Bài giảng Chi tiết máy - Chương 12: Hệ thống bôi trơn và làm mát

độ hao mòn của các chi tiết máy; - Làm mát các chi tiết máy do bị nóng khi ma sát; - Bảo vệ chi tiết khỏi han rỉ; - Bảo đảm tính kín khít của bộ phận ma sát; - Liên tục làm sạch chi tiết (do bụi bặm và các hạt mài mòn). Ngoài các chức năng chủ yếu như trên, dầu bôi trơn còn phải thỏa mãn một số yêu cầu khác: - Bảo đảm khả năng làm việc trong một khoảng nhiệt độ, áp suất và vận tốc trượt lớn (rộng); - Điền đầy các lõm nhấp nhô bề mặt; - Tạo sức cản lớn theo phương vuông góc với bề mặt ma sát và nhỏ nhất theo phương tiếp tuyến; - Không gây nổ và cháy;- Không gây ảnh hưởng có hại đến vật liệu chi tiết; - Bảo đảm bôi trơn và lượng dầu ít nhất;- Không thay đổi tính chất khi vận chuyển, bảo quản, cung cấp; - Không tạo cặn (hạt mòn kim loại) nguy hiểm và có hại; - Không sinh bọt;- Không tạo nhũ.... Mỗi loại dầu bôi trơn được đánh giá theo hai hệ chỉ tiêu: - Các tính chất hóa lý (độ nhớt, nhiệt độ bốc cháy, đông đặc, hàm lượng lưu huỳnh, độ cốc, độ tro, độ axit...), thông thường các tính chất này được tiêu chuẩn hóa; - Các tính chất sử dụng: tính chịu tải trọng, tính chống ma sát, tính chống mài mòn, tính chống dính. Tính chịu tải trọng của dầu được coi là áp suất hay tải trọng cực đại mà chất bôi trơn có thể chịu được mà không làm kẹt máy. Chọn đúng dầu bôi trơn một vấn đề hết sức quan trọng. Việc thay đổi dầu bôi trơn thích hợp có thể làm tăng tuổi thọ của ổ lăn lên 2÷8 lần, bộ truyền bánh răng 1,5÷5 lần. Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.2 Vật liệu bôi trơn Trong kỹ thuật người ta sử dụng nhiều dạng bôi trơn khác nhau. Dựa theo dạng của vật liệu bôi trơn người ta phân ra: bôi trơn khí (khí động, khí tĩnh), bôi trơn bằng chất lỏng (dầu, nước...), đặc (mỡ bôi trơn...), rắn (bột graphit...). 1. Dầu bôi trơn: Dầu là vật liệu chủ yếu để bôi trơn máy, chúng cho phép thay thế ma sát ngoài của các vật rắn thành ma sát trong của chất lỏng bôi trơn. Thông thường người ta sử dụng dầu khoáng để bôi trơn. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng dầu thực vật (dầu lanh, dầu thầu dầu) hoặc động vật (dầu sáp sọ cá voi...) để bôi trơn. Dầu khoáng bôi trơn là hỗn hợp bao gồm dầu gốc (base oil) và các chất phụ gia làm bôi trơn, ma sát, làm mát các chi tiết máy, làm kín các khe hở giữa pittông và thành xilanh, bảo vệ máy khỏi bị han rỉ. Tính chất quan trọng của dầu bôi trơn, xác định khả năng bôi trơn gọi là độ nhớt. Độ nhớt hoặc còn gọi là ma sát trong của chất lỏng là tính chất cản trượt của các lớp chất lỏng. Dầu bôi trơn được phân loại chủ yếu theo độ nhớt. Độ nhớt của dầu được ký hiệu: μ - độ nhớt động lực (1cP = 10–3Pa.s đọc là Centipoise); ν - độ nhớt động (1cSt = 1mm2/s đọc là Centistoke). Giữa μ và có sự liên hệ μ=ρν, với ρ là khối lượng riêng của dầu (ρ = 870÷900kg/m3). Độ nhớt của dầu giảm đi khi nhiệt độ tăng lên. Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.2 Vật liệu bôi trơn 1. Dầu bôi trơn (t): Độ nhớt μ ở nhiệt độ bất kỳ có thể xác định theo độ nhớt μ0 khi ở nhiệt độ t0 (thông thường o m 40 C) như sau: μt =μ0.(t0 / t) ; trong đó m là chỉ số mũ, m = 2,6÷3. Độ nhớt dầu bôi trơn được đo bằng nhớt kế. Độ nhớt được tra theo sổ tay tra cứu với nhiệt độ 40oC, 50oC hoặc 100oC. αp Khi áp suất dầu tăng lên thì độ nhớt cũng tăng lên theo: μp = μ0.e ; trong đó: μ0 - độ nhớt dầu khi ở áp suất bình thường; α - hệ số ảnh hưởng của áp suất đối với dầu α = (1,5÷4)10-10Pa-1 ; p - áp suất làm việc của dầu. Khi áp suất 7MPa độ nhớt tăng 20÷25%, khi 15MPa độ nhớt tăng 35÷40%, khi 60MPa tăng 250÷350%. Chọn dầu bôi trơn bộ truyền bánh răng: với các bánh răng bằng thép thì độ nhớt động ν của dầu bôi trơn được xác định theo hệ số χ : - Xác định độ nhớt động ν theo χbr đối với bộ truyền bánh răng; - Xác định độ nhớt động ν theo χtv đối với bộ truyền trục vít. Hệ số χ được xác -5 2 định theo công thức sau: - Đối với bộ truyền bánh răng: χbr = 10 .HHV.σH / v ; - Đối với bộ -3 truyền trục vít: χtv = 10 .σH / vs ; trong đó: HHV - độ rắn bề mặt làm việc cặp bánh răng theo Viko; σH - ứng suất tiếp xúc sinh ra trên bề mặt làm việc, MPa; v - vận tốc vòng bánh răng, m/s; vs - vận tốc trượt bộ truyền trục vít. Đối với hộp giảm tốc lượng dầu Q dùng để bôi trơn khoảng (0,3÷0,7)10-3m3/1kW công suất. Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.2 Vật liệu bôi trơn 2. Mỡ bôi trơn: Trong thực tế sử dụng mỡ bôi trơn khi ma sát lăn, đảm bảo tuổi thọ cao (vài trăm giờ) và một phần là độ kín khít của cụm chi tiết nhưng được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ hạn chế. Mỡ bôi trơn là hỗn hợp của dầu khoáng (mineral oil) và chất làm đặc. Theo thành phần, người ta chia ra: - Mỡ Natri làm việc ở nhiệt độ đến 120oC không hòa tan trong nước; - Mỡ Liti có thể sử dụng khi làm việc ở nhiệt độ cao; - Mỡ có chất làm đặc là Calcium soap làm việc ở nhiệt độ < 60oC, không hòa tan trong nước, biến chất khi gặp nước.... Mỡ loại này sử dụng trong các máy sản xuất giấy và trong các máy móc làm việc ngoài biển hoặc gần biển; - Mỡ tổng hợp là hỗn hợp của dầu nhớt tổng hợp với chất làm đặc như Lithium soap, Bentonite và PTFE (Politetra fluoroethylene). So với dầu, mỡ bôi trơn có các ưu điểm sau: - Hệ số ma sát lớn nên chịu được tải trọng lớn;- Để bảo vệ chi tiết khỏi bẩn hơn dầu; - Giá thành rẻ hơn dầu. Nhược điểm: - Khả năng thoát nhiệt kém hơn nhiều so với dầu; - Mỡ khó được bôi trơn tập trung (có thể dùng khí nén ở áp suất cao); Mỡ bôi trơn có thể dùng trong các trường hợp sau: - Dùng bôi trơn các vị trí không che kín hoặc khó che kín; - Dùng cho các vị trí cần che rất kín; - Dùng bôi trơn các vị trí khó cho dầu thường xuyên. Mỡ bôi trơn không được dùng ở những chỗ ma sát sinh nhiệt nhiều và đòi hỏi thóat nhiệt bằng chất bôi trơn (bộ truyền trục vít). Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.2 Vật liệu bôi trơn 3. Chất rắn bôi trơn: Chất bôi trơn rắn được ứng dụng nhiều nhất là: grafit keo, disunfit molipden. Các chất bôi trơn rắn được sử dụng trong các trường hợp sau: - Trong điều kiện khi chất bôi trơn lỏng và mỡ không đảm bảo khả năng làm việc (nhiệt độ thấp hoặc cao, môi trường chân không, môi trường ăn mòn) hoặc theo điều kiện công nghệ không cho phép (các dụng cụ và thiết bị điện tử hoặc một số thiết bị khác...). - Trong điều kiện ít có sự thay đổi vị trí, khi đó cần phải ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn tiếp xúc và khó giữ được dầu hoặc mỡ bôi trơn, ví dụ khi tháo và lắp mối ghép có độ dôi, thiết bị quay ít khi làm việc, bề mặt lắp các bánh đai hoặc bánh ma sát di trượt.... - Trong trường hợp tác dụng một lần hoặc thời gian phục vụ ngắn. Chất bôi trơn rắn sử dụng rộng rãi cùng với dầu bôi trơn trong trường hợp có áp suất cao và nguy hiểm dính như trong bộ truyền bánh răng hypoit. Phương pháp tin cậy nhất để quét lớp vật liệu bôi trơn rắn - phủ bề mặt bằng phương pháp phun mù hoặc chổi lông. Khi làm việâc trong môi trường chân không, ta cần phủ bề mặt làm việc lớp bôi trơn rắn có cấu tạo dạng lớp: grafit, đisunfit molipđen, nitrit bor.... Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.3 Hệ thống bơi trơn 1. Yêu cầu, phân loại các hệ thống bôi trơn: Các yêu cầu chủ yếu của hệ thống bôi trơn bao gồm: - Hệ thống bôi trơn phải đưa một lượng dầu cần thiết đến các bề mặt làm việc của chi tiết với những phương pháp khác nhau tùy thuộc vào vận tốc, áp suất các bề mặt làm việc và tùy vào chất lượng dầu bôi trơn và kết cấu máy. - Các bộ phận của hệ thống bôi trơn như bơm dầu, lọc dầu, ống dẫn, có cơ cấu phân phối... phải làm việc tin cậy. - Lượng dầu bôi trơn cần phải đảm bảo khả năng điều chỉnh. Vì việc thừa hay thiếu lượng dầu cần thiết đều đưa đến những điều kiện làm việc không bình thường. - Hệ thống bôi trơn phải có khả năng báo hiệu và kiểm tra. - Cần tự động hóa hệ thống bôi trơn đến mức cao nhất. Phương pháp bôi trơn phụ thuộc vào: - Lượng dầu cần bôi trơn trong một khoảng thời gian nhất định; - Áp suất của dầu khi bôi trơn; - Loại dầu (mỡ) dùng để bôi trơn. Dựa theo các cơ sở trên, ta có thể chọn các phương pháp bôi trơn sau đây: Bôi trơn riêng lẻ: phục vụ cho một đối tượng bôi trơn. Có thể dùng tay hoặc cơ cấu đơn giản. Sử dụng khi các bề mặt cần bôi trơn cách xa nhau hoặc bôi trơn bằng các chất bôi trơn khác nhau; Bôi trơn theo nhóm: phục vụ cho một nhóm đối tượng bôi trơn; Bôi trơn tập trung: dùng bơm dầu chung cung cấp dầu cho tất cả mọi nơi cần bôi trơn của máy. Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.3 Hệ thống bơi trơn 2. Các hệ thống bôi trơn thông dụng: a- Bôi trơn bằng tay (bôi trơn gián đoạn, định kỳ): Bôi trơn riêng lẻ bằng tay thường thực hiện bằng cách bơm dầu qua các vú dầu hình 13.13 (hoặc vú mỡ (H.13.15)). Đối với các bề mặt bôi trơn cần có áp suất, ta phải dùng bơm tay để đưa dầu về những vị trí bôi trơn. Hệ thống bôi trơn bằng tay chủ yếu dùng để bôi trơn các bề mặt ít quan trọng, tốc độ v < 3m/ph, chỉ yêu cầu bôi trơn theo chu kỳ: 1 lần/ca, 1 lần/ngày, 1 lần/tuần. Dùng vú dầu hoặc vú mỡ chỉ có thể bôi trơn riêng lẻ hoặc bôi trơn theo nhóm. b- Hệ thống bôi trơn tự động nhỏ giọt và liên tục: Có nhiều kiểu bôi trơn nhỏ giọt và liên tục, tùy theo tính chất quan trọng của các bề mặt làm việc, ta có thể chọn các kiểu sau: - Dùng phễu dầu (dùng bấc bằng vải để thấm dầu và dẫn dầu về vị trí bôi trơn, lượng dầu chứa được trong phễu từ 25, 50, 100cm3; bôi trơn các chi tiết ít quan trọng, các bộ truyền chịu tải thấp và vận tốc nhỏ (v < 2m/s)); - Dùng kim điều chỉnh (điều chỉnh chuyển động của kim khi máy làm việc); - Dùng bể chứa dầu (sử dụng phương pháp này khi vận tốc vòng của các chi tiết ngâm trong dầu nhỏ hơn 15m/s. Đối với bộ truyền bánh răng trụ và bộ truyền xích, khi vận tốc v = 5÷7m/s thì chiều cao ngâm dầu không vượt quá giá trị (0,8÷1,5)p (với p là bước xích hoặc bước răng) nhưng không được nhỏ hơn 10mm); - Dùng bánh răng vung dầu (đối với bộ truyền trục vít, nếu chiều cao mức dầu vượt quá tâm con lăn thấp nhất thì ta dùng bánh tạt dầu; Trong các bộ truyền bánh răng trụ hoặc bánh răng nón do sự chênh lệch giữa các đường kính bánh răng quá lớn ta cũng có thể dùng bánh răng vung dầu); - Dùng hệ thống bơm dầu (khi vận tốc vòng bộ truyền bánh răng hoặc đĩa xích v > 15m/s (đối với trục vít vs > 15m/s) trong hộp giảm tốc hoặc hộp tốc độ có công suất lớn ta dùng hệ thống bơm dầu để phun dầu liên tục vào các bề mặt làm việc các chi tiết. Dầu được chuyển từ hệ thống bơm dầu đến vòi phun hoặc súng phun có áp suất dư khoảng 0,1MPa. Dầu được phun theo chiều vào khớp của cặp bánh răng. Mức dầu trong máy có thể kiểm tra bằng các que thăm dầu hoặc mắt chỉ dầu. Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.3 Hệ thống bơi trơn 2. Các hệ thống bôi trơn thông dụng: Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.4 Hệ thống làm mát Một số máy làm mát có thể có các bộ phận nhiệt độ lên rất cao như buồng đốt của động cơ đốt trong, vùng cắt của máy cắt gọt kim loại. Để đảm bảo cho máy làm việc bình thường, cần phải tản bớt nhiệt đối với những chỗ nóng nhiều và giữ chúng ở nhiệt độ cho phép. 1. Vật liệu làm mát: Vật liệu làm mát có thể là không khí (dùng quạt gió tăng quá trình trao đổi nhiệt với không khí), chất lỏng như nước hoặc dầu hay dung dịch hóa học hoặc chất rắn (bộ tản nhiệt có bề mặt tiếp xúc với môi trường bên ngoài lớn và được chế tạo từ các vật liệu dẫn nhiệt tốt). 2- Các hệ thống làm mát Tùy trường hợp cụ thể, ta có các phương thức làm mát như sau: - Làm mát tự nhiên bằng gió: đối tượng làm mát được chế tạo có nhiều cách tỏa nhiệt và việc thoát nhiệt được thực hiện nhờ gió tự nhiên. Hình thức này thường thấy ở các động cơ xe máy, ôtô, động cơ điện. Cách tỏa nhiệt được chế tạo từ vật liệu có độ dẫn nhiệt cao - Làm mát cưỡng bức bằng gió: dùng quạt gió quạt vào đối tượng làm mát thường thấy ở các máy nhiệt, động cơ điện, ôtô.... - Dùng nước làm mát: xung quanh đối tượng làm mát, ta chế tạo các khoảng trống và đưa nước tuần hoàn vào đó làm mát. Hình thức này thường dùng để làm mát buồng đốt, xilanh động cơ đốt trong trục, dùng nước phun vào như làm mát hệ thống làm nước đá. - Dùng hệ thống bơm: để bơm các dung dịch làm mát vào các bề mặt cắt gọt kim loại. Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.5 Tính toán hệ thống bôi trơn và làm mát Tính toán hệ thống bôi trơn và làm mát bao gồm xác định lưu lượng dầu cần thiết để bôi trơn, công suất bơm, đường kính ống dẫn. Nguyên tắc tính là dựa theo phương trình cân bằng nhiệt: lượng nhiệt sinh ra trong cơ cấu cân bằng với lượng nhiệt thóat ra bởi dầu bôi trơn hoặc làm mát. Nhiệt lượng sinh ra được tính theo công thức: Q = (1 – η)P ; trong đó: P - công suất của chi tiết làm việc; η - hiệu suất. Nhiệt lượng thoát ra theo dầu chảy qua trong thời gian 1 giây: Qt = C.ρ0.q.Δt o 3 trong đó: C - nhiệt dung riêng của dầu: C = 1,7÷2,1KJ/kg C ; ρ0 = 800÷900kg/m - khối lượng riêng của dầu bôi trơn; q - lưu lượng của dầu chảy qua chi tiết trong thời gian 1 giây (m3/s) ; Δt - sự thay đổi nhiệt độ của dầu. Giả sử Q = Qt (bỏ qua sự thoát nhiệt qua các bộ phận khác): q = (1- μ).P / (C.p0.Δt) 3 Bơm dầu thông thường cần phải có lưu lượng lớn hơn, do đó: qb = K.q (m /s) ; trong đó K là hệ số nằm trong khoảng (1,4÷1,6). 3 3 Công thức xác định qb có thể viết dưới dạng sau: qb = 60K.q (m /ph) ; qb = 60.10 K.q (l/ph) Công suất bơm được tính theo hệ thức: Pb = ρ0.qb.H / (102.ηb) trong đó: H - chiều cao cột dầu cần thiết để bôi trơn nếu kể đến tổn thất trên đường ống (m); ηb - hiệu suất của bơm (ηb = 0,75÷0,85). Chương 12. Hệ thống bơi trơn và làm mát 12.5 Tính toán hệ thống bôi trơn và làm mát (t) Trường hợp cần đưa dầu lên độ cao H (m) và lượng dầu phun ra cần có áp suất p (Pa) để dầu có thể đưa vào bề mặt làm việc có áp suất p’ (p > p’) thì công suất Pb được tính như sau: 3 Pb = ρ0.qb.H / (102.ηb) + p.qb /(10 .ηb) Tốc độ dẫn dầu trong ống theo kinh nghiệm có thể lấy v = 1m/s là hợp lý. Từ đây suy ra đường kính ống dẫn: D = √4.qb /(π.v) Thể tích thùng dầu nên lấy theo công thức kinh nghiệm: V = (5÷6)qb (l/ph) Nếu ta cần bơm n vị trí, theo các công thức trên ta xác định lưu lượng và công suất bơm cho từng vị trí: qbi, pbi (i = 1 n) lưu lượng Σqb và Σpb tổng cộng sẽ là: Σqb =Σ qbi ; Σpb =Σpbi Từ các giá trị qb, pb ta tìm được loại bơm cần thiết. HẾT CHƯƠNG 12