NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN DÙNG TRONG NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY

Hình 1.15: Sự hình thành áp suất thủy động giữa hai bề mặt trượt có hình dạng khác nhau Hình 1.16: Ảnh hưởng giữa các thông số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn Hình 1.17: Sơ đồ phân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Kết quả nghiên cứu nêu trong đề tài luận văn này là trung thực Chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

ĐẶT VẤN ĐỀ 9

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN.12 1.1 Ma sát: [5] 12

1.1.1 Khái niệm và phân loại ma sát 12

1.1.2 Các thuyết cơ học về ma sát ngoài 12

1.1.3 Các thuyết phân tử về ma sát ngoài 16

1.1.4 Thuyết năng lượng về ma sát 20

1.1.5 Thuyết ma sát dựa trên các cơ chế mòn diễn ra trên bề mặt tiếp xúc 21

1.2 Khái niệm và phân loại hao mòn [5] 25

1.2.1 Khái niệm hao mòn 25

1.2.2 Phân loại hao mòn 26

1.2.3 Các dạng hao mòn 27

1.3 Bôi trơn ma sát trong điều kiện bôi trơn ướtt khác nhau [6] 31

1.3.1 Khái niệm và phân loại 31

1.3.2 Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R  1 32

1.3.3 Bôi trơn ướt hoàn toàn 5  R  100 32

1.3.4 Bôi trơn trong trường hợp ma sát thuỷ động đàn hồi 1  R  10 33

1.3.5 Bôi trơn điều kiện ma sát hỗn hợp R  5 33

1.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng chính đến trạng thái ma sát và bôi trơn 33

1.4 Nhận xét 37

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÔNG DỤNG ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT 39

2.1 Các phương pháp mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm ma sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn [5, 6] 39

2.1.1 Một số sơ đồ phương pháp đơn giản để xác định giá trị của hệ số ma sát 40

2.1.2 Phương pháp giao thoa ánh sáng 41

2.2 Các tiêu chuẩn khảo nghiệm quy định của ASTM 43

2.3 Các phương pháp và tiêu chuẩn khảo nghiệm xác định hệ số ma sát 44

2.4 Thiết bị thông dụng để khảo nghiệm ma sát, mòn, bôi trơn 47

2.4.1 Máy 4 bi 47

2.4.2 Máy Timken 48

2.4.3 Máy đo lực ma sát KE – 1 49

2.4.4 Máy khảo nghiệm độ mòn TE97 49

2.4.5 Máy thử nghiệm mài mòn ma sát vạn năng model E53SLIM 50

2.4.6 Máy khảo nghiệm ma sát mòn EFM-III-1010 50

2.4.7 Máy đo ma sát – mòn của mẫu thử với các môi trường khác nhau 51

2.4.8 Máy khảo nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM-G77 52

2.5 Phương tiện nghiên cứu ma sát, hao mòn, bôi trơn tại Đại học Nha Trang52 2.5.1 Máy khảo nghiêm ma sát MS –TS2 52

2.5.2 Máy khảo nghiêm ma sát MS –TS1 53

2.6 Nhận xét 54

2.7 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 55

2.7.1 Mục đích nghiên cứu 55

2.7.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 55

Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY 56

3.1 Chọn phương án thiết kế 56

3.2 Xác định các yêu cầu kỹ thuật 56

3.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy 57

3.3.1 Cấu tạo máy khảo nghiệm ma sát 58

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 59

3.4 Thiết kế, chế tạo chi tiết máy [1, 2, 3, 4, 10, 11, 12, 13] 59

3.4.1 Tính toán chọn động cơ 59

3.4.2 Tính toán bộ truyền đai 60

3.4.3 Tính toán các chi tiết máy 62

3.5 Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử [5, 7, 8, 9, 14, 15, 16, 17, 18]… .74

3.5.1 Sơ đồ khối và chức năng hoạt động của hệ thống 74

3.5.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển: 74

3.5.3 Thiết bị: 75

3.5.4 Phương pháp xử lý số liệu [5] 82

3.5.5 Thuật toán điều khiển 86

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 90

4.1 Bản vẽ thiết kế máy 90

4.2 Phần cứng và chương trình điều khiển máy 90

4.2.1 Phần cứng 90

4.2.2 Chương trình điều kiển 94

4.3 Thiết bị khảo nghiệm ma sát 99

4.3.1 Thông số kỹ thuật máy….……… 99

4.3.2 Máy khảo nghiệm ma sát……… 100

4.4 Kết quả thử nghiệm máy 102

4.4.1 Thử nghiệm đo ma sát ………102

4.4.2 Kết quả đo hệ số ma sát ……… 105

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 1

PHỤ LUC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC: Dòng điện xoay chiều

ASTM: Tiêu chuẩn thử nghiệm

ATMega32: Vi điều khiển

AVR: Họ vi điều khiển của hãng Atmel

Loadcell: Cảm biến đo lực

MCU: Bộ điều khiển trung tâm

OECD: Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế

PC: Máy tính

PID: Thuật toán

PIC: Họ vi điều khiển của hãng Microchip

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng 1.1: Phân loại mòn dựa trên các thông số đặc trưng

Bảng 2.1: Các thiết bị khảo nghiệm các tính chất tribology và các tiêu chuẩn quy định

của ASTM cho các phân tích

Bảng 2.2: Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại ứng với các phương pháp điều

kiện khảo nghiệm khác nhau (môi trường không khí nhiệt độ trong phòng)

Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm về hệ số ma sát của cao su trên nền cứng với các mẫu

thử khác nhau

Bảng 3.2: Giá trị của các đại lượng đặc trưng cho kết quả thực nghiệm đối với ma sát

của cao su trên nền cứng

Bảng 4.1: Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại theo tiêu chuẩn BOR (môi

trường không khí nhiệt độ trong phòng)

Bảng 4.2: Phiếu phân tích kết quả thành phần của thép

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân loại các dạng ma sát

Hình 1.2: Thí nghiệm để xác định hệ số

Hình 1.3: Sự tiếp xúc giữa hai bề mặt nhám và mô hình tiếp xúc trực tiếp giữa hai

đỉnh mấp mô

Hình 1.4: Mô hình của Bowden để tính và giải thích lực ma sát khô

Hình 1.5: Sự lún sâu và dồn nén kim loại khi dịch chuyển các

Hình 1.6: Mô hình của Tomlinson về

lực tương giữa các phân tử

Hình 1.7: Mô hình của Tomlinson về sự cân bằng giữa áp lực pháp tuyến và lực đẩy Hình 1.8: Mô hình nguyên lý tác dụng giữa các nguyên tử tại vùng ma sát của

Deriagin

Hình 1.9: Các thành phần lực tác dụng tại vùng tiếp xúc ma sát theo Deriagin

Hình 1.10: Các trạng thái biến đổi bề mặt gây tổn hao năng lượng

Hình 1.11: Tiếp xúc tập trung và phân bố ứng suất tại vùng tiếp xúc, nguyên nhân tạo

hao mòn do mỏi

Hình 1.12: Cách thức hình thành các dạng xói mòn

Hình 1.13: Mô hình lớp bôi trơn giới hạn

Hình 1.14: Mô hình đơn giản của lớp dầu bôi trơn khi bôi trơn ướt

Hình 1.15: Sự hình thành áp suất thủy động giữa hai bề mặt trượt có hình dạng khác

nhau

Hình 1.16: Ảnh hưởng giữa các thông số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn

Hình 1.17: Sơ đồ phân loại tính lưu biến các lại chất lỏng

Hình 1.18: Mô phỏng chất lỏng chảy lớp và định nghĩa độ nhớt động lực học

Hình 1.19: Đường cong chảy của các chất lỏng khác nhau

Hình 2.1: Các phương án mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm ma

sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn

Hình 2.2: Sơ đồ minh họa một số thiết bị đơn giản thường được sử dụng để xác định

hệ số ma sát

Hình 2.3: Sơ đồ của thiết bị để đo bề dày màng bôi trơn thủy động đàn hôi bằng giao

thoa ánh sáng

Hình 2.4: Hình ảnh vân giao thoa của độ dày màng dầu bôi trơn tại tiếp xúc trượt của

CaF2 và thép

Hình 2.5: Máy 4 bi dùng để nghiên cứu ma sát giới hạn

Hình 2.6: Sơ đồ của máy Tim ken

Hình 2.7: Máy đo lực ma sát KE - 1

Hình 2.8: máy khảo nghiệm độ mòn TE97

Hình 2.9: máy khảo mài mòn ma sát vạn năng TE97

Hình 2.10: Các dạng tiếp xúc

Hình 2.11: Máy khảo nghiệm ma sát mòn EFM-III-1010

Hình 2.12: Máy đo ma sát – mòn của mẫu thử với các môi trường khác nhau

Hình 2.13: Sơ đồ minh họa cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị khảo nghiệm ma

sát có sử dụng các cảm biến đo lực tác dụng và lực ma sát đồng thời

Hình 2.14: thiết bị khảo nghiệm ma sát MS –TS2

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy MS –TS1

Hình 3.1: Sơ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy khảo nghiệm ma sát

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy khảo nghiệm ma sát

Hình 3.3: Sơ đồ chân và sơ đồ đóng gói của vi điều khiển Atmega32

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega32

Hình 3.5: Hình dạng bên ngoài cảm biến DS18B20

Hình 3.6: Cấu tạo của DS18B20

Hình 3.7: Cấu tạo của Encoder tương đối

Hình 3.8: Cấu tạo và hình dáng của mắt phát, mắt thu

Hình 3.9: Mạch cầu điện trở cân bằng Wheatstone

Hình 3.10: Một số Loadcell thực tế

Hình 3.11: Loadcell đo lực uốn

Hình 3.12: Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai

Hình 3.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Hình 3.14: Đáp ứng tốc độ khi không có phản hồi

Hình 3.15: Đáp ứng tốc độ khi Kp#0

Hình 3.16: Đáp ứng tốc độ khi Kp, Ki, Kd # 0

Hình 3.1: Thay đổi Kp (Ki và Kd không đổi)

Hình 3.18: Thay đổi Ki (Kp và Kd không đổi)

Hình 3.19: Thay đổi Kd (Kp và Ki không đổi)

Hình 4.1:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 4.7: Linh kiện trên mạch in MCU và cách ly

Hình 4.8: Mạch nguyên lý khuếch đại tín hiệu vi sai

Hình 4.9: Mạch in khuếch đại tín hiệu vi sai

Hình 4.10: Linh kiện trên mạch in khuếch đại tín hiệu vi sai Hình 4.11: Dao diện điều khiển

Hình 4.12: Số liệu xử lý theo chương trình và tự động lưu trữ Hình 4.13: Máy thử nghiệm ma sát

Hình 4.14: Máy thử nghiệm ma sát

Hình 4.15: Kết quả đo lần 1

Hình 4.16: Kết quả đo lần 2

Hình 4.17: Kết quả đo lần 3

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong các vấn đề chung liên quan đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy thì vấn đề

Ma sát, mòn, bôi trơn (Tribology) có vai trò quan trọng Nó quyết định đến trên 95%

độ tin cậy và tuổi thọ của máy và thiết bị, phần lớn máy móc bị hỏng không phải do gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt ma sát trong các mối liên kết động Phục hồi máy móc phải tốn phí nhiều tiền của, vật tư, hàng chục vạn công nhân phải tham gia công việc này, hàng vạn máy công cụ được sử dụng trong các phân xưởng sửa chữa Theo một số nhà nghiên cứu có uy tín trên Thế giới, hàng năm ma sát đã lấy đi của loài người 30 - 35% năng lượng được sản xuất ra [5] Cũng phải nói thêm rằng, hàng năm trên Thế giới hàng trăm ngàn các máy móc thiết bị loại ra khỏi dây chuyền sản xuất do hậu quả của hao mòn Từ đó ta thấy việc nghiên cứu Tribology và ứng dụng những kết quả nghiên cứu vào sản xuất có ý nghĩa kinh tế đến nhường nào, nhất

là đối với đất nước ta khi mà trình độ khoa học kỹ thuật nói chung cũng như trình độ

về sử dụng các thiết bị và máy móc còn nhiều hạn chế nếu như không nói là ở trình độ thấp

bị nghiên cứu còn quá cao, chưa phù hợp với thị trường ở nước ta tại thời điểm này Mặt khác các kết quả nghiên cứu và công nghệ ngày nay thường được giấu, mà chỉ bán công nghệ mới chuyển giao công nghệ

b.Trong nước

Từ thập niên 90 của thế kỷ 20 các nhà khoa học của trường đại học Bách khoa

Hà Nội, sau đó là Trường đại học Nha Trang đứng đầu là PGS.TS Quách Đình Liên, PGS.TS Dương Đình Đối, PGS.TS Nguyễn Văn Ba đã nghiên cứu sáng chế thành công một số máy khảo nghiệm ma sát, bước đầu đã đạt được nhiều thành công đáng trân trọng, ứng dụng trong việc giảng dạy, nghiên cứu

Tuy nhiên do máy được chế tạo từ những năm 90 của thế kỷ trước đã quá cũ mà các cơ cấu chính của máy và thiết bị đo được chế tạo bằng các cơ cấu cơ khí nên độ tin

cậy chưa cao, vì vậy việc lấy được số liệu chính xác của cặp ma sát nghiên cứu đã và đang gặp nhiều khó khăn

Như chúng ta đã biết, tiến bộ không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật nói

chung và ngành Cơ khí, Điện tử, Tin học (Cơ điện tử) nói riêng đang trên đà phát triển

mạnh mẽ Đã và đang được ứng dụng ít nhiều vào hầu hết các lĩnh vực hoạt động của

xã hội Đến nay ngành (cơ điện tử) là một ngành khó có thể thiếu được trong xã hội

Các thiết bị, máy móc do ngành cơ điện tử tạo ra đã trở nên quen thuộc với đời sống của chúng ta

Thiết kế, chế tạo thành công máy khảo nghiệm ma sát mòn bôi trơn, nhằm mục đích phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu và ứng dụng, giúp cho các nhà thiết kế, chế tạo chọn đúng vật liệu cho các cặp ma sát và vật liệu bôi trơn tương ứng Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu, cũng như nâng cao tuổi thọ của máy móc giảm giá thành sản phẩm

Với các yêu cầu cấp thiết có cơ sở khoa học và thực tiễn trên, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN DÙNG TRONG NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY”

Hy vọng kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần tạo ra phương tiện nghiên cứu khảo nghiệm về các đặc trưng ma sát đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra, có thể sử dụng một cách tin cậy trong nghiên cứu phối hợp các tính chất của vật liệu kỹ thuật trang bị trên tàu thuỷ nói riêng và máy móc nói chung, thực hiện chương trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá do Đảng ta phát động Đồng thời chúng tôi cũng hy vọng, thiết bị này sẽ đóng góp tích cực cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học của nhà trường trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ vật liệu mới

Do tính đa dạng của vấn đề, trong khả năng và điều kiện cho phép chúng tôi chỉ tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy khảo nghiệm ma sát dạng tiếp xúc mặt và tiếp xúc điểm với các nội dung chính như sau:

1 Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu được công bố ở Việt nam và thế giới

2 Xác định các yêu cầu kỹ thuậy của máy

3 Xây dựng sơ đồ động học

4 Thiết kế chế tạo máy và thử nghiệm máy

Cho phép tôi trân trọng cảm ơn NGND, PGS TS Quách Đình Liên đã hướng

dẫn khoa học và tài trợ kinh phí cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện thành công đề tài luận văn

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ quí

báu của các bạn đồng nghiệp Giảng viên Trần Văn Hùng Bộ môn cơ điện tử, Xưởng

thực tập cơ khí, Bộ môn cơ học vật liệu, một số Cán bộ Giảng viên Khoa Cơ khí và Khoa Kỹ thuật tàu thủy

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành trước sự giúp đỡ chân tình vô cùng quí báu

đó

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN

1.1 Ma sát: [5]

1.1.1 Khái niệm và phân loại ma sát

Ma sát là khái niệm về các hiện tượng tương tác diễn ra ở khu vực tiếp xúc có chuyển dịch tương đối giữa các bề mặt của vật thể, dưới tác dụng của lực, kết quả cuả

nó là sự cản trở xu hướng chuyển động của các vật thể

Thước đo độ lớn của ma sát là lực cản tiếp tuyến với phương chuyển động của vật thể Trong trường hợp giữa hai bề mặt tiếp xúc có dịch chuyển tương đối ta có ma sát động và nếu như vận tốc tương đối giữa 2 bề mặt bằng không ta có ma sát tĩnh Do đặc tính tiếp xúc, chuyển động và sự có mặt hay không của môi trường bôi trơn người

ta phân ma sát thành các loại như được trình bày trên (hình 1.1)

1.1.2 Các thuyết cơ học về ma sát ngoài

Từ những giả thuyết trên người ta đã đưa ra 3 định luật về ma sát:

- Định luật thứ nhất: Lực ma sát có giá trị tỉ lệ với áp lực pháp tuyến

- Định luật thứ hai: Lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc

- Định luật thứ ba: lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc tượt

1.1.2.2 Thuyết của Bowden

Lý thuyết xây dựng trên cơ sở phân tích đến đặc tính dẻo của các biến dạng trên

bề mặt tiếp xúc thực tế của vật rắn Nó được thiết lập nhờ các thực nghiệm các mối ghép kim loại và được tiến hành trên thiết bị có tên nhà bác học - thiết bị Bowden - Leben Trên cơ sở các kết quả rút ra từ thực nghiệm ông đưa ra giả thuyết: Giá trị của

hệ số ma sát cũng như đặc tính phá hoại bề mặt xuất hiện khi chịu ma sát trượt được quyết định bởi tính chất vật lý của bề mặt các vật tiếp xúc

Đặc tính tác dụng tương hỗ của các bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào tỉ số độ cứng của chúng, trong trường hợp giá trị này lớn, công ma sát còn phụ thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc (là hàm của tải trọng và độ cứng của vật liệu) và nhiệt độ nóng chảy của vật liệu Bowden đã chia tất cả các trường hợp ma sát trượt ra làm 3 loại:

- Trượt kim loại cứng trên kim loại cứng

- Trượt kim loại mềm trên kim loại cứng

- Trượt tương đối của kim loại có cùng độ cứng

Khi trượt, vật thể rắn có hình chỏm cầu trên bề mặt phẳng (hình 1.4) của vật thể

có độ cứng nhỏ hơn đáng kể, với lực áp dụng pháp tuyến N, lúc đầu sẽ diễn ra sự hằn sâu của chỏm cầu vào bề mặt mềm, làm tăng diện tích tiếp xúc (hình 1.4) Nếu như bề mặt tiếp xúc thực đủ lớn để tiếp tục tăng tải trọng biến dạng dẻo sẽ không xảy ra, khi

đó diện tích hình chiếu của mặt tiếp xúc S trên mặt phẳng trượt sẽ được biểu diễn bởi công thức sau:

Ở đây: Re - giới hạn dẻo của vật liệu mềm

Để đơn giản Bowden giả thiết rằng: bề mặt tiếp xúc là nhẵn tuyệt đối và diện tích tiếp xúc thực bằng diện tích danh nghĩa Giả thiết như vậy là chưa sát thực tế, bởi

vì độ mấp mô của mẫu thử chuyển động có hình hình dạng nửa chỏm cầu Lực ma sát

theo Bowden bao bồm lực P s cần thiết cho cắt các liên kết kim loại được xuất hiện khi ma

sát và lực P w tạo ra các vết cày xước trên bề mặt của vật liệu mềm

Ở đây: S w - mặt cắt ngang của vết xước;

p w - lực cản đơn vị trung bình xuất hiện khi cày xước (giá trị của p w

chính bằng giới hạn dẻo của kim loại mềm)

Mặt cắt ngang của vết xước ma sát có thể biểu diễn gần đúng bởi mối quan hệ:

Ở đây : d - chiều rộng của vết xước; r - bán kính của vết trượt

Khi đó lực ma sát có thể biểu diễn bằng công thức: T S  pt S p w w (1.7) Suy luận tương tự đã đưa Bowden đến soạn thảo mối quan hệ, từ đó có thể tính lực ma sát trong trường hợp khi hình dạng của mẫu thử là hình trụ, với các thống số của nó là bán kính r; chiều dài là l Lực ma sát được tính :

Hình 1.3: Sự tiếp xúc giữa hai bề mặt nhám và mô hình

tiếp xúc trực tiếp giữa hai đỉnh mấp mô

1.1.2.3 Lý thuyết của Epifanow

Epifanow đã phát triển thuyết của Bowden Ông đã giả thuyết rằng sự cắt kim loại do dịch chuyển bề mặt thứ nhất trên bề mặt thứ hai xảy ra không chỉ ở các điểm

tiếp xúc trực tiếp mà nó diễn ra trên diện tích S c vài lần lớn hơn diện tích tiếp xúc bởi

vì trước vết cày tạo nên sự dồn nén vật liệu, sự trượt không xảy ra trên bề mặt tiếp xúc thực tế mà diễn ra bên trong bề mặt khi có biến đổi ứng suất pháp trong bề mặt bị cày xước Giá trị của mặt cắt thực có thể xác định khi ta nghiên cứu độ sâu và chiều rộng của vết cày xước do kết quả của ma sát (hình 1.5)

Định luật ma sát được xác định bởi công thức: T =  Sc (1.9)

Ở đây: T - lực ma sát;  - độ bền cắt;S c - tiết diện bị cắt

Độ bền cắt của vật liệu theo Bridgman có thể xác định bởi công thức:

Từ đó lực ma sát có thể tính bằng công thức:T = 0Sc + kScc (1.11)

c

N S

Số hạng thứ nhất của (công thức 1.13) biểu thị sự biến đổi của lực ma sát do sự

thay đổi diện tích bị cắt S c với giả thiết độ bền của vật liệu khi chịu ứng suất cắt không

thay đổi

Số hạng thứ hai biểu thị sự biến đổi sức bền cắt của vật liệu khi tải trọng pháp tuyến thay đổi

Theo Epifanow khi tăng tải trọng pháp tuyến N, lực ma sát lúc đầu tăng do sự

tăng bề mặt cắt với độ bền cắt không thay đổi Nếu bề mặt nào có độ dẻo cao thì S c sẽ

tăng tỉ lệ với áp lực pháp tuyến có nghĩa là S c =N/  c và khi đó lực ma sát có thể tính

Ở đây :  c - ứng suất chảy của vật liệu

Hệ số ma sát theo Epifanow không phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến và được

phương pháp tuyến rất nhỏ và có thể bỏ qua, khi đó áp lực pháp tuyến cân bằng với hợp lực của các lực đẩy hấp dẫn giữa các phân tử của hai bề mặt

Với sự trượt tương đối một số phân tử thuộc vật thể này rút ra khỏi mối liên kết với các phân tử của bề mặt thứ hai Sự thay đổi liên tục các cặp phân tử liên kết này dẫn đến giải phóng một năng lượng E

Nếu coi lực đẩy của mỗi cặp phân tử là p và số cặp phân tử có liên kết giữa hai

Bởi vì số lần tiếp xúc phụ thuộc vào hướng dịch chuyển nên Tomlinson đã đưa

vào công thức (1.8) hệ số hiệu chỉnh b và khi đó:

k bn x

l



Hình 1.6: Mô hình của Tomlinson về

lực tương giữa các phân tử

Hình 1.7: Mô hình của Tomlinson về sự cân bằng giữa áp lực pháp tuyến và lực đẩy

Ký hiệu năng lượng trung bình cần thiết để tách rời cặp phân tử là E, có thể tính

được công ma sát L ms trên đoạn dịch chuyển x , L ms = kE Giả sử đối với mỗi cặp phân

tử đều tuân theo định luật Amontons, khi đó công ma sát L ms sẽ là:

Ở đây ta thấy hệ số ma sát tỉ lệ với diện tích tiếp xúc thực

Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm Tomlinson đã đưa ra công thức xác định hệ số ma sát dưới dạng:

 0 18 108 

2 3

là không đổi nên có thể xem quá trình ma sát là quá trình liên tục “chinh phục” các mấp mô phân tử trên bề mặt tiếp xúc

Trên hình 1.8, mô tả sự xếp đặt lý tưởng các nguyên tử trên bề mặt phẳng tiếp xúc giữa hai vật thể Vật thể phía trên dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến tại thời điểm đang xét, điểm đặt của nó đặt tại A (1.9)

Hình 1.9: Các thành phần lực tác dụng tại vùng tiếp xúc ma sát theo Deriagin Hình 1.8: Mô hình nguyên lý tác dụng giữa

các nguyên tử tại vùng ma sát của Deriagin

Dưới tác dụng của lực F, vật thể trên chuyển dịch sang vị trí mới, khi đó trọng tâm của nó phải vượt qua được các mấp mô phân tử được biểu diễn bởi cùng ABC (hình 1.9) Từ điều kiện cân bằng ở vị trí dưới của cung (điểm A) chúng ta nhận được:



tg N

Ở đây: N o - lực hút của các phân tử

Hệ số ma sát tính toán biến đổi cùng với sự thay đổi giá trị của N :

Trong đó:  - hệ số ma sát thực có giá trị không đổi

Các lực hút phân tử N o có thể có giá trị xấp xỉ N khi tải trọng nhỏ Trong trường hợp tải trọng lớn có nghĩa là mặt tiếp xúc thực rất lớn, giá trị N o tăng tỉ lệ thuận với diện tích tiếp xúc thực

Giả thiết N o = p o S t, khi đó công thức xác định lực ma sát có thể biểu diễn dưới

Trong công thức (1.19):

p o - lực hút phân tử trên đơn vị diện tích;

S t - diện tích tiếp xúc thực, tăng theo tải trọng N

Đối với kim loại dẻo có thể nhận :

p

t o

T p

p

o o

Đối với vật liệu dẻo, bề mặt tiếp xúc thực S t tăng tỉ lệ bậc nhất với tải trọng

pháp tuyến N Giá trị của hệ số ma sát không phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến N cũng như độ mấp mô bề mặt Còn đối với vật liệu đàn hồi diện tích tiếp xúc thực S t không tăng tỉ lệ với tải trọng N, ngược lại nó phụ thuộc vào độ mấp mô bề mặt

Từ phân tích trên, có thể rút ra kết luận: Thuyết của Deriagin đã không phân tích đến các tính chất vật lý của bề mặt, để ý đến lực hút các phân tử, nhưng đã không quan tâm đến sự phá huỷ bề mặt ma sát (sự cọ sát bề mặt)

1.1.4 Thuyết năng lượng về ma sát

Thuyết năng lượng của Kuzniecov dựa trên cơ sở của định luật II nhiệt động học và các hiện tượng trao đổi năng lượng ma sát của các thành phần lực ma sát và nhiệt năng Cơ sở để xây dựng thuyết này là các giả thiết:

1 Trong quá trình ma sát ngoài bình thường cường độ hao mòn là ổn định, không đổi theo thời gian, tồn tại sự cân bằng động giữa quá trình phá hủy bề mặt và sự hình thành lớp bề mặt kế tiếp trong quá trình ma sát;

2 Trong quá trình ma sát ngoài có sự chuyển biến năng lượng cơ học sang nhiệt năng làm tăng nội năng trên lớp bề mặt;

3 Tồn tại mối cân bằng năng lượng trong quá trình ma sát ngoài tuân theo định luật I nhiệt động học:

Ở đây: A - công của ngoại lực;

Q - nhiệt lượng tỏa ra do hiệu ứng biến dạng bề mặt và lớp bề mặt do ma sát ngoài gây ra;

 E - biến đổi nội năng được hấp phụ của thể tích phần vật liệu trên lớp bề mặt

4 Trong quá trình ma sát ngoài luôn luôn tồn tại công của mối liên kết ma sát của các lực ma sát Các lực này ta có thể phân ra các nhóm khác nhau:

- Ma sát nội tại trong lớp giới hạn và lớp mỏng trên bề mặt chi tiết xác định bởi lực T1, ngoài ra còn tồn tại lực ma sát T2 có quan hệ với sự trượt tựa thủy động - lớp bán trượt;

- Trong quá trình ma sát bình thường tồn tại các lực ma sát do các nguyên nhân: T3 - sự trượt lớp giới hạn, T4 - sự tạo giải lớp bề mặt, T5 - dao động đàn hồi của lớp bề mặt;

- Trong quá trình ma sát không bình thường - có sự cố - còn tồn tại các lực

ma sát: T6 - biến dạng ở thể tích vĩ mô của lớp bề mặt, T7 - sự phá hủy do dính bám - dính kết - và các quá trình cơ học khác làm phá hủy vật liệu trên lớp bề mặt T8 - tương tác của các phần tử pha rắn - lực hấp dẫn Van der Walls Chỉ có thể mô tả được mối quan hệ giữa các thống và các hiện tượng vật lý trong quá trình ma sát bình thường Trong trường hợp ma sát không bình thường điều đó là không thể

Kostecki dựa trên cơ sở định luật I nhiệt động học đã đưa ra dạng tổng quát của

lý thuyết năng lượng về ma sát như sau:

ET = Q + E tr +  E nt +  E p +E d (1.23)

Trong đó: E t - công của ma sát ngoài;

Q - nhiệt lượng tỏa ra khi ma sát;

E tr - công dịch chuyển và trượt lớp bề mặt;

 E nt - gia tăng nội năng của kim loại;

 E p - gia tăng nội năng lớp bề mặt;

E d - năng lượng truyền bên trong

Kostecki đã đề cập đến trong các công bố của mình rất nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự cân bằng nhiệt và các hiện tượng liên quan đến quá trình ma sát Từ các công trình nghiên cứu ông đã rút ra kết luận: Hầu như toàn bộ công ma sát chuyển hóa thành nhiệt năng thông qua T3, T5, công biến dạng dẻo do lực T4 rất nhỏ, công do khuyếch tán năng lượng ra ngoài rất nhỏ có thể bỏ qua (T9 , T11)

1.1.5 Thuyết ma sát dựa trên các cơ chế mòn diễn ra trên bề mặt tiếp xúc

Như đã được định nghĩa, ma sát là lực xuất hiện giữa hai bề mặt tiếp xúc, có tác dụng chống đối lại sự chuyển động tương đối giữa hai bề mặt và được minh họa trên (hình 1.1) Theo các giả thuyết đơn giản hiện nay có 4 cơ chế chính điều chỉnh quá trình ma sát giữa hai bề mặt trượt của vật rắn Các cơ chế này thường đi đôi với các cơ chế mòn chủ yếu có liên quan đến sự kết dính giữa hai bề mặt, sự biến dạng chu trình đơn và biến dạng theo chu kỳ lặp đi lặp lại Với ma sát, sự mài mòn thường đi đôi với

cơ chế biến dạng đơn (biến dạng một lần), trong khi đó hiện tượng trễ có liên quan đến

sự biến dạng theo chu kỳ lặp đi lặp lại Khi có chất bôi trơn tồn tại giữa hai bề mặt vật rắn một cơ chế thứ tư của ma sát xuất hiện đó là sự mất mát năng lượng do nhớt Các

cơ chế này được minh họa trên (hình 1.10) Giá trị của lực ma sát Fms khi đó có thể biểu diễn bởi công thức:

vis hys ab ad

Nếu chia lực ma sát tổng cho áp lực pháp tuyến bề mặt ta sẽ được hệ số ma sát

và khi đó hệ số ma sát chung sẽ được biểu thị qua công thức:

vis hys ab

ma sát mài là lực cần thiết gây biến dạng bề mặt có thể là đàn hồi hoặc biến dạng dẻo tạo ra các vết khía hoặc tạo thành các phoi cắt tạo ra các hạt mòn Ma sát nhớt là lực cần thiết để thắng sức cản nhớt trong chất lỏng Trong ba trường hợp trên, lực cản ma sát phụ thuộc vào vật liệu của cặp ma sát Khái niệm về lực ma sát do đàn hồi trễ có những quan niệm tương đối khác nhau Khi một bề mặt lăn xung quanh vật khác làm xuất hiện ứng suất thay đổi có tính chu kỳ trong vật liệu, nói chung vật liệu không phải

là đàn hồi hoàn toàn mà thường có hiệu ứng trễ trong mỗi chu trình biến đổi như vậy Năng lượng bị tiêu tán trong mỗi chu trình này và có thể có quan hệ với lực ma sát của cặp trượt Năng lượng này có thể biểu diễn qua công thức:

Hình 1.10: Các trạng thái biến đổi bề mặt gây tổn hao năng lượng

L F

Năng lượng liên quan đến ma sát được tiêu tán bằng hai con đường chính: Phần lớn năng lượng tiêu tán thành năng lượng nhiệt, phần nhỏ hơn có liên quan đến sự tiêu hao vật chất hoặc biến dạng, nguyên nhân tạo ra hao mòn Đa số các nghiên cứu đã chỉ ra rằng; hơn 90% năng lượng tiêu tốn do ma sát biến thành năng lượng nhiệt Nhiều mô hình

về cơ chế ma sát đã được đề xướng, nhưng số lượng các mô hình được ứng dụng trọng thực tế bị hạn chế Nhìn một cách tổng quát, các mô hình đã chỉ ra tính phức tạp hơn rất nhiều mô hình của Da Vinci và Amonton

Đối với ma sát do dính bám, lực ma sát Fad được xác định bới công thức:

 - ứng suất cắt các kết nối của các môi dính giữa hai bề mặt

Sr phụ thuộc vào tính chất của vật liệu của các bề mặt tiếp xúc và bị ảnh hưởng của nhiều tham số như sự ô xy hóa, sự làm sạch bề mặt tiếp xúc, tính khuyếch tán và

độ bền của vật liệu

Diện tích tiếp xúc thực theo một số tác giả như Raymond G Bayer trong Mechenical Wear đã đưa ra công thức ứng dụng cho tiếp xúc chỏm cầu trên bề mặt phẳng:

m n

trong khoảng từ 0 đến 1 đối với sự phân bố mấp mô đơn giản và có giá trị lớn hơn 1 khi



' cot

Ở đây: P’- áp lực tác dụng lên mấp mô;

P - là tổng áp lực tác dụng trong vùng tiếp xúc của các mấp mô

Khi đó lực ma sát do mài (cọ sát) có thể tính theo công thức :

P g K

Ở đây: F ab - thành phần lực ma sát sinh ra do quá trình mài giữa hai bề mặt

và được xác định bởi công thức :

i i



Nếu chóp nón chỉ gây ra sự biến dạng đàn hồi cho bề mặt đối diện, công thức xác định hệ số ma sát cũng có dạng tương tự nhưng hệ số K ab sẽ có giá trị thay đổi Tuy nhiên, trong trường hợp này nguyên nhân chính gây ra ma sát là hiện tượng đàn hồi trễ Phương trình (1.32) được hiệu đính bởi hệ số ε , thể hiện một phần năng lượng tiêu hao cho năng lượng cần thiết cho biến dạng Sự tương tự của phương trình (1.32) luôn thích hợp cho việc ứng xử với các loại vật liệu chịu biến dạng dẻo và đàn hồi đồng thời

Với tiếp xúc đàn hồi giữa chỏm cầu và mặt phẳng, ứng suất tỉ lệ thuận với 3

1

P

và tỉ lệ nghịch với 3

3

R , như đã nói ở trên R là bán kính của chỏm cầu

Lực ma sát trễ có thể biểu diễn qua công thức:

3 2 3 4

R P K

Và hệ số ma sát được xác định:

3 2 3

3 2 3

1 1

)1(

1.2 Khái niệm và phân loại hao mòn [5]

1.2.1 Khái niệm hao mòn

Hao mòn là sự hao tổn vật liệu lớp bề mặt của cặp ma sát, làm thay đổi hình dáng kích thước (giảm) và tính chất bề mặt của cặp ma sát Hậu quả của nó làm giảm chức năng làm việc của cặp ma sát nói riêng và toàn hệ thống máy móc nói chung

Chúng ta có thể đưa ra một vài định nghĩa sau:

- Hao mòn là sự tăng dần sự hao tổn của vật chất từ bề mặt hoạt động của một vật thể xảy ra như kết quả của chuyển động tương đối tại bề mặt [tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (OECD), tập đoàn nghiên cứu về sự hao mòn của vật liệu kỹ thuật, từ điển kỹ thuật, Pari, năm 1969]

- Hao mòn là sự gây hại cho bề mặt chất rắn, là sự hao phí tăng dần của vật liệu do chuyển động tương đối giữa các bề mặt và chất tiếp xúc hoặc các chất tiếp xúc (tiêu chuẩn ASTM, G48-83, thuật ngữ chuyên ngành liên quan tới sự ăn mòn và sự hao mòn, Philadephia, hàng năm)

Khi nghiên cứu về mòn, người ta thường quan tâm đến cường độ hao mòn và hao mòn tích luỹ (hao mòn tổng) các nguyên nhân gây ra nó đối với cặp ma sát Và cùng

với hệ số ma sát, cường độ hao mòn thể hiện chất lượng thiết kế cũng như công nghệ tạo vật liệu, công nghệ chế tạo máy và sự điều khiển quá trình làm việc của cặp ma sát Cường độ hao mòn của cặp ma sát có thể hiểu như lượng vật chất bề mặt bị mất đi trên đơn vị thời gian sử dụng hay trên đơn vị độ dài quãng đường trượt ma sát

Tốc độ mòn của cặp ma sát thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có thể kể đến các tính chất cơ, lý, hóa và hình học của vật liệu, đặc biệt là lớp vật liệu bề mặt, chế độ làm việc (vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt, áp lực pháp tuyến, nhiệt độ tại diện tích tiếp xúc và điều kiện môi trường làm việc)

1.2.2 Phân loại hao mòn

Có ba cách có thể phân loại các dạng hao mòn:

- Cách thứ nhất, dựa trên cơ sở hình dáng và kích thước vết mòn trên bề mặt

- Cách thứ hai, dựa trên cơ chế dẫn đến hao mòn

- Cách thứ ba, dựa trên nguyên nhân làm hao mòn

Ví dụ cho dạng phân loại thứ nhất là hao mòn rỗ (pitting wear), nứt vỡ (spalling) cày xước (Scratched), sự mài bóng (polishing), nứt rạn (crazed), gậm nhấm (pretting), đục khoét (gouge), bào mòn (scufing)

Về cơ chế dẫn đến hao mòn có thể mòn do mài mòn (abrasive wear), mòn do mỏi (surface fatigue wear), mòn do dính bám (adhesive wear) mòn do sói mòn (cavitation wear)…

Ví dụ cho cách phân loại thứ ba từ nguyên nhân của hao mòn như:

Bảng 1.1: Phân loại mòn dựa trên các thông số đặc trưng

Con lăn/

mặt phẳng

Đầu nhọn/ mặt phẳng

Cấu trúc hạt mòn Nguyên thuỷ Hỗn hợp cơ học Hình thành do hoá ma sát

Các thuộc tính lý

hoá cơ bản của mòn

Hấp phụ vật lý, hấp phụ hoá, hoạt tính hoá ma sát và hình thành màng tribofilm, ô xít hoá và bóc tách lớp ô xít, nứt và phát triển thành các dạng hạt trong cấu trúc, dính và bóc lớp dính Động lực học của hệ

thống có liên quan

đến mòn

Dao động theo phương thẳng đứng

Dao động theo phương ngang

Dao động kích hoạt

Dao động điều hoà

Di chuyển

có chu kỳ Mòn do các quá

trình có ưu thế

Nứt (mềm hoặc dòn)

Chảy do biến dạng dẻo

Chảy do nung chảy nhiệt

Mòn do phân rã (hoà tan) Mòn do bay hơi Kiểu mòn

Mài mòn Mòn dính Mòn chảy Mỏi Ăn mòn Nung chảy

Mòn khuyếch tán

1.2.3 Các dạng hao mòn

1.2.3.1 Mài mòn

Mài mòn (abrasive wear): xảy ra khi một bề mặt vật liệu thô, cứng hoặc bề mặt vật liệu mềm chứa các hạt cứng trượt trên bề mặt vật liệu mềm dẫn đến hình thành các vết xước (grooves) trên bề mặt, tiếp theo vật liệu được tạo ra từ các vết xước này di chuyển trên bề mặt tiếp xúc và cuối cùng làm mòn dần vật liệu

1.2.3.2 Mòn dính

Mòn dính (adhesive wear) là dạng mòn thường xảy ra ở các tiểu vùng tiếp xúc trực tiếp giữa các mấp mô của bề mặt (khô) Tại các tiếp điểm này, áp lực riêng tác dụng giữa các mấp mô thường rất lớn làm chảy dính các mấp mô với nhau sau đó mấp

mô của một chi tiết bị bong tách ra khỏi bề mặt Hoặc giữa hai bề mặt nhẵn (smooth surfaces) vì lực dính lớn được tạo ra khi các nguyên tử tiến tới gần sát với nhau

Cơ chế chính của dạng hao mòn này là do sự dính bám, là thành phần quan trọng của ma sát đã được nêu ở trên Quá trình hao mòn này diễn ra giống hệt như thành phần

ma sát dính bám tạo ra: các dính bám, độ lớn và nứt gãy Đặc tính quan trọng của hao mòn này là việc chuyển dịch vật liệu từ bề mặt này sang bề mặt khác xảy ra bởi các lực liên kết giữa các bề mặt rắn tiếp xúc Dạng giới hạn về sự hao mòn dính bám là những vết trầy xước Vết trầy có thể là do việc hàn pha rắn cục bộ thường làm dịch chuyển vật liệu và tạo ra lực ma sát

1.2.3.3 Ăn mòn và mòn oxy hóa

Mòn ăn mòn (corrosive wear): là hiện tượng mòn xảy ra trong môi trường ăn mòn Thông thường ăn mòn (hay ôxy hóa) có xu hướng hạn chế hay ngăn cản quá trình tiếp xúc trực tiếp vật liệu gốc của các bề mặt trượt do lớp sản phẩm ăn mòn được tạo ra Nhưng do tương tác cơ học mà lớp mỏng này bị bong đi dẫn tới bề mặt bị trơ ra tạo điều kiện thuận lợi cho ăn mòn tiếp tục xảy ra Nhiều quan điểm cho rằng ăn mòn

là dạng mòn tĩnh Sự ăn mòn được xem như là sự hư hỏng của vật thể rắn do các tác động qua lại của hoá học và điện hoá với môi trường Khi tương tác xảy ra trên các bề mặt ma sát và các sản phẩm của các phản ứng này có ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính hao mòn, tiếp đến là sự hao mòn do ăn mòn xảy ra

Sự hao mòn do ôxy hoá xảy ra trong trường hợp ô xít được tạo thành màng trên

bề mặt ma sát (tribofilm) Màng này có thể được tạo ra do phản ứng của bề mặt kim loại

và ôxy của không khí hoặc dầu bôi trơn, với sự tác động cơ nhiệt của quá trình ma sát Màng này ảnh hưởng đáng kể đến sự ma sát và mài mòn và việc ma sát sẽ làm tăng tỷ lệ

ô xy hoá qua sự biến dạng quá mức của kim loại và nhiệt độ khi tiếp xúc cao Vai trò của màng ô xít có hai công dụng Một mặt, màng này bảo vệ bề mặt ma sát khỏi bị mài mòn và đặc biệt ngăn cản dính kết giữa hai bề mặt Mặt thứ hai, các tribofilm đóng vai trò thay đổi dạng mòn từ dính và mài mòn với cường độ cao hạt mài có kích thước lớn

và sắc sang dạng mòn điều hoà với dạng hạt mài nhỏ mịn ít gây tổn thương cho bề mặt

ma sát Trong kỹ thuật mòn ô xy hoá là dạng mòn phải chấp nhận, giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu mòn là điều khiển các dạng mòn khác về mòn ô xy hoá

Lớp vỏ bọc trên bề mặt do tác động của xâm thực thường xốp và dễ bị bong tách khỏi bề mặt Còn các màng tribofilm thường có kết cấu mịn và vững chắc hơn, khó bị phá huỷ nên tạo ra sự bảo vệ khá chắc chắn cho bề mặt Ma sát là nguyên nhân của mòn nhưng chính ma sát cũng tạo ra lá chắn để ngăn cản mòn, đây là biện chứng của tự nhiên

Tuy nhiên, rất khó phân biệt giữa ăn mòn và mòn ô xy hoá vì sự hình thành, phát triển và tương tác giữa các yếu tố để tạo ra hai dạng mòn này là khó phân biệt

Có thể coi mòn ô xy hoá là sự mài mòn và mòn mỏi diễn ra trên lớp bề mặt bị ô

xy hóa do tự thân nó tạo nên hoặc được điều chỉnh để trên bề mặt, trong điều kiện làm việc bình thường luôn tồn tại một lớp ô xy hóa hay các hợp chất khác với vật liệu gốc

1.2.3.4 Mòn do mỏi

Mòn do mỏi bề mặt (surface fatigue wear: xảy ra do quá trình cán lăn hay trượt

tuần hoàn Thường thấy đối với các chi tiết có bề mặt tiếp xúc được gia công hoàn thiện rất tốt cho nên dưới tác dụng của tải quá trình biến dạng thường là biến dạng đàn hồi hơn là biến dạng dẻo Hiện tượng mòn do mỏi bề mặt xảy ra như sau:

- Sự tập trung ứng suất xảy ra có tính chu kỳ ở dưới bề mặt tiếp xúc

- Tạo ra các vết nứt tế vi ở trung tâm của vòng tròn mỏi

- Lan truyền các vết nứt ở dưới bề mặt

- Các vết nứt kế nối lại tạo ra các mảnh vật liệu không còn liên kết chặt với bề mặt

- Tách lớp vật liệu khỏi bề mặt hạt mòn

Hình 1.11: Tiếp xúc tập trung và phân bố ứng suất tại

vùng tiếp xúc, nguyên nhân tạo hao mòn do mỏi

1.2.3.5 Xói mòn và mòn hốc

Xói mòn là dạng mòn do các hạt rắn hoặc hạt chất lỏng va đập vào bề mặt vật rắn Xói mòn xuất hiện ở nhiều dạng trong các máy móc cơ khí Ví dụ như trong các cánh của turbin máy bay khi bay vào sương mù hay mây, mưa hoặc trong các cánh bơm, thành ống của máy bơm hút đẩy bê tông, bùn cát…

như có vẻ không có sự trượt tương đối với nhau, nhưng thật ra chúng vẫn có những dịch chuyển vô cùng bé cỡ 0,1 µm khi chịu lực tải cũng biến động có chu kỳ

Rất khó có thể loại trừ những chuyển động như vậy và kết quả tất yếu là dạng mòn mỏi fretting sẽ xuất hiện Mòn fretting và mỏi fretting có mặt gần như ở tất các các máy móc và là nguyên nhân của toàn bộ sự hư hỏng của một số chi tiết chịu lực lớn của máy móc Hàng loạt các nghiên cứu đã cho thấy, không giống các dạng mòn khác, sự tác động của vấn đề fretting trong máy móc không hề giảm trong vòng thập niên qua Mỏi fretting còn là nhân tố quan trọng, nhưng không được biết rõ trong các

sự cố gây gãy của các chi tiết bệ đỡ khi chúng chịu ứng suất rất nhỏ

1.3 Bôi trơn ma sát trong điều kiện bôi trơn ướt khác nhau [6]

1.3.1 Khái niệm và phân loại

Ma sát ướt tồn tại giữa hai bề mặt tiếp xúc khi hai bề mặt của vật rắn (các chi tiết máy) được phân cách bởi một lớp bôi trơn, ma sát giữa hai bề mặt từ ma sát ngoài chuyển thành ma sát nội tại của chất lỏng bôi trơn Nội ma sát của chất lỏng làm giảm cản trở ma sát và cường độ hao mòn cũng như tăng cường hấp thụ các dao động trong may móc Chất bôi trơn khi chảy qua bề mặt bôi trơn còn tải đi một phần nhiệt lượng làm giảm nhiệt độ của vùng tiếp xúc

Độ dày và đặc tính của lớp bôi trơn xác định loại hình bôi trơn Để phân loại các bôi trơn người ta đưa ra đại lượng gọi là độ dày tương đối R của lớp bôi trơn và được định nghĩa qua công thức :

Loại hình bôi trơn các chi tiết máy được phân loại theo giá trị của R:

1.3.2 Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R  1

Trạng thái ma sát và bôi trơn giới hạn thường tồn tại trong điều kiện khó hình thành được lớp bôi trơn thủy động, nếu có màng dầu bôi trơn tại vùng tiếp xúc thì màng dầu này rất mỏng (cỡ một vài lớp phân tử - hình 1.13) Nguyên nhân và những yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái bôi trơn này là do: áp lực giữa hai bề mặt quá lớn, nhiệt độ cao do môi trường làm việc hoặc do nhiệt ma sát, hoặc do tốc độ tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc quá nhỏ không duy trì được lớp bôi trơn thụ động cũng như các yếu tố về hình học của hai bề mặt tiếp xúc không cho phép hình thành được lớp dầu bôi trơn có đủ độ dày và tính ổn định Trạng thái bôi trơn giới hạn là trạng thái bôi trơn phức tạp và khó kiểm soát vì ngoài các yếu tố vừa nêu trên nó còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất vật liệu của cặp ma sát và tính chất hóa học của chất bôi trơn

Cản trở ma sát cũng như cường độ hao mòn các bề mặt ma sát trong điều kiện

ma sát giới hạn phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của bề mặt và hoạt tính bề mặt của chất bôi trơn Độ nhớt của chất bôi trơn trong trường hợp này có ảnh hưởng rất nhỏ đến điều kiện ma sát giới hạn

1.3.3 Bôi trơn ướt hoàn toàn 5  R  100

Có thể loại bỏ được hao mòn do ma sát khi ta sử dụng được bôi trơn ướt hoàn toàn Lớp chất lỏng hoặc khí được hình thành giữa 2 bề mặt có khả năng phân cách hoàn toàn hai bề mặt và loại trừ tác dụng giữa các mấp mô Áp suất trong lớp chất lỏng được hình thành do hiệu quả của sự chuyển động tương đối của hai bề mặt hoặc là nguồn năng lượng cung cấp bên ngoài Bề dày của lớp bôi trơn nhiều lần dày hơn lớp giới hạn và tổng mấp mô của hai bề mặt Độ nhớt của chất bôi trơn là đặc trưng quan trọng nhất cho ma sát ướt Tất nhiên ảnh hưởng đến đặc điểm bôi trơn ướt phải kể đến mật độ của chất bôi trơn đặc biệt khi chất bôi trơn là khí trong bôi trơn khí động hay khí tĩnh

Hình 1.13: Mô hình lớp bôi trơn giới hạn

1 Lõi chi tiết, 2 Lớp thứ cấp, 3 Bôi trơn giới hạn

1.3.4 Bôi trơn trong trường hợp ma sát thuỷ động đàn hồi 1  R  10

Các lý thuyết bôi trơn cổ điển đã không phân tích đến sự biến dạng của bề mặt được bôi trơn khi chúng chịu áp lực cao Biến dạng này phụ thuộc vào điều kiện khi lực tác dụng tập trung và có trị số lớn như ăn khớp bánh răng, ổ lăn v.v

Khi chịu áp lực tiếp xúc lớn bề mặt của các vật thể tại vùng tiếp xúc bị biến dạng, làm thay đổi hình dáng của khe hở tiếp xúc, tạo lên hình dáng đặc biệt, làm gia tăng áp suất của lớp dầu bôi trơn giữa các bề mặt (hình 1.14b) Do tác dụng của tải trọng lớn tại khu vực tiếp xúc độ nhớt của dầu tăng lên và tạo thành lớp dầu có tính chất đặc biệt được gọi là lớp thuỷ động đàn hồi

1.3.5 Bôi trơn điều kiện ma sát hỗn hợp R  5

Trong nhiều trường hợp bôi trơn các cặp chi tiết máy, có thể đồng thời gặp các dạng ma sát giới hạn, thuỷ động, thuỷ động đàn hồi Trong trường hợp này thường xuất hiện các chêm dầu nhỏ có tác dụng làm tăng khả năng chịu tải của cặp ma sát Những phân tích để làm sáng tỏ bản chất của chế độ bôi trơn hỗn hợp đòi hỏi phải đề cập đến các tính chất vật lý của chất lỏng (như độ nhớt, mật độ, tính chịu cắt v.v ) cũng như tính chất lý hoá (khả năng hấp phụ, hấp thụ, của các phụ gia trên bề mặt) và tính chất lý hoá của các chi tiết máy Độ dày của lớp dầu này thường có độ dày từ 2 đến 5R

Loại ma sát này còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu bôi trơn, tải trọng và tốc độ trượt của hai bề mặt

1.3.6 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến trạng thái ma sát và bôi trơn

Thực nghiệm đã chỉ ra, để tạo được lớp bôi trơn giữa hai bề mặt ma sát phải cung cấp cho chất bôi trơn một áp suất nhất định để duy trì được lớp dầu bôi trơn với

Hình 1.14: a) Mô hình đơn giản của lớp dầu bôi trơn khi bôi trơn ướt

b) So sánh lớp chất lỏng được hình thành trong trường hợp bôi trơn ướt và bôi trơn thuỷ động đàn hồi:

1 Lớp bảo vệ hay thứ cấp 2 Chất bôi trơn

3 Vật đàn hồi 4 Bề mặt vật rắn

độ dày cần thiết để có thể tách hai bề mặt ma sát không cho chúng tiếp xúc với nhau, ngoài ra muốn tạo được lớp bôi trơn nhờ vào sự chuyển động của dòng chảy chất bôi trơn trong khe hở tiếp xúc thì hình dáng của khe hở bôi trơn phải có hình dáng đăc biệt

và thường được gọi là “hình cái nêm” Bằng hình dáng có thể tạo lên áp lực thủy động

để phân cách hai bề mặt ma sát được minh họa trên hình 1.15b

Hình 1.15: Sự hình thành áp suất thủy động giữa hai bề mặt trượt có hình dạng khác nhau; a) trượt giữa hai mặt nghiêng, b) có bước Rayleigh, c) ổ đỡ ngang thông thường

Ngoài hình dáng thích hợp trạng thái ma sát và bôi trơn của cặp ma sát trong trường hợp này thường phụ thuộc vào 3 thông số chính là: áp lực pháp tuyến giữa hai

bề mặt, tốc độ trượt tương đối và độ nhớt của dầu Ba thông số này thường được đặc trưng bởi chỉ số He và được xác định bởi biểu thức:

chế độ bôi trơn, hệ số ma sát

a) quan hệ giữa chế độ ma sát, giá trị hệ số ma sát với trị số

p

V

H e ; b) quan hệ độ dày lớp dầu với He

Ở công thức trên: p - áp lực pháp tuyến, V- vận tốc trượt giữa hai bề mặt, η - độ nhớt động lực học của chất lỏng

Quan hệ giữa He và chế độ bôi trơn được trình bày trên (hình 1.16)

Ngoài hai thông số tải và tốc độ, độ nhớt của dầu bôi trơn là thông số có diễn biến phức tạp Độ nhớt của chất bôi trơn không phải là một hằng số mà bị thay đổi dưới tác dụng của lực cắt (dòng chảy), áp suất và nhiệt độ Sự biến đổi này phụ thuộc vào bản chất của từng loại chất lỏng

- Về tính lưu biến học của chất lỏng hiện nay người ta thường phân chất lỏng ra các loại theo sơ đồ được trình bày trên (hình 1.17)

Hình1.17: Sơ đồ phân loại tính lưu biến các lại chất lỏng Theo sơ đồ này chất lỏng được chia ra 2 loại chính: chất lỏng Niu - Tơn và chất lỏng phi Niu-Tơn

Chất lỏng Niu-Tơn là chất lỏng thoả mãn phương trình xác định độ nhớt động lực học của chất lỏng chảy tầng:

dx

dv S

Không có tính nhớt đàn hồi

Có tính nhớt đàn hồi

Tính lưu biến không biến đổi theo thời gian

Chất lỏng giãn nở (dilatation) Chất lỏng có tính lưu

biến giảm theo thời

Chất lỏng - Bingham

Chất lỏng giả déo

-Chất lỏng rheopestic

Chất lỏng thixotropic

Đối với chất lỏng Niu Tơn độ nhớt động lực học chỉ phụ thuộc vào các tính chất vật lý và nhiệt động học của nó, nghĩa là độ nhớt chỉ là hàm phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của chất lỏng

) ,

Chất lỏng phi Niu - Tơn là chất lỏng không tuân thủ công thức (1.39) và thường

là các chất có cấu trúc phân tử lớn Các chất lỏng loại này được chia ra là chất lỏng có tính đàn hồi nhớt và không có tính đàn hồi nhớt Chất không có tính nhớt đàn hồi gồm

có chất lưu biến không biến đổi theo thời gian (chất lỏng Bingham và chất lỏng pseudopiasstic) và có tính lưu biến thay đổi theo thời gian (chất lỏng dialatation, thixotropic và rheopestic)

Chất lỏng giả dẻo - pseudopiastic (hình 1.19B) là các chất lỏng có độ nhớt giảm khi tăng gradient tốc độ Tính chất này thể hiện ở các chất lỏng, mà các phân tử của nó

có cấu trúc theo trục và không đối xứng Khi tăng gradient tốc độ nó sẽ bố trí định hướng các phân tử theo hướng dòng chảy và làm cho độ nhớt giảm

Hình 1.19: Đường cong chảy của các chất lỏng khác nhau: A - chất lỏng Tơn; B-chất lỏng pseudopiastic; C- chất lỏng dilatation; D-chất lỏng

Niu-bingham; E-chất lỏng thioxtropic; F- chất lỏng rheopestic

Chất lỏng giãn nở - dilatation (hình 1.9C) là các chất lỏng có độ nhớt tăng khi tăng gradient tốc độ Đại diện cho loại chất lỏng có tính chất này là các loại bột của vật rắn đàn hồi được kết dính với nhau bằng chất lỏng tạo thành môi chất bôi trơn Khi chảy chất lỏng bị cắt bởi các phần tử chất rắn và làm cho ma sát nội tại tăng cùng với

sự tăng gradient tốc độ Chất lỏng Bingham (hình 1.19D) là loại chất lỏng chỉ bắt đầu chảy khi ứng suất cắt đạt đến một giá trị giới hạn nhất định nào đó (τgr) Và từ đó chất lỏng Bingham có các tính chất như chất lỏng Niu-Tơn Chất lỏng Bingham lúc đầu có một cấu trúc nhất định, khi bắt đầu bi kéo đến ứng suất cắt vượt quá giá trị giới hạn, cấu trúc này bị phá vỡ và chất lỏng bắt đầu chảy au đó nếu giảm giá trị ứng suất cắt xuống dưới giá trị giới hạn cấu trúc ban đầu lại được tái lập Ví dụ cho loại chất lỏng

này là chất lỏng Niu-Tơn có chứa pha rắn - chất bôi trơn dẻo

Chất lỏng thixotropic (hình 1.19E) là các chất lỏng có khoảng biến đổi nhất định có các tính chất như chất lỏng Bingham, sau đó nếu tăng ứng suất cắt sẽ dẫn đến tiếp tục phá vỡ cấu trúc bên trong Trạng thái phá vỡ cấu trúc phụ thuộc vào thời gian

tác động của ứng suất cắt Khi thôi tác dụng ứng suất cắt, chất lỏng từ từ khôi phục lại

cấu trúc của nó Các ví dụ cho loại chất lỏng này là chất bôi trơn dẻo, trong đó độ nhớt cấu trúc bị giảm dưới tác dụng của yếu tố cơ học

Chất lỏng rheopestic (hình 1.19F) là các chất lỏng dưới ảnh hưởng ứng suất cắt

sẽ hình thành các cấu trúc bên ngoài, số lượng phụ thuộc vào thời gian tác dụng của ứng suất

Chất lỏng đàn hồi là chất lỏng có tính chất như chất lỏng Niu-Tơn, và đồng thời thoả mãn trong giới hạn nào đó định luật đàn hồi của Hooke Đó là các chất lỏng có độ nhớt lớn ví dụ như nhựa đường, thuỷ tinh và một số chất dẻo

Dù là chất lỏng loại gì đi chăng nữa thì độ nhớt của nó cũng bị biến đổi khi nhiệt độ và áp suất của chất lỏng thay đổi Hay nói cách khác đi độ nhớt của chất lỏng

là một thông số phụ thuộc ít nhất vào trạng thái nhiệt độ và áp suất của nó

1.4 Nhận xét

Qua những phân tích ở trên có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Ma sát ngoài (khô) giữa các bề mặt tiếp xúc là hiện tượng cực kỳ phức tạp,

nó bị chi phối bởi nhiều yếu tố như sự tác động của các yếu tố sử dụng: tải trong, tốc

độ trượt và đặc biệt là tính chất của vật liệu cũng như đặc tính hình học của bề mặt tiếp xúc

- Mặc dù đã có nhiều cố gắng đưa ra các mô hình toán để mô tả hiện tượng

ma sát, nhưng cho đến nay chưa có mô hình nào có thể mô tả một cách đầy đủ các mối quan hệ trong quá trình ma sát Các mô hình đưa ra chỉ có thể giúp ta hiểu phần nào bản chất của hiện tượng, quan hệ về lượng còn nhiều vấn đề phải bàn vì các thông số đưa ra trong các phương trình rất khó xác định và lựa chọn chính xác cho mỗi trường hợp Bản thân các thông số này cũng thay đổi trong quá trình ma sát do sự tương tác qua lại giữa các thông số cơ nhiệt động học và tác động của môi trường hóa học

- Chính vì lẽ đó, trong kỹ nghệ hiện nay công cụ tốt nhất để xác định được hệ

số ma sát của cặp lắp ghép là thực nghiệm Với phương pháp và tiêu chuẩn thực nghiệm khác nhau giá trị của hệ số ma sát của cùng một cặp lắp ghép cũng có thể có

có các giá trị khác nhau

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÔNG DỤNG ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT

2.1 Các phương pháp mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm ma sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn [5, 6]

Trên (hình 2.1), giới thiệu một số dạng mô phỏng tiếp xúc chuyển động giữa các vật thể thường gặp trong kỹ thuật Đây cũng là các mô phỏng tiếp xúc giữa các chuyển động được ứng dụng trong các thiết bị khảo nghiệm ma sát hiện nay

Đặc tính cơ bản để giúp ta phân loại các loại máy ma sát là đặc điểm tiếp xúc và

sự chuyển động tương đối giữa các mẫu thử, từ tiếp xúc hình học của các mẫu thử chia

ra mấy loại cơ bản sau:

- Loại tiếp xúc điểm

- Loại tiếp xúc đường

- Loại tiếp xúc mặt

Từ dạng chuyển động tương đối giữa các bề mặt của mẫu thử, có các loại:

- Chuyển động lăn

- Chuyển động trượt

- Chuyển động lăn trượt

Hình 2.1: Các phương án mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm ma sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn; A, G, I - Bi cầu với mặt phẳng - tiếp xúc điểm; B, H - Con lăn với con lăn - tiếp xúc đường; C - Bi cầu với con lăn - tiếp xúc điểm; D - Con lăn với mặt phẳng - tiếp xúc đường; E - Bi với bi - tiếp xúc điểm; F - Tiếp xúc đầu pin với mặt phẳng tiếp xúc mặt; J - Mặt phẳng với mặt phẳng - tiếp xúc mặt