Hiệu quả về ma sát và mài mòn trong bôi trơn rắn và ứng dụng trong thực nghiệm để xác định hệ số ma sát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TÔN THẤT NGUYÊN THY HIỆU QUẢ VỀ MA SÁT VÀ MÀI MÒN TRONG BÔI TRƠN RẮN... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TÔN THẤT NGUYÊN THY

HIỆU QUẢ VỀ MA SÁT VÀ MÀI MÒN TRONG BÔI TRƠN RẮN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TÔN THẤT NGUYÊN THY

NG TRONG THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC

ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số ngành : 60 52 04

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2004

HIỆU QUẢ VỀ MA SÁT VÀ MÀI MÒN TRONG BÔI TRƠN RẮN VÀ ỨNG DỤ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HIỆU QUẢ VỀ MA SÁT VÀ MÀI MÒN TRONG BÔI TRƠN RẮN VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC

ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số ngành : 60 52 04

Họ và Tên học viên : TÔN THẤT NGUYÊN THY Người hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Văn Thêm

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2004

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Quá trình học tập : Từ 1994 – 1999 học tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ

Thuật Tp.HCM, Khoa Chế Tạo Máy

Quá trình công tác : Từ 2000 – 2004 công tác tại trường

Kỹ Thuật Cao Thắng

Chân thành cảm ơn :

1 PGS TS NGUYỄN VĂN THÊM

2 TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

3 Các GS của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

TP Hồ Chí Minh đã tham gia giảng dạy lớp Cao Học Chế Tạo Máy Khóa : 2002 – 2004

4 KS NGUYỄN TRẦN PHÚC

5 Phân xưởng sx nhà máy nhôm Kim Hằng

6 Các thầy cô giáo trường Kỹ Thuật Cao Thắng đã nhiệt tình động viên và giúp đỡ Tôi hoàn thành luận văn này

TÔN THẤT NGUYÊN THY LỚP CAO HỌC CHẾ TẠO MÁY 2002-

2004

Vấn đề ma sát và mài mòn trong máy móc thiết bị đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước nghiên cứu từ nhiều năm qua xuất phát từ nhu cầu cấp bách của nền công nghiệp hiện đại là làm thế nào để hạn chế những tác hại không thể tránh khỏi khi máy móc làm việc

Phát huy những mặt tích cực đồng thời hạn chế mặt tiêu cực của hiện tượng ma sát và mài mòn đó là một lĩnh vực hấp dẫn mà các nhà khoa học đã, đang và sẽ hướng tới Dùng những chất bôi trơn thích hợp để đưa vào bề mặt ma sát làm giảm bớt sự ma sát và mài mòn là một trong những thành công đáng kể của các nhà khoa học thuộc lĩnh vực này

Tuy nhiên, những thiết bị máy móc làm việc ở những nơi đặc biệt như: các robot thám hiểm hành tinh; các vệ tinh làm việc lâu dài trên không gian; các chi tiết máy làm việc trong môi trường nhiệt độ cao hay trong môi trường đòi hỏi có độ tinh khiết cao thì việc dùng chất lỏng dầu, mỡ để bôi trơn không khả thi

Vì vậy, việc nghiên cứu nhằm tìm ra các loại vật liệu bôi trơn rắn và các chế độ bôi trơn trở thành một vấn đề khoa học hết sức thực tiễn cần thiết và quan

trọng

Trong những năm gần đây, bôi trơn bằng chất rắn là một lĩnh vực đang được

thế giới quan tâm và trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về đề tài này nhưng còn một số vấn đề tồn tại cần phải được khắc phục và nghiên cứu sâu hơn như:

- Nâng cao độ chính xác của thiết bị thí nghiệm

- Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm nhằm đề xuất các công thức thực nghiệm mới

- Giãm giá thành trong nghiên cứu ma sát bằng cách tự nghiên cứu chế tạo các thiết bị thí nghiệm

- Thí nghiệm các chất bôi trơn rắn mới

- Nghiên cứu đề xuất các ứng dụng vào thực tiễn nhằm kiểm tra lại các kết quả nghiên cứu từ đó phát triển các hướng nghiên cứu sâu hơn Chính vì vậy, đề tài:” HIỆU QUẢ VỀ MA SÁT VÀ MÀI MÒN TRONG BÔI TRƠN RẮN VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT “ ra đời nhằm kế thừa và tiếp bước các nghiên cứu trước đó

Trong quá trình làm luận văn này, tôi được sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn PGS TS NGUYỄN VĂN THÊM Thầy giáo dạy tối ưu hóa TS NGUYỄN VĂN NGHÌN

Nhân đây tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn PGS TS NGUYỄN VĂN THÊM TS NGUYỄN VĂN NGHÌN Một số bạn bè thân hữu và gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Tp HỒ CHÍ MINH ngày 29 tháng 8 năm 2004

TÔN THẤT NGUYÊN THY

Nghiên cứu lý thuyết bôi trơn rắn nhằm đánh giá về hiệu quả ma sát và cường độ mài mòn Từ đó xây dựng bài toán quy hoạch thực nghiệm để xác định hệ số ma sát và cường độ mài mòn của cặp ma sát Kim loại – Kim loại với các chất bôi trơn rắn: C ; Sn ; PTFE

LUẬN VĂN GỒM HAI PHẦN CHÍNH :

Phần 1: Trình bày cơ sở lý thuyết của vấn đề bôi trơn rắn

Đó chính là sự chuyển dời vật liệu giữa hai bề mặt kim loại khi tiếp xúc với nhau Tạo nên lớp màng mỏng làm giảm hệ số ma sát trượt, giảm cường độ mài mòn và tăng tuổi thọ của các chi tiết máy

Phần 2: Nghiên cứu thực nghiệm

 Cùng hợp tác với KS Nguyễn Văn Thuận, chúng tôi đã chế tạo thành công máy dùng để nghiên cứu ma sát và mài mòn sử dụng cảm biến lực điện trở điều khiển bằng khí nén với tên gọi là EK – 04

 Trên cơ sở máy đã chế tạo, tôi đã tiến hành lấy số liệu thực nghiệm và sử dụng phần mềm quy hoạch thực nghiệm để tìm ra ba công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát giữa thép C45 – Gang với các chất bôi trơn : Graphit, thiếc và PTFE

 Tiến hành đo và lấy số liệu thực ngiệm và sử dụng phần mềm quy hoạch thực nghiệm để tìm ra công thức tính cường độ mài mòn với chất bôi trơn rắn graphit

 Tối ưu hóa các thông số thực nghiệm nhằm đề xuất các ứng dụng bôi trơn rắn vào thực tế sản xuất

Searching theory solid lubrication aims to evaluate the effective of friction and intensity of tribology From then building problem of statistic experimental design to define the friction coefficient and the intensity of tribology in the contacts “Metal – Metal” with the solid lubrication : C; Sn; PTFE

THE PROJECT OF STUDY INCLUDES TWO MAIN PARTS:

Part 1: Presenting theorical basic of solid lubrication problem

It is the material movement between two mental surfaces when they contact each other, creating thin membrane, reducing the sliding friction coefficient, reducing intensity of tribology and increasing the durability of machine’s sections

Part 2: Experimental searching

 Cooperating with Nguyễn Văn Thuận engineer, we successfully manufacture a machine using to search the friction coefficient and intensity of tribology with load sell controlled by pneumatics called EK – 04

 With manufacturing the machine, I carried on getting experimental numbers and used the statistics and experimental design software to find out three practical fomulas used to define the friction coefficient between steel C45 – cast iron and lubrications : Graphit,

Sn and PTFE

 Carry on measuring and getting experimental numbers, using the statistics and experimental design software to find out the formula for the tribologycal behaviour with the solid lubrication graphit

 Optimum design of the experimental parameters aim to propose the applications of the solid lubrication into practical production

MỤC LỤC

Trang

PHẦN 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

CHƯƠNG 1 : Ý NGHĨA CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 3

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ BÔI TRƠN RẮN 3

2 2 NHỮNG BƯỚC PHÁT TRIỂN MỚI CỦA LUẬN VĂN VỀ BÔI TRƠN RẮN 5

PHẦN 2 : LÝ THUYẾT BÔI TRƠN RẮN 7

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ MÀI MÒN 8

3.1 CÁC DẠNG HAO MÒN HƯ HỎNG 8

3.1.1 MÀI MÒN 9

3.1.2 HAO MÒN DO BÁM DÍNH 10

3.2 NĂNG LƯỢNG Ở MẶT TIẾP XÚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN MA SÁT VÀ MÀI MÒN CỦA POLYME 11

3.3 MÒN DO MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH 12

3.3.1 HAO MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG CHẤT LỎNG 12

3.3.2 HAO MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG TRUNG HÒA VÀ CHÂN KHÔNG 13

CHƯƠNG 4 : CÁC QUAN HỆ GIẢI TÍCH CỦA SỰ MÀI MÒN 15

4.1 CÁC QUAN NIỆM VỀ HAO MÒN 15

4.2 MỘT SỐ KẾT QUẢ QUAN TRỌNG ĐÃ ĐƯỢC CHỨNG MINH 15

4.3 MÔ TẢ VỀ LƯỢNG HAO MÒN BÌNH THƯỜNG 17

CHƯƠNG 5 : CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP MÀN MỎNG CHUYỂN DỊCH DO TÁC DỤNG CƠ HỌC 18

5.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP MÀNG MỎNG DỊCH CHUYỂN DO TÁC DỤNG CƠ HỌC 18

5.2 HÌNH THỂ HỌC CỦA LỚP MỎNG CHUYỂN DỜI 20

5 3 THÀNH PHẦN CỦA LỚP MỎNG 21

5 4 HOẠT ĐỘNG CỦA LỚP MỎNG CHUYỂN DỊCH 21

5.5 TIẾP XÚC Ở BA VẬT THỂ 23

5.5.1 THỂ TÍCH CÁC CHỖ LÕM : <THỂ TÍCH ABBOT> 23

5.5.2 SỰ TIẾP XÚC HOÀN TOÀN HOẶC TỪNG PHẦN 24

5.6 CÁC CHẤT BÔI TRƠN RẮN 25

5 6.1 CÁC HỢP CHẤT VÔ CƠ CÓ CẤU TRÚC LỚP MỎNG VÀ KHÔNG CÓ LỚP MỎNG 25

5.6.1.1 Than chì (graphit) 25

5.6.1.2 Chất bisulfua – môlipđen ( MoS2) 26

5 6.2 CHẤT POLYME 26

5.6.2.1.Chất polytetra fluo ethylène (P.T.F.E) 26

5.6.2.2 Chất polyamides (PA) 27

5.6.3 VẬT LIỆU COMPOSIT 27

5.6.3.1 Các loại chất độn 27

5.6.3.2 Aûnh hưởng của tỉ lệ phần trăm chất phụ gia 28

5.6.4 ĐỀ XUẤT MỘT SỐ CHẤT BÔI TRƠN RẮN KHÁC 28

PHẦN 3 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT F VÀ CƯỜNG ĐỘ MÀI MÒN I CỦA CẶP BÔI TRƠN RẮN 32

CHƯƠNG 6 : SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ ĐO 33

6.1 NGUYÊN LÝ CỦA THIẾT BỊ ĐO HỆ SỐ MA SÁT KE – 04 33

6.2 CẤU TẠO 34

6.2.1 TRỤC CHÍNH 34

6.2.2 BỘ PHẬN ĐỞ MẨU 2 35

6.2.3 BỘ PHẬN KẸP TẠO LỰC ÉP CHẤT BÔI TRƠN RẮN 36

6.3 CƠ SỞ TÍNH TOÁN HỆ SỐ MA SÁT f 38

CHƯƠNG 7 : CƠ SỞ THIẾT LẬP CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM 41

7.1 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 41

7.2 ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM 41

7.3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 41

7.4 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 45

7.4.1 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐO HỆ SỐ MA SÁT (f ) 45

7.4.1.1 Chất bôi trơn graphit 46

7.4.1.2 Chất bôi trơn thiếc 49

7.4.1.3 Chất bôi trơn PTFE 52

7.4.2 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐO CƯỜNG ĐỘ MÀI MÒN (I ) 55

CHƯƠNG 8 : TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ THỰC NGHIỆM 61

8.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 61

8.2 HÀM MỤC TIÊU ( f ) VỚI CHẤT BÔI TRƠN GRAPHIT 62

8.3 HÀM MỤC TIÊU ( f ) VỚI CHẤT BÔI TRƠN THIẾC 64

8.4 HÀM MỤC TIÊU ( f ) VỚI CHẤT BÔI TRƠN ( PTFE) 66

8.5 HÀM MỤC TIÊU ( I ) VỚI CHẤT BÔI TRƠN GRAPHIT 68

CHƯƠNG 9 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70

LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD : PGS TS NGUYỄN VĂN THÊM

HVTH : TÔN THẤT NGUYÊN THY TRANG 1

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD : PGS TS NGUYỄN VĂN THÊM

HVTH : TÔN THẤT NGUYÊN THY TRANG 2

CHƯƠNG 1

Ý NGHĨA CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU

Máy móc sau khi làm việc một thời gian sẽ không tiếp tục làm việc được nữa do nguyên nhân hao mòn các chi tiết Chi phí cho việc sửa nó là một con số rất lớn Cụ thể theo thống kê ở thập niên 70 tại Mỹ chi phí hàng năm cho việc sửa chữa máy móc do mòn lên đến 46,8 tỷ USD mỗi năm Con số này lại tiếp tục tăng lên mỗi năm theo sự phát triển của công nghiệp

Hội nghị về giảm độ mòn trong kỹ thuật tổ chức tại Mỹ năm 1976 đã kết luận rằng việc ứng dụng ma sát sẽ tiết kiệm cho nước Mỹ mỗi năm từ 12 đến 16 tỷ USD

Báo cáo hội nghị ma sát học nước Anh năm 1966 thừa nhận lợi ích kinh tế do ứng dụng các thành tựu của kỹ thuật ma sát học đem lại khoảng 500 triệu Bảng Anh chiếm tỷ trọng khá lớn trong thu nhập của nền kinh tế quốc dân

Nền công nghiệp Đức cũng phải chịu những tổn thất lớn do ma sát và mài mòn trong máy Tổn thất trong năm 1974 lên đến hơn 100 tỷ DEM, chiếm 1% ngân sách Nói như vậy để thấy rằng lợi ích hết sức lớn khi giảm được ma sát và mài mòn Nhất là đối với nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Trong các hệ thống máy luôn luôn có chứa các bộ truyền, và các bộ truyền này luôn chịu ảnh hưởng rất lớn của ma sát Ma sát không những làm mất mát công suất máy mà còn làm mài mòn rất nhanh các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với nhau gây

ra những hỏng hóc nghiêm trọng, nếu máy móc không được chú ý đến việc bôi trơn

Ơû điều kiện làm việc bình thường với dầu mỡ thì ta có thể bôi trơn tốt Tuy nhiên, có những hệ thống truyền động làm việc ở những điều kiện rất khắc nghiệt: nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp; trong môi trường bức xạ cao hay vị trí làm việc rất đặc biệt không thể bôi trơn ướt được như các robot tự hành thám hiểm…v v Ta phải chọn một cách bôi trơn phù hợp hơn cả là bôi trơn bằng chất rắn

Nghiên cứu bôi trơn bằng chất rắn được thế giới quan tâm nhiều nhưng ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu này còn rất mới mẻ Hứa hẹn nhiều những khám phá, tìm tòi sâu hơn về khả năng ứng dụng to lớn đa dạng của công nghệ bôi trơn rắn

Những thách thức hiện nay cho việc nghiên cứu bôi trơn rắn là ngành công nghệ vật liệu ở Việt Nam chưa phát triển Đa số là còn phải nhập khẩu cho nên việc sưu tầm mẩu chất bôi trơn rắn phục vụ cho thí nghiệm là rất khó khăn Cộng với việc thiếu thốn các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác cao do giá thành rất cao nên đã ảnh hưởng rất lớn đến công việc nghiên cứu trong những năm qua

Vì vậy, vượt qua được những khó khăn, thách thức chủ quan cũng như khách quan để hoàn thành đề tài đúng thời hạn là một nổ lực rất lớn của chúng tôi Tuy nhiên, bên cạnh đó chúng tôi có được thêm một số kiến thức quý báu về bôi trơn rắn làm hành trang cho công tác nghiên cứu khoa học sau này

LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD : PGS TS NGUYỄN VĂN THÊM

HVTH : TÔN THẤT NGUYÊN THY TRANG 3

CHƯƠNG 2

GIỚI THIỆU VỀ NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ BÔI TRƠN RẮN

Nhiều công trình nghiên cứu đã khẳng định sự tồn tại lớp vật liệu chuyển dịch trên bề mặt đối ứng với độ dày của lớp này rất nhỏ và hình thể của lớp này có thể thay đổi theo thời gian các hiện tượng này không ngừng tiếp diễn trong vùng tiếp xúc với sự có mặt của vật thể thứ ba ( T C )

Khi sự chuyển dịch xảy ra ở vùng tiếp xúc, sự bám dính của vật liệu chuyển dời và lớp nền phía dưới là cần thiết Ứng suất phá hủy và ứng suất trượt trong giai đoạn trung chuyển đều liên quan đến hiện tượng bám dính trên Các công trình nghiên cứu về ma sát củng được tiến hành theo hai hướng: bám dính và biến dạng

- TOMLISON vào năm 1929 đã xem các lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến đều có quan hệ tuyến tính với số nguyên tử tác động qua lại giưa4 hai bề mặt tiếp xúc Các nguyên tử của vật thể này có thể tiếp cận với các nguyên tử của vật thể kia để xâm nhập vào trường hấp dẫn, trong lúc đó các nguyên tử khác lại tách ra xa Ma sát trong trường hợp này được đo bằng sự phân tán năng lượng

- HOLM năm 1938 chứng minh rằng các lồi lõm của mặt tiếp xúc ( nhấp nhô tế

vi ) sẽ bị biến dạng dẻo và dính vào nhau Ông đã kết luận rằng : lực ma sát liên hệ trực tiếp đến tổng số cọ mòn ở các điểm nối được hình thành

- BOWDEN và TAYBOR năm 1939 đã định nghĩa hệ số ma sát f là tỷ số của các lực tiếp tuyến và pháp tuyến Các tác giả trên đã đưa ra công thức :

f = T / H Trong đó T : Độ bền cắt của một điểm nối

H : độ cứng của vật liệu mềm hơn

Công thức tính chưa chính xác trong một số trường hợp ma sát trong thực tế vì chỉ dựa vào tính chất cơ học của lớp mỏng trên bề mặt mà thôi

- RABINOWICH năm 1965 đề nghị sửa đổi công thức của BOWDEN và TAYBOR bằng cách dựa vào hiện tượng bám dính

r

e Cotg W

P

T f

ab 2

0 



Trong đó : Po : Ứng suất chảy của vật thể mềm nhất

Wab : Năng lượng bám dính trên một đơn vị diện tích

phải sử dụng để tách hai vật thể a, b

khi tiếp xúc với nhau

e : Một nửa góc Profin của nhấp nhô

r : Bán kính của các điểm nối