụn được quyết định bởi điều kiện của hệ thống ma sỏt cụ thể. Hệ số ma sỏt tỷ lệ giữa hai lực, và từ đú quyết định nú chịu sự chi phối của đặc điểm động lực rất rừ nột của quỏ trỡnh ma sỏt. Ở điều kiện thụng thường, hệ số ma sỏt đo được rất phõn tỏn; mặt khỏc, trong tỡnh trạng mũn khốc liệt thỡ trị số ngược lại hầu như khụng đo ra được sự khỏc biệt gỡ.
Căn cứ điều kiện tiếp xỳc của cặp ma sỏt, ta cú cỏc dạng ma sỏt động: ma sỏt khụ, ma sỏt tới hạn và ma sỏt ướt cũng như một vài loại cơ bản của ma sỏt hỗn hợp (ma sỏt ướt và ma sỏt khụ, ma sỏt ướt và ma sỏt tới hạn ...)
Trạng thỏi ma sỏt ướt : < 0.005
Trạng thỏi ma sỏt hỗn hợp: = 0.005- 0.3 Trạng thỏi ma sỏt khụ: = 0.02- 0.5
Ngoài ra, ta cú thể tiến hành phõn loại trạng thỏi ma sỏt dựa vào loại chuyển động: ma sỏt trượt, ma sỏt tự quay, ma sỏt lăn. Để mụ tả một cỏch chớnh xỏc cỏc dạng hư hỏng cơ bản do mũn gõy nờn, cần biết cỏc đặc trưng sau:
- Loại chuyển động tương đối;
- Nguyờn tố tương tỏc;
- Cơ chế mũn chủ đạo.
Hiển nhiờn kết hợp ba đặc trưng này lại với nhau cú thể biết được dạng mũn. Để xỏc định đặc tớnh mũn một cỏch định lượng hơn, người ta cần phải quan tõm tới những đặc điểm:
- Cụng đưa vào: phụ tải phỏp tuyến, hệ số ma sỏt, quóng đường ma sỏt;
- Tớnh năng vật liệu cú liờn quan tới mũn;
- Cường độ mũn;
- Hỡnh dạng ngoài của bề mặt mũn.
Núi chung trong tất cả cỏc dạng mũn, tỏc dụng cơ học của ma sỏt sẽ gõy ra kớch hoạt sự hấp thụ ma sỏt hoặc phản ứng hoỏ học ma sỏt, mà chỳng thường xảy ra đồng thời, từ đú làm cho lớp biờn ngoài của chi tiết ma sỏt phỏt sinh biến dạng. Sự biến dạng trờn diện tớch tiếp xỳc này đúng vai trũ gia tốc (cơ chế tổn thương trước) hoặc là giữ vai trũ khống chế (cơ chế bảo vệ) đối với sự phỏt sinh của cơ chế mũn cơ bản. Đõy thực ra khụng phải là cơ chế cơ bản của mũn mà là cơ chế dẫn dắt và kớch hoạt phản ứng hoỏ học và hấp phụ một cỏch mỏy múc của quỏ trỡnh ma sỏt. Đối với sự thay đổi phỏt sinh trờn diện tớch tiếp xỳc này, năng lượng bề mặt của chi tiết ma sỏt là nhõn tố cú tớnh quyết định, dưới tỏc dụng của tải ma sỏt, năng lượng bề mặt ma sỏt cú thể đạt tới giỏ trị vụ cựng cao. Trạng thỏi kớch thớch cao này sẽ kớch hoạt phản ứng hoỏ học ma sỏt. Trong quỏ trỡnh mũn thường xuyờn phỏt sinh cơ chế mũn chồng xếp lờn nhau, cú liờn quan tới kết cấu cơ bản của hệ thống ma sỏt. Do đặc trưng cú tớnh ngẫu nhiờn của quỏ trỡnh mũn cục bộ cú thể được xem như một quỏ trỡnh xỏc suất. Trong quỏ trỡnh
này, đặc trưng thống kờ của điều kiện tiếp xỳc và sự hỡnh thành vụn mài chiếm ưu thế.
2.3 QUY LUẬT MềN CỦA CÁC CHI TIẾT MA SÁT TRONG ĐỘNG CƠ
2.3.1 Cỏc dạng hao mũn và hư hỏng của bề mặt ma sỏt
Cỏc dạng phỏ hoại khi ma sỏt:
- Cho phộp (hao mũn):
- Hao mũn cơ hoỏ bỡnh thường do ụ xy hoỏ;
- Hao mũn cơ hoỏ bỡnh thường do bong dần cỏc lớp màng mỏng cú nguồn gốc khỏc ụ xýt;
- Dạng cơ hoỏ của mài mũn.
- Khụng cho phộp (hư hỏng):
- Trúc loại 1; - Trúc loại 2;
- Quỏ trỡnh Fretting (trúc ụ xy hoỏ động); - Cắt cào xước (dạng cơ học của mài mũn); - Mỏi khi ma sỏt lăn;
- Cỏc dạng hư hỏng khỏc (ăn mũn, xúi mũn, bào mũn, dập).
2.3.2 Quy luật mũn của cỏc chi tiết ma sỏt trong động cơ
Khi vận hành, mũn của tất cả cỏc chi tiết làm việc của động cơ là quỏ trỡnh tất nhiờn và khụng thể trỏnh khỏi. Mối quan tõm chủ yếu là mũn của cỏc chi tiết gõy ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của động cơ. Trước hết đú là: trục khuỷu và blốc xi lanh, cỏc chi tiết mài mũn của chỳng làm ảnh hưởng lớn đến cỏc chỉ số vận hành của động cơ, cũn thay thế chỳng là việc làm nặng nhọc (bạc lút trục khuỷu, bạc lút thanh truyền, pittụng và vũng găng). Mũn của cỏc chi tiết cơ cấu phõn phối khớ cú thể gõy hậu quả xấu đỏng kể đối với vận hành của động cơ. Tuy nhiờn chỳng khụng phải là dấu hiệu hư hỏng để đưa động cơ vào sửa chữa lớn là do cú thể thay thế nhanh. Hơn nữa, mũn của cỏc chi tiết của cơ cấu trờn cú thể làm động cơ ngừng hoạt động, nhưng khụng làm giảm tuổi thọ động cơ.
Số lớn cỏc nhà nghiờn cứu về hao mũn động cơ cho rằng nhúm chi tiết chớnh quyết định tuổi thọ, chất lượng làm việc của động cơ Điờzen là xi lanh trục khuỷu, mối ghộp xupỏp, nhúm chi tiết chớnh xỏc bơm cao ỏp. Riờng xi lanh, trục khuỷu cũn được lấy làm căn cứ chớnh để quyết định cấp sửa chữa đại tu hay trung tu động cơ.
Tuy quy luật mũn cỏc chi tiết cơ bản của động cơ đó được nghiờn cứu ở cỏc nước phỏt triển nhưng trong điều kiện sử dụng ở nước ta, cỏc yếu tố cú ảnh hưởng quyết định đến quy luật mũn như: địa hỡnh, khớ hậu, nguyờn vật liệu, nhiờn liệu dầu mỡ, phụ tựng thay thế, trỡnh độ cụng nhõn vận hành và bảo dưỡng
sửa chữa v.v... mà dựa chủ yếu vào quy luật mũn của nước ngoài thỡ khụng hoàn toàn thớch hợp nờn phải điều chỉnh cho phự hợp với đặc thự ở Việt Nam. Do đú quy luật mũn của cỏc chi tiết này được đặc biệt chỳ ý nghiờn cứu.
Kinh nghiệm cho thấy tớnh chịu mũn khụng chỉ phụ thuộc độ cứng và tải trọng. Tớnh đàn hồi của vật liệu, chế độ làm việc (tải, tốc độ, nhiệt độ), điều kiện bờn ngoài (mụi trường, bụi trơn) và đặc trưng kết cấu cặp ma sỏt v.v... là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mũn.
Trong quỏ trỡnh cỏc nhấp nhụ tế vi trượt khi ma sỏt, nảy sinh ứng suất nộn và ứng suất ở cỏc vựng khỏc nhau. Mỗi phần tử vật liệu chịu biến dạng đổi chiều. Biến dạng lặp đi lặp lại nhiều lần dẫn đến thay đổi tớnh năng lý hoỏ của lớp bề mặt, tớch tụ những hư hỏng và làm bong những hạt mũn.
Ứng suất tương đương eff là ứng suất khi bong hạt mũn:
r ml eff k.k.f .P
Trong đú:
k: Hệ số đặc trưng cho trạng thỏi ứng suất khi tiếp xỳc k= 5 đối với vật liệu dũn
k= 3 đối với vật liệu cú độ đàn hồi cao Cường độ mũn tuyến tớnh: L U L A V I a E Trong đú:
L: Chiều dài đường ma sỏt;
VE: Thể tớch vật liệu bị mũn trờn đường ma sỏt L; U: Lượng mũn.
Cần lưu ý rằng, chỉ cú diện tớch tiếp xỳc thực tế mới tham gia vào quỏ trỡnh ma sỏt, ta cú khỏi niệm lượng mũn riờng:
d A V i r d h Trong đú:
d: Đường kớnh trung bỡnh của vết tiếp xỳc;
Vd: Thể tớch vật liệu bong khỏi diện tớch Ar, khi trượt trờn đường d (kết quả một lần tương tỏc của cỏc nhấp nhụ bề mặt)
Từ đú ta cú: r a h a r h P P i A A i I
Trong một lần tương tỏc của cỏc nhấp nhụ, ta cú chiều dày lớp mũn là:
n U Vh v
Trong đú
n: Số chu kỳ dẫn tới sự bong thể tớch vật liệu Uv.
Mũn là quỏ trỡnh phỏ huỷ lớp bề mặt của vật thể dưới tỏc dụng của vật thể khỏc hoặc mụi trường xung quanh.
Đặc tớnh biến đổi đại lượng mũn và cường độ mũn cỏc chi tiết phần lớn cỏc mỏy múc, trong đú cú động cơ đốt trong phụ thuộc vào quóng đường ma sỏt cú quy luật chung theo hỡnh 2.7, cú thể chia rừ ràng thành ba giai đoạn: I - chạy rà; II - làm việc; III - mũn khốc liệt.
Hỡnh 2. 7: Đồ thị phụ thuộc của lượng mũn U vào thời gian
Giai đoạn chạy rà.
Là khoảng khụng cõn bằng của quỏ trỡnh mũn, khoảng này nằm trong tuổi thọ của chi tiết với biểu hiện tiếp xỳc nhỏ và được đặc trưng bởi cường độ mũn giảm dần.
dL dU
Trong đú:
U – Lượng mũn.
L – Chiều dài đường ma sỏt.
Giai đoạn ổn định.
Đõy là khoảng thời gian dài nhất, đặc trưng cho mũn ổn định.
const dL
dU
Giai đoạn mũn khốc liệt.
Cú đặc trưng cường độ mũn tăng vọt.
Hiện nay đặc trưng của quỏ trỡnh mũn được thể hiện bởi đại lượng cường độ mũn khụng thứ nguyờn.
U
II
I III
Cường độ mũn khụng thứ nguyờn của cỏc chi tiết cặp ma sỏt được xỏc định theo thể tớch, kớch thước hay khối lượng bằng cụng thức:
d A V I r d Hoặc: L h I Hoặc: L A G I n Trong đú:
Aa – Diện tớch tiếp xỳc danh nghĩa;
- Mật độ của vật liệu mũn;
h – Chiều sõu mũn của bề mặt ma sỏt; Vd – Thể tớch mũn của chi tiết;
L – Chiều dài của đường ma sỏt;
r a A A
- Tỷ số diện tớch danh nghĩa và diện tớch thực của bề mặt ma sỏt. Trong trường hợp tổng quỏt, cỏc lượng chuyển vị tương đối của cỏc chi tiết tiếp xỳc được xỏc định trước, quóng đường ma sỏt là khỏc nhau với mỗi chi tiết và mỗi điểm của bề mặt ma sỏt.
Cỏc kết quả thực nghiệm cho thấy cường độ mũn khụng thứ nguyờn của cỏc loại vật liệu nằm trong phạm vi:
I= 10-3- 10-12
Trong một số trường hợp cỏ biệt, cường độ mũn được tớnh theo khối lượng: L G Ig Trong đú:
Ig – Cường độ mũn theo khối lượng;
G
- Khối lượng mũn trong quỏ trỡnh ma sỏt; L – Chiều dài đường ma sỏt.
Cũng cú khi cường độ mũn lại tớnh theo thể tớch:
dt dU It
Đại lượng It thường được sử dụng trong nghiờn cứu và thớ nghiệm gia tốc, nhằm so sỏnh mũn trong quỏ trỡnh ma sỏt của cỏc vật liệu khỏc nhau trong cựng điều kiện.