Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc tính của ổ đầu to thanh truyền

Từ yêu cầu đó tác giả muốn đi sâu nghiên cứu các ảnh hưởng trong quá trình bôi trơn; sự ma sát, mòn và các ảnh hưởng khác tác động lên hệ thống máy móc làm giảm tuổi thọ nhằm nâng cao nă

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc tính của ổ đầu to thanh truyền” là công trình

nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu sử dụng được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong mục tài liệu tham khảo Kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa từng được công bố ở một công trình nào khác

Tác giả

Lê Ngọc Hùng

Mục lục

Mục lục………

Một số ký tự sử dụng trong luận văn………

Danh mục sơ đồ và hình vẽ………

Trang 1 3 5 Mở đầu……… 8

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN HỆ BIÊN - KHUỶU 1.1 Lịch sử phát triển……… 11

1.2 Bôi trơn thủy động……… 17

1.3 Bôi trơn hệ biên – Khuỷu trong động cơ nhiệt……… 20

1.4 Kết luận chương 1……… 32

Chương 2- LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÔI TRƠN Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN 2.1 Giới thiệu……… 33

2.2 Phương trình Reynolds tổng quát……… 34

2.3 Phương trình chiều dày màng dầu ……… 38

2.4 Phương trình nhiệt trong màng dầu………

2.5 Phương trình nhiệt trong vật rắn………

2.6 Mô hình hóa tính toán bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền cơ

nhiệt có tính đền ảnh hưởng của nhiệt độ lên màng dầu 44 46 52 2.7 Kết luận chương 2……… 59

Chương 3- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM 60 3.1 Giới thiệu ……… 60

3.2 Phương pháp đo nhiệt độ……… 61

3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên bạc động………

3.4 Kết luận chương 3………

65

85

MỘT SỐ KÝ TỰ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

C Nhiệt dung riêng của dầu nhờn

h Chiều dày màng dầu

0

h Chiều dày màng dầu tối thiểu

J Đương lượng nhiệt Joule

 Độ đặc của dầu bôi trơn đầu vào

EHD Elastohydrodynamic

THD ThermoHydrodynamic

TEHD Thermo ElastoHydroDynamic

DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ

1.1

Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của

ηN/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi

không có trợ giúp của bơm ngoài

18

1.4 Sơ đồ khối hệ thống bôi trơn hệ biên khuỷu 22

1.7 Sơ đồ nguyên lý bôi trơn bằng phương pháp vung té dầu 26 1.8 Sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt 28

2.5 Sơ đồ cân bằng lực tác dụng lên thanh truyền 43

2.8 Sơ đồ công suất của một động cơ xăng chạy 6500v/ph 53

3.2 Thiết bị đo sức kéo/nén thanh truyền và vị trí lỗ khoan 62

3.4 Sơ đồ gắn thiết bị đo cảm biến 64

3.7 Diễn biến áp lực tối đa trong chu kỳ động cơ tại 6500 rpm 68

3.8 diễn biến chiều dày tối thiểu màng dầu trong suốt chu kỳ

3.9 Phân bố tổng chiều dày màng trong mặt trung bình của bạc

tại góc quay trục khuỷu 1800

3.13 Phân bố của chuyển vị có biến dạng nhiệt và tổng chiều dày

màng tại góc quay trục khuỷu 1800

3.14 Phân bố của chuyển vị biến dạng nhiệt và tổng chiều dày

màng tại góc quay trục khuỷu 4400

3.15 Tiến triển của nhiệt độ tại bề mặt chuyển tiếp màng- trục và

màng- thanh truyền tại góc quay trục khuỷu 4400 72

3.16 Diễn biến của quỹ đạo tâm hình học của trục nhƣ một hàm

3.17 Diễn biến của tổng tiêu tán trong chu kỳ động cơ với

3.18 Diễn biến hệ số rò rỉ trong chu kỳ động cơ với 6500 rpm 74

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vấn đề nhiệt thủy động THD (ThermoHydrodynamic) đã có nhiều công trình nghiên cứu và công bố, tuy nhiên TEHD (ThermoElastoHydroDynamic) vẫn còn là đề tài mới mẻ, đặc biệt trong ngành cơ khí chế tạo ở nước ta Trong nghiên cứu này, tác giả muốn phát triển nghiên thêm biến dạng đàn hồi (tức TEHD)

Bản thân tác giả hiện đang đảm trách công tác duy tu, bảo dưỡng, khảo sát và lắp đặt sửa chữa thiết bị khai thác dầu khí tại Giàn công nghệ trung tâm số 2 thuộc mỏ Bạch hổ; thuộc Liên doanh dầu khí Việt Nga -

Vietsovpetro, vậy nên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt

độ tới đặc tính của ổ đầu to thanh truyền”

2 Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những vấn đề đặt ra trong hoạt động sản xuất của liên doanh dầu khí Việt Nga Vietsovpetro là làm thế nào để vận hành và bảo dưỡng các thiết bị một cách tối ưu nhất Từ yêu cầu đó tác giả muốn đi sâu nghiên cứu các ảnh hưởng trong quá trình bôi trơn; sự ma sát, mòn và các ảnh hưởng khác tác động lên hệ thống máy móc làm giảm tuổi thọ nhằm nâng cao năng suất làm việc của máy Một trong các yếu tố ảnh hưởng đó, ảnh hưởng của nhiệt độ lên màng dầu bôi trơn trong hệ thống bôi trơn nói chung và cho hệ biên khuỷu nói riêng rất đáng kể Để ứng dụng có hiệu quả kiến thức về bôi trơn, ảnh hưởng nhiệt độ đối với việc thiết kế các cặp đôi ma sát, đòi hỏi chúng

ta phải có thông số kỹ thuật chính xác, những hiểu biết sâu rộng trong lĩnh vực này

Tác giả mong muốn những kết quả nghiên cứu của mình trong đề tài luận văn này sẽ được vận dụng vào thực tế sản xuất, nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị, hạn chế tối đa các sai sót trong chế tạo cũng như trong công tác bảo dưỡng hay các ảnh hưởng khác không tốt từ môi trường tới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

a Đối tượng nghiên cứu

Cụm ổ đầu to thanh truyền trong động cơ nhiệt

b Phạm vi của đề tài

- Tác động của chất lỏng trong tiếp xúc (phương trình Reynolds)

- Cân bằng giữa các lực bên ngoài và tích hợp của các trường áp lực trong màng dầu

- Phương trình chiều dày màng dầu

- Phương trình nhiệt biến dạng cho trục và bạc

- Trường nhiệt độ trong màng dầu và chất rắn

4 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu và phân tích các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ và phân bố chiều dày màng dầu bôi trơn trong ổ đầu to thanh truyền Trên cơ đó xác định các yếu tố ảnh hưởng đến màng dầu bôi trơn, xác định chính xác vị trí nhiệt độ tối đa, chiều dày màng dầu tối thiểu phân bố trong bạc Từ đó làm bước khởi đầu cho việc đi sâu nghiên cứu tiếp theo, nhằm thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh tối ưu nhất một cụm ổ đầu to thanh truyền trong động cơ nhiệt có tốc độ cao

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: đóng góp vào việc nghiên cứu các ảnh hưởng của các trường nhiệt độ và phân bố chiều dày màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong động cơ nhiệt tốc có độ cao

- Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu sẽ là tiền đề cho việc nghiên cứu tiếp theo, để có thể hoàn thiện thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh cụm ổ đầu to thanh truyền làm việc trong động cơ nhiệt có tốc độ cao với tính năng bôi trơn tối ưu nhất, Đối với công việc hiện tại của tác giả; cần nắm vững những tác động của các trường nhiệt độ, trường áp suất trong chế độ bôi trơn

cụm ổ đầu to thanh truyền, cũng như hạn chế các tác hại của những ảnh hưởng

đó tới việc duy tu bảo dưỡng tại Liên doanh dầu khí Vietsovpetro, nâng cao tuổi thọ của máy và hiệu suất trong sản xuất tại đơn vị

6 Phương pháp nghiên cứu và cơ sở tài liệu

Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở:

- Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm các chế độ bôi trơn trong bôi trơn thủy động đàn hồi

- Các tài liệu về thủy động đàn hồi (EHD) và nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD) và các tài liệu liên quan về bôi trơn và ma sát học khác

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm có ba phần: phần mở đầu, phần nội dung, phần kết luận Trong đó phần nội dung gồm ba chương Toàn bộ luận văn được trình bày trong 115 trang, với 52 sơ đồ và hình vẽ

Trong quá trình xây dựng đề tài này, tác giả nhận được sự hướng dẫn tận tình và quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giảng dạy bộ môn Máy và

ma sát học –Viện Cơ khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các bạn đồng nghiệp trong Liên doanh dầu khí Việt Nga –Vietsovpetro

Với kinh nghiệm còn ít, trình độ còn hạn chế và bản đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận được sự quan tâm góp ý của tất cả các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để sau này khi có điều kiện nghiên cứu sâu hơn tác giả có thể giải quyết tốt và hoàn thiện hơn

Đề tài được hoàn thành tại bộ môn máy và ma sát học, Viện Cơ khí

trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Thị Thanh Hải Nhân dịp này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành cảm ơn tới TS Trần Thị Thanh Hải người đã cung cấp tài liệu và

hướng dẫn phương pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài, cùng các thầy cô và các bạn đồng nghiệp về sự giúp đỡ quí báu đó

TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN HỆ BIÊN – KHUỶU

1.1 Lịch sử phát triển về bôi trơn

Thực ra, con người đã biết ứng dụng các kiến thức về bôi trơn vào cuộc sống từ rất lâu Con tàu và bánh xe đã được sử dụng khoảng 3500 năm trước công nguyên nhằm giảm ma sát trong vận chuyển Người cổ đại Ai cập biết sử dụng nước để bôi trơn các xe trượt dùng vận chuyển các bức tượng nặng vào năm 1880 trước công nguyên Trong một số ngôi mộ cổ ở Ai cập còn để lại các dấu tích, con người đã biết dùng mỡ động vật làm chất bôi trơn trong các ổ bánh xe

Thời đại đế Chế La Mã, các kỹ sư quân đội thiết kế và chế tạo các máy móc phục vụ chiến tranh và các phương pháp phòng thủ đều quan tâm đến việc ứng dụng các kiến thức bôi trơn Leonardo Da Vanci (1452-1519) là nhà khoa học đầu tiên đã rút ra một giả thiết khoa học quan trọng về ma sát

đó là tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến Do phát minh của ông chưa có tác động đến lịch sử nên cuốn sách viết về phát minh này của ông đã không được xuất bản trong vài trăm năm Đến năm 1669, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amontons đã công bố định luật ma sát sau khi nghiên cứu hiện tượng khô giữa hai bề mặt phẳng Thứ nhất, lực ma sát cản trở sự trượt trên bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến Thứ hai, độ lớn của lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa Các quan sát này đã được nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm nghiệm và bổ sung thêm định luật thứ ba, đó là lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc và phân biệt rõ ma sát tĩnh và động

Sự phát triển của bôi trơn xảy ra mạnh mẽ vào những năm 1500, đặc biệt là các phát minh vật liệu chế tạo ổ Năm 1684, Robert Hooke [14] đã khám phá ra sự kết hợp giữa trục thép và vòng kim loại tốt hơn trục gỗ và

vòng gang trong ổ bánh xe Sự phát triển tiếp theo của Tribology gắn liền với

sự phát triển của công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 và sự lớn mạnh của công nghiệp khai thác dầu ở Anh, Mỹ, Cannada Vào năm 1668, Isaac Newton đã phát hiện ra các định luật về dòng chất lỏng nhớt, nhưng mãi đến cuối thế kỷ

19 người ta mới hiểu rõ bản chất khoa học của vấn đề ổ lăn Nguyên tắc bôi trơn thủy động được Beauchamp Tower nghiên cứu thực nghiệm vào năm

1884 và được Osborne Reynolds chứng minh về mặt lý thuyết vào năm 1886 đáp ứng yêu cầu về thiết kế ổ có độ tin cậy cao trong máy móc hiện đại

Công nghiệp phát triển với tốc độ ngày càng cao đã đẩy nhanh tốc

độ nghiên cứu và ứng dụng về ma sát và bôi trơn Vấn đề được đặt ra đầy đủ hơn trong công trình của Charles Augustin Coulomb (1736-1806): ma sát học

đã kể đến đến tính chất vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng, đặc tính tĩnh và động các cặp ma sát Từ đó ma sát học ngày càng được nghiên cứu rộng và sâu hơn; có thể kể đến các công trình của G.A Hirn (1815-1890), N.P.Petrov (1826-1920), B.Tower (1845-1904) v.v…Trong lĩnh vực bôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật là các công trình về việc mô hình hóa các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stockes, hình thành phương trình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H.Navier (1785-1836), luật chảy của J.M.Poiseuille (1799-1869).Và đặc biệt là phương trình tổng quát nổi tiếng trong bôi trơn thủy động được công bố năm 1886 bởi Osborne Reynolds (1842-1912)

Phương trình Reynolds đánh dấu bước phát triển nhảy vọt và nó là nền móng trong mọi nghiên cứu về bôi trơn cho đến hiện nay Xuất phát từ phương trình Navier-Stockes và với giả thiết về dòng chảy của màng dầu bôi trơn, dạng quen biết của nó là:

Lý thuyết của Reynolds đã được sử dụng rộng rãi bắt đầu từ thế

kỷ 20 trong việc nghiên cứu các cơ hệ bôi trơn: các hệ thống ổ thủy động, bôi trơn thủy động đàn hồi, bôi trơn với các chế độ dòng chảy và vật liệu khác nhau Hơn nữa nó còn thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật bôi trơn như hóa học, gia công cơ khí, phương pháp tính toán

Quá trình nghiên cứu từ thế kỷ 20

Nghiên cứu về ma sát học (Tribology) là khoa học nhóm lại đồng thời các yếu tố của ba lĩnh vực khoa học: Bôi trơn, ma sát và mài mòn Thực chất nó là nội dung nghiên cứu về các thành phần “sống”, tức là các bộ phận tiếp xúc có chuyển động trong các máy móc và thiết bị công nghiệp

Kỹ thuật bôi trơn như một ngành đầu tiên được nghiên cứu rất mạnh mẽ trong khoa học về ma sát học.Trước hết là các công trình về phương pháp giải phương trình Reynolds Năm 1905, A.G Michell (1870-1959) đã chỉ ra được sự giảm áp suất ở phần biên của màng dầu bôi trơn giữa hai tấm phẳng kích thước hữu hạn Vào năm 1904 J.W Sommerfield A(1868-1951) [10] đưa ra phương pháp giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên mang tên ông Tuy nhiên do chưa có tính đến sự gián đoạn của màng dầu nên

áp suất ở vùng ra của màng dầu không thực tế (áp suất âm) Năm 1914 L.F.Gumbel (1874-1932) đã đề nghị bỏ qua miền áp suất âm ở trên khi tính ổ Sau đó, năm 1923 H.B.Swift (1894-1960) đã xác định có vùng áp suất bão hòa của màng dầu và định ra điều kiện biên của Reynolds Đó chính là cơ sở cho thuật toán giải số của Christopherson có từ năm 1941

Bằng phương pháp tương tự đến năm 1931, A kingsbury 1943) đã trình bày phương pháp giải gần đúng phương trình Reynolds Đối với ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải pháp bỏ qua gradien áp suất theo chu vi của F.W Ocvirk (1913-1967) đã được đề ra năm 1953 Cuối cùng, giải pháp tổng quát và trọn vẹn phương trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm

(1863-riêng sử dụng phương pháp số, các phương pháp đầu tiên đã được trình bày bởi Cameron và Wood năm 1949 rồi đến Pincus, Raimondi và Boyd năm

1958 Đến nay, nhờ vào sự phát triển phi thường các công cụ tính toán nên các lời giải cho các kết cấu bôi trơn đã được giải quyết nhanh chóng

Các hiệu ứng khác trong bôi trơn cũng được nghiên cứu cụ thể Mặc dù hiệu ứng nhiệt được Kingsbury đề cấp năm 1933, nhưng phải đến năm 1962 phương trình tổng quát nhiệt thủy động mới được viết ra lần đầu bởi D Dowson [19] Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất cả các trường hợp đến nay vẫn còn nhiều nội dung cần giải quyết

Việc sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trượt trong bôi trơn thủy động sinh ra hiệu ứng làm thay đổi chế độ chảy của màng dầu Các phân tích đầu tiên về bôi trơn với dòng chảy xoắn và rối thuộc về nghiên cứu của G.I Taylor năm 1923 Công thức tính đến lực quán tính của màng dầu ở đây được trình bày bởi Slezkin và Targ năm 1946 và của Wilcok năm 1950 Trong bôi trơn lưu biến động, tính chất chảy của loại vật liệu này

đã được đặc trưng của Bingham từ đầu thế kỷ, những ứng dụng trong bôi trơn được ghi nhận trong các công trình của R.Powell và H.Eyring năm 1944 và A.Sisko năm 1958 Có rất nhiều công trình nghiên cứu về hiệu ứng trên chế

độ chảy của màng dầu trong bôi trơn; nhưng do phương trình mô tả dạng phi tuyến, nên việc xem xét cơ hệ bôi trơn ở đây vẫn luôn là vấn đề thời sự

Một dạng bôi trơn với các đặc tính đặc biệt là bôi trơn thủy tĩnh và khí tĩnh, các bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời, ngay ở trạng thái tĩnh, bởi màng chất lỏng có áp suất cao Nó cho phép tăng độ chính xác và tin cậy của thiết bị Năm 1917, L.Rayligh đã gới thiệu các tính toán đầu tiên về khả năng tải và mô men ma sát của một ổ trục bôi trơn thủy tĩnh Tuy dạng bôi trơn này yêu cầu một phức hợp thiết bị thủy lực kèm theo, nhưng nó ngày càng ứng dụng phổ biến, đặc biệt với các ổ trục chịu tải lớn đòi hỏi độ chính xác cao

Trong trường hợp màng dầu bôi trơn có áp suất đủ lớn gây ra sự biến dạng các bề mặt ma sát, người ta có dạng bôi trơn thủy động đàn hồi Ví

dụ trong bôi trơn ổ lăn, ổ chiụ tải lớn hay cặp bánh răng Cơ sở nghiên cứu trong trường hợp này là lý thuyết của H.R.Hertz (1857-1894) với tiếp xúc chưa có chất bôi trơn và mô hình hóa dòng chảy trong tiếp xúc hẹp của Martin 1916 Nó được bổ sung bằng tính toán của Gatcobe và của Grubin năm 1946 Cũng nhờ vào phương tiện tính toán số, song đây là dạng bôi trơn phức tạp, nên hiện nay còn tồn tại sự sai khác giữa lý thuyết và thực tế; và cơ

sở của dạng bôi trơn này vẫn là mục đích của hàng loạt nghiên cứu

Nhằm tổng quát hóa các nội dung nghiên cứu về bôi trơn, mới đây năm 1970, các kết quả nghiên cứu của M.Godet và cộng sự tại INSA Lyon (Pháp) với mô hình ba vật thể (Trois corps) đặc trưng cho hai bề mặt ma sát, việc xác định các đặc tính của lớp vật liệu đó cho phép xác định đầy đủ hơn các thông số của toàn bộ vùng tiếp xúc

Để đi sâu nghiên cứu về lĩnh vực các ảnh hưởng chế độ bôi trơn các nhà nghiên cứu đã đưa ra một số giải pháp tính toán như:[4] Downson và Higginson (1961) đã đạt được giải pháp số đẳng nhiệt dầu bôi trơn thủy động đàn hồi của tiếp xúc đường bởi giải phương trình Reynolds tương ứng và phương trình đàn hồi Phương pháp trực tiếp (Hamrock và Downson 1976), phương pháp Newton-Raphson (Okamura 1982) và phương pháp lưới (Lubrecht 1986) Phương pháp Newton-Raphson gần đây đã trở thành rất thông dụng, nó đã được cải thiện rất thành công bởi Houper và Hamrock (1986) Họ đã phát triển một thuật toán đưa giải pháp hội tụ thậm chí dưới tải trọng cực kỳ nặng (tới 4.8Gpa) Chang và một số cộng sự khác (1989) phối hợp phương pháp Newton-Raphson và phương pháp sử dụng nút lưới vào một môi trường làm việc

Sterlich (1961) một trong những người đầu tiên đã nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ trong tiếp xúc tải trọng động đàn hồi (EHL) Cheng và Sternlich (1965) đã đạt được giải pháp số của mô hình nhiệt tải trọng động EHL Murch và Wilson (1975) đã trình bày có một ảnh hưởng rất đáng kể của nhiệt độ lên bề dày màng tối thiểu, đặc biệt ở tốc độ quay cao Ghoh và Hamrock (1985) đã đặt cơ sở mô hình tải trọng động đàn hồi, ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt độ lên chiều dày tối thiểu màng dầu Gần đây, Sadeghi (1990) đã trình bày một giải pháp số đầy đủ của nhiệt tải trọng động EHL tiếp xúc khi quay-trượt Ông đã báo cáo về ảnh hưởng đáng kể của nhiệt lên chiều dày màng bôi trơn Wolff (1991-1992) đặt cơ sở mô hình nhiệt tải trọng động nhận được hình dạng chêm vát của màng dầu dưới điều kiện vận tốc quay cao và trượt (s=1.9) Tất cả những trình bày rõ ràng như vậy nên ảnh hưởng của nhiệt độ trong dầu bôi trơn thủy động và thủy động đàn hồi EHD

là rất quan trọng và chúng không thể bỏ qua Từ đó vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên màng dầu bôi trơn trong các cơ cấu chuyển động đã

mở ra một chương mới và luôn luôn được cập nhật với các nghiên cứu chuyên sâu Đặc biệt tháng 6 năm 2007 TS Trần thị Thanh Hải trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam, cùng Các GS Bonneau, Zeghlou [3] đã thực hiện thực nghiệm mô tả sự tương tác khác nhau giữa ổ đầu to thanh truyền, sử dụng vật liệu quang đàn hồi để xác định sơ đồ áp suất, tải trọng và

đo chiều dày màng dầu cùng sự gián đoạn của chuyển vị khi mở và trượt trong bề mặt đối tiếp giữa thân và nắp bạc của bạc ổ đầu to thanh truyền Phân tích ảnh hưởng của tốc độ quay và cường độ sức căng ban đầu bulon nối hai nắp bạc với góc quay trục khuỷu khác nhau Để đi sâu nghiên cứu chế

độ bôi trơn cho một ổ đầu to thanh truyền, chi tiết mà thường hoạt động trong môi trường bôi trơn thủy động, sau đây ta đi nghiên cứu phương pháp bôi trơn dạng này

1.2 Bôi trơn thủy động

1.2.1 Khái niệm về bôi trơn thủy động

Bôi trơn thuỷ động đôi khi gọi là bôi trơn màng chất lỏng Bôi trơn thuỷ động thường được thực hiện ở vận tốc cao, sử dụng chất bôi trơn có

độ nhớt lớn để tạo nên khả năng chịu tải cao của trục và ổ Màng chất lỏng này có thể được tạo nên do chuyển động tịnh tiến khứ hồi hoặc dao động theo hướng vuông góc với nhau với biên độ thay đổi hoặc không đổi Cơ chế chịu tải này dựa vào hiện tượng chất lỏng nhớt không thể trào ra ngoài ngay tức khắc khi hai bề mặt tiến lại gần nhau Chất lỏng này cần một khoảng thời gian nhất định để các bề mặt tiếp xúc với nhau, tuy nhiên do sức cản nén của chất lỏng, áp suất tạo nên trong lòng chất lỏng sẽ đủ để đỡ tải trọng Khi bỏ tải hoặc khi hai bề mặt tách xa nhau, chất lỏng bị hút vào và tạo nên lớp màng chất lỏng cho chu kỳ chịu tải tiếp theo Hiệu ứng màng ép được ứng dụng để giảm ma sát ở chỗ tiếp xúc

Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tưởng để tạo nên lớp màng bôi trơn dày khoảng (5 μm ÷ 500 μm) cao hơn chiều cao nhấp nhô của bề mặt ổ, loại trừ tiếp xúc trực tiếp tại đỉnh các nhấp nhô Hệ số ma sát giữa hai bề mặt có thể giảm đến 0,001 Ma sát tăng khi tăng vận tốc trượt do sức cản nhớt tăng

Trong bôi trơn thuỷ động, mòn do dính không xảy ra trong quá trình khởi động và tắt máy Tuy nhiên mòn hoá học có thể xảy ra do tương tác của bề mặt vật rắn với chất bôi trơn Để giảm mòn hoá học người ta tạo ra trên bề mặt tiếp xúc một lớp màng trơn

Tóm lại bôi trơn thủy động là chế độ bôi trơn mà dầu được rút vào giữa hai bề mặt và chảy thành lớp, bề dày lớp dầu lớn hơn độ lồi lõm của các

bề mặt Chế độ bôi trơn này là hiệu quả nhất vì giảm tối đa ma sát giữa hai bề

mặt kim loại, chỉ còn ma sát nhớt của các lớp dầu Máy móc trong các điều kiện làm việc bình thường được tính toán để bôi trơn ở chế độ này

Hình 1-1: Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của

ηN/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi không có trợ giúp của

bơm ngoài

1.2.2 Phân nhóm ổ làm việc trong chế độ bôi trơn thủy động

Trên cơ sở thực nghiệm và sử dụng trong thực tế, có thể phân ổ trượt ra thành 2 nhóm chính sau:

-Nhóm thứ nhất (I) bao gồm các ổ bôi trơn cục bộ, hoặc không được bôi trơn

-Nhóm thứ hai (II) bao gồm các lại ổ làm việc ở chế độ bôi trơn ướt hoặc nửa ướt

Các ổ nhóm thứ nhất thường có dạng bề mặt phức tạp, dầu bôi trơn được cấp dưới dạng bề mặt phức tạp, dầu bôi trơn được cấp dưới hình thức rãnh dầu hoặc túi dầu.Việc bôi trơn ổ được thực hiện theo chu kỳ hoặc liên tục từ các nguồn dầu hay túi dầu Trong trường hợp đặc biệt, dầu bôi trơn được cấp do một nguồn tập trung có áp lực

Các nhóm ổ thứ hai, thường có độ nhẵn bề mặt cao Để giữ được khả năng tải của màng dầu, kết cấu ổ đơn giản, nhưng kết cấu hệ bôi trơn lại phức tạp hơn Theo chế độ áp lực, chúng phải đảm bảo bôi trơn ướt và khả năng truyền nhiệt tốt Dựa vào chế độ làm việc, người ta còn phân mỗi nhóm thành các nhóm nhỏ hoặc cụm nhỏ

Các ổ làm việc ở chế độ không có bôi trơn hoặc bôi trơn theo chu

kỳ với khối lượng nhỏ (tức là ở chế độ ma sát khô hoặc hạn chế) thuộc vào nhóm (I-1) Phần lớn loại ổ này ở dạng liền hoặc giống như ống đỡ Vật liệu cho nhóm ổ này là gang hoặc đồng thanh Chúng được sử dụng khi vận tốc nhỏ và áp lực riêng không lớn Thí dụ: trục tay quay, trục máy công tác công suất nhỏ

Các ổ thuộc nhóm (I-2) là những ổ được bôi trơn liên tục bằng

mỡ, bằng phớt dầu, đệm dầu Chúng là loại ổ dễ tháo được Người ta thường

sử dụng trong các thiết bị rèn, dập, đúc, cán…

Các ổ thuộc nhóm (I-3) là những ổ làm việc ở chế độ bôi trơn thủy động Chúng chịu tải nặng, vừa với trục có vận tốc nhỏ, thay đổi Người ta sử dụng chúng trong động cơ và hộp tốc độ

Những ổ nhóm (I-1) là ổ thủy động, chịu tải nhẹ và vận tốc trượt lớn, chúng thường được dùng trong các turbin hơi nước, khí và bơm ly tâm

Các ổ thuộc nhóm (II-2) là những ổ làm việc ở chế độ bôi trơn

P 2 = 0

P 1 = 0

X

B

thủy động, chúng chịu tải trọng nặng, vừa với trục có vận tốc nhỏ người ta thường sử dụng cho máy làm việc ở chế độ nặng

1.3 Bôi trơn hệ biên - khuỷu trong động cơ nhiệt

1.3.1 Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn trong động cơ nhiệt nói chung và trong hệ biên– khuỷu nói riêng có nhiệm vụ đưa dầu nhờn đến bôi trơn các bề mặt ma sát Lọc sạch các chất cặn bẩn trong dầu nhờn khi dầu nhờn tẩy rửa các bề mặt

ma sát này Ngoài ra, hệ thống bôi trơn còn có nhiệm vụ làm mát dầu nhờn để đảm bảo các tính năng lý - hoá của chúng trong giới hạn cho phép, đảm bảo việc bôi trơn có hiệu quả

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức

1.Các te dầu; 2 Phao hút dầu; 3 Bơm bánh răng; 4 Van an toàn; 5 Bầu lọc dầu; 6 Van an toàn; 7 Két làm mát; 8 Đồng hồ báo áp suất;

9 Đường dầu chính; 10 Bôi trơn trục khuỷu; 11 Bôi trơn trục cam

Hệ thống bôi trơn sử dụng trên các loại động cơ nhiệt đều sử dụng dầu nhờn để làm tiêu hao công suất do ma sát gây ra tại ổ trục, hệ biên – khuỷu và một số bề mặt chuyển động khác Đưa nhiệt lượng do ma sát sinh ra

ra ngoài, thải vào môi trường xung quanh, nhờ đó làm giảm được lượng mài mòn của các chi tiết máy, bảo vệ các chi tiết máy trong động cơ không bị gỉ Sau đây ta xem xét sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức điển hình thường được

sử dụng trong các động cơ nhiệt

Hệ thống bôi trơn trong hệ biên – khuỷu động cơ nhiệt có ba nhiệm vụ chính sau đây:

 Bôi trơn các bề mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát

Hệ thống bôi trơn của các loại động cơ nhiệt đều dùng dầu nhờn đệm vào giữa các bề mặt chuyển động tương đối với nhau, nhằm mục đích ngăn cản hoặc giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt ma sát (giữa bạc và ngõng trục, giữa bạc và ắc piston ) Tuỳ theo chất và lượng của lớp dầu bôi trơn

mà ma sát trượt được chia làm ba loại: ma sát khô (không có dầu), ma sát ướt (luôn luôn có dầu ngăn cách hai bề mặt ma sát), ma sát tới hạn (nửa khô, nửa ướt)

có nhiệt hoá hơi khoảng 4070 Kcal/kg Trong khi đó nhiệt độ hoá hơi của nước là 590 Kcal/kg, khả năng dẫn nhiệt của dầu nhờn cũng rất nhỏ: 0,0005 cal/ 0C.g.s, của nước là 0,0015 cal/0C.g.s nghĩa là khả năng thu thoát nhiệt của dầu nhờn rất thấp so với nước Thế nhưng, nước không thể thay thế được chức năng của dầu nhờn, do còn phụ thuộc vào một số đặc tính lý hoá khác

Vì lý do đó, để dầu nhờn phát huy được tác dụng làm mát các mặt

ma sát Đòi hỏi bơm dầu nhờn của hệ thống bôi trơn phải cung cấp cho các bề mặt ma sát một lượng dầu đủ lớn

 Tẩy rửa bề mặt ma sát

Khi hai chi tiết kim loại ma sát với nhau, các mạt kim loại sẽ sinh

ra trên các bề mặt ma sát, làm tăng mài mòn Nhưng nhờ có lưu lượng dầu đi qua bề mặt ma sát đó, các mạt kim loại và cặn bẩn ở trên bề mặt được dầu mang đi, làm cho bề mặt sạch, giảm lượng mài mòn

1.3.2 Các cơ cấu bôi trơn trong hệ biên - khuỷu

Hệ thống bôi trơn gồm có: bơm dầu, lọc dầu, cácte dầu và đường ống dẫn dầu, két làm mát dầu, van an toàn Dầu từ cácte được hút bằng bơm qua bầu lọc vào đường dầu dọc trong thân máy vào trục khuỷu lên trục cam,

từ trục khuỷu tiếp theo dầu vào các bạc thanh truyền theo lỗ phun lên vách xi lanh, từ trục cam vào các bạc trục cam rồi theo các đường dẫn tự chảy xuống các te.(hình 1.4)

6

5 7

12

11

9 10

1 2

3 13

4 8

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống bôi trơn hệ biên khuỷu

1 - Phao hút; 2- Cácte; 3- Bơm dầu; 4- Van an toàn; 5- Trục cân bằng; 6- Trục khuỷu; 7- Đường dầu chính; 8- Trục tuabin; 9- Trục cam;10- Đường dầu lên chốt pittông; 11- Đồng hồ áp suất; 12- Két làm mát; 13- Lọc dầu

1.3.3 Bôi trơn trục khuỷu

Trục khuỷu của động cơ nhiệt thường được đúc liền một khối bằng thép hợp kim bao gồm các cổ khuỷu và các chốt khuỷu Bên trong trục khuỷu có khoan các đường đầu để bôi trơn bề mặt ma sát như chốt khuỷu, má khuỷu Đầu trục khuỷu có phay hai rãnh then để lắp bánh răng dẫn động bơm cao áp, puly dẫn động bơm nước và máy phát Bánh đà được lắp ở đuôi trục khuỷu bằng các bulông Dầu từ đường dầu chính trong thân máy đi đến các cổ trục khuỷu đến bôi trơn cổ trục, trong trục khuỷu có khoan các lỗ dẫn dầu lên bôi trơn chốt khuỷu (hình 1.5)

Hình 1.5 Kết cấu trục khuỷu và các lỗ dẫn dầu

1 - Puly; 2 - Bánh răng; 3 - Cổ trục khuỷu; 4 - Chốt khuỷu;

5 - Má khuỷu; 6 - Bánh đà

1.3.4 Bôi trơn nhóm piston –thanh truyền

Pittông thường được đúc bằng hợp kim nhôm, do đó khối lượng của pittông tương đối nhẹ Trên pittông có 3 rãnh để lắp xécmăng, vì tốc độ động cơ cao nên chỉ cần hai xécmăng khí để làm kín và một xécmăng dầu Chân pittông có vành đai để tăng độ cứng vững cho pittông khi làm việc Để bôi trơn bạc đầu nhỏ thanh truyền và bề mặt làm việc của xylanh - pittông đầu to thanh truyền có khoan một lỗ để phun dầu lên thành xylanh (hình 1.5)

7 6

5

4 3

2

1

Hình 1.6 Bôi trơn nhóm pittông -thanh truyền

1- Xécmăng khí; 2 - Pittông; 3- Chốt pittông; 4- Xécmăng dầu;

5- Đầu nhỏ; 6- Bulông; 7- Nắp đầu to

1.3.5 Các phương pháp bôi trơn trong động cơ nhiệt

Trong động cơ nhiệt, có nhiều bề mặt chuyển động tương đối với nhau tạo thành từng cặp như trục khuỷu - đầu to thanh truyền, chốt pittông - đầu nhỏ thanh truyền, pittông-xylanh v.v…

Kết cấu các cặp chi tiết, số lượng, cách bố trí trong mỗi động cơ khác nhau Do vậy, để cung cấp đủ dầu nhờn một cách liên tục đến các bề

cơ, ta có thể lựa chọn những phương án bôi trơn, cách bố trí hệ thống bôi trơn khác nhau

Lựa chọn phương án bôi trơn cho các cụm chi tiết nào là phải dựa vào tính năng tốc độ, công suất, mức phụ tải tác dụng lên ổ trục, công dụng của động cơ Mỗi phương án bôi trơn đều có ưu, nhược điểm riêng nên ta phải dựa vào các yêu cầu cụ thể và điều kiện làm việc của động cơ mà lựa chọn cho hợp lý

1.3.5.1 Bôi trơn bằng phương pháp vung té dầu

Nguyên lý làm việc

Dầu nhờn được chứa trong cácte Khi động cơ làm việc nhờ vào thìa múc dầu lắp trên đầu to thanh truyền, dầu được múc và tung lên lúc thanh truyền dao động lắc Nếu như mức dầu trong cácte bố trí xa thìa múc thì có thêm bơm dầu có kết cấu đơn giản để bơm dầu lên máng phụ 6 (hình 1.7), sau đó dầu nhờn được hắt tung lên Cứ mỗi vòng quay của trục khuỷu, thìa múc hắt dầu lên một lần Các hạt dầu vung té ra bên trong không gian cácte sẽ rơi tự do xuống các bề mặt ma sát của cổ trục Để đảm bảo cho các ổ trục không bị thiếu dầu, trên các vách ngăn trên ổ trục thường có các vách ngăn hứng dầu khi dầu tung lên

Phương pháp bôi trơn này đơn giản nhưng hiệu quả kém, dầu chóng bị hoá già Do đó ít dùng, chỉ dùng trên động cơ nhỏ kiểu cũ (hình1.7)

2 4

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý bôi trơn bằng phương pháp vung té dầu

a- Bôi trơn vung té trong động cơ nằm; b- Bôi trơn vung té trong động cơ

đứng; c- Bôi trơn vung té có bơm dầu đơn giản

1- Cácte; 2 - Bulông thanh truyền; 3 - Thanh truyền; 4 - Thìa múc dầu;

5 - Bánh lệch tâm; 6 - Máng dầu phụ; 7 - Điểm tựa;

1.3.5.2 Bôi trơn bằng phương pháp cưỡng bức

Trong các động cơ nhiệt nói chung và động cơ ôtô nói riêng hiện nay đều dùng phương án bôi trơn cưỡng bức Dầu nhờn trong hệ thống bôi trơn, từ nơi chứa dầu được bơm đẩy đến các bề mặt ma sát dưới một áp suất cần thiết nhất định, gần như đảm bảo các yêu cầu về bôi trơn làm mát và tẩy rửa các bề mặt ma sát ổ trục của hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn cưỡng bức gồm các thiết bị sau: thùng chứa dầu hoặc cácte, bơm dầu, bầu lọc thô, bầu lọc tinh, két làm mát dầu nhờn, các đường ống dẫn dầu, đồng hồ báo áp suất, nhiệt độ dầu, ngoài ra còn có các van Tuỳ theo vị trí chứa dầu và đưa dầu đi bôi trơn, người ta chia hệ thống bôi trơn cưỡng bức làm hai loại: hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt và hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte khô

a Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt

Chú ý rằng lọc tinh có thể lắp gần hoặc lắp xa lọc thô nhưng bao giờ cũng lắp theo mạch rẽ so với lọc thô

Khi nhiệt độ của dầu bôi trơn lên quá 800C, do độ nhớt của dầu giảm sút, van hàn nhiệt 7 sẽ mở để dầu nhờn đi qua két làm mát 6 Van một chiều 12, 14 có tác dụng như những van an toàn sẽ mở khi hệ thống làm việc quá tải

Ngoài việc bôi trơn các bộ phận trên, để bôi trơn các bề mặt làm việc của xylanh - pittông Người ta kết hợp tận dụng dầu văng ra khỏi ổ đầu

to thanh truyền Trong một số ít động cơ, trên đầu to thanh truyền có khoan một lỗ nhỏ để phun dầu về phía trục cam và xylanh

Với sơ đồ nguyên lý làm việc như trên, hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt có những ưu, nhược điểm sau:

* Ưu điểm:

Cung cấp lượng dầu bôi trơn khá đầy đủ cả về số lượng lẫn chất lượng, độ tin cậy làm việc của hệ thống tương đối cao

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt

1- Đồng hồ áp suất; 2- Đường dầu chính; 3- Đường dầu lên chốt khuỷu; 4- Trục khuỷu; 5- Bầu lọc tinh; 6- Két làm mát dầu nhờn; 7- Van nhiệt độ; 8- Đồng hồ đo nhiệt độ dầu; 9- Cácte; 10- Phao hút dầu; 11- Bơm dầu; 12- Van an toàn của bơm; 13- Bầu lọc thô; 14- Van an toàn của hệ thống bôi

trơn

* Nhược điểm:

Do chứa dầu trong cácte và phao hút lấp lửng, hơn nữa diện tích mặt thoáng lớn lại khó bố trí chiều cao tầng dầu nên khi động cơ làm việc ở những độ nghiêng lớn, dầu sẽ dồn về một phía Như vậy, lượng dầu cung cấp sẽ không đảm bảo đúng yêu cầu

5

12

Phạm vi sử dụng: được sử dụng rộng rãi trên những ôtô làm việc ở địa hình tương đối bằng phẳng

b Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte khô

Nguyên lý làm việc

Chỉ khác hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt là trong hệ thống bôi trơn này có thêm hai bơm hút dầu từ cácte về thùng chứa Sau đó, hai bơm dầu này sẽ chuyển dầu đi bôi trơn Trong hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt, cácte chứa dầu bôi trơn còn ở đây là thùng chứa

* Ưu điểm:

Cácte chỉ hứng và chứa dầu tạm thời, còn thùng dầu mới là nơi chứa dầu để đi bôi trơn nên động cơ có thể làm việc ở độ nghiêng lớn mà không sợ thiếu dầu Dầu được cung cấp liên tục và đầy đủ

* Nhược điểm:

Kết cấu phức tạp hơn, giá thành tăng lên do phải bố trí thêm hai bơm để hút dầu đi qua thùng Phải thêm đường dầu và bố trí thùng chứa dầu cho hợp lý

* Phạm vi sử dụng:

Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte khô thường được sử dụng trên các loại động cơ diesel dùng trên xe ủi, máy kéo, tàu thuỷ v.v…

1.3.5.3 Bôi trơn bằng phương pháp hỗn hợp

Trên thực tế, đại đa số động cơ dùng kiểu bôi trơn này Tức là kiểu bôi trơn vừa cưỡng bức vừa vung té Trong đó thường bôi trơn các loại ổ trục bằng phương pháp cưỡng bức, còn bôi trơn các bề mặt rộng (như thành xylanh) hoặc các bề mặt ma sát nhỏ nhưng bố trí rải rác (như dàn cò mổ) dùng phương pháp vung té Nhiều động cơ sử dụng phương án bôi trơn đầu nhỏ thanh truyền, ổ trục cam cũng dùng phương pháp vung té dầu từ đầu to thanh truyền Sở dĩ phải

làm như vậy vì kiểu bôi trơn cưỡng bức hoàn toàn sẽ rất phức tạp Mặc dù nó có

ưu điểm nổi bật là đảm bảo tốt chế độ bôi trơn các bề mặt ma sát

Để làm giảm sự sủi bọt (làm tăng sự ôxy hoá của dầu) ở nhiều động

cơ, đáy cácte được ngăn cách với phần trên bởi lưới lọc hoặc một tấm thép có

lỗ Phía dưới có hàn các tấm dùng để giữ cho dầu khỏi chảy về một phía (khi hãm máy hoặc lấy đà)

1.3.5.4 Bôi trơn bằng phương pháp pha dầu nhờn vào nhiên liệu

Loại bôi trơn này dùng trong động cơ xăng hai kỳ cỡ nhỏ quét khí bằng hộp trục khuỷu - cácte Nghĩa là hộp trục khuỷu - cácte là một khối kín đóng vai trò như một máy nén khí để quét khí cho xylanh theo kiểu quét ngang

Dầu nhờn được pha vào xăng với tỷ lệ thể tích (4÷5%) Hỗn hợp dầu nhờn, nhiên liệu nhờ bộ chế hoà khí được xé thành các hạt nhỏ trộn với không khí tạo thành khí nạp và được nạp vào cácte Tại đây các hạt dầu sẽ ngưng tụ bám lên các bề mặt ma sát để bôi trơn

Kết cấu kiểu bôi trơn này rất đơn giản, nhưng nhược điểm lớn của

nó là dầu nhờn trong hỗn hợp khí nạp đi vào xylanh khi cháy tạo thành muội than bám lên thành buồng cháy và đỉnh pittông, ngăn cản truyền nhiệt làm cho nóng máy

1.3.6 So sánh và đánh giá các phương pháp bôi trơn

Việc dùng hệ thống bôi trơn kiểu vung té làm giảm tuổi thọ của động cơ rất nhiều so với khi dùng hệ thống bôi trơn kiểu phối hợp (hoặc bôi trơn cưỡng bức) Đó là do những nguyên nhân sau: Ta biết rằng một trong những chỉ tiêu quan trọng của dầu là độ bền chống ôxy hoá sẽ tạo nhựa đường và hắc ín, nó làm giảm chất lượng bôi trơn của dầu và làm tăng muội than Muội than có độ dẫn nhiệt rất thấp làm cho các chi tiết và động cơ chóng bị quá nóng Nhiệt độ quá cao làm giảm độ nhớt của dầu và có thể đến

ma sát nửa ướt Ngoài ra, nếu trong dầu có các hạt muội than rắn cũng làm cho điều kiện bôi trơn xấu đi và tăng độ hao mòn Việc ôxy hoá dầu xảy ra rất mạnh khi dầu ở trạng thái các hạt nhỏ và ở nhiệt độ 130÷1400

C

Do phương pháp dẫn dầu tới các vị trí bôi trơn không chắc chắn nên có nhiều khả năng xuất hiện ma sát nửa ướt Mặc khác, mức chi phí dầu khi dùng phương pháp bôi trơn bằng cách vung té cao hơn khi dùng các loại

Hệ thống bôi trơn cưỡng bức là loại hiện đại làm việc chắc chắn hơn nhưng phức tạp hơn Nguyên nhân là do việc dẫn dầu cưỡng bức luôn đảm bảo

có lớp dầu cần thiết và đảm bảo việc dẫn nhiệt ra từ các bề mặt làm việc được tốt hơn Vì vậy loại hệ thống này thường được ứng dụng ở các động cơ diesel cũng như các động cơ có bộ chế hoà khí có số vòng quay cao trong đó lực quán tính của các bộ phận chuyển động qua lại và lực quán tính ly tâm có trị số cao

Khi bôi trơn cưỡng bức, dầu được dẫn đến các vị trí bôi trơn với

số lượng dư sẽ rửa các cặn bẩn và mạt kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự làm việc của các chi tiết chuyển động Do đó khi bôi trơn cưỡng bức, dầu ít tiếp xúc với các chi tiết máy và không khí nên dầu ôxy hoá chậm hơn, mức tiêu thụ dầu nhờn sẽ thấp hơn Khi bôi trơn cưỡng bức (đặc biệt là khi dùng

hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte khô và trong hệ thống có bộ tản nhiệt) dầu luôn luôn được lọc và làm nguội do đó thời gian sử dụng của nó sẽ dài hơn

1.4 Kết luận

Trong toàn bộ chương 1, chúng ta đã hệ thống lại các giai đoạn phát triển công nghệ bôi trơn, đặc biệt là trong bôi trơn thủy động hệ biên – khuỷu và một số dạng bôi trơn đang được ứng dụng trong các động cơ nhiệt hiện nay Để làm rõ các đặc điểm, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, độ nhớt, chiều dày màng dầu và các ảnh hưởng khác như vận tốc quay và góc quay trục khuỷu v.v… các yếu tố làm ảnh hưởng tới chế độ bôi trơn và tuổi thọ của

ổ trục Chương 2 dựa trên các công thức, phương trình tính toán lý thuyết về nhiệt trong bôi trơn hệ biên - khuỷu từ đó xây dựng một thuật toán Murty [15] nhằm tính toán các vùng ảnh hưởng của nhiệt độ lên màng dầu bôi trơn ổ

đầu to thanh truyền

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÔI TRƠN Ổ ĐẦU TO

THANH TRUYỀN 2.1 Giới thiệu

Để giải bài toán nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD) đòi hỏi phải giải đồng thời các trường áp suất tồn tại trong màng dầu, trường nhiệt độ trong tất

cả các yếu tố của hệ thống với sự thay đổi chiều dày màng dầu gây ra bởi áp lực và nhiệt độ Ta cũng cần tính toán các biến đổi độ lệch tâm của trục và biến dạng nhiệt của vật rắn đàn hồi Do vậy trong phần này chúng ta cần xác định:

- Xác định phương trình hình học chiều dày màng dầu bằng cách xem xét biến dạng nhiệt đàn hồi của các bề mặt

- Phương trình thủy động lực học (phương trình Reynolds tổng quát) xác định động thái của chất lỏng trong điều kiện áp lực

- Phương trình nhiệt trong chất lỏng và vật rắn

Những khó khăn gặp phải khi giải bài toán: lý thuyết Nhiệt thủy động đàn hồi không tuyến tính Áp lực, và nhiệt độ trong màng dầu dẫn đến biến dạng đàn hồi làm thay đổi chiều dày màng dầu tối thiểu

Khó khăn tiếp theo là phát sinh từ phương trình nhiệt trong màng dầu bởi vì liên quan trực tiếp đến độ chênh áp suất thông qua các thành phần vận tốc của các hạt chất lỏng Ngoài ra, khi giải quyết các phương trình Reynolds tổng quát, sự thay đổi của độ nhớt liên quan đến nhiệt độ, làm phức tạp vấn đề

Một vấn đề nữa là môdun tải thay đổi cường độ theo thời gian, quỹ đạo của trục bên trong bạc không rõ Ngoài ra hiện tượng tách màng dầu, tạo bọt nhiều hay ít tùy theo điều kiện hoạt động cũng gây khó khăn khi nghiên

cứu Các phương trình của TEHD được trình bày trong chương này Đó là phương trình Reynolds tổng quát với điều kiện biên, phương trình nhiệt trong các chất rắn, phương trình năng lượng trong màng dầu, các phương trình cân bằng và phương trình đàn hồi liên quan khác

2.2 Phương trình Reynolds tổng quát

2.2.1 Phương trình tổng quát của màng mỏng cơ học dầu bôi trơn

Phương trình Reynolds tổng quát được rút trực tiếp từ phương trình chuyển động của chất lỏng Navier-Stokes và phương trình tính liên tục của chất lỏng hay các định luật về chất lỏng nhớt và nguyên lý bảo toàn khối lượng Một hình thức đặc biệt của phương trình này được gọi là phương trình Reynolds tổng quát (Dowson), [19] Sự phát triển hoàn chỉnh và chỉnh sửa nhiều lần dẫn đến phương trình Reynolds tổng quát (bao gồm cả ASH, Nicolas, Degueurce và Xô Bertha vào năm 1990 [17]) Sự khai triển này sẽ không trình bày trong nghiên cứu này Tuy nhiên, để nhớ lại những giả định

đã được sử dụng để thiết lập phương trình tổng quát của cơ học màng mỏng nhớt:

- Chất lỏng là Newton

- Môi trường là liện tục

- Chiều dày màng dầu rất nhỏ so với kích thước của nó

- Dòng chảy là tuyến tính

- Các lực của lực hấp dẫn và quán tính là không đáng kể

- Chất lỏng dính chặt hoàn toàn vào vách trục

- Độ cong của bề mặt có thể bỏ qua

Khi tốc độ của một tiếp xúc trên vách là tiếp tuyến tại tất cả các điểm đến vách này, phương trình tổng quát cơ học màng mỏng nhớt có thể được đơn giản hóa bằng cách đặt gốc hệ tọa độ (xem hình 2.1)

ρ1 và ρ2 là mật độ của chất lỏng trên vách 1 và 2; H1 và H2 là tọa độ theo hướng của chiều dày màng của vách 1 và 2 Phương trình Reynolds tổng quát

H

H z R

t

H t

1 1

(1) (2)

Z

Y

U V

W

U W

2 2

h t

   

0 (Đối với i=0; 1 hoặc 2)

Độ nhớt động được xác định ở trên là một hàm giảm của nhiệt

độ, nó làm giảm rất nhanh độ nhớt ở các nhiệt độ khác nhau, từ 400C đến

1000C và sau đó chậm hơn khi vượt vượt quá 1000

C Sự thay đổi độ nhớt có thể tính theo công thức sau:

vượt quá giới hạn, dầu bôi trơn sẽ mất tính chất bôi trơn Đây là lý do tại sao

một ngưỡng độ nhớt s cần được thêm vào thành phần thứ hai trong phương

trình 2.2, sự lưa chọn một ngưỡng độ nhớt được quyết định bởi đặc tính vận

2.2.2 Phương trình năng lượng cơ học màng mỏng nhớt

Khi tính đến sự thay đổi độ nhớt động lực của chất bôi trơn với nhiệt độ, phương trình Reynolds tổng quát phải được giải quyết đồng thời cả phương trình nhiệt trong màng dầu bôi trơn, với phương trình năng lượng; thực tế chiều dày màng dầu là rất nhỏ so với kích thước của nó Các giai đoạn đơn giản hóa đã được thảo luận [17] và không lặp lại ở đây:

y K

T y u y

w y

Trong đó u, v, w là các thành phần vận tốc tương ứng với hướng

x, y, z, (xem phụ lục 2.1) Cp là nhiệt dung riêng, K là hệ số độ dẫn và α là hệ

số giãn nở nhiệt của chất lỏng Trong trường hợp của một chất lỏng không nén được, hệ số K bằng không Ngoài ra, chúng ta giả định hệ số dẫn nhiệt là hằng số Có thể viết như sau:

w y

(2.3)

Số hạng đầu tiên của phương trình là thông lượng nhiệt loại bỏ bởi

sự đới lưu; số hạng đầu trong vế thứ hai là thông lượng nhiệt loại bỏ bằng hệ

số dẫn nhiệt và số hạng thứ hai vế hai là hệ số tản nhớt

Hình 2-3: Miền khai triển ổ

2.3 Phương trình chiều dày màng dầu

2.3.1 Chiều dày màng dầu

Màng dầu hình chêm có chiều dày h, là thông số quan trọng trong phương trình Reynolds

Xem xét một mặt cắt của ổ (hình 2- 2) Vị trí của một điểm M trên

bề mặt của bạc được xác định bằng tọa độ góc,  = (OcA, OcM)

Chiều dày màng dầu khi đó được tính: h = OcM - OcM

Hoặc: h = Rc - OcM` = Ra + C - OcM

Bằng việc áp dụng công thức hàm số sin trong tam giác OaM’Oc ta có:

sin

c a a

a c

O O M

R e

M O O

e

a

h M



Từ đó:  sin

R

esin

R

e R

R(-1.R

=M'

a a

Giá trị e/ Ra là rất nhỏ do đó (e/ Rasin)2 coi như xấp xỉ bằng 0

Khi đó:h = C(1 +  cos) với độ lệch tâm tương đối  = e/ c biến thiên từ 0  1 Trong đó:

-Rc: Bán kính bạc

- : góc chất tải

- a, c: vận tốc góc của trục và bạc

-x, z: tọa độ theo phương chu vi và chiều dài ổ

- : tọa độ trụ trong hệ Oxyz