Phần đầu tiên của bài viết này đã được đăng trên tạp chí Evolution 2/98. Đây là phần thứ hai và cũng là phần cuối cùng. Trong hơn 100 năm qua, các nhà nghiên cứu đã xem xét các yếu tố góp phần vào hoạt động thành công của ổ trục thông qua bôi trơn. Giờ đây, chúng ta biết rằng lớp màng bôi trơn cần thiết cho đặc tính bôi trơn tốt cực kỳ mỏng so với độ nhám của các bề mặt đang được tách ra.
Để đảm bảo các bề mặt chuyển động có thể hoạt động ổn định mà không bị mài mòn hoặc bong tróc, điều kiện vận hành phải luôn lý tưởng cho từng điểm trên các bề mặt được bôi trơn. Điều này có nghĩa là phân tích bôi trơn phải được thực hiện tại vùng tiếp xúc thực tế giữa các bề mặt, được làm phẳng đàn hồi và dẻo để chịu tải. Đây là mức độ nhám.
Không thể dự đoán hành vi của vùng được bôi trơn và biến dạng đàn hồi chỉ bằng cách biết độ dày dầu trung bình và áp suất tiếp xúc trung bình.
Cũng cần phải biết áp suất, nhiệt độ, ứng suất cắt và lưu biến của chất bôi trơn tại chỗ.
Một phép tính trạng thái ổn định đơn giản về độ dày màng dầu tối thiểu trên đỉnh gồ ghề cho thấy rằng, nếu một bề mặt gồ ghề đứng yên và một bề mặt bôi trơn nhẵn đang lăn và trượt trên bề mặt đó với áp suất tiếp xúc cục bộ cao hơn áp suất chuyển tiếp thủy tinh đối với chất bôi trơn, thì độ dày màng dầu sẽ giảm xuống bằng không tại mỗi đỉnh gồ ghề nếu có đủ thời gian. Một mô hình đơn giản của chất bôi trơn ở trạng thái thủy tinh có dạng chất rắn với cường độ cắt nhất định thay đổi theo áp suất và nhiệt độ. Nếu bề mặt nhẵn sau đó trượt trên đỉnh gồ ghề, độ dày màng dầu sẽ giảm xuống:
nếu có đủ thời gian. Điều này dẫn đến sự sụp đổ màng dầu trên tất cả các đỉnh gồ ghề với áp suất tiếp xúc cao hơn áp suất chuyển tiếp thủy tinh. Phân tích động lực học về lực nén của các điểm gồ ghề trong vùng đầu vào và sự xuất hiện trở lại của chúng trong quá trình vận chuyển qua điểm tiếp xúc đã xác định các thông số quan trọng quyết định liệu có tiếp xúc kim loại hay không. Ngoài áp suất tiếp xúc, các thông số này còn bao gồm độ nhám bề mặt, số lượng điểm gồ ghề bên trong vùng tiếp xúc Hertzian, tốc độ trượt, thời gian vận chuyển điểm gồ ghề qua tiếp xúc được bôi trơn và độ dày trung bình của màng dầu. Điều này có thể được tóm tắt trong phương trình:
để tránh sự sụp đổ của màng dầu
| Ở đâu: | |
| N | là số lượng các điểm gồ ghề từ đầu vào đến đầu ra của tiếp điểm được bôi trơn |
| U 1 và U 2 | là tốc độ bề mặt |
| tên tôi | là độ dày màng dầu trung bình |
 |
là độ đàn hồi cho phép của độ nhám khi đi qua điểm tiếp xúc. |
Điều này có nghĩa là một bề mặt có năm bước sóng trong tiếp xúc Hertzian có thể có tốc độ trượt tương đối:
(U1 – U2)/ U1 = 0,44 = 44% đối với độ đàn hồi trở lại độ nhám nhất định trong khi một bề mặt có 36 độ nhám cần trượt ít hơn 10% đối với cùng độ đàn hồi trở lại.
Phân tích các thông số này cho thấy rằng việc sử dụng tỷ lệ giữa độ dày màng dầu được tính toán và độ nhám bề mặt tổng hợp làm thước đo mức độ các bề mặt được tách ra bởi màng dầu sẽ đánh giá thấp mức độ bôi trơn của các bề mặt nhẵn so với các bề mặt nhám. Các bề mặt nhẵn không chỉ cần màng dầu mỏng hơn theo tỷ lệ để bôi trơn tốt mà còn có thể giảm tỷ lệ độ dày màng dầu so với độ nhám bề mặt.
Hành vi phi Newton của dầu, thể hiện bằng cường độ cắt giới hạn, có thể dẫn đến sự sụp đổ của màng dầu, như đã thảo luận ở trên. Sự sụp đổ này có thể được nghiên cứu bằng cách coi dầu đông đặc là chất rắn dẻo và áp dụng lý thuyết đùn. Như mong đợi, tốc độ trượt tăng và bước sóng độ nhám giảm làm tăng khả năng sụp đổ của màng.
Phân tích bôi trơn thiếu hụt
thường giả định nguồn cung cấp chất bôi trơn đủ để đảm bảo rằng cửa nạp tiếp xúc được ngập hoàn toàn. Nếu điều kiện này không được đáp ứng và tiếp điểm đang hoạt động trong chế độ bôi trơn thiếu hụt, thì độ lệch đáng kể so với độ dày màng bôi trơn dự đoán sẽ xảy ra.
Nhiều bộ phận máy hoạt động trong chế độ thiếu hụt; các điều kiện đặc biệt khắc nghiệt đối với ổ trục được bôi trơn bằng mỡ và việc dự đoán chính xác độ dày màng bôi trơn trong những điều kiện này là gần như không thể.
Trong điều kiện thiếu hụt, không có đủ chất bôi trơn để lấp đầy cửa nạp và do đó, cửa nạp không trải qua sự tích tụ áp suất thủy động lực học đầy đủ cần thiết để tạo ra độ nhớt cao cần thiết để duy trì sự tách biệt hoàn toàn của tiếp xúc. Điều này chắc chắn dẫn đến độ dày màng thấp hơn so với điều kiện ngập hoàn toàn. Chính điều kiện cung cấp chất bôi trơn đầu vào quyết định mức độ giảm màng. Không thể dự đoán điều này đối với nhiều ứng dụng thực tế.
Trong các nghiên cứu thử nghiệm ban đầu, độ dày màng bị thiếu hụt đã được đo bằng phương pháp giao thoa quang học. Khi tình trạng thiếu hụt tăng lên và mặt khum đầu vào tiến gần đến bán kính Hertz, độ dày màng giảm xuống dưới giới hạn phát hiện dưới là 100 nm, và không thể định lượng được tình trạng thiếu hụt hoàn toàn. Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây hơn về chế độ thiếu hụt hoàn toàn hoặc khô đã chỉ ra rằng một lớp màng mỏng vẫn tồn tại, duy trì sự tách biệt tiếp xúc ngay cả khi mặt khum đạt đến cạnh tiếp xúc Hertz. Chế độ bôi trơn khô ban đầu được đề xuất để biểu thị tình trạng thiếu hụt hoàn toàn, khi không có mặt khum đầu vào. Trong chế độ khô, không có dầu tự do và chỉ còn một lớp dầu mỏng trên bề mặt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ổ trục dụng cụ có thể hoạt động tốt trong vài giờ với chỉ 80-200 nm dầu lắng đọng làm chất bôi trơn. Bằng chứng trực tiếp hơn về sự tách biệt màng còn lại trong chế độ khô đã được thu thập bằng các phép đo giao thoa quang học màng mỏng đối với các tiếp điểm bị thiếu hụt nghiêm trọng.
Các nghiên cứu thực nghiệm về sự hình thành màng do mỡ bôi trơn trong một tiếp điểm mô hình đã chỉ ra rằng trừ khi sử dụng nguồn cung cấp bên ngoài để bổ sung mỡ liên tục trong rãnh bôi trơn, mỡ sẽ nhanh chóng bị đẩy sang hai bên rãnh bôi trơn, do đó làm mất tiếp điểm. Quá trình bôi trơn mỡ có thể được xem là được dẫn dắt bởi hiện tượng thiếu hụt, trong đó sự phát triển của màng EHL được điều chỉnh bởi nguồn cung cấp chất bôi trơn từ bể chứa mỡ xung quanh. Ban đầu, độ dày EHL tăng theo tốc độ và sau đó giảm nhanh khi hệ thống vượt qua ranh giới thiếu hụt tốc độ/độ nhớt. Độ dày màng cuối cùng không phụ thuộc vào tốc độ trong điều kiện thiếu hụt hoàn toàn là khoảng 40 nm.
Hành vi này là đặc trưng của mỡ, mặc dù tốc độ đói và mức độ dày màng cuối cùng thay đổi rất nhiều tùy theo các loại mỡ và điều kiện vận hành khác nhau. Màng bôi trơn mỡ có hai thành phần: màng còn lại của các hạt gelant lắng đọng và đóng góp EHL phụ thuộc vào tốc độ. Cả hai thành phần đều cho thấy sự phụ thuộc vào tốc độ và thời gian, khiến cho việc dự đoán độ dày màng trong các tiếp điểm lăn đối với mỡ trở
nên rất khó khăn. Trong mọi trường hợp, độ dày màng phụ thuộc vào lịch sử thử nghiệm và các kết quả riêng lẻ cần được diễn giải một cách cẩn thận. Khả năng bổ sung vùng đầu vào của tiếp điểm đói bằng cách phân phối lại chất bôi trơn sang một bên là hạn chế. Cả tính toán lý thuyết và thí nghiệm đều cho thấy bôi trơn rất ổn định trên một nửa tiếp xúc điểm trong khi nửa còn lại bị đói nghiêm trọng. Kết quả lý thuyết cho thấy dòng chảy ngang hầu như không tồn tại trong vùng áp suất cao của các tiếp điểm lăn thuần túy.
Bôi trơn màng mỏng
Tiêu chuẩn lambda cung cấp hướng dẫn chung về giới hạn vận hành an toàn/không an toàn cho tiếp điểm được bôi trơn. Không thể sử dụng tiêu chuẩn này để đánh giá hoạt động ở giá trị lambda thấp; ở đây tiêu chuẩn không hợp lệ. Trong những điều kiện này, giá trị lambda là một công cụ quá thô sơ vì nghịch lý là nhiều hệ thống được biết là hoạt động thành công ở tỷ lệ lambda thấp. Điều này đặc biệt đúng đối với bôi trơn màng mỏng khi độ dày màng ước tính nhỏ hơn giá trị độ nhám bình phương trung bình không biến dạng. Một lần nữa, vấn đề nằm ở chỗ không thể dự đoán một cách chắc chắn độ dày màng tách phát sinh từ các điều kiện tiếp xúc cục bộ.
Các phân tích này sử dụng các đặc tính cơ bản của chất bôi trơn không cho phép dự đoán hành vi tiếp xúc đối với ứng dụng lambda thấp. Chỉ khi độ dày màng dầu được tính toán lớn so với độ nhám bề mặt và không có hiệu ứng thiếu hụt thì mới có thể sử dụng phép tính gần đúng bề mặt nhẵn để dự đoán độ dày màng bôi trơn. Ngay khi các bề mặt được bôi trơn không nhẵn về mặt toán học và độ nhám không đáng kể so với độ dày màng dầu trung bình, sự dao động áp suất cục bộ do độ nhám sẽ ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi của bề mặt. Điều này dẫn đến độ nhạy cảm với cấu trúc và hướng nhám của tiếp điểm được bôi trơn, cũng như độ nhạy cảm với lượng dầu có sẵn để bôi trơn.
Nếu tiếp điểm bị thiếu do quá ít chất bôi trơn hoạt tính, lý thuyết EHL thông thường sẽ ước tính quá cao độ dày màng nếu sử dụng kết quả ngập hoàn toàn. Đồng thời, sự thay đổi áp suất độ nhám cục bộ trong tiếp xúc chịu tải nặng có thể làm phẳng một phần các độ nhám, dẫn đến bề mặt nhẵn hơn ở vùng tiếp xúc.
Đối với các bề mặt rất nhẵn, biến dạng đàn hồi dẫn đến sự phù hợp gần như hoàn toàn trong tiếp xúc EHL và do đó dẫn đến tỷ lệ độ dày màng dầu so với độ nhám rất cao, ngay cả đối với các màng bôi trơn rất mỏng. Độ dày màng dầu được tính toán so với độ nhám đo được của các bề mặt không thể xác định trực tiếp liệu có màng dầu tách rời trong tiếp xúc hay không. Điều này phụ thuộc vào cả chi tiết của cấu trúc bề mặt và lượng chất bôi trơn có sẵn.
Cơ chế mô tả cách lớp phân tử chất bôi trơn cuối cùng được loại bỏ khỏi bề mặt và di chuyển vào các thung lũng trong cấu trúc hoặc ra khỏi tiếp xúc vẫn cần được xác định.
Bo Jacobson ,
giáo sư về các bộ phận máy tại Viện Công nghệ Lund, Thụy Điển, trước đây làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu và Kỹ thuật SKF BV (ERC) tại Nieuwegein, Hà Lan.
 |
Ứng dụng SKF AuthenticateCó hai cách để kiểm tra tính xác thực bằng ứng dụng SKF Authenticate,
Tải xuống ứng dụng SKF Authenticate NGAY BÂY GIỜ trên App Store hoặc Google Play miễn phí bằng cách nhấp vào liên kết có liên quan hoặc quét mã dưới đây.
|