3. MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT
3.4. Ma sát và mòn chất dẻo
Chất dẻo được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và cuộc sống đặc biệt là Nilon. Chất dẻo có các ưu điểm sau đây:
- Chất dẻo hấp thụ dao động rất tốt và làm việc êm.
- Chất dẻo có khả năng biến dạng để tiếp xúc với bề mặt đối tiếp tốt.
- Dễ chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp bằng đúc hoặc gia công cơ.
- Giá thành hạ.
3.4.1. Ma sát của chất dẻo
Theo Keng và Tabor đối với phần lớn các chất dẻo, lực ma sát giữa chất dẻo và đầu trượt thép có thể dự đoán bằng lý thuyết ma sát đơn giản của Bowden và Tabor. Lực ma sát được tính bằng tích giữa 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 vi 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.
3.4.2. Mòn chất 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 về tuổi thọ trong các điều kiện cho trước về tải trọng và vận tốc. Tốc độ mòn của chất dẻo phụ thuộc chủ yếu vào tải trọng và vận tốc hay yếu tố P-V.
3.4.2.1. 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 tốc độ tiêu thụ năng lượng trên bề mặt trượt.
Với tiếp xúc phẳng
Xét cặp tiếp xúc phẳng có diện tích tiếp xúc danh nghĩa A (gạch chéo trên Hình 3-23), chịu tải trọng pháp tuyến là W, năng lượng tiêu thụ trên khoảng trượt dx sẽ là: fWdx, trong đó f là hệ số ma sát trượt. Tốc độ tiêu thụ năng lượng sẽ là
trong đó: V là tốc độ trượt tại bề mặt tiếp xúc. Giả thiết tốc độ mòn thể tích Q tỷ lệ với tốc độ tiêu thụ năng lượng với f = const.
Yếu tố mà ta quan tâm là chiều sâu mòn hoặc tốc độ mòn tuyến tính
pháp tuyến với bề mặt trượt.
trong đó: P là áp suất.
Với tiếp xúc trụ
Giả thiết ổ đỡ trụ chịu tác dụng của tải trọng pháp tuyến W và vùng tiếp xúc là một nửa hình trụ (gạch chéo trên Hình 3-24). Giả thiết R là phản lực pháp tuyến trên một đơn vị diện tích trên bề mặt tiếp xúc. Lực tác dụng trên một phân tố diện tích mặt trụ chắn góc dθ sẽ là Rdslcosθ, trong đó:
Vì vậy áp lực tổng hợp thẳng đứng sẽ là
Hình 3-23: Sơ đồ của hai mặt trượt phẳng rút ra mối quan hệ PV
Hình 3-24: Sơ đồ ổ đỡ bôi trơn chất rắn và lực tác dụng
Nhưng tốc độ tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị diện tích tại bề mặt tiếp xúc chung là FRV nên tổng tốc độ tiêu thụ năng lượng tại bề mặt tiếp xúc chung sẽ là
nên tốc độ mòn thể tích ∝ FWVπ .
Do chúng ta thường quan tâm đến lượng mòn hướng kính bằng tốc độ mòn thể tích chia cho πDl.
Do đó: Tốc độ mòn hướng kính
hay ∝ fPV (3-32)
trong đó: P là tải trọng pháp tuyến trên một đơn vị diện tích hình chiếu trên mặt phẳng ngang.
Để có một sự xấp xỉ gần đúng có thể xác định một cặp yếu tố P-V không vượt quá một giới hạn nhất định ứng với một tuổi thọ xác định.
Trong thực tế có thể vẽ đồ thị của các tốc độ mòn cho phép theo áp suất và vận tốc như trên Hình 3.25.
Từ đồ thị có thể thấy yếu tố P-V thoả mãn một giá trị tốc độ mòn xác định là hằng số trừ ở hai vùng cận của áp suất và vận tốc.
Giới hạn P-V của ổ là giá trị các yếu tố P-V làm cho ổ bị hỏng nhanh do chảy hay phân tích vì nhiệt.
Hình 3-25: Đường cong giới hạn P-V của PTFE - vật liệu cơ sở khi tốc
độ mòn 25 μm trên 100 giờ.
Người ta cũng phát hiện ra rằng tốc độ mòn ổn định Q đối cho ổ chất dẻo tỷ lệ với yếu tố P-V nằm ngoài các dải P-V không được sử dụng trong thực tế. Có thể định nghĩa hệ số mòn K ở phương trình sau:
Q = KPV (3-33)
Từ phương trình này có thể thấy nếu từ tốc độ mòn cho một giá trị P-V đã biết, có thể tính K và tốc độ mòn cho các yếu tố PV khác. Tuy nhiên, yếu tố P-V không phải chỉ giới hạn cho ổ chất dẻo, các yếu tố tương tự có thể đưa ra cho các dạng ổ khác và cả cho trường hợp sử dụng các lớp màng bôi trơn rắn.
3.4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn của ổ chất dẻo
Bôi trơn có thể cải thiện khả năng làm việc của ổ. Bôi trơn theo chu kỳ có thể làm tăng giới hạn P-V lên vài trăm phần trăm, trong trường hợp bôi trơn liên tục khả năng làm việc của ổ chỉ còn bị giới hạn bởi sức bền của chất dẻo.
Giá trị giới hạn P-V của một ổ là giá trị mà bề mặt tiếp xúc bắt đầu chảy hoặc phân tích do nhiệt. Do đó, giá trị giới hạn của P-V bị ảnh hưởng bởi trường nhiệt độ xung quanh, nhiệt độ trên mặt trượt, tốc độ tản nhiệt ra khỏi vùng tiếp xúc chung.
Do hệ số dẫn nhiệt của chất dẻo thấp nên phải sử dụng một số biện pháp kỹ thuật để làm mát. Hơn nữa có thể sử dụng ổ làm việc gián đoạn theo các mức tăng của P-V để ổ có thời gian nguội sau chu kỳ làm việc.