Luận văn Nghiên cứu chế tạo phục hồi gầu công dụng chung của máy xúc komatsu pc220 nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHỤC HỒI GẦU CÔNG DỤNG CHUNG CỦA MÁY XÚC KOMATSU PC220 NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ TRẦN THỊ HUYỀN THANH 11/2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi là Trần Thị Huyền Thanh, học viên lớp Cao học K10 – CN CTM. Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của PGS.TS Vũ Quý Đạc đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học. Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu chế tạo phục hồi gầu công dụng chung của máy xúc KOMATSU PC220 nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế” Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Quý Đạc và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê. Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất cứ hình thức nào. Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Người cam đoan Trần Thị Huyền Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 2 Phần I. MỞ ĐẦU 3 1. Tính cấp thiết của đề tài 3 2. Mục đích nghiên cứu 3 3. Đối tượng nghiên cứu 4 4. Phương pháp nghiên cứu 4 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Phần II: NỘI DUNG - 5 - Chƣơng 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY XÚC VÀ GẦU XÚC CÔNG DỤNG CHUNG KOMATSU PC220 - 5 - 1. Giới thiệu chung 5 1.1 Giới thiệu chung về các loại máy xúc thuỷ lực gầu ngược - 5 - 1.2. Giới thiệu chung về các loại gầu xúc - 6 - 2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy xúc Komatsu PC220 - 9 - 3. Nghiên cứu về động học và động lực học quá trình làm việc cảu gầu xúc 15 3.1. Động học và động lực học gầu xúc 15 3.2. Phân tích lực tác động lên gầu xúc 29 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁ HỎNG VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CHẾ TẠO PHỤC HỒI 34 1.Mòn vật liệu 35 1.1. Mòn kim loại và hợp kim 36 1.2. Ma sát và mòn chất dẻo 41 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn 41 2. Các dạng hỏng và nguyên nhân 47 2.1. Đánh giá và phân loại các dạng hỏng 47 2.2. Cơ chế phá hỏng và nguyên nhân gây ra với một số chi tiết chủ yếu 51 3. Hiện trạng công nghệ chế tạo phục hồi gầu xúc tại Việt Nam 60 3.1 Các số liệu khảo sát từ thực tế 60 3.2. Nhận xét: 63 4. Đề xuất giải pháp công nghệ chế tạo phục hồi 66 4.1 Giới thiệu chung 66 4.2.Phân loại các dạng hỏng 68 4.3.Đề xuất phương pháp phục hồi chi tiết 70 5. Kết luận 72 Chƣơng 3.NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHỤC HỒI GẦU XÚC KOMATSU PC220 74 1.Chọn phương pháp sửa chữa và phục hồi chi tiết 74 2. Phục hồi chi tiết 75 2.1. Phục hồi bằng hàn đắp 75 2.2. Phục hồi bằng gia công cơ khí 79 2.3. Đúc mới răng gầu 80 3. Thử nghiệm 82 4. Kết luận 82 Phần 3. KẾT LUẬN CHUNG 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 2 - LỜI NÓI ĐẦU Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước, trong những năm qua nước ta đã thu hút được nhiều vốn đầu tư của nước ngoài cho nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực xây dựng cơ bản. Điều này càng làm cho số lượng và chủng loại máy xây dựng (đặc biệt là máy xúc) ở nước ta vốn đã rất đa dạng, nay lại càng đa dạng hơn. Ngoài những máy xúc mang tính thông dụng và truyền thống vẫn nhập từ Liên bang Nga, chúng ta còn đầu tư nhiều loại máy móc từ các nước tư bản khác. Những máy móc này có nhiều tính ưu việt trong thi công như tính gọn nhẹ, độ bền cao, độ tin cậy làm việc lớn, năng suất và chất lượng sản phẩm cao v.v…, chính điều này gây một trở ngại lớn cho việc tổ chức sửa chữa theo hình thức công nghiệp và hiện đại hóa như sửa chữa theo hình thức chuyên môn hóa, sử dụng các thiết bị chuyên dùng cho công tác sửa chữa, nhập vật tư phụ tùng thay thế v.v… Xuất phát từ đó tác giả đã lựa chọn đề tài "Nghiên cứu chế tạo phục hồi gầu công dụng chung của máy xúc KOMATSU PC 220 nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế". Đây là đề tài khoa học Công nghệ chế tạo máy nhưng để hoàn thành được đề tài nghiên cứu thì ngoài tài liệu chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy thì tác giả còn cần nghiên cứu rất nhiều tài liệu chuyên ngành Máy xây dựng, Cơ học đất ; Do vậy việc tìm tài liệu tham khảo để phục vụ cho luận văn và việc nghiên cứu tài liệu tham khảo của tác giả gặp rất nhiều khó khăn cộng thêm thời gian nghiên cứu luận văn có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự quan tâm, góp ý của các Thầy, Cô và đồng nghiệp để đề tài đạt chất lượng cao hơn. Để luận văn hoàn thành đúng thời hạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ. Trước tiên tác giả xin trân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Quý Đạc, người thầy hướng dẫn khoa học chính giúp tác giả hoàn thành luận văn này. Ngoài ra cũng xin trân thành cảm ơn Trường Trung cấp nghề số 1 - BQP, Công ty cổ phần Cơ khí Mỏ, Xưởng X79 - Quân khu 1,…đã giúp tác giả trong quá trình thực nghiệm để luận văn hoàn thành đúng thời hạn./. Thái Nguyên, ngày 6 tháng 11 năm 2009 HỌC VIÊN Trần Thị Huyền Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 3 - Phần I. MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. Việc sử dụng thiết bị cơ giới trong thi công đóng vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao chất lượng công trình, đẩy nhanh tiến độ thi công, nâng cao hiệu quả kinh tế và cải thiện điều kiện lao động của con người. Xuất phát từ quan điểm này trong nhiều năm qua, Việt Nam đã nhập và chế tạo thêm khá nhiều các máy xây dựng khác nhau. Theo số liệu thống kê của Tổng cục Hải quan, tổng kim ngạch nhập khẩu máy xây dựng vào nước ta trong tháng 10/2008 đạt 13,6 triệu USD. Trong đó, nhập khẩu máy xúc đào là tăng 1,8%. Theo thống kê ở nhiều công trình xây dựng thấy rằng khối lượng đất, đá, than, quặng … do máy xúc đảm nhiệm chiếm trên 50% của tổng khối lượng công việc. Trong quá trình sử dụng gầu của máy xúc đào bị mòn chốt, mòn bạc do ma sát lẫn nhau, răng gầu mòn vì ma sát, bị hỏng vì mặt ngoài bị tác dụng của nhiệt độ cao, một số bị biến dạng vì bị va chạm. Ngoài ra có khi do sử dụng và thao tác không chính xác, việc chăm sóc và bảo dưỡng không chu đáo cũng làm cho gầu chóng bị mòn và hư hỏng; có một số trường hợp do chất lượng thiết kế và chế tạo không tốt cũng dẫn đến những hiện tượng trên. Máy móc bị mòn và hư hỏng là điều thường xảy ra trong toàn bộ quá trình sử dụng và vận hành máy. Số lượng máy xúc hiện nay đang sử dụng ở nước ta là rất lớn. Việc nhập khẩu những phụ tùng thay thế nguyên chiếc là không hiệu quả về kinh tế. Vậy đề tài: "Nghiên cứu chế tạo phục hồi gầu công dụng chung của máy xúc KOMATSU PC 220 nhằm nâng cao chất lƣợng và hiệu quả kinh tế" là rất cần thiết. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Phân loại đánh giá các dạng hỏng của gầu xúc, phát hiện những nguyên nhân chủ yếu, tìm ra cơ chế phá hỏng, từ đó đề xuất phương án chế tạo phục hồi. 3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. - Răng gầu máy xúc KOMATSU PC 220 - Chốt, bạc của gầu máy xúc KOMATSU PC 220 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 4 - 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. a.Ý nghĩa khoa học. Nghiên cứu ứng dụng thành công phương án chế tạo phục hồi vào quá trình cải tạo, sửa chữa chi tiết gầu máy xúc sẽ đóng góp thêm các kiến thức về công nghệ sửa chữa chi tiết máy. Cung cấp thêm kiến thức về cơ chế mòn của chi tiết gầu trong các máy xúc đào thi công. b.Ý nghĩa thực tiễn. Với các ứng dụng của nghiên cứu áp dụng cho gầu máy xúc sẽ làm quá trình sử dụng công suất máy được triệt để nhờ cớ sẵn đồ thay thế, làm giảm công sức sửa chữa của công nhân và mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn. Ngoài lợi ích về kinh tế, việc tìm ra phương án chế tạo phục hồi hiệu quả còn làm tăng tuổi thọ của gầu xúc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 5 - Phần II: NỘI DUNG Chƣơng 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY XÖC VÀ GẦU XÖC CÔNG DỤNG CHUNG KOMATSU PC220 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về các loại máy xúc thuỷ lực gầu ngƣợc Công nghiệp chế tạo máy nói chung, máy làm đất nói riêng là nền công nghiệp còn non trẻ và quá trình phát triển của nó đồng hành với quá trình phát triển của các ngành khoa học và công nghiệp của loài người. Qua phân tích tổng hợp tình hình sử dụng máy làm đất ở Việt Nam, chúng ta có thể thấy bức tranh tổng thể và xu hướng phát triển, mua sắm các thiết bị làm đất ở nước ta. Trong những năm gần đây, do sự đòi hỏi của nhu cầu sản xuất, số lượng máy làm đất được chế tạo với công nghệ hiện đại được nhập vào nước ta ngày càng nhiều [1]. Việc tìm hiểu các đặc điểm kỹ thuật và sử dụng cơ bản của chúng sẽ giúp ích tích cực cho người sử dụng có sự phân tích, lựa chọn hợp lý khi mua sắm thiết bị và sử dụng chúng ngày càng hiệu quả. Ngày nay chúng ta không còn thấy các máy đào dẫn động cáp được sản xuất bởi các hãng hàng đầu thế giới. Hầu hết các máy đào đều có hệ thống dẫn động bộ công tác bằng thuỷ lực, trừ một số loại máy đào gầu kéo, gầu ngoặm phục vụ những công việc đặc biệt. Đa số là máy đào có bộ di chuyển xích, máy đào bánh lốp chỉ được chế tạo với loại công suất nhỏ, phục vụ các công trình có khối lượng nhỏ, trong địa bàn thành phố hoặc các công việc cần di chuyển nhiều. Do nhu cầu khác nhau của các công trình và sự đòi hỏi ngày càng cao của các công trình xây dựng. Máy xúc được nhập vào nước ta ngày càng nhiều từ các thị trường Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc do các hãng hàng đầu thế giới như Caterpillar, Komatsu, Volvo,… chế tạo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 6 - Hình 1.1 Các loại máy xúc 1.2. Giới thiệu chung về các loại gầu xúc Ngày nay, để đáp ứng yêu cầu của những công việc và điều kiện làm việc khác nhau, các nhà sản xuất máy xây dựng, khai thác đã chế tạo ra rất nhiều loại gầu của các máy chất tải. Mỗi loại chỉ phù hợp với những điều kiện làm việc nhất định. Việc lựa chọn gầu máy chất tải không phù hợp có thể làm giảm năng suất của dây chuyển bốc xúc vận chuyển tới 30%, làm tăng chi phí vận hành từ 10% đến 20% hoặc lớn hơn, do làm gầu nhanh mòn, thậm chí có thể làm vỡ gầu, gây ra những thiệt hại kinh tế. Vì vậy việc lựa chọn loại gầu máy chất tải phù hợp kết hợp với các thao tác đúng kĩ thuật của người thợ vận hành sẽ mang lại những lợi ích rõ rệt, góp phần làm giảm chi phí đơn vị sản phẩm[1]. Ở đây sẽ tập trung vào các loại gầu của máy đào gầu sấp – Đây là loại máy chất tải chủ yếu, chiếm khoảng 80% tổng số máy chất tải trong thực tiễn xây dựng, khai thác tại Việt Nam. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 7 - Để thực hiện các công việc khác nhau ở các điều kiện làm việc khác nhau, các nhà sản xuất đã chế tạo ra nhiều loại gầu [22]. Mỗi loại phù hợp với những công việc và điều kiện làm việc cụ thể. Hình 1.2 trình bày những loại gầu được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Hình 1.2.Các loại gầu máy đào [19] a. Gầu công dụng chung: để đào các loại đất đá có độ đặc chắc thấp, độ mài mòn trung bình như đất màu, đất mùn, sỏi và sét. Loại gầu này có đặc điểm là: - Kết cấu nhẹ làm giảm thời gian chất tải và tăng khả năng nâng tải; - Có khoan trước các lỗ để bắt tấm bảo vệ thành bên khi cần; - Dung tích gầu lớn nhất, răng gầu và các chi tiết cắt đất tiêu chuẩn. b. Gầu làm việc chế độ làm việc nặng: dùng với các vật liệu mài mòn như đất đá hỗn hợp, đá và sét. Loại gầu này có các đặc điểm chính sau: - Cấu tạo chắc chắn hơn loại công dụng chung; - Có khoan trước các lỗ để bắt tấm bảo vệ thành bên và lưỡi cắt khi cần; - Đáy gầu và thành bên dày hơn nên bền hơn; Răng gầu và các chi tiết cắt đất có kích thước lớn hơn để tăng độ bền và hiệu quả làm việc; c. Gầu đào đá, chế độ làm việc nặng: dùng với các loại vật liệu có độ mài mòn cao như đá cứng và đá gra-nít, với các đặc điểm nổi bật sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 8 - - Các tấm chịu mòn rất dầy để kéo dài tuổi thọ của gầu ở các điều kiện làm việc khó khăn. kết cấu gầu vững chắc hơn loại gầu chế độ nặng (b); - Các tấm chống mòn bên kéo dài lên phía trên để bảo vệ gầu khi đào đá. - Răng gầu và các chi tiết cắt đất có kích thước lớn hơn để tăng độ bền và hiệu quả làm việc; Dung tích gầu tương đương loại gầu chế độ nặng. d. Gầu chế độ làm việc rất nặng: dùng với đất đá có độ mài mòn cao, lực cản đào lớn như với các loại đất đá hỗn hợp bền chắc, nhưng không phù hợp với loại vật liệu kết dính như đất sét. Đặc điểm của loại gầu này là: - Bán kính răng gầu nhỏ, khoảng cách giữa hai chốt bản lề lớn nên lực đào rất lớn; So với loại gầu chế độ nặng, chu kì làm việc của máy ngắn hơn nhiều trong hầu hết các điều kiện làm việc; - Độ bền tương đương loại gầu chế độ nặng; Có khoan trước các lỗ để bắt tấm bảo vệ thành bên và lưỡi cắt khi cần; - Răng gầu và các chi tiết cắt đất có kích thước lớn hơn để tăng độ bền và hiệu quả làm việc; Dung tích gầu tương đương loại gầu chế độ nặng. e. Gầu nạo vét rãnh, kênh, mƣơng: để làm sạch các rãnh, kênh, mương, tạo mái dốc và các công việc hoàn thiện: - Gầu nông và kích thước gọn nên có thể hoạt động dễ dàng hơn trong các khu vực chật hẹp; Có các lỗ thoát nước để dỡ tải dễ dàng; - Có thể lắp các lưỡi cắt tùy chọn bằng bu-lông. f. Các gầu có công dụng đặc biệt: khi có các nhu cầu đặc biệt, người sử dụng có thể yêu cầu nhà sản xuất chế tạo gầu theo đơn đặt hàng. Tuy nhiên, các loại gầu này thường có giá thành cao. Ví dụ, hình 1.2. f. là loại gầu được chế tạo để bóc mặt đường (ripper bucket). Các loại gầu xúc mới được thiết kế chế tạo có khả năng hoạt động cao. Một máy đào có thể lắp các loại gầu khác nhau tuỳ theo yêu cầu công việc. Gầu thường được chế tạo bằng thép có độ bền lớn, nên có thể vẫn đảm bảo độ bền, giảm tự trọng của gầu để tăng khả năng chất tải. [22] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 9 - Hình 1.3. Gầu xúc công dụng chung Trong nghiên cứu này, đề cập chủ yếu đến gầu công dụng chung của máy đào thuỷ lực gầu sấp bánh xích do một trong các hãng hàng đầu thế giới Komatsu chế tạo là loại được sử dụng phổ biến trong các hoạt động đào và vận chuyển đất tại Việt Nam hiện nay. 2. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY XÖC KOMATSU PC220. Máy xúc gầu nghịch là loại máy đào một gầu, đào đất nơi nền đất thấp hơn mặt bằng máy đứng. Dùng để đào móng, đào rãnh thoát nước, lắp đặt đường cấp thoát nước, đường điện ngầm, cáp điện thoại.. Tùy từng yêu cầu công việc mà người sử dụng có thể lắp thêm các thiết bị công tác khác nhau như : đầu cặp hay búa phá... Dòng máy này cũng có thể thi công ở nhiều địa hình nhiều phạm vi khác nhau, nói chung là rất linh động. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 10 - Hình 1.4. Máy xúc Komatsu PC220 gầu ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 11 - Để hiểu rõ cấu tạo cũng như quá trình làm việc của gầu máy xúc, trước tiên tác giả xin giới thiệu cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của máy xúc và của bộ phận công tác như sau: a. Cấu tạo chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 12 - Kết cấu của máy gồm hai phần chính: phần máy cơ sở (máy kéo xích) và phần thiết bị công tác (thiết bị làm việc). Phần máy cơ sở: Cơ cấu di chuyển chủ yếu di chuyển máy trong công trường. Nếu cần di chuyển máy với cự ly lớn phải có thiết bị vận chuyển chuyên dùng. Cơ cấu quay dùng để thay đổi vị trí của gầu trong mặt phẳng ngang trong quá trình đào và xả đất. Trên bàn quay người ta bố trí động cơ, các bộ truyền động cho các cơ cấu…Cabin nơi tập trung cơ cấu điều khiển toàn bộ hoạt động của máy. Đối trọng là bộ phận cân bằng bàn quay và ổn định của máy. Phần thiết bị công tác: Cần một đầu được lắp khớp trụ với bàn quay còn đầu kia được lắp khớp với tay cầm. Cần được nâng lên hạ xuống nhờ xi lanh duỗi được nhờ xi lanh. Điều khiển gầu xúc nhờ xi lanh. Gầu thường được lắp thêm các răng để làm việc ở nền đất cứng. b. Nguyên l ý làm việc của máy xúc gầu ngƣợc Komatsu PC 220 Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy xúc gầu ngược thuỷ lực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 13 - 1- Máy cơ sở 2 - Cần 3 - Đôi xi lanh nâng cần 4 – Xi lanh quay tay đẩy 5 – Tay đẩy 6 – Xi lanh xoay gầu 7 – Đòn bẩy 8 - Gầu Quá trình làm việc qua các thao tác sau: Rút xi lanh 6 và xi lanh 4 để nâng và dựng gầu; hạ cần 2 cho gầu chạm đất; đẩy xi lanh 4 để cắt đất và làm đầy gầu. Đẩy xi lanh 3 để nâng cần và quay cần cùng gầu đến nơi dỡ tải.[2] c. Thiết bị công tác Hình 1.6. Liên hệ giữa con người và máy xúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 14 - Hình 1.7. Thiết bị công tác gầu ngược [1] 1 – Khung bàn quay 2 - Buồng lái 3,4 - cần trong và cần ngoài 5,6,11 – Xi lanh thuỷ lực 7 – Tay gầu 8 – Tay đòn gầu 9 - Gầu 10 – Thanh kéo a, b, c - Vị trí lắp thanh kéo 10 Người ta chế tạo một số gầu ngược khác nhau, nhưng các bộ phận cơ bản của nó là cần trên máy xúc được cấu tạo từ bộ phận chính (3) và bộ phận nối dài (4), tay gầu (7), gầu (9) và các xi lanh thuỷ lực (11), (5), (6) để nâng cần , quay tay gầu và quay gầu. Cần có kết cấu vững chắc, rỗng được hàn bằng thép hợp kim. Cần được lắp khớp bản lề với khung bàn quay (1). Xi lanh thuỷ lực nâng cần (11) cũng lắp khớp bản lề với khung bàn quay, còn cần đẩy lắp khớp bản lề với cần, khi dịch chuyển cần đẩy của xi lanh thuỷ lực (11) thì thay đỏi góc nghiêng của cần so với bàn quay. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Cần trong (3) và cần ngoài (4) liên kết với nhau bằng chốt và thanh kéo (10). Tay gầu (7) được lắp chốt bản lề ở đầu trên của cần, nhờ xi lanh thuỷ lực (5) để điều khiển việc co duỗi tay gầu. Gầu (9) được lắp chốt bản lề trên tay gầu (7), điều khiển việc quay gầu nhờ xi lanh thuỷ lực (6). 3. NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA GẦU XÖC Máy xúc làm việc với đối tượng đất luôn luôn thay đổi, lực cản tác dụng lên gầu xúc cũng thay đổi liên tục theo thời gian do đất không đồng nhất, bề mặt thi công nhấp nhô, kết cấu và trạng thái kĩ thuật của máy không ổn định…Do tất cả các nguyên nhân đã nêu trên, các trở lực và lực kéo, lực tác dụng giữa gầu xúc và đất thay đổi khác nhau đối với các máy xúc khác nhau. 3.1. Động học và động lực học gầu xúc [7] * Đặt vấn đề: Do Máy xúc phần lớn làm việc theo chu kỳ, thời gian làm việc gồm: thời gian khởi động, thời gian làm việc ổn định, thời gian hãm và các thời gian chuyển tiếp. Tốc độ của máy thay đổi sẽ phát sinh lực động. Mục đích nghiên cứu động lực học là tìm quy luật chuyển động của hệ, tức là xác định các quy luật biến thiên của độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc theo thời gian. Từ đó, xác định các lực động, nghiên cứu, xem xét ảnh hưởng của các lực động đến máy, bộ phận máy và tìm cách sử dụng chúng một cách hợp lý hoặc giảm bớt, hạn chế tác hại của chúng. Bài toán động lực học nghiên cứu, tính toán ảnh hưởng của các tải trọng động phát sinh trong quá trình máy làm việc đến các chi tiết, cụm chi tiết, các bộ máy, đến kết cấu thép, móng máy… để tính bền, tính mỏi, xác định tuổi thọ, tính ổn định theo quan điểm động lực học… Các nghiên cứu này có xu hướng muốn làm giảm ảnh hưởng xấu của tải động. Đối với máy xúc, nếu gọi X là quãng đường di chuyển theo phương ngang, A là hệ số đặc trưng cho sự thay đổi của lực cản từ đất (cường độ biến đổi trở lực cản) tác dụng lên gầu thì: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 x k d dF A   1 0 x x k AdxF 1 0 x xk dxAF  (Nếu A không phụ thuộc vào x) Và: Fk = A (x1 – x0) = A.x Trong đó: Fk - lực cản từ đất tác dụng lên gầu xúc + Phương trình chuyển động như sau: 1r2 r FF)xT(xm r I             (1 – 1) Trong đó: Ir - Mô men quán tính quy dẫn của tất cả các chi tiết máy quay về trục của bánh chủ động T - Lực kéo, là hàm của vận tốc Fr - Lực cản di chuyển F1 - Lực cản do biến dạng của nền r – Bán kính quy dẫn m - Khối lượng của máy + Nếu coi máy như hệ 1 khối lượng, phương trình chuyển động có thể viết dưới dạng sau : Fh – Fe – mr.x = 0 (1 – 2) Với : Fh - Lực chủ động Fe - Các lực cản mr - Khối lượng quy dẫn của máy + Nếu coi lực bám là lực tới hạn của lực kéo để đảm bảo máy làm việc không bị trượt thì phương trình chuyển động (1 - 2) có thể viết dưới dạng khác : 0xm.FT e   (1 – 3) Với T - Lực bám của máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 3.1.1.Khảo sát sơ đồ máy xúc nhƣ một hệ thống khối lƣợng quy kết có độ bám tốt. * Mục đích của việc nghiên cứu, khảo sát động lực học của máy xúc như một hệ thống khối lượng quy kết có độ bảm tốt là viết được phương trình dịch chuyển, vận tốc, gia tốc của hệ quy kết theo phương trình Lagrange loại II từ đó tìm ra được những yếu tố ảnh hưởng tới lực cản tác dụng lên gầu trong quá trình làm việc của gầu để tìm cách giảm lực cản tác dụng lên gầu. Nếu trị số tuyệt đối của độ cứng kết cấu máy lớn hơn hệ số đặc trưng cho sự thay đổi lực cản, thì chúng ta có thể coi máy xúc đất như một khối lượng mr chuyển động. Sơ đồ khảo sát như sau : Hình 1.8 Sơ đồ máy xúc - vận chuyển đất như một khối lượng quy kết, máy có độ bám tốt. a) Trước khi gặp vật cản b) Sau khi gặp vật cản Phương trình chuyển động khi máy gặp vật cản, độ bám tốt như sau : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 0 dt xd mFF 2 2 reh  (1-4) Với : Fh = Ff ; v = v0 Trong đó : Fh - Lực kéo Ff - Lực cản di chuyển Fk - Lực cản từ đất tác dụng lên gầu v - Vận tốc máy v0 - Vận tốc ban đầu Tổng lực cản Fe xác định như sau : Fe = Ff + Ax = Ff + Fk(x) (1-5) Trong trường hợp tổng quát khi máy di chuyển trên nền có độ dốc thì: Ff = f .G.cos  G. sin Với: G - Trọng lượng máy  - Độ dốc của nền F - Hệ số cản di chuyển Lực tác động lớn nhất khi: Ff = f. G.cos - G.sin Khi: f.G.cos = G.sin thì: Ff = 0 Từ đồ thị đường đặc tính của động cơ, chúng ta có công thức tính lực kéo Fh tại một thời điểm bất kỳ khi máy đang làm việc với vận tốc ổn định v (trong đoạn vn – v0) Với: Tn, vn - Lực léo và vận tốc tại thời điểm bắt đầu giai đoạn làm việc ổn định; v0 - Vận tốc đồng bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Hình 1.9. Đường đặc tính cơ của máy v)(v vv T TF 0 n0 n h    (1-6) Thay công thức (5), (6) vào biểu thức (4) và biến đổi chúng ta có: 0 dt xd mA.xFv)(v )v(v T 2 2 rf0 n0 n   Hay: 0 dt xd mA.xFv )v(v T v )v(v T 2 2 rf n0 n 0 n0 n     Chuyển vế phương trình trên và chú ý dt dx v  ta có: f0 n0 n n0 n 2 2 r Fv )v(v T A.x dt dx . )v(v T dt xd m      Chia 2 vế cho mr ta có: r f 0 rn0 n rrn0 n 2 2 m F v ).mv(v T .x m A dt dx . ).mv(v T dt xd      Đặt rn0 n ).mv(v T G   và r f 0 m F G.vD  phương trình trên trở thành: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 D.x m A dt dx G. dt xd r 2  (1-7) Phương trình (1-7) chính là phương trình vi phân cấp hai tuyến tính, hệ số hằng. Nghiệm của phương trình có dạng quen biết: A D.m .eN.eNx r tα 2 tα 1 21  Với : (N1, N2 là các hằng số) Để xác định các hằng số chúng ta sử dụng điều kiện biên: t = t0; x = 0 và dt dx Vk  Chúng ta có công thức xác định chuyển dịch, vận tốc, gia tốc như sau : + Chuyển dịch : A D.m .e r A D.m .αV .e r A D.m .αV x r .tα r 1k .tα r 2k 21      + Vận tốc : .tα2k.tα1tk 21 .e r D.αV .e r .D.αV v   + Gia tốc : .tα 2 2k.tα 1 1tk 21 e.α r D.αV e.α r .D.αV a   Lực tác dụng lên gầu : Fk = A.x hoặc Fk = T – Ff – mr.a ; (a – Gia tốc) Đối với cát và bùn : A = 1.103kg/m2 Đối với đá vôi : A = 2.103kg/m2 Đối với đá cục Granit : A = 4.103kg/m2 * Nhận xét: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Khi gầu xúc làm việc trong môi trường đá cục granit có hệ số A lớn nhất, khi đó lực cản tác động lên gầu là lớn hơn cả, vì vậy lưỡi gầu sẽ mòn nhiều hơn. 3.1.2.Khảo sát sơ đồ máy xúc nhƣ một hệ một khối lƣợng quy kết bị trƣợt hoàn toàn (độ bào đạt trị số giới hạn) * Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra quy luật trượt của bộ công tác ở cuối giai đoạn đào đất để có cách giảm lực trượt để tạo thuận lợi cho bộ công tác máy ăn sâu vào lòng đất dễ dàng hơn mục đích cuối cùng là làm giảm tải trọng tác dụng lên máy để giảm mòn. Trên hình 1.10 thể hiện mô hình khảo sát máy xúc như một khối lượng quy kết bị trượt. Khối lượng quy kết mr của máy có thể chia làm 2 phần. Phần trên gồm khối lương quy kết của các phần quay động cơ và hệ thống truyền động gồm cả các bộ phận của bộ máy di chuyển, ký hiệu (mr – m). Phần dưới là khối lượng còn lại. Điều kiện xảy ra trượt : Fh – (mr – m). Tx  (1-8) Hình 1.11 : Sơ đồ máy xúc như một khối lượng quy kết bị trượt (độ bám đạt trị số tới hạn) Lúc này, do lực chủ động và lực quán tính tăng lên và bằng lực bám, hệ thống sẽ trượt hoàn toàn. Trong trường hợp, khi hệ số bám  tuy còn lớn hơn nhưng vẫn có khả năng trượt vì bộ công tác cắt sâu vào lòng đất và phát sinh ra gia tốc âm (gia tốc chậm dần) có giá trị lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Phương trình chuyển động: 0FxmT e   (1-9) Khi bắt đầu trượt ở thời điểm này chúng ta có các quan hệ sau:  k0r m.aA.xFT  (1-10) Lực cản : AxA.xFF 0re  Thay các kết quả (7-10) vào phương trình (7-9) chúng ta có: km.aAxxm.  (1-11) Với: ak - Gia tốc của máy khi bắt đầu trượt Nghiệm của phương trình vi phân có dạng: A ma .t m A cosN.t m A sinNx k 43   Từ điều kiện biên t = 0; x = 0 và V = Vk (Với Vk là vận tốc của máy khi bắt đầu trượt) xác định được trị số của các hằng số N3 và N4. m A VN k3  ; A ma N k 4   Từ đó, chúng ta có công thức xác định dịch chuyển, vận tốc, gia tốc như sau: + Dịch chuyển : A ma .t m A .cos A m.a -.t m A .sin m A .Vx kk k    + Vận tốc : .t m A .sin m A .a .t m A .cosVV kk   + Gia tốc : .t m A .cosa .t m A .sin m A .Va kk   Tải trọng tác dụng lên bộ công tác : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 rkk FA.m.VTF   (1-12) Trong trường hợp di chuyển lên dốc : A.m.VG.sinαf.G.cosα.GF ktk  (1-13) Với : Gt - Trọng lượng bám của máy. 3.1.3. Khảo sát sơ đồ máy đào – vận chuyển đất nhƣ hệ một khối lƣợng có kể đến biến dạng của kết cấu thép máy khi va vấp. * Mục đích của nghiên cứu này Trong quá trình máy làm việc, có thể xảy ra trường hợp máy va vấp vào các vật thể có độ cứng lớn khi đối tượng công tác không đồng nhất. Lúc này tải trọng động và lực tác dụng lên bộ công tác của máy sẽ có giá trị rất lớn, lực kéo T do động cơ của máy phát triển sẽ đạt tới giá trị của lực bám T trong thời gian ngắn vì lực quán tính tăng lên nhanh chóng. Độ cứng của kết cấu thép máy và bộ di chuyển có vai trò quan trọng khi máy va vấp vào vật thể. Nếu bỏ qua khối lượng của bộ công tác và của kết cấu thép máy, mô hình khảo sát của máy thể hiện ở hình 1.12. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 Hình 1.12. Mô hình máy xúc như một hệ khối lượng (chưa kể đến khối lượng bộ công tác và kết cấu thép) khi va vấp. a) Khi máy chưa gặp vật cản b) Khi máy gặp vật cản Ở thời điểm bắt đầu khi va vấp, do biến dạng của kết cấu thép nên lực tác dụng lên bộ công tác, lực chủ động của máy, gia tốc chậm dần và lực quán tính tăng lên. Do gia tốc chậm dần (gia tốc âm) tăng lên đột ngột, dẫn đến mô men bám trên bánh chủ động cũng tăng lên làm cho hiện tượng trượt xảy ra sau đó. Chúng ta có thể chia quá trình va vấp của máy và vật cản thành 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Fh = Ff và mô men quán tính của các vật quay tăng lên, độ bám giữa bộ máy di chuyển và nền đạt trị số tới hạn (chưa xảy ra trượt hoàn toàn) - Giai đoạn 2: Hiện tượng trượt hoàn toàn xảy ra. 3.1.3.1. Độ cứng của kết cấu thép máy và vật thể va vấp a) Độ cứng của kết cấu thép Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 Độ cứng của kết cấu thép có thể coi như độ cứng quy dẫn của một hệ gồm nhiều khối lượng mắc nối tiếp được xác định theo công thức sau: n21k S 1 ........... S 1 S 1 S 1  Với: S1, S2,...., Sn - Độ cứng của các khối lượng thứ i trong hệ. Độ cứng của kết cấu thép máy có thể xác định theo công thức thực nghiệm: SK = .Gmc ; kG/m Với:  - Hệ số tính toán,       kG kG/m ) kG kG/m 1(0,9β  Gmc – Trọng lượng máy cơ sở, kG. b) Độ cứng của vật thể va vấp Theo Fedotob, độ cứng của các loại vật thể mà máy va vấp như sau: + Đá tảng có đường kính  = 0,5 (m) thì SV = 130000 (kN/m) + Bức tường rộng 650 (mm), tiết diện 3900 (cm2), độ cao va chạm 150 (mm) thì SV = 18150 (kN/m). + Gốc cây thông có đường kính  = 700 (mm), chỗ va chạm ở dưới, gốc điểm va chạm có chiều cao 150 (mm) thì SV = 9300 (kN/m) + Tảng đất đóng băng có bề rộng 1250 (mm) thì SV = 2300 (kN/m). * Kết luận: Qua số liệu trên ta nhận thấy rằng với đá tảng độ cứng của vật thể va vấp là lớn nhất. Khi bộ phận công tác của máy xúc làm việc thì tương ứng mỗi loại vật liệu độ cứng khác nhau chính vì vậy mà răng gầu máy xúc có độ mòn khác nhau. Theo khảo sát thực tế thấy rằng nhóm răng gầu làm việc trong điều kiện nặng nhọc như xúc đá đồi trọc có tốc độ mòn và mẻ răng lớn hơn so với răng gầu xúc đất, vật liệu xây dựng. Do vậy trong quá trình phục hồi ta cần phải phân loại dạng hỏng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 dựa vào điều kiện làm việc cụ thể để có quy trình công nghệ phục hồi thích hợp, đạt hiệu quả sử dụng và hiệu quả kinh tế cao. c) Độ cứng quy dẫn của hệ Giả thiết rằng, trong quá trình chuyển động độ cứng của vật thể va vấp không đổi và đặc trưng bởi hằng số A. Chỉ nghiên cứu chuyển động trong 1/4 chu kỳ đầu tiên của dao động. Gọi SK là độ cứng của kết cấu thép máy; SV là độ cứng của vật thể va vấp, độ cứng quy dẫn chung của hệ là Sr được coi là độ cứng của một hệ gồm các lò xo mắc nối tiếp thì Sr được xác định theo công thức: Hình 1.13: Quan hệ giữa độ cứng Sr, Sk và Sv vk vk r SS SS S   . S 1 S 1 S 1 vkr Quan hệ giữa các độ cứng Sr, SK và SV thể hiện trên hình 1 –13 * Nhận xét: Ta thấy máy là tổng hòa các thành phần kết cấu đó là tất cả các chi tiết riêng biệt được lắp ghép với nhau tạo thành máy. Dựa vào hình 1.13 ta thấy rằng độ cứng quy dẫn chung của hệ Sr tỷ lệ thuận với độ cứng va vấp Sv và độ cứng của kết cấu thép Sk nghĩa là với máy xúc làm việc ở chế độ càng nặng ( độ cứng va vấp càng lớn) thì càng phải đòi hỏi kết cấu thép cần phải thật vững chắc. 3.1.1.2. Phƣơng trình chuyển động * Giai đoạn 1: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 vK – Vận tốc ổn định của máy trước khi va vấp Ff – Lực cản chuyển động là hằng số Phương trình chuyển động có dạng: 0 dt xd mxSFF 2 2 r.rfh  Với Fh = Ff và Sr = Ar (Sr - Độ cứng quy dẫn của hệ) thì chúng ta có dạng quen thuộc: 0.x m A dt xd r r 2 2  (1-15) Với điều kiện ban đầu: t = 0; x = 0 và v = vK Nghiệm tổng quát của phương trình vi phân (15) có dạng: + Dịch chuyển: .t m A .sin A m vx r r r r K + Vận tốc: .t m A .cos.vv r r K + Gia tốc: .t m A .sin m A va r r r r K Gia tốc đạt giá trị cực đại khi v = 0 và xác định như sau: r r Kmax A m vx  r r Kmax m A va  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 * Giai đoạn 2: Do mô men quán tính của các phần quay của máy tăng lên, sự trượt hoàn toàn sẽ xảy ra tại nơi tiếp xúc giữa bộ máy di chuyển và nền. Lúc này phương trình chuyển động có dạng: 0 dt xd m-.x AxAFT 2 2 .rkrf   Trong đó: xk - Quãng đường dịch chuyển của máy kể từ thời điểm bắt đầu gặp vật cản đến khi trượt hoàn toàn. Tại thời điểm bắt đầu trượt: 0AmxAFT k.krf   và lúc này: k r 2 2 . a.x m A dt xd  (1-16) Với: ak - Gia tốc của máy khi bộ máy di chuyển bắt đầu trượt với điều kiện ban đầu t = 0; x = 0 và v = vK có thể xác đinh được nghiệm của phương trình (16). Từ phương trình (16), chúng ta có thể xác định được quãng đường di chuyển, vận tốc và gia tốc trong giai đoạn 2 như sau: + Dịch chuyển: rr f r r rr f r r 1 r r K A m . mm FT -.t m A .cos A m . mm FT .t m A βarcsin .cos A m vx    + Vận tốc: .t m A .cos mm FT . A m -.t m A .cosβarcsin .cosvv r r f rr r 1K     + Gia tốc: .t m A .cos mm FT -.t m A sinβsin arc .cos m A va r r f r r 1 r r K     Với: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 .t mm m . .aAv FT β r r mrK f 1     Gia tốc cực đại đạt đến tại thời điểm máy dừng lại (v = 0) Tải trọng tính toán: FK = T - Ff + VK .mA r (1-17) 3.2. Phân tích lực tác động lên gầu xúc Sự tác dụng tương hỗ giữa gầu và đất khi máy làm việc là một quá trình phức tạp. Chữ đào đất đối với máy xúc có thể hiểu theo hai khía cạnh khá khác nhau: 1. Đào đất thuần tuý, tức đất bị bong ra dưới tác dụng của gầu xúc giống như ta dùng chiếc cuốc, thuổng, mai; nhưng để đo đạc lực cản thống nhất thường người ta đào bằng lưỡi đào mẫu (Hình 1.8 a và b). 2. Đào đất và tích lại khi đất bị bong ra dưới tác dụng của gầu xúc. Trong hàng loạt trường hợp, năng lượng cần thiết cho quá trình đào đất và tích lại trong gầu xúc lớn hơn hẳn so với quá trình đào đất thuần tuý trong cùng điều kiên về chất đất, dạng hình học lưỡi đào và kích thước “vỏ bào”. Hình 1.14. Dạng hình học lưỡi đào(a) và lực cản đào (b) Trên hình 1.14 ta thấy: b, c - Kích thước vỏ bào  - Góc trước  - Góc sau  - Góc lưỡi nhọn  =  +  - Góc đào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 P0 - Lực cản đào tổng hợp P01, P02 Lực cản đào tiếp tuyến và thẳng góc với quỹ đạo đào (theo lý thuyết N.G.Dombrôvski). Quan sát quá trình đào đất thuần tuý có thể thấy như sau: Trước tiên đất trước lưỡi đào bị đồn lại, khi lực đào lớn bằng sức chống đối cắt tối đa thì đất bị bong ra thành vỏ bào. Đào đất có thể gặp ba trường hợp (Hình 1.15), trường hợp đầu (hình 1.15a) gặp khi xuất phát đào (xuất hiện cả lực cản đào hai bên hông); trường hợp sau (hình 1.15b) gặp thường xuyên, phổ biến; đó là đào lấn dần dần (chỉ xuất hiện lực cản đào một bên hông); trường hợp cuối (hình1.15c) rất ít gặp, đó là đào hớt, chỉ có lực cản đào thẳng, trước lưỡi đào, không gặp lực cản hai bên hông. Hình 1.15. Các trường hợp đào đất bằng gầu xúc máy xúc Môi trường đất là một môi trường rất phức tạp, gầu xúc đào đất và phương pháp đào cũng rất khác nhau, điều này đã ảnh hưởng lớn đến sự xác định lực cản đào. Nhiều người đã bỏ công nghiện cứu vấn đề này; như E-Dinglinger; Klein; Nerlo – Nerli; N.G. Dombrôvski; M.J. Galperin; Ju.A. Vetrv… Xét về quan điểm thực tiễn chỉ có công thức của N.G. Dombrrôvski xem như phổ biến hơn cả. Dombrôvski đề nghị tính lực cản đào thuần tuý P0 là tổng hai thành phần P01 và P02 (xem hình 1.14). [6] + Lực cản đào tiếp tuyến P01 là lực cản có phương tiếp tuyến với quỹ đạo đào, nó nằm trong mặt phẳng cắt.[2] + Lực cản đào pháp tuyến P02, có phương vuông góc với quỹ đạo đào, tức là P02  P01. Có tác dụng chống lại sự ấn sâu của lưỡi cắt vào nền. Lực P02 có giá trị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 thay đổi tùy theo hình dạng và vị trí của lưỡi cắt. Muốn cho lưỡi cắt không bị đẩy ra khỏi nền cắt, ta phải cân bằng được lực P02.[2] Trị số P01 có thể tính theo: P01 = K2bc [6] K2 - Hệ số cản đào thuần tuý (Bảng 1) b, c - Kích thước vỏ bào (chiều rộng và chiều dày của phoi đất) P02 tính từ P01; nó phụ thuộc vào loại máy, cấu tạo bộ công tác, tình trạng sắc, cùn lưỡi đào, quỹ đạo đào…Cụ thể tính như sau: P02 =  P01 [6] Trong đó:  là hệ số phụ thuộc vào chế độ đào, phụ thuộc vào góc đào và phụ thuộc vào sự mài mòn của lưỡi cắt, thường chọn  = 0,1  0,45 Giới hạn đối với lưỡi đào cùn, vỏ bào mỏng. Dombrôvski cho trường hợp đào và tích đất lại, lực cản đào cũng tính tương tự như trên, nghĩa là: P01 = K1bc [6] Ở đây K1 - hệ số cản đào và tích đất lại (bảng 1) Bảng 1: Hệ số cản đào thuần tuý, cản đào và tích đất trong gầu xúc [6] Loại đất Tên đất và môi trường đào Hệ số cản đào tính theo KN/m2 Đào và tích đất K1 Đào thuần tuý K2 I Cát, á cát, á sét nhẹ và trung bình ẩm và rời 16 - 80 10 - 30 II Á sét, sỏi nhỏ và trung bình, sét mềm (ẩm nhẹ và rời) 70 - 160 27 – 60 III Á sét chắc, sét trung bình, ẩm nhiều hoặc rời, than đá mềm 120 – 250 55 – 130 IV Á sét nặng pha sỏi hoặc lẫn đá nhỏ, sét ẩm nhiều và rất ẩm, than đá cứng vừa 220 – 360 130 – 250 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 V Sét rất khô, hoàng thổ cứng chắc, thạch cao và đá ghíp mềm, méc ghen mềm 330 – 450 230 - 320 VI Sản phẩm nổ mìn, quặng các loại nhỏ mịn 220 - 250 Đối với máy xúc, việc xác định lực cản đào chung (đào và tích) chỉ tiến hành một bước trực tiếp nhờ hệ số K1 trong bảng 1 đã được nghiên cứu: Lực cản cắm gầu vào đống vật liệu phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu, phụ thuộc vào chiều rộng của gầu và chiều sâu đưa lưỡi cắt vào vật liệu. Ngoài ra Ju.A.Vetrovo có công thức tính lực cản đào thuần tuý theo hướng tiếp tuyến với quỹ đạo đào có kí hiệu là Pđ (Đối với Dombrôvski là P01) [6] Pđ = m1bc + 2m2c 2 + 2m3c + pb Ở đây: b, c - thông số vỏ bào  - Hệ số ảnh hưởng của góc đào  m1 - Hệ số cản đào trực diện khi ,  = 45 m2 - Hệ số cản hông xác định sự phá vỡ đất ở đó m3 - Hệ số cản đất ở hông p - Lực cản phát sinh khi lưỡi đào cùn trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt đào (tức chiều rộng b ở vỏ bào) Nhìn vào công thức ta thấy rõ nó gồm bốn phần có ý nghĩa như sau (vế phải công thức trên) Phần 1 chỉ lực cản cắt thuần tuý trực diện có sét tới ảnh hưởng của góc đào. Phần 2 chỉ lực cản do đất bị phá vỡ ở hai bên hông Phần 3 chỉ sự cản cắt thuần tuý ở hai bên hông Phần 4 chỉ lực cản phụ do do lưỡi đào cùn Khi đào lấn và đào hớt, thành phần thứ hai và ba vế phải công thức trên hoặc bị mất hệ số nhân 2 hoặc biến mất hoàn toàn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Lực cản đào tác dụng vào chính giữa thành trước của gầu và có phương vuông góc với thành trước của gầu.  Phản lực đặt chính giữa thành sau và có phương vuông góc với thành sau của gầu.  Phản lực được phân bố đều cho 2 khớp liên kết thành sau của gầu. * Máy làm việc bình thƣờng ở cuối giai đoạn đào đất. Điều kiện tính toán:  Cần máy vuông góc với phương di chuyển của máy.  Máy làm việc trên mặt phẳng ngang.  Tay gầu vươn xa nhất, gầu cắt đất với phoi dày lớn nhất, chịu lực cản đào tiếp tuyến.  Gầu đã tích đầy đất chiều dày phoi đất lớn nhất * Máy đang đào đất, răng gầu gặp chƣớng ngại vật Xét trường hợp này cần máy nghiêng góc. Khi răng gầu gặp chướng ngại vật, chịu lực cản đào lớn nhất Trong công thức trên thành phần lực cản chủ yếu là lực cản của lưỡi gầu còn thành phần lực cản hai bên hông của gầu là thành phần lực cản không lớn chỉ bằng 15 – 20% lực cản của lưỡi gầu. * Kết luận: Vậy ta thấy rằng vùng chịu lực tác dụng lớn nhất là lưỡi gầu vì vậy đây chính là nơi sẽ nhanh mòn nhất trong quá trình làm việc của gầu xúc. Khi thiết kế chế tạo cần lưu tâm đến biện pháp làm tăng độ cứng, tăng khả năng chống mòn bề mặt cho những vùng làm việc xung yếu trên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁ HỎNG VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CHẾ TẠO PHỤC HỒI Trong quá trình sử dụng các chi tiết máy bị hao mòn, độ hao mòn phụ thuộc vào các điều kiện như: Chất lượng chế tạo, kỹ thuật chăm sóc và điều kiện sử dụng. Việc chăm sóc bảo dưỡng và sử dụng không đúng là nguyên nhân quan trọng làm cho độ hao mòn tăng nhanh. Khi làm việc các chi tiết chuyển động tương đối trên nhau, sinh ra ma sát giữa các bề mặt làm việc, làm mài mòn các chi tiết. Trong điều kiện bình thường thì quy luật hao mòn diễn ra tỉ lệ thuận với thời gian sử dụng và khối lượng công việc hoàn thành. Quy luật hao mòn theo 3 giai đoạn sau: [3] - Giai đoạn 1: Giai đoạn rà trơn máy. Là giai đoạn đầu, các chi tiết hao mòn rất nhanh, vì các bề mặt làm việc có những chỗ gồ ghề của vết dao cắt gọt, tiếp xúc với nhau, mài vào nhau, ở các điểm cao nhất ma sát cao hơn các điểm khác, thêm vào đó việc bôi trơn khó khăn hơn, do đó khe hở tăng lên rất nhanh. - Giai đoạn hai: Giai đoạn làm việc bình thường. Sau giai đoạn một các chỗ gồ ghề bị san bằng phẳng, áp suất phân bố đều, dầu bôi trơn vào dễ dàng hơn, tạo thành màng dầu trên toàn bộ bề mặt làm việc, độ hao mòn ổn định, tăng chậm. Giai đoạn này tương đối dài, là thời gian làm việc bình thường của gầu máy, muốn kéo dài thời gian này, biện pháp duy nhất là chăm sóc, điều chỉnh kịp thời, sử dụng đúng quy trình kĩ thuật. - Giai đoạn ba: Giai đoạn nguy hiểm. Ở giai đoạn này độ hao mòn các chi tiết tăng nhanh, khe hở lắp ghép có trị số lớn nhất, khe hở lớn sẽ sinh ra lực va đập, làm các chi tiết máy hao mòn nhanh, bôi trơn khó khăn, sinh ra hư hỏng như: gẫy, cháy, rỗ bề mặt, cuối giai đoạn phải thay thế, phục hồi, để đảm bảo khe hở làm việc tốt nhất. 1. Vận dụng lý thuyết mòn vật liệu để xác định cơ chế , nguyên nhân mòn lƣỡi gầu. 1.1. Khái niệm về mòn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau. Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào bị tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật cũng là một dạng mòn. Giống như ma sát, mòn không phải là tính chất của một vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống. Các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Rất sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao. Ví dụ các cặp bề mặt tiếp xúc sử dụng chất bôi trơn rắn và chất dẻo cho ma sát tương đối thấp nhưng mòn lại tương đối cao, trái lại ceramics cho ma sát trung bình nhưng mòn lại rất thấp. Thường hệ số ma sát trượt của đa số cặp vật liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1, nhưng tốc độ mòn có thể thay đổi trong phạm vi rất lớn. Điều này được giải thích là do mòn liên quan đến nhiều hiện tượng đa dạng kết hợp với nhau theo kiểu không thể dự đoán trước được và thay đổi trong phạm vi rộng. Mòn có thể có hại hoặc có ích. Khi viết bằng bút chì, mài, đánh bóng, và cạo là các ví dụ về mòn có lợi. Mòn là điều không mong muốn trong các bộ phận và chi tiết như ổ, phớt, bánh răng và cam. Chi tiết có thể phải thay thế khi bị mòn một lượng rất nhỏ hoặc nếu như bề mặt bị quá ráp. Trong các hệ được thiết kế tốt về ma sát, mòn và bôi trơn, quá trình mòn xảy ra rất chậm nhưng ổn định và liên tục. Tuy nhiên sự sinh ra và tuần hoàn của các hạt mài trên các bề mặt tiếp xúc chung có kích Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 thước lớn hơn khe hở tiếp xúc có thể tạo nên tác dụng nghiêm trọng hơn là lượng mòn thực tế. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ chế mòn khác nhau và các dạng hạt mòn cũng như các dữ liệu tiêu biểu về mòn vật liệu. 1.2. Phân loại mòn Mòn xảy ra do các tương tác cơ, điện và/hoặc hoá và nói chung chịu xúc tác của nhiệt ma sát. Do tương tác cơ học các vết nứt có thể xuất hiện do hiện tượng bẻ gãy các liên kết phân tử trong chất dẻo, sự trượt trong kim loại, sự phá vỡ biên giới hạt trong ceramics hoặc sự phá huỷ bề mặt của composite hoặc vật liệu nhiều pha. Các vết nứt này sẽ phát triển và tạo ra các hạt mòn. Mòn bao gồm sáu hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính (adhesive), abrasive, mỏi bề mặt (fatigue), va chạm, hoá hay ăn mòn, và điện. Các dạng mòn khác thường gặp như fretting hay ăn mòn fretting là sự kết hợp của các dạng mòn dính, hạt cứng và va chạm. Theo thống kê, khoảng hai phần ba mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính và abrasive. Trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ. Trước khi lựa chọn vật liệu hoặc các phương pháp xử lý vật liệu để tăng khả năng chống mòn của chi tiết máy, cần phải hiểu được các quá trình mòn đang hoặc có thể xảy ra bằng cách phân tích bề mặt các chi tiết mòn kết hợp với kiến thức về chế độ tương tác bề mặt hoặc các tính chất bề mặt. Trong thực tế mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn xảy ra ở giai đoạn cuối mà thôi. Kính hiển vi và rất nhiều kỹ thuật phân tích bề mặt được sử dụng để phân tích các bề mặt này. 1.2.1. Mòn do dính 1.2.1.1. Khái niệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Hình 2.1. Sơ đồ mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề mặt tiếp xúc chung (1) hoặc lấn vào một trong hai bề mặt (2). Mòn do dính xảy ra khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau. Dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến, khi sự trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời. Một số mảnh mòn còn được sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Một số giả thuyết được đưa ra để giải thích cơ chế tách một mảnh vật liệu do dính. Theo giả thuyết đầu tiên về mòn do trượt, sự cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc. Trong phần lớn các trường hợp, sức bền ở chỗ tiếp xúc nhỏ hơn sức bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên mặt tiếp xúc chung, mòn bằng không (hình 2.1). Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc, sự cắt xảy ra vào vùng lân cận của một trong hai vật thể và dính sang bề mặt đối tiếp (hình 2.1). Mảnh vật liệu dính này có dạng hình khối đặc biệt Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến H×nh 2.2. S¬ ®å m« t¶ sù dÝnh cña c¸c m¶nh mßn d¹ng c¸nh máng vµ d¹ng h×nh nªm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 dạng dưới tác dụng của ứng suất nén và tiếp và sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo. Những dải trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng (hình 2.2(a)). Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng hình nêm như trên hình 2.2(b) và dính sang bề mặt đối tiếp. Quá trình trượt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt đối tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng ôxy hoá của ôxy trong môi trường hoặc do năng lượng đàn hồi lớn hơn năng lượng dính. Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, các mảnh mòn của cả hai loại vật liệu đều được tạo thành tuy nhiên các mảnh từ vật liệu mềm hơn thường lớn hơn. Sự tồn tại của các khuyết tật và vết nứt trong vật liệu cứng hơn tạo nên các vùng cục bộ có sức bền thấp. Khi những vùng này trùng với các vùng cục bộ có sức bền cao của vật liệu mền hơn sẽ tạo nên các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn. Những mảnh mòn loại này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ tải. Một số dạng mòn do dính (adhesion) còn được gọi là galling, scuffing, welding hay smearing. 1.2.1.2. Các phƣơng trình định lƣợng * Định luật mòn dính của archard Giả thiết tiếp xúc được tạo nên bằng một số các tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô có bán kính a (hình 2.3). Hình 2.3. Sơ đồ mô hình lý thuyết tạo ra một hạt mòn bán cầu trong tiếp xúc ma sát trượt. Diện tích của mỗi tiếp xúc là: a2 Mỗi tiếp xúc sẽ đỡ một tải trọng là: poa 2, trong đó po là giới hạn chảy. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Các bề mặt sẽ dịch chuyển một khoảng 2a qua mỗi nhấp nhô và ta giả thiết mảnh mòn sinh ra từ mỗi đỉnh nhấp nhô có dạng nửa hình cầu thể tích 3a 3 2  . . Tổng thể tích mòn Q trên một đơn vị chiều dài trượt được xác định như sau: n 3 a a 3 1 a2 a 3 2 Q 2 2 3      Trong đó n là tổng số các tiếp xúc và tải trọng pháp tuyến tổng W sẽ là: W = poa 2n Hay: o 2 p W an  Do đó: op3 W Q  Nếu chỉ có một phần k các tiếp xúc nhấp nhô gặp nhau và tạo nên hạt mài thì: op3 W kQ  Trong đó k là hệ số xác xuất một tiếp xúc tạo nên một hạt mài. Từ phương trình này có thể rút ra ba quy luật mòn. - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với quãng đường trượt; - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến; - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ nghịch với với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu mềm hơn. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số mòn k giữa thép và thép giữ hằng số cho đến ứng suất khoảng H/3 (H là độ cứng của thép). Khi tăng ứng suất trên giá trị này tốc độ mòn tăng mạnh hàn và seizure xảy ra. Điều này vẫn đúng khi vật liệu đối tiếp các kim loại khác. Tuy nhiên ngoài độ cứng, các tính chất khác của vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng tới tốc độ mòn. * Thuyết mòn dính của Rowe Rowe đã bổ xung lý thuyết mòn của archard có kể đến tác dụng của lớp màng bề mặt (surface films). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Ak p3 W kQ o ' Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim loại Am. Q = km.Am km là một hằng số cho kim loại trượt và độc lập với các tính chất của chất bôi trơn hay của lớp màng bề mặt. Đặt A Am là tỷ số giữa diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại kim loại và thực khi có lớp bôi trơn. o mm p W kAkQ  Theo Rowe giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) là giá trị tính đến sự kết hợp giữa ứng suất pháp và tiếp chứ không phải chỉ riêng do tải trọng pháp tuyến tĩnh gây ra po. p 2 + s2 = 2 op Do s = p ( là hệ số ma sát) nên   212 o 1 p p /   Do đó:   o 212 m p W 1kQ  / 1.2.2. Mòn do cào xƣớc Hình 2.4. Sơ đồ (a) bề mặt cứng và nhám hoặc bề mặt gắn các hạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn (b) các hạt cứng tự do kẹt giữa các bề mặt trong đó ít nhất một bề mặt có độ cứng thấp hơn hạt cứng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 Mòn do cào xước xảy ra khi các nhấp nhô của một bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt trên một bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách. Trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao (kim loại và hợp kim), đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất. Trong trường hợp vật liệu dòn có độ dai va đập thấp, mòn xảy ra do nứt tách khi đó trên vùng mòn nứt tách là biểu hiện chủ yếu. Có hai trường hợp mòn do cào xước. Trong trường hợp thứ nhất (cào xước hai vật) bề mặt cứng là bề mặt cứng hơn trong hai bề mặt trượt (hình 2.4(a)). Mòn sẽ không xảy ra nếu bề mặt cứng hơn tuyệt đối phẳng và nhẵn. Trong trường hợp thứ hai (cào xước ba vật), bề mặt cứng là vật thứ ba, các hạt cứng nằm giữa hai bề mặt khác và đủ cứng để mài một trong hai bề mặt này (hình 2.4(b)). Mòn cũng không xảy ra nếu các hạt mài quá bé hoặc mềm hơn các bề mặt trượt. Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá, biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật. Trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường. Các nghiên cứu thực nghiệm về mòn do hạt cứng cho thấy hiện tượng cào xước trên bề mặt mền hơn thể hiện bằng hàng loạt các rãnh song song với hướng trượt. Trên mặt cắt ngang biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt ít hơn so với mòn do dính. Tuy nhiên độ cứng tế vi của bề mặt mòn tăng từ 10-80%. Mòn do cào xước được ứng dụng rộng rãi trong các nguyên công gia công tinh như mài, đánh bóng vv…. 1.2.2.1. Mòn do cào xƣớc bằng biến dạng dẻo 1.2.2.1.1. Cơ chế mòn Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation) và cắt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên của rãnh mà không bị tách ra. Tuy nhiên sau nhiều lần như thế phần vật liệu này có thể bị tách ra bởi cơ chế mỏi chu kỳ thấp. Quá trình cày cũng gây nên biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt và có thể góp phần vào sự hình thành mầm các vết nứt tế vi. Quá trình chịu tải và bỏ tải tiếp theo (mỏi chu kỳ thấp và ứng suất cao) làm các vết nứt tế vi song song với bề mặt phát triển, lan truyền, liên kết với nhau tạo thành các mảnh mòn mỏng. Trong trường hợp vật liệu rất mềm như indium và chì, khối lượng mòn sinh ra rất nhỏ và vật liệu bị biến dạng sẽ dịch chuyển sang hai bên của rãnh. Sự hình thành lượng vật liệu dồn ép ở phía trước của hạt cứng là một dạng mòn do cào xước. Một hạt cứng khi chà sát trên bề mặt sẽ tạo nên một rãnh và một lượng vật liệu bị dồn ép ở phía trước của nó. Điều này thường xảy ra khi tỷ số giữa sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung đối với sức bền cắt trong lòng vật liệu cao (0,5-1). Khi này chỉ một phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh còn phần lớn sẽ dồn ép về phía trước của hạt cứng tạo nên hiện tượng này. Dạng cắt của mòn do cào xước xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dưới dạng mảnh mòn có dạng giống như phoi dây hoặc vụn. Quá trình này xảy ra chủ yếu là do cắt còn lượng vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh là rất nhỏ. Challen và Oxley đã phân tích ba chế độ biến dạng phân biệt trên của mòn do cào xước sử dụng vùng đường trượt gây ra bởi một nhấp nhô bề mặt lý tưởng (chêm 2D). Theo phân tích này vật liệu giả thiết là tuyệt đối dẻo và các đỉnh nhấp nhô chỉ chịu biến dạng phẳng. Hình 2.5(a) chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị dồn sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng. Hình 2.5(c) chỉ ra chế độ cắt, vật liệu phía trước của hạt cứng bị cắt ra do bị biến dạng trong vùng biến dạng thứ nhất tạo thành phoi. Hình 2.5(b) chỉ ra chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép ở phía trước hạt cứng. Sự dính xảy ra giữa mặt trước của hạt cứng và vật liệu bị đẩy dồn ra khỏi bề mặt. Một phần vật liệu này bị dồn sang hai bên, phần còn lại dính ở phía trước hạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 cứng và cuối cùng bị tách ra giống như trường hợp cắt. Đối với kim loại dẻo, các cơ chế cày, dồn ép và cắt được quan sát trên SEM trên hình 2.6. Hình 2.5. Sơ đồ vùng đường trượt của ba chế độ biến dạng của vật liệu rắn, tuyệt đối dẻo gây ra bởi sự trượt của hình nêm phẳng cứng từ phải qua trái (a) cày (b) sự hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt. Hình 2.6. Sơ đồ ba chế độ của mòn cào xước và profile tương ứng của mặt cắt ngang quan sát trên SEM (a) chế độ cắt của đầu thép trượt trên đĩa đồng (b) chế độ dồn ép vật liệu của đầu thép trên đĩa thép trắng (c) chế độ cày của đầu thép trên đĩa đồng (a ) (b ) (c) (a) (b) (c) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Hokkirigawa và Kato đã nghiên cứu lực liên quan đến từng chế độ này. Các yếu tố quyết định là góc tiếp xúc , mức độ chìm sâu của hạt cứng và sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung chỉ ra trên hình 2.7. Mức độ chìm sâu của hạt cứng là tỷ số giữa chiều sâu rãnh và bán kính tiếp xúc, sức bền cắt bề mặt là tỷ số giữa sức bền bề mặt và sức bền trong lòng vật thể. Trong trường hợp hạt cứng có đầu nhọn sẽ tồn tại một góc tiếp xúc giới hạn chuyển từ cày và dồn ép sang cắt. Góc tiếp xúc giới hạn này phụ thuộc vào vật liệu bị mòn. Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày và dồn ép sang cắt sẽ tăng khi hệ số ma sát tăng Hình 2.7. Các chế độ biến dạng quan sát khi trượt mũi cầu cứng trên đồng , thép các bon trung bình (45%) và thép trắng ôcxtenit là hàm số của sức bền cắt trên mặt tiếp xúc và độ chìm sâu của mũi cầu. 1.2.2.1.2. Phƣơng trình định lƣợng Khảo sát mô hình đơn giản trong đó một bề mặt mang một dãy các nhấp nhô hình nón cứng trượt trên bề mặt phẳng và tạo nên các rãnh có chiều sâu đồng đều. Hình 2.8 chỉ ra một nhấp nhô hình nón đơn với góc nhám (góc tiếp xúc)  tạo nên một rãnh trên bề mặt vật liệu mềm hơn với chiều sâu d và chiều rộng 2a. Giả thiết rằng vật liệu đạt tới giới hạn chảy dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Ha 2 1 dW 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Hình 2.8. Một hạt cứng hình nón trong tiếp xúc trượt với bề mặt vật liệu mềm hơn của chế độ mòn do cào xước. Trong đó H là độ cứng của bề mặt vật liệu mềm hơn. Thể tích vật liệu bị dịch chuyển trên khoảng trượt x sẽ là: dv = a2xtg Từ đó ta có: H dWxtg2 dv    Tổng thể tích vật liệu bị dịch chuyển bởi tất cả các nhấp nhô là:   H tgWx2 v tb    Trong đó (tg)tb là giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là yếu tố độ nhám. Phương trình này được rút ra từ một mô hình rất đơn giản bởi vì sự phân bố về hình dáng, chiều cao nhấp nhô và vật liệu tích tụ ở phía trước của các nhấp nhô đều bỏ qua. Một phương trình có dạng tương tự như phương trình của Archard cho mòn dính thoả mãn một dải rộng của mòn cào xước là: H Wx kv abr Kabr là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác xuất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác xuất cày. Vì vậy độ nhám ảnh hưởng đến thể tích mòn rõ ràng. Giá trị của kabr thay đổi trong dải từ 10-6 đến 10-1. Tốc độ mòn do cào xước thường rất lớn gấp khoảng 2-3 lần so với mòn do dính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Phương trình mòn do cào xước hai vật thể cũng đúng trong trường hợp mòn do cào xước ba vật thể nhưng hệ số kabr thấp hơn bởi vì các hạt cứng có xu hướng lăn nhiều hơn trượt. Trong quá trình mòn, hiện tượng cùn của các nhấp nhô cứng hay các hạt cứng xảy ra làm giảm tốc độ mòn. Tuy nhiên, các hạt cứng dòn có thể vỡ ra tạo thành các hạt mới sắc làm tăng tốc độ mòn. 1.2.2.2. Mòn do cào xƣớc bằng nứt tách Hình 2.9. Sơ đồ cơ chế mòn gây ra bởi hạt cứng sắc khi trượt trên mặt phẳng của vật liệu dòn do nứt ngang (lateral fracture). Khảo sát một hạt cứng sắc trượt trên mặt phẳng của một vật rắn dòn. Khi tải trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật rắn và mòn xảy ra do biến dạng dẻo. Khi tải trọng pháp tuyến vượt qua một giá trị nào đó mòn do nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn. H×nh 2.10. Sù h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn cña vÕt nøt trong c¸c chu kú chÞu vµ nhÊc t¶i cña kÝnh ®¸ v«i sö dông mòi h×nh th¸p nhän. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Tải trọng giới hạn tỷ lệ với c 3 c K H K       trong đó H/Kc gọi là chỉ số độ dòn, H là độ cứng và Kc là độ dai va đập. Từ hình 2.10 có thể thấy rằng các vết nứt ngang phát triển từ ứng suất dư gây ra khi vật liệu bị biến dạng. Chiều dài lớn nhất của vết nứt vì thế chỉ được phát hiện khi hạt cứng rút ra khỏi bề mặt. Khi hạt cứng trượt trên bề mặt, các vết nứt ngang sẽ phát triển lên phía trên tới bề mặt từ vùng dưới bề mặt bị biến dạng. Các mảnh mòn được tách ra dưới dạng các mảnh đa diện từ vùng giới hạn bởi các đường nứt ngang tới bề mặt trượt. Chiều dài vết nứt c của hạt cứng trượt trên bề mặt vật liệu dòn trên hình 2.9 được xác định như sau:   85 8121 c 53 1 W HK HE c / // / /          Trong đó 1 là hằng số phụ thuộc vào hình dáng của hạt cứng không phụ thuộc vật liệu. Chiều sâu d của vết nứt ngang trên hình 2.9 được tính như sau: 2152 2 H W H E d //              Trong đó: 2 là hằng số không phụ thuộc vật liệu khác. Thể tích lớn nhất của vật liệu bị tách ra do một hạt cứng trên một đơn vị chiều dài trượt là 2dc. Nếu N đỉnh nhấp nhô tiếp xúc với bề mặt mang tải và mỗi nhấp nhô chịu tải là W thì thể tích mòn trên một đơn vị chiều dài trượt sẽ là:   8521 c 89 3 HK WHE Nv // //  Trong đó 3 là hệ số không phụ thuộc vào vật liệu. Vì (E/H) không thay đổi nhiều với các vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với 21 cK / , H 5/8 . Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W9/8 nghĩa là tốc độ mòn do nứt ngang tăng nhanh hơn tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến như trong biến dạng dẻo. Điều này ngụ ý rằng hệ số mòn trong phương trình mòn không độc lập với tải trọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 1.2.3. Mòn do mỏi Mỏi xuất hiện dưới và trên bề mặt xảy ra tương ứng với tiếp xúc lăn và trượt theo chu kỳ. Sự đặt và nhấc tải theo chu kỳ có thể là nguyên nhân gây ra các vết nứt dưới hoặc trên bề mặt. Sau một số chu kỳ giới hạn các vết nứt sẽ phát triển tới bề mặt tạo nên các mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ. Khác với mòn do dính hoặc cào xước khối lượng mòn do mỏi không phải là thông số có ý nghĩa để đánh giá mòn mà là số chu kỳ hay thời gian làm việc của chi tiết trước khi mỏi xảy ra. Sự phát triển của vết nứt trở nên mạnh hơn dưới tác dụng hoá học (thường xảy ra với ceramics) gọi là mỏi tĩnh. Sự tồn tại của ứng suất kéo và hơi nước ở đỉnh của vết nứt trong nhiều loại ceramics làm tăng tốc độ phát triển của vết nứt đáng kể. Tác dụng thúc đẩy biến dạng và nứt tách do tác nhân hoá học làm tăng mòn trong cả điều kiện tĩnh và động lực của lăn và trượt. 1.2.3.1. Mỏi tiếp xúc lăn và trƣợt * Mỏi tiếp xúc lăn không trƣợt Mòn do dính hoặc do cào xước xảy ra do sự tiếp xúc lý học trực tiếp giữa hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau. Nếu hai bề mặt bị phân tách bởi một lớp màng bôi trơn (không có hạt cứng rời trong vùng tiếp xúc) mòn không xảy ra. Tuy nhiên nếu trên mặt tiếp xúc chung với tiếp xúc nonconforming, ứng xuất tiếp xúc rất lớn. Khi này mặc dù không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt đối tiếp vẫn chịu ứng suất lớn được truyền qua màng bôi trơn trong chuyển động lăn. Các chi tiết của ổ lăn được thiết kế bôi trơn tốt thường bị hỏng vì mỏi xảy ra dưới bề mặt. H×nh 2.11. Sù thay ®æi cña øng suÊt tiÕp chÝnh theo chiÒu s©u d•íi ®iÓm tiÕp xóc cña hai bÒ mÆt cøng khi l¨n kh«ng tr•ît ( 0 ), tr•ît thuÇn tuý ( lín), võa l¨n võa tr•ît ( trung b×nh), a lµ b¸n kÝnh Hertzian. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 Theo phân tích ứng suất đàn hồi của Hec, ứng suất nén cực đại xảy ra trên bề mặt nhưng ứng suất tiếp cực đại lại xuất hiện dưới bề mặt một khoảng nào đó. Khi sự lăn xảy ra, chiều của ứng suất tiếp bị đổi dấu trên từng bề mặt chi tiết. Thời gian để mòn do mỏi xảy ra phụ thuộc vào cường độ của ứng suất tiếp đổi chiều, điều kiện bôi trơn và tính chất mỏi của vật liệu lăn. Khi một vết nứt về mỏi xuất hiện dưới bề mặt, nó sẽ phát triển và tách vật liệu vùng bề mặt ra thành những mảnh mòn mỏng. Bởi vì vật liệu trong tiếp xúc lăn thường qua tôi nên bề mặt thường cứng do đó các vết nứt xuất hiện ở bề mặt do ứng suất kéo tạo nên hiện tượng mỏi bề mặt. Mỏi bề mặt lăn không trượt đặc trưng bỏi sự hình thành các mảnh mòn lớn sau một số chu kỳ giới hạn nào đó. Tuổi thọ của các thành phần ổ lăn ký hiệu L10 (đơn vị triệu vòng quay) cho 90% số ổ được xác định theo công thức: L10 = (C/W) p p = 3 đối với ổ bi p=10/3 đối với ổ đũa Tuy nhiên tuổi thọ thực của ổ lăn LA còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên: LA = (D)(E)(F)(G)(H)L10 D là yếu tố vật liệu, E yếu tố điều kiện làm việc, G là yếu tố vận tốc, H yếu tố lệch tâm. Các yếu tố này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1. * Mỏi tiếp xúc vừa lăn vừa trƣợt Sự kết hợp giữa lăn và trượt làm dịch chuyển điểm có ứng suất tiếp cực đại lên gần bề mặt hơn (hình 2.11) do đó vị trí hỏng do mỏi tiến gần bề mặt hơn. Sự trượt thúc đẩy sự phá huỷ bề mặt do dính. Bôi trơn thích hợp có thể hạn chế đến tối thiểu ảnh hưởng phá huỷ bề mặt do trượt trong điều kiện tiếp xúc này. * Mỏi tiếp xúc trƣợt Khi hai bề mặt trượt tương đối mòn xảy ra do dính và cào xước. Tuy nhiên có thể thấy rằng các đỉnh nhấp nhô có thể tiếp xúc và trượt với nhau mà không bị dính hoặc cào xước. ứng suất tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô làm cho đỉnh các nhấp nhô ở một hoặc cả hai bề mặt bị biến dạng dẻo. Sự biến dạng ở bề mặt hoặc dưới bề mặt xảy ra theo chu kỳ là nguyên nhân xuất hiện các vết nứt (từ mầm vết nứt hoặc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 những chỗ trống hoặc vết nứt tế vi có sẵn) ở trên bề mặt hoặc dưới bề mặt. Các vết nứt này tiếp tục phát triển. Sau một số lần tiếp xúc nhất định, các nhấp nhô này bị phá huỷ và tạo thành hạt mòn. Rất khó có thể chứng minh mỏi là nguyên nhân mòn chính trong một tập hợp các điều kiện xác định. Archard và Hirst cho rằng kim loại dính sang bề mặt đối tiếp (material transfer) cuối cùng tách ra thành những hạt mòn do quá trình mỏi. Hệ số k trong phương trình mòn do dính được giải thích là xác xuất của một đỉnh nhấp nhô tiếp xúc tạo ra một mảnh mòn mà không có một giải thích nào về bản chất vật lý của việc tạo nên mảnh mòn. Mặc dù lý thuyết mòn do dính giải thích hiện tượng dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp nhưng không giải thích được hiện tượng hình thành hạt mòn rời, đặc biệt sự hình thành hạt mòn của vật liệu cứng hơn khi hai bề mặt trượt trên nhau. Tất cả những điều này có thể giải thích bằng giải thuyết rằng mòn là một quá trình mỏi. yếu tố k có thể hiểu rằng một hạt mài được tạo ra khi một nhấp nhô có số lần tiếp xúc và biến dạng đủ để tạo nên sự nứt vì mỏi. Khi điều này xảy ra, một hạt mòn rời được tạo ra và tất nhiên cơ chế này dùng để giải thích cho sản phẩm của các hạt mòn hình thành từ cả bề mặt vật liệu rắn hơn và mềm hơn. Cơ chế mòn do mỏi không loại bỏ khả năng dính của vật liệu sang bề mặt đối tiếp bằng cơ chế dính nhưng dường như phần lớn các hiện tượng mòn đều có thể giải thích về định tính trên khía cạnh mòn do mỏi. Kragelskii cố gắng xây dựng một lý thuyết mỏi định lượng dựa trên các kết quả của Tavernelli và Coffin người đã chỉ ra rằng trong một dải rộng của vật liệu biến dạng dẻo tạo ra trong mỗi chu kỳ mỏi có quan hệ với số chu kỳ phá huỷ N theo công thức sau: N p ailf          2 2   Trong đó: p là độ lớn biến dạng dẻo sau mỗi chu kỳ; fail là biến dẻo khi phá huỷ trong kéo đúng tâm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Tuy nhiên Kragelskii dường như đã sử dụng tổng biến dạng chứ không phải là chỉ biến dạng dẻo. Hơn nữa ông đánh giá xấp xỉ cường độ biến dạng theo hình dạng hình học của nhấp nhô. Vì thế có thể thấy cho đến nay không có một lý thuyết mòn do mỏi hoàn thiện nào tồn tại, mặc dù đây là cơ chế mòn dường như đáng tin cậy hơn cơ chế của lý thuyết mòn do dính. 1.2.4. Mòn do va chạm Mòn do va chạm gồm 2 loại chính: erosion gây ra bỏi các tia, dòng các hạt rắn, các hạt chất lỏng và sự vỡ ra của bọt hình thành trong chất lỏng và mòn do va chạm theo chu kỳ của các vật rắn. 1.2.4.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion) * Khái niệm Erosion là hiện tượng va chạm của các hạt cứng. Đây là một dạng của mòn cào xước do hạt cứng gây ra nhưng có đặc trưng riêng đó là ứng suất tiếp xúc sinh ra do năng lượng động lực học của các hạt khi va chạm vào bề mặt. Tốc độ của hạt, góc va chạm kết hợp với kích thước của các hạt tạo nên năng lượng va chạm của chúng tỷ lệ với bình phương vận tốc. Các hạt mòn do va chạm tách ra khỏi bề mặt sau một số chu kỳ va chạm nhất định. Tương tự như mòn do cào xước nguyên nhân của mòn do va chạm hạt cứng là biến dạng dẻo và nứt tách phụ thuộc vào vật liệu bị mòn và các thông số của quá trình. Hình 2.12. chỉ ra sự phụ thuộc của tốc độ mòn vào góc va chạm, có thể thấy tốc độ mòn của vật liệu dẻo và dòn là rất khác nhau bởi chúng xảy ra theo các cơ chế khác nhau (biến dạng dẻo và nứt tách). Hình dạng của các hạt cứng ảnh hưởng đến kiểu biến dạng dẻo xảy ra quanh vị trí va chạm và có quan hệ H×nh 2.12. Tèc ®é mßn va ch¹m h¹t cøng lµ mét hµm sè cña gãc va ch¹m . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 với lượng vật liệu bị đẩy ra. Trong trường hợp vật liệu dòn, mức độ và sự khốc liệt của vết nứt phụ thuộc vào độ sắc của các hạt, các hạt sắc gây mòn mạnh hơn so với hạt cùn. Đối với vật liệu dẻo, người ta đã quan sát được hai cơ chế mòn cơ bản do va chạm của hạt cứng đó là cắt (cutting erosion) và cày (ploughing erosion). Tuy nhiên mức độ mòn gây bởi hai cơ chế này cũng phụ thuộc vào góc va chạm. ở chế độ cắt mòn xảy ra mạnh nhất theo phương grazing và chế độ cày theo phương vuông góc. Độ cứng bề mặt và tính dẻo là hai tính chất quan trọng nhất của vật liệu chống lại mòn do va chạm cắt và biến dạng dẻo của hạt cứng. Mòn do va chạm của các hạt cứng là một vấn đề quan tâm trong máy móc như sự va chạm của các hạt cát vào cánh tua bin, cánh máy bay lên thẳng, cánh quạt máy bay, chắn gió máy bay, đầu phun cát, tua bin than, tua bin thuỷ lực bơm ly tâm sử dụng bơm bùn than. Tuy nhiên va chạm hạt cứng cũng có nhiều ứng dụng có lợi trong việc làm sạch các bề mặt của chi tiết máy. * Phƣơng trình định lƣợng Xem xét hiện tượng liên quan đến biến dạng dẻo gây ra bởi một hạt cứng va chạm vào một bề mặt mềm hơn với góc va chạm bằng 90o. Giả thiết hạt cứng không bị biến dạng và biến dạng của bề mặt là tuyệt đối dẻo với độ cứng không đổi. Tại thời điểm t sau tiếp xúc ban đầu, hạt cứng với khối lượng dm và vận tốc v sẽ đi vào bề mặt với chiều sâu là x và diện tích mặt cắt ngang tương ứng là A(x) phụ thuộc vào hình dạng của hạt cứng chỉ ra trên hình 2.13. Phương trình vi phân chuyển động của hạt có thể viết như sau: 2 2 )( dt xd dmxHA  Hình 2.13. Sơ đồ mòn va chạm của một hạt cứng va chạm thẳng góc vào một bề mặt mềm hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Nếu hạt cứng đạt tới vị trí nghỉ ở độ sâu d sau khoảng thời gian to thì tổng công của lực cản bằng năng lượng động lực ban đầu của hạt 2 0 2 1 )( dmvdxxHA d   hay H dmv dv 2 2  Trong dv là thể tích của vật liệu bị dồn đẩy khỏi vết va chạm. Nếu m là khối lượng hạt va chạm thì: H mv v 2 2  Vì không phải tất cả vật liệu bị dồn đẩy đều tạo thành hạt mòn nên nếu k là hệ số tỷ lệ với lượng vật liệu bị dồn đẩy tạo thành hạt mòn thì. H mv kv 2 2  Phương trình mòn do va chạm của hạt cứng thường được viết dưới dạng tỷ số va chạm không thứ nguyên E bằng khối lượng vật liệu bị tách ra chia cho khối lượng các hạt cứng va chạm vào bề mặt. H vk E 2 2  Trong đó:  là tỷ trọng của vật liệu bị mòn. So sánh với phương trình mòn do cào xước, thể tích mòn do va chạm của hạt cứng cũng tỷ lệ nghịch với độ cứng H. Tải trọng pháp tuyến được thay thế bằng mv 2. Tuy nhiên đây chỉ là mô hình đơn giản vì trong mô hình không đề cập đến góc va chạm, hình dáng và kích thước của hạt cứng. Hệ số k biến thiên từ 10-5-10-1. Mòn do va chạm của hạt cứng do nứt tách vì dòn phụ thuộc vào độ dai va đập của vật liệu bị mòn do va chạm. 1.2.4.2. Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion) Percussion là va chạm có chu kỳ của vật thể rắn thường gặp ở đầu búa in trong máy in, các ứng dụng điện cơ cao tốc và trong các nhấp nhô bề mặt nhô cao trong ổ bôi trơn khí. Trong phần lớn các ứng dụng va chạm liên quan đến trượt nghĩa là bao gồm cả thành phần pháp và tiếp. Mòn do percussion xảy ra nhờ cơ chế Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 hybrid là sự kết hợp của một loạt cơ chế: dính, hạt cứng, mỏi bề mặt, nứt tách và tribochemical. Hình 2.14. Sơ đồ va chạm của một đầu va chạm với tấm phẳng chuyển động ngang. Mô hình của mòn do va chạm vật rắn chỉ ra trên hình 2.14 bao gồm đầu va chạm bán kính R hướng vuông góc với chuyển động của một khối có vận tốc u. Đầu va chạm có thể coi như một chất điểm và được đỡ bằng một lò xo có độ cứng k. Tại thời điểm ts đầu va chạm gặp khối chuyển động ngang. Sau đó chúng cùng chuyển động cho tới khi va chạm kết thúc. Sự biến đổi của lực va chạm Hec sau một chu kỳ của quá trình va chạm chỉ ra trên hình 2.15 có dạng quả chuông. Để đơn giản ta giả thiết lực va chạm Hec F(t) biến thiên theo quy luật hình sin.        i o t t FtF  sin)( Giá trị cực đại Fo phụ thuộc vào hình dạng hình học, vật liệu và các thông số va chạm pháp tuyến. Đối với một tiếp xúc đàn hồi của đầu va chạm trên trên một tấm phẳng khối lượng vô hạn có mô đun đàn hồi vô hạn ta có:   5/2 2/1 2 5/3 2 13 4 3 5               R E mvF elastico  Viết phương trình động lượng của tấm khối lượng vô cùng chuyển động theo phương ngang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 Trong đó:  là hệ số ma sát. Sử dụng 2 phương trình đầu tính thời gian trượt ts )1(cos 1 S t t is    Trong đó: iotF mu S    S gọi là yếu tố trượt. Nếu S=0, sự va chạm vuông góc xảy ra. Nếu S lớn sự trượt xảy ra trong thời gian dài hơn trong quá trình va chạm. Nếu S  2, sự trượt xảy ra trong toàn bộ thời gian tiếp xúc. Mòn do va chạm tỷ lệ thuận với yếu tố trượt bởi vì mòn chủ yếu xảy ra trong phần va chạm của trượt tương đối. Va chạm pháp tuyến trên bề mặt cứng hơn có thể tạo nên cơ chế mòn do mỏi dưới bề mặt. Một va chạm xảy ra cùng sự trượt (va chạm kết hợp) tạo nên mỏi bề mặt và/hoặc dính, mòn do cào xước. Các cơ chế mòn riêng biệt phụ thuộc vào hình học, vật liệu và các thông số của quá trình. Với các vật liệu có độ dai va đập cao, sự tham gia của mỏi bề mặt có thể bỏ qua. Áp dụng phân tích mòn do va chạm cho va chạm của đầu in với giấy bao phủ tấm phẳng. Mòn do cào xước đầu in xảy ra trong quá trình trượt (slipping time). Thể tích mòn v theo khoảng cách trượt x của đầu in với giấy là: H tkF tdx tdv )( )( )(  Trong đó k là hệ số mòn, H là độ cứng của đầu in. Tổng thể tích mòn sau mỗi chu kỳ va chạm là.   st oiu H SFtk tdxtF H k v 0 2 )()(  Víi 0  S  2 H×nh 2.15. S¬ ®å chu kú lùc va ch¹m Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56        SH Fkut H kmv v oi 1 1 2 2 2  Víi S  2 Khi thể tích mòn trong một chu kỳ được xác định, mòn tổng sau N chu kỳ có thể xác định bằng cách nhân mòn đơn vị với N. 1.2.4. Mòn hoá học Mòn hoá học xảy ra khi các bề mặt đối tiếp hoạt động trong môi trường có hoạt tính hoá học. Trong không khí nguyên tố có hoạt tính hoá học nhất là ôxy, do đó mòn hoá học trong không khí đôi khi gọi là mòn do ôxy hoá. Khi các bề mặt đối tiếp không có chuyển động tương đối, sản phẩm ăn mòn hoá học là lớp màng bề mặt có có chiều dày nhỏ hơn 1m có xu hướng cản trở hoặc ngăn quá trình ăn mòn tiếp tục phát triển. Nhưng khi trượt xảy ra giữa hai bề mặt, lớp màng do ăn mòn hoá học bị cuốn đi vì thế các phản ứng hoá học lại tiếp tục xảy ra. Mòn hoá học vì vậy cần hai điều kiện cả phản ứng hoá học và chuyển động trượt tương đối để làm vỡ lớp màng hoá học. Mòn hoá học là một hiện tượng cần quan tâm, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như mỏ, tuyển khoáng, dây chuyền hoá học, xử lý bùn, nước thải. Mòn hoá học xảy ra do sự tương tác hoá học hoặc điện hoá của bề mặt chi tiết với môi trường. Mòn hoá học xảy ra trong môi trường ăn mòn, nhiệt độ và độ ẩm cao. Mòn điện hoá xảy ra khi phản ứng hoá học đi kèm theo với tác dụng của dòng điện xảy ra trong quá trình điện phân. Sự tồn tại của chất bôi trơn có tác dụng cô lập các bề mặt tiếp xúc khỏi môi trường ăn mòn hoá học. Tuy nhiên các chất ăn mòn có thể hoà tan vào chất bôi trơn như nước vào dầu và chất bôi trơn cũng bị phân tích để trở nên có hoạt tính hoá mạnh hơn. Khi ăn mòn hoá học là nguyên nhân chính của mòn, một tương tác phức tạp giữa các cơ chế mòn khác nhau luôn tồn tại. Đầu tiên mòn có thể là do dính hoặc do cào xước sau đó là sự kết hợp của mòn hoá học và mòn do cào xước. ứng suất tiếp xúc cao có thể làm tăng ăn mòn cục bộ dẫn đến sự tạo thành các lỗ châm kim trên bề mặt. ứng suất dư trong lòng kim loại có thể gây ra nứt do kết hợp với sự ăn mòn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 trong môi trường hoạt tính cao. Hiên tượng này kết hợp với sự trượt bề mặt có thể gây ra mòn mạnh giống như sự ăn mòn của một pha trong hợp kim ổ hai pha. Hiện tượng ăn mòn đôi khi cũng có lợi, lớp màng ôxy hoá và các sản phẩm của sự ăn mòn có thể ngăn cản dính giữa đỉnh các nhấp nhô và giảm mòn kim loại trong chân không. 1.2.5. Mòn Tribochemical Ma sát làm thay đổi động lực học của các tương tác hoá học giữa các bề mặt trượt và với khí hoặc chất lỏng trong môi trường do tác dụng sinh nhiệt trên bề mặt tiếp xúc. Ngành hoá học nghiên cứu tác dụng thay đổi các phản ứng hoá học bằng ma sát hoặc năng lượng cơ học gọi là tribochemistry, mòn bị kiểm soát bởi các phản ứng này gọi là mòn hoá học. Nhiệt sinh ra do tương tác ma sát ở đỉnh các nhấp nhô làm tăng tốc độ của phản ứng hoá học là cơ chế đặc trưng nhất của mòn tribochemical. Ngoài nhiệt do ma sát các cơ chế khác bao gồm: sự hình thành các bề mặt sạch do hiện tượng phá huỷ các lớp màng bề mặt, tăng tốc hiện tượng khuyếch tán và kích thích cơ hoá trực tiếp liên kết bề mặt. Các phản ứng tribochemical là nguyên nhân mòn ôxy hoá kim loại, mòn tribochemical của ceramics, và sự hình thành các lớp màng chất dẻo ma sát trên bề mặt trượt khi có sự tồn tại của chất hữu cơ, sự hoà tan của Nitrit Silic trong nước khi trượt mà không bị nứt tách. ứng dụng của tribochemistry bao gồm sự hình thành sự hình thành lớp màng ma sát polymer, mòn và đánh bóng bề mặt không gây nứt tách (chemomechanical polishing). 2.2.6. Mòn fretting Hiện tượng fretting xảy ra khi chuyển động dao động với tần số thấp (trong khoảng vài chục nanômét đến vài chục micrômét) xảy ra trên bề mặt tiếp xúc chung của các bề mặt (về danh nghĩa là đứng yên). Đây là hiện tượng phổ biến bởi vì phần lớn các máy móc đều bị dao động, cả khi vận chuyển lẫn khi hoạt động. Thực chất fretting là một dạng của mòn do dính và do hạt cứng mà ở đó tải trọng pháp tuyến gây nên hiện tượng dính ở đỉnh các nhấp nhô và chuyển động dao động gây nên sự cắt đứt tạo nên các mảnh mòn. Fretting kết hợp với ăn mòn hoá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 học là hiện tượng phổ biến nhất gọi là fretting hoá. Ví dụ các hạt mòn thép sạch được tạo ra giữa hai bề mặt sẽ bị ôxy hoá tạo thành ôxuýt Fe2O3 sẽ là nguồn các hạt cứng trên mặt tiếp xúc chung. Bởi vì các bề mặt được ép sát với nhau và dao động với biên độ rất nhỏ nên các bề mặt không bao giờ tách rời nhau và như thế sẽ không có cơ hội để các mảnh mòn này lọt ra ngoài. Dao động tiếp tục xảy ra tạo ra các mảnh mòn mới và tiếp tục bị ôxy hoá và cứ thế. Do vậy mòn trên một đơn vị chiều dài trượt do fretting có thể lớn hơn so với mòn do dính và do cào xước thông thường. Dao động trong mòn fretting chủ yếu do kích động từ bên ngoài, nhưng trong nhiều trường hợp đó là kết quả của một trong những chi tiết chịu ứng suất thay đổi chu kỳ. Các vết nứt sẽ được tạo ra và dạng mòn đó gọi là mỏi fretting. Mòn do fretting sẽ tăng đột ngột khi biên độ dao động trượt vượt qua dải biên độ giới hạn. Với một biên độ dao động nhất định, khối lượng mòn trên một đơn vị chiều dài trượt của một đơn vị tải trọng pháp tuyến sẽ tăng tuyến tính theo số chu kỳ dao động tới biên độ dao động đến 100 m. Khi vượt qua biên độ giới hạn này, tốc độ mòn sẽ đạt tới hằng số giống như tốc độ mòn trong trượt liên tục và trượt khứ hồi. Điều này cho phép đưa ra một giới hạn trên có thể của biên độ trượt cho fretting. ở biên độ nhỏ, đặc trưng của fretting, vận tốc trượt tương đối nhỏ hơn rất nhiều so với trượt thông thường mặc dù biên độ dao động có thể cao. Tốc độ mòn do fretting tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến với biên độ trượt cho trước. Trong trượt bộ phận, tần số dao động ít ảnh hưởng tới tốc độ mòn trên một đơn vị chiều dài trượt trong dải tần số thấp. Tăng tốc độ biến dạng ở tần số cao dẫn đến tăng phá huỷ do mỏi và ăn mòn hoá học do nhiệt độ tăng. Tuy nhiên trong trượt toàn phần tần số ít có ảnh hưởng. Để giảm đến mức thấp nhất mòn do fretting, máy móc thiết kế phải giảm đến tối thiểu dao động, giảm ứng suất hoặc loại trừ việc thiết kế hai phần cùng nhau. 1.2. Mòn vật liệu Quá trình mòn nói chung được định lượng bằng tốc độ mòn là thể tích hay khối lượng vật liệu bị tách ra khỏi bề mặt trong một đơn vị thời gian hay một đơn vị chiều dài trượt. Các dạng khác có thể không có thứ nguyên như tỷ số chiều sâu vật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 liệu mòn trên một đơn vị chiều dài trượt hoặc tỷ số thể tích vật liệu tách ra trên một đơn vị chiều dài trượt hoặc tỷ số thể tích vật liệu tách ra trên một đơn vị diện tích tiếp xúc và một đơn vị chiều dài trượt.[4] Từ đồ thị tốc độ mòn có thể thấy rằng tốc độ mòn giữ hằng số trong một giai đoạn nào đó sau sau đó có thể thay đổi nếu có sự thay đổi về cơ chế mòn. Mòn trong quá trình chạy rà phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc vật liệu ban đầu cũng như trạng thái bề mặt như độ nhẵn, sự tồn tại của lớp màng bề mặt. Trong giai đoạn chuyển cơ chế mòn, độ nhám bề mặt bị biến đổi do biến dạng dẻo. Tuy nhiên các điều kiện đầu có ảnh hưởng tới sự phá huỷ trong giai đoạn chuyển đổi và thời lượng của nó. Giống như ma sát, tốc độ mòn của một vật liệu phụ thuộc vào vật liệu đối tiếp hoặc cặp vật liệu, trạng thái bề mặt và điều kiện làm việc, ý nghĩa của các hệ số mòn hoặc dữ liệu mòn trong các công trình công bố thường nằm ở các giá trị tương đối hơn là các giá trị tuyệt đối. Mòn là một hàm số phức tạp theo thời gian. Tốc độ mòn ban đầu có thể thấp sau đó tăng hoặc ngược lại (hình 2.16). Sau một khoảng thời gian nhất định tốc độ mòn giữ hằng số trong một giai đoạn sau đó có thể thay đổi nếu có sự thay đổi về cơ chế mòn trong quá trình thí nghiệm về mòn. Quá trình chạy rà phụ thuộc vào cấu Hình 2.16. Ba trường hợp giả thuyết về thể tích mòn là hàm số của khoảng cách trượt chỉ ra các giai đoạn chạy rà, ổn định và khốc liệt - 60 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trúc, tính chất ban đầu của vật liệu và các trạng thái bề mặt. Trong giai đoạn chuyển tiếp này độ nhám bề mặt bị biến đổi do biến dạng dẻo ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt. Điều kiện ban đầu ảnh hưởng đáng kể đến tốc dộ mòn bề mặt trong quá trình chạy rà và khoảng thời gian chạy rà. Một cặp đôi ma sát cùng loại thép cho ma sát và mòn cao còn các cặp kim loại khác nhau cho ma sát và mòn trung bình trong trường hợp có bôi trơn. Khác với thép và kim loại ceramics trượt so với lim loại hoặc với chính nó hoặc với ceramics khác loai cho hệ số ma sát trung bình nhưng mòn lại rất thấp. Polymers và chất bôi trơn rắn trượt với bề mặt cứng cho hệ số ma sát rất thấp nhưng mòn lại khá cao. 1.2.1.Mòn kim loại và hợp kim [4] CẶP KIM LOẠI ĐỘ CỨNG VICKERS (Kg/mm 2 ) HỆ SỐ MÕN k (x10 4 ) Cadmium trượt trên Cadmium 20 57 Kẽm trượt trên kẽm 38 530 Bạc trượt trên bạc 43 40 Đồng trượt trên đồng 95 110 Platin trượt trên Platin 138 130 Thép C thấp trượt trên thép C thấp 158 150 Thép trắng trượt trên thép trắng 217 70 Cadmium trượt trên thép C thấp 20 0,3 Đồng trượt trên thép cácbon thấp 95 5 Platin trượt trên thép các bon thấp 138 5 Thép cácbon thấp trượt trên đồng 95 1,7 Platin trượt trên bạc 43 0,3 Bảng 2.1. Hệ số mòn của vật liệu mềm cho các cặp lim loại - kim loại khác nhau Các bề mặt kim loại và hợp kim sạch ở các tiếp xúc rắn biểu hiện tính dính cao do đó ma sát và mòn cao, đặc biệt tiếp xúc của các bề mặt sạch trong chân không cho tốc độ mòn rất cao. Các lớp màng hóa học mỏnh nhất hình thành trên các mặt tiếp xúc đều có khả năng giảm dính dẫn đến giảm ma sát và mòn. Trong trường - 61 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hợp kim loại mền như In, Pb, Sn tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô rất rộng và thậm chí khi tải trọng khi tải trọng nhỏ nên tốc độ mòn cao. Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt như Co và Mg cũng như các kim loại khong có cấu trúc này như Mo, Cr đều biều hiện ma sát và mòn thấp. Do đó Co, Mo và Cr là các nguyên tố hợp kim thông dụng trong thép để giảm ma sát và mòn đồng thời tăng khả năng chống ăn mòn. Nói chung mòn của hợp kim thấp hơn các nguyên tố nguyên chất. Hệ số mòn k cho một loại các kim loại giống và khác nhau cho trong bảng 2.1. Thép là loại vật liệu thông dụng nhất sử dụng trong cả ứng dụng cấu trúc và tribological. Trên cơ sở của thành phần hóa học (tỷ lệ % của nguyên tố hợp kim và cácbon) và đặc điểm của quá trình gia công, một loạt các tính chất vật lý và cấu trúc tế vi khác nhau được hình thành. Khả năng chống mòn của thép có cấu trúc khác nhau chỉ ra trên hình 2.17 Hình 2.17. Khả năng chống mòn tương đối như là một hàm số của độ cứng theo cấu trúc tế vi khác nhau. a. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến mòn ôxy hóa Sự hình thành lớp màng ôxy hóa bề mặt có thể giảm tốc độ mòn tới hai lần so với làm việc trong môi trường khí trơ. Ở nhiệt độ thấp, sản phẩm của quá trình ôxy hóa bề mặt chỉ hình thành ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc. Ở nhiệt độ cao hơn, - 62 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ôxy hóa xảy ra trên toàn bề mặt và ảnh hưởng tới mòn. Khi sử dụng thép làm đôi ma sát sản phẩm ôxy hóa của các hạt mòn chủ yếu là  - Fe2O3, còn ở tốc độ trung bình chủ yếu là Fe3O4, ở tốc độ cao là FeO. [4] Ôxy và các phần tử của các nguyên tố khác hấp thụ trên bề mặt của kim loại và ceramics sạch tạo nên liên kết hóa học mạnh với các bề mặt này. Sự khuếch tán của các nguyên tố có hoạt tính qua lớp này bị chậm dần theo thời gian. Tốc độ ôxy hóa của sắt và nhiều kim loại tuân theo quy luật parabôn. [4] 2/1Cth  Trong đó: h là chiều dày của lớp màng ôxy hóa, t là giá trị tăng trung bình của thời gian, C là hằng số của parabôn. Bởi vì hiện tượng khuếch tán phụ thuộc vào tác động của nhiệt, tốc độ dày lên của lớp màng ôxy hoá trong quá trình trượt là một hàm số của nhiệt độ tương tự như ôxy hoá ở điều kiện tĩnh.  RTQeK / K là hằng số cảu parabôn mô tả tốc độ dày lên cảu lớp màng ôxy hoá, A là hằng số Arrhenius (kg/(m4s)) của phản ứng ôxy hoá, Q là năng lượng hoạt tính của paraboon liên quan đến ôxuyt (KJ/mole), là hằng số khí Arrhenius trong trường hợp trượt. Hằng số này gấp khoảng vài lần hằng số trong điều kiện tĩnh. Điều này có nghĩa là tốc độ ôxy hoá trong điều kiện trượt xảy ra nhanh hơn điều kiện tĩnh nhiều do tốc độ khuếch tán của sắt qua lớp màng ôxy hoá tăng. b. Ảnh hƣởng của điều kiện vận hành - 63 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.18 Bản đồ vùng mòn của đầu thép trượt khô trên đĩa thép (pin on disk) trong không khí ở nhiệt độ trong phòng. Bản đồ mòn loại trừ ảnh hưởng của môi trường đến các cơ chế mòn. Không có một cơ chế mòn đơn nào xảy ra trong một dải rộng các điều kiện vận hành, thực tế luôn tồn tại một vài cơ chế mòn mà vai trò của chúng đối với mòn thay đổi khi điều kiện vận hành thay đổi. Sự chuyển tiếp của các cơ chế mòn chính gây nên sự thay đổi về tốc độ mòn, điều này thường xảy ra khi tải trọng và tốc độ trượt thay đổi. Trong một vài trường hợp sự thay đổi xảy ra theo hàm số của thời gian. Sự thống trị của các cơ chế mòn tuỳ theo sức bền cơ học và mức độ dính ở chỗ tiếp xúc. Tăng tải trọng pháp tuyến dẫn đến sự phá huỷ cơ học bề mặt do ứng suất tiếp xúc cao. Tăng tải trọng pháp tuyến và vận tốc trượt dẫn đến tăng nhiệt độ trên các lớp bề mặt là nguyên nhân tạo thành các lớp màng hóa học bề mặt (chủ yếu là màng ôxy hoá) đồng thời giảm sức bền cơ học và đôi khi thay đổi cả cấu trúc tế vi bề mặt. Trong điều kiện tích PV lớn, có thể xảy ra hiện tượng chảy cục bộ vùng gần bề mặt. Các vùng mòn cơ học (biến dạng dẻo là chủ yếu) và hoá học (ôxy hoá) cho các cặp vật liệu trượt vẽ trên một bản đồ mòn đơn (chế độ mòn hay cơ chế mòn) - 64 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên theo áp suất và vận tốc trượt đặc trưng. Áp suất đặc trưng là tỷ số giữa áp suất danh nghĩa và độ cứng bề mặt (p/H) và vận tốc trượt đặc trưng là tỷ số giữa vận tốc trượt trên vận tốc của dòng nhiệt (là bán kính của diện tích tiếp xúc danh nghĩa tròn chia cho hệ số thấm nhiệt). Hình 2.18 là bản đồ các vùng mòn của thép trượt trên thép trong không khí trên thiết bị pin-on-disk. Bản đồ này chia thành các vùng tương ứng với các chế độ mòn khác nhau với các biên là áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt giới hạn. Bên ngoài các giới hạn này mòn do ôxy hoá sẽ chiếm ưu thế ngang với mòn cơ học ở vận tốc thấp. Từ bản đồ có thể thấy mòn nhẹ và mòn khốc liệt là hai chế độ mòn chính. Mòn nhẹ tạo nên bề mặt mòn nhẵn còn mòn khốc liệt tạo nên bề mặt ráp với các vết xé sâu và tốc đô mòn cao. Các vùng chuyển tiếp giữa mòn nhẹ và khốc liệt nằm trong một khoảng rộng phụ thuộc vào điều kiện vận hành đó là tải trọng - vận tốc và đôi khi khoảng cách trượt. [4] Mòn nhẹ xảy ra do tiếp xúc trực tiếp kim loại – kim loại ở đỉnh các nhấp nhô giảm tới tối thiểu bởi sự hình thành lớp màng ôxy hoá do nhiệt ma sát. Mòn nhẹ xảy ra dưới bốn bộ điều kiện phân biệt sau đây. - Áp suất tiếp xúc và vận tốc tượt thấp, một lớp màng ôxy hoá có chiều dày khoảng vài nanô mét hình thành ngăn tíêp xúc kim loại trực tiếp và không bị phá vỡ do tải trọng nhẹ. - Vận tốc trượt cao hơn, một lớp màng ôxy hoá dày hơn và dòn hơn liên tục tạo ra do nhiệt độ cao. Quá trình ôxy hoá liên tục replenishes lớp màng ôxuýt. - Tải trọng cao hơn, một lớp bề mặt cứng (mactensit) được tạo thành trên bề mặt thép cacbon do nhiệt ma sát cục bộ ở đỉnh các nhấp nhô và hiện tượng tôi xảy ra khi nhiệt tản vào bề mặt. Nhiệt độ bề mặt càng cao cũng tạo ra một lớp màng ôxy hoá dày hơn được đỡ bởi lớp cứng bề mặt. - Tốc độ trượt cao hơn, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc tăng lên tạo nên các lớp màng dày. Các lớp màng ôxy hóa có tác dụng giảm dòng điện từ bề mặt vào nền là nguyên nhân làm cho hiện tượng ôxy hoá trở nên khốc liệt. Mòn khốc liệt xảy ra trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp kim loại – kim loại xảy ra. Mòn khốc liệt xảy ra dưới ba bộ điều kiện phân biệt. - 65 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Áp suất tiếp xúc lớn và vận tốc trượt nhỏ, áp suất lớn đủ phá vỡ lớp màng mỏng ôxuýt dẫn đến tiếp xúc trực tiếp kim loại – kim loại ở đỉnh các nhấp nhô. - Áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt trung bình, tải trọng lúc này đủ lớn để phá vỡ các lớp màng ôxy hoá dày hơn nhưng dòn được sinh ra. - Cả áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt đều cao, các điều kiện trượt khốc liệt tới mức mà nhiệt độ cục bộ đạt tới nhiệt độ nóng chảy của thép tạo thành một lớp màng lỏng ở chỗ tiếp xúc dẫn đến mòn khốc liệt. [4] 1.2.2 Ma sát và mòn chất dẻo 1.2.2.1. Ma sát của chất dẻo Theo King và Tabor đối với phần lớn các chất dẻo, sự ma sát giữ chất dẻo và đầu trượt thép có thể dự đoán bằng lý thuyết ma sát đơn giản của Bowden và Tabur. lực ma sát bằng tích của ứng suất trượt của chất dẻo với diện tích tiếp xúc thực. Chất dẻo là loại vật liệu đàn hồi nhớt và vì thế sự biến dạng của nó phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Hệ số ma sát của chất dẻo có thể thay đổi trong phạm vị rất rộng theo các thông số như tốc độ trượt và độ nhám bề mặt. Hệ số ma sát của phần lớn chất dẻo với kim loại hoặc với chất dẻo nói chung trong phạm vi 0,2 – 0,4. Riêng PTFE trượt trên nó hệ số ma sát có thể thấp đến 0,05.[4] 1.2.2.2 Mòn vật liệu dẻo Có thể thấy hệ số ma sát của chất dẻo không thấp lắm nhưng chúng mòn với tốc độ thấp và có thể dự đoán được. Điều này giúp cho việc lựa chọn vật liệu ổ với mức độ chính xác nào đó để tuổi thọ trong các điều kiện cho trước về tải trọng và vận tốc. Tốc độ mòn của chất dẻo phụ thuộc vào tải trọng và vận tốc hay yếu tố P-V Yếu tố P –V Việc tìm ra vai trò của yếu tố P –V dựa trên giả thuyết rằng tốc độ mòn tỷ lệ thuận với tôc độ tiêu thụ năng lượng trên bề mặt trượt. [4] 1.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới mòn Thực chất có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ mòn của các bề mặt trượt. Tuy ảnh hưởng của các yếu tố này được phân chia theo nhiều đề mục nhỏ nhưng thực chất chúng có mối quan hệ với nhau và rất khó tách các yếu tố riêng biệt. Ví dụ nhiệt độ cao sinh ra ở bề mặt tiếp xúc do tải trọng và tốc độ trượt lớn. Nhiệt độ này - 66 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành lớp màng bề mặt và có thể tạo sự thay đổi về cấu trúc tế vi và độ cứng bề mặt. 1.2.3.1. Ảnh hƣởng của các lớp màng bề mặt Cả ma sát và mòn đều là những hiện tượng sảy ra chủ yếu trên bề mặt. Sự tồn tại của các lớp màng (films) có ảnh hưởng quyết định dến ma sát và mòn. a. Mòn trong chân không Trong môi trường chân không với độ chân không tới 10-8mmHg, dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến, tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô phát triển không bị hạn chế vì không bị ngăn cản bởi các lớp màng bề mặt (vì chúng không thể hình thành trong chân không). Các tiếp xúc này bị “hàn” lại với nhau trên diện tích tiếp xúc lớn tạo nên hệ số ma sát rất cao. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối liên kết lại các tiếp xúc nhấp nhô này bị phá vỡ. Theo thuyết mòn do dính, tốc độ mòn phụ thuộc vào vị trí bị cắt so với chỗ tiếp xúc và do đó diện tích tiếp xúc càng lớn tốc độ mòn càng lớn.[4] Các thí nghiệm về ma sát và mòn trong chân không có ý nghĩa rất quan trọng khi thiết kế máy bay bay ở độ cao rất lớn, tên lửa và tàu vũ trụ. Các chât bôi trơn truyền thống như dầu, mỡ tất nhiên không thể sử dụng trong thời gian dài. Giải pháp hiện nay cho vấn đề bôi trơn trong chân không là các màng kim loại có sức bền thấp, chất bôi trn rắn hoặc dẻo. gần đây người ta sử dụng kim loại cấu trúc lục giác xếp chặt làm vật liệu ổ trong môi trường vũ trụ để giảm ma sát và mòn.[4] b. Lớp màng ôxy hoá Sau khi gia công cơ trên bề mặt kim loại tồn tại lớp màng ôxy hóa dày khoảng 5 – 50 lớp phân tử. Khi hai bề mặt trượt với nhau trong không khí, nếu các lớp màng này bị phá vỡ bề mặt kim loại ngay lập tức được bao phủ bởi một lớp phân tử đơn. trừ khi tải trọng rất nhỏ, lớp màng ôxy hoá không ngăn cản được tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô giữa hai kim loại, điều này được thể hiện trong thí nghiệm của Wilson khi đo điện trở tiếp xúc của nhiều cặp vật liệu tiếp xúc trượt với nhau. Tuy nhiên lớp màng ôxy hóa có tác dụng ngăn cản sự phát triển diện tích tiếp xúc nhấp nhô bề mặt dẫn đến giảm ma sát và mòn. [4] - 67 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhiều nhà nghiên cứu phát hiện rằng biểu đồ mòn kim loại có thể chia ra thành hai vùng: mòn trung bình và mòn khốc liệt. Vùng mòn trung bình là vùng tương ứng với tải trọng thấp, sự cản trở chỗ tiếp xúc cao dẫn đến các hạt mòn mịn và chủ yếu là các ôxuýt kim loại nên bề mặt mòn nhẵn. Vùng mòn khốc liệt tương ứng với tải trọng lớn, sự cản trở tiếp xúc thấp, các mảnh mòn gồm các mảnh kim loại có kích thước đáng kể nên bề mặt mòn ráp.[4] Tính chất của lớp màng ôxy hoá cũng rất quan trọng. Ví dụ trên bề mặt của nhôm, lớp ôxuyts dòn và cứng cho khả năng chống mòn khốc liệt kém. Thí gnhiệm của Barwell cho thấy khi thép trượt o với thép ở độ chân không 10-4mmHg, mòn thấp hơn khi sự trượt xảy ra trong không khí. Có thể giải thích hiện tượng này như sau: ở áp suất 10-4mmHg lớp màng ôxy hoá mỏng nhưng dai và liên kết bền còn trong không khí lớp màng này trở nên dày hơn nhưng tác dụng bảo vệ kém. Ngoài ra lớp màng ôxy hoá cũng có ảnh hưởng lớn tới mòn do cào xước bởi vì các ôxuýt kim loại đều cứng và khi tồn tại dưới dạng hạt mòn có tác dụng như các hạt cứng gây mòn.[4] c. Bôi trơn nửa ƣớt (boundary) Bôi trơn nửa ướt là tình trạng mà lớp màng dầu giữa hai bề mặt trượt không đủ để nhăn sự tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô. Giống như lớp màng ôxy hoá lớp màng dầu có tác dụng giảm nhưng khôpng thể ngăn hoàn toàn tiếp xúc kim loại – kim loại ở đỉnh các nhấp nhô. Lớp màng này có tác dụng cản trở diện tích tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô. Hơn nữa tác dụng giảm mòn của chất bôi trơn còn biểu hiện ở sự hạn chế sự thân nhập của các chất lỏng hoặc khí có hoạt tính khi ổ làm việc trong môi trường ăn mòn. Tác dụng của chất bôi trơn nửa ướt ít phụ thuộc vào tính chất reological mà phụ thuộc vàot tính chất hoá học nhiều hơn. Dung dịch axit béo là chất bôi trơn có hiệu quả hơn so với cồn mặc dù chiều dài xích phân tử tương đương nhưng nó có khả năng dễ bị hấp thụ hơn trên bề mặt kim loại. Trong trường hợp áp suất tiếp xúc rất lớn như trong bánh răng hypoid, chất bôi trơn hữ cơ ít có hiệu quả bởi vì chúng bị phận tích do nhiệt độ cục bộ cao ở chố tiếp xúc. Trong trường hợp như thế các chất phụ da như CI hữu cơ hoặc các hợp - 68 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chất của lưu huỳnh được đưa vào chất bôi trơn. Hỗn hợp này ổn định ở nhiệt độ bình thường và tác dụng với kim loại ở các điểm có nhiệt độ cao cụ bộ tạo thành các lớp màng Chloride kim loại hoặc sulphide có tác dụng loại trừ hiện tượng hàn giữa các nhấp nhô bề mặt và giảm mòn do dính ở mức đọ chấp nhận được.[4] d. Chất bôi trơn rắn Các chất bôi trơn rắn được đưa vào bề mặt tiếp xúc của ổ thông qua chất dính kết như resin hoặc dưới dạng bột hi tải trọng nhỏ. Bột sẽ dính vào bề mặt tạo nên một lớp màng bôi trơn. Bột bôi trơn rắn cũng có thể cho vào chất bôi trơn lỏng sau một số chu kỳ trượt sẽ tạo nên một lớp màng bôi trơn ở thể rắn. Lớp này có tác dụng giảm sự tiếp xúc trực tiếp kim loại – kim loại, hạn chế sự phát triển của diện tích tiếp xúc, tạo bề mặt tiếp xúc chung có sức bền thấp. Ngoài ra người ta còn phủ lên bề mặt của chi tiết một hoặc nhiều lớp phủ có khả năng chống mòn cao nền để giảm mòn.[4] 1.2.3.2. Tác dụng của nhiệt độ Nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc chung có thể ảnh hưởng tới mòn theo 3 hướng. - Thay đổi tính chất của cặp vật liệu ở chỗ tiếp xúc; - Thay đổi dạng của lớp màng tạp chất bề mặt - Thay đổi tính chất của chất bôi trơn. Nhiệt độ cao làm giảm tốc độ cứng của các nhấp nhô bề mặt làm tăng mòn. Vì thế nên sử dụng vật liệu có độ cứng nóng cao cho các ổ làm việc trong điều kiện nh