Bài giảng Ma sát học - Phạm Văn Hùng

107 trang ngocly 2290

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Ma sát học - Phạm Văn Hùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ma_sat_hoc_pham_van_hung.pdf

Nội dung text: Bài giảng Ma sát học - Phạm Văn Hùng

BBààii gigiảảngng mmôônn hhọọcc MaMa ssáátt hhọọcc TS.TS. PhPhạạmm VVăănn HHùùngng BBộộ mmôôn:n: MMááyy VVàà MaMa SSáátt HHọọcc Page 1 of 107
NhNhậậpp mmôônn 1. Ma sát: Hiện t−ợng kỳ lạ của thiên nhiên- đang tiếp tục nghiên cứu Có nhiều ứng dụng: Nhiệt, lửa, Phanh hãm, tăng tốc độ phản ứng hóa học, Hàn, đánh bóng, Ghi và đọc dữ liệu, Hại: Tổn hao công suất. Sinh nhiệt làm thay đổi bền, tổ chức cac bon, hydro, tạo thành các ôxit Đặc điểm: Là quá trình tự tổ chức: 4 Có thể dẫn đến phá hủy. 4 Giảm ma sát, mòn. Gắn liền với quá trình mòn ặ tuổi thọ và độ tin cậy. Đ−ợc đặc tr−ng bởi lực ma sát F , hoặc hệ số ma sát f (hoặc có Page 2 of 107 ms ms thể ký hiệu là à).
2. Mòn: Kết quả của quá trình ma sát ⇒Phá hủy bề mặt ma sát: Giảm kích th−ớc, giảm khối l−ợng, thay đổi cấu trúc bề mặt, ặ Tiến hành bôi trơn (rắn lỏng, khí, ) để tăng tuổi thọ và độ tin cậy Hại: Thay đổi chế độ lắp ghép của các cặp ma sát, Thay đỏi chế độ làm việc của cặp ma sát, Làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của cặp ma sát cũng nh− của toàn bộ thiết bị, Đặc điểm: Gắn liền với quá trình ma sát Quá trình phá hủy tập trung trong một thể tích rất nhỏ của vật liệu Phần tử mòn tạo thành là kết quả của nhiều lần t−ơng tác. Đ−ợc đặc tr−ng bởi c−ờng độ mòn có thứ nguyên hoạc không có thứ nguyên Ih ặ tuổi thọ, độ tin cậy. Phân biệt: Mòn bình th−ờng (ổn định) còn gọi là mòn cơ hóa Hk/Hm > 0,6. Page 3 of 107 Mòn hạt mài (không bình th−ờng) Hk/Hm < 0,6.
3. Lịch sử phát triển của ngành Tribology (Ma sát, mòn, bôi trơn) Ngành khoa học liên ngành, tập trung chủ yếu nghiên cứu quá trình ma sát mòn bình th−ờng (ổn định), quá trình ma sát không bình th−ờng việc tính toán không có ý nghĩa thực tiễn. Quá trình phát triển: Gắn liền với sự phát triển của các ngành khoa học khác (cơ, vật lý, hóa, điện, rung động, vật liệu, ): là khoa học liên ngành. Nghiên cứu về ma sát đã có từ lâu. Lêonadevinci đã xác định hệ số ma sát là hằng số (0,25). Thuần túy cơ học T−ơng tác phân tử khi ma sát [ơ le], đây là giai đoạn nghiên cứu ma sát tĩnh C.CoulombC.Coulomb 1785 phân biệt ma sát tĩnh và ma sát động, ma sát là tổ hợp của 2 loại sức cản: 1- Phụ thuộc vào Stx. 2-Tỷ lệ tải và không phụ thuộc vào Stx. Lý thuyết tổng hợp: cơ học (biến dạng), t−ơng tác phân tử Bowden, Tabor, Kpa Γe ΛbCKuu Lý thuyết biến vị (sự không hoàn thiện về cấu trúc tinh thể) ⇒ tróc. Lý thuyết mòn trêPagen quan 4 of 107điểm năng l−ợng Kocteukuu.
Ba tr−ờng phái nghiên cứu: Sự t−ơng tác của bề mặt ma sát, biến đổi trong lớp bề mặt ⇒ phá hủy chúng. Cấu trúc thứ cấp trong bôi trơn giới hạn ⇒ màng bảo vệ. áp dụng vật liệu polyme trong cặp ma sát Hiệu quả kinh tế: Theo Jost PETER (Anh) 1966: 0,5 tỷ bảng , 1,6 tỷ USD (Mỹ), hiện nay từ 1 dến 2% thu nhập quốc dân. Micro tribology- micro wear Cùng với sự phát triển của máy tính cá nhân (PC) 1981. 1985 chế tạo các đầu đọc đĩa cứng, các mô tơ Micromechanical trọng l−ợng 1 àg. Hiện nay với các ổ đĩa cứng (7200vg/ph) các đầu đọc đ−ợc đỡ trên các đệm khí động. Các lớp phủ bảo vệ cũng nh− bôi trơn có chiều dày cực nhỏ. Tribology Microtribology Nano Tribology Bulk Material Surface Heavy load Light load Large Mass SmallPage 5 of Mass 107 Wear No Wear
4.4. NNộộii dungdung ccủủaa tribologytribology:: Cơ sở lý thuyết vẫn còn đang tiếp tục đ−ợc hoàn thiện, trong một số tr−ờng hợp vẫn căn cứ vào thực nghiệm. Tìm lý thuyết về ma sát, mòn bôi trơn phù hợp với các điều kiện cụ thể, trên cơ sở xác định dạng mòn nào là áp đảo, gắn liền với quá trình ma sát Hệ thống bôi trơn: Chất l−ợng, vật liệu, kết cấu, ⇒ chú ý đến dịch chuyển chọn lọc. Kết cấu không mòn. Chống mòn Hydro. Gia công lần cuối không hạt mài (phủ, thấm nhiệt độ thấp ) Page 6 of 107
ChCh−−ơơngng I:I: ChấtChất ll−−ợợngng bềbề mmặặtt vvàà tiếptiếp xxúúcc ccủủaa bềbề mmặặtt mama ssáátt Đ1. Chất l−ợng bề mặt đặc tính cơ bản và trạng thái. I. Chất l−ợng bề mặt - đặc tính cơ bản 1. Khái niệm chất l−ợng bề mặt: Chất l−ợng bề mặt bao gồm: Các thông số về hình học bề mặt. Tính chất cơ lý hóa của lớp bề mặt. > Có quan Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt hệ lẫn nhau 2. Trạng thái hình học bề mặt: Là sự sai khác của bề mặt thực so với bề mặt lý t−ởng ở các cấp độ vĩ mô, vi mô và siêu vi mô S b Rmax 1 H b 2 3 ∆ Sơ đồ hình họcPage bề 7m of ặ107t của một vật rắn 1 – Sóng; 2 – Nhấp nhô bề mặt; 3 – Sai số hình dang
Vĩ mô: Là sự sai khác trên toàn bộ chi tiết (Nhấp nhô trên các kích th−ớc lớn) Sóng: Do dao động của máy, chi tiết và dụng cụ. (Hb, Sb) thông th−ờng Sb/Hb > 40. Sai số về hình dạng (∆) Vi mô: Là sự sai khác hình dạng và kích th−ớc của các nhấp nhô trong khoảng mm. Nhấp nhô tạo thành trong quá trình cắt gọt – chủ yếu do quá trình tách phoi Siêu vi mô: Là nhấp nhô đặc biệt liên quan đến cấu trúc, cũng nh− khuyết tật của kim loại, trong khoảng àm. Chủ yếu là các nhấp nhô thứ cấp, cấu trúc thứ cấp hình thành trong quá trình làm việc. Các thông số siêu vi mô gắn liền với trạng thái của các màng ôxít và các chất lỏng, chất khí bị hấp thụ: Hb ≈ f(D,σ,K) Trong đó: – HSb: Thông số biến dạng siêu vi mô – D: Thông số đặc tr−ng cho cấu trúc tinh thể kim loại – σ: Trị số ứng suất có tác dụng trong thể tích bề mặt kim loại – K: Thông số về dặc tính của các lớp hấp thụ Trạng thái hình học bề mặt ban đầu đ−ợc quyết định do công nghệ gia công. Trong quá trình làm việc trạng thái bề mặt mới sẽ hình thành (trạng thái thứ cấp), chất l−ợng của nó phụ thuộc vào điều kiện làm việc (p,v, môi tr−ờng ) ⇒ Quyết định sự hình thành lực ma sát, và c−ờng độ mòn. Page 8 of 107
3. Các tính chất cơ lý hóa: Lớp bề mặt mỏng có chiều dày cỡ Ao (ăng tron) trở lên có đặc điểm khác hoàn toàn về cấu trúc và cơ lý hóa so với kim loại gốc của chi tiết và đ−ợc gọi là vật thể thứ ba. Thông th−ờng bao gồm: Lớp hấp thụ, lực hút hóa học, màng dầu giới hạn – lớp này khi nhiệt độ tăng phá hủy hấp thụ và hình thành màng hóa học Lớp màng oxit kim loại và các hợp chất hóa học khác (S, Cl, P, ) Lớp gián đoạn của vật liệu cơ bản. Hiện nay vẫn căn cứ vào các tính chất cơ lý hóa vật liệu cơ bản của chi tiết để tìm ra quan hệ giữa chúng với mòn và ma sát, với điều kiện làm việc xác định. ⇒ Trong quá trình gia công, kim loại bị biến tính ⇒ Trong quá trình làm việc, tính chất cơ lý hóa bị thay đổi τ ⇒ Biến dạng dẻo ⇒ oxPagey hóa 9 of 107⇒ mòn oxy hóa vật thể thứ ba τ co bản
Khi gia công, kim loại bị biến dạng dẻo, khi làm việc ⇒ cơ lý hóa khac đi Thay đổi độ cứng theo chiều sâu khi làm việc ở chế độ bôi trơn tới hạn Hà Hà 00 Khoảng cách Khoảng cách Sơ đồ mặt cắt của liên kết so với bề mặt so với bề mặt a ma sát tại điểm tiếp xúc b 1: Vật thể thứ ba Đồ thị thay đổi độ cứng của lớp bề mặt 2: Lớp hấp thụ a- Khi bị ôxy hóa, b- Khi bị tróc loại I 3: Ôxít và các hợp chất hóa học khác 4: Lớp gián đoạn 5: Kim loại cơ bản Page 10 of 107
4. Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt: Trạng thái ứng suất d− trong lớp bề mặt sau gia công. ứng suất lớp bề mặt khi làm việc, th−ờng tập trung trong một thể tích rất nhỏ ⇒ gây khuyếch tán và hoạt hóa kim loại ⇒ oxit. +σ +σ 0 0 Khoảng cách Khoảng cách so với bề mặt so với bề mặt - σ a - σ b ứng suất d− trong các lớp bề mặt của thép Page 11 of 107 a- Khi tiện, b- Khi bị mòn do mỏi
II. Trạng thái bề mặt trong quá trình tiếp xúc của cặp ma sát. 1. Trạng thái ban đầu: Bao gồm tất cả các đặc tính ban đầu (hình học, tổ chức tế vi, cơ, lý hóa ) của lớp bề mặt mỏng đ−ợc hình thành do công nghệ gia công. 2. Trạng thái làm việc: D−ới tác dụng của các yếu tố ma sát (ngoài): + Tải trọng + Kết cấu + Môi tr−ờng + Tốc độ, + Nhiệt độ + Chất bôi trơn Các đặc tính ban đầu của lớp bề mặt bị thay đổi hình thành trạng thái làm việc của lớp bề mặt. (Cả các đặc tính thay đổi chỉ diễn ra trong khi ma sát) 3. Trạng thái còn lại: Đặc tính hình học không đổi, tính chất lớp bề mặt thay đổi rõ rệt. Page 12 of 107
Sơ đồ trạng thái, đặc tính, yếu tố quyết định của lớp bề mặt Trạng thái Ban đầu Làm việc Còn lại Các đặc tính Hình học Các tính chất hoá - lý - cơ ứng suất trong bề mặt của các lớp bề mặt các lớp bề mặt Các yếu tố quyết định Các tác nhân cơ học bên Nhiệt Tín h chất của Tính chất của môi vật liệu ngoài, biến dạng,khuyếch tán tr−ờng làm việc Page 13 of 107
4. Nâng cao chất l−ơng ban đầu và chất l−ợng làm việc (Cơ học tiếp xúc, cấu trúc bề mặt, điều kiện môi tr−ờng ) a. Chất l−ợng bề mặt công nghệ: Ph−ơng pháp tạo phôi, Ph−ơng pháp nhiệt luyện, Ph−ơng pháp gia công lần cuối – chế độ công nghệ Kết cấu ⇒Biểu đồ ứng suất ⇒ Bề mặt mới có tăng bền, mòn ít. Môi tr−ờng ⇒ Giảm năng l−ợng bề mặt, dễ thoát biến vị lên bề mặt, hóa dẻo và biến dạng trên lớp bề mặt cực mỏng. Các biện pháp công nghệ cải thiện trạng thái hình học và tăng bền lớp bề mặt phải phù hợp và đáp ứng với các thông số cơ học p, v, To và môi tr−ờng làm việc b. Chất l−ợng bề mặt làm việc: (do tải, tác dụng hóa học, trạng thái cấu trúc) Trong điều kiện ma sát mòn bình th−ờng: cân bằng động giữa hình thành và phá hủy cấu trúc thứ cấp ⇒ 2 quá trình khác nhau: Thứ nhất: Hình thành lớp màng bề mặt mỏng chuyển vị dẻo (VDH) Thứ hai: Hình thành lớp màng bề mặt giòn, rất cứng, dễ bị phá hủy Page 14 of 107
Khi mòn oxy hóa có hai dạng cơ bản: Dạng thứ nhất: Màng cấu truc thứ cấp động dịch chuyển điền đầy tất cả các nhấp nhô ⇒ nhẵn bóng cấp 11 – 14, độ cứng lớn hơn kim loại gốc: Thép nhiệt luyện, gang (không có chuyển tiếp rõ ràng với kim loại gốc) Dạng thứ hai: Lớp màng cấu trúc thứ cấp mỏng giòn, độ nhẵn cao, độ cứng lớn hơn nhiều kim loại gốc: Hợp kim có gốc kim loại màu, thép nhiệt luyện có độ cứng cao (ma sát lăn) ⇒ không có chuyển tiếp trung gian ⇒ khi bị oxy hóa kim loại và hợp kim chia làm hai nhóm: tăng thể tích 5% và giảm thể tích ⇒ ứng suất d− nén và kéo Đảm bảo điều kiện làm việc bình th−ờng (ổn định) ứng suất làm việc phải đồng đều trên bề mặt, tạo dải và màng oxit sao cho tốc độ oxy hóa lớn hơn tốc độ phá hủy. Môi tr−ờng làm việc đảm bảo phát sinh màng bảo vệ thứ cấp. Giảm biến dạng dẻo trong lớp bề mặt. c. Chất l−ợng bề mặt còn lại. Giảm nhiệt độ, oxy hóa dừng lại Vi mô: Các đỉnh nhấp nhô tạo thành cấu trúc nh− khi tôi Page 15 of 107
+ ng suất ứ Nhiệt độ 0 Thời gian IIi Iii 0 Thời gian IIi - a b Đồ thị biến thiên nhiệt độ bề mặt và ứng suất khi ma sát ngoài I – Bắt đầu làm việc; II – Chế độ ổn định ; III – Sau khi bỏ tải Nhấp nhô tối −u khi làm việc Quá trình hìnhPage thành 16 of 107nhấp nhô bề mặt tối −u với tải với sự san phẳng và hình thành các nhấp nhô mới. `
5. Một số ph−ơng pháp đánh giá chất l−ợng bề mặt 1. Trạng thái hình học: Có 2 nhóm phụ thuộc độ lớn của nhấp nhô và sai số. Nhóm I: Th−ờng dùng cho các nguyên công tr−ớc nhiệt luyện Th−ờng sử dụng các dụng cụ đo Nhóm II: Th−ờng dùng cho các nguyên công sau nhệt luyện (gia công tinh). Th−ờng sử dụng dụng cụ quang học, kính hiển vi điện tử. 2. Trạng thái cấu trúc lớp bề mặt Th−ờng sử dụng ph−ơng pháp phân tích chụp ảnh tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử ⇒ Xác định cấu trúc tế vi, trạng thái pha. Kiểm tra các khuyết tật th−ờng dùng ph−ơng pháp phân tích Rơnghen Ngoài ra còn phải xác định cấu trục màng trong trạng thái động thông qua các đại l−ợng trung gian: Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc thực (dùng camera hồng ngoại để quan sát), điện thế Page 17 of 107
Đ 2 Các thông số đặc tr−ng của hình học lớp bề mặt 1. Xác định đ−ờng trung bình của profin vùng khảo sát: dựa vào nguyên tắc trung bình Xác định đ−ờng nằm ngang song song với vùng profin đã cho ở d−ới đ−ờng chân nhấp nhô, các tung độ y1, y2, y3 của profin đ−ợc đo trên đ−ờng nằm ngang với các khoảng cách đều nhau. Giá trị thu đ−ợc chia thành 2 nhóm (nhóm trái và nhóm phải). Đ−ờng trung bình đi qua 2 điểm M1M2: x’ = (x1+ xn/2)/2; x’’ = (xn/2+xn)/2 ; n / 2 n / 2 yi y y'= ∑ Page 18 of 107 y'= ∑ i 1 n / 2 1 n / 2
Đ−ờng đỉnh profin A1A2 là đ−ờng cách đều với đ−ờng trung bình và đi qua đỉnh cao nhất của profin với chiều dài khảo sát (mẫu) L Đ−ờng chân của profin B1B2 là đ−ờng cách đều đ−ờng trung bình và đi qua điểm thấp nhất của profin trong khoảng khảo sát L Rmax: Độ cao lớn nhất của nhấp nhô (khoảng cách từ đ−ờng đỉnh đến đ−ờng chân nhấp nhô) 1 6 max R = ∑ Rmax 5 1 i Rp: Khoảng cách từ đỉnh nhấp nhô tới đ−ờng trung bình. 1 5 R = R P ∑ Pi 5 1 2. Xác định các thông số đặc tr−ng của bề mặt hình học Ra: Độ lệch trung bình của profin đ−ợc đọc trực tiếp trên thiết bị profinlometer/surface-analyzer 1 L a R Page= 19 of 107y(x)dx L ∫o
Rz: Độ sai lệch của nhấp nhô theo chiều cao đ−ợc xác định theo 10 điểm: 1 5 5 R = ( | H | + | H |) Z ∑ max i ∑ min i 5 1 1 Hmax: Độ lệch lớn nhất của profin so với đ−ờng trung bình. Hmin: Độ lệch nhỏ nhất của profin so với đ−ờng trung bình. Z Ra x L a L a b c Đỉnh Profile trung bình ∆l0,1 Đỉnh Profile khảo sát a1 010,5 ηp d tp = 2 0,1 a l r 3 a 0,2 ν BC h tp = b R 0,3 x ∆l0,3 0,5 Rmax y x ∆l0,2 a Rma Rmax Chân Profile trung bình x = 1 Chân Profile khảo sát L Page 20 of 107 Profin bề mặt nhấp nhô
tm: Chiều dài t−ơng đối của profin trên đ−ờng trung bình. 1 5 t = t m ∑ mi 5 1 Trong đó: 1 l t = ∆l mi ∑ mi L 1 ∆lmi - chiều dài mặt cắt của nhấp nhô trên đ−ờng trung bình L - chiều dài khoảng khảo sát Đ−ờng cong phân bốPageprofin 21 of theo107 độ cao của nhấp nhô
Xây dựng đ−ờng cong phân bố trong hệ tọa độ t−ơng đối (không phụ thuộc vào đơn vị) Tỷ số của độ sâu thâm nhập và Rmax ⇒ ai/Rmax đ−ợc thể hiện trên trục tung. Tỷ số Σ∆l/L đ−ợc thể hiện ở trục hoành (tổng chiều dài của các đỉnh nhấp nhô trên cùng một mức). ∑ ∆Lp Ap a υ υ tp = = = b.( ) = bx L Ac Rmax ∆Lp – Chiều dài profin ở mức p Ap – Diện tích của các đỉnh nhấp nhô ở mức p, b,υ - Thông số của đ−ờng cong phân bố nhấp nhô bề mặt: Rmax υ Rp b = tm ( ) ;υ = 2tm . − 1 Rp Ra Đối với tiếp xúc của hai bề mặt nhấp nhô thông số: K .b .b ( R + R )υ1+υ2 υ = υ +υ ; b = 1 2 max 1 max 2 1 2 υ1 υ2 Rmax 1 .Rmacx2 Page 22 of 107
Trong đó : Γ (υ + 1 )Γ (υ + 1 ) K = 1 2 rd Γ (υ1 +υ2 + 1 ) rn Bán kính trung bình của đỉnh nhấp nhô: r = rn .rd Mài (cấp bề mặt 6-7): rn = 4-10, rd = 100 -300 (àm) Hện nay đánh giá tổng hợp chất l−ợng hình học của bề mặt bằng thông số tổ hợp: R ∆ = max r.b1 / υ Mài phẳng vật liệu thép đạt cấp 9. Rmax = 2,4 R = 550 b = 2,3 ; υ = 1,6 ∆ = 2,64. 10-3 Các thông số bề mặt của các nguyên công khác nhau đã đ−ợc xác định trong sổ tay TribologyPage 23. of 107
Đ 3. Tiếp xúc ma sát của các bề mặt nhấp nhô Đặc tính tiếp xúc trong lần đàu và lần kế tiếp là hoàn toàn khác nhau – Dẻo ⇒ Đàn hồi Đặc tr−ng hình học của bề mặt công nghệ và tính chất của bề mặt kim loại nền xác định đặc tính của tiếp xúc ma sát trong quá trình chạy rà. Sau quá trình chạy rà ⇒ Tính chất và hình học bề mặt không thay đổi, ở các đỉnh nhấp nhô, biến dạng đàn hồi chiếm −u thế Đặc điểm nổi bật của cặp ma sát ngoài là rời rạc của các điểm tiếp xúc giữa hai bề mặt , Các thông số tiếp xúc thay đổi trong phạm vi rộng khi tải thay đổi. Đặc tính rời rạc đ−ợc thể hiện ở 3 loại diện tích tiếp xúc: Aa, Ac, Ar. 1. Diện tích tiếp xúc danh nghĩa 1. Diện tích tiếp xúc danh nghĩa: Aa. Tổng diện tích hình học của các diện tích tiếp xúc thực tế có thể xảy ra. Aa phụ thuộc vào hình dạng và kích th−ớc của vật thể tiếp xúc. Bị giảm do sóng bề mặt và sai số hình dạng Ar Ac Aa Page 24 of 107 Sơ đồ tiếp xúc của hai bề mặt ma sát
2. Diện tích tiếp xúc vòng : Ac Diện tích hình thành do biến dạng của các thể tích bề mặt cục bộ của vật thể (còn gọi là diện tích tiếp xúc vòng) Ac phụ thuộc vào: Đặc tính nhấp nhô của bề mặt (chủ yếu là sóng của bề mặt) Tải. Đặc tr−ng cho vùng ma sát và vùng mòn, thông th−ờng: Ac = (5 ữ 15)%Aa 3. Diện tích tiếp xúc thực: Ar Tổng diện tích tiếp xúc thực tế tế vi của vật thể Ar (tạo thành từ các đỉnh nhấp nhô rời rạc trong tiếp xúc) Phụ thuộc vào tải và đặc tính nhấp nhô. Ar th−ờng rất nhỏ, không quá (0,01ữ 0,1)% Aa p=a N;P N=c P;=r Aa Ac K h i t Page 25 of 107 t ă n
4.4. TiếpTiếp xxúúcc ccủủaa bềbề mmặặtt trongtrong ququáá trtrììnhnh mama ssáátt Tiếp xúc tĩnh: Lực ma sát tạo vùng đình trệ, nó hạn chế biến dạng Tiếp xúc ma sát động: Ar tăng lên, biến dạng của bề mặt tăng lên ⇒ bề mặt linh động Cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi các màng oxit mỏng trên bề mặt là đặc tr−ng của quá trình mòn bình th−ờng. Tiếp xúc đ−ợc thể hiện trong hai giai đoạn – bề mặt công nghệ, - bề mặt làm việc. Điều kiện của ma sát mòn bình th−ờng: Không có sự phá hủy kim loại gốc Biến dạng dẻo và mòn chỉ xảy ra trên lớp thứ cấp (vật thể thứ 3) hình thành khi ma sát. Có cân bằng động của tất cả các quá trình nhằm ổn định việc hình thành và phá hủy cấu trúc thứ cấp. Page 26 of 107 Hay nói cách khác: Amàng/Aa = const.
ChCh−−ơơngng 2:2: MaMa ssáátt Đ 1. Khái niệm cơ bản 1. Ma sát ngoài. MSN là quá trình tiêu hao năng l−ợng khi hai vật thể rắn có chuyển động t−ơng đối ở vùng tiếp xúc thực d−ới tác động của tải trọng ngoài. Ma sát là quá trình rất phức tạp và phụ thuộc vào: Biến đổi của các quá trình diễn ra trên Ar và lớp bề mặt hình thành tại vùng tiếp xúc thực Chất l−ợng của bề mặt khi tham gia ma sát. Điều kiện và môi tr−ờng ma sát. Chất l−ợng ma sát đ−ợc đánh giá bằng lực ma sát Lực ma sát là lực có xu h−ớng cản trở chuyển động t−ơng đối của các vật rắn, xuất hiện tại các điểm tiếp xúc thực, khi vật thể này chuyển động t−ơng đối trên bề mặt vật thể khác. Lực ma sát khởi động là lực ma sát xuất hiện trong các dịch chuyển ban đầu, còn đ−ợc gọi là lực bám dính, xuất hiện trong các khớp ma sát tr−ợt chuyển động không liên tục Lực ma sát tĩnh là toàn bộ LMS tại thời điểm chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái tr−ợt hoàn toàn. Lực ma sát động là LMSPage 27 xuất of 107 hiện trong quá trình chuển động t−ơng đối ở vùng tiếp xúc.
Lực ma sát tr−ợt có xu h−ớng cản trở chuyển động theo ph−ơng tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc Lực ma sát Fms A A' B 0 Dịch chyển ban Gián đoạn dịch chuyển λ đầu Tr−ợt hoàn toàn Sự phụ thuộc của lực ma sát vào giá trị dịch chuyển L Sau trạng thái dịch chuyển ban đầu là trạng thái tr−ợt ổn định với Page 28 of 107 Fms= const
2. đại l−ợng đặc tr−ng của ma sát: Trong kỹ thuật sử dụng 3 đại l−ợng: Hệ số ma sát: Tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến f =Fms/N Hệ số ma sát khi va đập: Tỷ số của sự thay đổi về mặt động l−ợng của vật thể theo hai h−ớng tiếp tuyến và pháp tuyến. mv 2t − mv1t fvd = mv 2n − mv1n Hệ số mất mát năng l−ợng do ma sát: ffw== WWms/W/Wtổng Page 29 of 107
ĐĐ 22 phphâânn loloạạii mama ssáátt 1. Căn cứ vào dạng chuyển động Ma sát tr−ợt: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động tr−ợt t−ơng đối Ma sát lăn: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động lăn t−ơng đối Ma sát xoay: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động xoay t−ơng đối Ma sát hỗn hợp: Các dạng ma sát theo chuyển động 2. Căn cứ vào điều kiện bề mặt Ma sát không có chất bôi trơn: Là ma sát của hai vật rắn trên bề mặt không có điều kiệnPage kh ẳ30ng of 107 định rõ ràng chất bôi trơn hay bất kỳ chất nào, đôi khi còn đ−ợc gọi là ma sát khô.
Ma sát giới hạn: Là ma sát của hai vật rắn có tồn tại giữa liên kết của chúng một lớp chất bôi trơn cỡ phân tử đến 0,0001 mm, nó có tính chất hoàn toàn khác với tính chất của toàn khối chất bôi trơn Ma sát −ớt: Là ma sát giữa hai bề mặt đ−ợc phân tách bởi các lớp chất lỏng có chuyển động t−ơng đối với nhau, trong đó ứng suất tiếp tạo thành lực ma sát. Ma sát nửa −ớt: Là ma sát có đồng thời cả ma sát −ớt và ma sát giới hạn. 3. Căn cứ vào điều kiện làm việc Ma sát bình th−ờng: Là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc bình th−ờng (ổn định). Đặc tr−ng bởi sự cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi lớp màng oxít có tính bảo vệ trên bề mặt ma sát Ma sát không bình th−ờng: Là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc không bình th−ờng. Nó th−ờng đ−ợc thể hiện ở nhiệt độ của cặp ma sát. Cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi bị phá vỡ. 4. Căn cứ theo động lực học tiếp xúc Ma sát tĩnh xuất hiện trong quá trình dịch chuyển ban đầu, lực ma sát ngăn cản biến dạng lớp bề mặt Ma sát động xuất hiện trong quá trình chuyển động t−ơng đối – lực ma sát động sẽ thúcPage đẩ 31y of qu 107á trình biến dạng trên lớp bề mặt ⇒ tăng Ar
ĐĐ 33 CCáácc đđịnhịnh luluậậtt ccơơ bbảảnn vềvề mama ssáátt Các định luật về bảo toàn năng l−ợng, chuyển động và các nguyên lý cực tiểu đ−ợc áp dụng trong điều kiện ma sát và mòn bình th−ờng, nghĩa là quan hệ giữa các dạng t−ơng tác khác nhau trong quá trình ma sát mang tính chất hoàn toàn xác định. 1. Định luật thứ nhất. Công của lực ma sát ngoài bằng tổng nhiệt sinh ra và các năng l−ợng đ−ợc hấp thụ (chủ yếu do kim loại). A = Q + E A - Công của lực ma sát Q – Nhiệt sinh ra E – Năng l−ợng do kim loại hấp thụ Công ma sát ngoài không bao giờ biến hoàn toàn thành nhiệt: A > Q Năng l−ợng hấp thụ không bao giờ bằng không: E≠ 0 E/A = f(p,v,c). Hàm năng l−ợng hấp thụ t−ơng đối của bề mặt ma sát phụ thuộc vào tính chất vật liệu và điều kiện ma sát Page 32 of 107
Vì vậy: Có khả năng điều khiển quá trình ma sát bằng cách điều chỉnh cân bằng năng l−ợng để có tỷ số E/A nhỏ nhất và ổn định. 2. Định luật thứ hai: Lực ma sát là tổng của các lực thành phần đ−ợc dùng để làm tiến triển các quá trình cơ lý hóa tất yếu, ứng với điều kiện tiếp xúc nhất định của các vật thể ma sát. Fms = F1+F2 +F3+F4 + .+ F8 + F9kbt + F9bt + F10 F1 – Lực ma sát trong các lớp thủy khí động, F2 – Lực ma sát tựa thủy động – bán tr−ợt (các lớp biên) F3 – Lực cản tr−ợt trong các lớp giới hạn F4 – Lực tạo dải tiếp xúc trong lớp bề mặt rất mỏng F5 – Lực tạo ra dao động đàn hồi trong các lớp d−ới bề mặt F6 – Lực làm biến dạng các thể tích bề mặt vĩ mô F7 – Lực phá hủy các liên kết bám dính, khuyếch tán F8 – Lực t−ơng tác tr−ờng phân tử, tr−ờng Vandecvan, tr−ờng bề mặt với các khuyết tật của cấu trúc phân tử F9kbt – LựcLực phá hủy thể tích vĩ mô của kim loại F9bt – Lực phá hủy khuyết tật tích lũy và các cấu trúc thứ cấp F10 – Năng l−ợng bị khuyếch tán ra ngoài (phát xạ âm ) F1 & F2 xảy ra khi bôi trơn thủy khí động, F3 đến F9bt, F10 xảy ra Pagetrong 33 of qu 107á trình ma sát bình th−ờng F6 đến F9kbt, F10 xảy ra trong quá trình ma sát không bình th−ờng
Quá trình ma sát bình th−ờng và không bình th−ờng t−ơng ứng với các dạng liên kết khác nhau Quá trình ma sát bình th−ờng đ−ợc đặc tr−ng bằng tính ổn định của hệ số ma sát và nó có giấ trị nhỏ nhất 3. Định luật thứ ba: Ba trạng thái biến dạng – ứng suất ứng với một tổ hợp các thông số (vật liệu, môi tr−ờng) nhất định có một vùng của thông số cơ học (p,v), trong đó tích phân của hàm năng l−ợng hấp thụ t−ơng đối trên bề mặt ma sát lấy trong toàn thể tích bị biến dạng có giá trị cực tiểu E(v) = min ∫v A Kết luận: Ba định luật trên cho phép phân tích quá trình ma sát phức tạp và chỉ ra miền bình th−ờng trong đó gần nh− toàn bộ công ma sát biến thành nhiệt Sơ đồ vị trí các vùng ma sátPage bình 34 of 107 Ba trạng thái biến th−ờng và không bình th−ờng, dạng, ứng suất
4. Quy luật mòn thực nghiệm: Đ−ờng cong Stribech: Phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc và áp lực I - Ma sát khô II – Ma sát giới hạn III – Ma sát −ớt IV – Ma sát khi bôi trơn rối Phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp lực f I – Vùng ổn định – mòn oxy hóa II – Vùng chuyển tiếp III – Vùng biến dạng và phá hủy – mòn không bình th−ờng Page 35 of 107 (tróc, cào x−ớc) 0 pth1 pth2 p
Phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc tr−ợt I – Vùng ổn định – mòn oxy hóa II – Vùng chuyển tiếp – không bình th−ờng ứng với tróc loại I (V Vth’’) Page 36 of 107
Đ 4. Bản chất của ma sát ngoài # Bản chất ma sát ngoài rất phức tạp, là tổng hợp của các quá trình cơ lý hóa diễn ra đồng thời. # Ma sát ngoài diễn ra trong diện tích tiếp xúc rất nhỏ không quan sát đ−ợc trực tiếp. 1. Biến dạng khi ma sát (đàn hồi hoặc dẻo) Biến dạng – là phản ứng chóng lại tác dụng ngoại lực của các vật thể vật lý Biến dạng – Là quá trình chủ yếu ảnh h−ởng đến ma sát ngoài. ả Thay đổi diện tích tiếp xúc nh h−ởng Fms, là nguyên nhân hình thành thành Phát triển các biến dạng vật lý phần ma sát cơ học (Sự cản trở tr−ợt của các lớp vì Gây các hiện t−ợng dẫn xuất khác biến dạng trong ma sát tr−ợt) 2. Bám dính và khuếch tán khi ma sát T−ơng tác vật lý của các bề mặt ma sát đ−ợc thể hiện bởi hiện t−ợng bám dính và khuyếch tán. Xuất hiện các liên kết giữa các bề mặt của các vật thể tại vùng tiếp xúc thực Bám dính tĩnh: Sức cản chống tách ly ban đầu. Bám dính động: Sức cản chống tách ly ở các giai đoạn khác nhau Lực bám dính là lực cản chuyển động t−ơng đối của hai vật thể theo ph−ơng vuông gócPage 37vớ ofi 107bề mặt ma sát. Lực phân tử và lực bám dính không sinh công
Khuyếch tán: là quá trình thâm nhập và phân tán các nguyên tử, phân tử giữa các bề mặt tiếp xúc ma sát. Hiện t−ợng này đ−ợc áp dụng trong ph−ơng pháp chuyển dịch chọn lọc 3. Phá hủy khi ma sát Kết quả cuối cùng của quá trình ma sát là sự phá hủy bề mặt ma sát bởi sự bong tách hoặc cào x−ớc tạo ra các phần tử mòn. Do biến dạng đ−ợc lặp đi lặp lại nhiều lần Do dính kết và khuyếch tán lặp đi lặp lại làm tăng thể tích các phần tử chuyển dời. Lực ma sát. Là tổng lực cản trở gây biến dạng bề mặt ma sát và lực liên kết giữa các phần tử trong liên kết bám dính, khuyếch tán, bong tách Fms = Fch + Fpt f = fpt + fch Thành phần biến dạng th−ờng nhỏ. Thành phần phân tử có tính chất quyết định Điều này thể hiện rõ trong ma sát không chất bôi trơn: Th−ờng có tr−ơt theo kiểu b−ớc nhảy: rung khi khởi động, rít khi phanh, rung khi dao tiện cắt Màng oxit và bụi có ảnh h−ởng nhiều đến lực ma sát: lực ma sát phân tử, diện tích tiếp xúc. sát phân tử, diện tíchPage tiếp 38 ofx ú107c.
4. Ma sát khi bôi trơn giới hạn: Bôi trơn giới hạn xảy ra khi bề mặt ma sát bị phân tách bởi một chất bôi trơn rất mỏng có chều dày cỡ phân tử đến 0,1àm, có tính chất hoàn toàn khác toàn khối chất bôi trơn. Bôi trơn bằng màng dầu Do sức bền nén cao, sức bền tiếp tuyến và sức bến liên kết với bề mặt ma sát rất nhỏ. Giảm lực ma sát từ 2- 10 lần so với ma sát khô Giảm mòn 100 lần Cơ chế: D−ới tác dụng của tải ⇒ biến dạng ⇒ tồn tại màng dầu và có thể có sự thâm nhập của bề mặt nh−ng không phá hủy màng. Lực ma sát là tổng của sức cản tr−ợt lớp giới hạn và sức cản cầy xới bởi phần diện tích thâm nhập. Diện tích tiếp xúc nhỏ ⇒ biếnbiến dạng dẻo ⇒ nhiệt độ tăng ⇒ phá hủy màng cục bộ ⇒ bám dính ⇒ tăng lực ma sát Do tính linh động và khả năng hấp thụ nên có khả năng tự phục hồi màng dầu. ảnh h−ởng của sóng ⇒ diện tích tiếp xúc giảm ⇒ tiếp xúc dẻo ảnh h−ởng của oxy làm oxy hóa các chất trong dầu tạo thành các hợp chất liên kết bền vững với kim loại. Vì vậy ⇒ pha thêm phụ gia vào dầu Page 39 of 107
A A B B Sơ đồ sự tr−ợt của vật rắn khi bôi trơn giới hạn A - Đoạn truyền tải trọng B - Đoạn tiếp xúc Bôi trơn giới hạn với chất rắn: Graphit,disulfit molipdel MoS2, sulfit bạc, chì xốp Tạo màng giới hạn có độ bền nén rất cao, độ bền cắt rất nhỏ Graphit: Có độ cứng ở ph−ơng vuông góc với mặt phẳng của các lớp trong mạng tinh thể xấp xỉ bằng kim c−ơng, độ bền ở các ph−ơng song song với các lớp rất nhỏ. ắ Hệ số ma sát f = 0,03 – 0,04 ắ Khi có ẩm và màng oxit kim loại sẽ tăng c−ờng độ bám dính vào kim Cấu truc tinh loại thể Graphit MoS2: T−ơng tự nh− G, dùng ở nhiệt độ thấp và trong chân không. ắ Khi có ẩm hệ số ma sát tăng do sự có mặt của l−u huỳnh Page 40 of 107 ắ ở nhiệt độ 5830C tạo thành các hạt rắn
Kim loại mềm (không bị biến cứng, không tạo thành dung dịch rắn).⇒ Babit, đồng thanh chì, hợp kim đồng ắ Màng kim loại mềm có bền nén tốt. ắ Khi có chuyển động sẽ dẫn đến sự cắt trong kim loại mềm, diện tích tiếp xúc không lớn (nền cứng) lực ma sát giảm. 5. Ma sát khi bôi trơn −ớt Bề mặt ma sátbị phân tách hoàn toàn bởi lớp bôi trơn lỏng áp suất dầu cân bằng với ngoại lực Các lớp dầu có khoảng cách > 0,5 àm với bề mặt chuyển động tự do với nhau Lực ma sát phụ thuộc vào: ắ Độ nhớt của dầu ắ Giá trị bằng tổng lực cản của các lớp dầu theo chiều dày của màng dầu. Theo chiều dày màng dầu gồm có: ắ Các phần tử hoạt tính hấp thụ vào bề mặt kim loại ắ Lớp giới hạn ắ Rối vi mô ắ Dòng chảy tầng. Sơ đồ mặt cắt của bề mặt kim loại và lớp vật liệu bôi trơn lỏng Page 41 of 107
1. Cấu trúc kim loại ban đầu 2. Tinh thể bị biến dạng có h−ớng 3. Tinh thể bị phá huỷ, bị oxy hoá và lớp hấp thụ bề mặt 4. Lớp phân tử mônô 5. Lớp giới hạn 6. Vùng chuyển động với vi mô 7. Dòng dầu chảy tầng 6. Ma sát khi bôi trơn nửa −ớt Bôi trơn nửa −ớt là đồng thời có cả bôi trơn −ớt và bôi trơn giới hạn Tải cân bằng với lực pháp tuyến của các phần bề mặt tiếp xúc và áp suất thủy động của dầu bôi trơn. Lực ma sát bằng tổng lực t−ơng tác bề mặt theo ph−ơng tiếp tuyến và sức cản nhớt. Gồm có hai dạng: ắ Bề mặt ma sát thu hẹp thành các khe hẹp tạo ra dòng chảy và lực nâng nh−ng không đủ để tiếp nhận toàn bộ tải ắ Độ nhấp nhô tạPageo th42 àofnh 107 các nêm dầu vi mô, hình thành ngay cả khi vận tốc nhỏ
Sơ đồ nêm dầu vi mô thuỷ động do các nhấp nhô bề mặt khi chuyển động t−ơng đối tạo nên. h0 – Khe hở nhỏ nhất a – Chiều dài nêm dầu Page 43 of 107
Đ 5. Tính toán hệ số ma sát Fms = Fpt + Fch ⇒ f = fpt + fch 1. Công thức tính hệ số ma sát theo th−c nghiệm Fms = f.N f – hệ số ma sát N – Tải trọng pháp tuyến, Theo Leonardvinci f = 0,25 2. Coulomb Fms = A+ B.N Hay f = (a/n) +B A - Đặc tr−ng cho mối t−ơng tác giữa hai vật thể ma sát 3. Tabor và bowden Thành phần biến dạng là không đáng kể so với thành phần ma sát phân tử fpt = τ/pt τ − Độ bền cắt của vật liệu mềm hơn á pt – áp lực chảy Page 44f of= 107 0,17 – 0,2
4. Công thức R.Kinh và Tabor : τ f = f + K. (2.15) 0 σ Trong đó : T K – Là hệ số thực nghiệm Khi f0 = 0 và K = 1 ⇒ công thức Tabor và Bowden 5. Công thức R.T.Spurr và T.P.Navcomb có mối quan hệ 4d f = (2.16) Trong đó : 3ΠD D - Là đ−ờng kính mẫu thử d - Là chiều rộng vết đ−ờng tr−ợt 6. Công thức Rabinowic tính hệ số ma sát cho tiếp xúc dẻo: τ ⎛ 2W .cos θ ⎞ f = ⎜1+ ab ⎟ (2.17) P ⎝ P.a ⎠ Trong đó : T τ và PT - sức bền cắt và giới hạn chảy Wab - Năng l−ợng bám dính θ - Góc nghiêng của nhâp nhô a - Bán kính vùng bám Pagedính 45 of 107
Tính toán hệ số ma sát 1. Đối với tiếp xúc cục bộ (duy nhất) Khi tiếp xúc dẻo: Với giả thiết một vật thể rắn tuyệt đối, còn vật thể kia dẻo lý t−ởng. Khi τ < 0,5.σT thì h/r có thể biểu diễn qua tải, độ cứng và hệ số ma sát sẽ là: τ 0 0,31 N f = + β + ( p2 = c.σT ) pr r c.σT Khi tiếp xúc đàn hồi: Hệ số ma sát đ−ợc thể hiện bằng ph−ơng trình: trình: τ 0 f = + β + 0,44.α H pr .Θ pr τ 0 Fmax khi pr =1,5. Θ.α H Trong đó: τo &β – Thông số ma sát của thành phần phân tử r – Bán kính cong của nhấp nhô, Θ - Hệ số đàn hồi của vật liệu, αΓ - Hệ số mất mát do trễ khi tr−ợt N – Tải trọng pháp tuyến tác dụng lên nhấp nhô, σT – Giới hạnPage chảy46 of 107 của vật liệu h – Chiều sâu thâm nhập
2. Đối với tiếp xúc phân tán Khi tiếp xúc dẻo: 1 1 τ 0 d 2 ⎛ 2 pc ⎞ 2ν f = + β + 0,55.K vf .∆ ⎜ ⎟ ( pr = c.σ T ) pr ⎝ pr ⎠ Đối với các bề mặt có gia công lần cuối, b= 2 và υ = 2, khi đó hệ số ma sát sẽ là: 1 1 4 τ 0 2 ⎛ pc ⎞ f = + β + 0,52.∆ ⎜ ⎟ pr ⎝ pr ⎠ Khi tiếp xúc đàn hồi: 2ν 2ν 1 1 ν ⎛ ⎞ 2ν +1 2ν +1 2ν +1 ⎜ π ⎟ τ Θ ⎛ 2 π ⎞ 2ν +1 2ν +1 f = ì 0 + β + 0,19.K dh.⎜ ⎟ ⋅α ⋅ ()p .Θ ⋅ ∆ ⎜ 1 ⎟ 1 ν vf ⎜ ⎟ H c ⎜ 2ν ⎟ ⎝ kν ⎠ ⎝ 2 .kν ⎠ 2ν +1 2ν +1 pc .∆ 4 / 5 1 2 1 Khi ν = 2 : 2,1.τ0.Θ 5 5 f = + β + 0,23.αH .pc 5.∆ .Θ 1 2 Page5 47 of 107 pc 5.∆
Bề mặt sau chạy rà: υ = 2: f = τ Θα + β 0 T Bỏ qua thành phần cơ học K.τ0.Θ Bề mặt có sóng: f = 1 + β 2(2ν+1) ν 2ν+1 ⎛ Hb ⎞ ∆ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ Rb ⎠ 2,5.τ0.Θ Khi υ = 2 f = 0,1 + β 0,4 ⎛ Hb ⎞ ∆ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ Rb ⎠ Trong đó: ∆ – Thông số tổ hợp bề mặt υ – Thông số của đ−ờng cong phân bố, Hb – Chiều cao của sóng Rb – Bán kính cong của sóng á pc – p lực vòng Γ.(ν + 3 ) d Γ.(ν + 1) 3 dn 8 2 K = ⋅ . π ; Kνf = ⋅ νf 3 4 3 Π Γ(ν + 2) Γ(ν + ) Page 48 of 107 2
Đ 6 ma sát lăn Một bánh xe lăn trên một nền phẳng cố định Khi nó quay một góc ϕ Trục của bánh xe di chuyển t−ơng đối với mặt nền một l−ợng là Rϕ Chuyển động của đĩa tròn đ−ợc gọi là lăn thuần tuý. Trong tr−ờng hợp lăn thuần tuý, điểm bánh xe tiếp xúc với nền sẽ không có chuyển động t−ơng đối. o o Sơ đồ lăn của bánh xe trên nền cố định Các điểm của bánh xe so với tâm quay tức thời O1 có vận tốc v góc là ϖ = 0 Page 49 of 107 OO1
Trục đi qua điểm O1 và vuông góc với mặt phẳng lăn của bánh xe đ−ợc gọi là trục quay tức thời Trên thực tế do biến dạng của các vật thể tiếp xúc, điểm tiếp xúc lăn không nằm trên đ−ờng trục quay tức thời mà trên một bề mặt nhất định Nếu bánh xe chịu tác dụng của ngoại lực N với ph−ơng của lực là OO1 để đảm bảo bánh xe lăn với vận tốc không đổi, cần phải đặt vào bánh xe mômen quay. Nó đ−ợc thực hiện bằng cách đặt một lực F0 đủ lớn, có điểm đặt lực trên trục quay tức thời nh− hình vẽ. Mômen của lực này so với điểm O1 sẽ cân bằng với mômen cản lăn. Hệ số ma sát lăn k đ−ợc xác định theo tỷ số của mômen chuyển động M với tải pháp tuyến N M F .R k = = 0 N N Nh− vậy hệ số ma sát lăn khác với hệ số ma sát tr−ợt, nó có thứ nguyên là đơn vị đo chiều dài. Hệ số cản lăn f với đặc tr−ng không thứ nguyên đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa công của lực chuyển động F0 trên một đơn vị chiều dài đ−ờng lăn và tải pháp tuyến Aϕ fPage= 50 of 107 N.∆l
Khi mặt trụ lăn đều (trạng thái cân bằng) thì mômen tác dụng M = F0.R cân bằng với mômen phản lực xuất hiện, tác dụng của phản lực N’ = N đã bị dịch chuyển một khoảng cách e so với ph−ơng của tải pháp tuyến, theo chiều của chuyển động lăn: M.∆ϕ F .R F f = Hay f = 0 = 0 N.R.∆ϕ N.R N Trong đó : Aϕ - công của lực chuyển động Aϕ = M.∆ϕ N – tải pháp tuyến ∆l – quãng đ−ờng chuyển động ∆l = R.∆ϕ F.D Suy ra F .R = N'.e → e = 0 2.N' hay về mặt giá trị F .D V e = 0 = k ϕ Tính hệ số cản lăn: 2.N ⎧ ⎡ 3 ⎤ ⎫ ⎛ xo ⎞ ⎪ ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ ⎪ ⎪ ⎢ ⎝ ao ⎠ ⎥ ⎪ F 2ao ⎪ ⎣ ⎦ k⎪ ao f = = ⎨ − ⎬ xo N R ⎡ 2 ⎤ 2 ⎪ ⎛ xo ⎞ ⎪ 3⎢1 − ⎜ Page⎟ ⎥ 51 of 107 ⎪ ⎜ a ⎟ ⎪ ⎩⎪ ⎣⎢ ⎝ o ⎠ ⎦⎥ ⎭⎪
ChCh−−ơơngng 33 :: mmòònn ĐĐ 11 khkhááii niniệệmm ccơơ bbảảnn vềvề mmòònn Định nghĩa Mòn là quá trình phá huỷ lớp bề mặt của vật thể rắn trong tiếp xúc ma sát, giá trị mòn đ−ợc đánh giá theo sự suy giảm kích th−ớc hay khối l−ợng hoặc theo thể tích mòn Mòn là một phản ứng của hệ thống ma sát đối với tác động của hệ thống bên ngoài. Dạng mòn chính xác không thể đ−ợc xác định dựa vào các giới hạn đơn giản Căn cứ vào vật thể thứ 3 ⇒ có 3 quá trình mòn Căn cứ vào dạng tiếp xúc ⇒ Đàn hồi, đàn – dẻo và cắt tế vi. Mòn của cặp ma sát. Mòn cặp ma sát: Là mòn tại hai bề mặt tiếp xúc có chuyển động t−ơng đối của các chi tiết lắp ghép trong điều kiện sử dụng Kết cấu ma sát: Kết cấu máy chứa các cặp ma sát, có vai trò quan trọng ⇒ phân bố áp suất, tỏa nhiệt, chống bụi L−ợng mòn: (U). Là mòn của cặp ma sát trong khoảng thời gian hoặc trên một quãng đ−Pageờng 52ma of 107 sát nào đó (mm, mg, mm3 )
Tốc độ mòn: Đạo hàm của l−ợng mòn theo thời gian hoặc theo du du quãng đ−ờng ma sát, tgα ; dt dl C−ờng độ mòn: (I) Là đại l−ợng đánh giá mòn trên một đơn vị chiều dài quãng đ−ờng ma sát theo thể tích, hoặc khối l−ợng hoặc độ cao lớp mòn C−ờng độ mòn không thứ nguyên: (Ih) Không phụ thuộc vào đơn vị đo dùng để đánh giá quá trình mòn, xác định dạng biến dạng, hoặc so sánh với quá trình mòn tiêu chuẩn. L−ợng mòn giới hạn: [U] – Là l−ợng mòn mà nếu tiếp tục sử dụng sẽ gây ra h− hỏng hoặc không có hiệu quả kinh tế, là căn cứ cơ bản để xác định tuổi thọ của cặp ma sát ([U]↑, T↑, nh−ng không thể tăng [U] mãi đ−ợc ) Page 53 of 107
1. Sự phụ thuộc của quá trình mòn theo thời gian hoặc theo quãng đ−ờng ma sát Khi cặp ma sát bắt đầu làm việc sẽ diễn ra quá trình chyển từ trạng thái bề mặt ban đầu ⇒ trạng thái bề mặt làm việc. ⇒ quá trình chạy rà quyết định tính chất của bề mặt làm việc. Phân chia sự phụ thuộc của mòn thành ba giai đoạn: chạy rà, mòn ổn định và mòn khốc liệt U Umax 0 I II IIi L (t) Đồ thị sự phụ thuộc củaPagel−ợ 54ng of 107mòn U vào thời gian t hay quãng đ−ờng ma sát L
Quá trình mòn gồm 3 giai đoạn (I) Giai đoạn chạy rà: Là giai đoạn không cân bằng của quá trình mòn, giai đoạn này nằm trong tuổi thọ chung của thời gian làm việc với tiếp xúc nhỏ. Đ−ợc đặc tr−ng bởi tốc độ mòn giảm dần theo thời gian.⇒ Đảm bảo quá trình tiếp xúc đàn hồi trong khớp ma sát diễn ra một cách tự phát Rz ( àm) 5 dU dU ↓ hoặc ↓ dt dl 4 Sự thay đổi của bề mặt hình học trong quá 3 trình chạy rà của mẫu thép 45 và hợp kim 2 БPOцC 5–5-5 trong điều kiện ma sát giới 1 hạn p0 = 30 kgf/cm2, v = 5m/s, và độ nhấp nhô ban đầu nh− nhau. 0 246810 Thời gian (h) ⇒Dự kiến nhấp nhô thứ cấp ⇒Biện pháp công nghệ phù hợp (II) Giai đoạn mòn ổn định: Là giai đoạn dài nhất về mặt thời gian và đ−ợc đặc tr−ng bởi sự ổn định của tốc độ mòn theo thời gian dU dU = Pageconst 55 ofhoặc 107 = const dt dL
− ∆tu: Dự do đoán giá trị tối −u phụ thuộc p, v – ổn định nhiệt, dự kiến T (III) Giai đoạn mòn khốc liệt: Là giai đoạn đặc tr−ng bởi sự tăng vọt của tốc độ mòn – Khi U đạt đến giới hạn nhất định làm thay đổi chế độ lắp ghép cặp ma sát ⇒Chất l−ợng bề mặt xấu đi dU dU hay dt dL Ra (àm) 0,24 9 0,20 3 0,16 0,12 nhẵn 10 2 Độ 0,08 11 0,04 1 12 0306090120150t (ph) Sự thay đổi nhấp nhô bề mặt trục ảnh h−ởng của các quá trình khuỷu phụ thuộc vào thời gian chạy rà khác nhau đến mòn bề chạy rà ; 1, 2, 3 t−ơng ứng với tốc mặt lắp ghép của chi tiết máyPage 56 of 107 độ 100, 800, 1700 v/p.
Đ 2 Các đại l−ợng đặc tr−ng của quá trình mòn 1. Đặc tr−ng vĩ mô của quá trình mòn: ∆H I = : C−ờng dộ mòn không thứ nguyên h L ∆H: Giá trị mòn vĩ mô 2. Đặc tr−ng vi mô của quá trình mòn: ∆h ∆V ih = = : C−ờng dộ mòn don vị d2 Ar .d2 ∆h: Giá trị mòn vi mô ∆v = ∆h. Ar d1≈ d2 = d d1: Kích th−ớc trung bình vết tiếp xúc theo h−ớng tr−ợt d2: Kích th−ớc trung bình vết tiếp xúc theo ph−ơng vuông góc với h−ớng tr−ợt 4 Ar Ar I h = ì ih ì ≈ ih ì π Aa Aa Ngoài hai đặc tr−ng cơ bản này, một số tr−ờng hợp còn sử dụng C−ờng độ mòn theo khối l−ợng: ∆G Page 57 of 107I = g L
C−ờng độ mòn theo thể tích: ∆V I = v L ∆V, ∆G:Thểtíchvàkhốil−ợng mòn t−ơng ứng trên Lms C−ờng độ mòn đơn vị thể tích: ∆V I = v N.L – N: Tải trọng pháp tuyến; Lms: Đ−ờng tr−ợt Quan hệ giữa c−ờng độ mòn không thứ nguyên và c−ờng độ mòn đơn vị thể tích I W = h pa á pa- p lực danh nghĩa trên bề mặt tiếp xúc: C−ờng độ mòn không thứ nguyên của cặp ma sát có thể đ−ợc xác định theo kích th−ớc thay đổi của nó hay theo khối l−ợng với các tính toán hình học của ma sát theo công thức: ∆V Theo kích th−ớc: I h = Page 58 of A107t .L
∆H •Theo thể tích: I = h L λ ∆G •Theo khối l−ợng: Ih = ì ρ Aa .L At – Diện tích bề mặt ma sát của chi tiết A λ = a T−ơng quan giữa diện tích danh nghia và diện tích bề A t mặt ma sát r – Khối l−ợng riêng của vật liệu mòn. C−ờng độ mòn của các vật liệu nói chung nằm trong khoảng -3 -13 Ih = 10 10 Page 59 of 107
ĐĐ 33 PhPhâânn loloạạii ddạạngng mmòònn Sự đa dạng của vật liệu và điều kiện làm việc sẽ quyết định tính đa dạng của quá trình mòn cặp ma sát 1. Mòn hạt mài: Là quá trình mòn khi có môi tr−ờng hạt mài trong vùng ma sát. Mòn hạt mài xảy ra khi: Hk/Hm ≤ 0,6. Dạng mòn này không đ−ợc phép xảy ra. Hk: Độ cứng của kim loại Hm: Độ cứng của hạt mài. Mô hình cấu trúc của các lớp Pagebề mặt60 of 107 trong tr−ờng hợp chịu mài mòn dạng I (a)& dạng II(b)
2. Mòn ôxy hóa: Là quá trình mòn của chi tiết ma sát do t−ơng tác giữa các lớp kim loại bề mặt hoạt tính bị biến dạng dẻo với oxy của không khí hay của dầu bôi trơn hấp thụ trên bề mặt gây ra. Thể hiện ở sự hình thành các lớp màng và sự bong tách của các lớp màng ấy ra khỏi bề mặt ma sát Mòn oxy hóa là quá trình ổn định của cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi của các lớp màng oxít, đặc tr−ng cho điều kiện ma sát bình th−ờng ⇒ Mòn Oxy hoá là dạng mòn quan trọng nhất của mòn cơ hoá. 3. Tróc: Là quá trình h− hỏng không cho phép của bề mặt ma sát do kết quả của sự hình thành mối liên kết kim loại cục bộ, biến dạng và phá hủy các liên kết ấy kèm theo việc bong tách các hạt kim loại ấy hay bám dính các hạt ấy lên bề mặt tiếp xúc. Tróc loại I: Xuất hiện khi ma sát tr−ợt với vận tốc dịch chuyển t−ơng đối nhỏ và áp suất lớn hơn giới hạn chảy trên những vùng tiếp xúc thực khi không có dầu bôi trơn và trong chân không (với cả tr−ờng hợp ma sát lăn) ⇒ Biến dạng dẻo không nhiệt của vật liệu Page 61 of 107
4. Tróc nhiệt: Là quá trình h− hỏng của bề mặt ma sát với sự xuất hiện các liên kết kim loại do bị nung nóng, làm mềm, biến dạng và tiếp xúc của bề mặt thuần khiết tạo nên. Phụ thuộc vào tính chất nhiệt lý của vật liệu ma sát (phụ thuộc vào bản chất vật liệu): Tính ổn định nhịêt, độ cứng, nhiệt dung, Tróc nhiệt là hiện t−ợng khá phổ biến và nguy hiểm. ⇒ tính dẻo nhiệt 5. Mòn do mỏi: Là quá trình h− hỏng do mỏi xuất hiện ở những chi tiết chịu ma sát lăn, kết quả của sự phá hoại mãnh liệt các lớp kim loại bề mặt trong điều kiện đặc biệt của trạng thái ứng suất. Đặc tr−ng chủ yếu là các quá trình biến dạng dẻo lặp đi lặp lại, làm mềm, làm bền và giảm bền các lớp bề mặt kim loại phát sinh các ứng suất d− và cả sự mỏi đặc biệt Sự phá hoại bề mặt thể hiện bởi các vết nứt tế vi, các rãnh trũng phân nhóm hay độc lập 6. Mòn Fretting: Là quá trình xuất hiện khi có ma sát tr−ợt với những chuyển động tịnh tiến khứ hồi rất nhỏ và khi có tác dụng của tải trọng động. Vận tốc mòn fretting nhỏ nhất là vận tôc giới hạn, d−ới vận tốc giới hạn này quá trình mòn fretting không xảy ra. Xuất hiện trong những bộ phận và cặp lắp ghép rất khác nhau, ngay cả trong những bPageộ ph 62ậ ofn 107và cặp lắp ghép không làm việc
7. Mòn ép lún: Là quá trình biến dạng dẻo thể tích vĩ mô của kim loại gắn liền với sự thay đổi hình dạng vùng với các tải trọng lớn hơn giới hạn chảy. Biến dạng, ép lún có thể nằm trên toàn bộ hay một phần lớn thể tích của chi tiết máy. Kích th−ớc của chi tiết máy thay đổi nh−ng khối l−ợng vẫn giữ nguyên. 8. Bào mòn kim loại: Là quá trình phá hoại của các chi tiết máy và cơ cấu d−ới tác dụng va đập lặp lại nhiều lần của những dòng tia chất khoáng và đất đá, d−ới tác dụng của gió và n−ớc (Ngoài ra còn có bào mòn điện). 9. Xói mòn: Là quá trình phá hoại bề mặt của các chi tiết máy tiếp xúc với chất lỏng chuyển động với vận tốc biến thiên. Sự phá hủy do xói mòn gây ra có tính chất cục bộ thể hiện ở việc hình thành các vết lõm và các lỗ hổng. Xói mòn biên dạng: Xuất nhiện khi có sự tách rời dòng chảy lớn chảy ra khỏi bề mặt biên dạng chảy Xói mòn khe hở: Xuất hiện khi tốc độ dòng chảy lớn chảy qua những khe hở mà chất lỏng có thể xuyên qua Xói mòn gián đoạn: Xuất hiện khi dòng chảy gặp những chỗ cản trở mấp mô phải chảy vPageòng 63 ofqua 107 nó.
10. Mòn Hyđro: Có mặt trong tất cả các dạng mòn với mức độ ít hay nhiều. Mài mòn Hyđro là kết quả của sự xuất hiện Hyđro trên bề mặt kim loại và làm dòn hóa bề mặt này trong quá trình ma sát. Phụ thuộc vào các quá trình diễn ra trong vùng ma sát: C−ờng độ tách Hyđro ra khỏi hợp chất của nó khi ma sát. Khả năng hấp thụ vào bề mặt ma sát. Dạng phá hủy bề mặt là sự phát triển hàng loạt các vết nứt tế vi trong vùng bị biến dạng và tích tụ Hyđro. Nó nhanh chóng tạo ra các phần tử có dạng bôt mịn của vật liệu Page 64 of 107
ĐĐ 4.4. bbảảnn chấtchất ququáá trtrììnhnh mmòònn ccủủaa ccặặpp mama ssáátt # Quá trình mòn các bề mặt ma sát có chuyển động t−ơng đối với nhau th−ờng xuyên xảy ra cắt, bẻ gẫy nhấp nhô, tạo thành các nhấp nhô mới, làm nhẵn các bề mặt hoặc nén ép các bề mặt gây biến dạng, làm tăng nhiệt độ, tăng tác dụng phản ứng hoá học với môi tr−ờng bên ngoài ⇒ quá trình mòn là sự kết hợp đồng thời của hiện t−ợng bong tách và hiện t−ợng nén ép các bề mặt nhấp nhô # Quá trình mòn bao gồm ba hiện t−ợng: T−ơng tác giữa các bề mặt ma sát, thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt, và sự phá huỷ chúng. Ba quá trình này không ngừng xáo trộn và ảnh h−ởng lẫn nhau. 1. Sự t−ơng tác giữa các bề mặt ma sát. T−ơng tác cơ học: Sự thâm nhập và móc nối của các nhấp nhô bề mặt ⇒ Các nhấp nhô bị biến dạng (đàn hồi hoặc dẻo) ⇒ cản trở chuyển động ⇒ Fch T−ơng tác phân tử: Sự bám dính và khuyếch tán lớp bề mặt. Hàn dính các nhấp nhô Hiện t−ợng chuyển dời vật liệu ⇒ Fpt Page 65 of 107
2. Sự thay đổi diễn ra trong lớp bề mặt: Do biến dạng, do tăng nhiệt độ, do tác động hoá học của môi tr−ờng bên ngoài, do vận chuyển vật liệu, do mỏi a. Do biến dạng: Biến dạng đàn hồi. Tróc mỏi bề mặt khi ma sát lăn do sự không hoàn thiên của cấu trúc. Rời rạc cấu trúc do nhấp nhô bề mặt biến dạng nhiều lần khi ma sát tr−ợt ⇒ lặp đi lặp lại ⇒ Ma sát mỏi Biến dạng dẻo (chỉ đ−ợc phép xảy ra trong quá trình chạy rà ⇒ C−ờng độ mòn lớn) Làm thay đổi cấu trúc của vật liệu lớp bề mặt do 4 quá trình: Tr−ợt theo các bề mặt phẳng tinh thể. Song tinh thể Lệch nguyên tử ra khỏi vị trí cân bằng, chuyển động nhiệt của chúng Sự phá huỷ cấu trúc. Biến dạng dẻo ở nhiệt độ < nhiệt độ kết tinh lại ⇒ biến cứng làm bền lớp bề mặt. Độ cứng của các thành phần cấu trúc khác nhau d−ới tác dụng của tải mòn trên nền mềm, áp suất các thành phần cứng tăng ép vào thành phần mềm ⇒Pagephá 66v ofỡ 107và dịch chuyển chúng ⇒ làm giàu cấu trúc.
b. Do tăng nhiệt độ: Nhiệt độ lớp mòn bề mặt > nhiệt độ kết tinh lại ⇒ hóa mềm (làm phẳng, làm nhẵn) ⇒ Xảy ra trên toàn bộ hoặc một thành phần của hợp kim Nhiệt độ cao + biến dạng dẻo ⇒ thuận lợi cho quá trình khuyếch tán Tăng nhiệt cục bộ, làm lạnh nhanh chóng do khối kim loại bao quanh ⇒ cấu trúc tôi Biến dạng dẻo ⇒ tăng gradian nhiệt độ, biến đổi cấu trúc, ứng suất trong vật liệu Vi mô: Nhiệt độ cao, tải trọng cao ⇒ tạo thành cấu trúc mácma plasma với các t−ơng tác xảy ra trong thời gian cực ngắn từ 10-7 đến 10-8 giây, định luật cổ điển không áp dụng đ−ợc ⇒ kèm theo hiện t−ợng phát ra điện tử. 1 – Cấu trúc ban đầu ; 2 – Điện tử phát ra 3 – macma PagePlasma; 67 of 107 4 - Cấu trúc nóng chảy
c. Do tác dụng hóa học của môi tr−ờng xung quanh Kim loại nền và oxít có tác dụng cơ học lẫn nhau: ⇒ oxít bị nén, ⇒ kim loại nền bị kéo Môi tr−ờng không khí + bề mặt kim loại trong quá trình mòn ⇒ màng oxít, bảo vệ bề mặt trong ma sát không bôi trơn, bôi trơn nửa −ớt, giới hạn, làm giảm c−ờng độ mòn rất nhiều Các hoạt chất trong dầu + bề mặt KL ⇒ màng hợp chất hóa học ⇒ bảo vệ bề mặt chống mòn Phân hủy chất bôi trơn ở nhiệt độ cao ⇒ bền hóa bề mặt bằng cacbon Chất lỏng, khí hoạt động ⇒ tăng c−ờng độ mòn d. Do vận chuyển vật liệu giữa các bề mặt. Có mặt trong tất cả các dạng ma sát trừ bôi trơn −ớt: cắt, tán và lắp ghép bằng bu lông. Phụ thuộc vào kích th−ớc trung bình của phân tử và điều kiện ma sát. Không đặc tr−ng cho mòn, chỉ chuyển dịch sang bề mặt đối ứng. Mòn chỉ xảy ra khi các phần tử mòn chuyển dịch ra khỏi vùng ma sát Là điều kiện cần thiết của ph−ơng pháp dịch chuyển chọn Là điều kiện cần thiếtPage 68c ofủ 107a ph−ơng pháp dịch chuyển chọn lọc.
e. Do mỏi. Lớp bề mặt chi tiết chịu chuyển động lặp đi lặp lại ⇒ đổi dấu của ứng suất. Mòn của vật rắn do mỏi giống sự phá hủy khi mỏi, tuy nhiên mòn quan sát dễ dàng còn phá hủy do mỏi biểu hiện bằng sự cố bất ngờ. 4. Sự phá hủy các bề mặt ma sát. Có 5 dạng phá hủy cơ bản. Cắt vi mô: Phần tử cứng, hạt mài, hạt mòn thâm nhập đến độ sâu nhất định ⇒ cắt vi mô (th−ờng ít xảy ra) Tạo vết x−ớc: Phần tử thâm nhập khi tr−ợt ⇒ đẩy vật liệu sạng hai bên, đẩy về phía tr−ớc, ép xuống d−ới ⇒ vết x−ớc, gần nh− song song với đ−ờng h−ớng tr−ợt. Bong tách: Vật liệu bị chảy dẻo đẩy về một phía tràn lên màng ôxit, mất liên kết với KL gốc ⇒ dễ bong tẩch Tiếp xúc điểm, đ−ờng ứng suất theo chiều sâu ⇒ bền mỏi ⇒ bong tách ở dạng này. Tróc: Do ứng suất, nhiệt ⇒ tróc các phần tử cứng, phần tử KL chống ma sát chủ yếu trong ma sát lăn. ⇒ Do ứng suất và do nhiệt Bứt sâu: Là hậu quả của mối liên kết bám dính khi mối liên kết này có t−ơng tác phân tử bền vững hơn KL tham gia ma sát. Sản phẩm mòn là các hạPaget có 69 th of ể107tới mm có thể bị đập ra, dính kết với nhau hoặc bám dính vào bề mặt lắp ghép
Đ 5 những định luật cơ bản Phụ thuộc vào yếu tố tác động cơ học bên ngoài (p,v), tác dụng hóa lý của môi tr−ờng, tính chất của các vật liệu chịu ma sát, quá trình ma sát có thể là những tổ hợp của các quá trình cơ học, vật lý, hoá học khác nhau. Khi đó thông th−ờng một trong những quá trình này sẽ chiếm −u thế, còn các quá trình khác kèm theo sẽ có ảnh h−ởng nhỏ đến qúa trình. 1. định luật thứ nhất Các quá trình diễn ra trên bề mặt quá trình ma sát đ−ợc ký hiệu: P1, P2, P3, Pn với vận tốc t−ơng ứng: vp1, vp2, vp3, vpn. Dạng mòn đ−ợc quyết định bởi quá trình Pj diễn ra trên bề mặt ma sát với tốc độ lớn nhất vpj. vpj ≥ vpi (i = 1 n) Khi mòn là ổn định, tốc độ phá hủy các bề mặt làm việc (tốc độ mòn) không thể lớn hơn tốc độ của quá trình quyết định dạng mòn. vmòn ≤ vpj Hệ quả: Điều kiện đảm bảo sự tồn tại của mòn oxy hóa: vox ≥ vmòn ê Giảm tốc độ quá trình mòn ê Tăng tốc độ quá trình oxy hóa Page 70 of 107
2. định luật thứ hai: Tính chống mòn khi mòn ôxy hóa đ−ợc quyết định bởi c−ờng độ hình thành và tính chất của các cấu trúc thứ cấp xuất hiện trong quá trình ma sát. Hệ quả: Khi mòn ôxy hóa cần cố gắng đảm bảo: vox ⇒ min Giảm thiểu biến dạng dẻo và phá hủy Cực tiểu trị số ∆E Thay đổi tính dẻo của kim loại theo h−ớng có lợi Thay đổi bản chất của cấu trúc thứ cấp C−ờng độ ôxy hóa phụ thuộc vào giới hạn chảy của vật liệu: vox = f(σch) Phân chia thành hai nhóm: ) Kim loại và hợp kim mà lớp màng có độ cứng tăng, độ giòn nhỏ, liên kết với kim loại gôc lớn ) Kim loại và hợp kim mà lớp màng có độ cứng nhỏ, độ giòn cao, liên kết với kim loại gốc yếu ê Điều kiện ma sát Page 71 of 107
3. Quy luật mòn thực nghiệm Hai yếu tố chính ảnh h−ởng đến quá trình mòn: Tốc độ tr−ợt và áp suất pháp tuyến A. ảnh h−ởng của tốc độ tr−ợt. Mối quan hệ có tính nguyên tắc i cho tr−ờng hợp tổng quát có ba giai đọan điển hình: Ii Giai đoạn ổn định ứng với IIi mòn ôxy hóa trong chế độ i ma sát bình th−ờng. I ôđ Giai đoạn không bình 0 th−ờng với tróc loại I v'th v''th vth Giai đoạn không bình Giai đoạn không bình Đồ thị nguyên tắc c−ờng độ th−ờng với tróc loại II và quá th−ờng với tróc loại II và quá mòn phụ thuộc vận tóc tải nhiệt của vùng tiếp xúc. Page 72 of 107
B. ảnh h−ởng của áp suất pháp. i Quan hệ có tính nguyên tắc giữa c−ờng độ mòn và áp suất gồm hai Ii giai đoạn: i Mòn cơ hóa bình th−ờng I ôđ Mòn không bình th−ờng (tróc, cày x−ớc, ) 0 Pth P Quan hệ giữa c−ờng độmònvàápsuất Page 73 of 107
Đ 6 một số ph−ơng pháp tính c−ờng độ mòn C−ờng độ mòn của cặp ma sát phụ thuộc vào vật liệu,tính chất của lớp bề mặt, điều kiện ma sát. Quá trình mòn là tổng hợp của nhiều hiện t−ợng ⇒ rất phức tạp và không ổn định. Theo biến dạng của bề ặmt tiếp xúc ⇒tiếp xúc đàn hồi, tiép xúc dẻo, cắt tế vi và các quá trình khác. Khi tr−ợt mô hình chỏm cầu trên bề mặt đàn hồi, tại vùng tiếp xúc sẽ xuất hiện ứng suất đổi dấu qua mỗi lần tiếp xúc ma sát⇒ tích tụ phần tử mòn tr−ớc khi tách ra khỏi bề mặt h (àm) 1. tính mòn theo kinh nghiệm 30 p m I = a H 20 Trong đó: á 10 Pa - p lực danh nghĩa H - Độ cứng m - chỉ số mòn, th−ờng bằng1. 0 10 20 30 40 50 60 n á áp dụng khi biến dạng đàn hồi, Chiều sâu của mẫu phụ thuộc tải trọng lớn, độ cứng lớnPage. 74 of 107 tải trọng lớn, độ cứng lớn. vào số chu kỳ chịu tải
Theo R.Home. N W = Z. HB W - Thể tích vật liệu mòn Z - Khả năng tách nguyên tử khỏi bề mặt khi gặp bề mặt đối Theo J.F.Archard ⎛ k ⎞ ⎛ N ⎞ W = ⎜ ⎟ ⋅⎜ ⎟ ⎝ 3 ⎠ ⎝ HB ⎠ k – hệ số kể đến khả năng tách các phần tử ra khỏi bề mặt tiếp xúc. k = 10-2 ữ 10-7. Page 75 of 107
2. tính mòn theo năng l−ợng Phần tử mòn bị tách ra khỏi lớp bề mặt t−ơng ứng với thể tích vật liệu nào đó tích lũy đủ nội năng dự trữ. Phần lớn công của lực ma sát phân tán d−ới dạng nhiệt năng, còn một phần nhỏ 9 – 16% tích lũy trong vật liệu d−ới dạng nội năng ⇒ nguyên nhân phá hủy bề mặt khi ma sát * Khái niệm năng l−ợng ảo là năng l−ợng ma sát bề mặt et W ∗ T eT = Vd WT – Công ma sát. WT = f.N.L Vd – Thể tích vật liệu mòn Năng l−ợng bề mặt ma sát có thể đ−ợc xác định theo c−ờng độ mòn ∗ τ eT = I h τ = f.Pr – lực ma sát riêng h – c−ờng độ mòn. * Năng l−ợng bề mặt cơ bản eT đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa công của lực ma sát vPageà th 76ể oftích 107 vật liệu bị biến dạng
Đột biến (phá hủy) xảy ra khi số t−ơng tác tiến sát tới giới hạn nk thì có ph−ơng trình: n .e e = k Te T δ V Trong đó: δ = d Vbd Vbd: thể tích biến dạng nơi tích lũy năng l−ợng ma sát. C−ờng độ mòn đ−ợc tính theo ph−ơng trình: f .p .δ τ.δ a hay Ih = Ih = eTe .nk eTe .nk 3. tính mòn theo lý thuyết cơ phân tử Mô hình tính (vĩ mô) N N T R R Nén Kéo Nén Sơ đồ ma sát tr−ợt của mẫPageu ch 77ỏ ofm 107 cầu với 1/2 chỏm cầu chịu lực
Chỏm cầu cứng tr−ợt trên bề mặt biến dạng ⇒ xuất hiện thành phần ứng suất phức tạp. Phía tr−ớc tồn tại vùng ứng suất nén, Phía sau tồn tại vùng ứng suất kéo. ⇒ Biến thiên ứng suất theo chu kỳ trong thể tích vật liệu ở lớp bề mặt, với giá trị biên độ không v−ợt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu. ⇒ Mỗi chu kỳ tác động làm tích lũy các h− hỏng ⇒ xảy ra sự phá hủy vật liệu do mòn. Cơ sở tính. Mối quan hệ giữa ma sát đơn vị và biến dạng của thể tích vật liệu trong vùng tiếp xúc thực. Tác động t−ơng hỗ khi ma sát là phân tán, các tiếp xúc xảy ra trên các phần riêng biệt gọi là diện tích tiếp xúc thực. Bề mặt nhấp nhô d−ới tác dụng của tải pháp tuyến sẽ thâm nhập vào nhau hoặc bị đè bẹp. Vùng vết tiếp xúc thực đ−ợc hình thành t−ơng ứng với ứng suất và biến dạng. Trong quá trình ma sát thể tích vật liệu cục bộ nằm ở d−ới lớp bề mặt chịu tác động t−ơng hỗ lặp đi lặp lại nhiều lần Số chu kỳ dẫn đến phá hủy phụ thuộc vào biên độ ứng suất tác dụng là hàm: const n = τ t t – Số mũ của đ−ờng congPage 78 mof 107ỏi đ−ợc xác định từ thực nghiệm
ĐĐ 77 TínhTính totoáánn mmòònn theotheo lýlý thuyếtthuyết mmỏỏii kragelsskykragelssky C−ờng độ mòn của cặp ma sát phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu, điều kiện làm việc của cặp ma sát (p, v, T°, bôi trơn, môi tr−ờng ), đặc tính nhấp nhô của bề mặt. Ngoài ra đặc điểm kết cấu cũng đóng vai trò quan trọng. C−ờng độ mòn không đổi với điều kiện: ∆v ∆v ∆v ∆v = i = 1 ⋅ ⋅⋅ = n n n n Trong đó i 1 n ∆vi Thể tích phần tử mòn bị tách ra ni Số chu kỳ tác động để tách thể tích vật liệu ∆vi ∆v Thể tích phần tử mòn t−ơng ứng với một t−ơng tác ma sát Thể tích phần tử mòn ∆vi bằng thể tích vật liệu nhỏ nhất Vb tham gia vào biến dạng tại điểm tiếp xúc. Khảo sát tr−ờng hợp: Ma sát của hai vật rắn, một tuyệt đối phẳng và biến dạng đàn hồi, còn vật kia tuyệt đối rắn và có nhấp nhô thay đổi. Bề mặt nhấp nhô đ−ợc mô hình hoá bởi các chỏm cầu đơn lẻ có bán kính nh− nhau, có đ−ờng congPage 79ph of 107ân bố nh− của bề mặt thực.
Giả thiết chỉ có thể tích bị mòn tham gia vào các tiếp xúc nhấp nhô. i l hi r tp 1 i h / Rmax h x tp = b.eν Rma Chiều dài khảo sát theo tiêu chuẩn GOST 2789 - 73 1 Mô hình tiếp xúc của vật rắn tuyệt đối có nhám với bề mặt phẳng của vật liệu biến dạng đàn hồi Thể tích vật liệu Vb đ−ợc tính toán với việc sử dụng đ−ờng cong υ phân bố: tp = b.ε Trong đó h ε = Độ dịcPageh g 80ầ nof 107t−ơng đối Rmax
h – khoảng cách từ mặt phẳng đang xét tới mặt phẳng đi qua đỉnh nhấp nhô cao nhất b, υ – Thông số của đ−ờng cong phân bố Rmax – Chiều cao lớn nhất của profin nhấp nhô Thể tích Vb đ−ợc xác định theo ph−ơng trình: h ε ν +1 ν Ac .Rmax .b.ε Ar .Rmax .ε Vb = ∫ Ar .dh = Ac .Rmax .∫ b.ε .dε = = 0 0 ν + 1 ν + 1 ∆V Vb Ar .h 1 h Với: ih = ⇒ ih = = ì = Ar .d Ar .d.n ν + 1 Ar .d.n ()ν + 1 d.n h h Với mô hình chỏm cầu: d ≈ 2rh ; ≈ 0,7 d r C−ờng độ mòn đ−ợc thể hiện: A h P 1 I = α.i ⋅ r =K .α. ⋅ a ⋅ h h A 1 r P n Trong đó: a r K1 – Hệ số đ−ợc xác định do hình dạng hình học và sự phân bố theo độ cao của các nhấp nhô đơn trên mặt vật thể cứng, K1≈ 0,2 n: Số chu kỳ dẫn đến tách phần tử mòn ∆v A α = r hệ số trùngPage khít 81; ofα 107= 0,5 khi tiếp xúc đàn hồi, α = 1 A a khi tiếp xúc dẻo.
Bảng 3.3 : Quan hệ cấp c−ờng độ mòn và các nhóm biến dạng Cấp O I II III IV V VI VII VIII IX lgImin -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 lgImax -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 Cấp I đến V: Nhóm biến dạng đàn hồi Cấp VI đến VII: Nhóm đàn dẻo Cấp VIII đến IX: Nhóm cắt tế vi 1. Tính toán c−ờng độ mòn cho tiếp xúc đàn hồi Quá trình chạy rà là quá trình biến đổi dần dần từ tiếp xúc của bề mặt công nghệ sang tiếp xúc đàn hồi của bề mặt làm việc t 1 1 1 1 k.f f 2ν tf −1− 2 ⎛ p ⎞ Ih =K1.α.2 .Pa.Pc2ν.Pr 2ν.∆ .⎜ ⎟ ⎝ σb ⎠ Trong đó: áp suất tiếp xúc thực đ−ợc tính theo công thức: 2ν ν 1 2ν+1 2ν+1 pr = 0,5.PageE 82. of∆ 107 .pc2ν+1
áp suất cục bộ khi không kể đến ảnh h−ởng của nhám đến sóng đ−ợc tính theo công thức đ−ợc tính theo công thức 0,4 0,8 ⎛ Hb⎞ 0,2 pc = 0,2.E .⎜ ⎟ .pa Trong đó: ⎝ Rb⎠ E: Mô đun đàn hồi Hb: Chiều cao sóng Rb: Bán kính sóng Giá trị của pc thay đổi theo dạng tiếp xúc của các nhấp nhô bề mặt. Tiếp xúc của các bề mặt không chạy rà và không có sóng thì sóng thì pc = pa. Tr−ờng hợp các dụng cụ đo, cơ cấu đồng hồ, chốt then, mối ghép ren, cam, bánh xe và đ−ờng ray tf ⎡ 2ν .tf ⎤ ν .tf tf 1+ ⎢ ⎥−1 k.f 2ν +1 ⎣ 2ν +1 ⎦ 2ν +1 ⎛ p ⎞ Ih = K2 .α.KtvP .E .∆ .⎜ ⎟ ⎛ 1 ⎞ 1 ⎝ σ b ⎠ ⎜tf −1− ⎟ ⎝ 2ν ⎠ 2ν ở đây: K2 = 0,5 .2 .K1 Với các bề mặt có gia công lần cuối (υ = 2) tf ⎡ 4tf ⎤ 2tf tf 1+ ⎢ ⎥−1 ⎛ k.f ⎞ I = K .α.K P 5 .E ⎣ 5 ⎦ .∆ 5 .⎜ p ⎟ h 2 tvPage 83 of 107 ⎜ ⎟ ⎝ σ b ⎠
Tiếp xúc của các bề mặt nhấp nhô có sóng và không chạy rà, pa ≠pc. Trong các cơ cấu đ−ờng dẫn h−ớng máy công cụ, má phanh, ly hợp ma sát 2tf 2tf ()5ν+2 5 2ν+1 tf −1 ν.tf () tf 1+ 5()2ν+1 k.f 5()2ν+1 2ν+1 ⎛Hb⎞ ⎛ p ⎞ Ih =K3.α.KtvP .E .∆ ⋅⎜ ⎟ .⎜ ⎟ ⎝Rb⎠ ⎝ σb ⎠ tf 2ν+1 Trong đó : K3 = K2.0,2 Bỏ qua các đại l−ợng vô cung bé ảnh h−ởng đến Ih và pa: t f −1 0 ,4 t f H b 0 ,1t f kf p t f I h = K 3 .α .K tv .p.E .∆ .( ) ( ) Rb σ b Tiếp xúc của các bề mặt đã chạy rà: Trong tr−ờng hợp này bao gồm các chi tiết có kết cấu bất kỳ, mà trên bề mặt ma sát nhấp nhô tối −u đã đ−ợc thiết lập. ⎛ τ .α ⎞ f ≈ 1,4 ⋅ ⎜ 0 H ⎟ + β ⎝ E ⎠ Không phụ thuộc vào tPageải v 84à ofđạ 107i l−ợng đặc tr−ng hình học tế vi
Nhấp nhô bề mặt sau khi chạy rà đạt giá trị ổn định: 5 15.τ 4 ∆ ≈ 0 4 1 5 5 2 E .P .αh4 Trong tr−ờng hợp chạy rà, c−ờng độ mòn đ−ợc tính theo công thức ⎡ t ⎤ t 2tf f −1 1 f ⎣⎢ 2 ⎦⎥ 1 ⎛ k.fp ⎞ 5 2 ⎜ ⎟ Ih = K2.15 .α.Ktv .P.E .τ0 ⋅ 1 ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ σb ⎠ αT 2 Trong tr−ờng khi cả hai bề mặt đều có gia công lần cuối và giá trị tổ hợp của nhấp nhô bề mặt đ−ợc tính: 1 r1 .r2 ()Rmax1.Rmax 2 2 ∆ = 1,6 ⋅ r1 , 2 = 1,2 1 r + r r1,2 ()b1.b2 4 1 2 Khi tính năng của hai chi tiết t−ơng đ−ơng thì: E 1 .E 2 E td = E 1 + E 2 Nếu các bề mặt có độ nhấp nhô khác nhau hơn 2 cấp bề mặt thì độ nhấp nhô của bề mặt phẳng hơn có thể bỏ qua. Các công thức tính c−ờng độ mòn trên dựa vào giả thuyết vật rắn Page 85 of 107 tuyệt đối trên vật thể mềm hơn và mòn xảy ra trên vật thể mềm.
C−ờng độ mòn của vật thể gây mòn đ−ợc tính theo công thức: I’ = I.αΜ Trong đó: −t f αM = ()1 + c 2()1+β 1 β = 2v + 1 Θ c = 2 : Θ1 – hằng số môđun đàn hồi của vật liệu đ−ợc tính mòn. Θ1 Khi c ⇒ 0thìα≈1. Nếu môđun đàn hồi không khác nhau nhiều thì α <1. Ví dụ cần xác định mòn của vật thể gây mòn là trục thép tiếp xúc ma sát với ổ đỡ cao su. Khi đó chắc chắn có ổ đỡ cao su là biến dạng so với trục thép, giả thiết tf = 2; b = 1/5 ; c = 104. Vậy a = 1,6 .10-5 Page 86 of 107
2. Tính toán c−ờng độ mòn cho tiếp xúc dẻo. Đối với tiếp xúc dẻo (số chu kỳ mòn nhỏ), số chu kỳ phá huỷ n phụ thuộc vào giá trị biên độ biến dạng: t ⎛ e ⎞ n = ⎜ 0 ⎟ ⎝ e ⎠ Trong đó : t – Số mũ đ−ờng cong ma sát do mỏi e0 – Có giá trị xấp xỉ độ dãn dài t−ơng đối khi đứt σb Giá trị của t dao động trong phạm vi hẹp từ 2 đến 3. Quan hệ giữa n và biến dạng tại vùng tiếp xúc, tính năng cơ lý, nhấp nhô bề mặt, và đặc tr−ng ma sát đ−ợc xác định d−ới đây : ⎛ 2.r.e0 σT − 2. f .HB ⎞ n = ⎜ ⋅ ⎟ ⋅ Ktv ⎝ d σT + 2. f .HB ⎠ – Trong đó : – r : Bán kính cong của các đỉnh nhấp nhô – d : Đ−ờng kính trung bình vết tiếp xúc σ – f : Hệ số ma sát, f < T Page2.HB 87 of 107
σT – giới hạn chảy Ktv – hệ số HB: Độ cứng Brinen ⎛ 1 ⎞ Γ ⎜v + ⎟ 2 K = ⎝ ⎠ tv ⎛ 1 ⎞ Γ ()v .Γ ⎜ 1 + ⎟ ⎝ 2 ⎠ Thay thế giá trị của n vào ph−ơng trình (3.43) c−ờng độ mòn khi tiếp xúc dẻo đ−ợc biểu thị nh− sau: 1+ βt 1 1+t d t 1+ βt ⋅ ⎛ P ⎞ 1−βt ⎛ K f ⎞ I = 2 2 ⋅ a ⋅ ∆ 2 ⋅ ⎜ ⎟ ⋅η 1−βt ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ c .a ⎝ HB ⎠ ⎝ e0 ⎠ Trong đó : d ⎛ σ 1 + 2. f .HB ⎞ K f = ⎜ ⎟ ⎝ σ 1 − 2. f .HB ⎠ Ac ηc ,a = Page 88A ofa 107
Nh− vậy c−ờng độ mòn tỷ lệ với áp suất và thông số bề mặt tổ hợp với số mũ lớn hơn 1, khi hệ số ma sát càng cao thì c−ờng độ mòn càng lớn. Tính năng cơ lý của vật liệu thể hiện trong công thức (3.66) bằng thừa số: −1 ⎛ 1+βt ⎞ ⎜ HB 1−β .e t ⎟ ⎜ 0 ⎟ ⎝ ⎠ Page 89 of 107
ĐĐ 88 CCáácc nhnhâânn ttốố ảảnhnh hh−−ởởngng đđếnến cc−−ờngờng độđộ mmòònn 1. áp lực danh nghĩa: 1. áp lực danh nghĩa: Pa Không chạy rà – ảnh h−ởng phi tuyến đến c−ờng độ mòn (chỉ số 1,4 ữ 3 mũ 1,4–3), đặc biệt khi Aa nhỏ: I ~ pa Không chạy rà, có sóng – giảm phi tuyến (số mũ 1,08 –1,4): 1,08 ữ 1,4 I ~ pa 1 ữ 3 Chạy rà - tỷ lệ thuận với pa (số mũ 1) I ~ pa Tr−ờng hợp chung nhất chỉ số mũ từ 1-3 2. Mô đun đàn hồi vật liệu: E ảnh h−ởng lớn đến c−ờng độ mòn do giá trị lớn nhất và chỉ số mức độ thay đổi rộng. Không chạy rà - ảnh h−ởng lớn (số mũ 0,6 -7): I ~ E0,6 ữ 7 Không chạy rà, có sóng – tăng phi tuyến (số mũ 1,9 – 9,6): I ~ E1,9 ữ 9,6 Chạy rà - khoảng thay đổi nhỏ hơn (số mũ 0- 4): I ~ E0 ữ 4 Có sự ảnh h−ởng qua lại với đặc tr−ng ma sát, đặc tr−ng độ bền và có liên quan đến hệ số tổn hao do trễ. Page 90 of 107
3. đặc tr−ng độ bền vật liệu ( σb,tf) ảnh h−ởng trực tiếp đến c−ờng độ mòn: Tăng σb làm giảm mòn. Tăng tf- số chu kỳ cần để tách phẩn tử mòn càng lớn. Tăng đặc tr−ng bền của bề mặt vật liệu nói chung làm tăng tính chống mòn. 4. Đặc tr−ng của ma sát tiếp xúc (hệ số ma sát f) ả nh h−ởng đén c−ờng độ mòn không tuyến tính do f =f(E, ∆, pa, v0, β) Mức độ ảnh h−ởng nh− đặc tr−ng độ bền với chỉ số mũ là tf. 5. đặc tr−ng hình học tế vi bề mặt: ∆, Hb/Rb ảnh h−ởng lớn. Do ∆ thay đổi trong khoảng: 10-3 < ∆ < 1 Chỉ số mức độ dao động lớn (số mũ 0,8- 4) Độ sóng bề mặt: ảnh h−ởn tới độ mòn chỉ đến bậc 2. Mức độ ảnh h−ởng <1 và khoảng thay đổi chỉ đến 4 lần. Mòn của bề mặt đã chạy rà đặc tr−ng tế vi không ảnh h−ởng. Page 91 of 107
T−ơng tác phân tử tại tiếp xúc: T−ơng tác phân tử tại tiếp xúc: το , β ảnh h−ởng lớn (số mũ 2- 20) phụ thuuộc vào đều kiện ma sát: Bôi trơn Làm sạch bề mặt Môi tr−ờng xung quanh Thông số đặc tr−ng cho trạng thái. C−ờng độ mòn thay đổi theo sự cản tr−ợt của lớp bề mặt vì vậy sử dụng chất bôi trơn nhằm tăng tuổi thọ. Nhiệt độ và vận tốc: Vận tốc Xác định nhiệt độ tại điểm tiếp xúc, công suất toả nhiệt. Thời gian tồn tại của liên kết ma sát. Xác định tốc độ biến dạng của vật liệu. Nhiệt độ tăng: (thay đổi tính chất cơ lý hoá lớp bề mặt) Hệ số ma sát thay đổi không có quy luật. tf không rõ ràng (phải xác định ở cùng nhiệt độ) Trong quan hệ c−ờng độ mòn với nhiệt độ, vận tốc tải trọng có những đột biến lớn khi đạt nhiệt độ nhất định (thay đổi bản chất vật liệu) Page 92 of 107
3 i (cm /cm) -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -2 -1 0 10 10 10 10 N (Kgf) Thay đổi của c−ờng độ mòn vào tải trọng của thép có 0,25%C với v = 2,6 m/s. Ngoài ra c−ờng độ mòn còn bị ảnh h−ởng bởi rung động và dòng điện xuất hiện trong quá trình ma sát Page 93 of 107
tínhtính totoáánn mmòònn Là bài toán có tính chất đặc thù: Thứ nhất: Thể tích vật liệu chịu tải trong khớp ma sát không cố định nó thay đổi phụ thuộc vào giá trị áp lực, độ nhấp nhô bề mặt và các nhấp nhô thứ cấp nảy sinh khi cặp ma sát làm việc. Thứ hai: Tiếp xúc thực của vật rắn là tiếp xúc rời rạc của các thể tích tế vi vật liệu bị biến dạng. Nói cách khác là không sử dụng giả thuyết về tính đồng nhất và đẳng h−ớng của vật liệu. Giả thuyết này đ−ợc sử dụng rộng rãi trong cơ học cổ điển khi nghiên cứu vật rắn biến dạng. Thứ ba: Phân biệt tính toán độ bền (các điều kiện không phá huỷ vật thể) với tính toán mài mòn đ−ợc đánh giá theo sự tồn tại của các đặc tr−ng phá huỷ chủ yếu. Thứ t−: Tính chất của vật liệu tham gia vào ma sát phân biệt rõ ràng với tính chất của vật liệu ban đầu, chúng thay đổi trong quá trình ma sát và điều kiện phá huỷ của vật liệu cũng thay đổi. Page 94 of 107
ChCh−−ơơngng 44 ĐĐộộ tintin ccậậyy vvàà tutuổổii ththọọ chichi tiếttiết mmááyy Đ 1. Quy luật mòn của chi tiết máy 1. tính mòn cho chi tiết máy phải dựa vào các yếu tố: Quy luật vật lý của vật liệu đ−ợc sử dụng trong khớp ma sát 4 B−ớc thứ nhất: Tìm điều kiện giới hạn nhằm xác định dạng mòn trong khớp tribo, cả dạng mòn không đ−ợc phép. 4 B−ớc thứ hai: Phân tích sự phụ thuộc của tốc độ mòn vào các yếu tố khác, là hàm của các biến ngẫu nhiên, mà mỗi thông số đó có xu h−ớng ảnh h−ởng khác nhau đến tốc độ mòn cùng với mức độ phân tán của nó. Điều kiện làm việc. 4 Xác định phân bố của áp lực, giả thiết mòn tuyến tính ở trên bề mặt đàn hồi 4 Thay đổi vị trí t−ơng đối của chi tiết mềm là do mòn, là hàm số thay đổi theo các cụm cơ cấu, theo thiết kế và kích th−ớc. Page 95 of 107
2. Quy luật của mòn theo thời gian Trong đa số các tr−ờng hợp quan hệ giữa thời gian của quá trình mòn và l−ợng mòn U thừa nhận là quan hệ tuyến tính. γ = U/t = const Chấp nhận lý thuyết mỏi của các dạng mòn khác nhau (tiếp xúc đàn hồi, tiếp xúc dẻo ) c−ờng độ mòn tuyến tính phụ thuộc vào áp lực tại vùng tiếp xúc. I = kpm 1< m< 3; trong tr−ờng hợp chạy rà m ≈ 1 Trong mòn cơ hóa, c−ờng độ mòn tuyến tính theo thời gian và áp lực có quan hệ tuyến tính I = kp, ⇒ l−ợng mòn tuyến tính U không phụ thuộc vào tốc độ tr−ợt t−ơng đối: U = kpL Chia cả hai vế cho thời gian hoạt động của khớp tribo t: γ = kpv Hệ số đặc tr−ng cho: Tính chống mòn của vật liệu Điều kiện hoạt động của khớp (bôi trơn, bảo vệ bề mặt, chống bụi bẩn.) Tốc độ mòn theo thơi g gian (γ), và tốc độ mòn tuyến tính I quan hệ với nhau bằng ph−ơng trình: Page 96γ of=v.I 107
Quy luật này đ−ợc sử dụng để tính mòn cho nhiều chi tiết máy nh− Đ−ờng h−ớng tr−ợt Đĩa ly hợp ma sát Vít me đai ốc Rãnh tr−ợt trong cơ cấu tay quay thanh truyền và t−ơng tự Tr−ờng hợp chung tốc độ mòn theo thời gian là hàm lũy thừa: γ = kpmvn Cho mòn cơ hóa: n = 1 Giá trị k chịu ảnh h−ởng trực tiếp của vật liệu cặp tr−ợt, hình học tế vi bề mặt tại điểm tiếp xúc, điều kiện làm việc Page 97 of 107
Đ 2. xác định l−ợng mòn giới hạn Tính toán tuổi thọ dự kiến của máy móc thiết bị phải xác định đ−ợc l−ợng mòn giới hạn [U] của từng chi tiết và của từng cặp chi tiết: L−ợng mòn giới hạn [U] đ−ợc xác định theo ba nhóm tiêu chuẩn khác nhau: 1. Do hậu quả của mòn, thiết bị không hoạt động đ−ợc nữa: 4 Dừng máy đột ngột 4 Kẹt 4 Xảy ra các h− hỏng về cơ khí 2. Do mòn thiết bị, máy móc làm việc trong điều kiện: sẽ bị h− hỏng trong một thời gian ngắn: 4 Xuất hiện va đập 4 Xuất hiện rung động 4 Bề mặt đàn hồi bị mòn rất nhanh 4 Nhiệt độ của máy tăng lên 3. Do mòn các tính năng cơ bản của thiết bị v−ợt quá chỉ tiêu giới hạn 4 Chất l−ợng sản phẩm xấu đi 4 Mất năng suất 4 Giảm hiệu suất 4 Tiếng ồn tăng Page 98 of 107
Trong tr−ờng hợp tổng quát chỉ tiêu mòn giới hạn đ−ợc xác định theo hai h−ớng khác nhau: Của chi tiết độc lập trong khớp tribo Tổng hợp của nhiều chi tiết trong cơ cấu hoặc cả máy. Page 99 of 107
ĐĐ 33 XXáácc đđịnhịnh độđộ tintin ccậậyy chocho ccặặpp mama ssáátt 1. Các thông số liên quan đến độ tin cậy của cặp ma sát: 4 T - Tuổi thọ của khớp tribo 4 Umax – L−ợng mòn giới hạn của khớp tribo 4 γ – Tốc độ mòn theo thời gian. T = Umax/γ Tuổi thọ T phụ thuộc vàov biến ngẫu nhiên γ với khoảng dao động rộng Các đối số ngẫu nhiên của của quá trình mòn (ảnh h−ởng đến mòn): 4 Nhân tố ngoài ~ lực, tốc độ tr−ợt 4 Cơ tính vật liệu ~ độ cứng, độ bền Biến ngẫu nhiên 4 Điều kịên làm việc. Tính tuổi thọ của cặp ma sát dựa vào mòn ⇒ tính mòn theo thời gian U cùng với xác suất làm việc không hỏng của khớp tribo P(t). Với giả thiết l−ợng mòn theo thời gian tuân theo quy luật tuyến tính ⇒ có ph−ơng trình mòn: U = γ.t γ Là biến ngẫu nhiên tuân theo luật số lớn ⇒ Mật độ xác suấtPage c100ủa of γ:107
U γ = m t 2 2 2 2 2 2 σ γ = D( kpv ) = k σ p .σ v + σ p .vm + σ v .pm γm – kỳ vọng toán học của tốc độ mòn theo thời gian σ - Độ lệch tiêu chuẩn (độ lệch quân ph−ơng) của tốc độ mòn theo thời gian Ph−ơng trình mòn tuyến tính trong tr−ờng hợp tổng quát: U = a + γ.t a – Thông số ban đầu của cặp ma sát, phụ thuộc vào chất l−ợng bề mặt đàn hồi 2. Tính toán độ tin cậy và tuổi thọ. Trong tr−ờng hợp tổng quát, với luật mòn tuyến tính, tuổi thọ đ−ợc tính theo công thức T = (Umax - a)/γ T phụ thuộc vào hai biến ngẫu nhiên a và γ Hai biến ngẫu nhiên a và γ đ−ợc thừa nhận là tuân theo phân bố chuẩn ⇒ l−ợng mòn U ứng với giá trị t = T cũng là phân bố chuẩn với kỳ vọng toán học: Um = a0 + γ.T Với độ lệch tiêu chuẩn: Page 101 of 107
2 2 2 σu = σa + σ γ .T a0 – Kỳ vọng toán học của biến ngẫu nhiên a σa – Độ lệch tiêu chuẩn của biến ngẫu nhiên a. U α = 1 - P(T) = 0,5 α = 1 - P(T) [U] Um = ao + γ.t P(T) 2 2 2 σu = √σα + σγ.t 2 2 2 2 2 2 σγ = κ√σp.σv + σp.v + σv.p 0 σα a 0 T Tm L,(t) Sơ đồ đánh giá độ tinPage cậ 102y trong of 107 tr−ờng hợp mòn tuyến tính
Xác suất làm việc không hỏng P(t) của cặp ma sát ứng với chu kỳ phục vụ t = T là đặc tr−ng của tuổi thọ và phụ thuộc vào đặc tr−ng xác suất của quá trình mòn. Xác suất của quá trình mòn t−ơng ứng bằng diện tích nằm d−ới đ−ờng cong mật đọ xác suất của U: f(u), trong khoảng Umax ≥ U ≥ 0. Với phân bố chuẩn xác suất không hỏng đ−ợc tính nhờ toán tử Laplace: ⎡U − a − γ.T⎤ P(t) = 0,5 + Φ ⎢ max 0 ⎥ ⎢ 2 2 2 ⎥ ⎣ σa + σ γ .T ⎦ Hai dạng bài toán về xác định độ tin cậy: Cho tuổi thọ t = T1 cụ thể, tìm xác suất làm việc không hỏng P(t) nh− là đặc tr−ng của độ tin cậy. Các thông số để xác định đối số của hàm Laplace đã biết và P(t) đ−ợc tính theo số liệu của bảng. Cho các định mức tiêu chuẩn của độ tin cậy, thông th−ờng là P(t), tính tuổi thọ T1 nhằm đảm bảo xác suất làm việc không hỏng. Page 103 of 107 Tuổi thọT1 nằm trong biểu thức là đối số của hàm Laplace.
Tuổi thọT1 nằm trong biểu thức là đối số của hàm Laplace. ⎡U − a − γ.T⎤ P(t)− 0,5 = Φ ⎢ max 0 ⎥ ⎢ 2 2 2 ⎥ ⎣ σa + σγ .T ⎦ U − a − γ.T U = max 0 α 2 2 2 σa + σ γ .T Uα - đối số của hàm Φ ⇒ đ−ợc tra theo bảng. 2 2 2 Uα ( σa + σ γ .T ) = Umax − a0 − γ.T Giải ph−ơng trình bậc hai của T để xác định tuổi thọ t−ơng ứng với các xác suất làm việc không hỏng P(t): Xác suất làm việc không hỏng P(t) Xác suất để trong giới hạn đã cho của thời gian làm việc T h− hỏng của đối t−ợng không xuất hiện t ∫ λ (t )dt P(t) = e 0 λ(t) c−ờng độPagehỏ 104ng of 107
Tần suất hỏng ^ N(t) Không hỏng ở t P(t) = N0 Không hỏng ở t0 Thời gian làm việc trung bình (kỳ vọng T) ∞ T = P(t)dt tb ∫0 C−ờng độ hỏng f(t) λ(t) = P(t) P(t) Xác suất làm việc không hỏng trong thời gian t f(t) Mật độ phân phối của thời gian làm việc đến khi hỏng Tuổi thọ γ % - Thời gian làm việc mà trong đó đối t−ợng ch−a đạt tới giá trị trạng thái giới hạn với xác suất γ % đã cho: γ 1 − F (t) = d 100 Fd – Hàm phân phối của dự trữ γ % - 99,99 – 99,975 – 99,95 – 99,9 - 99,75 Page 105 of 107
VíVí dụdụ tínhtính tutuổổii ththọọ vvàà xxáácc suấtsuất llààmm viviệệcc khkhôôngng hhỏỏngng 1. Tính tuổi thọ (γ% tuổi thọ Tγ) của chi tiết với xác suất làm việc không hỏng thay đổi từ 90% đến 99,99%: Số liệu ban đầu: Mòn U tuân theo quy luật tuyến tính 2. Điều kiện làm việc bình th−ờng: 2 pm = 16 kgf/cm ± 4,5 ⇒ σp =1,5 vm = 2m/s ± 0,6 ⇒ σv = 0,2 Tuân theo quy luật phân bố chuẩn với vùng 6 σ 3. Trong 100 giờ làm việc với điều kiện mòn bình th−ờng, mòn 2 àm -2 γm = 2.10 àm/h (Giá trị này có thể thực hiện bằng tính toán theo lý thuyết cơ phân tử). m n 4. Tốc độ mòn γ = k.p m.v m ⇒ tìm hệ số k (với giả thiết m = n = 1) γ m − 4 γà = k.pm.vm ⇒ k = = 6,25.10 pmνm 5. Kích th−ớc mòn ban đầu a0: đ−ợc chế tạo chính xác trong khoảng ± 3 àm ⇒ σ0 = 1 àm Page 106 of 107
6. Căn cứ vào điều kiện làm việc của chi tiết, l−ợng mòn giới hạn Umax = 10 àm, l−ợng mòn này đ−ợc tính toán có sự l−u ý đến a0. Trong tr−ờng hợp này a0 = 0 Giải Umax 10 Tuổi thọ trung bình của chi tiết: Tm = = − 2 = 500 (h) γ m 2.10 Xác định ph−ơng sai của mòn theo p,v: Giả sử các biến ngẫu nhiên độc lập nhau ta có: Dγ = D(kpv) = k2D(pv) = k2 D(p).D(v) + p2 .D(v) + ν2 .D(p) [ m m ] 2 2 2 2 2 2 Hay: σ γ = D( kpv ) = k σ pσv + pmσv +ν mσ p γ Mặt khác: m −4 Mặt khác: γ = k.pm .v m ==> k = = 6.25.10 pm .v m Suy ra: −4 −3 σγ =6,25.10 . 2,25.0,04+256.0,04+4.2,25=2,77.10 (àm/h) Kết quả tính toán P(T) 0,9 0,99 0,999 0,9999 U(α) 1,28 2,32 3,09 3,72 Page 107 of 107 T(h) 435 385 345 315