Thạc Sĩ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy khảo nghiệm ma sát, hao mòn, bôi trơn dùng trong ngành kỹ thuật tàu

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN DÙNG TRONG NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . 6
ĐẶT VẤN ĐỀ . 9
Chương 1: NHỮNG KHÁINIỆM VỀ MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN. 12
1.1. Ma sát: [5] 12
1.1.1. Khái niệm và phân loại ma sát 12
1.1.2. Các thuyết cơ học về ma sát ngoài 12
1.1.3. Các thuyết phân tử về ma sát ngoài .16
1.1.4. Thuyết năng lượng về ma sát 20
1.1.5. Thuyết ma sát dựa trên các cơ chế mòn diễn ra trên bề mặt tiếp xúc .21
1.2. Khái niệm và phân loại hao mòn [5] .25
1.2.1. Khái niệm hao mòn .25
1.2.2. Phân loại hao mòn 26
1.2.3. Các dạng hao mòn 27
1.3. Bôi trơn ma sát trong điều kiện bôi trơn ướtt khác nhau [6] .31
1.3.1. Khái niệmvà phân loại .31
1.3.2. Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R 1 .32
1.3.3. Bôi trơn ướt hoàn toàn 5 R 100 32
1.3.4. Bôi trơn trong trường hợp ma sát thuỷ động đàn hồi 1 R 10 33
1.3.5. Bôi trơn điều kiện ma sát hỗn hợp R 5 .33
1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng chính đến trạng thái ma sát và bôi trơn .33
1.4. Nhận xét 37
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÔNG
DỤNG ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT . 39
2.1. Các phương pháp mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm
ma sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn [5, 6] 39
2.1.1. Một số sơ đồ phương pháp đơn giản để xác định giá trị của hệ số ma sát 40
2.1.2. Phương pháp giao thoa ánh sáng 41
2.2. Các tiêu chuẩnkhảo nghiệm quy định của ASTM .43
- 2 -2.3. Các phương pháp và tiêu chuẩn khảo nghiệm xác định hệ số ma sát .44
2.4. Thiết bị thông dụng để khảo nghiệm ma sát, mòn, bôi trơn 47
2.4.1. Máy 4 bi .47
2.4.2. Máy Timken .48
2.4.3. Máy đo lực ma sát KE –1 .49
2.4.4. Máy khảo nghiệm độ mòn TE97 .49
2.4.5. Máy thử nghiệm mài mòn ma sát vạn năng model E53SLIM 50
2.4.6. Máy khảo nghiệm ma sát mòn EFM-III-1010 50
2.4.7. Máy đo ma sát –mòn của mẫu thử với các môi trường khác nhau .51
2.4.8. Máy khảo nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM-G77 52
2.5. Phương tiện nghiên cứuma sát, hao mòn, bôi trơn tại Đại học Nha Trang52
2.5.1. Máy khảo nghiêm ma sát MS –TS2 52
2.5.2. Máy khảo nghiêm ma sát MS –TS1 53
2.6. Nhận xét 54
2.7. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 55
2.7.1. Mục đích nghiên cứu 55
2.7.2. Nhiệm vụ nghiên cứu 55
Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
MÁY . 56
3.1. Chọn phương án thiết kế .56
3.2. Xác định các yêu cầu kỹ thuật .56
3.3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy .57
3.3.1. Cấu tạo máy khảo nghiệm ma sát 58
3.3.2. Nguyên lý hoạt động .59
3.4. Thiết kế, chế tạo chi tiết máy [1, 2, 3, 4, 10, 11, 12, 13] .59
3.4.1. Tính toán chọn động cơ .59
3.4.2. Tính toán bộ truyền đai .60
3.4.3. Tính toán các chi tiết máy .62
3.5. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử [5, 7, 8, 9, 14, 15, 16, 17, 18] 74
3.5.1. Sơ đồ khối và chức năng hoạt động của hệ thống 74
3.5.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển: 74
3.5.3. Thiết bị: 75
- 3 -3.5.4. Phương pháp xử lý số liệu [5] 82
3.5.5. Thuật toán điều khiển 86
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 90
4.1. Bản vẽ thiết kế máy 90
4.2. Phầncứng và chương trình điều khiển máy .90
4.2.1. Phần cứng . 90
4.2.2. Chương trình điều kiển .94
4.3. Thiết bị khảo nghiệm ma sát 99
4.3.1. Thông số kỹ thuật máy 99
4.3.2. Máy khảo nghiệm ma sát .100
4.4. Kết quả thử nghiệm máy . 102
4.4.1. Thử nghiệm đo ma sát 102
4.4.2. Kết quả đo hệ số ma sát 105
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
PHỤ LỤC 1
PHỤ LUC 2

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các vấn đề chung liên quan đến độ tin cậy, tuổi thọ của máythì vấn đề
Ma sát, mòn, bôi trơn(Tribology) có vai trò quan trọng. Nó quyết định đến trên 95%
độ tin cậy và tuổi thọ của máy và thiết bị, phần lớn máy móc bị hỏng không phải do
gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt ma sát trong các mối liên kết động. Phục hồi
máy móc phải tốn phí nhiều tiền của, vật tư, hàng chục vạn công nhân phải tham gia
công việc này, hàng vạn máy công cụ được sử dụng trong các phân xưởng sửa chữa.
Theo một số nhà nghiên cứu có uy tín trên Thế giới, hàng năm ma sát đã lấy đi
của loài người 30 -35% năng lượng được sản xuất ra [5]. Cũng phải nói thêm rằng,
hàng năm trên Thế giới hàng trăm ngàn các máy móc thiết bị loại ra khỏi dây chuyền
sản xuất do hậu quả của hao mòn. Từ đó ta thấy việc nghiên cứu Tribology và ứng
dụng những kết quả nghiên cứu vào sản xuất có ý nghĩa kinh tế đến nhường nào, nhất
là đối với đất nước ta khi mà trình độ khoa học kỹ thuật nói chung cũng như trình độ
về sử dụng các thiết bị và máy móc còn nhiều hạn chế nếu như không nói là ở trình độ
thấp
a. Ngoài nước
Trên thế giới, ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật, các
nước Tây Âu, Bắc Âu Kỹ thuật ma sát được hết sức coi trọng từ quan điểm tiết kiệm
về vật liệu và nhân lực, vì vậy thu hút được sự quan tâm của các nhà thiết kế công
nghiệp, người sử dụng và các nhà khoa học. Nhiều giải pháp đã được nghiên cứu và
ứng dụng nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc song giá thành sản phẩm của các thiết
bị nghiên cứu còn quá cao, chưa phù hợp với thị trường ở nước ta tại thời điểm này.
Mặt khác các kết quả nghiên cứu và công nghệ ngày nay thường được giấu, mà chỉ
bán công nghệ mới chuyển giao công nghệ.
b.Trong nước
Từ thập niên 90 của thế kỷ 20 các nhà khoa học củatrường đại học Bách khoa
Hà Nội, sau đó là Trường đại học Nha Trang đứng đầu là PGS.TS Quách Đình Liên,
PGS.TS Dương ĐìnhĐối, PGS.TS Nguyễn Văn Ba đã nghiên cứu sáng chế thành
công một số máy khảo nghiệm ma sát, bước đầu đã đạt được nhiều thành công đáng
trân trọng, ứng dụng trong việc giảng dạy, nghiên cứu.
Tuy nhiên do máy được chế tạo từ những năm 90 của thế kỷ trước đã quá cũ mà
các cơ cấu chính của máy và thiết bị đo được chế tạo bằng các cơ cấu cơ khí nên độ tin
- 10 -cậy chưa cao, vì vậy việc lấy được số liệu chính xác của cặp ma sát nghiên cứu đã và
đang gặp nhiều khó khăn.
Như chúng tađã biết, tiến bộ không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật nói
chung và ngành Cơ khí, Điện tử, Tin học (Cơ điện tử) nói riêng đang trên đà phát triển
mạnh mẽ. Đã và đang được ứng dụng ít nhiều vào hầu hết các lĩnh vực hoạt động của
xã hội. Đến nay ngành (cơ điện tử)là một ngành khó có thể thiếu được trong xã hội.
Các thiết bị, máy móc do ngành cơ điện tử tạo ra đã trở nên quen thuộc với đời sống
của chúng ta.
Thiết kế, chế tạo thành công máy khảo nghiệm ma sát mòn bôi trơn, nhằm mục
đích phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu và ứng dụng, giúp cho các nhà thiết kế,
chế tạo chọn đúng vật liệu cho các cặp ma sát và vật liệu bôi trơn tương ứng. Góp
phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu, cũng như nâng cao tuổi thọ của máy
móc giảm giá thành sản phẩm.
Với các yêu cầu cấp thiết có cơ sở khoa học và thực tiễn trên, chúng tôi chọn
nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA
SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN DÙNG TRONG NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY”.
Hy vọng kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ gópphần tạo ra phương tiện nghiên
cứu khảo nghiệmvề các đặc trưng ma sát đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra, có
thể sử dụng một cách tin cậy trong nghiêncứu phối hợp các tính chất của vật liệu kỹ
thuậttrang bị trên tàu thuỷ nói riêng và máy móc nói chung, thực hiện chương trình
công nghiệp hoá -hiện đại hoá do Đảng ta phát động. Đồng thời chúng tôi cũng hy
vọng, thiết bị này sẽ đóng góp tích cực cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học
của nhà trường trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ vật liệu mới.
Do tính đa dạng của vấn đề, trong khả năng và điều kiện cho phép chúng tôi chỉ
tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy khảo nghiệm ma sát dạng tiếp xúc
mặt và tiếp xúc điểm. với các nội dung chính như sau:
1. Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu được công bố ở Việt nam và thế giới.
2. Xác định các yêu cầu kỹ thuậy của máy.
3. Xây dựng sơ đồ động học.
4. Thiết kế chế tạo máy và thử nghiệm máy.

CHƯƠNG1: NHỮNG KHÁINIỆM VỀ MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN
1.1. Ma sát: [5]
1.1.1. Khái niệm và phân loại ma sát
Ma sát là khái niệm về các hiện tượng tương tác diễn ra ở khu vực tiếp xúc có
chuyển dịch tương đối giữa các bề mặt của vật thể, dưới tác dụng của lực, kết quả cuả
nó là sự cản trở xu hướng chuyển động của các vật thể.
Thước đo độ lớn của ma sát là lực cản tiếp tuyến với phương chuyển động của
vật thể. Trong trường hợp giữa hai bề mặt tiếp xúc có dịch chuyển tương đối ta có ma
sát động và nếu như vận tốc tương đối giữa 2 bề mặt bằngkhông ta có ma sát tĩnh. Do
đặc tính tiếp xúc, chuyển động và sự có mặt hay không của môi trường bôi trơn người
ta phân ma sát thành các loại như được trình bày trên (hình 1.1).
1.1.2. Các thuyết cơ học về ma sátngoài
1.1.2.1. Thuyết Coulomb
Cuối thế kỷ 18 Coulomb đưa ra định luật ma sát khô, đ ược biểu diễn bởi đẳng thức:
T = N + A (1.1)
Trong công thức trên A là phần hiệu đính của công thức Amontons. Nó biểu
diễn một phần lực cản ma sát, phụ thuộc vào tác dụng giữa các phân tử của các bề mặt
tiếp xúc. Coulomb cho rằng A là một hằng số đối với mặt phẳng và không phụ thuộc
vào giá trị của áp lực N cũng như tính chất bề mặt tiếp xúc.
Hình 1.1: Phân loại các dạng ma sát
MA SÁT KHÔNG CÓ LỢI CÓ LỢI
Theo dạng tiếp
xúc
Theo dạng chuyển
động
Theo tính chất
Chuyểnđộng
Ma sátkhô Ma sát tĩnh Ma sát trượt
Ma sát ướt
Ma sát giớihạn
Ma sát hỗn hợp
Ma sát lăn
Ma sát lăn-trượt
Ma sát động
- 13 -Từ những giả thuyết trên người ta đã đưa ra 3 định luật về ma sát:
- Định luật thứ nhất: Lực ma sát có giá trị tỉ lệ với áp lực pháp tuyến.
- Định luật thứ hai: Lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.
- Định luật thứ ba: lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc tượt.
1.1.2.2. Thuyết của Bowden
Lý thuyết xây dựng trên cơ sở phân tích đến đặc tính dẻo của các biến dạng trên
bề mặt tiếp xúc thực tế của vật rắn. Nó được thiết lập nhờ các thực nghiệm các mối
ghép kim loại và được tiến hành trên thiết bị có tên nhà bác học -thiết bị Bowden -Leben. Trên cơ sở các kết quả rút ra từ thực nghiệm ông đưa ra giả thuyết: Giá trị của
hệ số ma sát cũng như đặc tính phá hoại bề mặt xuất hiện khi chịu ma sát trượt được quyết
định bởi tính chất vật lý của bề mặt các vật tiếp xúc.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Ba, “Sức bền vật liệ”u, Nhà xu ất bản Nông Nghiệp.
2. Trịnh Chất (2005), “Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy”, Nhà xuất bản
KH&KT.
3. Nguyễn Trọng Hiệp, “Chi tiết máy”, Nhà xuất bản GD.
4. TS. Nguyễn Hữu Lộc (2004), “Sử dụng AutoCAD 2004”, Nhà xuất bản tổng
hợp Thành phố Hồ Chí Minh
5. PGS.TS. Quách Đình Liên (2009), “Ma sát và hao mòn”, Đại học Nha trang.
6. PGS.TS. Quách Đình Liên (2009), “Nguyên lý bôi trơn và vật liệu bôi trơn”,
Đại học Nha trang.
7. Văn Thế Minh (2007),”Vi xử lý”,NXB Giáo Dục.
8. Tống Văn On (2008), “Họ vi điều khiển 805”1, NXB KH&KT
9. Ngô Diên Tập (2003), “Kỹ thuật Vi điều khiển với AVR”, NXB KH&KT
10. PGS.TS Phạm Hùng Thắng. “Giáo trình hướng dẫn thiết kế đồ án môn học
chi tiết máy”, Nhà xuất bản Nông Nghiệp.
11. PGS.TS Phạm Hùng Thắng. “Cơ sở thiết kế máy”, Nhà xuất bản NN.
12. Ninh Đức Tốn, “Dung sai và lắp ghép” NXB KH&KT
13. PGS. Hà Văn Vui, Nguyễn Chi Sáng, Phan Đăng Phong, “Sổ tay thiết kế cơ
khí”,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
Tiếng Anh
14. Ronaid J.Tocci, frank J.Ambrosio (2003), Microprofessors and
microcpmputers hardware and sofwware,Prentice Hall.
15. Willis J.Tompkin, Jonh G.webster (1998), Interfacing Sensors To The Pc,
Prentice Hall.
16. Microprocessor Interfacing techniques, R. Zaks & A. Lease,Sybex
17. Micro Processor and Interfacing, D. Hall, McGraw Hill;
18. Web
1. http://atmel.com
2. http://alldatasheet.com
3. http://avrvietnam.com
4. http://www.diendandientu.com