nghiên cứu quy luật ma sát ,mòn của vật liệu trong chế tạo máy điều kiện ma sát khô

Luận văn được chia làm 4 chương Chương I: Cơ sở lý thuyết về ma sát Chương II: Ma sát ngoài Chương III: Thiết kế máy đo ma sát kiểu khung quay Chương IV: Ghép nối máy tính và kết quả thự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *******************************

NGÀNH: MÁY VÀ DỤNG CỤ CƠNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU QUY LUẬT MA SÁT ,MỊN CỦA VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO MÁY ĐIỀU KIỆN MA SÁT

KHƠ Boua La Bath

Người hướng dẫn khoa học: NGUYỄN DỖN Ý.

HÀ NỘI 2008

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những nghiên cứu và kết quả đạt được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo trích dẫn

Học viên

Khăm pan Boua la bath

I.1 Đại cương về kỹ thuật ma sát 10

I.1.2 Sự phát triển khoa học về ma sát 12

I.2 Tổn thất do ma sát đối với chi tiết tiếp xúc 14

I.3 ý nghĩa kinh tế ma sát trong máy 16 I.4 Nội dung khoa học của kỹ thật ma sát 18

II.2.2 Đặc điểm hình học của lớp bề mặt 23 II.2.3 Tính chất cơ lý hoá của lớp bề mặt mỏng 24 II.2.4 Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt tiếp xúc ma sát 25 II.2.5 Các đặc trưng hình học bề mặt 26

II.3 Tiếp xúc của bề mặt 30 II.3.1 Tương tác của nhấp nhô bề mặt trong tiếp xúc ma sát 31 II.3.2 Diện tích tiếp xúc ma sát của bề mặt thực 32 II.3.3 Tiếp xúc của bề mặt trong quá trình ma sát 33

II.4 Phân loại các dạng ma sát 34

II.5 Bản chất của ma sát ngoài 36

II.6 Những định luật cơ bản và quy luật thực nghiệm 39 II.6.1 Các định luật cơ bản về ma sát 39

II.6.2 Những quy luật ma sát thực nghiệm 41

II.6.2.1 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất pháp tuyến 41 II.6.2.2 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trượt 42

II.7.2.2 Theo lý thuyết biến dạng 48 II.7.2.3 Theo lý thuyết bám dính và biến dạng 49

Chương III: Máy đo ma sát kiểu khung quay 56

III.1 Mục đích yêu cầu thiết kế máy đo ma sát 56

III.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy 57

III.2.2 Nguyên lý hoạt động 58 III.2.3 Trình tự tiến hành đo trên máy 59

III.3 Thiết kế hệ truyền động điện 59

III.3.3 Cấu tạo và phân loại động cơ bước 62

III.3.5.1 Hệ thống điều khiển động cơ bước 65

III.5.3 Sơ đồ chân và sơ đồ khối vi điều khiển 75 III.5.4 Nguyên lý điều khiển động cơ bước cho vi điều khiển 78 III.5.5 Nguyên lý đọc và xử lý giá trị góc từ biến trở 81 III.5.6 Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển 82 III.5.7 Lưu đồ thuật toán cho vi điều khiển 85

Chương IV Ghép nối máy tính và kết quả thực

nghiệm

86

IV.1 Ghép nối máy tính 86

IV.1.1 Tổng qua về ghép nối máy tính 86

IV.1.3 Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS 232 87

IV.1.4 Truyền dữ liệu và lập thông số cho cổng 232 88

IV.3 Thiết kế giao diện trên máy tính 91

IV.4 Xử lý số liệu 96

IV.4.1.2 Xây dựng trên phương pháp quy hoạch thực nghiệm 97 IV.4.1.3 Xây dựng phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến

tính của biến trở

99

IV.5 Tính hệ số ma sát trên cơ sở lý thuyết 100

IV.5.2 Cặp vật liệu Thép 45 – Hợp kim đồng 102

IV.6.1 Hệ số ma sát phụ thuộc tải trọng 103IV.6.2 Hệ số ma sát phụ thuộc tải trọng của các cặp vật liệu khác

Danh mục các bảng biểu, hình vẽ

Hình 2.1 Sự phụ thuộc của Fms vào giá trị dịch chuyển

trượt Hình 2.11 Đường cong Stribech

Hình 2.12 Các thông số cơ bản ảnh hưởng đến hệ số ma sát

Hình 2.13 Liên kết ma sát tại đỉnh nhấp nhô

Hình 2.14 Vết tiếp xúc ma sát khi trượt một chỏm cầu

Hình 3.1 Máy đo ma sát kiểu khung quay

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước

Hình 3.3 Động cơ 2 pha

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước

Hình 3.5 Giản đồ nguyên lý các cực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi

bước Hình 3.6 Mômen của động cơ bước

Hình 3.7 Chống dao động bước

Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển cơ bản - Động cơ từ trở

Hình 3.9 Biến trở đo góc quay

Hình 3.10 Cấu tạo biến trở

Hình 3.11 Các thành phần của bộ vi xử lý

Hình 3.12 Sơ đồ chân của vi điều khiển Atmega88

Hình 3.13 Sơ đồ khối của vi điều khiển Atmega88

Hình 3.14 Sơ đồ điều khiển động cơ bước

Hình 3.15 Động cơ bước

Hình 3.16 Động cơ đơn cực

Hình 3.17 Điều khiển cả bước – cấp xung từng pha

Hình 3.18 Điều khiển cả bước – cấp xung 2 pha

Hình 3.19 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển

Hình 4.1 Sơ đồ chân RS 232

Hình 4.2 Chọn thẻ Port Setting để biết tham số

Hình 4.3 Sơ đồ chân của Max 232

Hình 4.4 Sơ đò cấu trúc của Max 232

Hình 4.5 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính thông qua IC Max 232 Hình 4.6 Nguyên lý xác định vị trí góc sử dụng

Hình 4.7 Đồ thị thực nghiệm thay đổi góc của biến trở

Bảng 2.1 Các loại nhấp nhô bề mặt và giá trị chiều dài lấy làm mẫu

(theo chuẩn GOST 2789 - 73)

Mở đầu

Luận án tốt nghiệp là phần quan trọng trong chương trình đào tạo thạc sỹ ngành chế tạo máy nói riêng và ngành cơ khí nói chung Quá trình làm luận án đã giúp cho mỗi học viên tổng hợp lại các kiến thức đã được

đào tạo trong nhà trường, kết hợp với vốn lý thuyết và thực tế đã làm việc trong thời gian học tập; góp phần củng cố và nâng cao vốn kiến thức đã nắm được để có kiến thức tổng hợp; tin cậy mang lại hiệu quả kinh tế phục

vụ cho sản xuất đáp ứng yêu cầu, đòi hỏi đối với mỗi thạc sỹ

Tại Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào ngày nay, việc nâng cao năng suất lao

động; trình độ kỹ thuật, chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế là những mục tiêu rất quan trọng để phát triển nền kinh tế quốc dân Để đạt được những mục tiêu này phải nhanh chóng đưa vào sản xuất các kỹ thuật hiện

đại; công nghệ và tổ chức sản xuất hiện đại Các mục tiêu này chỉ có thể đạt

được nhờ hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật, biết khai thác toàn bộ công suất thiết bị theo hướng đạt năng suất và hiệu quả cao trên cơ sở tuổi thọ của thiết bị, cơ cấu và chi tiết của chúng

Tuổi thọ của máy và chi tiết phụ thuộc vào việc sử dụng vật liệu chất lượng cao các cơ cấu và bộ phận máy hiện đại các chi tiết có độ bền đều bằng công nghệ chế tạo tối ưu; chất lượng lắp ráp; sự ổn định của chế độ sử dụng; việc chấp hành nghiêm chỉnh các quy tắc trong sử dụng; bảo dưỡng

và chất lượng sửa chữa

Vấn đề nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy trở thành đặc biệt quan trọng

và cấp bách không chỉ khi thiết lập các mẫu máy mới mà còn cả cho việc chế tạo phụ tùng thay thế để duy trì các thiết bị đang hoạt động trong sản xuất Nhiệm vụ nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị là của cả nhà thiết kế; chế tạo; sử dụng và bảo dưỡng ở Lào, việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật ma sát còn chưa được thực hiện ở các trường đại học; viện nghiên cứu, cơ sở sản xuất các môn học liên quan đến kỹ thuật ma sát, bôi trơn và biện pháp nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của máy móc; vì vậy trang bị đưa

vào giảng dạy và ứng dụng trong chương trình đào tạo đại học và sau đại học, ở nhiều trường kỹ thuật trên cả nước

Vì vậy đề tài luận văn “ứng dụng nghiên cứu quy luật ma sát; mòn của vật liệu trong chế tạo máy; điều kiện ma sát khô” là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn xây dựng mô hình thí nghiệm cho các sinh viên ngành chế tạo máy; cơ điện tử và những người nghiên cứu về ma sát Để tài khảo sát mối quan hệ của các cặp vật liệu trong quá trình ma sát theo các điều kiện làm việc khác nhau với sự hỗ trợ của kỹ thuật cơ điện tử và tin học Kết quả

sẽ góp phần đưa ra giải pháp hợp lý giúp tối ưu hoá quá trình làm việc của máy móc thiết bị

Luận văn được chia làm 4 chương

Chương I: Cơ sở lý thuyết về ma sát

Chương II: Ma sát ngoài

Chương III: Thiết kế máy đo ma sát kiểu khung quay

Chương IV: Ghép nối máy tính và kết quả thực nghiệm

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài là góp phần nghiên cứu về

ma sát cụ thể là sự biến đổi của hệ số ma sát trượt của các cặp vật liệu trong

điều kiện ma sát khô; đưa ra phương pháp thực nghiệm về mối quan hệ giữa

hệ số ma sát với tải trọng và vận tốc Với việc chỉnh máy đo ma sát kiểu khung quay; đề tài góp phần giúp sinh viên chế tạo máy, cơ điện tử có cái nhìn trực quan khi nghiên cứu về ma sát, và là mô hình thí nghiệm phù hợp cho giảng dạy; nghiên cứu trong các nhà máy; công ty; các trường đại học

và cao đẳng

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Do∙n ý cùng các thầy cô giáo trong bộ môn máy và ma sát học đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn cao học

Học viên

Khăm pan Boua Labath

Chương I:

Cơ sở lý thuyết về ma sát

I.1 ĐạI CươNG Về Kỹ THUậT MA SáT

I.1.1 Giới thiệu chung

Ma sát - hiện tượng tự nhiên - đã mang lại cho con người nhiệt và lửa, phép hãm con tàu, ôtô đang chạy với tốc độ nhanh trong khoảnh khắc, làm tăng tốc độ của phản ứng hoá học, ghi giọng nói con người lên đĩa, nghe âm thanh của cây vĩ cầm, và rất nhiều việc khác

Cho đến nay, về nhiều phương diện, ma sát vẫn còn là một điều bí ẩn Trong quá trình ma sát và chỉ trong quá trình đó đã đồng thời xảy ra các quá trình cơ học, điện, nhiệt, hóa Ma sát có thể làm tăng hoặc giảm độ bền, lượng các bon trong kim loại, làm thấm hoặc thoát hydro, biến đổi vàng, bạch kim thành ôxyt, đánh bóng chi tiết hoặc hàn chúng Ma sát là quá trình tự tổ chức, trong đó các hiện tượng xảy ra theo một trình tự xác định

và hợp lý Các hiện tượng này dẫn đến sự phả huỷ bề mặt hoặc ngược lại làm giảm độ mòn và ma sát

Hiện nay, ma sát gắn liền với những vấn đề cấp thiết của thời đại như: sự mòn của máy móc và thiết bị, chi phí sửa chữa máy móc do mòn rất lớn và tăng lên hàng năm, kéo dài tuổi thọ của máy dù chỉ ở mức độ không lớn cũng ngang việc sử dụng một lực lượng sản xuất đáng kể Vì vậy nhiều nhà thiết kế, công nghệ, những người sử dụng và các nhà bác học của nhiều ngành khác nhau đã nghiên cứu vấn đề này, nhằm đưa ra những biện pháp thiết kế, công nghệ và sử dụng để nâng cao tuổi thọ của máy và phát triển học thuyết về ma sát, mài mòn và bôi trơn

Khoa học này đã được nghiên cứu rộng rãi trong các nhà máy, các trường đại học, các viện nghiên cứu và đã đạt được những thành tựu rất

quan trọng Sử dụng những thành tựu ấy cho phép nâng cao rõ rệt tuổi thọ

và độ tin cậy của máy

Ma sát, bôi trơn và mòn máy là những vấn đề có liên quan hữu cơ với nhau Không thể giải quyết được vấn đề tính chống mòn nếu không sử dụng các quan điểm của lý thuyết ma sát và bôi trơn, và cũng không thể hoàn thiện được kỹ thuật bôi trơn và các vật liệu nếu không hiểu bản chất của các hiện tượng ma sát và mòn Những thành tựu mới của ngành khoa học là cơ sở của khoa học ma sát, bôi trơn và mòn, các luận đề và những

định luật cơ bản dựa trên sự tổng hợp các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học có liên quan: cơ học các môi trường dẻo và đàn hồi, lưu biến học, kim loại học, vật lý chất rắn, hoá - lý học, hoá học các hiện tượng bề mặt, v.v

Tất cả các công trình ứng dụng hiện nay đều nhằm đạt tới các điều kiện ma sát và mòn bình thường, đồng thời khắc phục các quá trình không bình thường trong vùng tiếp xúc, làm cho lượng mòn giảm đi càng nhiều càng tốt Các tác giả của những công trình nghiên cứu lý thuyết cho các hiện tượng xảy ra khi chế độ sử dụng bình thường bị phá hoại và sử dụng các lý thuyết như lý thuyết cơ học phân tử, biến dạng - dính kết để mô tả các hiện tượng không bình thường

Các hiện tượng không bình thường biểu lộ rất rõ nét và có thể quan sát được với độ phóng đại không lớn, đôi khi có thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường Các quá trình ấy là những đối tượng dễ quan sát nhất và có khả năng xây dựng được các mô hình cơ bản nhất hoặc mô tả chúng bằng toán học

Vì vậy, lý thuyết đưa ra là khảo sát quá trình ma sát ngoài bình thường và các nhân tố có ảnh hưởng đến sự tiến triển của chúng (như các tải cơ học ngoài, môi trường và tính chất của vật liệu) Trong các chế độ ma sát ngoài bình thường, điều kiện tiếp xúc được đặc trưng bởi sự có mặt của các

cấu trúc thứ cấp chịu tải có các tính chất nhất định Bất kỳ sự phá hủy nào của điều kiện ấy đều dẫn tới các hiện tượng không bình thường

Ma sát và mòn, cũng như các quá trình cơ học của các chất rắn, lỏng

và khí thuộc về loại các hiện tượng luôn luôn gắn liền một cách tất yếu với

sự chuyển động của vật chất Các điều kiện ma sát ngoài muôn hình muôn

vẻ Vì vậy lý thuyết ma sát, bôi trởn và mòn thường xuyên được nghiên cứu

và hoàn thiện hơn

I.1.2 Sự phát triển của khoa học về ma sát

Những công trình nghiên cứu để phát triển lý thuyết ma sát diễn ra một khoảng thời gian dài

Leonard de Vinci (1452- 1519) đã tiến hành những thí nghiệm nổi tiếng đầu tiên vào năm 1508 Những kết quả của công trình ấy, lần đầu tiên, khái niệm về hệ số ma sát ngoài đã được công thức hoá Ông cho rằng hệ số

ma sát là một hằng số (0,25) đối với các vật khác nhau khi độ nhẵn bề mặt của chúng như nhau Những sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát của

ông vẫn mang tính thực tiễn cho đến ngày nay

Quan niệm cơ học thuần tuý chiếm ưu thế trong những công trình

nghiên cứu đầu tiên Về cơ bản là khảo sát tương tác giữa các bề mặt gồ ghề của các vật rắn, và vật tuyệt đối cứng Sau đó đưa ra giả thuyết và tiếp tục phát triển quan niệm về các lực tương tác phân tử khi ma sát Sự tiến triển của giả thuyết cơ học - gắn liền với tên tuổi của A Paran, L.ơle, D Lexli,

là những người đã đề xuất và xây dựng cơ sở cho giả thuyết về tương tác phân tử giữa các bề mặt ma sát

ở nước Nga, cơ sở của khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn đã hình thành từ khi thành lập viện hàn lâm khoa học Nga Nhà khoa học vĩ

đại M.V.Lômônôxôv đã thiết kế một thiết bị nghiên cứu sự dính kết giữa các phân tử của các vật Thiết bị này là tiền thân của các thiết bị hiện đại để nghiên cứu độ bền mòn của vật liệu L.ơle đã có đóng góp lớn cho khoa học

về ma sát Những sự phụ thuộc khi ma sát của dây đai qua bánh đai do ông

đưa ra, cho đến nay vẫn được sử dụng trên khắp thế giới Những công trình nghiên cứu của N.P.Pêtrov về bôi trơn ổ trục cũng rất nổi tiếng

Sự phát triển tiếp sau đó của khoa học về ma sát gắn liền với tiến bộ chung của kỹ thuật Cũng như các môn khoa học khác, kỹ thuật ma sát không ngừng được phát triển Các giai đoạn phát triển ấy gắn liền với việc

ra đời kỹ thuật đóng tàu, công nghiệp gia công kim loại, giao thông đường sắt, công nghiệp ôtô, máy bay và vũ trụ và sự mở rộng mạnh mẽ các điều kiện ma sát ngoài với việc chế tạo và sử dụng các loại vật liệu mới

Quan niệm cơ học và phân tử có những thay đổi đáng kể: cơ học -

được phong phú thêm nhờ những định luật về biến dạng dẻo - đàn hồi và sự phá huỷ phân tử - nhờ những công trình nghiên cứu về vật lý các lớp tới hạn

và kết cấu mỏng của kim loại ở các bề mặt làm việc

Lý thuyết tổng hợp - mà cơ sở của nó bao gồm cả các khái niệm cơ học (biến dạng) và những quan điểm về tương tác phân tử - dính kết - được phát triển trong những công trình nghiên cứu của F P, Bouden, I.V.Kragenxky, G I Epifanov, G Emext,

Công trình cơ bản nghiên cứu về ma sát và mài mòn do giáo sư IV.Kragenxki và học trò của ông phát triển công trình này, quá trình mài mòn bao gồm ba hiện tượng: Sự tương tác giữa các bề mặt ma sát, sự thay

đổi xảy ra trong lớp bề mặt và sự phá huỷ chúng Những hiện tượng không nối tiếp nhau mà xen kẽ ảnh hưởng lẫn nhau

B.i.Côxtexki và các học trò đã xuất bản cuốn sách chuyên đề tổng hợp các kết quả về vấn đề tạo ra cấu trúc thứ cấp khi ma sát trong điều kiện bôi trơn tới hạn, đồng thời mở ra triển vọng sử dụng cấu trúc thứ cấp ấy như một màng bảo vệ các vật liệu trong cặp ma sát khỏi bị phá huỷ

V.A.Bêlưi đã nghiên cứu sử dụng vật liệu polyme cho các kết cấu ma sát Nhiều kết quả rất bất ngờ So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, mòn ít hơn, ít bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ và tính công nghệ cao hơn trong việc chế tạo các chi tiết Khả năng làm việc

của polyme trong điều kiện bôi trơn bằng nước là một ưu điểm rất lớn so với kim loại Tuy nhiên, sự thay thế kim loại bằng polyme không phải lúc nào cũng có lợi Đối với kết cấu ma sát, có triển vọng nhất là sự kết hợp của polyme với các vật liệu khác

Khoa học về ma sát là một lĩnh vực kiến thức rộng lớn có ý nghĩa ứng dụng Nội dung của nó là tổng hợp những phần thích hợp của cơ học, vật lý

và hoá học Những thành tựu của vật lý chất rắn nói chung và lý thuyết về

sự không hoàn thiện của cấu trúc tinh thể (lý thuyết biến vị) nói riêng, mở

ra khả năng thực tế cho việc giải quyết những lý thuyết cơ bản của ma sát ngoài và kiện toàn những phương pháp thực tế để điều khiển ma sát trong máy móc

Vấn đề áp dụng lý thuyết biến vị cho phép giải quyết các vấn đề về tương tác cơ học giữa các bề mặt, công thức hoá quan niệm về biến dạng vật lý và biến dạng làm việc

I.2 TổN THấT ĐO MA SáT ĐốI VớI CáC CHI TIếT TIếP XúC

Phần lón chi tiết và ngay cả máy công cụ bị hỏng do mòn Có thể phân loại các dạng mòn và phá hoại bề mặt do ma sát thành hai nhóm chính:

* Nhóm các quá trình mòn bình thường cho phép như mòn oxy hoá, mòn hạt mài Nhóm này có liên quan với biến dạng dẻo tối thiểu đó là quá trình hình thành lớp màng oxyt bảo vệ và tạo thành cấu trúc thứ cấp phân bố

đều trên bề mặt, làm giảm quá trình ma sát ngoài và ngăn cản sự phát triển của hiện tượng tróc Dạng mòn cơ - hoá xảy ra trong điều kiện sử dụng bình thường nên người thiết kế và chế tạo máy phải tạo điều kiện ổn định cho quá trình mòn cơ hoá với tốc độ phá huỷ nhỏ nhất

* Nhóm phá huỷ bề mặt không bình thường và không cho phép khi làm việc như tróc dính, tróc nhiệt, xước, mỏi, mòn fretting, xâm thực Nhóm quá trình này gồm có: những quá trình có quan hệ trực tiếp với ma

sát (như tróc loại 1 và 2, gẫy và hỏng vì mỏi, mòn fretting) và những quá trình gián tiếp với ma sát (như xâm thực, xói mòn, ép lún )

Chúng ta khảo sát những dạng mòn phá huỷ chủ yếu của bề mặt ma sát gồm có:

♦ Mòn oxy hoá: quá trình phá huỷ dần bề mặt chi tiết chịu ma sát, dưới sự tương tác giữa bề mặt kim loại hoạt tính bị biến dạng dẻo với oxy không khí hoặc trong dầu bôi trơn Đặc trủng cơ bản của dạng mòn là tốc

độ ôxy hoá lớn hơn tốc độ phá huỷ lớp màng trên bề mặt ma sát, và thường xảy ra trong quá trình ma sát trượt và lăn, khi có bôi trơn giới hạn hoặc ma sát khô

♦ Mòn hạt mài là quá trình phá huỷ bề mặt chi tiết, do có hạt mài trong vùng ma sát Đây là dạng mòn phổ biến trong các bộ phận máy công

cụ, máy xây dựng .Hạt mài lọt vào vùng ma sát theo không khí, dầu bôi trơn, hoặc khi gia công bằng dụng cụ mài gây mòn

♦ Tróc dính: là dạng phá huỷ không cho phép của bề mặt ma sát, do kết quả của sự hình thành mối liên kết kim loại cục bộ, gây biến dạng và phá huỷ tiếp theo của mối liên kết ấy( làm bong tách hoặc bám dính hạt kim loại lên bề mặt tiếp xúc) Đây là một dạng phá huỷ nguy hiểm của chi tiết máy, xuất hiện khi ma sát trượt với tốc độ dịch chuyển tương đối nhỏ và

áp suất riêng vượt quá giới hạn chảy tại vùng tiếp xúc thực tế Nó có thể xuất hiện trong điều kiện ma sát lăn, trong chân không

♦ Tróc nhiệt: là dạng phá huỷ không cho phép của bề mặt ma sát, do kết quả của sự hình thành mối liên kết kim loại cục bộ, tiếp theo là biến dạng và phá huỷ mối liên kết ấy, là sự bong tách các hạt kim loại và sự hoá mềm bề mặt kim loại do nhiệt Tróc nhiệt phụ thuộc vào tính năng nhiệt của vật liệu ma sát: tính dẫn nhiệt, nhiệt dung, độ cứng ở nhiệt độ cao, độ bền nhiệt

♦ Phá huỷ do mỏi là quá trình hỏng do mỏi xuất hiện ở những chi tiết chịu ma sát lăn và kết quả của sự phá hoại mãnh liệt các lớp kim loại bề mặt trong điều kiện đặc biệt của trạng thái ứng suất Sự phá huỷ bề mặt vì mỏi là do xuất hiện các vết nứt tế vi, thường gặp ở ổ lăn, bánh răng, bộ con lăn - đĩa đệm, cơ cấu phân phối, cặp ma sát trượt

♦ Xói mòn kim loại: là quá trình phá huỷ bề mặt ma sát tiếp xúc với chất lỏng chuyển động với vận tốc thay đổi Sự phá huỷ do xói mòn gây ra

có tính chất cục bộ và thể hiện ở việc hình thành những vết lõm, lỗ hổng

♦ ăn mòn kim loại: là quá trình phá huỷ dưới tác dụng của hóa và

điện hoá của môi trường, sự ăn mòn kim loại rất đa dạng: han gỉ, hiện tượng cháy trong xupap động cơ đốt trong

♦ Mòn fretting xuất hiện khi có oxy hoá với cường độ cao hoặc tróc với chuyển vị nhỏ của bề mặt lắp ghép Quá trình fretting xuất hiện khi có

ma sat trượt với những chuyển động tịnh tiến khứ hồi rất nhỏ và khi có tác dụng của tải trọng động, có thể xuất hiện khi ma sát khô và ngay cả trong

điều kiện có bôi trơn

♦ Mòn hydrô biểu hiện ở nhiều dạng mòn, là kết quả của sự xuất hiện hydro trên bề mặt kim loại và làm dòn hoá bề mặt trong quá trình ma sát Tác dụng của hydro biểu hiện ở sự tăng không nhiều tốc độ mòn, hoặc

sự phá huỷ khốt liệt

I.1.3 ý NGHĩA KINH Tế MA SáT TRONG MáY

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

Báo cáo của Hội ma sát nước Anh thừa nhận hàng năm hiệu quả kinh

tế do ứng dụng các thành tựu của kỹ thuật ma sát học là 500 triệu bảng Anh tương đương với 2% thu nhập của nền kinh tế quốc dân

ý nghĩa to lớn của kỹ thuật ma sát đối với nền kinh tế quốc dân ở chỗ, phần lớn máy móc bị hỏng không phải do gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt ma sát trong 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

Ngoài việc giảm mòn và nâng cao tuổi thọ thiết bị máy móc, các biện pháp giảm lực ma sát trong máy có ý nghĩa quan trọng Hơn nữa nhiên liệu dùng để chạy ôtô, đầu máy xe lửa và phương tiện giao thông khác thực chất

là để khắc phục trở lực do ma sát gây nên trong chi tiết máy Trong ngành dệt có đến 80% năng lượng tiêu hao dùng đề khắc phục lực ma sát Hiệu suất nhiều thiết bị máy móc thấp do ma sát là chính Ví dụ hiệu suất của hộp giảm tốc Globoit dùng trong thang máy, thiết bị nâng trong hầm mỏ, máy công cụ là 0,7, hiệu suất của bộ truyền đai ốc - vitme là 0,25

Theo thống kế phần lớn máy móc (85% - 90%) không tiếp tục làm việc được vì nguyên nhân mòn các chi tiết Chi phí cho việc sửa chữa máy móc thiết bị và các phương tiện vận tải ở Liên Xô là 40 tỷ rúp một năm

Một số biện pháp được sử đụng để giảm ma sát trong máy:

- Bộ ma sát nên làm việc trong điều kiện được che kín

- Phân bố đều áp suất trên bề mặt ma sát, biện pháp chủ yếu là: dùng cơ cấu tự lựa, tránh ứng suất tập trung, tăng độ cứng vững của chi tiết lắp ghép, bù trừ công nghệ cho biến dạng đàn hồi

- Giảm bớt tải trọng cho những bề mặt bị mòn như dùng kết cấu trục

và ổ được đỡ tải, tạo đối áp trong bơm bánh răng

- Bảo đảm tuổi thọ gần bằng nhau cho tất cả các chi tiết bị mòn, để cùng tương xứng trong thời gian bảo dưỡng máy

- Giảm công ma sát như dùng bộ li hợp nhiều đĩa

- Bề mặt ma sát cần có độ nhám tối ưu tương ứng với dạng ma sát, giảm tác hại của sản phẩm mòn Nếu có ma sát ớt thì độ nhám bề mặt càng thấp, khả năng chịu tải càng cao

- Dùng vật liệu dễ biến dạng để chế tạo chi tiết làm việc

I.4 NộI DUNG KHOA HọC CủA Kỹ THUậT MA SáT

Cơ sở lý thuyết khoa học về ma sát vẫn còn tiếp tục được hoàn thiện, nhiều ứng dụng vẫn phải xuất phát từ thực nghiệm Nội dung chính của kỹ thuật ma sát gồm:

• Đưa ra lý thuyết về ma sát, mòn và bôi trơn phù hợp với các điều

kiện cụ thể

Hiệu quả của hệ bôi trơn phụ thuộc vào sự hoàn thiện kết cấu và chất lượng vật liệu bôi trơn Khi chuyển các chi tiết ma sát sang chế độ dịch chuyển chọn lọc cần phải nghiên cứu các hệ thống bôi trơn thích nghi để ngăn chặn độ mòn và giảm mất mát do ma sát

• Nghiên cứu phương pháp gia công lần cuối không hạt mài

Độ bền mòn phụ thuộc vào nguyên công gia công lần cuối Đã có nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của độ nhám bề mặt chi tiết đến cường độ mài mòn và tác hại của hạt mài tại vùng ma sát Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu phương pháp gia công lần cuối không hạt mài

để chống ma sát

• Chế tạo các kết cấu ma sát không mòn

Phương pháp chính để nâng cao tính chống mòn của vật liệu là nâng cao độ cứng của bề mặt ma sát (thấm cácbon, nitơ, mạ crôm, tôi bề mặt .), tuy nhiên nhiều trường hợp do áp suất lớn trên phần tiếp xúc thực tế mà cường độ mòn tăng thì phương pháp này không còn thích hợp Một phương pháp được ứng dụng được những trường hợp ấy là phương pháp dịch chuyển chọn lọc để tạo ra các kết cấu ma sát không mòn

• Bảo vệ chi tiết khỏi sự mài mòn hydro

Đây là nhiệm vụ quan trọng của kỹ thuật ma sát ở Liên Xô, bằng thực nghiệm đã phát hiện ra một hiện tượng về sự tập trung hydro trên bề

mặt ma sát Hydro được thoát ra từ các vật liệu của cặp ma sát và từ môi trường xung quanh (vật liệu bôi trơn, nhiên liệu nước, ) Hiện tượng này làm tăng nhanh sự mài mòn

Kết luận

Các phương pháp nghiên cứu, áp dụng cơ bản là:

- ứng dụng hiệu quả các kết quả mới nhất của khoa học kỹ thuật hiện

đại vào ngành Tribology

- Phát triển và hoàn thiện các biện pháp công nghệ bề mặt, tạo ra các kết cấu ma sát có chất lượng cao

đồng thời với ma sát ngoài và sau đó chúng làm ma sát ngoài biến đổi , chuyển thành nội ma sát, cắt, và cuối cùng là làm đình chỉ chuyển động

Ma sát động : là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình

chuyển động tương đối tại vùng tiếp xúc

Ma sát dừng : là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình dừng

tại vùng tiếp xúc có chuyển động tương đối

Ma sát vĩ mô: là ma sát được kể đến do ảnh hưởng của các yếu tố

trên bề mặt tiếp xúc, cơ, lý, hóa, chất lượng bề mặt, bản chất của vật liệu, các chế độ làm việc,

Ma sát vi mô: là ma sát được kể đến bản chất vật liệu, tính chuyển

động của các phân tử, tính liên kết hóa học và nhiệt động học dẫn đến sự mất mát năng lượng cơ học

Ma sát ngoại: là ma sát xảyra giữa 2 bề mặt tiếp xúc của 2 vật thể

độc lập với nhau, khi có chuyển động tương đối

Ma sát nội : là ma sát xảy ra trong quá trình chuyển động tương đối,

trong cùng 1 vật thể

Ma sát ngoài: luôn xuất hiện khi có chuyển động tương đối giữa các

vật thể tiếp xúc nhau và tương tác cơ học với nhau Ma sát ngoài trong các máy móc, cơ cấu, dụng cụ và thiết bị là một hiện tượng khá phổ biến Biểu hiện có hại của ma sát ngoài thể hiện ở sự mất mát công suất, mòn và hỏng các bề mặt tiếp xúc; còn ma sát có lợi được ứng dụng trong thiết bị ma sát dùng để truyền chuyển động, truyền lực và trong sự hoạt động của các bộ phận làm việc của máy móc

Lực ma sát: là lực cản chuyển động tương đối của vật thể này trên

vật thể khác, dưới tác động của ngoại lực pháp tuyến với đường phân giới giữa 2 mặt phẳng

Quá trình ma sát: là rất phức tạp và phụ thuộc vào

- Biến đổi của các quá trình và lớp bề mặt tại vùng tiếp xúc thực

- Chất lượng bề mặt khi tham gia ma sát

- Điều kiện và môi trường ma sát

Lực ma sát ngoài không ổn định, công của lực ma sát phụ thuộc vào quãng đường mà vật rắn di chuyển Độ lớn của lực ma sát ngoài nhìn chung

được xác định theo khoảng dịch chuyển của vật rắn theo phương tiếp tuyến Căn cứ vào khoảng dịch chuyển này phân biệt lực ma sát ngoài tĩnh và lực

ma sát ngoài động

Lực ma sát khởi động: là lực cản trở chuyển động trong trường hợp

dịch chuyển rất nhỏ, khoảng dịch tiếp tuyến có tính thuận nghịch này được gọi là dịch chuyển ban đầu Lực ma sát khởi động thường xuất hiện trong các khớp ma sát trượt không liên tục dưới tác động của tải trọng

Lực ma sát tĩnh: là toàn bộ lực ma sát tương ứng với dịch chuyển

ban đầu lớn nhất, hay nói cách khác là sự dịch chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái trượt Hình 2 l trình bày nguyên tắc sự phụ

thuộc của lực ma sát vào giá trị dịch chuyển Sau trạng thái dịch chuyển ban

đầu là trạng thái trượt ổn định với giá trị lực ma sát không đổi

Lực ma sát động là lực ma sát

xuất hiện trong quá trình có chuyển

động tương đối ở vùng tiếp xúc

Lực ma sát trượt có xu hướng

chống lại (cản trở) chuyển động theo

phương tiếp tuyến trên vật thể tiếp

xúc ma sát, nó không phụ thuộc vào

* Mômen ma sát

Mms = Fms R Trong đó: R – cánh tay đòn tương ứng với lực ma sát Fms

* Công ma sát (năng lượng ma sát) Wms

Đối với ma sát trượt: ϕ

WmsT = EmsT =

ms S

ds

F⋅

∫

Trong đó: Sms – quãng đường ma sát

Đối với ma sát xoay:

WmsL = EmsL =

Χ Χ

⋅

ϕ

d M

ms

Trong đó: ϕX – góc xoay

II 2 CHấT LợNG Bề MặT

II.2.1 Khái niệm chất lượng bề mặt

Chất lượng bề mặt của các cặp ma sát có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình ma sát và mòn Cơ cấu là một trong những biện pháp quan trọng, phổ biến Để nâng cao hịeu gủa ứng dụng guy luật ma sát

Những yếu tố chất lượng bề mặt được quan tâm hàng đầu đó là hình dạng hình học của bề mặt, độ cứng, độ bền nhiệt, độ bền hoá học và trạng thái ứng suất

II.2.2 Đặc điểm hình học của lớp bề mặt

Tính không đều của bề mặt chi tiết máy được phân thành Sai số hình

dạng, Sóng & Nhấp nhô

Sai số hình dạng là độ không đều của bề mặt xuất phát từ hình dạng

thực của nó (lồi,lõm, méo, lệch, )

Sóng có dạng gồm các khe và đỉnh tuần hoàn có chu kỳ, cách nhau 1

khoảng bằng bước sóng Ss và chiều cao HS thường có

S

S H

II 2.3 Tính chất cơ lý hoá của các lớp bề mặt mỏng

Lớp bề mặt ma sát rất mỏng (lớp thứ cấp) với chiều dày trong khoảng

từ vài trục Ăngtrông (A0) đến vài phần trăm hay phần mười milimet có đặc tính cấu trúc và tính năng cơ lý hoá hoàn toàn khác so với kim loại gốc của chi tiết

Sự khác nhau đó là do các nguyên nhân: trạng thái đặc biệt của các nguyên tử bề mặt dẫn tới năng lượng bề mặt tự do và hoạt tính hấp thụ lớn,

do tác dụng tổng hợp của cơ nhiệt hoá Lý vào bề mặt kim loại trong giai

đoạn chế tạo phôi và gia công tinh lần cuối, do tác dụng cơ nhiệt Hóa lý lặp có chu kỳ trên bề mặt ma sát khi làm việc

Bề mặt thuần khiết của kim loại có tương tác mãnh liệt với môi trường thể lỏng hay khí khi tiếp xúc, dẫn tới sự hấp thụ các nguyên tử và phân tử hoạt tính của môi trường vào bề mặt của kim loại bao gồm cả những phản ứng hoá học trực tiếp như oxy hoá sắt tạo thành Fe2O3

s

S

s

H

Trong quá trình cắt gọt kim loại có phoi hoặc không phoi kim loại bị biến dạng dẻo rất mạnh, xuất hiện những thể tích cục bộ có nhiệt độ cao,

đồng thời lại được làm mát bởi oxy không khí hoặc làm mát hoặc bôi trơn bởi các chất lỏng cắt gọt Khi đó lớp bề mặt kim loại bị gia công có độ sâu

đến vài trục micromet sẽ bị biến tính rõ rệt

Trong quá trình làm việc lớp bề mặt mỏng của tiếp xúc ma sát chịu tác dụng lặp đi lặp lại của ứng suất pháp và tiếp cũng như bị nung nóng đến nhiệt độ cao rồi làm nguội nhanh do khối kim loại bao quanh, khi đó tính chất cơ lý hoá của lớp bề mặt mỏng và kim loại gốc tất yếu là khác nhau

Khi có biến dạng dẻo trong quá trình ma sát sẽ tăng cường sự hoạt hoá các thể tích bề mặt kim loại và làm phát triển hiện tượng khuyếch tán dẫn đến sự oxy hoá các lớp bề mặt ma sát của kim loại Lớp màng oxyt

được tạo thành có tính chất cơ lý hoá khác hẳn kim loại ban đầu Mòn oxy hoá là quá trình mòn lớp màng oxýt hình thành khi làm việc, nó là một dạng mòn hết sức phổ biến, với đặc trưng của chất lượng bề mặt là độ nhẵn bóng cao và không làm thay đổi có hại đến cấu trúc của các thể tích bề mặt

ma sát

Khi ma sát trượt lớp thứ cấp luôn bị hình thành và luôn bị phá huỷ

II.2.4 Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt tiếp xúc ma sát

Lớp bề mặt mỏng của chi tiết ma sát thường tồn tại ứng suất dư, nó

được tạo thành trong quá trình công nghệ gia công và ứng suất của lớp bề mặt khi làm việc

Trạng thái ứng suất dư trong lớp bề mặt sau khi gia công thường nảy sinh khi thay đổi thể tích của kim loại do sự biến đổi pha và cấu trúc, do kết quả của tác dụng nhiệt, do quá trình tách phoi

Trạng thái ứng suất lớp bề mặt khi làm việc được tạo thành trong các thể tích kim loại cục bộ ở các lớp bề mặt khi tiếp xúc ma sát ứng suất này thường tập trung trong thể tích rất nhỏ, gây khuyếch tán và hoạt hoá kim loại dẫn tới việc hình thành oxyt kim loại

II.2.5 Các đặc trưng hình học bề mặt

Các thông số đặc trưng của trạng thái hình học bề mặt được xác định trong khoảng khảo sát nhất định của bề mặt ma sát, kích thước của nó được xác định theo độ cao của nhấp nhô bề mặt và cấp độ nhấp nhô bề mặt và

được tiêu chuẩn hoá trong bảng 2.1

Chiều dài mẫu được chọn phù hợp với tiêu chuẩn GOST 2789-73, phụ thuộc vào loại nhấp nhô và độ không phẳng của bề mặt

Hình 2.3: Các đặc trưng hình học bề mặt

Bảng 2.1: Các loại nhấp nhô bề mặt và giá trị chiều dài lấy làm mẫu (theo

tiêu chuẩn GOST 2789 – 73)

Thông số nhấp nhô

Cấp độ

bóng bề mặt

Đường phân chia Ra, àm Rz, àm

Chiều dài chuẩn l, mm

Hình 2.4: Biểu đồ biên dạng bề mặt kim loại (Với chiều cao được phóng

đại 40 lần chiều ngang)

a)- Vết theo chiều ngang; b)- Vết theo chiều dọc

ắ Đường trung bình của khoảng khảo sát M1 M2 là cơ sở để xác định các thông số hình học bề mặt nó

Đường đỉnh profin A1A2 là đường song song với đừơng trung bình, đi qua đỉnh nhấp nhô cao nhất nằm trong vùng khảo sát l

Đường chân profin B1B2 là đường song song với đường trung bình, đi Khoảng cách từ đường đỉnh profin đến đường chân profin trong vùng khảo sát được gọi là độ cao lớn nhất của nhấp nhô Rmax, và từ đỉnh nhấp nhô đến

đường trung bình.là Rp Giá trị của chúng được xác định từ 5 khoảng khảo sát bề mặt khác nhau:

Rmax = ∑ = ∑5

1 pi P

;R51

ắ Độ lệch trung bình của profin hình học bề mặt – Ra (àm)

Ra = Y( )X dx

l∫10 1

ắ Độ lệch tiêu chuẩn của profin hình học bề mặt – Rq

(RMS: root mean squase)

Rq = Y dx

l∫10 2 1

ắ Độ sai lệch của nhấp nhô bề mặt theo chiều cao được xác định theo 10 điểm Rz (ISO)

H51

Trong đó:

Hmaxi: độ lệch lớn nhất của nhấp nhô bề mặt so với đường trung bình

Hmin i: độ lệch nhỏ nhất của nhấp nhô bề mặt so với đường trung bình

ắ Chiều dài trung bình của nhấp nhô bề mặt tm

• Tm = ∑5

1 5

- ∆lmi: chiều dài mặt cắt của nhấp nhô trên đường trung bình

ắ Bán kính cong trung bình của đỉnh nhấp nhô bề mặt r

(đưa về mô hình đỉnh nhấp nhô dạng chỏm cầu)

c ni ni

h

d.r

,rK

1

Giá trị hi có thể lấy 0,3Ra hay 0,06Rmax

γc, γn: giá trị khuếch đại theo độ cao và phương nằm ngang

ắ Góc nghiêng của nhấp nhô bề mặt so với đường kính trung bình

ϕi được xác định theo công thức

i c

i nx

yγγ

Góc nghiên của nhấp nhô bề mặt so với đường trung bình được tính sau một số hữu hạn n các phép đo:

1 itgn1

ắ Hiện nay để đánh giá các đặc trưng hình học bề mặt trong kỹ thuật

ma sát người ta sử dụng thông số tổ hợp của bề mặt hình học Delta được xác định như sau:

∆ = max1/νb.rR

Trong đó các tham số b và ν của đường đặc tính bề mặt được tính bằng công thức: ν = 2tm

max

R

Rtb,1RR

II.3 Tiếp xúc của bề mặt

ứng suất trong vùng diện tích tiếp xúc phụ thuộc vào 2 dạng tiếp xúc chính của vật rắn đó là tiếp xúc dẻo và tiếp xúc đàn hồi

Lý thuyết biến dạng tại vùng tiếp xúc đàn hồi được xác định dựa vào

các giả thiết sau:

1 Chỗ tiếp xúc ban đầu chỉ là 1 điểm sau đó phát triển thành đường

2 Vùng tiếp xúc phẳng và đồng nhất

3 Trong vùng diện tích tiếp xúc chỉ xảy ra biến dạng đàn hồi

4 Chỉ có lực pháp tuyến trên bề mặt tiếp xúc chung

5 Diện tích tiếp xúc nhỏ so với diện tích bề mặt của vật tiếp xúc

6 Bỏ qua lực ma sát xảy ra trong vùng diện tích tiếp xúc ở thời điểm

tải trọng tác dụng

Diện tích tiếp xúc thông thường là 1

hình elip nhưng trong một số trường hợp đặc

biệt nó có thể là 1 hình tròn hoặc 1 dải được

giới hạn bởi các đường song song Trường

hợp elip phù hợp với tiếp xúc của 2 vật thể

hình cầu hoặc 2 hình trụ giống nhau, với các

trục của chúng vuông góc với nhau

Tiếp xúc cầu Với vùng tiếp xúc được tạo thành bởi 2 vật thể hình trụ có các trục

song song với nhau là 1 dải

Tiếp xúc đường

(Các hình trụ có các trục song song)

Tiếp xúc điểm (Bề mặt của vật thể cong khác nhau)

II.3.1 Tương tác của nhấp nhô bề mặt trong tiếp xúc ma sát

Hai bề mặt nhấp nhô tiếp xúc với nhau dưới tác dụng của tải pháp tuyến, nhấp nhô của các bề mặt đối tiếp có tổng độ cao lớn nhất tham gia vào tiếp xúc đầu tiên, khi tải pháp tuyến tăng lên, các cặp đỉnh nhấp nhô đối ứng có tổng độ cao nhỏ hơn sẽ dần dần tham gia vào tiếp xúc Trong tiếp xúc thứ nhất, bề mặt của các đỉnh nhấp nhô bị biến dạng này là đàn hồi

Hình 2.5: Tương tác của nhấp nhô

bề mặt vật rắn

Khi tải vượt quá giới hạn cho phép, tất yếu biến dạng chuyển sang dẻo hay đúng hơn là đơn dẻo, do vật liệu nền có khuynh hướng làm biến dạng dẻo tại các đỉnh tiếp xúc và chuyển dời về biến dạng đàn hồi

Tải trọng tăng lên làm tăng biến dạng biến dạng đàn hồi của bề mặt nhấp nhô có sóng Những biến dạng đàn hồi của bề mặt có sóng dẫn đến sự tăng của diện tích tiếp xúc và đưa đến tăng số lượng của đỉnh nhấp nhô tham gia chịu tải Cặp đỉnh nhấp nhô cao nhất trong tiếp xúc sẽ bị biến dạng nhiều nhất, ngược lại các cặp đỉnh nhấp nhô có độ cao nhỏ hơn giá trị trung bình, thường không tham gia vào tiếp xúc ngay cả khi tải pháp tuyến lớn

II.3.2 Diện tích tiếp xúc ma sát của bề mặt thực

Đặc điểm nổi bật của quá trình ma sát ngoài là sự rời rạc của các

điểm tiếp xúc thực giữa hai bề mặt Khi tải thay đổi, các thông số tiếp xúc

ma sát thay đổi trong phạm vi rộng Đặc điểm rời rạc của ma sát ngoài được thể hiện ở ba loại diện tích tiếp xúc: diện tích tiếp xúc danh nghĩa A dn, diện tích tiếp xúc vòng A db diện tích tiếp thực A t Hình 3.3 trình bày ba loại diện tích trong tiếp xúc ma sát

Diện tích tiêp xúc danh nghĩa (Adn) là tổng diện tích hình học của các tiếp xúc ma sát thực tế có thể xảy ra, nó phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của vật thể tiếp xúc ma sát Tiếp xúc của bề mặt chi tiết máy, diện tích tiếp xúc danh nghĩa thường bị giảm đáng kể do ảnh hưởng của sóng bề

mặt và sai số hình dạng Sóng của bề mặt hình thành các nhóm vết tiếp xúc rời rạc ở các đỉnh, tổng của các diện tích tiếp xúc này tạo thành diện tích tiếp xúc vòng

Hình 2.6: Diện tích tiếp xúc của bề mặt thực

Diện tích tiếp xúc vòng (Ađb)có thể xác định theo diện tích của bề mặt mà sóng tiếp xúc Các tiếp xúc này bị gián đoạn rõ rệt bởi các nhấp nhô

bề mặt .Khi sử dụng phương pháp đo gần đúng là phương pháp đo vết màu tiếp xúc, kết quả thu được chính là diện tích tiếp xúc vòng Tóm lại diện tích tiếp xúc vòng Ađb là diện tích được hình thành do biến dạng của các thể tích bề mặt cục bộ của vật thể trong tiếp xúc ma sát mà nguyên nhân chủ yếu là do sóng bề mặt Thường Adb = 5 - 15 %Adn, trong trường hợp diện tích tiếp xúc danh nghĩa nhỏ, bỏ qua sóng thì có thể coi Adb = Adn

Diện tích tiêp xúc thực (At)là tổng diện tích tiếp xúc thực tế tế vi của

bề mặt vật thể tiếp xúc ma sát, nó được tạo thành từ các đỉnh nhấp nhô tiếp xúc rời rạc Diện tích tiếp xúc thực thường nằm trong lòng vết tiếp xúc của các bề mặt thực có nhấp nhô Diện tích tiếp xúc thực là nơi xảy ra các tương tác nguyên tử và phân tử của các bề mặt tiếp xúc ma sát Diện tích tiếp xúc thực thường rất nhỏ nó không vượt quá 0,01 đến 0,1% diện tích tiếp xúc danh nghĩa, và rất rời rạc với các tiếp xúc có đường kính từ 3 đến 50àm

II.3.3 Tiếp xúc của các bề mật trong quá trình ma sát

Trong tiếp xúc tĩnh do sự có mặt của lực ma sát nên hình thành vùng tiếp xúc "vùng đình trệ", nó hạn chế biến dạng của các diện tích tiếp thực Ngược lại trong quá trình tiếp xúc ma sát động, diện tích tiếp thực tăng lên

đồng thời biến dạng của lớp bề mặt mỏng cũng diễn ra mạnh hơn Vùng

đình trệ biến mất, thay vào đó là một lớp bề mặt linh động có chất lượng bề mặt thay đổi rõ rệt

Trong quá trình tiếp xúc ma sát, cân bằng động giữa phá hoại và phục hồi các màng oxyt mỏng trên bề mặt là đặc trưng của quá trình ma sát bình thường

II.4 PHâN LOạI CáC DạNG MA SáT

Ma sát được phân loại dưới nhiều dạng khác nhau, chủ yếu được chia

ra theo đối tượng tiếp xúc (ma sát nội, ngoại, vi mô, vĩ ,mô), theo quá

trình (chuyển động, dừng, khởi động, va đập ), theo dạng chuyển động

(trượt, lăn, xoay ) và theo trạng thái chất bôi trơn (rắn, lỏng, khí, Plasma…)

* Phân loại ma sát theo dạng chuyển động

Ma sát trượt: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc khi chuyển

động trượt tương đối (hình 1.1a) mà vận tốc tại điểm tiếp xúc khác nhau về giá trị và cùng phương

Hình 2.7: Phân loại ma sát theo chuyển động

Ma sát lăn: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt có chuyển động lăn tương

đối mà vận tốc tại điểm tiếp xúc cùng giá trị, cùng phương (hình 1.1b)

Ma sát xoay: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc do chuyển động

xoay tương đối giữa 2 vật thể (hình 1.1c)

Ma sát hỗn hợp:: là ma sát xảy ra giữa các bề mặt có tổng hợp của

các dạng ma sát trượt, xoay và lăn

* Phân loại ma sát theo điều kiện bề mặt

Ma sát không có chất bôi trơn: là ma sát của 2 vật rắn trên bề mặt của

chúng không có điều kiện khẳng định rõ ràng sự tồn tại của chất bôi trơn hoặc bất kỳ chất nào Đôi khi còn gọi là ma sát khô

Ma sát giới hạn: là ma sát giữa 2 vật thể rắn có tồn tại giữa liên kết

của chúng 1 lớp chất bôi trơn (cỡ 0,1àm) Nó có tính chất hoàn toàn khác biệt với tính chất của toàn khối bôi trơn

Ma sát ướt: là ma sát giữa 2 bề mặt được phân tách bởi các lớp chất

bôi trơn có chuyển động tương đối với nhau, trong đó các ứng suất tiếp tạo thành lực ma sát

Ma sát nửa ướt: là ma sát có đồng thời cả ma sát ướt và ma sát giới hạn

* Phân loại ma sát theo động lực học tiếp xúc

Ma sát tĩnh: là ma sát xuất hiện giữa 2 bề mặt vật rắn trong trạng thái

dịch chuyển ban đầu, khi đó thông thường lực ma sát sẽ ngăn cản biến dạng của lớp bề mặt

Ma sát động: là ma sát xuất hiện giữa 2 bề mặt vật rắn trong quá

trình có chuyển động tương đối ở vùng tiếp xúc, khi đó lực ma sát động sẽ

có tác dụng thúc đẩy quá trình biến dạng trên lớp bề mặt mỏng và làm tăng diện tích tiếp xúc

* Phân loại ma sát theo điều kiện làm việc

Ma sát bình thường: là quá trình ma sát được đặc trưng bởi sự cân

bằng động giữa phá huỷ & phục hồi lớp màng mỏng có tính bảo vệ trên bề mặt ma sát, mà thông thường là lớp màng oxyt

Ma sát không bình thường: là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc

không bình thường Nó thường được thể hiện ở nhiệt độ của cặp ma sát

II.5 BảN CHấT CủA MA SáT NGOàI

Bản chất của ma sát ngoài là rất phức tạp, là tổng hợp của các quá trình cơ lý hóa được diễn ra đồng thời, nên phải xác định bản chất này một cách rõ ràng và có căn cứ Việc nghiên cứu động học ma sát cũng rất khó khăn vì chỉ có những thể tích rất nhỏ của các lớp bề mặt tham gia vào quá trình ma sát không thể quan sát được trực tiếp

Nắm chắc được bản chất của ma sát ngoài sẽ tạo điều kiện cho việc xây dựng các mô hình nghiên cứu và tính toán về các cặp ma sát

II.5.1 Biến dạng khi ma sát ngoài

Biến dạng là phản ứng chống lại tác dụng của ngoại lực của các vật

thể vật lý Biến dạng là quá trình chủ yếu quyết định sự tiến triển của ma sát ngoài, làm thay đổi diện tích tiếp xúc thực, làm phát triển biến dạng vật lý, gây ra hàng loạt những hiện tương dẫn xuất, có ảnh hởng quyết định đến sự hình thành lực ma sát và sự phá hủy lớp bề mặt gây mòn và hư hỏng Để làm sáng tỏ bản chất của ma sát ngoài, trước hết cần phải nghiên cứu trạng thái biến dạng và ứng suất, quan hệ giữa thành phần dẻo và thành phần đàn hồi với quy luật vận động của chúng

Trạng thái ứng suất - biến dạng khi tiếp xúc tĩnh và khi ma sát động rất khác nhau Khi ma sát ngoài biến dạng suất hiện do kéo hoặc nén cùng với các đặc tính của chúng trong vùng tiếp xúc trực tiếp và vùng chịu ảnh hưởng

Biến dạng bề mặt khi ma sát ngoài là nguyên nhân chính gây ra thành phần lực ma sát cơ học, đó chính là sự cản trở của các lớp về biến dạng trong ma sát trượt Thành phần lực này đựơc tính toán dựa trên tính chất cơ học của lớp bề mặt, hình dạng hình học của các nhấp nhô và điều kiện ứng suất tại vùng tiếp xúc

II.5.2 Bám dính và khuyếch tán khi ma sát

Tương tác vật lý của các bề mặt khi ma sát ngoài được quy định bởi các hiện tượng bám dính và khuyếch tán

Bám dính là sự xuất hiện các liên kết giữa các bề mặt của hai vật thể

khác trạng thái (rắn hoặc lỏng) tiếp xúc nhau tại vùng tiếp xúc thực Trên phần diện tích này có các lực hút phân tử tác dụng với các khoảng cách lớn hơn chục lần khoảng cách giữa các nguyên tử trong các mạng tinh thể và tăng lên theo nhiệt độ Dù có hay không có lớp đệm nhớt (hơi nước, bụi bẩn, chất bôi trơn bám dính) lực phân tử cũng dẫn đến bám dính Sự bám dính này xảy ra giữa kim loại và màng ôxit hoặc có thể do tác động của lực hút tĩnh điện Lực bám dính cũng như lực phân tử tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc thực Một trường hợp riêng của sự bám dính là sự đồng kết, xuất hiện khi có hai vật thể giống nhau tiếp xúc nhau Cơ sở của tương tác bám dính là liên kết Vandecvan

Có hai loại bám dính đó là

- Bám dính tĩnh: sức cản chống tách ly ở trạng thái dịch chuyển ban đầu

- Bám dính động: sức cản chống tách ly ở các giai đoạn chuyển

động khác nhau - phụ thuộc vào tốc độ của quá trình tách ly

Lực bám dính khác lực ma sát ở chỗ, lực bám dính là lực cản chuyển

động tương đối của hai vật thể tiếp xúc nhau theo phương vuông góc với bề mặt tiếp xúc, còn lực ma sát là lực cản chuyển động theo phương tiếp tuyến, tức là lực cản trượt Lực phân tử và lực bám dính lẽ ra sẽ không sinh công khi các bề mặt dịch chuyển, nhưng trên thực tế sự dịch chuyển này sẽ kèm theo biến dạng trượt Do đàn hồi không lý tưởng của vật liệu, cần chi phí năng lượng cho biến dạng không thuận nghịch này Nếu mối liên kết giữa các vật bị phá hủy ở chỗ sâu hơn so với bề mặt thì cần phải đặt lực tiếp tuyến lớn hơn

- Khuyếch tán là quá trình thâm nhập và phân tán các nguyên tử

phân tử, giữa các bề mặt tiếp xúc ma sát (thẩm tán bên trong), nó đóng vai

trò quan trọng trong quá trình ma sát và mòn của kim loại Có nhiều loại cơ chế khuyếch tán khác nhau, nhưng tổng quát thì hệ số khuyếch tán có quan

hệ với nhiệt độ của bề mặt tiếp xúc ma sát

Khả năng xảy ra các quá trình khuyếch tán trong các điều kiện ma sát ngoài khi có biến dạng dẻo và tăng nhiệt độ là tất yếu Hiện tượng tróc khi

ma sát của các kim loại có liên quan tới các quá trình khuyếch tán xuất hiện

do sự hoạt hóa mãnh liệt của các lớp bề mặt kim loại, do tăng mật độ khuyết tật và do sự chuyển khối lượng

II.5.3 Quá trình phá hủy khi ma sát ngoài

Kết quả cuối cùng của mọi quá trình ma sát ngoài đó là sự phá hủy

bề mặt tiếp xúc ma sát với hiện tượng bong tách các phần tử mòn và hoặc làm thay đổi các đặc tính hình học vĩ mô, cấu trúc, tính chất và trạng thái ứng suất của các lớp bề mặt

Trong quá trình ma sát thể tích vật liệu cục bộ nằm ở dưới bề mặt chịu tác động tương hỗ lặp đi lặp lại, gây ra mỏi của lớp bề mặt ma sát và làm tách các phân tử Mặt khác các phân tử tách từ lớp bề mặt không biến ngay thành phân tử mòn, nó chỉ ra khỏi vùng ma sát sau khi bám dính một

số lần nhất định vào các bề mặt ma sát đối diện Các phân tử bong tách này

được gọi là phân tử chuyển dời Khi số lượng các phân tử chuyển dời tăng dần đến khi đạt tới giới giới hạn chuyển dời thì chuyển hóa thành phần tử mòn và đi ra khỏi vùng ma sát Thông thường thể tích phân tử mòn lớn gấp

125 lần thể tích phân tử chuyển rời Màng ôxit và khí hấp thụ trên bề mặt của phân tử chuyển rời và bề mặt ma sát có tác dụng bảo vệ và làm giảm lực bám dính của phân tử chuyển dời

KếT LUậN: Lực ma sát là tổng lực cản trở xuất hiện khi biến dạng của bề mặt ma sát và lực liên kết giữa các phân tử - nguyên tử - trong liên kết bám dính, khuyếch tán, bong tách và chuyển dời

Fms = Pch + FptHiện nay với các bề mặt ma sát có gia công tinh lần cuối thì thành phần cơ học của lực ma sát thường nhỏ và thành phần phân tử có tính chất quyết định Trong những trường hợp nhất định có thể bỏ qua thành phần cơ học (biến dạng) Điều này được thể hiện trong điều kiện ma sát khô thường

có tr−ợt theo kiểu răng c−a với hiện t−ợng rung khi máy móc khởi động, tiếng rít khi phanh, rung động khi cắt gọt kim loại cũng nh− giật khi phanh hãm Trong khí quyển thì màng oxýt nhìn chung có tác dụng giảm lực ma sát hàng trăm lần so với trong chân không

II.6 NHữNG ĐịNH LUậT Cơ BảN Và QUY LUậT THựC NGHIệM

II.6.1 Các định luật cơ bản về ma sát

II.6.1.1 Định luật I

" Công của lực ma sát ngoài bằng tổng nhiệt sinh ra và các năng

l−ợng đ−ợc hấp thụ” (chủ yếu đối với kim loại)

• Năng l−ợng hấp thụ không bao giờ bằng 0 (E = 9 – 16%) Thực tế

∆E là nguyên nhân chính gây ra hiện t−ợng mòn

• Tỷ số giữa năng l−ợng bị hấp thụ và công của ma sát ngoài là một

đại l−ợng thay đổi, phụ thuộc tính chất vật liệu và điều kiện ma sát ngoài

(p,v,c)

fA