BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỦY SẢN
LÊ BÁ KHANG
NGHIÊN CỨU MA SÁT VÀ MÒN
CỦA TRỤC THÉP - BẠC TRƯT COPOLYME
SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ NĂNG LƯNG TÀU
THỦY
CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ VÀ CÁC BỘ PHẬN NĂNG LƯNG TRONG TÀU
MÃ SỐ : 2.03.05
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS QUÁCH ĐÌNH LIÊN
PGS.TS DƯƠNG ĐÌNH ĐỐI XIN TRÂN TRọNG CảM ƠN
- PGS.TS. QUáCH ĐìNH LIÊN
- PGS.TS. DƯƠNG ĐìNH Đối Đã HớNG DẫN KHOA HọC Và TạO đIềU KIệN
để TôI THựC HIệN THàNH CôNG LUậN áN
BảNG Ký HIệU Và Từ VIếT TắT DùNG TRONG LUậN áN
V: Vận tốc trợt (m/s).
: Vận tốc góc (Rad/s).
n: Tốc độ quay (vòng/phút hoặc vòng/giây).
p: áp suất tính toán (MPa).
D, R: Đờng kính, bán kính của bạc trợt (mm).
d
1
,r
1
: Đờng kính, bán kính của ngõng trục (mm).
= R - r
1
: Khe hở hớng kính trục - bạc (mm).
: Khe hở tơng đối.
e: Độ lệch tâm.
: Độ lệch tâm tơng đối.
l: Chiều dài bạc trợt (mm).
f: Hệ số ma sát.
MụC LụC
ĐặT VấN Đề
Chơng 1: ổ Đỡ TRợt, MA SáT, HAO MòN, BôI TRơN
Và KHả NăNG MANG TảI CủA ổ
1.1. ổ đỡ trợt 7
1.2. Vật liệu ổ đỡ trợt 8
1.2.1 Hợp kim chống ma sát 8
1.2.2. Vật liệu phi kim loại 8
1.2.3. Vật liệu gốm kim loại 9
1.3. Ma sát, hao mòn và bôi trơn ổ đỡ trợtt 10
1.3.1. Ma sát trong ổ trợt 10
3.3.5. Xác định tính chất cơ, lý của vật liệu tự tạo 62
3.3.6. Xác định độ nhám, cấu trúc bề mặt 66
3.3.7. Khảo nghiệm ma sát khô và ớt của mẫu 67
3.3.8. Khảo nghiệm ma sát bạc trợt 76
3.3.9. Khảo nghiệm độ mòn khô và ớt của mẫu 82
3.3.10. Khảo nghiệm mòn bạc trợt 85
3.3.11. Xác định khả năng làm việc, độ bền của ổ 88
Chơng 4: KếT QUả NGHIêN CứU
4.1. Một số vấn đề trong công nghệ nhận vật liệu của Việt Nam 92
4.2. Kết quả khảo nghiệm tính chất cơ, lý vật liệu 92
4.3. Kết quả thực nghiệm ma sát, hao mòn 95
4.3.1. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45 tôi-mẫu (PA6-15%PTFE1100) 95
4.3.2. Kết quả khảo sát hao mòn cặp Thép 45 tôi -(PA6-15%PTFE1100) 95
4.3.3. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45-bạc trợt (PA6-15%PTFE1100) 95
4.4. Xử lý thực nghiệm. 95
4.4.1. Loại bỏ sai số thô 95
4.4.2. Tính hệ số của hàm hồi qui 99
4.4.3. Kiểm định tính tơng thích của hàm hồi qui với thực nghiệm 100
4.4.4. Tìm hàm theo biến thực 105
4.5. Kết quả tính chế độ ma sát trong ổ 115
4.6. Kết quả khảo nghiệm mòn bạc trợt 118
4.6.1. Kết quả khảo sát hao mòn và tính tuổi thọ bạc trợt 118
4.6.2 . Đo độ nhám, chụp cấu trúc bề mặt trớc và sau khảo nghiệm 119
4.7. Kết quả đo nhiệt độ làm việc ổn định cao nhất 119
4.8. Tính góc tiếp xúc, chuyển vị và ứng suất trong bạc 120
4.8.1. Thiết lập công thức tính góc tiếp xúc 120
4.8.2. Phơng pháp PTHH tính ứng suất, chuyển vị cặp trục - bạc 122
Chơng 5 : NHậN XéT Và KếT LUậN
Hiện tại bạc trợt cuả hệ trục chân vịt, máy tời kéo neo, máy tời kéo
lới của gần tám vạn tàu đánh cá và tàu nghiên cứu, đa phần đợc làm từ
kim loại màu nhập ngoại, với giá rất đắt. Hàng năm tiêu phí một lợng ngoại
tệ lớn của đất nớc. Bởi vậy tìm kiếm vật liệu mới thay thế hợp kim màu làm bạc
lót trong các ổ đỡ trong thiết bị và hệ trục đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng tàu
là hết sức cần thiết.
Polyme mà tiêu biểu là Polyamit có nhiều u điểm vợt trội về khả năng
tạo dáng, dễ chế tạo, giá thành rẻ, hệ số ma sát nhỏ, độ bền mòn cao, hấp thụ
dao động tốt, không bị hoen gỉ, bền với môi trờng xăng, dầu và các môi trờng
ăn mòn đã đợc một số tác giả trong nớc nghiên cứu làm bạc lót trợt trong
các ổ đỡ hệ trục chân vịt tàu cá và đã đạt đợc những kết quả nhất định.
Tuy nhiên khả năng truyền nhiệt của Polyamit thuần khiết thấp, chịu
nhiệt không cao, hút nớc nhiều là những hạn chế cần phải tìm cách khắc
phục để tạo ra những tính năng cơ, lý, tribology tốt hơn, thích hợp cho việc
chế tạo bạc trợt làm việc với môi trờng bôi trơn dầu, mỡ trong thiết bị năng
lợng nói chung và tàu thủy nói riêng hiện vẫn là mục tiêu của rất nhiều công
trình nghiên cứu.
Một trong những biện pháp cải thiện các hạn chế nói trên là sử dụng
chất phụ gia, chất độn.
Nghiên cứu ma sát và mòn của cặp thép - bạc trợt Polyamit có phụ gia
trong các môi trờng bôi trơn khác nhau nhằm xác định chế độ, điều kiện, khả
năng làm việc tối u cho cặp ma sát và làm cơ sở khoa học đề xuất các chỉ tiêu
thiết kế hợp lý ổ trợt sử dụng trong thiết bị, hệ trục đợc dẫn động từ thiết bị
năng lợng tàu thủy là việc làm cần thiết và mang ý nghĩa thực tế.
Với mục đích đó chúng tôi tiến hành Nghiên cứu ma sát và mòn của
trục thép - bạc trợt copolyme sử dụng trong thiết bị năng lợng tàu thủy.
Do tính đa dạng của vấn đề và trong khả năng, điều kiện cho phép chúng
tôi tập trung nghiên cứu ma sát và mòn của bạc trợt copolyme dùng làm ổ đỡ
trợt trong các thiết bị đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng trên tàu, mà cụ thể là ổ
đỡ trợt của một số thiết bị trên boong. Với các nội dung chính nh sau:
nghệ Quốc gia, Phòng kiểm định Trung tâm nghiên cứu và phát triển chế biến
dầu khí, Phòng kiểm định Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lờng chất lợng 3,
Xởng Cơ khí, Trung tâm chế tạo Tàu cá và thiết bị, Trung tâm Công nghệ Sinh
học - Môi trờng, một số cán bộ giảng dạy Khoa Cơ khí Trờng đại học Thủy
sản và các em sinh viên khóa 40, 41 ngành Động lực.
Tôi xin bày tỏ sự cảm kích, lòng biết ơn trớc sự giúp đỡ chân tình vô cùng quí
báu đó.
Nha Trang, tháng 10 năm 2004.
Lê Bá Khang
Chơng 1
ổ Đỡ TRựơt, ma sát, hao mòn, bôI trơn
và khả năng mang tảI của ổ
1.1. ổ Đỡ TRợT
Trong các thiết bị hoặc cơ cấu máy, ổ đỡ trợt là một bộ phận có nhiệm
vụ đỡ và giữ để trục quay quanh đờng tâm của nó. ổ trục chịu tác dụng của
các lực đặt trên trục và truyền các lực này vào thân máy, bệ máy. Khi trục
quay, giữa bề mặt làm việc của ngõng trục với ổ có sự trợt tơng đối.
ổ đỡ trợt có cấu tạo đợc trình bày trên hình 1.1
Trục (1) bán kính r1 quay trong ổ đỡ đứng yên (2) bán kính R. Trục
chịu lực tác dụng P theo phơng BE.
Khi trục không quay, trục tiếp xúc trực tiếp với ổ tại E. Khi trục bắt đầu
Thành phần của hợp kim Babit chủ yếu là Thiếc, Chì ngoài ra còn có
Antimoan, Đồng, Niken, Tenlu và một số chất khác. Babit là một hợp kim có
khả năng chịu mòn, truyền nhiệt tốt, chịu va đập, có tính đàn hồi lớn, tuổi thọ
cao. Tuy nhiên giá thành rất đắt và độ bền thấp nên ngời ta chỉ mạ một lớp
mỏng trên bề mặt. Trong sử dụng chỉ phù hợp với việc bôi trơn bằng dầu, mỡ.
1.2.2. Vật liệu phi kim loại
Vật liệu phi kim loại sử dụng làm bạc trợt bao gồm chất dẻo, chất dẻo
tăng cờng, gỗ, cao su.
1.2.2.1. Vật liệu chất dẻo - chất dẻo tăng cờng
Chất dẻo tổng hợp đợc sử dụng làm bạc trợt, thay thế từng bớc hợp
kim Đồng, Ba bít vì chúng thỏa mãn yêu cầu của vật liệu trợt [14], [34] nh:
- Có tính chất cơ học tốt, có độ bền mỏi cao, có khả năng giảm chấn,
hấp thụ dao động tốt, chế tạo đơn giản, tính công nghệ cao.
- Có hệ số ma sát thấp, độ bền mòn cao.
- Có khả năng tự chạy rà, làm việc trong điều kiện thiếu bôi trơn, làm mát.
- Nguồn nguyên liệu dồi dào, giá rẻ, điều kiện tốt để giảm giá thành sản
phẩm.
Nổi bật trong số chất dẻo đợc sử dụng làm bạc trợt là nhóm
Polyamit.
Vật liệu tăng cờng thờng sử dụng làm bạc trợt đối với nhựa nhiệt rắn
có Phenol-formalđehýt (nhựa nền) chất độn là vải bông, hoặc pha thêm
Graphít đối với nhựa nhiệt dẻo có Polyamit (nhựa nền) kết hợp với phụ gia
nh Graphít, PTFE hoặc chất độn sợi thủy tinh, sợi các bon
1.2.2.2. Vật liệu cao su
Vật liệu cao su sử dụng làm bạc trợt có u điểm: tính đàn hồi cao,
giảm chấn tốt, làm việc ổn định, trong môi trờng có lẫn tạp chất ít bị mòn.
Hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng. Nhng khả năng truyền nhiệt kém, nhiệt
độ làm việc không cao, cần phải bôi trơn làm mát liên tục [34].
1.2.2.3. Vật liệu gỗ
ở nớc ta sử dụng gỗ Nghiến, gỗ Cam xe, gỗ Me, gỗ Duối, gỗ Thông
các vật thể tiếp xúc là tổng của hai thành phần: thành phần thứ nhất do cản trở
cơ học, thành phần thứ hai do lực tơng tác phân tử. Bản chất đó đợc biểu
diễn bằng biểu thức nh sau:
N
.
k
S
.
k
T
2t1
(1.3)
Hệ số ma sát đợc xác định:
2
21
k
N
S.k
N
T
f
(1.4)
Thuyết năng lợng - lý thuyết hiện đại về ma sát [8], [13] cho biết ma sát
ngoài liên quan chặt chẽ đến các hiện tợng có quan hệ mật thiết với lớp
mỏng bề mặt tiếp xúc và có quan hệ đến nhiều quá trình vật lý, hóa học, cơ
học, năng lợng làm ảnh hởng đến quá trình ma sát.
Có thể nói khoa học ma sát đã thu đợc nhiều thành quả rất quan trọng,
là do tác dụng của chất hoạt tính hóa học (CHTHH) nh clo, phốt pho, lu
huỳnh có trong dầu, mỡ bôi trơn.
Thờng sử dụng độ dày tơng đối (R) của lớp bôi trơn để phân biệt ma
sát và các loại hình bôi trơn [13], [69]:
2a1a
RR
h
R
(1.6)
Trong đó:
h: Bề dày nhỏ nhất lớp bôi trơn.
R
a1
+ R
a2
: Tổng độ lệch trung bình của mấp mô hai bề mặt.
1.3.2.2. Các lý thuyết bôi trơn điển hình
1, Lý thuyết bôi trơn ớt
Vào năm 1883 N.P.Petrov đã công bố công trình nghiên cứu Ma sát
trong máy và ảnh hởng của chất bôi trơn lỏng đến chúng.
Theo ông lực ma sát không chỉ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng
bôi trơn mà còn phụ thuộc bề dày lớp bôi trơn giữa ngõng trục và bạc lót.
Bôi trơn ớt là dạng bôi trơn tạo ra lớp dầu phân cách hai bề mặt chi
tiết máy (bề dày lớp dầu lớn hơn tổng độ cao nhấp nhô hai bề mặt). Ma sát
trong trờng hợp đó gọi là ma sát ớt.
Việc hình thành ma sát ớt thủy động trong ổ trục (hình 1.1) là nhờ làm
tăng tốc độ quay của trục đến một giá trị nào đó sẽ xuất hiện chêm dầu, có tác
Nghiên cứu của G.Anđrei, M.Jascanu và L.Anđrei [36] về ảnh hởng
của tải trọng động đến bề dày màng dầu, đã chỉ ra tốc độ ban đầu của va chạm
ảnh hởng chủ yếu đến áp suất và bề dày màng dầu bôi trơn. Khi tốc độ va
chạm V
t
>1,6m/s sẽ sinh ra áp suất cao hơn áp suất bôi trơn thủy động bình
thờng, tạo điều kiện chuyển đổi tới giai đoạn bôi trơn thủy động đàn hồi
trong ổ.
Hiện tợng bôi trơn thủy động trong các ổ trợt bằng vật liệu polyme
diễn ra thuận lợi hơn so với các ổ bằng kim loại, là do polyme có tính đàn hồi
cao hơn.
Bôi trơn trong các ổ đỡ polyme thực chất là bán thủy động đàn hồi (biến
dạng của các chi tiết polyme lớn làm điều hòa áp suất trong lớp bôi trơn). Giá
trị của vận tốc góc của ngõng trục có thể tạo cho ổ đỡ sự bôi trơn thủy động
đợc biểu diễn bằng biểu thức sau [15]:
D.
h p
p.W
0
min
hhp
(1.8)
Trong đó:
hh
h
Khi 2
d
l
2.0 hệ số biểu thị sự tổn thất dầu bôi trơn.
- : Khe hở tơng đối.
- h
min
: Bề dày lớp dầu nhỏ nhất giữa trục và ổ.
- D: Đờng kính trong ổ trợt (mm)
-
0
: Độ nhớt động lực của dầu bôi trơn (N s/m
2
)
Hệ số ma sát trong ổ trợt khi bôi trơn ớt thủy động phụ thuộc vào độ
nhớt động lực của chất lỏng bôi trơn, tốc độ góc của trục quay, áp suất và khe hở
hớng kính trục - bạc đợc biểu diễn bằng biểu thức nh sau [19]:
trình bày trên hình 1.2. Ma sát tồn tại trong lớp mỏng đó gọi là ma sát giới hạn.
Các nhà khoa học trong [13], [17] đã sử dụng phơng pháp điện tử,
phơng pháp giao thoa ánh sáng xác định độ dày nhng có nhiều sai số,
phơng pháp nguyên tử đánh dấu, phơng pháp phản xạ điện tử xác định
mật độ, cờng độ hấp phụ cũng nh sự định hớng các phân tử trên bề mặt vật
rắn nhng gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên sự quan tâm, dày công tìm tòi và
phát triển lý thuyết bôi trơn giới hạn của Hardy William, Bowden, Cameron
là những công trình khoa học đợc đánh giá rất cao [13].
Hardy William [13] chỉ rõ: hệ số ma sát trong bôi trơn giới hạn phụ
thuộc vào khối lợng phân tử chất bôi trơn và vật đợc bôi trơn. Hardy
William khẳng định: lực ma sát giới hạn đối với các bề mặt bôi trơn chỉ phụ
thuộc vào tải trọng và bề dày của lớp bôi trơn.
Hình 1.2: Mô hình của Hardy
về sự hình thành lớp giới hạn
a, Các bàn chài phân tử.
b, Lớp giới hạn.
Độ bền của lớp giới hạn phụ thuộc độ dày lớp bôi trơn. Sức chịu của
lớp giới hạn phụ thuộc chủ yếu vào giá trị của lực hấp dẫn giữa các phân tử.
Khi bôi trơn giới hạn diện tích tiếp xúc thực nhỏ, áp lực tiếp xúc có giá trị lớn.
Màng dầu giới hạn khó bảo vệ đợc bề mặt khỏi bị biến dạng dẻo nên sinh
mài mòn lớn.
Các nhà khoa học [35] chỉ rõ đặc điểm dị hớng của bề mặt chi tiết sau
gia công (hớng dọc và ngang) sẽ phát sinh, hình thành các điểm tiếp xúc ma
sát gây ảnh hởng đến đặc tính ma sát tiếp xúc khi bôi trơn giới hạn.
Hệ số ma sát trong bôi trơn giới hạn đợc tính dựa theo biểu thức sau [13]:
a,
h
a
: Khe hở nhỏ nhất.
a: Chiều dài nêm dầu.
Các tác giả tại [13] khi nghiên cứu các hiện tợng ma sát hỗn hợp đã
xác định đợc giá trị của hệ số ma sát hỗn hợp nh sau:
p.h
v.
kff
0hh
(1.11 )
Fowles [13] là ngời đầu tiên nghiên cứu kết hợp sự biến dạng mấp mô
bề mặt với các hiệu ứng thủy động của các chêm dầu nhỏ. Song phơng trình
a
v
F
ha
toán hai biến số của ông đa ra quá phức tạp không thể vận dụng tính sức
mang tải cũng nh cản trở ma sát.
M.E.Weyler và Chih Wu [84] đề nghị bổ sung nền tảng lý thuyết của
O.Reynolds bằng cách đa vào hàm phân bố mật độ xác xuất độ nhám bề mặt
(h
s
), đồng thời đa ra giải pháp số hóa để tính áp suất bôi trơn trong ổ trợt khi
bôi trơn hỗn hợp, dựa trên thông số đo độ nhám của bề mặt thực. Tác giả đã
x Rx
C
h(x)
x R
Hình 1.4: Độ dày màng dầu bôi trơn h(x), các vùng khi bôi trơn hỗn hợp trong ổ trợt
1, 3: Vùng thủy động 2, Vùng tiếp xúc trực tiếp
1
2
3
rằng giữa các điểm tiếp xúc thực có chế độ ma sát không có bôi trơn và các
khoảng trống giữa chúng có dầu bôi trơn, dòng chảy của dầu bôi trơn giữa các
điểm tiếp xúc thực có thể xem là bán ớt.
Dong Zhu và Yuan - Zhong Hu [67], [82] đã sử dụng máy tính mô
phỏng đặc tính màng dầu trong bôi trơn hỗn hợp, ứng suất lớp dới bề mặt,
nhiệt độ phát sinh trong vùng tiếp xúc trên cơ sở đo độ nhám 3 chiều của bề
mặt.
Tóm lại: Bôi trơn hỗn hợp trong ổ trợt là trờng hợp phổ biến. Mối liên
quan giữa quá trình bôi trơn hỗn hợp, bôi trơn thủy động và thủy động lực đàn
hồi hết sức phức tạp. Các công trình nghiên cứu đến nay vẫn còn tiếp tục hằm
hoàn thiện và tổng hợp về sự tác dụng tơng hỗ giữa các mấp mô, hiệu ứng
thủy động giữa các mấp mô bề mặt trục và ổ.
1.3.3. Đặc tính và khả năng mang tải của ổ trợt
1.3.3.1. Đặc tính của ổ trợt
Đặc tính của ổ trợt trong bôi trơn ớt thủy động đó là sự phân bố áp
suất màng dầu bôi trơn, phụ thuộc vào: vận tốc trợt và các thông số hình học
của ổ. Khi ổ có chiều dài xác định, sự phân bố áp suất của màng dầu bôi trơn
chịu ảnh hởng của lợng dầu bị tiêu hao do chảy ra hai mặt bên [13], [18].
1.3.3.2. Khả năng mang tải của ổ trợt
+ Khả năng mang tải của ổ trợt là đại lợng đặc trng cho sự làm việc
của ổ. Trong bôi trơn thủy động, khả năng mang tải của ổ tỉ lệ thuận với độ
nhớt động lực (), vận tốc góc () của trục quay, và tỉ lệ nghịch với bậc hai của
khe hở tơng đối () [13], [18], bản chất đó đợc biểu diễn qua biểu thức sau:
.l.d.
.
P
1
2
(1.13)
Trong đó là hệ số chịu tải của ổ, đợc tra theo bảng, dựa vào và tỉ số l/d.
+ Khả năng mang tải của ổ trục đặc biệt với ổ trợt polyme, polyme
tăng cờng phụ gia, chất độn đợc xác định bởi nhiệt độ giới hạn cho phép ổ
Copyright: Tài liệu đại học ©