Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tribology trong ổ trượt

ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình tribology trong ổ trượt là: áp lực riêng và vận tốc trượt; bôi trơn và vật liệu bôi trơn; cấu trúc bạc trượt.

Về hình thức quá trình ma sát, hao mòn trong ổ trượt với cặp kim loại và cặp kim loại - polyme là tương tự nhau, nhưng trong cặp thép - polyme, polyme tăng cường phụ gia... có những đặc thù riêng do đặc điểm về tính chất cơ, lý, hóa và sự biến đổi tại lớp mỏng trên bề mặt tiếp xúc trong quá trình ma sát chi phối.

1.3.5.1. Đặc tính tải trọng (áp lực riêng và vận tốc trượt)

Nhiều nhà khoa học trong [8], [13], [14], [17], [18], [89] khi nghiên cứu ma sát và hao mòn đã khẳng định áp lực riêng (p) và vận tốc trượt (V) là hai thông số ảnh hưởng chính, quan trọng nhất đối với quá trình tribology trong ổ trượt.

Với cặp trục thép - bạc trượt polyme cho thấy rằng khi tăng áp lực riêng dẫn đến hệ số ma sát sẽ giảm do tăng cường tính định hướng cấu trúc bề mặt, ngược lại khi tăng tốc độ trượt làm tăng nhiệt độ vùng tiếp xúc nên hệ số ma sát sẽ tăng (ảnh hưởng của p,V trình bày trên hình 2.3). Như vậy ảnh hưởng của vận tốc trượt đến sự sinh nhiệt ở vùng ma sát lớn hơn ảnh hưởng của áp lực riêng.

Giá trị nhỏ nhất của hệ số ma sát trong các ổ trục thép - polyme [15] tương ứng với tải trọng (áp lực riêng) và vận tốc khi bôi trơn dầu được trình bày trên bảng 1.2:

Bảng 1.2: áp lực riêng và vận tốc trượt đối với các ổ trục thép - polyme được bôi trơn

dầu máy cho giá trị nhỏ nhất của hệ số ma sát [15].

Vật liệu bạc trượt áp lực riêng p (MPa)

Vận tốc V (m/s) PA6 4.5 0.5 PA6+ bột Đồng 6.4 0.5 PA610 5.5 0.4 POM 6.0 0.5

1.3.5.2. ảnh hưởng của bôi trơn và vật liệu bôi trơn

Bôi trơn cho ổ trượt làm giảm hệ số ma sát và tăng cường dẫn nhiệt ra khỏi vùng ma sát làm giảm hao mòn, đồng thời nâng cao sức tải cho ổ trục.

Khi điều kiện cung cấp chất bôi trơn bị hạn chế chỉ đủ tạo thành lớp hấp thụ rất mỏng và màng giới hạn đây là chế độ ma sát giới hạn của ổ. ở chế độ làm việc này dễ chuyển thành một phần sang ma sát khô. Nếu lượng dầu đủ để tạo ra hiệu ứng thủy động, khi đó trong ổ tồn tại chế độ ma sát nửa ướt. Dạng ma sát này tồn tại ở mọi cặp ma sát, không phụ thuộc vận tốc trượt và độ nhớt chất bôi trơn. ảnh hưởng của điều kiện cung cấp chất bôi trơn liên quan đến các chế độ ma sát trong ổ trượt được trình bày trên hình 1.5 [17], [69], [89]:

Hình 1.5: Các chế độ ma sát trong ổ trượt.

1: Ma sát không bôi trơn.

2: Ma sát khi bôi trơn giới hạn và nửa ướt.

3: Ma sát khi bôi trơn ướt.

f

/p 3

2 1

Các loại vật liệu bôi trơn ảnh hưởng quan trọng đến ma sát và hao mòn cặp kim loại - bạc trượt polyme hoặc polyme tăng cường phụ gia, chất độn, do sự nhạy cảm của màng mỏng chuyển dịch trong môi trường bôi trơn đó.

Cặp ổ trục thép - polyme khi được bôi trơn sẽ làm giảm hệ số ma sát và làm giảm hao mòn từ vài lần đến vài chục lần [14].

Có thể xem xét sự ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn đến hệ số ma sát của các ổ trục thép - polyme và polyme tăng cường [15] trình bày trên bảng 1.3:

Bảng 1.3: ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn đến hệ số ma sát của

ổ trục thép - polyme

Hệ số ma sát (f) khi: Vật liệu

bạc trượt Không bôi trơn Bôi trơn nước Bôi trơn dầu

PA6 0.55 0.04 0.04

PA6 + 4%Al 0.50 - 0.06

PA6 + 10%C 0.65 0.15 0.12

PTFE 0.17 0.02 0.05

1.3.5.3. Vật liệu chế tạo bạc trượt và vật liệu trục

1, ảnh hưởng của vật liệu trục

Vật liệu trục thép được khá nhiều công trình nghiên cứu [8], [14], [89] đề cập đến bởi thép có độ bền, độ cứng cao và có tính gia công tốt. ảnh hưởng của thép và phương pháp gia công chúng đến tốc độ của các quá trình xảy ra trên bề mặt ma sát có liên quan với những tính chất cơ học, nhiệt lý học ban đầu của vật liệu cùng sự thay đổi những tính chất ấy trong quá trình ma sát và hao mòn, và có liên quan đến sự hình thành các cấu trúc thứ cấp.

Có thể xem xét sự ảnh hưởng của vật liệu chế tạo ngõng trục đến hao mòn của bạc lót bằng polyme, polyme tăng cường được trình bày trên bảng 1.4

Bảng 1.4: ảnh hưởng của vật liệu chế tạo ngõng trục (độ nhám bề mặt Ra = 0.4 m) đến hao mòn của bạc lót chế tạo từ PTFE [14], [89].

TT Vật liệu ngõng trục Hao mòn tương đối Chú ý

1 Thép các bon 1

2 Thép không gỉ 1.5 - 3

3 Phủ crôm 10 - 20

4 Hợp kim nhôm 20 - 50 Ngõng trục hao mòn lớn

2, ảnh hưởng của vật liệu bạc trượt

Vật liệu bạc trượt polyme, polyme tăng cường phụ gia, chất độn, giữa chúng có sự khác nhau về cấu trúc, các đặc tính cơ lý, hóa lý và khác biệt so với kim loại do đó ảnh hưởng của chúng đến ma sát, hao mòn và nhiệt độ làm việc khác nhau.

Khi bạc trượt được chế tạo bằng polyme tăng cường phụ gia hoặc chất độn, hao mòn của ngõng trục có thể lớn hơn đối với vật liệu polyme thuần khiết, phụ thuộc vào chất phụ gia, chất độn [14], [29], [89].

ảnh hưởng của vật liệu bạc trượt polyme, polyme tăng cường phụ gia đến hệ số ma sát và mài mòn khi không bôi trơn [89] trình bày trong bảng 2.1.

1.3.5.4. ảnh hưởng của cấu trúc bạc trượt

Do đặc điểm của bạc trượt polyme dẫn nhiệt, truyền nhiệt kém, hút ẩm cao, nên cần quan tâm đến cấu trúc, bề dày bạc, khe hở lắp ghép trục-bạc là những yếu tố gây ảnh hưởng chính yếu đến ma sát, hao mòn và khả năng khai thác của ổ.

+ Về cấu trúc [14], [15]:

Việc lựa chọn đặc tính cấu trúc của các ổ trục bằng polyme là vấn đề hết sức quan trọng để cho áp lực riêng trong ổ không vượt quá giới hạn cho phép. Giải quyết vấn đề này còn gặp khó khăn. Hiện tại có nhiều kiểu cấu trúc

ổ đỡ bằng vật liệu polyme. Phổ biến hay dùng ngõng trục thép, còn bạc lót chế tạo từ vật liệu polyme có cấu trúc nhiều lớp hay lồng ghép.

Tỉ số có lợi nhất giữa chiều dài ổ và đường kính trục bằng 1.

Có thể ép liền bạc lót vào ống bao như ( hình 1.6 b) hoặc để đảm bảo cho bạc khỏi xoay và tránh tập trung ứng suất người ta chế tạo gờ định vị trên lưng bạc ( hình 1.6 c).

Khi chế tạo bạc lắp ghép theo kiểu nhiều phần tử (hình 1.6 a) sẽ cho phép tăng đáng kể độ chính xác của lắp ghép trục - bạc. Khe hở hướng kính loại này có thể chọn giống như khe hở trong các ổ trục kim loại.

1

2

1

2 2

1

Hình 1.6: Cấu trúc bạc trượt có bạc lót là vật liệu chất dẻo [14], [15].

1. ống bao 2. Bạc lót

+ Độ dày cuả bạc lót được tính [14]:

b k D (1.16) Trong đó:

b: Độ dày bạc lót (mm)

D: Đường kính trong bạc lót (mm)

k: Hệ số phụ thuộc vào đường kính trục

k= (0.1 0.15) đối với ổ có đường kính nhỏ hơn 25 mm

k= (0.075 0.1) đối với ổ có đường kính từ (25100)mm

k=(0.04 0.75) đối với ổ có đường kính trên 100mm.

b c

+ Khe hở trục - bạc:

Khe hở lắp ghép giữa ngõng trục và bạc lót ổ có ảnh hưởng đến khe hở tương đối (), độ lệch tâm tương đối (), tính chất bôi trơn, sự phân bố áp suất trong ổ.

Chú ý rằng khe hở tương đối của ổ trục sẽ giảm do tăng độ ẩm và nhiệt độ. Sự giảm do độ ẩm môi trường thay đổi ở khí hậu ôn đới và nhiệt đới tỉ lệ bậc nhất với độ dày tương đối của bạc. Khe hở sẽ không thay đổi trong phạm vi nhiệt độ từ (-4085)0C nếu bề dày bạc lót b = 5mm, đường kính trục

d = (85 90)mm.

Với ổ trượt có ngõng trục bằng thép, bạc trượt Polyamit 6, khe hở trục bạc trong khoảng (0.21) mm hệ số ma sát có giá trị nhỏ nhất và hầu như không thay đổi (bôi trơn dầu, p =1 MPa,V= 0.84 m/s) [14].

Tồn tại phạm vi tối ưu của khe hở, khi hệ số ma sát là nhỏ nhất. Khe hở tương đối tối ưu có giá trị  = 0.0050.025, hao mòn nhỏ nhất khi khe hở tương đối  = 0.0050.014 [14].

Tác giả tại [33] bằng thực nghiệm trên cặp thép - bạc trượt Polyamit, đã xác định được khe hở lắp ghép nhỏ nhất bằng (0.070.08) mm, và khe hở tối ưu phụ thuộc chiều dày của bạc trượt, trình bày trong bảng 1.5:

Bảng1.5: Giá trị khe hở lắp ghép trục - bạc phụ thuộc chiều dày bạc trượt [33]. Chiều dày bạc lót (mm) 1.0 1.5 2.5 4.0 6.0 Khe hở tối ưu (mm) 0.15 0.23 0.30 0.40 0.55 Đường kính trục (mm) 25 70 25 65 90

Khe hở tính toán (mm) 0.15 0.20 0.28 0.40 0.54

1.3.6. ổ trượt trong một số thiết bị năng lượng tàu thủy

ổ đỡ trượt trong động cơ điêzen tàu thủy (ổ đỡ trục khuỷu, đầu

to, đầu nhỏ thanh truyền, ổ đỡ trục cam...) chịu lực tác dụng thay đổi theo chu kỳ cả về độ lớn và chiều, phụ thuộc vào công suất, tốc độ, kiểu loại động cơ.

Tỉ số giữa chiều dài và đường kính ngõng trục (l/d) được chọn theo TCVN 194 - 66. Thực tế thường dùng l/d = (0.51.5). Điều kiện làm việc được bôi trơn cưỡng bức bằng dầu. Vật liệu lót ổ thường là Đồng thanh hoặc Babít.

Trong các thiết bị, hệ trục được dẫn động từ thiết bị năng lượng trên tàu có hệ trục chân vịt, trục trung gian, máy tời kéo neo, kéo lưới...

Với tàu cá cỡ nhỏ công suất trên dưới 80 mã lực, hệ trục chân vịt thường bố trí 2 gối đỡ, có bạc trượt là gỗ, cao su hoặc Polyamít... dùng nước bôi trơn. áp suất tác dụng lên bạc p < 0.166MPa, vận tốc V = (1.82.3) m/s.

Với tàu có bố trí gối đỡ trục trung gian, ảnh hưởng của mô men và lực đến các gối đỡ không lớn. Vật liệu bạc trượt trong các gối đỡ này chủ yếu là Babit hoặc Đồng thanh. Tỉ số l/d khoảng (0.81.0), thường sử dụng dầu bôi trơn.

Trên tàu Công vụ Công ty Cảng vụ Nha Trang, bố trí tời neo mũi, số lượng 2 neo ( thường thu thả 1 neo, trọng lượng 100 kg). Bạc lót trượt là đồng thanh, bôi trơn mỡ. Lực tác dụng lên ổ đỡ chủ yếu là lực nâng trọng lượng neo và dây neo. Khi kéo neo tốc độ nâng V  0.15m/s, áp suất trên mỗi ổ p < 0.56 MPa ( thực tế tàu Công ty Cảng vụ và hồ sơ thiết kế [23]).

Trên tàu NCB - 95 của Viện nghiên cứu biển Nha Trang, trang bị máy tời kéo neo mũi (bố trí 1 neo, trọng lượng 50 kg), tốc độ kéo V  0.4 m/s, áp suất trên mỗi ổ cỡ p  0.20 MPa ( thực tế tàu NCB - 95 và hồ sơ thiết kế [20]).

Máy tời kéo lưới trên khối tàu FAO của Trường đại học Thủy sản được dẫn động trích lực từ máy chính qua hệ thống thủy lực. ổ đỡ máy tời có tỉ số l/d = (1.52.0), d = 60 mm và được bôi trơn định kỳ bằng dầu hoặc mỡ.

Lực tác dụng lên ổ đỡ của máy tời neo tàu thủy phụ thuộc chủ yếu vào vị trí neo, độ dài dây neo, điểm đặt lực căng dây neo trên tang thu chứa cáp. Khi thu neo, nhờ sự di chuyển của tàu mà lực kéo neo của máy tời được giảm, nhưng sẽ đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm nhổ mũi neo.

Trên khá nhiều máy tời kéo lưới [24] của tàu đánh cá lắp máy công suất 80 đến 150 mã lực, được dẫn động trích lực hoặc điện, có tổng lực kéo trên 2 tang là (1,51,6) tấn. Với lực kéo này, có thể suy ra trên mỗi ổ trượt của trục tải sẽ chịu áp suất p  (0.741.58) MPa, tốc độ kéo V< 1 m/s [24].

Gần đây ở một số tàu thủy có sử dụng bạc trượt PA6 hoặc bạc cao su. Với loại bạc trượt này cần quan tâm:

+ áp suất cho phép tác dụng lên ổ [p]

+ Tích giữa áp suất cho phép với vận tốc [p.v] + Nhiệt độ làm việc (T)

Cụ thể: - Bạc PA6, khi bôi trơn dầu:

[p] = (68) MPa, [p.v] = (1012) MPa.m/s, T  (5565)0C. - Bạc cao su (mềm hoặc cứng), dùng nước bôi trơn:

[p] = (2 hoặc 6) MPa, [p.v] = (4 hoặc 8) MPa.m/s, T 650C. Như vậy: Hầu hết các thiết bị mặt boong tàu thủy có chế độ làm việc theo chu kỳ, tải trọng (áp suất) tác dụng lên ổ đỡ trượt cỡ p  (0.21.58) MPa và thường thay đổi (động), vận tốc kéo khoảng V = (0.15 1.67) m/s và được bôi trơn định kỳ bằng dầu hoặc mỡ. Thông thường bạc lót ổ đỡ được chế tạo liền, độ dày phụ thuộc đường kính ngõng trục. Qúa trình làm việc của ổ đỡ chịu ảnh hưởng rất lớn của môi trường biển - nước mặn, dễ bị ôxy hóa, ăn mòn gây bó kẹt, hư hỏng. Khi bạc lót ổ đỡ bị bó kẹt, thiết bị phải mất thời gian khá dài, thậm chí trên biển không thể khắc phục được, ảnh hưởng đến an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế trong việc khai thác kỹ thuật tàu.

Kết luận:

Rất nhiều công trình của các nhà khoa học tiếp nối các thế hệ đã nghiên cứu bổ sung, ngày một hoàn thiện về ổ đỡ trượt, ma sát, hao mòn, vật liệu, bôi trơn và khả năng mang tải của ổ.

ổ đỡ trượt của thiết bị năng lượng tàu thủy đặc biệt thiết bị mặt boong làm việc trong môi trường mang tính đặc thù.

Chương 2

Ma sát, hao mòn và bôI trơn đối với

cặp lắp ghép kim loại - polyme và

kim loại - polyamit tăng cường phụ gia

2.1. POLYAMIT TăNG CườNG PHụ GIA

2.1.1. Polyamit (PA)

Khi nghiên cứu các tính chất cơ lý của polyme, đặc biệt một số polyme nhiệt dẻo (khi nung nóng sẽ mềm nhão hoặc chảy nhão, khi nguội cứng rắn lại như cũ): PA, PTFE, PI, POM, PE, PVC...nhiều công trình khoa học [14], [26], [31], [32], [37], [45], [46], [49], [62], [64], [89], cho thấy polyme có tính công nghệ cao tiêu biểu là Polyamit (PA). Polyamit được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp hoặc trùng ngưng [26], [31], [32] trong thành phần mỗi mắt xích có chứa và lập lại nhóm amit - CONH -. Polyamit là chất dẻo bán kết tinh, độ phân cực, giới hạn bền kéo, độ bền mòn, bền hóa học cao (trình bày trên bảng 2.1).

Tuy nhiên vật liệu Polyamit chịu nhiệt không cao (T= 45600C), dẫn nhiệt kém, hệ số dẫn nhiệt thấp  = (0.250.29) Calo/m.giờ.độ (nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của thép từ 155 đến 180 lần), hút nước nhiều (1112)%, trương nở lớn, hệ số nở nhiệt (1012).10-5/ 0k (lớn hơn thép từ 25 đến 30 lần) và tồn tại nội ứng suất trong vật liệu [33].

2.1.2. Polyamit tăng cường phụ gia

Để khắc phục những mặt tồn tại và cải thiện tính năng ma sát, hao

mòn của PA, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng công nghệ xử lý nhiệt, chiếu xạ hoặc tăng cường phụ gia, chất độn...

Sử dụng phụ gia Graphít, MoS2, PTFE... sẽ góp phần nâng cao độ bền nhiệt, cải thiện ma sát, hao mòn cho vật liệu Polyamit (trình bày tại bảng 2.1) [2], [14], [25], [29], [32], [34], [44], [89].

Phụ gia Graphít, MoS2 thực chất là chất bôi trơn rắn [49], là những phụ gia phân tán, phụ gia tăng cường. Khi sử dụng các phụ gia tăng cường cho chất dẻo cần phải giải quyết tốt vấn đề kích thước hạt (nhỏ, mịn) và phải tạo ra sự phân tán đồng đều trong sản phẩm.

Đisulfuamôlipđen (MoS2) là loại phụ gia có khối lượng riêng (4.64.8) g/cm3 [15], kích thước hạt có thể đạt đến ( 0.35, 0.70 hoặc 7.0) m [71]. MoS2 có cấu trúc mạng tinh thể, chúng xếp thành các lớp song song, cách đều nhau. MoS2 có độ bền theo phương vuông góc giữa các lớp rất cao, song độ bền cắt theo phương song song giữa các lớp lại rất nhỏ.

C.Bord, MM.CH.Martin cho biết MoS2 có tác dụng giảm ma sát chỉ đối với loại PA cụ thể (khi tăng cường < 5% MoS2 theo trọng lượng cho PA6 hệ số ma sát với thép 40 tăng từ 0.22 lên 0.28) [89].

S.W.Zhang [49] đồng xác nhận MoS2 không thật hiệu quả trong việc làm giảm ma sát, có thể làm tăng hao mòn khi thêm vào PA6.

Graphít là loại phụ gia có cấu trúc tinh thể, khối lượng riêng (1.751.95) g/cm3, nguyên tử các bon xếp thành các lớp song song cách nhau 0.34nm [13]. Graphít có độ bền theo phương vuông góc rất cao, song độ bền cắt theo phương song song với các lớp lại rất nhỏ [17], [47]. Độ cứng của Graphít theo phương vuông góc với mặt phẳng các lớp gần tương đương với kim cương. Graphít có tác dụng giảm mòn tốt nhất [49], và khi tăng cường cho PA luôn có tác dụng giảm ma sát [89].

PTFE là chất dẻo nhiệt dẻo, không phân cực, khối lượng riêng