- 1 - MỞ ĐẦU I.Lý do chọn đề tài Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm - gió mùa của Việt Nam, các thiết bị sử dụng trong trong công nghiệp nói chung và trong nghành cơ khí nói riêng chịu ảnh hưởng rất lớn của độ ẩm không khí đến chất lượng sản phẩm cũng như độ chính xác. Đặc biệt là thiết bị điều khiển số tích hợp công nghệ cao như máy CNC, Rôbốt, trung tâm gia công và các máy công nghiệp khác. Các thiết bị này được tích hợp các hệ cơ điện tử ở mức độ hiện đại hóa khác nhau, chúng đều sử dụng động cơ Secvo DC và AC. Trong đó một số động cơ điện DC có sử dụng chổi than & cổ góp. Cặp ma sát chổi than & cổ góp là một trong những bộ phận cấu thành quan trọng quyết định tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ Secvo DC. Trên thế giới đã có các nghiên cứu về vấn đề tính năng ma sát của chổi than & cổ góp của động cơ điện. Tuy nhiên những năm gần vấn đề tuổi thọ, độ tin cậy của máy móc thiết bị ngày càng được các nhà khoa học nghiên cứu nhiều, xác định và đưa ra ứng dụng. Phân tích nguyên nhân hỏng hóc, sự cố của các máy và hệ thống máy đã chỉ ra rằng 85% trường hợp xảy ra là do nguyên nhân mòn các mối ghép làm việc của cặp ma sát, đặc biệt là trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm. Hiện nay ở Việt nam vấn đề tính năng ma sát của chổi than & cổ góp của động cơ điện chưa được nghiên cứu. Chính vì vậy đề tài của luận án đã chọn hướng nghiên cứu là “ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến mòn cặp ma sát chổi than & cổ góp của động cơ điện trong máy công cụ ”. Đó là cụm chi tiết quan trọng của động cơ điện DC có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và độ tin cậy của máy công cụ và máy CNC. Phù hợp với định hướng nghiên cứu mòn của cặp vật liệu chổi than & cổ góp đang được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm, đặc biệt dưới tác động của môi trường để đảm bảo phát triển bền vững. II. Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án tập trung nghiên cứu về mòn của cặp chổi than & cổ góp trong động cơ điện DC được sử dụng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt nam. Nhiều công trình trên thế giới cũng đã bước đầu khẳng định ảnh hưởng rõ ràng của độ ẩm tới cơ chế mòn của cặp ma sát nhưng chưa xác định được tính quy luật của ảnh hưởng. Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số cơ bản là nhiệt độ và độ ẩm tương đối trong vùng đặc trưng của khí hậu Việt nam tới lượng mòn của cặp vật liệu chổi than & cổ góp. Thông qua việc nghiên cứu mòn của cặp vật liệu chổi than & cổ góp, đề tài sẽ tính được tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ DC. Từ đó xác định được sự phụ thuộc tuổi thọ dự kiến của cặp chổi than & cổ góp trong động cơ - 2 - điện DC vào sai lệch của độ ẩm tương đối và nhiệt độ so với giá trị trung bình của khí hậu Việt nam. Đề tài cũng hướng tới mục đích là xác định tuổi thọ của chổi than & cổ góp trong điều kiện ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối, cường độ dòng điện thay đổi, dự đoán khả năng thay thế chổi than, bảo dưỡng sửa chữa phục hồi cổ góp. III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là cặp chổi than & cổ góp thông dụng, phổ biến trên thị trường. Chổi than có ký hiệu 417 của Makita – Trung Quốc, cổ góp loại 32 lam của Makita – Trung Quốc. Đây là loại chổi than được thay thế khá nhiều trong bảo dưỡng và thay thế phụ tùng của động cơ điện DC. Phạm vi nghiên cứu luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa là nhiệt độ, độ ẩm tương đối và cường độ dòng điện đến mòn của cặp chổi than & cổ góp, đảm bảo lượng mòn khi chịu tác động của độ ẩm tương đối và nhiệt độ có giá trị đo được trong khoảng thời gian ngắn nhất, nằm trong phạm vi đàn hồi của cặp ma sát. IV.Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết: Nghiên cứu tính năng ma sát, mòn của bề mặt ma sát chổi than & cổ góp. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm tương đối, cường độ dòng điện đến mòn của cặp chổi than & cổ góp. Thực nghiệm: Tổ chức quy hoạch thực nghiệm xác định các ảnh hưởng thông số lượng mònU & cường độ dòng điện I đến tính năng ma sát và mòn của cặp ma sát chổi than & cổ góp trong điều kiện khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam. V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu mòn của cặp vật liệu chổi than & cổ góp động cơ điện DC sử dụng trong máy công cụ dưới điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Việt nam sẽ đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến độ tin cậy và tuổi thọ của cặp vật liệu chổi than & cổ góp. Có thể đưa ra tuổi thọ dự kiến của cặp vật liệu chổi than & cổ góp trong động cơ điện DC với điều kiện làm việc ở Việt nam cũng như có thể xác định tuổi thọ, tùy thuộc vào độ tin cậy. Trong thực tế vận hành máy công cụ nói chung và động cơ điện DC nói riêng, tùy thuộc vào mức độ yêu cầu làm việc cụ thể hoặc trong những điều kiện phải chọn độ tin cậy khác nhau thì tuổi thọ khác nhau. Việc đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy cặp vật liệu chổi than & cổ góp động cơ điện DC trong máy công cụ hoàn toàn phù hợp với định hướng nghiên cứu của các công trình đánh giá độ tin cậy thiết bị máy móc. Đề tài luận án có tính thực tiễn và tính thời sự cao do phần lớn các máy công cụ vạn năng và máy điều khiển số hiện nay sử dụng ở Việt nam đều có nguồn - 3 - gốc nhập khẩu từ các nước và các vùng kinh tế, với độ chính xác và chất lượng khác nhau. VI. Kết quả nghiên cứu Đề tài đã xác định lượng mòn cặp vật liệu chổi than & cổ góp của động cơ điện DC trong điều kiện nhiệt ẩm khi thay đổi cường độ dòng điện. Số liệu và kết quả tính toán về ảnh hưởng của độ ẩm tương đối, nhiệt độ và cường độ dòng điện trong điều kiện phòng thí nghiệm đến cường độ mòn bước đầu cho thấy nó có ảnh hưởng đáng kể. Các thí nghiệm cũng đã đưa ra được các giá trị cụ thể về sự phụ thuộc của cường độ mòn theo nhiệt độ, độ ẩm tương đối và cường độ dòng điện. Xác định được tuổi thọ của chổi than, cổ góp theo lượng mòn giới hạn cùng với độ tin cậy khác nhau trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam và chu kỳ thay thế chổi than, cổ góp. Đề xuất một số biện pháp nâng cao tuổi thọ và độ tin cặp vật liệu chổi than & cổ góp trong điều kiện khí hậu đặc thù Việt nam. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CẶP MA SÁT CHỔI THAN & CỔ GÓP CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG MÁY CÔNG CỤ 1.1 Tổng quan động cơ điện dùng trong máy công cụ Các máy công cụ truyền thống động cơ điện một chiều có chổi than và cổ góp được dùng phổ biến trong các chuyển động quay vô cấp. Như trong máy mài tròn ngoài (3A151, 3A161, 3Ƃ151, 3Ƃ161, 3K12, 3Ƃ12, 3A150) thì động cơ DC được dùng cho chuyển động quay của chi tiết.Trong máy mài tròn ngoài tốc độ động cơ điện một chiều được thay đổi vô cấp phụ thuộc vào đường kính của chi tiết mài, chiều sâu cắt t và lượng chạy dao. Trong các máy CNC hiện đại, động cơ điện DC Servo được dùng trong chuyển động chạy dao và thay dao. Đối với động cơ điện một chiều DC, cụm chi tiết chổi than – cổ góp là một trong những bộ phận quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phục vụ của động cơ. Chổi than – cổ góp yêu cầu phải truyền tải được dòng điện trong điều kiện có ma sát trượt ở tốc độ thay đổi.Trong điều kiện làm việc thực tế khác nhau như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, bụi bẩn…vv vấn đề ma sát, mòn của chổi than - cổ góp ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động bình thường của động cơ điện. 1.2 Vật liệu chổi than & cổ góp Chổi than Chổi than là một phần tử điện để tạo nên sự tiếp xúc điện giữa phần đứng yên và phần quay của máy điện. Các loại chổi than gồm: chổi than - 4 - Carbon Graphit, chổi than điện nhiệt luyện, Chổi than Graphit kim loại, Chổi than Graphit. Một số hình ảnh của chổi than Hình 1.1 Các loại chổi than Cổ góp Cổ góp và chổi than có nhiệm vụ đưa điện vào hoặc lấy điện ra dây quấn roto của máy điện thông qua tiếp xúc trượt giữa chổi than và bề mặt cổ góp. Vật liệu làm cổ góp thường là đồng có nhãn hiệu M1 và M0.Để cải thiện các tính chất của đồng cổ góp như độ bền, khả năng chịu nhiệt dùng đồng hợp kim như đồng – bạc, đồng – magie, đồng – cadmi, đồng – crom, đồng – zizini. 1.3 Tình hình nghiên cứu cổ góp &chổi than trên thế giới và Việt nam Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã công bố các công trình nghiên cứu về cổ góp & chổi than như chế tạo cổ góp điện (1823), chế tạo cổ góp cho động cơ điện một chiều của nhà khoa học Eric Laithwaite, chế tạo chổi than cho thang máy (1995). Mới đây nhất là các nghiên cứu của Giáo sue Andrzej (2002) nghiên cứu về thuộc tính sóng bề mặt chổi than&cổ góp, mối quan hệ giữa bề mặt cổ góp&chổi than đến quá trình mòn và nghiên cứu của HUZhong – liang (2008)về thuộc tính mòn của chổi than Cacbon điện trở suất cao trong điều kiện độ ẩm thay đổi. Ở Việt nam, nhiều nhà khoa học cũng đang chú ý quan tâm đến cải tiến hệ thống truyền động điện, nâng cao hiệu suất động cơ điện, chế tạo động cơ điện như đề tài khoa học nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều công suất 200kW(2008) và một số công trình khác. Kết luận chương I Trong chương 1, luận án đã phân tích vai trò của cổ góp chổi than của động cơ điện một chiều sử dụng trong máy công cụ, phân tích tình hình nghiên cứu và các công trình đã được công bố của các nhà khoa học trên thế giới, Việt nam về ma sát, mòn của cặp chổi than & cổ góp trong động - 5 - c in mt chiu. Vi mc tiờu nõng cao tui th v tin cy ca chi than c gúp trờn c s mũn trong iu kin Vit nam, lun ỏn ó ỏp ng c ũi hi cp thit ca cụng nghip ch to ng c in DC v yờu cu vn hnh, sa cha bo dng ng c DC núi chung v c gúp núi riờng. CHNG 2: C S Lí THUYT MA ST, MềN C GểP &CHI THAN 2.1 Mt s phng phỏp tớnh mũn Mũn xy ra trong vựng tip xỳc gia cỏc b mt ma sỏt, cỏc liờn kt ma sỏt ni din ra cỏc tỏc ng tng h mnh. Cỏc liờn kt ma sỏt ny tp trung thnh din tớch tip xỳc thc ca cp ma sỏt. Trong ch tnh ca mũn, din tớch tip xỳc thc khụng thay i theo thi gian. Khi xut hin chuyn ng trt cỏc liờn kt ma sỏt tn ti b phỏ hy v lm ny sinh cỏc liờn kt mi vi giỏ tr ng kớnh trung bỡnh ca vt tip xỳc tng ng. S lng cỏc liờn kt ny ph thuc vo chu k ti trng. c trng v mụ ca quỏ trỡnh mofnlaf cng mũn I h (khụng th nguyờn). Nú cú th xỏc nh theo kớch thc thay i, hay theo khi lng vi cỏc tớnh toỏn hỡnh hc ca ma sỏt theo cỏc cụng thc: Theo th tớch: I h =V/(A t .L) (2.1) Theo kớch thc: I h =h/L (2.2) Theo khi lng I h =/ . G/(A a .L) (2.3) Trong ú: A t din tớch b mt ma sỏt ca chi tit; =A a /A t t s din tớch tip xỳc dang ngha v tip xỳc thc; - khi lng riờng ca vt liu mũn. Ngoi ra cũn mt s phng phỏp khỏc: tớnh cng mũn cp ma sỏt theo thc nghim, tớnh mũn theo nng lng, tớnh mũn theo bn nhit.vv Cỏc thớ nghim ó xỏc nh cng mũn kớch thc ca cỏc vt liu núi chung nm trong khong I h =10 -3 10 -13 2.2 Phng phỏp tớnh toỏn ma sỏt, mũn theo thuyt c phõn t Lý thuyết ma sát cơ phân tử Kragelsky xây dựng đã cho cách giải thích phù hợp nhất về tơng tác giữa các vật thể rắn tại điểm tiếp xúc ma sát. H s ma sỏt c tớnh theo cụng thc: 12 12 1 12 1 12 12 1 12 2 . 2 19,0 . .2 0 12 2 2 1 cT dh vf c P k K P k f (2.4) - 6 - Trong ú: N: ti trng phỏp tuyn; : h s tr khi trt; 0 : sc bn ca liờn kt phõn t; : h s ỏp in ca thnh phn ma sỏt; : thụng s t hp ca cht lng b mt; p a ,p c , p r : áp ỏp lc danh ngha, ỏp lc cc b, ỏp lc thc; - Hng s modun n hi ca vt liu, =(1-à 2 )/E (E h s modun n hi ca vt liu, à - h s poatxong); - h s ca ng cong mi ph thuc vo phng phỏp gia cụng b mt. Cng mũn trng hp tip xỳc n hi c xỏc nh theo cụng thc tng quỏt: f f t b pt rcaHh fk pppKI . 2 2 1 2 1 1 2 1 2 1 1 (2.5) Trong ú: r: bỏn kớnh ca nhp nhụ; p a ,p c , p r : áp ỏp lc danh ngha, ỏp lc cc b, ỏp lc thc; K 1 : h s c xỏc nh do hỡnh dng hỡnh hc v s phõn b theo cao ca cỏc nhp nhụ; t f : h s ca ng cong mi; f p : h s ma sỏt ca b mt ó qua chy r T f 0 (2.6) 2.3 Cỏc nh hng ca thụng s ng hc n ma sỏt, mũn ca cp vt liu nh hng nh hng n quỏ trỡnh Tribology ca cp vt liu phi k n cỏc yu t : c tớnh ti (ỏp sut phỏp tuyn), vn tc trt, vt liu, bụi trn, iu kin lm vic, mụi trngvv. ti ó i sõu nghiờn cu, phõn tớch nh hng ca nhit , m tng i, dũng in n mũn ca cp vt liu núi chung, nh hng n mũn c gúp & chi than núi riờng (rừ hn phn 2.4) 2.4 Phng phỏp tớnh mũn cho c gúp & chi than Vt liu chi than va l vt liu tham gia ma sỏt va l cht bụi trn rn. Chi than trong quỏ trỡnh lm vic luụn chu ỏp lc tip xỳc lờn b mt c gúp. p lc ca chi than t lờn c gúp chớnh l do lc ộp lũ xo vo chi than. Hin tng mũn chi than& c gúp l do s tỏch cỏc phn t mũn ra khi b mt tip xỳc. Sau thi gian hot ng, chi than s b mũn theo dng mũn c húa v mũn in (Hỡnh 2.1) - 7 - Hình 2.1 Ảnh hưởng của lực nén lò xo đến cường độ mòn của chổi than Áp dụng mô hình tính mòn cho tiếp xúc đàn hồi, khi bề mặt vật thể rắn cũng có nhấp nhô bề mặt trượt trên bề mặt vật thể mềm hơn có biến dạng đàn hồi của Kragelsky cho cặp ma sát cổ góp&chổi than. Cường độ mòn không thứ nguyên được tính theo công thức số 2.5. Đây là công thức tính mòn cho vật liệu mềm hơn trong mô hình tính đó là chổi than. Để tính mòn cho cổ góp cần áp dụng công thức sau: I hCG = α M . I h CT (2.6) Trong đó: I hCG : Cường độ mòn của cổ góp I h CT : Cường độ mòn của chổi than α M = , 1 2   c ,  1 – hằng số modun đàn hồi của chổi than,  2 – hằng số modun đàn hồi của cổ góp Mặt khác tỷ số t a A A   của chổi than và cổ góp khác nhau nên cường độ mòn không thứ nguyên của cổ góp và chổi than sẽ có khác biệt rất lớn, điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế sử dụng là cổ góp có tuổi thọ rất cao, chổi than là vật liệu mềm hơn bị mòn nhanh làm chi tiết thay thế. Khi thay mới chổi than sẽ xảy ra quá trình chạy rà lại hai bề mặt tiếp xúc. Trong trường hợp này mòn tia lửa điện sẽ rất mạnh và ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của động cơ. Kết luận chương 2 - 8 - Luận án đã phân tích, làm rõ bản chất của quá trình mòn cổ góp & chổi than là mòn cơ hóa và mòn tia lửa điện. Đây là hai quá trình diễn ra đồng thời và ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, đặc biệt khi có ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nhất là ô nhiễm khí quyển với các hợp chất ô nhiễm có tính ăn mòn cao. Phương pháp tính ma sát, mòn của Kragelsky cho phép xác định được cường độ mòn của chổi than& cổ góp trên cơ sở mỏi của lớp bề mặt ma sát cũng như tác động của tia lửa điện. Trên thực tế cổ góp luôn bị mòn với tốc độ nhỏ hơn nhiều so với chổi than. Áp dụng lý thuyết Kragelsky cũng có thể tính được mòn của vật thể cũng gây mòn cụ thể là cổ góp. Cần lưu ý rằng cổ góp là chi tiết có thể phục hồi, sau một thời gian làm việc, cổ góp có thể được sửa chữa phục hồi bằng phương pháp mài tinh. Việc tính toán mòn chổi than & cổ góp sẽ tạo điều kiện dự báo khả năng làm việc an toàn tin cậy của động cơ điện DC trong máy công cụ, điều này đặc biệt quan trọng trong các máy có độ chính xác cao và hiện đại như các máy công cụ CNC và máy gia công tinh như các máy mài. CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM MÒN CỔ GÓP &CHỔI THAN TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ẨM VIỆT NAM 3.1. Mục đích thí nghiệm Mòn cổ góp & chổi than được xác định theo lượng mòn U=∆G, ở các vùng thông số thí nghiệm đặc trưng cho nhiệt ẩm của Việt nam. Kết quả thực nghiệm chính là đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối ở các giá trị dòng điện khác nhau, từ đó rút ra các kết luận cơ bản về vai trò ảnh hưởng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ đến lượng mòn U=∆G. Kết quả của thực nghiệm sẽ là cơ sở tính toán về cường độ mòn, tuổi thọ và độ tin cậy của cặp ma sát chổi than & cổ góp trong điều kiện môi trường Việt Nam. Nghiên cứu mòn cổ góp chổi than thực chất là nghiên cứu về đặc trưng tribology của cặp vật liệu cácbon đồng hoặc graphit - đồng. 3.2. Phương pháp thí nghiệm Chổi than bị mài mòn cơ học, xảy ra trên bề mặt tiếp xúc chổi than cổ góp tạo phần tử mòn tách ra khỏi bề mặt. Trong điều kiện phòng thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của dòng điện, nhiệt ẩm đến mòn cổ góp chổi than. . Thực nghiệm được tổ chức theo quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu - 9 - là lượng mòn và các thông số đầu vào là nhiệt độ và độ ẩm biến thiên ở các dòng điện khác nhau. Nguyên lý chung của hệ thống thiết bị thử nghiệm trên hình (3.1), Dòng điện một chiều đi qua chổi than và cổ góp đặt trong tủ tạo môi trường nhiệt ẩm, sau khoảng thời gian nhất định, dừng máy xác định lượng mòn của mẫu thử. Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị thử nghiệm Xác định lượng mòn của cổ góp- chổi than trong thí nghiệm theo khối lượng mất đi của chổi than sau thời gian thử nghiệm so với mẫu ban đầu.Từ đó xác định cường độ mòn của cặp ma sát trong điều kiện ảnh hưởng nhiệt ẩm . 3.3. Mẫu cổ góp chổi than trong thí nghiệm mòn Việc lựa chọn mẫu cổ góp - chổi than thí nghiệm phải phù hợp thực tế sử dụng tại Việt Nam, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng. Mẫu chổi than được lựa chọn là mẫu thông dụng ở thị trường Việt Nam, thường được dùng để thay thế cho chổi than trong động cơ điện một chiều. Mẫu có ký hiệu 417A của hãng Makita - Trung Quốc, kích thước và hình dáng được thể hiện trên hình 3.2 - 10 - Hình 3.2 Hình dáng, kích thước của chổi than 417A Mẫu cổ góp có thành phần 99,9% đồng, còn lại là tạp chất khác là 0,1%, dòng điện tối đa I= 10A, Vận tốc quay tối đa n max = 3000 vòng/phút, lực lò xo P max = 0.2 kG được thể hiện ở hình 3.3 Hình 3.3 Hình dáng, kích thước của cổ góp 32 lam Bảng thành phần mẫu thử cổ góp được trình bày ở bảng 3.1 (Kết quả kiểm tra tại trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 1 – Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng) Bảng 3.1 Thành phần của cổ góp 32 lam Thành ph ầ n hóa h ọ c K ế t qu ả Ghi chú Copper (Cu) 99,4470 Phương pháp thử ASTM E478:96 Sulfur (S) 0,00549 Manganese (Mn) 0,00001 Silicon (Si) 0,04608 - 11 - Phosphorus (P) 0,00001 Aluminum (Al) 0,09878 Nickel (Ni) 0, 00001 Iron (Fe) 0,25412 Lead (Pb) 0,00713 Zinc (Zn) 0,09171 Tin (Sn) 0.00072 3.4 Thiết bị tạo môi trường nhiệt ẩm BKNA2010 Tủ nhiệt ẩm BKM-NA 2010 tạo môi trường nhiệt ẩm thông số kỹ thuật cơ bản: Nhiệt độ điều khiển trong khoảng T 0 C =(10 0 C ÷ 50 0 C) - sai số ±1 0 C ; Độ ẩm tương đối RH%=(40% đến 99%) – sai số ±2%. Kích thước tủ:600 x 600 x 1400 mm. Chiều dày lớp cách nhiệt b = 35mm; Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm tương đối bằng cảm biến ký hiệu SHT71. Hình 3.4 thể hiện hình ảnh toàn máy thiết kế BKM – NA 2010 Hình 3.4 Hình ảnh tủ nhiệt ẩm BKM – NA 2010 3.5 Thiết bị đo mòn cặp ma sát chổi than & cổ góp BK-MCT 2010 Sơ đồ cấu tạo thiết bị đo mòn được thể hiện hình 3.5. - 12 - 1 – Đế; 2 – Nối trục; 3 – Gối đỡ; 4 – Trục; 5 – Vít; 6 – Giá chổi than; 7 – Cổ góp; 8 – Vít trí; 9 – Dây nối; 10 – Đai ốc công; 11 – Ổ bi; 12 – Chổi than; 13 – Bu lông chống xoay; 14 – Bạc; 15 – Bu lông Hình 3.5 Cấu tạo thiết bị đo mòn BK – MCT 2010 Thiết bị đo mòn được đặt trong tủ nhiệt ẩm, được nối với động cơ không đồng bộ ba pha có công suất N = 0,27 kW và n = 1450 (v/ph), bằng khớp các đăng số cặp chổi than cổ góp thí nghiệm đồng thời i= 4. Để dòng điện một chiều DC đi qua chổi than cổ góp thay đổi giá trị điện trở công suất R trong mạch điện. Trong điều kiện tập trung nghiên cứu vào yếu tố nhiệt độ và độ ẩm tương đối, thí nghiệm được thực hiện với dòng điện thay đổi . Trên hình 3.6 thể hiện sơ đồ đấu dây của thiết bị BK – MCT 2010. Hình 3.6 Sơ đồ đấu dây của thiết bị BK – MCT 2010 3.6. Thông số cơ bản và trình tự thí nghiệm đo mòn cổ góp&chổi than Các thông số thí nghiệm - 13 - - Nhiệt độ: 25 0 C, 40 0 C, 55 0 C; Độ ẩm tương đối RH%: 51%, 75%, 99%; Dòng điện thay đổi: I = 5A; I= 7.5A; I= 10 A - Thời gian thử nghiệm: t = 10h = 600 ph - Đo lượng mòn theo khối lượng ΔG(g) của chổi than trong điều kiện ma sát khô. Trình tự thí nghiệm - Xử lý bề mặt chổi than, cổ góp thật sạch. - Đánh mã số cho từng cặp chổi than & cổ góp. - Xác định khối lượng chổi than ban đầu. Lắp 4 mẫu chổi than & cổ góp vào đồ gá của thiết bị đo mòn BK – MCT 2010. - Đấu mạch điện có điện trở công suất tạo ra cường độ dòng điện thay đổi. Đưa thiết bị đo mòn vào thiết bị nhiệt ẩm BK NA2010. Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm tương đối theo yêu cầu. Sau 10h thử nghiệm, khối lượng chổi than sẽ giảm đi so với khối lượng ban đầu. Từ đó xác định lượng mòn của chổi than:U = ΔG = G T –G S (3.1) Trong đó:G T : Khối lương trước khi thí nghiệm (g).G S : Khối lượng sau khi thí nghiệm (g).Từ kết quả đo mòn ở trên xác định cường độ mòn I h của chổi than theo công thức 2.3. 3.7. Kết quả thí nghiệm Chế độ thử nghiệm với I=5A Bảng 3.2 Kết quả đo mòn chổi than ở chế độ I = 5A Chế độ thí nghiệm Lượng mòn sau mỗi lần thử(g) Lượng mòn TB G  (g) Độ lệch lượng mòn σ G (10 -6 ) T 0 C RH% TN Cặp 1 Cặp 2 Cặp 3 Cặp 4 25 0 C 51% 1 0.017 0.016 0.019 0.017 0.017 1.19 75% 2 0.025 0.024 0.025 0.024 0.025 0.25 99% 3 0.031 0.032 0.034 0.033 0.033 1.25 40 0 C 51% 4 0.025 0.026 0.025 0.026 0.026 0.25 75% 5 0.036 0.035 0.037 0.035 0.036 0.69 99% 6 0.047 0.046 0.046 0.047 0.047 0.25 55 0 C 51% 7 0.028 0.029 0.029 0.029 0.029 0.19 75% 8 0.047 0.048 0.048 0.047 0.048 0.25 - 14 - 99% 9 0.055 0.056 0.056 0.055 0.056 0.25 Từ bảng kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị mối quan hệ lượng mòn U phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ (Hình 3.7) Nhận xét đồ thị 3.7 Khi độ ẩm tương đối tăng từ 50% đến 99% thì lượng mòn tăng khoảng 40% .Ở cùng độ ẩm khi nhiệt độ tăng từ 25 0 C, 40 0 C, 55 0 C thì mòn tăng khoảng 30%. Hình 3.7 Đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn của chổi than vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối ở I = 5A Chế độ thử nghiệm với I= 7.5A Ch ế đ ộ thí nghiệm Lượng mòn sau mỗi lần thử(g) Lư ợ ng mòn Đ ộ l ệ ch lượng - 15 - Bảng 3.3 Kết quả đo mòn chổi than ở chế độ I = 7.5A Từ bảng kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị mối quan hệ lượng mòn U phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ (Hình 3.8) Hình 3.8 Đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn của chổi than vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối ở I = 7.5A Nhận xét đồ thị lượng mòn ở I = 7,5A Khi độ ẩm tương đối tăng từ 50% đến 99% thì lượng mòn tăng khoảng 40% đến 60%. Ở cùng độ ẩm khi nhiệt độ tăng từ 25 0 C, 40 0 C, 55 0 C thì mòn tăng khoảng 30% đến 50%. T 0 C RH% TN Cặp 1 Cặp 2 Cặp 3 Cặp 4 TB G  (g) mòn σ G (10 -6 ) 25 0 C 51% 1 0.019 0.018 0.019 0.019 0.019 0.19 75% 2 0.028 0.028 0.029 0.029 0.029 0.25 99% 3 0.037 0.036 0.037 0.036 0.037 0.25 40 0 C 51% 4 0.026 0.026 0.025 0.026 0.026 0.19 75% 5 0.039 0.038 0.038 0.038 0.038 0.19 99% 6 0.051 0.051 0.052 0.052 0.052 0.25 55 0 C 51% 7 0.031 0.03 0.031 0.03 0.031 0.25 75% 8 0.052 0.053 0.053 0.053 0.053 0.19 99% 9 0.066 0.067 0.067 0.066 0.067 0.25 - 16 - Chế độ thử nghiệm với I= 10A Bảng 3.4 Kết quả đo mòn chổi than ở chế độ I = 10A Từ bảng kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị mối quan hệ lượng mòn U phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ (Hình 3.9) Hình 3.9 Đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn của chổi than vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối ở I = 105A Nhận xét đồ thị lượng mòn ở I = 10A. Ch ế đ ộ thí nghiệm Lượng mòn sau mỗi lần thử(g) Lượng mòn TB G  (g) Đ ộ l ệ ch lượng mòn σ G (10 -6 ) T 0 C RH% ST N Cặp 1 Cặp 2 Cặp 3 Cặp 4 25 0 C 51% 1 0.032 0.031 0.032 0.032 0.032 0.19 75% 2 0.051 0.051 0.052 0.052 0.052 0.25 99% 3 0.064 0.064 0.065 0.065 0.065 0.25 40 0 C 51% 4 0.039 0.038 0.038 0.038 0.038 0.19 75% 5 0.063 0.062 0.063 0.062 0.063 0.25 99% 6 0.073 0.074 0.073 0.074 0.074 0.25 55 0 C 51% 7 0.043 0.043 0.042 0.043 0.043 0.19 75% 8 0.075 0.076 0.076 0.076 0.076 0.19 99% 9 0.091 0.092 0.092 0.092 0.092 0.19 - 17 - Khi độ ẩm tương đối tăng từ 50% đến 99% thì lượng mòn tăng khoảng 50% đến 70%. Ở cùng độ ẩm khi nhiệt độ tăng từ 25 0 C, 40 0 C, 55 0 C thì mòn tăng khoảng 40% đến 60%. Kết luận chương 3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến mòn của chổi than cổ góp bằng thiết bị tạo nhiệt ẩm BKNA 2010 và thiết bị tạo mòn BK-MCT 2010 đã cho thấy khả năng linh hoạt và tin cậy của thiết bị được chế tạo. Ở cùng nhiệt độ, khi độ ẩm tăng thì lượng mòn cũng tăng điều này khẳng định ảnh hưởng rõ rệt của độ ẩm tương đối đến mòn của chổi than&cổ góp. Khi độ ẩm tương đối tăng khả năng mòn do phóng điện tăng mạnh do đó tổng mòn cơ học và mòn do phóng điện tăng. Trong điều kiện ma sát khô dòng điện tăng từ 50% đến 100% so với định mức của chổi than &cổ góp thì lượng mòn tăng lên rõ rệt khoảng 30%. Khi có thêm ảnh hưởng của môi trường, lượng m nhiệt ẩm, lượng mòn có thể tăng đến 60%, 70%. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ tính phức tạp của quá trình mòn chổi than& cổ góp gồm: mòn cơ hóa và mòn tia lửa điện, đây là hai quá trình chịu ảnh hưởng ngược nhau của điều kiện nhiệt ẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc xác định lượng mòn bằng khối lượng là phù hợp với cặp ma sát chổi than &cổ góp làm việc trong vùng tiếp xúc đàn hồi. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ẨM ĐẾN MÒN CỔ GÓP CHỔI THAN 4.1 Tính cường độ mòn của chổi than Từ kết quả thực nghiệm về lượng mòn của chổi than theo khối lượng mòn trong thời gian là 10h, có thể xác định cường độ mòn I hCT của chổi than theo công thức (2.3) LA G I a hCT . .     Trong đó:I hCT – Cường độ mòn của chổi than; ΔG - Lượng mòn (g) – xác định từ thực nghiệm; γ - Khối lượng riêng của chổi than, γ = 190.10 6 g/m 3 ; A a - Diện tích tiếp xúc danh nghĩa của chổi than được tính A a = 13.7 x 6.78 = 92,88 (m 2 ); =A a /A t = 1; L – Quãng đường ma sát (m); Chiều dài quãng đường ma sát được tính theo công thức: L= v.t - 18 - Trong đó: v- Vận tốc của cổ góp (m/ph) - 1000 dn v   ; t - Thời gian (ph) - t = 600 ph; d - đường kính cổ góp(mm) - d = 36,5mm; n - Số vòng quay của cổ góp (vòng/phút), n = 1450 v/ph; Do đó quãng đường ma sát L = 99,76.10 3 m Trong quá trình thí nghiệm bề mặt chổi than được chụp ảnh lại sau mỗi chế độ trước và sau khi thí nghiệm (hình 4.1 hình ảnh chụp chổi than ở một chế độ trước và sau khi làm việc). a b Hình 4.1 a Ảnh bề mặt chổi than mới chưa chạy thí nghiệm- b Ảnh bề mặt chổi than sau khi chạy thí nghiệm ở I=5A, T o =25 o C, RH%=51 Cường độ mòn của chổi than ở I = 5A Chế độ thí nghiệm Lượng mòn TB G  (g) Sai l ệ ch lượng mòn σ G (10 -6 ) Cường độ mòn I hCT (10 -6 ) Sai l ệ ch cường độ mòn σ I (10 -7 ) T 0 C RH% 25 0 C 51% 0.017 1.19 9.76 6.72 75% 0.025 0.25 13.87 1.42 99% 0.033 1.25 18.40 7.08 40 0 C 51% 0.026 0.25 14.43 1.41 - 19 - Từ kết quả lượng mòn U của chổi than, xác định cường độ mòn của chổi than được biểu diễn ở bảng 4.1. Bảng 4.1 Cường độ mòn I của chổi than tại I = 5A Từ kết cường độ mòn của chổi than, vẽ đồ thị mối quan hệ I h phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ (Hình 4.2) Hình 4.2 Đồ thị quan hệ cường độ mòn I phụ thuộc vào nhiệt độT o C và độ ẩm tương đối RH% tại chế độ I=5A Xử lý số liệu thực nghiệm thu được hàm hồi quy thực nghiệm (x – Nhiệt độ; y – độ ẩm tương đối): I=-1.3699+0.0341x+0.0301y-0.0004x 2 +0.0005xy-0.0002y 2 Nhận xét kết quả thực nghiệm ở I = 5A - Cường độ mòn của chổi than có giá trị từ 9,76.10 -6 đến 31,4.10 -6 nằm trong vùng tiếp xúc đàn hồi và chuyển dần sang đàn dẻo khi có độ ẩm tương đối cao trong khoảng từ 75% đến 99%. Cường độ lớn nhất với độ ẩm tương đối 99% và nhiệt độ 55 o C, gấp 3,2 lần ở độ ẩm 51% và ở nhiệt độ 25 o C.Giá trị lớn nhất của cường độ mòn không thứ nguyên khi ở nhiệt độ 75% 0.036 0.69 20.23 3.89 99% 0.047 0.25 26.32 1.42 55 0 C 51% 0.029 0.19 16.27 1.06 75% 0.048 0.25 26.89 1.42 99% 0.056 0.25 31.41 1.42 - 20 - 55 o C và độ ẩm tương đối 99% khẳng định mòn chổi than có nguy cơ cao do bắt đầu chuyển sang dần tiếp xúc đàn dẻo. Cường độ mòn của chổi than ở I = 7,5A Từ kết quả lượng mòn U của chổi than, xác định cường độ mòn của chổi than được biểu diễn ở bảng 4.2. Bảng 4.2 Cường độ mòn I của chổi than tại I = 7,5A Từ kết cường độ mòn của chổi than, vẽ đồ thị mối quan hệ I h phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ (Hình 4.3). Xử lý số liệu thực nghiệm thu được hàm hồi quy thực nghiệm (x – Nhiệt độ; y – độ ẩm tương đối): I= -0.3227+0.0207x+0.026y+0.0001x 2 +0.0007xy-0.0002y 2 Ch ế đ ộ thí nghiệm Lượng mòn TB G  (g) Độ lệch lượng mòn σ G (10 -6 ) Cường độ mòn I (10 -6 ) Đ ộ l ệ ch cường độ mòn σ I (10 -7 ) T 0 C RH% 25 0 C 51% 0.019 0.19 10.61 1.06 75% 0.029 0.25 16.13 1.42 99% 0.037 0.25 20.66 1.42 40 0 C 51% 0.026 0.19 14.57 1.06 75% 0.038 0.19 21.65 1.06 99% 0.052 0.25 29.15 1.42 55 0 C 51% 0.031 0.25 17.26 1.42 75% 0.053 0.19 29.86 1.06 99% 0.067 0.25 37.64 1.42 [...]... than ảnh hưởng của nhiệt ẩm ở I =5A, I = 7,5A, I = 10A Xác định tuổi thọ của cổ góp trên cơ sở mòn Tương tự như chổi than ta tính được cho cổ góp. U= IhCG.L Trong đó: IhCG – Cường độ mòn của cổ góp, L – Quãng đường ma sát (m); L= 99,76.103 mm Từ số liệu trong bảng 3.2, 3.3, 3.4 tính được lượng mòn của chổi than theo chiều cao lớp mòn trong bảng 4.6 Bảng 4.6 Lượng mòn của cổ góp ảnh hưởng của nhiệt ẩm và. .. độ mòn của cổ góp nằm trong vùng tiếp xúc đàn hồi Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tương đối đến cổ góp tương tự như chổi than Kết quả nghiên cứu và tính toán cho thấy rằng tuổi thọ của cổ góp dài hơn chổi than từ 6÷9 lần Kết quả này cho phép dự kiến chu kỳ thay thế chổi than và bảo dưỡng cổ góp trong động cơ DC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án đã phân tích tổng hợp các hư hỏng của cổ góp chổi than. .. 43.28 59.72 4.3 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến tuổi thọ, độ tin cậy chổi than &cổ góp trên cơ sở mòn Lượng mòn của chổi than và cổ góp được xác định theo công thức Từ kết quả thực nghiệm tính toán được cường độ mòn của chổi than theo lý thuyết cơ phân tử Kragelsky có thể xác định cường độ mòn của cổ góp theo công thức 2.6 Trong đó: Với 1, 2 - Hằng số Poatxong của chổi than, cổ góp- 1 = 0,3; 2 = 0,33;... xúc đàn hồi và chuyển dần sang đàn dẻo khi có độ ẩm tương đối cao trong khoảng từ 75% đến 99% - Cường độ mòn trong cùng điều kiện nhiệt ẩm ở cường độ dòng điện I = 7,5A lớn hơn cường độ mòn ở dòng điện I = 5A - Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tương đối đến mòn của chổi than tại cùng nhiệt độ như nhau độ ẩm tăng từ 51% nên 99% thì cường độ mòn tăng từ 30% đến 40 % Cường độ mòn của chổi than ở I = 10A... rất nhiều so với chổi than Áp dụng lý thuyết Kragelsky cũng có thể tính được mòn của vật thể gây mòn cụ thể là cổ góp Cần lưu ý rằng cổ góp là chi tiết có thể phục hồi, sau một thời gian làm việc, cổ góp có thể được sửa chữa phục hồi bằng phương pháp mài tinh Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến mòn của chổi than cổ góp bằng thiết bị tạo nhiệt ẩm BK-NA 2010 và thiết bị tạo mòn BK-MCT 2010 đã... góp chổi than và nguyên nhân gây hư hỏng Phân tích đặc điểm, phân loại các dạng mòn cổ góp đã làm rõ bản chất của quá trình mòn chổi than &cổ góp là mòn cơ hóa - 27- và mòn tia lửa điện Đây là hai quá trình diễn ra đồng thời và ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, đặc biệt khi có ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, nhất là ô nhiễm khí quyển với các hợp chất có tính ăn mòn cao Trên thực tế cổ góp luôn mòn với tốc độ... cường độ mòn không thứ nguyên của chổi than nằm trong phạm vi từ (9.76 ÷51.93)10-6 trong phạm vi mòn tiếp xúc đàn hồi và bắt đầu chuyển sang đàn dẻo Cường độ mòn của chổi than tăng theo độ ẩm tương đối và nhiệt độ tuy nhiên độ ẩm tương đối RH% ảnh hưởng nhiều hơn khoảng 20% so với nhiệt độ Xác định cường độ mòn cổ góp ở dòng điện I= 5, I=7.5,I=10 , khi nhiệt độ tăng từ 250C đến 550C và độ ẩm tương... số modun đàn hồi của chổi than, cổ góp E1= 260 1 GPa; E2 = 125 Gpa, tf = 6,7;   =1/5 ( =2) 2  1 Thay số vào ta có: αM = 1,15.10-4 (4.1) Trong đó: I – cường độ mòn không thứ nguyên; U – lượng mòn của chổi than (µm); L – quãng đường ma sát Xác định tuổi thọ của chổi than trên cơ sở mòn Từ số liệu trong bảng 3.2, 3.3, 3.4 tính được lượng mòn của chổi than theo chiều cao lớp mòn trong bảng 4.5 Mặt... dòng điện I = 10A lớn hơn cường độ mòn ở dòng điện I = 7,5A và I=5A 4.2Tính cường độ mòn của cổ góp Bề mặt cổ góp được chụp ảnh lại sau mỗi chế độ trước và sau khi thí nghiệm (hình 4.5 hình ảnh chụp chổi than ở một chế độ trước và sau khi làm việc) - 24- IhCG = Aa αM IhCT Ar (4.1) Thay các giá trị vào công thức công thức (2.6) xác định được cường độ mòn của cổ góp tại I=5A, I = 7,5A; I = 10A được tổng... mòn I phụ thuộc vào nhiệt độToC và độ ẩm tương đối RH% tại chế độ I=10A Nhận xét kết quả thực nghiệm ở I = 10A - 23- Cường độ mòn chổi than có giá trị từ 10,31.10-6 đến 37,64.10-6 nằm trong vùng tiếp xúc đàn hồi và chuyển dần sang đàn dẻo khi có độ ẩm tương đối cao trong khoảng từ 75% đến 99% Cường độ mòn không thứ nguyên trong cùng điều kiện nhiệt ẩm ở cường độ dòng điện I = 10A lớn hơn cường độ mòn . CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CẶP MA SÁT CHỔI THAN & CỔ GÓP CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG MÁY CÔNG CỤ 1.1 Tổng quan động cơ điện dùng trong máy công cụ Các máy công cụ truyền thống động cơ điện. ma sát của chổi than & cổ góp của động cơ điện chưa được nghiên cứu. Chính vì vậy đề tài của luận án đã chọn hướng nghiên cứu là “ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến mòn cặp ma sát chổi. tính năng ma sát, mòn của bề mặt ma sát chổi than & cổ góp. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm tương đối, cường độ dòng điện đến mòn của cặp chổi than & cổ góp. Thực