Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Bài viết này nghiên cứu độ tin cậy và tuổi thọ của chổi than trong máy điện một chiều, đặc biệt là trong ứng dụng cho các thiết bị giao thông và công nghiệp.

Nghiên cứu về mòn của vật liệu chổi than sẽ giúp xác định tuổi thọ và độ tin cậy của máy điện Qua đó, chúng ta có thể hiểu rõ sự phụ thuộc của tuổi thọ dự kiến của chổi than vào máy điện một chiều và dự đoán khả năng thay thế chổi than trong quá trình vận hành.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm các loại chổi than phổ biến trên thị trường như chổi than 153 Trung Quốc, chổi than Makita A-88536, chổi than DCA và chổi than Makita 417A Những loại chổi than này thường được sử dụng trong việc bảo dưỡng và thay thế cho máy điện một chiều.

Luận văn này nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than trong máy điện một chiều, thông qua việc thực hiện các phép tính dựa trên các thông số đầu vào.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

LUẬN VĂN THẠC SỸ Đào Xuân Lượng -11- CH2013B

Nghiên cứu tính năng ma sát, mòn của bề mặt ma sát chổi than Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến mòn vật liệu của chổi than.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều tại Việt Nam đã chỉ ra rằng tuổi thọ dự kiến của chổi than phụ thuộc vào độ tin cậy Trong thực tế, tuổi thọ của thiết bị giao thông và công nghiệp, đặc biệt là máy điện một chiều, có thể thay đổi dựa trên yêu cầu làm việc cụ thể và các điều kiện hoạt động khác nhau.

Đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy của vật liệu chổi than máy điện một chiều trong thiết bị giao thông và công nghiệp là rất quan trọng, phù hợp với nghiên cứu đánh giá độ tin cậy của máy móc Đề tài này có tính thực tiễn và thời sự cao, bởi hầu hết các thiết bị giao thông như ô tô và xe máy tại Việt Nam đều nhập khẩu từ nhiều quốc gia và khu vực kinh tế, dẫn đến sự khác biệt về độ chính xác và chất lượng.

Các nội dung chính của luận văn

Nội dung chính của luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về máy điện một chiều sử dụng tại Việt Nam

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về máy điện một chiều, bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tầm quan trọng của nó trong ứng dụng tại Việt Nam Máy điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến dân dụng, nhờ vào tính năng hoạt động hiệu quả và linh hoạt.

Chương này khám phá vai trò quan trọng của chổi than trong máy điện một chiều, nhấn mạnh ảnh hưởng của nó đến hiệu suất hoạt động của thiết bị Bên cạnh đó, bài viết cũng phân loại các loại chổi than để giúp người đọc hiểu rõ hơn về chức năng và ứng dụng của chúng trong các hệ thống điện.

Chương 2:Cơ sở lý thuyết về mòn cổ góp và chổi than

Chương này giới thiệu các phương pháp tính mòn, bao gồm tính mòn cặp ma sát theo năng lượng, tính mòn theo độ bền nhiệt, lý thuyết mát mỏi và lý thuyết cơ phân tử Bên cạnh đó, chương cũng đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng đến mòn và phương pháp tính mòn cho chổi than.

Chương 3: Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều

Trong chương này, chúng tôi tiến hành tính toán độ tin cậy và tuổi thọ của chổi than dựa trên các lý thuyết đã nêu và các thông số đầu vào được tham khảo từ tài liệu liên quan.

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐƯỢC SỬ DỤNG TẠI VIỆT NAM

Giới thiệu chung về máy điện một chiều [7]

- Máy điện một chiều là thiết bị điện dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng một chiều hoặc ngược lại

- Động cơ một chiều (DC motor) có moment khởi động lớn, dễ điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh liên tục trong phạm vi rộng

Hình 1 1 Cấu tạo chung máy điện một chiều

- Máy phát điện một chiều (DC generator) là máy phát kích từ cho máy phát điện đồng bộ

- Nhược điểm: cổ góp điện làm cho cấu tạo phức tạp, giá thành đắt, làm việc kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy.

Cấu tạo máy điện một chiều

Máy điện một chiều gồm 2 phần : phần cảm và phần ứng

- Phần cảm gồm: cực từ chính , cực từ phụ , vỏ máy (gông từ), nắp máy, cơ cấu chổi than

Cực từ chính trong máy được chế tạo từ nam châm điện cho các máy công suất lớn và nam châm vĩnh cửu cho máy công suất nhỏ Chúng tạo ra từ trường chính, được gắn lên vỏ máy bằng bu lông hoặc đinh vít Cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này và nối tiếp với nhau, đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy.

Cực từ phụ được lắp đặt xen kẽ giữa các cực từ chính, kết nối tiếp với dây quấn phần ứng, giúp hạn chế tia lửa điện và cải thiện khả năng đổi chiều.

+ Gông từ ( vỏ máy ): dùng để gắn các cực từ, làm mạch từ nối liền các cực từ, do vậy vỏ máy được dẫn từ

+ Cơ cấu chổi than : chổi than đặt trong hộp chổi than, giá chổi than Dễ bị hao mòn, thay thế khi bảo trì định kỳ

- Phần ứng gồm: trục, lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp

Hình 1 2 Cấu tạo phần ứng máy điện DC

Cổ góp, hay còn gọi là vành đổi chiều, bao gồm các phiến góp bằng đồng, được cách điện với nhau bằng mica Ngoài ra, cổ góp cũng được cách điện với trục rotor thông qua ống phíp Trong máy điện một chiều, bộ phận chổi than và cổ góp là những phần dễ hư hỏng nhất.

Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều

Máy phát điện một chiều có dây quấn phần ứng gồm hai thanh dẫn ab và cd chỉ nối với hai phiến góp 1 và 2 trên hình 1.3

Khi động cơ sơ cấp hoạt động, phần ứng quay và các thanh dẫn của dây quấn phần ứng sẽ cắt qua từ trường của cực từ, từ đó tạo ra sức điện động Chiều của sức điện động này có thể xác định dễ dàng bằng quy tắc bàn tay phải.

Trên thanh dẫn ab sức điện động có chiều từ a đến b

Trên thanh dẫn cd chiều sức điện động từ c đến d

Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí của hai thanh dẫn và hai phiến góp sẽ thay đổi cho nhau Mặc dù sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều, nhưng chiều dòng điện trong mạch ngoài vẫn giữ nguyên.

Cổ góp và chổi than đóng vai trò bộ chỉnh lưu dòng điện I ra tải có chiều không đổi

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện DC

Phương trình cân bằng điện áp:

Rư là điện trở dây quấn phần ứng;

U là điện áp hai đầu cực máy

Eư là sức điện động phần ứng

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than tiếp xúc với hai phiến góp

Trong dây quấn phần ứng, khi có dòng điện, hai thanh dẫn mang dòng điện sẽ chịu tác dụng lực trong từ trường, dẫn đến việc rôto quay Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp

1 và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động cảm ứng Eư trong dây quấn rôto

Phương trình điện áp động cơ điện Một chiều: U = Eư + Rư Iư (1.2)

1.3.3 Phân loại máy điện một chiều

Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy

+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp được cấu tạo từ hai loại dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song thường đóng vai trò chủ yếu.

Tầm quan trọng của máy điện một chiều sử dụng tại Việt Nam

Máy điện hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ trong lò vi sóng giúp quay đĩa, đến các thiết bị như máy đọc đĩa CD và DVD Ngoài ra, máy điện còn được sử dụng trong các dụng cụ như máy khoan và các thiết bị gia dụng như máy giặt, cũng như trong hoạt động của thang máy và các hệ thống thông gió.

Động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt là trong đầu máy xe lửa, và được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia.

- Trong đời sống hàng ngày máy điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như:

+ Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo…

+ Các máy phát điện trên thiết bị giao thông và công nghiệp

+ Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, động cơ bơm nước…

+ Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…

Máy điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy cắt kim loại, máy công cụ, phương tiện giao thông, thiết bị cầu trục, cũng như trong các máy ép, máy bơm, máy nghiền và máy cán.

1.4.1 Ưu điểm của máy điện một chiều

Máy điện một chiều có khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt, cho phép người sử dụng thay đổi tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh dòng điện (I) và điện áp (U), cũng như từ thông (Φ) Nhờ đó, tốc độ của động cơ có thể được điều chỉnh trong cả miền dưới và trên tốc độ định mức.

Máy điện một chiều có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng nhờ vào đường đặc tính cơ dạng tuyến tính Đặc biệt, với máy điện một chiều kích từ độc lập, phần kích từ và phần ứng được tách biệt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát tốc độ một cách hiệu quả.

Bộ biến đổi của máy điện một chiều mang lại chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt với sai số tốc độ nhỏ, khả năng điều chỉnh mịn màng và dải điều chỉnh rộng.

Công suất của phía kích từ trong động cơ kích từ độc lập thường nhỏ hơn công suất của phần ứng động cơ Do đó, loại động cơ này vẫn được áp dụng rộng rãi trong các dây chuyền cán.

Máy điện một chiều có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản, giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ngành công nghiệp cần momen mở máy lớn và điều chỉnh tốc độ chính xác Đặc biệt, máy điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cán thép và hầm mỏ, nơi yêu cầu phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn.

1.4.2 Nhược điểm của máy điện một chiều

- Bảo quản cổ góp phức tạp;

- Dễ sinh tia lửa điện;

Mặc dù máy điện một chiều có nhiều nhược điểm, nhưng chúng vẫn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và phát triển công nghiệp, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.

Vai trò, tầm quan trọng và phân loại chổi than

1.5.1 Vai trò và tầm quan trọng của chổi than trong máy điện một chiều

Chổi than là vật dẫn điện được cấu tạo từ các lớp carbon, có vai trò quan trọng trong việc duy trì kết nối điện giữa phần tĩnh và phần chuyển động của động cơ điện một chiều (DC) Chi tiết chổi than ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của động cơ, vì nó cần phải truyền tải dòng điện trong các điều kiện khác nhau.

Ma sát trượt ở tốc độ thay đổi, đặc biệt trong các điều kiện làm việc thực tế như nhiệt độ cao, độ ẩm cao và bụi bẩn, có ảnh hưởng đáng kể đến ma sát và mòn của chổi than, từ đó tác động đến hoạt động bình thường của động cơ điện.

Chổi than là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, có nhiệm vụ tạo ra sự tiếp xúc điện giữa phần đứng yên và phần quay của máy điện Chổi than và cổ góp phối hợp để cung cấp hoặc nhận điện từ dây quấn roto thông qua tiếp xúc trượt, đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy điện.

Trên toàn cầu, nhiều nhà khoa học đã công bố các nghiên cứu quan trọng về cổ góp và chổi than, bắt đầu từ chế tạo cổ góp điện vào năm 1823 Eric Laithwaite cũng đã phát triển cổ góp cho động cơ điện một chiều, trong khi nghiên cứu về chổi than cho thang máy được thực hiện vào năm 1995 Gần đây, Giáo sư Andrzej đã tiếp tục đóng góp vào lĩnh vực này với những nghiên cứu mới.

Nghiên cứu về thuộc tính sóng bề mặt của chổi than và cổ góp đã được thực hiện từ năm 2002, nhấn mạnh mối quan hệ giữa bề mặt cổ góp và chổi than trong quá trình mòn HUZhong – Liang (2008) đã tìm hiểu thuộc tính mòn của chổi than cacbon với điện trở suất cao trong điều kiện độ ẩm thay đổi Tại Việt Nam, nhiều nhà khoa học đang chú trọng vào việc cải tiến hệ thống truyền động điện và nâng cao hiệu suất động cơ điện, điển hình là nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều công suất 200kW vào năm 2008 cùng với một số công trình khác.

1.5.2 Phân loại chổi than trong máy điện một chiều

1.5.2.1 Phân loại chổi than theo đặc tính

+) Chổi than điện nhiệt luyện ( Electrographitic brushes (EG))

Graphite nhân tạo, hay còn gọi là graphite, được sản xuất từ bột cacbon và than cốc Quá trình chế biến bao gồm xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao trên 2500oC, giúp chuyển đổi than vô định hình thành graphite nhân tạo.

Chổi than này có điện áp rơi trung bình và hệ số ma sát thấp, giúp giảm thiểu tổn thất điện năng, rất phù hợp cho các ứng dụng với tốc độ ngoại biên cao.

EG34D, EG389P, EG319P, EG359, EG359MD, EG359MX, EG313,EG367, EG8067, EG8220, 2189, AC137, EG388#

Chổi than carbon Graphit (Chổi than graphit) được sản xuất từ hỗn hợp bột than đá và graphite, sau đó được ngâm tẩm với nhựa thông Hỗn hợp này được đúc thành khối và nung ở nhiệt độ cao để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

Chổi than này sở hữu điện trở cao và độ bóng tốt, giúp duy trì điện áp rơi ở mức vừa phải Nó có khả năng chịu được nhiệt độ cao và nhiều dòng tải khác nhau.

+)Chổi than Graphit (Soft graphitebrushes (LFC)

Thành phần chính của sản phẩm bao gồm graphite tự nhiên và graphite tinh khiết, được kết hợp với các phụ gia khác theo tỷ lệ hợp lý Quá trình xử lý ở nhiệt độ cao giúp cacbon hóa chất kết dính, tạo nên chất lượng vượt trội cho sản phẩm.

Chổi than LFC mềm nổi bật với khả năng chống sốc xuất sắc, giúp duy trì hiệu suất tối ưu trong môi trường tốc độ cao Chúng được thiết kế để chịu đựng các tác động cơ học như ma sát, độ rung và nhiệt độ, đảm bảo hoạt động ổn định Các sản phẩm tiêu biểu như LFC554 và LFC501 mang lại hiệu quả vượt trội cho người sử dụng.

+)Chổi than Graphite tự nhiên hoặc nhân tạo:

Dạng bột được pha trộn với resin tổng hợp, sau đó hỗn hợp được nén và và polyme hóa ở điều kiện nhiệt độ thích hợp

Các chổi than BG412, BG469 và BG348 nổi bật với điện trở lớn và độ bền cơ học cao, giúp tiết kiệm điện năng và hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện mật độ dòng rất thấp.

+)Chổi than Graphit kim loại (Metal graphite brushes (CG-MC-CA):

Graphite tự nhiên hoặc tinh khiết dạng bột được kết hợp với resin tổng hợp và bột kim loại như đồng Hỗn hợp này sau đó được nén chặt và polyme hóa ở nhiệt độ thích hợp trong môi trường khí trơ.

Các chổi than như CG651, CG626, CG757, CG657, MK20, MC79P, CA38, CA28, CA10, M9426 có đặc điểm ma sát thấp và điện áp rơi rất thấp, giúp giảm thiểu hao tổn điện năng và duy trì dòng điện cao.

1.5.2.2 Phân loại chổi than theo hình dáng cấu trúc

+)Chổi than đơn hoặc chổi than lõi (insert/cored brush)

Là chổi than được khoan hoặc làm rãnh từ bề mặt tiếp xúc và các khoảng trống được làm đầy bằng một vật liệu khác

+)Chổi than đôi (paired brush) (hoặc 1 cặp chổi than)

Bao gồm 2 chổi than đơn được ghép với nhau bởi dây cáp thông thường hoặc đầu cốt Chúng không bị nhầm lẫn với một chổi than tách (split brush)

+)Chổi than kết cấu sandwich (sandwich brush)

Chổi than được cấu tạo từ hai hoặc nhiều miếng than được ghép cứng lại với nhau, có thể là cùng loại vật liệu hoặc khác loại vật liệu.

+)Chổi than tách (split brush)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÒN CỔ GÓP VÀ CHỔI THAN 24 2.1 Mòn cặp ma sát và chi tiết máy [2]

Định nghĩa

Mòn là quá trình biến đổi hình dáng, khối lượng và kích thước của bề mặt vật thể, dẫn đến việc mất mát hoặc thay đổi vị trí tương đối trên bề mặt Quá trình này có thể xảy ra do các yếu tố như biên dạng, mất liên kết, bong tách, chảy dẻo và ion hóa, tạo ra vùng vật liệu mới.

Mòn là quá trình biến đổi tính chất của vật liệu trên bề mặt tiếp xúc, xảy ra do các hiện tượng như khuyếch tán, hấp thụ, hợp kim hóa, ăn mòn và xâm thực.

Một số công thức tính mòn cổ điển – theo kinh nghiệm

Trong một thời gian dài, cường độ mòn được tính theo một số công thức kinh nghiệm sau:

Trong đó: Pdn – áp lực danh nghĩa trên bề mặt tiếp xúc;

H- độ cứng của vật liệu tiếp xúc;

M – chỉ số mòn phụ thuộc vào bản chất vật liệu

Công thức này thường được sử dụng khi biến dạng đàn hồi, Pdn nhỏ gần bằng 0.14Mpa, độ cứng lớn:

Theo một số tác giả khác, cường độ mòn được tính theo công thức sau:[1]

Trong đó: E – mô dun đàn hồi của vật liệu

LUẬN VĂN THẠC SỸ Đào Xuân Lượng -25- CH2013B Đối với một số vật liệu phi kim loại, cường độ mòn được tính như sau:

Trong đó: HV – độ cứng Vich-ke;

E bh – năng lượng bốc hơi của vật liệu.

Tổng quan về mòn [2]

- Cặp ma sát là tập hợp hai chi tiết lắp ghép có chuyển động tương đối

- Kết cấu ma sát: là kết cấu máy gồm nhiều cặp ma sát

- Cường độ mòn: là tỉ số giữa lượng mòn của chi tiết với quãng đường ma sát thực hiện được, hay một khối lượng công việc thực hiện được

- Tốc độ mòn: là tỉ số giữa lượng mòn với thời gian gây ra lượng mòn đó

- Lượng mòn giới hạn: là lượng mòn cho phép khi sử dụng cặp ma sát đó

2.2.2 Cơ chế mòn các bề mặt kim loại

Mòn là quá trình mà các lớp bề mặt trượt tương đối, gây ra sự cắt và bẻ gãy các điểm nhấp nhô, tạo ra các miền nhấp nhô mới và dần làm nhẵn bề mặt.

Mặt ma sát và mòn của các bề mặt nhấp nhô chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nén ép, biên dạng đàn hồi, tính dẻo, nhiệt độ tăng cao, va đập, cũng như tác động của môi trường không khí và quá trình oxy hóa.

2.2.3 Sự phá hỏng bề mặt ma sát

Kết quả của quá trình ma sát là dẫn tới mòn bề mặt thông thường do cắt tế vi, tạo vết xước, bong tách, tróc, nứt sâu

2.2.4 Sự vận chuyển vật liệu giữa các bề mặt ma sát

Trong quá trình ma sát, sự mỏi và nhiệt độ gây ra dịch chuyển vật liệu ở bề mặt, dẫn đến sự thay đổi khối lượng tại vùng tiếp xúc Hiện tượng lún và bám dính làm mất đi các lớp vật liệu, đồng thời hình thành các lớp mới một cách liên tục.

Các dạng mòn thường xảy ra trên bề mặt ma sát như sau:

Mòn oxy hóa là quá trình phá hủy bề mặt chi tiết do ma sát, xảy ra khi các bề mặt hoạt tính bị biến dạng dẻo tương tác với ô xy trong không khí hoặc dầu bôi trơn hấp thụ trên bề mặt.

- Mòn cơ hóa xảy ra khi:

Trong đó: H k – độ cứng của vật liệu ma sát kim loại;

Hm – độ cứng của hạt mài

- Mòn cơ học xảy ra khi KT < 0,6

- Mòn tróc xảy ra khi vận tốc trượt nhỏ, áp lực cao

- Mòn tróc nhiệt xảy ra khi bề mặt bị biến dạng nhiệt

- Mòn mỏi do biến dạng biến đổi lặp đi, lặp lại nhiều lần

Mòn fretting xảy ra khi chuyển động tịnh tiến khứ hồi liên tục gây dịch chuyển vật liệu tại các bề mặt tiếp xúc, dẫn đến sự hình thành lớp oxi hóa động dưới tác động của tải trọng.

- Mòn còn do co, lún, ăn mòn, xói mòn

Hình 2 1 Bảng cơ chế mòn

Hình 2 2 Bảng phân loại mòn

Một số thông số tính mòn [2]

Trong đó: Vm – thể tích mòn; am – chiều rộng mòn; b m – chiều dài mòn

Trong đó: A dn và Pdn – diện tích tiếp xúc danh nghĩa và áp lực danh nghĩa

At và Pt – diện tích tiếp xúc thực và áp lực thực

2.3.5 Năng lượng ma sát đơn vị

Trong đó: Vmstn, hmstn – thể tích và chiều cao mòn của mẫu sau thử nghiệm

Các thông số tính đường biên bề mặt tiếp xúc [2]

Trong vùng tiếp xúc, diện tích tiếp xúc thực (At) được xác định từ các điểm tiếp xúc tổng hợp Các vùng nhỏ này tạo thành diện tích tiếp xúc theo đường bao (Adh) và diện tích tiếp xúc danh nghĩa (A dh) dựa trên các kích thước đã định nghĩa Mỗi loại diện tích tiếp xúc tương ứng với các áp lực khác nhau, bao gồm áp lực thức (pt), đường bao (p dh) và danh nghĩa (p dn).

Các tỉ số tương ứng là:

Từ quy luật tiếp xúc Hertz các diện tích tiếp xúc của một số dạng điển hình như sau:

(2.17) Trong đó: Fn – lực pháp tuyến;

Fs – bán kính sóng của cầu hoặc trụ;

J s – sô lượng bi hoặc trụ lăn; b – chiều dài trụ

Bảng 2 1 Biểu thị các thông số bề mặt khi mài tinh

(m) rx ry S Vật liệu thứ 2 m

Hình 2 3 Tóm tắt cơ sở tính ma sát và mòn

Tính mòn trên cơ sở hình và năng lƣợng [2]

2.5.1 Tính mòn trên cơ sở cơ hình

Dựa trên lí thuyết cơ phân tử, các thông số mòn được tính như sau:

- Cường độ mòn dạng đường:

- Thể tích ma sát là:

De – đường kính trung bình của vị trí mòn nm – hệ số mòn kể đến sự tiếp xúc do mỏi

Từ (3.19) người ta chia ra các dạng mòn cụ thể sau, để có công thức tính chính xác cao hơn

- Mòn bậc một – mòn do tiếp xúc đàn hồi

- Mòn bậc hai – mòn do tiếp xúc dẻo

- Mòn bậc ba – mòn do cắt tế vi

Cường độ mòn I h được tính như sau:

K – hệ số kể đến sự phân bố áp lực

B - ứng suất mỏi tương ứng khi n = 1

Trong đó các giá trị ’, , C giống như tiếp xúc đàn hồi B, B cho theo bảng (2.2)

Bảng 2 2 Thông số B, B của một số vật liệu

Vật liệu Biến dạng dàn hồi Biến dạng dẻo

Cao su mật độ cao 21 4,85

Công thức gần đúng như sau:

( ) (2.33) Tương ứng với n m cho từng trường hợp như sau:

Và  = 1 đối với biến dạng dẻo;

 = 0,5 đối với biến dạng đàn hồi

2.5.2 Tính mòn trên cơ sở năng lượng

Dựa vào mối liên hệ giữa năng lượng ma sát và mức độ mòn, chúng ta có thể tính toán lượng mòn dựa trên năng lượng mất mát do ma sát Mối quan hệ giữa công ma sát và khối lượng mòn là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và độ bền của vật liệu.

Trong đó: ems – năng lượng ma sát trên một đơn vị khối lượng mòn, gọi là mật độ năng lượng mòn Từ quan hệ

dh= Pdh (2.43) Trong đó:  - hệ số ma sát

Cường độ mòn dạng đường tính theo phương pháp năng lượng là:

Thể tích mòn tổng cộng là:

Trong đó: Vm1 + Vm2 – khối lượng mòn của chi tiết 1 và 2

Mật độ năng lượng mòn là:

Cường độ mòn viết cho từng chi tiết là:

Cường độ mòn dạng đường của hệ ma sát là:

Trong đó: 1,2 – hệ số tương quan phủ kín của vật thể 1 và 2, phụ thuộc vào dạng hình học tiếp xúc của chúng.

Một số phương pháp tính mòn [1]

Cường độ mòn của cặp ma sát phụ thuộc vào vật liệu, tính chất bề mặt và các điều kiện ma sát như tải trọng, nhiệt độ, và chất bôi trơn Quá trình mòn không chỉ là hiện tượng đơn giản, mà là sự tổng hợp của nhiều hiện tượng tương tác với nhau, có thể hỗ trợ hoặc kìm hãm lẫn nhau trong các điều kiện ma sát nhất định Do đó, cơ chế phá hủy bề mặt do mòn là một quá trình phức tạp và không ổn định.

Tính chất của vật thứ ba hình thành trong tiếp xúc ma sát là cơ sở để phân biệt giữa mòn không chất bôi trơn, mòn bôi trơn giới hạn và mòn bám dính Mòn có thể xảy ra trong quá trình tiếp xúc ma sát đàn hồi, tiếp xúc dẻo, cắt tế vi và các quá trình khác, phụ thuộc vào biến dạng của lớp bề mặt tiếp xúc Đặc biệt, trong điều kiện tiếp xúc đàn hồi, tải trọng lặp đi lặp lại dẫn đến mòn do sự mệt mỏi của lớp bề mặt.

2.6.1 Tình mòn theo thực nghiệm

Bằng thực nghiện quan hệ giữa cường độ mòn và áp suất danh nghĩa được xách định qua công thức: k (2.50)

Trong đó: P a - áp suất danh nghĩa;

LUẬN VĂN THẠC SỸ Đào Xuân Lượng -39- CH2013B m - chỉ số mòn (khi mòn cơ hóa thường m = 1); k - hệ số tỷ lệ được xác định từ thực nghiệm

2.6.2 Tính mòn cặp ma sát theo năng lượng

Trong quá trình tiếp xúc ma sát, các phần tử mòn sẽ tách ra khỏi bề mặt ma sát khi vật liệu tích lũy đủ nội năng dự trữ Phần lớn công ma sát được chuyển hóa thành nhiệt năng, chỉ còn khoảng 9 ÷ 16% được lưu giữ trong vật liệu dưới dạng nội năng, dẫn đến sự phá hủy bề mặt tiếp xúc ma sát (Et.Fleisder).

Cường độ mòn được tính theo công thức sau:

Vhd - thể tích vật liệu bị biến dạng, nơi tích lũy nội năng;

Vd - thể tích vật liệu mon;

Etc - năng lượng bề mặt cơ bản;

- lực ma sát riêng; n - số lần tương tác ma sát; f - hệ số ma sát ;

2.6.3 Tính mòn cặp ma sát theo độ bền nhiệt

Quá trình phá hủy bề mặt vật rắn khi tiếp xúc ma sát được xem như một quá trình nhiệt động, theo nghiên cứu của Zurkov Tuổi bền ma sát và độ bền của vật liệu có mối quan hệ chặt chẽ, được biểu thị qua một công thức cụ thể.

Trong đó: – tuổi bền (thời gian ma sát cần thiết để phá hủy vật liệu) ;

- độ nhạy cảm cấu trúc của vùng tiếp xúc ;

U0 - năng lượng hoạt hóa của quá trình phá hủy ; = 10 -2 s ;

Phương trình cường độ mòn có dạng:

2.6.4 Tính mòn cặp ma sát theo lý thuyết ma sát mỏi (Krangelsky)

Mòn do ma sát mỏi là hiện tượng phá hủy đặc biệt xảy ra khi ứng suất ma sát thay đổi theo chu kỳ, với biên độ không vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu.

Số chu kỳ phá hủy do ứng suất ma sát được thể hiện bằng công thức:

Lực ma sát riêng được ký hiệu là f.pr, trong đó hệ số k phụ thuộc vào trạng thái ứng suất ma sát và bản chất của vật liệu Đối với vật liệu giòn, k có giá trị là 5, trong khi đối với vật liệu dẻo, k có giá trị là 3 Thông số tiếp xúc ma sát mỏi được ký hiệu là t r.

2.6.5 Phương pháp tính mòn theo thuyết cơ phân tử

2.6.5.1.Phương trình mòn cơ bản

Phương trình mòn cơ bản của cặp ma sát được biểu diễn bằng công thức

Trong đó: K1 – hệ số được xác định do hình dạng hình học và sự phân bố theo độ cao của các nhấp nhô đơn trên bề mặt vật rắn, K1 0,2;

– hệ số trùng khít; = 0,5 khi tiếp xúc đàn hồi, = 1 khi tiếp xúc dẻo;

N – số chu kỳ dẫn đến tách phần tử mòn ΔV i ;

Pa – áp suất danh nghĩa;

P r – áp suất tiếp xúc thực

2.6.5.2 Cường độ mòn cặp ma sát khi tiếp xúc đàn hồi

Cường độ mòn cho trường hợp tiếp xúc đàn hồi có dạng:

* + (2.56) Trong đó: t f – thông số ma sát mỏi;

Pc – áp suất cục bộ, ( ) ;

Hb – độ cao của sóng;

Trường hợp tiếp xúc của các bề mặt nhấp nhô, không chạy rà, không có song Pa = Pc

Các bề mặt quan trọng trong cơ khí bao gồm ổ bi của cơ cấu đồng hồ, chi tiết của các dụng cụ đo, các dạng mối ghép ren, chốt then, thanh dẫn hướng và dụng cụ cắt.

- Các tiếp xúc tạo thành các cặp động học cao cấp, bộ truyền bánh rằng, cam, bánh xe và đường ray, v.v…

- Cường độ mòn trong trường hợp này được tình theo công thức sau: [ ] ( ) (2.57)

- Với các bề mặt có gia công lần cuối thông dụng (v= 2) thì:

Trường hợp tiếp xúc của các bề mặt nhấp nhô có sóng và không chạy rà

- Dạng tiếp xúc này bao gồm: Đường hướng máy công cụ, phanh đĩa, ly hợp, v.v…

Cường độ mòn được tính theo công thức:

Bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng không lớn giữa cường độ mòn và áp lực danh nghĩa khi v = 2, ta có:

Trường hợp các bề mặt đã chạt rà bao gồm các chi tiết có hình dạng bất kỳ

- Độ nhấp nhô tối ưu được hình thành trong quá trình ma sát khi chạy rà

- Trong trường hợp tính cường độ mòn của bề mặt đã chạy rà, ta có áp lực tiếp xúc tại điểm thực: ( )

Nếu không tính đến thành phần cơ học thì hệ số ma sát sẽ là:

Hệ số ma sát của các bề mặt đã được kiểm tra thực tế cho thấy không bị ảnh hưởng bởi tải trọng và hình học vi mô của bề mặt ma sát.

Nhấp nhô thứ cấp xuất hiện sau khi quá trình chạy rà kết thúc, và thông số tổ hợp của bề mặt được xác định theo công thức cụ thể.

- Trong trường hợp chạy rà, cường độ mòn được tính theo công thức: [ ] ( ) (2.63)

Khi tính toán trong các trường hợp khác, nếu tính năng đàn hồi của hai chi tiết trong cặp ma sát tương tự nhau, cần sử dụng môđun đàn hồi tương đương.

Có thể đạt độ chính xác cao hơn nếu sử dụng hế số mô đun đàn hồi sau:

Hệ số KM phụ thuộc vào v1 và v2

Trong trường hợp khi cả hai bề mặt đều được gia công lần cuối giá trị tổ hợp của nhấp nhô bề mặt được tính:

Nếu các bề mặt có độ nhấp nhô khác nhau hơn 2 cấp thì độ nhấp nhô của bề mặt phẳng hơn có thể bỏ qua

Các công thức tính cường độ mòn được đưa ra dựa trên giả thuyết rằng vật rắn có độ cứng tuyệt đối so với vật thể mềm hơn, và quá trình mòn chủ yếu xảy ra trên vật thể mềm.

– hằng số mô đun đàn hồi của vật liệu được tính mòn

Khi c → 0 thì ≈ 1 Nếu mô đun đàn hồi không khác nhau nhiều thì

2.6.5.3 Cường độ mòn cặp ma sát khi tiếp dúc d o

Cường độ mòn khi tiếp xúc dẻo được biểu thị như sau:

Trong đó: t- số mũ được cong ma sát do mỏi;

E0 – có giá trị xấp xỉ độ dãn tương đối khi đứt b; √( ) ;

Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn [1]

Đối với các bề mặt chưa được chạy rà, tải trọng riêng có ảnh hưởng phi tuyến đến cường độ mòn, đặc biệt là với bề mặt có diện tích tiếp xúc nhỏ Sự tồn tại của độ sóng bề mặt làm giảm đáng kể tính phi tuyến này Ngược lại, đối với bề mặt đã được chạy rà, cường độ mòn tỷ lệ thuận với tải trọng riêng Trong trường hợp chung, mối quan hệ này có thể được biểu diễn bằng công thức cụ thể.

2.7.1 Môđun đàn hổi của vật liệu

Môđun đàn hồi của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến cường độ mòn, với khoảng thay đổi của lũy thừa phù hợp cho bề mặt nhám không sóng, trong khi giá trị lớn nhất của hệ số này tương ứng với bề mặt nháp nhô và độ sóng Việc thiết lập mối quan hệ đơn trị giữa môđun đàn hồi và cường độ mòn gặp khó khăn do sự liên hệ giữa môđun đàn hồi với đặc trưng ma sát, hệ số ma sát và các đặc trưng của độ bền (σ0 tf).

Hệ số tổn trễ phản ánh sự không hoàn thiện của tính đàn hồi, đóng vai trò quan trọng trong việc ước lượng độ mòn của bề mặt đã sử dụng.

2.7.2 Đặc trưng độ bền vật liệu Độ bề vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến độ mòn Trị số tuyệt đối của các thông số đặc trưng độ bền vật liệu cằng lớn thì khả năng chịu mòn càng tăng Khi tf càng lớn thì chu kỳ cần thiệt để tách các phần tử mòn khỏi bề mặt mòn càng lớn Nói chung việc tăng bền bề mặt vật liệu làm tăng khả năng chống mòn

Cường độ mòn của vật liệu phụ thuộc vào hệ số ma sát, là một yếu tố quan trọng trong các đặc trưng bền Mối quan hệ này không tuyến tính do hệ số ma sát bị ảnh hưởng bởi tính chất đàn hồi của vật liệu, độ nhám bề mặt, tải trọng đơn vị và các đặc trưng tương tác giữa các phần tử khi tiếp xúc.

2.7.4 Độ sóng và độ nhám bề mặt Ảnh hưởng của các đặc trưng hình học tế vi bề mặt tới độ mòn là rất quan trọng Bởi vì tiêu chuẩn tổng hợp của độ nhám  có thể thay đổi trong

Trong nghiên cứu của Đào Xuân Lượng, khi giá trị của Δ nằm trong khoảng 10^-3 đến 1 và hệ số mũ của Δ thay đổi từ 0,8 đến 4, việc bỏ qua Δ trong tính toán có thể dẫn đến giảm độ chính xác trong việc xác định cường độ mòn Độ sóng có thể ảnh hưởng đến cường độ mòn trong giới hạn nhỏ hơn, với hệ số lũy thừa nhỏ hơn đơn vị, chỉ có thể đạt biên độ tối đa 4 lần và làm thay đổi cường độ mòn từ 1 đến 2 bậc Đặc biệt, đối với mòn của bề mặt chạy rà, đặc trưng tế vi ban đầu của bề mặt ma sát không có ảnh hưởng đến cường độ mòn.

2.7.5 Sự tương tác phân tử khi tiếp xúc

Sự tương tác phân tử trong quá trình tiếp xúc phụ thuộc vào các yếu tố như bôi trơn, độ sạch của bề mặt, môi trường không khí xung quanh và các thông số đặc trưng Hệ số ma sát cùng với các thông số đặc trưng như 0 và  thể hiện mức độ tương tác này Cường độ mòn của bề mặt ma sát sẽ giảm khi lực cản trượt thấp, do đó, việc sử dụng chất bôi trơn là cần thiết để nâng cao tính chất chống mòn khi xảy ra ma sát.

2.7.6 Yếu tố tốc độ và nhiệt độ

Nghiên cứu về ảnh hưởng của vận tốc trượt đến cường độ mòn hiện nay còn chưa đầy đủ Vận tốc trượt không chỉ xác định thời gian tồn tại của liên kết ma sát mà còn ảnh hưởng đến tốc độ biến dạng của vật liệu Nó quyết định công suất tỏa nhiệt và nhiệt độ tại điểm tiếp xúc, dẫn đến sự gia nhiệt của bề mặt ma sát Sự gia nhiệt này có thể làm thay đổi các tính năng cơ học và ma sát, cũng như cấu trúc cơ hóa của vật liệu Do đó, cần xem xét mối quan hệ giữa nhiệt độ và mòn, dựa trên mối liên hệ giữa nhiệt độ và các tính năng vật liệu, như t_f, σ_0, f, E trong các phương trình toán học.

Khi nhiệt độ tăng, mô đun đàn hồi E của vật liệu chỉ biến động nhẹ, thường là giảm không đáng kể Hệ số ma sát có thể thay đổi, bao gồm giảm, tăng hoặc giữ nguyên, tùy thuộc vào điều kiện và loại vật liệu.

Trong luận văn thạc sĩ của Đào Xuân Lượng, nghiên cứu về mối quan hệ giữa các thành phần phân tử và cơ hóa đã chỉ ra rằng chúng ảnh hưởng đến hệ số ma sát Tuy nhiên, sự thay đổi của t f theo nhiệt độ vẫn chưa được làm rõ, vì vậy cần xác định nó ở nhiệt độ tương ứng khi khớp ma sát hoạt động.

Sự tồn tại của các điểm tới hạn trong quan hệ giữa cường độ mòn và các thông số tỏa nhiệt như tốc độ, nhiệt độ và tải trọng là rất quan trọng Khi nhiệt độ đạt tới mức tới hạn, cường độ mòn có thể thay đổi đáng kể Để xác định những điểm tới hạn này, cần tiến hành thử nghiệm độ bền nhiệt của vật liệu nhằm thu thập mối quan hệ thực nghiệm giữa hệ số ma sát và cường độ mòn với nhiệt độ tại bề mặt ma sát Đối với các bề mặt được gia công tinh bằng nhiều công nghệ khác nhau, đặc biệt trong điều kiện chạy rà, thông số ma sát thường dao động trong khoảng 2

Tiêu đề	Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều
Tác giả	Đào Xuân Lượng
Người hướng dẫn	PGS. TS Phạm Văn Hùng
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	1,81 MB