Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
124
NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH
MA SÁT CỦA MÁY THÍ NGHIỆM MA SÁT MÀI MÒN
Đoàn Yên Thế
Đại học Thủy lợi, email: dythe@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU
Trong lĩnh vực ma sát học (Tribology), các
thí nghiệm về ma sát, mài mòn được thực
hiện trên các máy thí nghiệm được thiết kế
chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM (American
Society for Testing and Materials). Các máy
thí nghiệm này hầu hết dựa trên nguyên lý
làm việc là một mẫu dưới tác dụng của lực
pháp tuyến Fn được ép trực tiếp vào bề mặt
đĩa quay và được phân loại theo 2 loại chính:
Pin on Disc và Block on Disc, hình 1.
(a) (b)
Fn
ww
Disc
Pin
Disc
Block
Fn
Hình 1: Mô hình thí nghiệm mài mòn
Pin on Disc (a) và Block on Disc (b).
Các thí nghiệm ma sát mài mòn được
nghiên cứu trên mô hình Block on Disc được
phân loại theo 2 dạng mô hình là mài mòn 2
đối tượng và mài mòn 3 đối tượng, theo tài
liệu [1-3], hình 2.
Mẫu
Đĩa quay
F
n
F
r
Đĩa quay
Mẫu
F
nHạt mài
F
r
(a) (b)
ww
Hình 2: Mô hình thí nghiệm mài mòn 2 đối
tượng (a), mô hình mài mòn 3 đối tượng (b).
Với một mô hình mài mòn gồm có một
mẫu dưới tác dụng tải trọng pháp tuyến Fn bị
ép trực tiếp vào bề mặt một đĩa quay chuyển
động, gây ra quá trình mài mòn của cả mẫu
và đĩa quay. Mô hình này được gọi là mô
hình mài mòn 2 đối tượng (two-body
abrasion), hình 2 (a). Trong khi đó mô hình
mài mòn 3 đối tượng (three-body abrasion)
được xét đến điều kiện trong vùng tiếp xúc
giữa mẫu và đĩa quay luôn có các hạt mài, do
đó các lớp hạt mài mòn đóng vai trò là lớp
trung gian tương tác với đồng thời với mẫu
và đĩa quay, hình 2 (b).
Trong báo cáo này sẽ trình bày tóm tắt
phân tích các thông số ảnh hưởng đến đặc
tính ma sát của máy thí nghiệm theo mô hình
mài mòn 3 đối tượng. Hơn nữa, kết quả thí
nghiệm xác định đặc tính ma sát của hệ ma
sát mài mòn 3 đối tượng sẽ được thảo luận.
2. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG
2.1. Máy thí nghiệm ma sát mài mòn
Để nghiên cứu đặc tính ma sát của mô
hình ma sát mài mòn 3 đối tượng, một máy
thí nghiệm Tribometer được nghiên cứu thiết
kế chế tạo tại Viện Chi tiết máy và Công
nghệ chế tạo (TU Freiberg, CHLB Đức).
Cơ cấu gia tải
Hộp chứa hạt mài
Đĩa quay
Mẫu
Khung máy
Đầu đo lực 3 chiều
Hình 3: Các bộ phận chính của máy
thí nghiệm Tribology.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
125
Những bộ phận chính của máy thí nghiệm
này gồm có cơ cấu dẫn động đĩa quay, khung
máy, hộp cấp liệu, các thiết bị đo và cơ cấu
gia tải, được mô tả như hình 3.
Các thông số thực nghiệm có thể thay đổi như
lực pháp tuyến Fn = 10N 200N và vận tốc đĩa
quay v = 5 m/s 1000 m/s. Hơn nữa trên thiết
bị này dễ dàng thay đổi mẫu và đĩa quay với các
loại vật liệu và kích thước khác nhau.
2.2. Các thông số ảnh hưởng tới đặc tính
ma sát của máy thí nghiệm
Có rất nhiều các thông số ảnh hưởng gây
ra sai số kết quả thí nghiệm. Các thông số
quan trọng được xem xét như khe hở ban đầu
giữa mẫu và đĩa ho, ma sát của cơ cấu gia tải
và độ không tròn của đĩa. Do đó để giảm sai
số hệ thống đến kết quả đo, cần thiết phải
phân tích ảnh hưởng của các thông số này
đến đặc tính ma sát của máy thí nghiệm.
2.2.1. Ảnh hưởng khe hở ban đầu ho
Do bởi bề mặt tiếp xúc của cả đĩa và mẫu
là không phẳng tuyệt đối nên khi lắp đặt có
thể xảy ra trạng thái 2 bề mặt tiếp xúc không
song song gây ra vấn đề tiếp xúc cục bộ, như
được mô tả ở hình 4 (b). Điều này gây ra sự
phân bố lực không đều trên bề mặt mẫu và
dẫn đến áp suất tiếp xúc thực lớn hơn áp suất
tiếp xúc danh nghĩa. Nếu xảy ra trạng thái
tiếp xúc như hình 4 (a), hạt mài sẽ không vào
trong vùng tiếp xúc do đó chế độ làm việc sẽ
thay đổi từ mô hình ma sát 3 đối tượng thành
mô hình ma sát 2 đối tượng.
Force sensor
Mẫu
F
n
Sample holder
Vùng tiếp xúc
hoMẫu
F
n
(a) (b)
ho
w
w
Hình 4: Mô tả trạng thái tiếp xúc cục bộ
giữa mẫu và đĩa.
Do đó để đảm bảo điều kiện thí nghiệm ma
sát mài mòn 3 đối tượng và để giảm trạng
thái tiếp xúc cục bộ, một cơ cấu điều chỉnh
khe hở ban đầu ho được nghiên cứu chế tạo
và lắp đặt trên máy thí nghiệm này, được thể
hiện hình 5 (a). Do đó trước khi thực hiện thí
nghiệm khe hở được điều chỉnh thỏa mãn 2
điều kiện: (1) tăng diện tích tiếp xúc thực và
(2) lớp hạt mài luôn được cấp trong vùng
tiếp xúc.
2.2.2. Ảnh hưởng tính chất ma sát của cơ
cấu gia tải
Chuyển vị của cơ cấu gia tải thay đổi theo
chu kỳ do bởi độ không tròn của đĩa quay nên
giá trị đo lực pháp tuyến Fn và lực ma sát Fr
thay đổi theo thời gian. Do đó cơ cấu gia tải
phải có chuyển động dễ dàng theo phương
pháp tuyến để mô tả tính chất ma sát giữa
mẫu và đĩa quay. Để có thể đo được các giá
trị Fn(t) và Fr(t) ổn định theo chu kỳ, chuyển
động cơ cấu gia tải được thiết kế và chế tạo
dựa trên nguyên lý làm việc 8 bánh xe di
chuyển dọc theo thanh dẫn hướng, hình 5 (b).
Với kết cấu này, khi cơ cấu gia tải chuyển
động lên xuống thì lực ma sát giữa các bánh
xe và thanh dẫn hướng là nhỏ.
(a) (b)
Đầu đo lực
Cơ cấu gia tải
Bánh xe
Thanh dẫn hướng
Cơ cấu điều chỉnh
Đĩa quay
Mẫu
Hạt mài
Bi
Hình 5: Kết cấu cụm chi tiết điều chỉnh khe hở
(a), và kết cấu của cơ cấu gia tải (b).
Do đó cần phải điều chỉnh các bánh xe
trước khi thực hiện các thí nghiệm để thỏa
mãn các điều kiện sau: (1) cơ cấu gia tải dễ
dàng di chuyển theo phương pháp tuyến, và
(2) cơ cấu gia tải có đủ độ cứng để tránh dao
động theo phương ngang.
2.2.3. Ảnh hưởng độ không tròn của đĩa
Do bởi độ không tròn của đĩa, như trong
mô hình đo chuyển vị của mẫu Hình 6 (a),
chuyển vị của mẫu là khác nhau trong 1 vòng
quay phụ thuộc vào góc nghiêng của đĩa và
thay đổi theo chu kỳ. Do đó chuyển vị của
mẫu là dạng chuyển động lên xuống theo chu
kỳ. Chuyển vị của cả mẫu và đĩa trong trường
hợp có lớp hạt mài (three-body contact) và
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
126
không có lớp hạt mài (two-body contact)
được mô tả như hình 6 (b).
hparlayer
h =0
o
hparlayer
(b)(a)
Chuyển vị
1 vòng quay
Mô hình mài mòn 3 đối tượng
Mô hình mài mòn 2 đối tượng
Đo chuyển vị của mẫu
Hình 6: Mô hình đo chuyển vị của mẫu trong
mô hình mài mòn 3 đối tượng (a), và chuyển vị
của mẫu và đĩa trong 1 vòng quay (b).
3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH
MA SÁT
Trong báo cáo này trình bày kết quả thí
nghiệm xác định đặc tính ma sát của một mẫu
nhôm AlMg3 với các điều kiện thí nghiệm
được mô tả trong bảng 1.
Bảng 1: Các thông số thực nghiệm của
thí nghiệm xác định đặc tính ma sát
Giá trị
45 x 25 x 5 mm
1
300 x 10 mm
Cát khô silica
125 - 355 µm
100 N
50 mm/s
2 - 3 phút
Các bước thí nghiệm được thực hiện như
sau: (1) Xác định tải trọng danh nghĩa bằng
các khối trọng lượng đặt lên thiết bị đo lực.
(2) Điều chỉnh khe hở ban đầu giữa mẫu và
đĩa quay sao cho diện tích tiếp xúc là lớn
nhất. (3) Điều chỉnh lượng cấp hạt mài
được giữ ổn định trong thời gian thí
nghiệm. (4) Đĩa quay được điều khiển đạt
tới vận tốc yêu cầu. (5) Thiết lập thời gian
thí nghiệm 3 phút.
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong thí nghiệm này, các giá trị thực
nghiệm như lực pháp tuyến Fn, lực tiếp tuyến
Fr được đo đồng thời nhờ cảm biến lực.
Hình 7 cho kết quả của các giá trị đo Fn và Fr
trong toàn bộ thời gian cho một thí nghiệm
như là một ví dụ điển hình với thông số ban
đầu Fn = 100 N và v = 50 mm/s.
µ
5 vòng
Fn
Fr
F & F
nr (N)
Hệ số ma sát µ [-]
Thời gian (s)
Hình 6: Giá trị đo của Fn và Fr tương ứng 5
vòng quay của đĩa.
Từ kết quả thực nghiệm cho thấy giá trị
trung bình của Fn và Fr là khá ổn định, trong
khi đó các giá trị tức thời của các lực này
thay đổi theo chu kỳ sau mỗi vòng quay do
bởi độ không tròn của đĩa quay. Giá trị trung
bình hệ số ma sát µ là không đổi trong thời
gian thực nghiệm. Do đó hệ số ma sát phụ
thuộc vào thông số quá trình như tải trọng
danh nghĩa Fn và v được xác định và dùng
các giá trị này để phân tích đặc tính ma sát
của mô hình mài mòn 3 đối tượng.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chowdhury, M. A., Khalil, M. K., (2011),
The effect of sliding speed and normal load
on friction and wear property of Aluminum.
International Journal of Mechanical &
Mechatronics Engineering IJMME-IJENS,
No. 01.
[2] Chowdhury, M. A. & Nuruzzaman, D. M.
(2013), Experimental Investigation on
Friction and Wear Properties of Different
Steel Materials. Tribology in Industry, No.
1, pp. 42-50.
[3] Das, S., Prasad, O. P. & Yegneswaran, A.
H. (1993), Three-body abrasive wear of
0.98% carbon steel. Wear, 162–164, Part B,
No. 0, pp. 802-810.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5