BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC HUÛY SAÛN
------
LEÂ BAÙ KHANG
NGHIEÂN CÖÙU MA SAÙT VAØ MOØN
CUÛA TRUÏC THEÙP - BAÏC TRÖÔÏT COPOLYME
SÖÛ DUÏNG TRONG THIEÁT BÒ NAÊNG LÖÔÏNG TAØU
THUÛY
CHUYEÂN NGAØNH: THIEÁT BÒ VAØ CAÙC BOÄ PHAÄN NAÊNG LÖÔÏNG TRONG TAØU
MAÕ SOÁ : 2.03.05
LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ KYÕ THUAÄT
NGÖÔØI HÖÔÙNG DAÃN KHOA HOÏC
PGS.TS QUAÙCH ÑÌNH LIEÂN
PGS.TS DÖÔNG ÑÌNH ÑOÁI
NHA TRANG 2005
XIN TR¢N TRäNG C¶M ¥N
- PGS.TS. QU¸CH §×NH LI£N
- PGS.TS. D¦¥NG §×NH §èi
§· HíNG DÉN KHOA HäC Vµ T¹O ®IÒU KIÖN
®Ó T«I THùC HIÖN THµNH C«NG LUËN ¸N
LêI CAM §OAN
T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh cña riªng t«i.
C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong LuËn ¸n nµy lµ trung thùc vµ
cha tõng ®îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c.
T¸c gi¶ LuËn ¸n
Lª B¸ Khang
B¶NG Ký HIÖU Vµ Tõ VIÕT T¾T DïNG TRONG LUËN ¸N
V: VËn tèc trît (m/s).
: VËn tèc gãc (Rad/s).
n: Tèc ®é quay (vßng/phót hoÆc vßng/gi©y).
p: ¸p suÊt tÝnh to¸n (MPa).
D, R: §êng kÝnh, b¸n kÝnh cña b¹c trît (mm).
d1,r1: §êng kÝnh, b¸n kÝnh cña ngâng trôc (mm).
= R - r1: Khe hë híng kÝnh trôc - b¹c (mm).
: Khe hë t¬ng ®èi.
e: §é lÖch t©m.
: §é lÖch t©m t¬ng ®èi.
l: ChiÒu dµi b¹c trît (mm).
f: HÖ sè ma s¸t.
P: ¸p lùc (N).
: §é nhít ®éng häc cña chÊt láng (Ns/m2).
E: M« ®un ®µn håi vËt liÖu (MPa hoÆc GPa).
e: HÖ sè Poisson vËt liÖu.
h: BÒ dµy chÊt b«i tr¬n (m).
Ra: §é nh¸m bÒ mÆt (m).
0: Gãc tiÕp xóc gi÷a trôc vµ b¹c trît (®é).
PA: Polyamit.
PA6: Polyamit 6.
PA66: Polyamit 66.
POM: Polyoxymethylen.
PPS: Polyphenylenesulfur.
PTFE: Polytetraflouetylen hoÆc Teflon.
PEEK: Polyetheretheketon.
MoS2: §isulfuam«lip®en.
FEM: Finite Element Method.
PTHH: PhÇn t h÷u h¹n.
T§§H: Thñy ®éng ®µn håi.
HH: Hçn hîp.
GH: Giíi h¹n.
CHTBM: ChÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt.
CHTHH: ChÊt ho¹t tÝnh hãa häc.
MôC LôC
§ÆT VÊN §Ò
Ch¬ng 1:
æ §ì TRît, MA S¸T, HAO MßN, B«I TR¬N
Vµ KH¶ N¨NG MANG T¶I CñA æ
1.1. æ ®ì trît ............................................................................................... 7
1.2. VËt liÖu æ ®ì trît................................................................................... 8
1.2.1 Hîp kim chèng ma s¸t ........................................................................ 8
1.2.2. VËt liÖu phi kim lo¹i ........................................................................... 8
1.2.3. VËt liÖu gèm kim lo¹i ........................................................................ 9
1.3. Ma s¸t, hao mßn vµ b«i tr¬n æ ®ì trîtt .............................................. 10
1.3.1. Ma s¸t trong æ trît .......................................................................... 10
1.3.2. B«i tr¬n vµ lý thuyÕt b«i tr¬n ®iÓn h×nh............................................ 11
1.3.3. §Æc tÝnh vµ kh¶ n¨ng mang t¶i cña æ trît ....................................... 20
1.3.4. Hao mßn thêng gÆp trong æ trît .................................................. 22
1.3.5. C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh tribology trong æ trît ............. 24
1.3.6. æ ®ì trît trong mét sè thiÕt bÞ n¨ng lîng tµu thñy ........................ 29
Ch¬ng 2:
MA S¸T, HAO MßN Vµ B«I TR¬N §èI VíI CÆP
L¾P GHÐP KIM LO¹I - POLYME Vµ KIM LO¹I - POLYAMIT
T¨NG CêNG PHô GIA
2.1. Polyamit t¨ng cêng phô gia................................................................ 32
2.1.1. Polyamit .......................................................................................... 32
2.1.2. Polyamit t¨ng cêng phô gia............................................................ 32
2.1.3 øng dông cña Polyamit, Polyamit t¨ng cêng phô gia....................... 34
2.2. Ma s¸t, hao mßn vµ b«i tr¬n trong cÆp l¾p ghÐp kim lo¹i - polyme vµ
kim lo¹i - PA t¨ng cêng phô gia ......................................................... 37
2.2.1. Ma s¸t cÆp kim lo¹i - polyme vµ kim lo¹i - PA t¨ng cêng phô gia....37
2.2.2. Hao mßn cÆp kim lo¹i - polyme vµ kim lo¹i -PA t¨ng cêng phô gia. 47
2.3. T×nh h×nh nghiªn cøu trong vµ ngoµi níc ............................................. 54
2.3.1. ë níc ngoµi .................................................................................... 54
2.3.2. ë ViÖt Nam ...................................................................................... 55
Ch¬ng 3:
NéI DUNG, PH¬NG PH¸P
Vµ PH¬NG TIÖN NGHIªN CøU
3.1. Kh¸i qu¸t nh÷ng vÊn ®Ò nghiªn cøu ....................................................... 57
3.2. Ph¬ng ph¸p, kÕ ho¹ch nghiªn cøu........................................................ 57
3.3. Néi dung nghiªn cøu ............................................................................. 60
3.3.1. Chän vËt liÖu nghiªn cøu ................................................................. 60
3.3.2. §Æc ®iÓm vËt liÖu nghiªn cøu............................................................ 61
3.3.3. Ph¬ng thøc t¹o vËt liÖu tõ c¸c nguyªn liÖu h¹t................................. 61
3.3.4. T¹o mÉu vËt liÖu thÝ nghiÖm.............................................................. 62
3.3.5. X¸c ®Þnh tÝnh chÊt c¬, lý cña vËt liÖu tù t¹o....................................... 62
3.3.6. X¸c ®Þnh ®é nh¸m, cÊu tróc bÒ mÆt................................................... 66
3.3.7. Kh¶o nghiÖm ma s¸t kh« vµ ít cña mÉu .......................................... 67
3.3.8. Kh¶o nghiÖm ma s¸t b¹c trît........................................................... 76
3.3.9. Kh¶o nghiÖm ®é mßn kh« vµ ít cña mÉu ........................................ 82
3.3.10. Kh¶o nghiÖm mßn b¹c trît............................................................ 85
3.3.11. X¸c ®Þnh kh¶ n¨ng lµm viÖc, ®é bÒn cña æ ...................................... 88
Ch¬ng 4:
KÕT QU¶ NGHIªN CøU
4.1. Mét sè vÊn ®Ò trong c«ng nghÖ nhËn vËt liÖu cña ViÖt Nam .................. 92
4.2. KÕt qu¶ kh¶o nghiÖm tÝnh chÊt c¬, lý vËt liÖu ....................................... 92
4.3. KÕt qu¶ thùc nghiÖm ma s¸t, hao mßn ................................................... 95
4.3.1. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ma s¸t cÆp ThÐp 45 t«i-mÉu (PA6-15%PTFE1100) ...95
4.3.2. KÕt qu¶ kh¶o s¸t hao mßn cÆp ThÐp 45 t«i -(PA6-15%PTFE1100) .. 95
4.3.3. KÕt qu¶ kh¶o s¸t ma s¸t cÆp ThÐp 45-b¹c trît (PA6-15%PTFE1100)..95
4.4. Xö lý thùc nghiÖm. ................................................................................ 95
4.4.1. Lo¹i bá sai sè th«.............................................................................. 95
4.4.2. TÝnh hÖ sè cña hµm håi qui ............................................................... 99
4.4.3. KiÓm ®Þnh tÝnh t¬ng thÝch cña hµm håi qui víi thùc nghiÖm ......... 100
4.4.4. T×m hµm theo biÕn thùc .................................................................. 105
4.5. KÕt qu¶ tÝnh chÕ ®é ma s¸t trong æ....................................................... 115
4.6. KÕt qu¶ kh¶o nghiÖm mßn b¹c trît .................................................... 118
4.6.1. KÕt qu¶ kh¶o s¸t hao mßn vµ tÝnh tuæi thä b¹c trît........................ 118
4.6.2 . §o ®é nh¸m, chôp cÊu tróc bÒ mÆt tríc vµ sau kh¶o nghiÖm ........ 119
4.7. KÕt qu¶ ®o nhiÖt ®é lµm viÖc æn ®Þnh cao nhÊt.................................... 119
4.8. TÝnh gãc tiÕp xóc, chuyÓn vÞ vµ øng suÊt trong b¹c ............................. 120
4.8.1. ThiÕt lËp c«ng thøc tÝnh gãc tiÕp xóc ............................................. 120
4.8.2. Ph¬ng ph¸p PTHH tÝnh øng suÊt, chuyÓn vÞ cÆp trôc - b¹c ........... 122
Ch¬ng 5 :
NHËN XÐT Vµ KÕT LUËN
5.1. NhËn xÐt .............................................................................................. 130
5.2. KÕt luËn............................................................................................... 132
5.3. §Ò xuÊt................................................................................................ 132
TµI LIÖU THAM KH¶O ................................................................ 134
PHô LôC
Phô lôc1: ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm.
Phô lôc 2: PhiÕu kÕt qu¶ thö nghiÖm, kiÓm ®Þnh, ph©n tÝch mÉu.
Phô lôc 3: Mét sè sè liÖu ®o ma s¸t trªn thiÕt bÞ MS -TS1 øng dông ch¬ng tr×nh sè.
Phô lôc 4: Sè liÖu thùc nghiÖm.
Phô lôc 5: Sè liÖu ch¹y SAP 2000
§ÆT VÊN §Ò
Thùc tÕ, ma s¸t cã mÆt tÝch cùc trong ®êi sèng vµ kü thuËt: gióp chóng ta
®i l¹i dÔ dµng, t¹o sù v÷ng ch¾c cho c¸c mèi ghÐp, gióp cho qu¸ tr×nh h·m,
dõng cña «t«, m¸y bay, xe löa... Tuy nhiªn còng chÝnh ma s¸t ®· lÊy ®i mét
phÇn ba nguån n¨ng lîng mµ loµi ngêi s¶n xuÊt ra [13]. HÇu hÕt m¸y mãc,
thiÕt bÞ kh«ng thÓ tiÕp tôc lµm viÖc ®îc v× c¸c tiÕt m¸y bÞ hao mßn do ma s¸t.
ChÝnh v× vËy ma s¸t, hao mßn trë thµnh mét vÊn ®Ò cÊp thiÕt, thu hót sù
quan t©m chó ý cña nhiÒu nhµ khoa häc ë c¸c ngµnh, c¸c lÜnh vùc kh¸c nhau,
nhÊt lµ khi c«ng nghÖ vËt liÖu míi ngµy mét øng dông réng r·i vµo ®êi sèng
vµ kü thuËt.
ë ViÖt Nam, Nhµ níc hÕt søc coi träng ch¬ng tr×nh chiÕn lîc vÒ vËt
liÖu míi. KÕ ho¹ch nghiªn cøu ®îc triÓn khai réng r·i t¹i c¸c nhµ m¸y, c¸c
trêng ®¹i häc, c¸c viÖn nghiªn cøu... vµ ®· ®¹t ®îc nh÷ng thµnh tùu rÊt quan
träng, ®ãng gãp ®¸ng kÓ vµo sù ph¸t triÓn n¨ng ®éng cña nÒn kinh tÕ ®Êt níc
nh÷ng thËp niªn võa qua.
Trong ngµnh kinh tÕ biÓn, b¹c lãt cña æ ®ì trît cña hÖ trôc ch©n vÞt vµ
c¸c thiÕt bÞ ®îc dÉn ®éng tõ thiÕt bÞ n¨ng lîng trªn mçi con tµu ®ãng vai trß
hÕt søc quan träng, ¶nh hëng ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc, ®é bÒn, ®é tin cËy, tÝnh
kinh tÕ trong khai th¸c thiÕt bÞ chung toµn tµu.
HiÖn t¹i b¹c trît cu¶ hÖ trôc ch©n vÞt, m¸y têi kÐo neo, m¸y têi kÐo
líi... cña gÇn t¸m v¹n tµu ®¸nh c¸ vµ tµu nghiªn cøu, ®a phÇn ®îc lµm tõ
kim lo¹i mµu nhËp ngo¹i, víi gi¸ rÊt ®¾t. Hµng n¨m tiªu phÝ mét lîng ngo¹i
tÖ lín cña ®Êt níc. Bëi vËy t×m kiÕm vËt liÖu míi thay thÕ hîp kim mµu lµm b¹c
lãt trong c¸c æ ®ì trong thiÕt bÞ vµ hÖ trôc ®îc dÉn ®éng tõ thiÕt bÞ n¨ng lîng tµu
lµ hÕt søc cÇn thiÕt.
Polyme mµ tiªu biÓu lµ Polyamit cã nhiÒu u ®iÓm vît tréi vÒ kh¶ n¨ng
t¹o d¸ng, dÔ chÕ t¹o, gi¸ thµnh rÎ, hÖ sè ma s¸t nhá, ®é bÒn mßn cao, hÊp thô
dao ®éng tèt, kh«ng bÞ hoen gØ, bÒn víi m«i trêng x¨ng, dÇu vµ c¸c m«i trêng
¨n mßn... ®· ®îc mét sè t¸c gi¶ trong níc nghiªn cøu lµm b¹c lãt trît trong
c¸c æ ®ì hÖ trôc ch©n vÞt tµu c¸ vµ ®· ®¹t ®îc nh÷ng kÕt qu¶ nhÊt ®Þnh.
Tuy nhiªn kh¶ n¨ng truyÒn nhiÖt cña Polyamit thuÇn khiÕt thÊp, chÞu
nhiÖt kh«ng cao, hót níc nhiÒu... lµ nh÷ng h¹n chÕ cÇn ph¶i t×m c¸ch kh¾c
phôc ®Ó t¹o ra nh÷ng tÝnh n¨ng c¬, lý, tribology tèt h¬n, thÝch hîp cho viÖc
chÕ t¹o b¹c trît lµm viÖc víi m«i trêng b«i tr¬n dÇu, mì trong thiÕt bÞ n¨ng
lîng nãi chung vµ tµu thñy nãi riªng hiÖn vÉn lµ môc tiªu cña rÊt nhiÒu c«ng
tr×nh nghiªn cøu.
Mét trong nh÷ng biÖn ph¸p c¶i thiÖn c¸c h¹n chÕ nãi trªn lµ sö dông
chÊt phô gia, chÊt ®én.
Nghiªn cøu ma s¸t vµ mßn cña cÆp thÐp - b¹c trît Polyamit cã phô gia
trong c¸c m«i trêng b«i tr¬n kh¸c nhau nh»m x¸c ®Þnh chÕ ®é, ®iÒu kiÖn, kh¶
n¨ng lµm viÖc tèi u cho cÆp ma s¸t vµ lµm c¬ së khoa häc ®Ò xuÊt c¸c chØ tiªu
thiÕt kÕ hîp lý æ trît sö dông trong thiÕt bÞ, hÖ trôc ®îc dÉn ®éng tõ thiÕt bÞ
n¨ng lîng tµu thñy lµ viÖc lµm cÇn thiÕt vµ mang ý nghÜa thùc tÕ.
Víi môc ®Ých ®ã chóng t«i tiÕn hµnh “ Nghiªn cøu ma s¸t vµ mßn cña
trôc thÐp - b¹c trît copolyme sö dông trong thiÕt bÞ n¨ng lîng tµu thñy”.
Do tÝnh ®a d¹ng cña vÊn ®Ò vµ trong kh¶ n¨ng, ®iÒu kiÖn cho phÐp chóng
t«i tËp trung nghiªn cøu ma s¸t vµ mßn cña b¹c trît copolyme dïng lµm æ ®ì
trît trong c¸c thiÕt bÞ ®îc dÉn ®éng tõ thiÕt bÞ n¨ng lîng trªn tµu, mµ cô thÓ lµ æ
®ì trît cña mét sè thiÕt bÞ trªn boong. Víi c¸c néi dung chÝnh nh sau:
1- Ph©n tÝch chän vµ t¹o vËt liÖu. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè kü thuËt cña vËt liÖu
(PA6 -15%PTFE 1100).
2- Kh¶o nghiÖm trong phßng thÝ nghiÖm:
+ X¸c ®Þnh hÖ sè ma s¸t vµ cêng ®é hao mßn, tõ ®ã ®Ò xuÊt chÕ ®é vµ ®iÒu kiÖn
lµm viÖc (t¶i träng, tèc ®é, nhiÖt ®é, m«i trêng b«i tr¬n...) thÝch hîp nhÊt cho vËt liÖu.
+ X¸c ®Þnh hÖ sè ma s¸t, chÕ ®é ma s¸t, cêng ®é hao mßn, tõ ®ã ®Ò
xuÊt ph¬ng ph¸p tÝnh vÒ kÝch thíc, kh¶ n¨ng lµm viÖc cña b¹c trît (PA6
-15%PTFE 1100) trong m«i trêng b«i tr¬n.
+ X¸c ®Þnh nhiÖt ®é lµm viÖc æn ®Þnh cao nhÊt cña æ trôc thÐp 45 t«i b¹c trît (PA6 -15%PTFE 1100).
3- Trong néi dung thùc hiÖn chóng t«i tù thiÕt kÕ, l¾p ®Æt phô kiÖn, ®a ch¬ng
tr×nh sè vµo thiÕt bÞ ®o ma s¸t MS - TS1, n©ng cao ®é tin cËy, tÝnh æn ®Þnh cho sè liÖu
®o ma s¸t mÉu.
4- Ngoµi ra chóng t«i sö dông ph¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n tÝnh gãc tiÕp xóc
trôc - b¹c, chuyÓn vÞ, øng suÊt trong b¹c trît vµ thiÕt lËp ®å thÞ biÓu diÔn mèi
quan hÖ vÒ sù ph©n bè øng suÊt, chuyÓn vÞ theo gãc tiÕp xóc trong b¹c trît ë
chÕ ®é t¶i tÜnh.
Cho phÐp t«i tr©n träng c¶m ¬n PGS -TS Qu¸ch §×nh Liªn, PGS -TS D¬ng
§×nh §èi ®· híng dÉn khoa häc vµ t¹o ®iÒu kiÖn cho viÖc thùc hiÖn thµnh c«ng
LuËn ¸n.
Trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu chóng t«i ®· nhËn ®îc sù gióp ®ì cña Qói
ThÇy, cña TiÕn sÜ Lehmann - Gi¸m ®èc ViÖn C«ng nghÖ Polyme Dresden
(§øc), TiÕn sÜ Phan V¨n An - ViÖn phã ViÖn øng dông C«ng nghÖ Bé Khoa
häc vµ C«ng nghÖ, Gi¸o s -TiÕn sÜ NguyÔn H÷u NiÕu Trëng khoa C«ng nghÖ
vËt liÖu - Gi¸m ®èc Trung t©m, Kü s NguyÔn TiÕn Cêng - Trëng phßng
c«ng nghÖ Trung t©m nghiªn cøu vËt liÖu polyme, Kü s Gi¶ng viªn NguyÔn
Quang LuËt Trêng ®¹i häc B¸ch khoa thµnh phè Hå ChÝ Minh, NCS NguyÔn
Hoµng H¶i, Chuyªn viªn §ç ThÞ Mai Ph©n viÖn Khoa häc vËt liÖu thµnh phè
Hå ChÝ Minh, NCS Lª H¶i - Trëng phßng C«ng nghÖ Bøc x¹ ViÖn nghiªn cøu
H¹t nh©n §µ L¹t, Phßng tra cøu Trung t©m th«ng tin t liÖu Khoa häc vµ C«ng
nghÖ Quèc gia, Phßng kiÓm ®Þnh Trung t©m nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn chÕ biÕn
dÇu khÝ, Phßng kiÓm ®Þnh Trung t©m kü thuËt tiªu chuÈn ®o lêng chÊt lîng 3,
Xëng C¬ khÝ, Trung t©m chÕ t¹o Tµu c¸ vµ thiÕt bÞ, Trung t©m C«ng nghÖ Sinh
häc - M«i trêng, mét sè c¸n bé gi¶ng d¹y Khoa C¬ khÝ Trêng ®¹i häc Thñy
s¶n vµ c¸c em sinh viªn khãa 40, 41 ngµnh §éng lùc.
T«i xin bµy tá sù c¶m kÝch, lßng biÕt ¬n tríc sù gióp ®ì ch©n t×nh v« cïng quÝ
b¸u ®ã.
Nha Trang, th¸ng 10 n¨m 2004.
Lª B¸ Khang
Ch¬ng 1
æ §ì TRù¬t, ma s¸t, hao mßn, b«I tr¬n
vµ kh¶ n¨ng mang t¶I cña æ
1.1. æ §ì TRîT
Trong c¸c thiÕt bÞ hoÆc c¬ cÊu m¸y, æ ®ì trît lµ mét bé phËn cã nhiÖm
vô ®ì vµ gi÷ ®Ó trôc quay quanh ®êng t©m cña nã. æ trôc chÞu t¸c dông cña
c¸c lùc ®Æt trªn trôc vµ truyÒn c¸c lùc nµy vµo th©n m¸y, bÖ m¸y. Khi trôc
quay, gi÷a bÒ mÆt lµm viÖc cña ngâng trôc víi æ cã sù trît t¬ng ®èi.
æ ®ì trît cã cÊu t¹o ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 1.1
H×nh 1.1: CÊu t¹o æ ®ì trît
1- Trôc; 2 - æ ®ì ; 3- DÇu b«i tr¬n.
Trôc (1) b¸n kÝnh r1 quay trong æ ®ì ®øng yªn (2) b¸n kÝnh R. Trôc
chÞu lùc t¸c dông P theo ph¬ng BE.
Khi trôc kh«ng quay, trôc tiÕp xóc trùc tiÕp víi æ t¹i E. Khi trôc b¾t ®Çu
quay, ®iÓm tiÕp xóc E sÏ dÞch chuyÓn theo híng quay cña trôc, vÒ phÝa trªn,
gi÷a t©m trôc vµ t©m æ cã ®é lÖch t©m e.
ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng m« men ma s¸t sinh ra trong æ ®îc tÝnh:
Mms= P.f.r1
(1.1)
Khi æ cã c¸c th«ng sè h×nh häc vµ lµm viÖc trong m«i trêng cô thÓ, víi
t¶i t¸c dông ®îc x¸c ®Þnh th× m« men ma s¸t phô thuéc vµo hÖ sè ma s¸t cña
æ.
æ trît cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é ma s¸t ít, chÕ ®é ma s¸t hçn hîp hoÆc
chÕ ®é ma s¸t giíi h¹n, tïy thuéc vµo bÒ dµy líp b«i tr¬n gi÷a bÒ mÆt ngâng
trôc vµ lãt æ [17].
Gi¸ trÞ hÖ sè ma s¸t trong æ trît kh¸c nhau hµng tr¨m thËm chÝ ngµn
lÇn phô thuéc ®iÒu kiÖn lµm viÖc víi lo¹i h×nh ma s¸t t¬ng øng [1], [19].
1.2. VËT LIÖU æ TRîT
HiÖn t¹i, sö dông ba lo¹i vËt liÖu chÝnh ®Ó lµm b¹c lãt æ trît ®ã lµ hîp
kim chèng ma s¸t, vËt liÖu phi kim lo¹i vµ gèm.
1.2.1. Hîp kim chèng ma s¸t
1.2.1.1. Hîp kim §ång
Thµnh phÇn cña hîp kim §ång bao gåm: §ång-ThiÕc, §ång-KÏm,
§ång - Ch×, c¸c hîp kim nµy cã ®Æc ®iÓm chÞu ma s¸t, truyÒn nhiÖt tèt, cã ®é
bÒn c¬ tèt, chÞu ®îc vËn tèc vµ t¶i träng c¬ häc cao, kh«ng hÊp thô níc, Ýt
d·n në nhiÖt, chÞu va ®Ëp tèt. Tuy nhiªn chØ sö dông tèt khi ®îc b«i tr¬n b»ng
dÇu, mì.
1.2.1.2. Hîp kim Babit
Thµnh phÇn cña hîp kim Babit chñ yÕu lµ ThiÕc, Ch× ngoµi ra cßn cã
Antimoan, §ång, Niken, Tenlu vµ mét sè chÊt kh¸c. Babit lµ mét hîp kim cã
kh¶ n¨ng chÞu mßn, truyÒn nhiÖt tèt, chÞu va ®Ëp, cã tÝnh ®µn håi lín, tuæi thä
cao. Tuy nhiªn gi¸ thµnh rÊt ®¾t vµ ®é bÒn thÊp nªn ngêi ta chØ m¹ mét líp
máng trªn bÒ mÆt. Trong sö dông chØ phï hîp víi viÖc b«i tr¬n b»ng dÇu, mì.
1.2.2. VËt liÖu phi kim lo¹i
VËt liÖu phi kim lo¹i sö dông lµm b¹c trît bao gåm chÊt dÎo, chÊt dÎo
t¨ng cêng, gç, cao su.
1.2.2.1. VËt liÖu chÊt dÎo - chÊt dÎo t¨ng cêng
ChÊt dÎo tæng hîp ®îc sö dông lµm b¹c trît, thay thÕ tõng bíc hîp
kim §ång, Ba bÝt v× chóng tháa m·n yªu cÇu cña vËt liÖu trît [14], [34] nh:
- Cã tÝnh chÊt c¬ häc tèt, cã ®é bÒn mái cao, cã kh¶ n¨ng gi¶m chÊn,
hÊp thô dao ®éng tèt, chÕ t¹o ®¬n gi¶n, tÝnh c«ng nghÖ cao.
- Cã hÖ sè ma s¸t thÊp, ®é bÒn mßn cao.
- Cã kh¶ n¨ng tù ch¹y rµ, lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn thiÕu b«i tr¬n, lµm m¸t.
- Nguån nguyªn liÖu dåi dµo, gi¸ rÎ, ®iÒu kiÖn tèt ®Ó gi¶m gi¸ thµnh s¶n
phÈm.
Næi bËt trong sè chÊt dÎo ®îc sö dông lµm b¹c trît lµ nhãm
Polyamit.
VËt liÖu t¨ng cêng thêng sö dông lµm b¹c trît ®èi víi nhùa nhiÖt r¾n
cã Phenol-formal®ehýt (nhùa nÒn) chÊt ®én lµ v¶i b«ng, hoÆc pha thªm
GraphÝt...®èi víi nhùa nhiÖt dÎo cã Polyamit (nhùa nÒn) kÕt hîp víi phô gia
nh GraphÝt, PTFE...hoÆc chÊt ®én sîi thñy tinh, sîi c¸c bon...
1.2.2.2. VËt liÖu cao su
VËt liÖu cao su sö dông lµm b¹c trît cã u ®iÓm: tÝnh ®µn håi cao,
gi¶m chÊn tèt, lµm viÖc æn ®Þnh, trong m«i trêng cã lÉn t¹p chÊt Ýt bÞ mßn.
HÖ sè ma s¸t gi¶m khi t¨ng t¶i träng. Nhng kh¶ n¨ng truyÒn nhiÖt kÐm, nhiÖt
®é lµm viÖc kh«ng cao, cÇn ph¶i b«i tr¬n lµm m¸t liªn tôc [34].
1.2.2.3. VËt liÖu gç
ë níc ta sö dông gç NghiÕn, gç Cam xe, gç Me, gç Duèi, gç Th«ng...
lµm b¹c trît æ ®ì trôc ch©n vÞt cho tµu c¸ cì nhá.
Trªn thÕ giíi dïng gç Gai ¾c ë Nam Mü (gç tù nhiªn) lµm b¹c lãt æ ®ì
trôc ch©n vÞt cho tµu thñy, nhê cã chÊt dÇu trong gç mµ trong ®iÒu kiÖn kh«ng
cã b«i tr¬n, chÊt dÇu nµy tiÕt ra cã t¸c dông b«i tr¬n cho cÆp ma s¸t.
1.2.3. VËt liÖu gèm kim lo¹i
VËt liÖu æ trît b»ng gèm kim lo¹i thêng lµ bét §ång thanh - GraphÝt,
bét S¾t - GraphÝt... VËt liÖu cã nhiÒu lç rçng (chiÕm 1535% thÓ tÝch), khi lµm
viÖc trong m«i trêng cã dÇu b«i tr¬n, dÇu sÏ ngÊm vµo c¸c lç rçng sau ®ã tù
øa ra b«i tr¬n cho lãt æ vµ ngâng trôc. Nhng vËt liÖu nµy ph¶i chÕ t¹o ë nhiÖt
®é cao, ¸p suÊt lín.
1.3. MA S¸T, HAO MßN Vµ B«I TR¬N æ §ì TRîT
1.3.1. Ma s¸t trong æ trît
Ma s¸t lµ hiÖn tîng phæ biÕn, lµm c¶n trë chuyÓn ®éng cña c¸c vËt thÓ.
Qu¸ tr×nh ma s¸t diÔn ra rÊt phøc t¹p, phô thuéc vµo c¸c biÕn ®æi ë vïng tiÕp
xóc thùc, phô thuéc vµo tÝnh chÊt c¬, lý cña líp bÒ mÆt, ®iÒu kiÖn ma s¸t vµ
m«i trêng [6], [8], [12], [14].
VÒ lý thuyÕt, nh÷ng c«ng tr×nh nghiªn cøu ma s¸t næi tiÕng vµ ph¸t
minh ®Çu tiªn thuéc vÒ Leonardo De Vinci n¨m 1508 [8], [13], [14], [17].
S.Coulomb 1779 [8], [13], [17] lµ ngêi ®Çu tiªn nghiªn cøu b¶n chÊt ®éng
cña ma s¸t. «ng ®· thµnh c«ng lín ë chç ph¸t hiÖn ra b¶n chÊt hai mÆt cña ma
s¸t. Lùc ma s¸t lµ tæng hîp cña hai søc c¶n: søc c¶n cña liªn kÕt tØ lÖ víi t¶i
träng, kh«ng phô thuéc vµo diÖn tÝch, vµ søc c¶n cña liªn kÕt phô thuéc vµo
diÖn tÝch tiÕp xóc. B¶n chÊt hai mÆt Êy ®îc biÓu diÔn qua ®Þnh luËt Coulomb
nh sau:
F = A + N
(1.2)
§.A.Thomplison chØ râ ma s¸t lµ kÕt qu¶ cña lùc hÊp dÉn vµ kÕt dÝnh
gi÷a hai bÒ mÆt.
C¸c nhµ khoa häc t¹i [13] cho r»ng qu¸ tr×nh ma s¸t lµ qu¸ tr×nh liªn tôc
“chinh phôc “c¸c mÊp m« ph©n tö trªn bÒ mÆt tiÕp xóc.
C¸c nhµ khoa häc theo thuyÕt c¬ - ph©n tö [8], [13] ®· chØ ra r»ng ma s¸t gi÷a
c¸c vËt thÓ tiÕp xóc lµ tæng cña hai thµnh phÇn: thµnh phÇn thø nhÊt do c¶n trë
c¬ häc, thµnh phÇn thø hai do lùc t¬ng t¸c ph©n tö. B¶n chÊt ®ã ®îc biÓu
diÔn b»ng biÓu thøc nh sau:
T k1 .St k 2 .N
(1.3)
HÖ sè ma s¸t ®îc x¸c ®Þnh:
f
T k 1 .S 2
k2
N
N
(1.4)
ThuyÕt n¨ng lîng - lý thuyÕt hiÖn ®¹i vÒ ma s¸t [8], [13] cho biÕt ma s¸t
ngoµi liªn quan chÆt chÏ ®Õn c¸c hiÖn tîng cã quan hÖ mËt thiÕt víi líp
máng bÒ mÆt tiÕp xóc vµ cã quan hÖ ®Õn nhiÒu qu¸ tr×nh vËt lý, hãa häc, c¬
häc, n¨ng lîng...lµm ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh ma s¸t.
Cã thÓ nãi khoa häc ma s¸t ®· thu ®îc nhiÒu thµnh qu¶ rÊt quan träng,
g¾n liÒn víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghiÖp c¬ khÝ, vµ kh¼ng ®Þnh: khi vËt thÓ
tiÕp xóc cã chuyÓn ®éng t¬ng ®èi, t¹i vïng tiÕp xóc x¶y ra c¸c t¬ng t¸c c¬,
lý, hãa, ®iÖn. KÕt qu¶ nghiªn cøu cña c¸c nhµ khoa häc ®· chØ ra r»ng:
Lùc ma s¸t (T) lµ hµm sè cña lùc ph¸p tuyÕn (N), tèc ®é trît (V) vµ
c¸c th«ng sè vÒ vËt liÖu, m«i trêng ( c ) [6], [18], [19] biÓu diÔn b»ng biÓu
thøc sau:
T = f ( N, V, c )
(1.5)
1.3.2. B«i tr¬n vµ lý thuyÕt b«i tr¬n ®iÓn h×nh
1.3.2.1. Qu¸ tr×nh nghiªn cøu vËt liÖu vµ kü thuËt b«i tr¬n
B«i tr¬n nh»m lµm gi¶m søc c¶n ma s¸t, gi¶m hao mßn. VËt liÖu b«i
tr¬n vµ kü thuËt b«i tr¬n cã ¶nh hëng rÊt lín ®Õn ma s¸t, hao mßn. V× vËy
lu«n ®îc c¸c nhµ khoa häc quan t©m nghiªn cøu hoµn thiÖn.
Sù ph¸t triÓn cña s¶n xuÊt vËt liÖu b«i tr¬n ®i liÒn víi nÒn s¶n xuÊt m¸y mãc.
Tríc n¨m 1880 vËt liÖu b«i tr¬n chñ yÕu lµ dÇu, mì thùc vËt.
N¨m 1900 ®¸nh dÊu sù ra ®êi cña dÇu kho¸ng b«i tr¬n, chóng thay thÕ
dÇn vµ ®Õn n¨m 1950 hoµn toµn thay thÕ dÇu thùc vËt.
C¸c nhµ khoa häc ®· nghiªn cøu sö dông c¸c chÊt pha nh»m lµm t¨ng tÝnh
n¨ng cho dÇu kho¸ng trong giai ®o¹n tõ n¨m 1950 ®Õn 1970.
Vµo ®Çu nh÷ng n¨m 1970 khi khoa häc, kü thuËt ph¸t triÓn con ngêi
®· tæng hîp ®îc dÇu b«i tr¬n vµ chóng liªn tôc sö dông cã hiÖu qu¶ cho ®Õn
ngµy nay.
§Æc tÝnh quan träng nhÊt cña chÊt b«i tr¬n lµ t¹o nªn líp giíi h¹n, líp
b¶o vÖ thø cÊp trªn bÒ mÆt ma s¸t khi tiÕp xóc, chóng cã ¶nh hëng quyÕt ®Þnh
®Õn ma s¸t vµ hao mßn. ViÖc t¹o thµnh líp giíi h¹n ph¶i kÓ ®Õn t¸c dông cña
chÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt (CHTBM) nh thµnh phÇn c¸c gèc tù do cña a xÝt, xµ
phßng, chÊt bÐo...hoÆc c¸c ph©n tö ph©n cùc. Sù h×nh thµnh líp b¶o vÖ thø cÊp
lµ do t¸c dông cña chÊt ho¹t tÝnh hãa häc (CHTHH) nh clo, phèt pho, lu
huúnh...cã trong dÇu, mì b«i tr¬n.
Thêng sö dông ®é dµy t¬ng ®èi (R) cña líp b«i tr¬n ®Ó ph©n biÖt ma
s¸t vµ c¸c lo¹i h×nh b«i tr¬n [13], [69]:
R
h
Ra1 Ra 2
(1.6)
Trong ®ã:
h: BÒ dµy nhá nhÊt líp b«i tr¬n.
Ra1 + Ra2: Tæng ®é lÖch trung b×nh cña mÊp m« hai bÒ mÆt.
1.3.2.2. C¸c lý thuyÕt b«i tr¬n ®iÓn h×nh
1, Lý thuyÕt b«i tr¬n ít
Vµo n¨m 1883 N.P.Petrov ®· c«ng bè c«ng tr×nh nghiªn cøu “Ma s¸t
trong m¸y vµ ¶nh hëng cña chÊt b«i tr¬n láng ®Õn chóng”.
Theo «ng lùc ma s¸t kh«ng chØ phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña chÊt láng
b«i tr¬n mµ cßn phô thuéc bÒ dµy líp b«i tr¬n gi÷a ngâng trôc vµ b¹c lãt.
B«i tr¬n ít lµ d¹ng b«i tr¬n t¹o ra líp dÇu ph©n c¸ch hai bÒ mÆt chi
tiÕt m¸y (bÒ dµy líp dÇu lín h¬n tæng ®é cao nhÊp nh« hai bÒ mÆt). Ma s¸t
trong trêng hîp ®ã gäi lµ ma s¸t ít.
ViÖc h×nh thµnh ma s¸t ít thñy ®éng trong æ trôc (h×nh 1.1) lµ nhê lµm
t¨ng tèc ®é quay cña trôc ®Õn mét gi¸ trÞ nµo ®ã sÏ xuÊt hiÖn chªm dÇu, cã t¸c
dông n©ng trôc, kh«ng cho trôc tiÕp xóc trùc tiÕp víi æ ®ì. Chªm dÇu ®îc
h×nh thµnh lµ do hiÖu qu¶ cña ma s¸t trong cña dÇu b«i tr¬n. Trôc quay cuèn
theo c¸c líp dÇu b¸m theo nã víi vËn tèc kh¸c nhau. ChÝnh do néi ma s¸t
trong líp dÇu mµ hÇu nh toµn bé lîng dÇu chøa trong æ chuyÓn ®éng tuÇn
hoµn quanh chu vi æ trôc (trõ líp máng b¸m trªn thµnh æ vµ ngâng trôc). Khi
¸p lùc ®îc h×nh thµnh trong líp dÇu c©n b»ng víi lùc t¸c dông ngoµi (P) th×
trôc quay æn ®Þnh.
B.Tower (18831885) ®· tiÕn hµnh nhiÒu thÝ nghiÖm t×m ®îc sù ph©n
bè ¸p suÊt thuû ®éng trong chÊt láng [13].
N¨m 1886 trªn c¬ së mét sè gi¶ thuyÕt, O.Reynolds dïng to¸n häc m«
t¶ lý thuyÕt b«i tr¬n thuû ®éng ®îc biÓu diÔn qua ph¬ng tr×nh vi ph©n tæng
qu¸t sau ®©y [13], [17], [67], [69], [82]:
h 3 p .h 3 p
.h
6V1 V2
12.U
x x z z
x
(1.7)
Tuy nhiªn ph¬ng ph¸p tÝnh cña O. Reynolds cßn kh¸ nhiÒu vÊn ®Ò
cha tháa ®¸ng nh rÊt phøc t¹p, vµ khi ®é lÖch t©m lín h¬n nöa hiÖu b¸n kÝnh
cong cña c¸c bÒ mÆt l¾p ghÐp th× ph¬ng tr×nh kh«ng cã nghiÖm...
Mét sè khÝa c¹nh mµ O. Reynolds cha ®Ò cËp ®Õn nh: sù lät dÇu ë
mÆt bªn, ®é nhÊp nh« bÒ mÆt, sù thay ®æi ®é nhít cña dÇu theo nhiÖt ®é...®·
®îc nhiÒu nhµ khoa häc tËp trung nghiªn cøu vµ trong lÜnh vùc nµy ph¶i kÓ
®Õn F.Bowden vµ G.I Taylor... lµ ngêi ®Çu tiªn tÝnh ®Õn bÒ mÆt liªn kÕt vµ sù
thay ®æi ®é nhít cña dÇu khi thay ®æi ¸p suÊt vµ khi tèc ®é trît lín.
A.Zommerfeld n¨m 1904 b»ng lêi gi¶i vÒ sù quay cña cæ trôc trong b¹c lãt
b¸n nguyÖt víi mäi gi¸ trÞ cã ®é lÖch t©m ®· kh¾c phôc nhîc ®iÓm thø hai
cña O. Reynolds.
N¨m 1904, A.Sommerd (1868 1951) ®· sö dông ph¬ng ph¸p gi¶i tÝch
cho æ dµi v« tËn víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn mang tªn A.Sommerd. Nhng ¸p suÊt
ra cña mµng dÇu trong æ l¹i ©m, kÕt qu¶ nµy kh«ng thùc tÕ do t¸c gi¶ cha tÝnh
®Õn sù gi¸n ®o¹n cña mµng dÇu.
N¨m 1905, A.G.Michael (1870 1959) ®· chØ ra ®îc sù gi¶m ¸p suÊt
ë phÇn biªn cña mµng dÇu b«i tr¬n gi÷a hai tÊm ph¼ng cã kÝch thíc x¸c ®Þnh.
N¨m 1914, L.F. Gumbel (1874 1923) ®· ®Ò nghÞ bá qua miÒn ¸p suÊt
©m khi tÝnh æ.
D.Berthe vµ M.Godet [38] nghiªn cøu bæ xung, tæng qu¸t hãa ph¬ng
tr×nh cæ ®iÓn cña O.Reynolds b»ng viÖc ®a thªm th«ng sè bÒ mÆt nh¸m.
§Æc biÖt c¸c nghiªn cøu c«ng bè gÇn nhÊt (n¨m 2001) vÒ biªn d¹ng mµng
dÇu b«i tr¬n, chuyÓn ®éng gãc cña trôc, t¶i träng ®éng ®èi víi æ trît nh:
C¸c t¸c gi¶ t¹i [61] x¸c ®Þnh ®îc biªn d¹ng mµng dÇu h×nh tói hoÆc
gÇn nh ph¼ng trong æ trît khi b«i tr¬n thñy ®éng.
C¸c nhµ khoa häc [65] cho biÕt trong b«i tr¬n thñy ®éng ngâng trôc cã
chuyÓn ®éng c¶ híng däc lÉn híng ngang, vÞ trÝ cña gãc trôc lµ do hai hay
nhiÒu thµnh phÇn ph©n bè ¸p suÊt thñy ®éng kÓ c¶ phÇn gi¸p ranh n¬i b¾t ®Çu
vµ kÕt thóc vïng ph©n bè ¸p suÊt t¸c ®éng.
Nghiªn cøu cña G.An®rei, M.Jascanu vµ L.An®rei [36] vÒ ¶nh hëng
cña t¶i träng ®éng ®Õn bÒ dµy mµng dÇu, ®· chØ ra tèc ®é ban ®Çu cña va ch¹m
¶nh hëng chñ yÕu ®Õn ¸p suÊt vµ bÒ dµy mµng dÇu b«i tr¬n. Khi tèc ®é va
ch¹m Vt >1,6m/s sÏ sinh ra ¸p suÊt cao h¬n ¸p suÊt b«i tr¬n thñy ®éng b×nh
thêng, t¹o ®iÒu kiÖn chuyÓn ®æi tíi giai ®o¹n b«i tr¬n thñy ®éng ®µn håi
trong æ.
HiÖn tîng b«i tr¬n thñy ®éng trong c¸c æ trît b»ng vËt liÖu polyme
diÔn ra thuËn lîi h¬n so víi c¸c æ b»ng kim lo¹i, lµ do polyme cã tÝnh ®µn håi
cao h¬n.
B«i tr¬n trong c¸c æ ®ì polyme thùc chÊt lµ b¸n thñy ®éng ®µn håi (biÕn
d¹ng cña c¸c chi tiÕt polyme lín lµm ®iÒu hßa ¸p suÊt trong líp b«i tr¬n). Gi¸
trÞ cña vËn tèc gãc cña ngâng trôc cã thÓ t¹o cho æ ®ì sù b«i tr¬n thñy ®éng
®îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc sau [15]:
p Wh .p h
p..h min
0 .D
(1.8)
Trong ®ã:
Wh
2.25
M h .N h
HÖ sè ph©n tÝch ®Õn sù ®µn håi t¬ng ®èi cña b¹c lãt vµ
ngâng trôc (Mh) vµ sù phô thuéc cña ®é nhít dÇu b«i tr¬n vµo ¸p suÊt
trong vïng tiÕp xóc (Nh).
l
- P 2.
d
l
0.4 0.5
d
l
d
Khi 0.2 2 hÖ sè biÓu thÞ sù tæn thÊt dÇu b«i tr¬n.
- : Khe hë t¬ng ®èi.
- hmin: BÒ dµy líp dÇu nhá nhÊt gi÷a trôc vµ æ.
- D: §êng kÝnh trong æ trît (mm)
- 0: §é nhít ®éng lùc cña dÇu b«i tr¬n (N s/m2)
HÖ sè ma s¸t trong æ trît khi b«i tr¬n ít thñy ®éng phô thuéc vµo ®é
nhít ®éng lùc cña chÊt láng b«i tr¬n, tèc ®é gãc cña trôc quay, ¸p suÊt vµ khe hë
híng kÝnh trôc - b¹c ®îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc nh sau [19]:
f
Tû sè
.r1
.
p
(1.9)
.
lµ sè ®Æc tÝnh b«i tr¬n cña æ.
p
Nh vËy, tuy cßn mét sè tån t¹i song ph¬ng tr×nh cña O.Reynolds ®·
®Æt nÒn mãng cho lý thuyÕt b«i tr¬n thñy ®éng, lµm tiÒn ®Ò cho c¸c nghiªn
cøu míi vµ ®· më réng, n©ng tÇm øng dông cho viÖc nghiªn cøu b«i tr¬n trong
c¸c æ thuû ®éng, b«i tr¬n thuû ®éng ®µn håi...
2, Lý thuyÕt b«i tr¬n giíi h¹n
B«i tr¬n giíi h¹n lµ trêng hîp gi÷a bÒ mÆt trôc vµ b¹c trît chØ ph©n
c¸ch bëi mét líp chÊt b«i tr¬n rÊt máng (kho¶ng 0,1m hoÆc 0,5m). ChÊt
láng b«i tr¬n trong trêng hîp nµy cã c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt, c¸c ph©n tö ë gÇn
bÒ mÆt bÞ hót bëi lùc bÒ mÆt vËt r¾n do ®ã lµm gi¶m kh¶ n¨ng ho¹t ®éng tù do
cña chóng, nhng lµm t¨ng kh¶ n¨ng s¾p xÕp c¸c phÇn tö song song víi ®êng
t¸c dông cña lùc, t¨ng t¸c dông t¬ng hç gi÷a c¸c ph©n tö t¹o nªn líp tùa tinh
thÓ, ngoµi ra cßn ®Þnh híng c¸c ph©n tö lµm t¨ng sù bè trÝ kh«ng gian, t¨ng
mËt ®é ph©n tö trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch dÉn tíi ®é nhít vµ tØ träng riªng cña
dÇu b«i tr¬n t¨ng, do ®ã líp dÇu b«i tr¬n ë cËn kÒ bÒ mÆt vËt r¾n cã tÝnh chÊt
- Xem thêm -