Bài giảng môn học Ma sát học TS Phạm Văn Hùng Bộ môn: Máy Và Ma Sát Học Page of 107 Nhập môn Ma sát: Hiện t ợng kỳ lạ thiên nhiên- tiếp tục nghiên cứu Có nhiều ứng dụng: Nhiệt, lửa, Phanh hÃm, tăng tốc độ phản ứng hóa học, Hàn, đánh bóng, Ghi đọc liệu, Hại: Tổn hao công suất Sinh nhiệt làm thay đổi bền, tổ chức cac bon, hydro, tạo thành ôxit Đặc điểm: Là trình tự tổ chức: Có thể dẫn đến phá hủy Giảm ma sát, mòn Gắn liền với trình mòn tuổi thọ độ tin cậy Đ ợc đặc tr ng lực ma sát Fms, hệ số ma sát fms (hoặc có Page of 107 thể ký hiệu ) Mòn: Kết trình ma sát Phá hủy bề mặt ma sát: Giảm kích th ớc, giảm khối l ợng, thay đổi cấu trúc bề mặt, Tiến hành bôi trơn (rắn lỏng, khí,) để tăng tuổi thọ độ tin cậy Hại: Thay đổi chế độ lắp ghép cặp ma sát, Thay đỏi chế độ làm việc cặp ma sát, Làm giảm tuổi thọ độ tin cậy cặp ma sát nh toàn thiết bị, Đặc điểm: Gắn liền với trình ma sát Quá trình phá hủy tập trung thể tích nhỏ vật liệu Phần tử mòn tạo thành kết nhiều lần t ơng tác Đ ợc đặc tr ng c ờng độ mòn có thứ nguyên hoạc thứ nguyên Ih tuổi thọ, độ tin cậy Phân biệt: Mòn bình th ờng (ổn định) gọi mòn hóa Hk/Hm > 0,6 Page of 107 Mòn hạt mài (không bình th ờng) Hk/Hm < 0,6 Lịch sử phát triển ngành Tribology (Ma sát, mòn, bôi trơn) Ngành khoa học liên ngành, tập trung chủ yếu nghiên cứu trình ma sát mòn bình th ờng (ổn định), trình ma sát không bình th ờng việc tính toán ý nghĩa thực tiễn Quá trình phát triển: Gắn liền với phát triển ngành khoa học khác (cơ, vật lý, hóa, điện, rung động, vật liệu, ): khoa học liên ngành Nghiên cứu ma sát đà có từ lâu Lêonadevinci đà xác định hệ số ma sát số (0,25) Thuần túy học T ơng tác phân tử ma sát [ơ le], giai đoạn nghiên cứu ma sát tĩnh C.Coulomb 1785 phân biệt ma sát tĩnh ma sát động, ma sát tổ hợp loại sức cản: 1- Phụ thuộc vào Stx 2-Tỷ lệ tải không phụ thuộc vào Stx Lý thuyết tổng hợp: học (biến dạng), t ơng tác phân tử Bowden, Tabor, Kpa e bCKuu Lý thuyết biến vị (sự không hoàn thiện cấu trúc tinh thể) tróc Page of 107 Lý thuyết mòn quan điểm l ợng Kocteukuu ơBa tr ờng phái nghiên cứu: Sự t ơng tác bề mặt ma sát, biến đổi lớp bề mặt phá hủy chúng Cấu trúc thứ cấp bôi trơn giới hạn màng bảo vệ áp dụng vật liệu polyme cặp ma sát HiƯu qu¶ kinh tÕ: Theo Jost PETER (Anh) 1966: 0,5 tû b¶ng , 1,6 tû USD (Mü), hiƯn tõ dÕn 2% thu nhËp qc d©n Cïng víi sù phát triển máy tính cá nhân (PC) 1981 1985 chế tạo đầu đọc đĩa cứng, mô tơ Micromechanical trọng l ợng g Hiện với ổ đĩa cứng (7200vg/ph) đầu đọc đ ợc đỡ đệm khí động Các lớp phủ bảo vệ nh bôi trơn có chiều dày cực nhỏ Tribology Bulk Material Heavy load Large Mass Wear Microtribology Surface Light load SmallofMass Page 107 No Wear Nano Tribology Nội dung tribology: Cơ sở lý thuyết tiếp tục đ ợc hoàn thiện, số tr ờng hợp vào thực nghiệm Tìm lý thuyết ma sát, mòn bôi trơn phù hợp với điều kiện cụ thể, sở xác định dạng mòn áp đảo, gắn liền với trình ma sát Hệ thống bôi trơn: Chất l ợng, vật liệu, kết cấu, 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 of 107 xú ủ l ợ ặt át ặt Đ1 Chất l ợng bề mặt đặc tính trạng thái l ợ ặ t - đặ c Khái niệm chất l ợng bề mặt: Chất l ợng bề mặt bao gồm: Các thông số hình học bề mặt > Có quan ¬ TÝnh chÊt c¬ lý hãa cđa líp bỊ mỈt hệ lẫn Trạng thái ứng suất lớp bề mặt Trạng thái hình học bề mặt: Là sai khác bề mặt thực so với bề mặt lý t ởng cấp độ vĩ mô, vi mô siêu vi mô R m ax Sb Hb Sơ đồ hình họcPage 7mặt mét vËt r¾n bỊ of 107 – Sãng; Nhấp nhô bề mặt; Sai số hình dang Vĩ mô: Là sai khác toàn chi tiết (Nhấp nhô kích th ớc lớn) Sóng: Do dao động máy, chi tiết dơng (Hb, Sb) th«ng th êng Sb/Hb > 40 Sai số hình dạng ( ) Vi mô: Là sai khác hình dạng kích th ớc nhấp nhô khoảng mm Nhấp nhô tạo thành trình cắt gọt chủ yếu trình tách phoi Siêu vi mô: Là nhấp nhô đặc biệt liên quan đến cấu trúc, nh khuyết tật kim loại, khoảng m Chủ yếu nhấp nhô thứ cấp, cấu trúc thứ cấp hình thành trình làm việc Các thông số siêu vi mô gắn liền với trạng thái màng ôxít chất lỏng, chất khí bị hấp thụ: Hb f(D, ,K) Trong đó: HSb: Thông số biến dạng siêu vi mô D: Thông số đặc tr ng cho cÊu tróc tinh thĨ kim lo¹i – : Trị số ứng suất có tác dụng thể tích bề mặt kim loại K: Thông số dặc tính lớp hấp thụ Trạng thái hình học bề mặt ban đầu đ ợc định công nghệ gia công Trong trình làm việc trạng thái bề mặt hình thành (trạng thái thứ cấp), chất Quyết định l ợng phụ thuộc vào điều kiện làm việc (p,v, môi tr ờng) hình thành lực ma sát, c ờng độ mòn Page of 107 Các tính chất lý hóa: Lớp bề mặt mỏng có chiều dày cỡ Ao (ăng tron) trở lên có đặc điểm khác hoàn toàn cấu trúc lý hóa so với kim loại gốc chi tiết đ ợc gọi vật thể thứ ba Thông th ờng bao gồm: Lớp hấp thụ, lực hút hóa học, màng dầu giới hạn lớp nhiệt độ tăng phá hủy hấp thụ hình thành màng hóa học Lớp màng oxit kim loại hợp chất hóa học khác (S, Cl, P,) Lớp gián đoạn vật liệu Hiện vào tính chất lý hóa vật liệu chi tiết để tìm quan hệ chúng với mòn ma sát, với điều kiện làm việc xác định Trong trình gia công, kim loại bị biến tính Trong trình làm việc, tính chất lý hóa bị thay đổi Page of Biến dạng dẻo oxy hóa107 mòn oxy hóa vật thể thứ ba co b ả n Khi gia công, kim loại bị biến dạng dẻo, làm việc lý hóa khac Thay đổi độ cứng theo chiều sâu làm việc chế độ bôi trơn tới hạn H H Sơ đồ mặt cắt liên kết ma sát điểm tiếp xúc 1: Vật thể thứ ba 2: Lớp hấp thụ 3: Ôxít hợp chất hóa học khác 4: Lớp gián đoạn 5: Kim loại Khoảng cách so với bề mặt a Khoảng cách so với bề mặt b Đồ thị thay đổi độ cứng lớp bề mặt a- Khi bị ôxy hóa, b- Khi bị tróc loại I Page 10 of 107 i (cm /cm) -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -2 10 -1 10 10 10 N (Kgf) Thay ®ỉi cđa c ờng độ mòn vào tải trọng thép có 0,25%C với v = 2,6 m/s Ngoài c ờng độ mòn bị ảnh h ởng rung động dòng điện xuất trình ma sát Page 93 of 107 tính toán mòn Là toán có tính chất đặc thù: Thứ nhất: Thể tích vật liệu chịu tải khớp ma sát không cố định thay đổi phụ thuộc vào giá trị áp lực, độ nhấp nhô bề mặt nhấp nhô thứ cấp nảy sinh cặp ma sát làm việc Thứ hai: Tiếp xúc thực vật rắn tiếp xúc rời rạc thể tích tế vi vật liệu bị biến dạng Nói cách khác không sử dụng giả thuyết tính đồng đẳng h ớng vật liệu Giả thuyết đ ợc sử dụng rộng rÃi học cổ điển 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 tồn đặc tr ng phá huỷ chủ yếu Thứ t : Tính chất vật liệu tham gia vào ma sát phân biệt rõ ràng với tính chất vật liệu ban đầu, chúng thay đổi trình ma sát điều kiện phá huỷ vật liệu thay đổi Page 94 of 107 Ch ơng Độ tin cậy tuổi thọ chi tiết máy Đ ơ Quy luật vật lý vật liệu đ ợc sử dụng khớp ma sát B ớc thứ nhất: Tìm điều kiện giới hạn nhằm xác định dạng mòn khớp tribo, dạng mòn không đ ợc phép B íc thø hai: Ph©n tÝch sù phơ thc cđa tèc độ mòn vào yếu tố khác, hàm biến ngẫu nhiên, mà thông số có xu h ớng ảnh h ởng khác đến tốc độ mòn với mức độ phân tán Điều kiện làm việc Xác định phân bố áp lực, giả thiết mòn tuyến tính bề mặt đàn hồi Thay đổi vị trí t ơng đối chi tiết mềm mòn, hàm số thay đổi theo cụm cấu, theo thiết kế kÝch th íc Page 95 of 107 Trong ®a sè tr ờng hợp quan hệ thời gian trình mòn l ợng mòn U thừa nhận quan hệ tuyến tính = U/t = const Chấp nhận lý thuyết mỏi dạng mòn khác (tiếp xúc đàn hồi, tiếp xúc dẻo) c ờng độ mòn tuyến tính phụ thuộc vào áp lực vïng tiÕp xóc I = kpm 1< m< 3; tr ờng hợp chạy rà m Trong mòn hóa, c ờng độ mòn tuyến tính theo thời gian 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 hai vế cho thời gian hoạt ®éng cđa khíp tribo t: = kpv HƯ sè ®Ỉc tr ng cho: Tính chống mòn vật liệu Điều kiện hoạt động khớp (bôi trơn, bảo vệ bề mặt, chống bụi bẩn.) Tốc độ mòn theo thơi g gian ( ), tốc độ mòn tuyến tính I quan hệ với ph ơng trình: Page 96 of 107 =v.I Quy luật 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 cấu tay quay truyền t ơng tự Tr ờng hợp chung tốc độ mòn theo thêi gian lµ hµm lịy thõa: = kpmvn Cho mòn hóa: n = Giá trị k chịu ¶nh h ëng trùc tiÕp cđa vËt liƯu cỈp tr ợt, hình học tế vi bề mặt điểm tiếp xúc, điều kiện làm việc Page 97 of 107 Đ2 đ ợ ò ạn Tính toán tuổi thọ dự kiến máy móc thiết bị phải xác định đ ợc l ợng mòn giới hạn [U] chi tiết cặp chi tiết: L ợng mòn giới hạn [U] đ ợc xác định theo ba nhóm tiêu chuẩn khác nhau: Do hậu mòn, thiết bị không hoạt động đ ợc nữa: Dừng máy đột ngột Kẹt Xảy h hỏng khí Do mòn thiết bị, máy móc làm việc điều kiện: bị h hỏng thời gian ngắn: Xuất va đập Xuất rung động Bề mặt đàn hồi bị mòn nhanh Nhiệt độ máy tăng lên Do mòn tính thiết bị v ợt tiêu giới hạn Chất l ợng sản phẩm xấu Mất suất Giảm hiệu suất Page 98 of 107 Tiếng ồn tăng Trong tr ờng hợp tổng quát tiêu mòn giới hạn đ ợc xác định theo hai h ớng khác nhau: Của chi tiết độc lập khớp tribo Tổng hợp nhiều chi tiết cấu máy Page 99 of 107 Đ Xác định độ tin cậy cho cặp ma sát Cá ô ố ê đ ậ ủ ặ ¸ T - Ti thä cđa khíp tribo Umax – L ợng mòn giới hạn khớp tribo Tốc ®é mßn theo thêi gian T = Umax/ Ti thä T phụ thuộc vào biến ngẫu nhiên với khoảng dao động v rộng Các đối số ngẫu nhiên của trình mòn (ảnh h ởng đến mòn): Nhân tố ~ lực, tốc độ tr ợt Cơ tính vật liệu ~ độ cứng, độ bền Điều kịên làm việc Biến ngẫu nhiên Tính tuổi thọ cặp ma sát dựa vào mòn tính mòn theo thời gian U với xác suất làm việc không hỏng 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 = t Là biến ngẫu nhiên tuân theo luật số lớn Mật độ xác suất 107 Page 100 of m U t D( kpv ) k p 2 v v m p pm v kỳ vọng toán học tốc độ mòn theo thời gian - Độ lệch tiêu chuẩn (độ lệch quân ph ơng) tốc độ mòn theo thời gian Ph ơng trình mòn tuyến tính tr ờng hợp tổng quát: U = a + t a Thông số ban đầu cặp ma sát, phụ thuộc vào chất l ợng bề mặt đàn hồi ậ ổ ọ Trong tr ờng hợp tổng quát, với luật mòn tuyến tính, tuổi thọ đ ợc tính theo c«ng thøc T = (Umax - a)/ T phơ thc vào hai biến ngẫu nhiên a Hai biến ngẫu nhiên a đ ợc thừa nhận tuân theo phân bố chuẩn l ợng mòn U ứng với giá trị t = T phân bố chuẩn víi kú väng to¸n häc: Um = a0 + T Với độ lệch tiêu chuẩn: 101 of 107 Page m a u T a0 – Kú väng toán học biến ngẫu nhiên a a Độ lƯch tiªu chn cđa biÕn ngÉu nhiªn a U = - P(T) = 0,5 = - P(T) [U] Um = ao + t P(T) u + p v2 + 2 v p a0 2 p v t2 T Tm L,(t) Page y of 107 Sơ đồ đánh giá độ tin cậ102trong tr ờng hợp mòn tuyến tính Xác suất làm việc không hỏng P(t) cặp ma sát ứng với chu kỳ phục vụ t = T đặc tr ng tuổi thọ phụ thuộc vào đặc tr ng xác suất trình mòn Xác suất trình mòn t ¬ng øng b»ng diƯn tÝch n»m d íi ® êng cong mật đọ xác suất U: f(u), khoảng Umax U Với phân bố chuẩn xác suất không hỏng đ ợc tính nhờ toán tử Laplace: P(t ) 0,5 Umax a a0 T T Hai dạng toán xác định độ tin cậy: Cho tuổi thọ t = T1 cụ thể, tìm xác suất làm việc không hỏng P(t) nh đặc tr ng độ tin cậy Các thông số để xác định đối số hàm Laplace đà biết P(t) đ ợc tính theo số liệu bảng Cho định mức tiêu chuẩn độ tin cậy, thông th ờng P(t), tính tuổi thọ T1 nhằm đảm bảo xác suất làm việc không hỏng Page 103 of u Tuổi thọT1 nằm biể107thức đối số hµm Laplace Ti thäT1 n»m biĨu thøc lµ ®èi sè cđa hµm Laplace Umax P(t ) 0,5 a Umax U a U - ®èi sè cđa hµm U ( a a0 T T a0 T T đ ợc tra theo bảng .T ) Umax a0 T Giải ph ơng trình bậc hai T để xác định tuổi thọ t ơng ứng với xác suất làm việc không hỏng P(t): Xác suất làm việc không hỏng P(t) Xác suất để giới hạn đà cho thời gian làm việc T h hỏng đối t ợng kh«ng xt hiƯn t (t )dt P (t ) e Page 104 of 107 (t) c êng ®é háng Tần suất hỏng N(t ) P(t ) N0 ^ Không hỏng t Không hỏng t0 Thời gian làm viƯc trung b×nh (kú väng T) Ttb C êng ®é háng (t ) P(t )dt f (t ) P(t ) P(t) Xác suất làm việc không hỏng thời gian t f(t) Mật độ phân phối thời gian làm việc đến hỏng Tuổi thọ % - Thời gian làm việc mà đối t ợng ch a đạt tới giá trị trạng thái giới hạn với xác suất % đà cho: Fd (t ) 100 Fd Hàm phân phối dự trữ % - 99,99 – 99,975 – 99,95 – 99,9 - 99,75 Page 105 of 107 Ví dụ tính tuổi thọ xác suất làm việc không hỏng Tính ti thä ( % ti thä T ) cđa 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 Điều kiện làm việc b×nh th êng: pm = 16 kgf/cm2 4,5 p =1,5 vm = 2m/s 0,6 v = 0,2 Tu©n theo quy lt ph©n bè chn víi vïng Trong 100 giê làm việc với điều kiện mòn bình th ờng, mòn m -2 m/h m = 2.10 (Giá trị cã thĨ thùc hiƯn b»ng tÝnh to¸n theo lý thut phân tử) Tốc độ mòn = k.pmm.vnm tìm hệ sè k (víi gi¶ thiÕt m = n = 1) = k.pm.vm k m pm 6,25.10 m KÝch th ớc mòn ban đầu a0: đ ợc chế tạo xác khoảng m = m Page 106 of 107 Căn vào điều kiện làm việc chi tiết, l ợng mòn giới hạn Umax = 10 m, l ợng mòn đ ợc tính toán có l u ý đến a0 Trong tr ờng hợp a0 = Giải Tuổi thọ trung b×nh cđa chi tiÕt: Tm Umax 10 2.10 m 500 (h) Xác định ph ơng sai mòn theo p,v: Giả sử biến ngẫu nhiên độc lập ta có: D D(kpv ) Hay: Mặt khác: k 2D(pv ) D( kpv ) k k D(p).D(v ) p2 D(v ) m 2 p v k pm v m pm k Suy ra: v m m pm v m m D(p) p 25 10 6,2510 2,250,04 256 ,04 4.2,25 2,7710 ( m/ h) KÕt qu¶ tÝnh to¸n P(T) 0,9 0,99 0,999 0,9999 U( ) 1,28 2,32 3,09 3,72 345 315 T(h) 435 Page 107 of 107 385 ... Đ ờng cong Stribech: Phụ thuộc hệ số ma sát vào vận tốc áp lực I - Ma sát khô II Ma sát giới hạn III Ma sát ớt IV Ma sát bôi trơn rối Phụ thuộc hệ số ma sát vào áp lực f pth1 Page pth2 35 of... lăn t ơng đối Ma sát xoay: Ma sát xảy hai bề mặt có chuyển động xoay t ơng đối Ma sát hỗn hợp: Các dạng ma sát theo chuyển động Căn vào điều kiện bề mặt Ma sát chất bôi trơn: Là ma sát hai vật... trơn Ma sát ớt: Là ma sát hai bề mặt đ ợc phân tách lớp chất lỏng có chuyển động t ơng nhau, ứng suất tiếp tạo thành lực ma sát Ma sát nửa ớt: Là ma sát có đồng thời ma sát ớt ma sát giới hạn Căn