Tài liệu Luận án nghiên cứu vật liệu và kết cấu sản phẩm trên cơ sở cao su tự nhiên để làm gối đỡ giảm chấn cho động cơ xe

BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU SẢN PHẨM TRÊN CƠ SỞ CAO SU TỰ NHIÊN ĐỂ LÀM GỐI ĐỠ GIẢM CHẤN CHO ĐỘNG CƠ XE LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU SẢN PHẨM TRÊN CƠ SỞ CAO SU TỰ NHIÊN ĐỂ LÀM GỐI ĐỠ GIẢM CHẤN CHO ĐỘNG CƠ XE Ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 9440114 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Chu Chiến Hữu 2. PGS.TS Nguyễn Huy Trưởng Hà Nội – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án này là trung thực, tin cậy và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Lê Ngọc Tú ii LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc nghiên cứu sinh (NCS) xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Chu Chiến Hữu và PGS.TS Nguyễn Huy Trưởng đã dành nhiều thời gian, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ NCS trong suốt quá trình thực hiện luận án. NCS chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Thủ trưởng, các thầy cô giáo, các nhà khoa học và các cán bộ nhân viên Phòng Đào tạo, Viện Hóa học -Vật liệu/ Viện KH &CNQS, Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự/ TCKT, Bộ môn Cơ học máy/ Học viện Kỹ thuật quân sự, Phòng thí nghiệm trọng điểm Polyme và Compozit/ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã truyền đạt, giảng dạy kiến thức, đưa ra những góp ý quý báu, cũng như tạo mọi điều kiện, hỗ trợ, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Cuối cùng, NCS xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những người thân đã động viên, hỗ trợ cho em rất nhiều trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án tiến sĩ này. Tác giả luận án Lê Ngọc Tú iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... x Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................. 7 1.1. Rung động và các biện pháp chống rung động................................................... 7 1.2. Vật liệu chống rung: Yêu cầu cơ bản và phân loại............................................. 9 1.2.1. Yêu cầu cơ bản của vật liệu chống rung ......................................................... 9 1.2.2. Phân loại vật liệu chống rung ......................................................................... 12 1.3. Khả năng chống rung của vật liệu cao su........................................................... 13 1.3.1. Cơ sở khoa học chống rung của vật liệu cao su ............................................ 15 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống rung của vật liệu cao su .......... 21 1.3.3. Các phương pháp nâng cao khả năng chống rung cho vật liệu cao su ........ 26 1.4. Cao su tự nhiên và ứng dụng của nó trong chế tạo vật liệu chống rung .......... 32 1.4.1. Cao su tự nhiên ................................................................................................ 32 1.4.2. Cao su styren butadiene (SBR) và blend NR/SBR ....................................... 34 1.4.3. Lưu hóa các sản phẩm từ cao su tự nhiên ...................................................... 35 1.5. Chống rung cho động cơ diesel trên xe ô tô ZIL131......................................... 46 1.5.1. Xác định tần số dao động của gối đỡ động cơ xăng trên xe ZIL131 và gối đỡ động cơ D245.9E2 ................................................................................... 48 1.5.2. Tính toán thiết kế gối đỡ động cơ diesel D245.9E2 trên xe ZIL131 ........... 49 Chương 2 THỰC NGHIỆM........................................................................................ 55 2.1. Nguyên liệu, hóa chất............................................................................................ 55 2.2. Tổng hợp và biến tính phụ gia cho cao su chống rung ....................................... 57 2.2.1. Biến tính nanosilica bằng phản ứng ghép với Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulfide (TESPT)............................................................................................ 57 2.2.2. Tổng hợp Etylenglycol dimetacrylat (EGDM)................................................ 57 2.3. Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu cao su chống rung...................................... 58 iv 2.3.1. Khảo sát xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung ......................................... 58 2.3.2. Quy trình chế tạo vật liệu cao su chống rung ................................................... 61 2.4. Phương pháp nghiên cứu thành phần hóa học của cao su chống rung do nước ngoài chế tạo cho gối đỡ động cơ xăng và động cơ diesel ...................... 63 2.4.1. Phương pháp trực tiếp ........................................................................................ 63 2.4.2. Phương pháp nhiệt phân ................................................................................. 64 2.5. Phương pháp phân tích, đo đạc bản chất hóa học, chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu ........................................................................................................................ 65 2.6. Tính toán và thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel .................................................. 66 2.6.1. Tính toán tối ưu hoá độ cứng gối đỡ cho động cơ diesel................................. 66 2.6.2. Thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel.................................................................... 69 2.7. Các phương pháp đánh giá khả năng chống rung của vật liệu cao su và gối đỡ chống rung ...................................................................................................... 71 2.7.1. Đo rung bằng phương pháp gõ búa................................................................... 71 2.7.2. Đo rung bằng bàn rung ...................................................................................... 73 2.7.3. Đo rung trên giá thử ........................................................................................... 74 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 77 3.1. Nghiên cứu về hệ thống gối đỡ của động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131 và hệ thống gối đỡ của động cơ diesel dùng để thay thế............................................. 77 3.1.1. Nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật ...................................................................... 77 3.1.2. Nghiên cứu bản chất vật liệu chế tạo gối đỡ động cơ ..................................... 79 3.2. Nghiên cứu tổng hợp nguyên liệu phục vụ chế tạo gối đỡ động cơ................... 98 3.2.1. Nghiên cứu biến tính nanosilica bằng tác nhân TESPT .................................. 99 3.2.2. Nghiên cứu tổng hợp chất phụ gia etylenglycol dimetacrylat ........................106 3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung để làm gối đỡ cho động cơ diesel ....................................................................................................................115 3.3.1. Xây dựng yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu cao su chống rung ...........................115 3.3.2. Nghiên cứu xây dựng đơn vật liệu để chế tạo cao su chống rung..................116 3.4. Chế tạo và thử nghiệm gối đỡ cho động cơ diesel .............................................135 v 3.4.1. Chế tạo gối đỡ cho động cơ diesel ................................................................135 3.4.2. Kiểm tra các tính chất cơ lý và khả năng chống rung của gối đỡ động cơ diesel ....................................................................................................................135 3.4.3. Thử nghiệm gối đỡ trên giá thử động cơ .........................................................136 KẾT LUẬN .................................................................................................................141 Những đóng góp mới của luận án ..............................................................................142 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .......................143 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................144 vi DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu δ Góc lệch pha giữa biến dạng và ứng suất  Ứng suất  Độ biến dạng đàn hồi 𝑓đ𝑐 Tần số dao động của động cơ  Thời gian phục hồi  Độ nhớt động học của phân đoạn chuỗi E Mô-đun đàn hồi 𝐸′ Mô-đun lưu trữ 𝐸 ′′ Mô-đun tổn hao Tanδ Tổn hao cơ học Tg [K] Nhiệt độ thủy tinh hóa Chữ viết tắt ASTM Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) CB Than đen (Carbon Black) CR Cao su neopren (Chloroprene Rubber) ĐCD-Z131 Động cơ Diesel xe ZIL131 ĐCX-Z131 Động cơ xăng xe ZIL131 EG Etylenglycol EGDA Ethylene glycol diacrylat EGDM Ethylene glycol dimethacrylat EPDM Cao su ethylen propylen dien monomer FRF Hàm số đáp ứng tần số (Frequency Ratio Function) GĐT Gối đỡ trước vii GĐS Gối đỡ sau HAF Mài mòn cao (High abrasm furme) HVPBd Vinyl poly(butadien) HVSBR Vinyl styren-butadien copolyme IPN Cấu trúc mạng đan xen (Interpenetrating Polymer Network) ISAF Siêu mài mòn trung gian (Intermediate super abrasm furme) IIR Cao su butyl (Isobutylen-isoprene Rubber) MA Axit metacrylic m-nanosilica Nano silica biến tính MWCNT Chất độn ống nano carbon đa lớp NBR Cao su nitril-butadien (nitrile-butadiene rubber) NR Cao su tự nhiên (Natural rubber) NSE Chất đàn hồi nano silica (Nanosillica elastomer) PDM N,N’-m-phenylen dimaleinid PF Nhựa phenolic PKL Phần khối lượng SBR Cao su butadien-styren (Styren-butadien Rubber) TAC Triallyl cyanurat TAIC Triallyl isocyanurat TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TESPT Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulfide TMPTA Trimethylolpropan triacrylat TMPTMA Trimethylolpropan trimethacrylat TPE Chất đàn hồi nhiệt dẻo (Thermoplastic Elastomer) ZDA Kẽm diacrylate (Zine diacrylate) ZDMA Kẽm dimethacrylat (Zine dimethacrylate) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Hiệu suất chống rung của vật liệu ........................................................................13 Bảng 1.2. Vật liệu đàn hồi bằng cao su thường được sử dụng ...........................................14 Bảng 1.3. Giá trị tổn hao cơ học tanδ của các loại cao su khác nhau ...............................22 Bảng 2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật của cao su tự nhiên RSS1..........................................................55 Bảng 2.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của cao su SBR1502, Kumho .................................................55 Bảng 2.3. Chỉ tiêu kỹ thuật của keo dán ...............................................................................56 Bảng 2.4. Đặc trưng của hạt nano silica QS-10 ...................................................................56 Bảng 2.5. Đơn thành phần vật liệu cao su chống rung tổng quát .......................................58 Bảng 2.6. Thành phần vật liệu của đơn N1 ..........................................................................59 Bảng 2.7. Thành phần vật liệu của đơn N3 ..........................................................................59 Bảng 2.8. Thành phần vật liệu của đơn N4 ..........................................................................60 Bảng 2.9. Thành phần vật liệu của đơn N5 ..........................................................................60 Bảng 3.1. Chỉ tiêu kỹ thuật của gối đỡ ĐCX-Z131 và ĐCD-Z131....................................77 Bảng 3.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chế tạo gối đỡ ĐCX-Z131 và ĐCD-Z131 .........78 Bảng 3.3. Dao động đặc trưng phổ hồng ngoại của các mẫu cao su dùng để chế tạo gối đỡ động cơ xăng và của mẫu cao su tự nhiên......................................................... 89 Bảng 3.4. Mảnh khối lượng phân tử .....................................................................................83 Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả phân tích nhiệt mẫu cao su làm gối đỡ ĐCX-Z131 .............85 Bảng 3.6. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố tại các vị trí số 8 và số 9 ..................................86 Bảng 3.7. Dao động đặc trưng phổ hồng ngoại của các mẫu cao su dùng để chế tạo gối đỡ động cơ diesel và của mẫu cao su tự nhiên ................................................................89 Bảng 3.8. Mảnh khối lượng phân tử .....................................................................................91 Bảng 3.9. Tổng hợp kết quả phân tích nhiệt mẫu cao su.....................................................93 Bảng 3.10. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố tại các vị trí số 2 và số 3 của gối trước ..................................................................................................................................95 Bảng 3.11. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố của gối sau tại các vị trí số 5 và số 6 .................................................................................................. 100 Bảng 3.12. Số sóng đặc trưng các nhóm nguyên tử trên phổ hồng ngoại của các hạt nanosilica và m-nanosilica.............................................................................................. 101 ix Bảng 3.13. Thành phần nguyên tố trong hạt nanosilica trước và sau biến tính ............... 102 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến hiệu suất phản ứng .................................. 108 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol EG: MAA đến hiệu suất phản ứng ....................... 108 Bảng 3.16. Tín hiệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR ............................................ 112 Bảng 3.17. Tín hiệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR............................................ 113 Bảng 3.18. Một số đặc trưng của sản phẩm EGDM ........................................................ 114 Bảng 3.19. Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu cao su và của gối đỡ dùng để chế tạo gối đỡ của động cơ diesel lắp cho xe ZIL131 ........................................................................... 115 Bảng 3.20. Thành phần vật liệu của đơn vật liệu N1......................................................... 117 Bảng 3.21. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của các mẫu tổ hợp chế tạo ở các tỷ lệ NR/SBR khác nhau................................................................................................. 118 Bảng 3.22. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của các mẫu tổ hợp chế tạo với các loại than khác nhau ................................................................................................... 120 Bảng 3.23. Chỉ tiêu kỹ thuật của cao su chống rung với các tỷ lệ than N330 khác nhau 121 Bảng 3.24. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của vật liệu cao su chế tạo theo đơn N4-1-Y ..................................................................................................................... 123 Bảng 3.25. Tổng hợp kết quả phân tích nhiệt của các mẫu vật liệu cao su...................... 126 Bảng 3.26. Thành phần vật liệu của đơn N1-E .................................................................. 129 Bảng 3.27. Tính chất cơ lý và độ trương của blend NR/SBR khi thay đổi tỷ lệ EGDM 129 Bảng 3.28. Tính chất cơ học và khả năng chống rung của các mẫu vật liệu N4-1-2 có bổ sung EGDM. .............................................................................................................. 131 Bảng 3.29. Các đặc tính cơ học và chống rung của gối đỡ khi so sánh với các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra đối với gối đỡ động cơ diesel trên xe ZIL131 ...................................... 135 Bảng 3.30. Tổng hợp so sánh các giá trị quy ước .............................................................. 139 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ mô tả hệ cách ly rung động .........................................................................8 Hình 1.2 Giải pháp kết cấu chống rung ................................................................................10 Hình 1.3 Sơ đồ phạm vi ứng dụng của các loại kết cấu vật liệu chống rung khác nhau...11 Hình 1.4 Phân loại vật liệu chống rung theo tính chất vật liệu ...........................................12 Hình 1.5 Biểu đồ ứng suất - biến dạng của polyme.............................................................17 Hình 1.6 Đường cong ứng suất - biến dạng của polyme.....................................................18 Hình 1.7 Quá trình lưu hóa của cis-polyisopren ..................................................................23 Hình 1.8 Mối quan hệ giữa tổn hao cơ học, nhiệt độ và sự tương thích khi pha trộn hỗn hợp vật liệu cao su ........................................................................................................26 Hình 1.9 Tính năng chống rung của vật liệu composite NR/ENR/SiO2 ............................29 Hình 1.10 Một số hạt nanosilica khác nhau .........................................................................37 Hình 1.11 Cơ chế phản ứng silanol hóa giữa TESPT và silica...........................................38 Hình 1.12 Cơ chế thủy phân của tác nhân silan với xúc tác axit ........................................39 Hình 1.13 Đồ thị tanδ - nhiệt độ của NR/NBR ở các tỷ lệ khác nhau................................42 Hình 1.14 Giá trị tổn hao cơ học tanδ tại các tỷ lệ khối lượng NR, ENR và carbon black khác nhau ............................................................................................................43 Hình 1.15 Giá trị tổn hao cơ học tanδ tại các tỷ lệ khối lượng cao su và AO-80 khác nhau ...............................................................................................................................44 Hình 1.16 Chế tạo vật liệu NR/ENR có kết cấu gradient....................................................45 Hình 1.17 Động cơ xăng xe ZIL131.....................................................................................46 Hình 1.18 Hình dạng của gối đỡ trước ĐCX xe ZIL131 ....................................................47 Hình 1.19 Hình dạng của gối đỡ sau ĐCX xe ZIL131 .......................................................47 Hình 1.20 Động cơ diesel D245.9E2....................................................................................48 Hình 1.21 Hình dạng của gối đỡ trước động cơ diesel D245.9E2.....................................48 Hình 1.22 Hình dạng của gối đỡ sau động cơ diesel D245.9E2 .........................................48 Hình 1.23 Mô hình vị trí 3 gối đỡ động cơ xe ZIL131........................................................50 Hình 1.24 Mô hình tính toán dao đông cụm động cơ.........................................................51 Hình 1.25 Sơ đồ tính toán dao động ....................................................................................52 xi Hình 2.1 Kết quả tính toán giá trị phổ mật độ tần số dao động dọc của trọng tâm cụm động cơ (ở số vòng quay động cơ 2600 vòng/phút) ..................................................67 Hình 2.2 Kết quả tính toán bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng của trọng tâm cụm động cơ (ở số truyền 2 của hộp số, khi đi trên đường đất)...............67 Hình 2.3 Kết quả tính toán bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng của trọng tâm cụm động cơ (ở số truyền 3 của hộp số, khi đi trên đường rải sỏi)..........67 Hình 2.4 Kết quả tính toán bình phương trung bình gia tốc dao động thẳng đứng của trọng tâm cụm động cơ (ở số truyền 4 của hộp số, khi đi trên đường bê tông). ......67 Hình 2.5 Bình phương trung bình chuyển vị gối đỡ trước động cơ ở các độ cứng khác nhau ...............................................................................................................................68 Hình 2.6 Bình phương trung bình gia tốc gối đỡ trước động cơ ở các độ cứng khác nhau............68 Hình 2.7 Bình phương trung bình chuyển vị gối đỡ sau động cơ ở các độ cứng khác nhau ...............................................................................................................................68 Hình 2.8 Bình phương trung bình gia tốc gối đỡ sau động cơ ở các độ cứng khác nhau .68 Hình 2.9 Xếp chồng đồ thị bình phương trung bình chuyển vị và gia tốc tại vị trí gối đỡ trước động cơ. .........................................................................................................69 Hình 2.10 Xếp chồng đồ thị bình phương trung bình chuyển vị và gia tốc tại vị trí gối đỡ sau động cơ..............................................................................................................69 Hình 2.11 Gối đỡ trước động cơ diesel D245.9E2 lắp trên xe ZIL131..............................70 Hình 2.12 Gối đỡ sau động cơ diesel D245.9E2 lắp trên xe ZIL131 .................................70 Hình 2.13 Sơ đồ đo rung LMS (hãng LMS – Bỉ)................................................................71 Hình 2.14 Phương pháp 3dB.................................................................................................71 Hình 2.15 Biểu đồ tiệm cận của biên độ FRF và các kết quả đo rung ...............................72 Hình 2.16 Hệ thống thử rung LDS (hãng Brüel & Kjær – Đan Mạch) .............................73 Hình 2.17 Biểu đồ tiệm cận của biên độ FRF và các giá trị giảm chấn Q và  được hiển thị tại vị trí cộng hưởng........................................................................................74 Hình 2.18 Vị trí lắp cảm biến rung .......................................................................................75 Hình 2.19 Biểu đồ biên độ dao động của gối đỡ..................................................................75 Hình 3.1 Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ trước của ĐCX-Z131............80 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ sau của ĐCX-Z131 ................80 Hình 3.3 Phổ hồng ngoại của cao su tự nhiên (tra từ thư viện phổ) ...................................81 xii Hình 3.4 Phổ GC-MS của mẫu cao su gối đỡ trước ĐCX-Z131 .......................................82 Hình 3.5 Phổ GC-MS của mẫu cao su gối đỡ sau ĐCX-Z131...........................................82 Hình 3.6 Giản đồ phân tích nhiệt DT/DTG của mẫu cao su gối đỡ trước ĐCX-Z131.....84 Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt DT/DTG của mẫu cao su gối đỡ sau ĐCX-Z131 ........84 Hình 3.8 Phổ EDX tại các vị trí số 8 (a) và số 9 (b) trên mẫu gối đỡ cao su .....................85 Hình 3.9 Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ trước của ĐCD-Z131.............87 Hình 3.10 So sánh phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ trước của ĐCDZ131 với thư viện phổ..................................................................................................87 Hình 3.11 Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ sau của ĐCD-Z131 ..............88 Hình 3.12 So sánh phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ sau của ĐCD-Z131 với thư viện phổ............................................................................................................88 Hình 3.13 Phổ GC-MS của mẫu cao su gối đỡ trước ĐCD-Z131 .....................................90 Hình 3.14 Phổ GC-MS của mẫu cao su gối đỡ sau ĐCD-Z131.........................................90 Hình 3.15 Giản đồ TG/DTG của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ trước động cơ diesel .........92 Hình 3.16 Giản đồ TG/DTG của mẫu vật liệu chế tạo gối đỡ sau động cơ diesel ............92 Hình 3.17 Phổ EDX của mẫu gối đỡ trước của động cơ diesel ..........................................94 Hình 3.18 Phổ EDX của mẫu gối đỡ trước của động cơ diesel c) tại vị trí số 5 và d) tại vị trí số 6........................................................................................................................95 Hình 3.19 Mô tả phản ứng biến tính nano silica bằng TESPT .....................................99 Hình 3.20 Phổ hồng ngoại (FT-IR) của nanosilica (a) và m-nanosilica (b).................... 100 Hình 3.21 Phổ EDX trên bề mặt nanosilica (A) và m-nanosilica (B) .............................. 102 Hình 3.22 Bản đồ phân bố của các nguyên tố trong nanosilica ........................................ 103 Hình 3.23 Bản đồ phân bố của các nguyên tố trong m-nanosilica. .................................. 104 Hình 3.24 Ảnh FE-SEM hạt nanosilica (a, a1) và m-nanosilica (b, b1)........................... 105 Hình 3.25 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng ............................................. 107 Hình 3.26 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng............................................ 109 Hình 3.27 Ảnh hưởng của lưu lượng khí mang đến hiệu suất phản ứng ......................... 110 Hình 3.28 Phổ hồng ngoại của sản phẩm EGDM luận án tổng hợp ................................ 111 Hình 3.29 Phổ hồng ngoại mẫu EGDM của Sigma Aldrich .................................. 112 Hình 3.30 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR của EGDM được tổng hợp ............... 113 Hình 3.31 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR của EGDM được tổng hợp ............ 113 xiii Hình 3.32 Mô hình tương tác của m-nanosilica và cao su ................................................ 124 Hình 3.33 Giản đồ TG và DTG của vật liệu đơn N3-10 ................................................... 125 Hình 3.34 Giản đồ TG và DTG của vật liệu đơn N4-0-2 ................................................. 125 Hình 3.35 Giản đồ TG và DTG của vật liệu đơn N4-1-2 ................................................. 126 Hình 3.36 Ảnh FE-SEM của vật liệu N3-10...................................................................... 127 Hình 3.37 Ảnh FE-SEM của vật liệu N4-0-2 .................................................................... 127 Hình 3.38 Ảnh FE-SEM của vật liệu N4-1-2 .................................................................... 128 Hình 3.38 Ảnh FE-SEM của vật liệu N4-1-2 .................................................................... 132 Hình 3.39 Ảnh FE-SEM của vật liệu đơn N5-2 ................................................................ 132 Hình 3.40 Giản đồ TG và DTG của vật liệu đơn N5-2 ..................................................... 133 Hình 3.41 Gối đỡ chống rung trước và sau cho động cơ diesel........................................ 135 Hình 3.42 So sánh các giá trị ước tính phổ công suất và giá trị bình phương trung bình của tích phân số hình thang ở tốc độ động cơ 700 vòng/phút ................................. 137 Hình 3.43 So sánh các giá trị ước tính phổ công suất và giá trị bình phương trung bình của tích phân số hình thang ở tốc độ động cơ 1.600 vòng/phút .............................. 137 Hình 3.44 So sánh các giá trị ước tính phổ công suất và giá trị bình phương trung bình của tích phân số hình thang ở tốc độ động cơ 2.600 vòng/phút .............................. 138 Hình 3.45 So sánh các giá trị ước tính phổ công suất và giá trị bình phương trung bình của tích phân số hình thang ở chế độ tăng tốc động cơ từ 700 đến 2.600 vòng/phút...138 Hình 3.46 So sánh các giá trị ước tính phổ công suất và giá trị bình phương trung bình của tích phân số hình thang ở chế độ tắt động cơ khi đang chạy ở tốc độ 700 vòng/phút .................................................................................................................... 139 1 MỞ ĐẦU Hiện nay trong quân đội đang có chương trình diesel hóa các xe quân sự trong đó nội dung chính là thay thế động cơ xăng bằng động cơ diesel nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu nhưng vẫn phải đảm bảo tính năng kỹ chiến thuật của xe. Tuy nhiên khi thay thế động cơ diesel vào các xe sử dụng động cơ xăng thì khi xe hoạt động đã gây ra hiện tượng rung động lớn, ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của động cơ cũng như sức khỏe của người lái. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng rung động lớn này là do đặc tính của gối đỡ động cơ xăng không phù hợp để chống rung cho động cơ diesel. Để chống rung cho động cơ có thể sử dụng nhiều loại vật liệu (cao su, chất dẻo, kim loại, gốm...) và nhiều công nghệ đã được áp dụng (chống rung bằng lò xo, nhíp, chống rung bằng hệ thống thuỷ lực, chống rung bằng đệm cao su). Riêng với xe ZIL131, để chống rung cho động cơ này, nhà sản xuất đã áp dụng sản phẩm gối đỡ được chế tạo bằng vật liệu cao su – kim loại. Gối đỡ động cơ là bộ phận trung gian liên kết giữa động cơ với thân xe, có nhiệm vụ làm suy giảm các dao động, giảm tối đa lực tác động của động cơ lên khung xe và ngược lại từ khung xe vào động cơ. Để đạt được những yêu cầu này, phải có những tính toán về dao động của động cơ và thân xe để tìm ra được đặc tính đàn hồi cần thiết của gối đỡ [10]. Từ các kết quả tính toán đó kết hợp với việc nghiên cứu đặc tính đàn hồi của các loại vật liệu cao su cũng như kết cấu của các loại gối đỡ làm cơ sở nghiên cứu chế tạo gối đỡ cao su cho phù hợp nhất. Trên thế giới, vấn đề nghiên cứu vật liệu và công nghệ chống rung nói chung, các chi tiết chống rung cho xe ô tô nói riêng đã được đặt ra từ rất lâu và liên tục được phát triển, hoàn thiện. Trên thế giới cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, các patent được công bố liên quan đến nguyên lý thiết kế của vật liệu và công nghệ chống rung nói chung. Tuy nhiên, những công bố liên quan đến từng chi tiết chống rung cho từng loại máy móc, động cơ cụ thể nói riêng thì gần như không có. Vật liệu và công nghệ chế tạo các chi tiết 2 chống rung cụ thể thuộc danh mục bí mật của các hãng sản xuất nên các chi tiết chống rung cụ thể này chỉ được các hãng cung cấp kèm theo trong quá trình xuất khẩu máy móc, trang thiết bị. Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu vật liệu và công nghệ chống rung mới chỉ được đặt ra trong khoảng vài chục năm trở lại đây. Mặc dù đã có một số thành tựu nhất định nhưng hầu hết các công trình chủ yếu tập trung vào thiết kế, chế tạo vật liệu và chi tiết chống rung theo mẫu sản phẩm của nước ngoài nhằm phục vụ quá trình sửa chữa, bảo dưỡng, thay thế bộ phận chống rung của các trang thiết bị, máy móc bị hư hỏng, xuống cấp trong quá trình sử dụng tại Việt Nam [4]. Những công trình nghiên cứu bài bản, khép kín từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo mới các chi tiết chống rung cho các trang thiết bị, máy móc ở trong nước còn khá khiêm tốn. Trong quân đội, hầu hết các loại xe ô tô đặc chủng, các loại máy bay, tầu thủy, tầu ngầm và các trang thiết bị vũ khí đều được nhập khẩu từ Liên Xô (trước đây), Liên bang Nga (ngày nay), Trung Quốc, Triều Tiên.... Sau một thời gian sử dụng, rất nhiều bộ phận trong đó có nhiều chi tiết, cụm chi tiết đóng vai trò giảm chấn, chống rung động bị hư hỏng, xuống cấp cần phải được thay thế. Tuy nhiên việc nhập khẩu các chi tiết, cụm chi tiết này rất khó khăn về thủ tục, kinh phí, thời gian cũng như vấn đề đảm bảo bí mật quân sự. Thậm chí nhiều chi tiết, cụm chi tiết không thể nhập khẩu được do các nước bạn không sản xuất loại vật tư tiêu hao này nữa. Trong bối cảnh đó, vấn đề tự nghiên cứu thiết kế và chế tạo gối đỡ cao su chống rung cho động cơ diesel thay thế cho động cơ xăng của xe ô tô ZIL131 đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra thì một mặt sẽ góp phần vào thành công của Chương trình diesel hóa các xe ô tô trong quân đội, mặt khác sẽ mở ra khả năng tự thiết kế, chế tạo các loại chi tiết giảm chấn, chống rung cho nhiều loại trang bị vũ khí khác. Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu vật liệu và kết cấu sản phẩm trên cơ sở cao su tự nhiên để làm gối đỡ chống rung cho động cơ xe” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn tốt. 3 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng được đơn vật liệu trên cơ sở cao su tự nhiên đạt được các chỉ tiêu về độ bền cơ học và khả năng chống rung đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của gối đỡ chống rung cho động cơ ô tô diesel. - Thiết kế và chế tạo được gối đỡ cho động cơ diesel dùng để thay thế cho động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131 trên cơ sở đơn vật liệu cao su chống rung đã xây dựng được ở mục tiêu thứ nhất. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: gối đỡ của động cơ xăng trên xe ZIL131, gối đỡ động cơ diesel (là loại động cơ thay thế cho động cơ xăng trên xe ZIL131) và gối đỡ do luận án thiết kế, chế tạo dùng để lắp động cơ diesel lên khung xe ZIL131. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu xác định bản chất hóa học, tỷ lệ thành phần và các chỉ tiêu kỹ thuật của cao su dùng để chế tạo gối đỡ của động cơ xăng trên xe ZIL131 và gối đỡ động cơ diesel. - Nghiên cứu xây dựng đơn vật liệu trên cơ sở cao su tự nhiên dùng để chế tạo gối đỡ chống rung phục vụ lắp đặt động cơ diesel lên khung xe ô tô ZIL131. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đánh giá thử nghiệm gối đỡ chống rung dùng để lắp đặt động cơ diesel lên khung xe ô tô ZIL131. 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu trên, luận án bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau: - Nghiên cứu xác định bản chất hóa học, tỷ lệ thành phần và các chỉ tiêu kỹ thuật của cao su dùng để chế tạo gối đỡ của động cơ xăng trên xe ZIL131 và gối đỡ động cơ diesel. Từ kết quả nghiên cứu này, xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cần có đối với vật liệu chống rung cho động cơ diesel. - Nghiên cứu tổng hợp nguyên liệu (biến tính nano silica, etylenglycol 4 dimetacrylat) phục vụ xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung trên cơ sở cao su tự nhiên. - Nghiên cứu xây dựng đơn vật liệu trên cơ sở cao su tự nhiên, cao su tổng hợp SBR và một số phụ gia ( bột than, nano silica, etylenglycol dimetacrylat) dùng để chế tạo gối đỡ chống rung phục vụ lắp đặt động cơ diesel lên khung xe ô tô ZIL131. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm gối đỡ cho động cơ diesel dùng để thay thế cho động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131 trên cơ sở đơn vật liệu cao su chống rung đã xây dựng được. 5. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các tài liệu công bố trong và ngoài nước liên quan đến vật liệu và công nghệ chế tạo các sản phẩm giảm chấn, chống rung nói chung và các sản phẩm giảm chấn, chống rung cho động cơ ô tô nói riêng, xây dựng được mục tiêu và các nội dung nghiên cứu cần phải thực hiện nhằm chế tạo được gối đỡ cao su chống rung cho động cơ diesel khi thay thế động cơ này cho động cơ xăng của xe ô tô ZIL131. Sử dụng các kỹ thuật chuyên ngành hóa hữu cơ và cao phân tử để: - Phân tích xác định các chỉ tiêu kỹ thuật, bản chất hóa học, tỷ lệ thành phần các cấu tử trong các vật liệu cao su chống rung của động cơ xăng xe ô tô ZIL131 và động cơ diesel nguyên bản làm cơ sở định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. - Tổng hợp một số phụ gia cho hệ vật liệu cao su blend giữa cao su tự nhiên (NR) với cao su styren butadien (SBR) và tiếp đó là xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung cho gối đỡ động cơ diesel tự thiết kế, chế tạo. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm gối đỡ động cơ diesel tự thiết kế, chế tạo. Trong quá trình nghiên cứu, ứng dụng các kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu như: Phổ hồng ngoại (FT-IR), Phổ khối (GC-MS), Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), Phân 5 tích nhiệt (TGA), chụp EDX, SEM, FESEM; các phương pháp đo đạc độ bền cơ lý của vật liệu cao su (độ cứng, độ bền kéo đứt, độ dãn dài đến đứt, độ dãn dư) và các phương pháp đo đạc, đánh giá khả năng chống rung của vật liệu và gối đỡ bằng thiết bị LMS, LDS theo các tiêu chuẩn đo của nước ngoài và của Việt Nam. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: - Luận án đã xác định được mối quan hệ giữa các tính chất cơ lý trong đó quan trọng nhất là độ cứng của vật liệu với khả năng chống rung của vật liệu, từ đó đã hoàn toàn làm chủ từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo hệ thống gối đỡ cho động cơ diesel khi thay thế động cơ này cho động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131. - Luận án cũng đã tổng hợp và ứng dụng thành công hai loại phụ gia quan trọng nhất (nano silica biến tính và etylenglycol dimetacrylat ) trong quá trình xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung trên cơ sở cao su tự nhiên đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của gối đỡ chống rung cho động cơ diesel. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu, chế tạo được gối đỡ chống rung cho động cơ diesel để thay thế cho động cơ xăng của xe ZIL131 một mặt góp phần vào thành công của Chương trình diesel hóa các loại xe ô tô sử dụng động cơ xăng trong quân đội, mặt khác có thể áp dụng để nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu giảm chấn, chống rung cho nhiều loại trang thiết bị, vũ khí, máy móc khác, góp phần chủ động, nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ an ninh quốc phòng. 7. Bố cục của luận án Luận án được bố cục gồm phần Mở đầu, 3 Chương nội dung, Kết luận, Danh mục các công trình khoa học đã công bố và Danh mục tài liệu tham khảo. Tóm tắt nội dung của các chương như sau: - Chương 1 (Tổng quan): Giới thiệu một số kiến thức về rung động và khả năng chống rung động của các loại vật liệu nói chung và của vật liệu