Chìa khóa để lựa chọn chất bôi trơn thích hợp

Tribology – nghiên cứu về ma sát, bôi trơn và mài mòn – đã trở thành cơ sở để lựa chọn chất bôi trơn. Các yêu cầu bôi trơn cho một ứng dụng nhất định có thể được xác định bằng cách kiểm tra ảnh hưởng của các thông số hệ thống ma sát đối với hóa chất bôi trơn.

Hình 1. Độ nhớt tối thiểu cho phép để bôi trơn vòng bi phần tử lăn ở nhiệt độ hoạt động

Hệ thống sinh học

Trước khi có thể chọn chất bôi trơn thích hợp, hệ thống phân tích phải được xác định. Hệ thống này bao gồm loại chuyển động, tốc độ, nhiệt độ, tải trọng và môi trường hoạt động.

Khi các thông số hệ thống này được xác định, kỹ sư bôi trơn (hoặc kỹ sư tribo) có thể sử dụng các hóa chất bôi trơn khác nhau để chọn chất bôi trơn sẽ tối ưu hóa hiệu suất của ứng dụng. Bởi vì mỗi hóa học có những ưu điểm và nhược điểm, điều quan trọng là phải chọn một hóa học thích hợp để giải quyết từng thông số của hệ thống tam giác học.

Ngoài ra, kỹ sư bôi trơn phải phân tích ứng dụng dựa trên hệ thống cống đã được xác định. Phân tích này bao gồm các yếu tố như yếu tố tốc độ, bôi trơn elastohydrodynamic (EHD), tính toán tuổi thọ vòng bi, bôi trơn áp suất cực đại, bôi trơn khẩn cấp và các yêu cầu ứng dụng đặc biệt khác nhau.

Loại chuyển động

Tham số đầu tiên của hệ thống cống liên quan đến loại chuyển động. Chuyển động có thể trượt, điều này sẽ yêu cầu lý thuyết bôi trơn thủy động lực học để phân tích, hoặc lăn, trong trường hợp đó lý thuyết bôi trơn EHD sẽ được áp dụng.

Trượt và lăn kết hợp cũng là một dạng chuyển động có thể xảy ra trong các ổ trục phần tử lăn nhất định bao gồm ổ lăn hình côn. Trượt trong vùng sườn có thể xảy ra trong ổ trục này, nhưng các phần tử lăn lăn trên bề mặt mương. Chất bôi trơn bảo vệ các loại chuyển động này có thể được tối ưu hóa với các chất hóa học cụ thể. Một số hóa chất bôi trơn có hiệu quả trong các tiếp điểm trượt nhưng không hoạt động tốt trong các tiếp điểm lăn.

 

Hình 2. k Giá trị

Tốc độ

Tốc độ là thông số thứ hai trên hệ thống cống. Tốc độ của vòng bi phần tử con lăn có thể được chia thành các phạm vi chung: nhanh, trung bình và chậm. Phạm vi cụ thể cho từng loại tốc độ này có thể được đặt bằng cách sử dụng hệ số tốc độ, như được định nghĩa trong Công thức 1:

Phương trình 1

Đường cong Stribeck là đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số ma sát và số không thứ nguyên hn / P, trong đó h là độ nhớt động lực, n là tốc độ và P là tải trọng trên một đơn vị diện tích hình chiếu. Theo đường cong này, có một tốc độ tối ưu cho tiếp điểm được bôi trơn. Biết được tốc độ tiếp xúc, có thể chọn chất bôi trơn có các thuộc tính vật lý tối ưu để giảm thiểu ma sát.

 

Nhiệt độ

Thông số thứ ba là nhiệt độ. Tất cả các chất bôi trơn đều có phạm vi nhiệt độ cụ thể để có hiệu suất tối ưu. Nhiều chất bôi trơn có dải nhiệt độ hoạt động rộng; tuy nhiên, một số chất bôi trơn phù hợp hơn với nhiệt độ thấp hơn. Ví dụ, có một số loại mỡ bôi trơn bằng dầu gốc hydrocacbon tổng hợp và chất làm đặc phức hợp bari có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp đến -60 ° C.

Các chất bôi trơn khác được thiết kế cho các ứng dụng nhiệt độ cao, chẳng hạn như mỡ bôi trơn bằng dầu gốc ete béo perfluorinated được làm đặc bằng polytetrafluoroethylen (PTFE) có thể bôi trơn ổ trục xích lò ở 220 ° C trong hơn 15.000 giờ. Biết được nhiệt độ của hệ thống cống rãnh cho phép kỹ sư chọn chất bôi trơn sẽ mang lại tuổi thọ và hiệu suất hoạt động tối ưu ở nhiệt độ ứng dụng.

Hình 3. Hệ số độ nhớt áp suất cho năm loại dầu trong phạm vi áp suất 0 đến 2.000 bar

Tải

Tải trọng, thông số thứ tư, là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến yêu cầu của chất bôi trơn. Tải trọng nhẹ có thể cho thấy ứng dụng nhạy cảm với mômen ma sát, và do đó phải chọn chất bôi trơn để giảm thiểu ma sát chất lỏng trong khi vẫn bảo vệ khỏi ma sát kim loại với kim loại. Ở phía đối diện là một ứng dụng được tải nặng, có thể yêu cầu các chất phụ gia cụ thể để giúp bảo vệ khỏi bị rỗ, chảy nước và mài mòn nghiêm trọng.

Môi trường hoạt động

Tham số cuối cùng của hệ thống phân tích là môi trường hoạt động của ứng dụng. Nếu môi trường bao gồm độ ẩm hoặc nước, chất bôi trơn phải cung cấp các đặc tính chống ăn mòn tốt cũng như khả năng chống rửa trôi hoặc nhiễm bẩn do nước. Nếu ứng dụng hoạt động trong chân không hoặc chân không một phần, áp suất khí quyển của ứng dụng phải nằm trong giới hạn hoạt động của chất bôi trơn và cao hơn áp suất hơi của nó ở nhiệt độ hoạt động.

Nếu ứng dụng yêu cầu sự hiện diện của một số chất lỏng hoặc hơi hóa học nhất định, chất bôi trơn được chọn phải có khả năng chống lại các hóa chất này. Ngay cả một môi trường lý tưởng, chẳng hạn như phòng máy tính hoặc cơ sở chế biến trong phòng sạch, cũng có thể có các yêu cầu cụ thể đối với chất bôi trơn giảm tiếng ồn trong vòng bi của phần tử lăn hoặc thiết bị.

Các lý thuyết phân tích sinh vật học

Năm thông số của hệ thống cống phải được xem xét và phân tích để chọn chất bôi trơn tốt nhất cho ứng dụng. Tuy nhiên, thông tin thu được bằng cách xác định các thông số hệ thống cống cũng cung cấp dữ liệu để phân tích kỹ thuật chuyên sâu hơn.

Lý thuyết bôi trơn EHD

Một dạng phân tích quan trọng liên quan đến lý thuyết bôi trơn cho ổ trục phần tử lăn. Lý thuyết bôi trơn Elastohydrodynamic (EHD), đôi khi được gọi là EHL, được sử dụng để xác định độ dày màng của chất bôi trơn khi tiếp xúc lăn. Con lăn và rãnh có thể minh họa các yếu tố ảnh hưởng đến độ dày màng tối thiểu, h0, trong khu vực tiếp xúc của lăn. Giả sử rằng cả hai bề mặt đều hoàn toàn nhẵn, chúng ta có thể xác định độ dày màng tối thiểu, h0 trong tình huống tiếp xúc lăn theo Công thức 2, cơ sở cho lý thuyết bôi trơn EHD:

Ở đâu

Phương trình 2

Các kỹ sư bôi trơn sử dụng lý thuyết bôi trơn EHD để chọn độ nhớt thích hợp của chất bôi trơn. Mỗi biến trong phương trình 2 có tác động cụ thể đến độ dày cuối cùng của màng. Hầu hết các biến này nằm dưới sự kiểm soát của người thiết kế ứng dụng, nhưng một số biến số cũng có thể nằm dưới sự kiểm soát của kỹ sư bôi trơn. Một trong những mối quan tâm chính của kỹ sư bôi trơn là sự thay đổi trong một biến số cụ thể sẽ ảnh hưởng như thế nào đến độ dày của màng.

Từ phương trình 2, có thể xác định rằng nếu hệ số áp suất-độ nhớt (a) tăng gấp đôi, thì độ dày của màng tăng lên 51%. Biết hệ số áp suất-độ nhớt của các hóa chất bôi trơn khác nhau, kỹ sư bôi trơn có thể thay đổi độ dày màng bằng cách thay đổi hóa chất bôi trơn. Các đặc tính vật lý còn lại của chất bôi trơn không bị thay đổi.

Một biến số khác liên quan đến chất bôi trơn trong Công thức 2 là độ nhớt động lực học, h. Độ nhớt động lực có thể liên quan trực tiếp đến độ nhớt động học , và nếu nó tăng gấp đôi, sẽ làm tăng độ dày màng lên 62 phần trăm. Bằng cách tăng gấp đôi vận tốc của ổ lăn, độ dày màng của chất bôi trơn một lần nữa có thể tăng thêm 62 phần trăm. Kỹ sư bôi trơn không kiểm soát được tốc độ của ứng dụng, nhưng biết tốc độ ảnh hưởng như thế nào đến độ dày màng là điều quan trọng đối với việc lựa chọn chất bôi trơn khi ứng dụng có khả năng thay đổi tốc độ. Các biến số bổ sung có tác động ít hơn đến độ dày màng của chất bôi trơn.

Hình 4. Độ dày màng và mômen ma sát đối với dầu gốc và năm loại mỡ như các chức năng của tốc độ vòng biMặc dù thông tin trong Phương trình 2 là quan trọng đối với các tiêu chí lựa chọn chất bôi trơn, nhưng độ dày màng EHD không được sử dụng trực tiếp vì trên thực tế, các bề mặt không hoàn toàn nhẵn. Thay vì độ dày màng tối thiểu, kỹ sư bôi trơn làm việc với độ dày màng cụ thể, l, được định nghĩa là tỷ số giữa độ dày màng EHD trung bình hoặc trung bình, a và độ nhám bề mặt tổng hợp của các tiếp điểm cán s (phương trình 3).

Ở đâu

Phương trình 3

Từ phương trình 3, rõ ràng là nếu độ dày riêng của màng gần bằng 0, thì sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại tại điểm ma sát sẽ tăng lên đáng kể. Sự tiếp xúc kim loại tăng lên này tạo ra sự mài mòn không thể chấp nhận được. Khi l = 1, ổ trục sẽ chỉ tách một phần các kim loại ra và một số tiếp xúc kim loại với kim loại vẫn sẽ xảy ra.

Tại thời điểm này xảy ra quá trình chuyển đổi từ bôi trơn biên thành bôi trơn hỗn hợp. Khi độ dày màng cụ thể tăng trên 1 và tiếp cận các giá trị lớn hơn 3, sẽ có sự giảm tiếp xúc giữa kim loại với kim loại và giảm độ mài mòn liên quan. Khi l = 3 đến 4 hoặc lớn hơn, có sự phân tách hoàn toàn kim loại giữa các đỉnh, cho thấy màng chất lỏng được bôi trơn đầy đủ và không bị mài mòn.

Giá trị Lambda lớn hơn 4 là có thể và đôi khi là mong muốn, đặc biệt là khi có tốc độ thay đổi và hoặc tải xung kích. Tuy nhiên, khi l tăng vượt quá 4, ma sát chất lỏng bên trong có thể tăng lên và tạo ra quá nhiều nhiệt và tiêu thụ năng lượng tùy thuộc vào tốc độ ổ trục tương đối và độ nhớt của dầu .

Độ nhớt yêu cầu

Nghiên cứu được tài trợ bởi các nhà sản xuất vòng bi đã giúp tính toán độ nhớt yêu cầu tối thiểu của chất bôi trơn V1 để có được sự tách biệt của các bề mặt chuyển động. Biểu đồ trên Hình 1 có thể được sử dụng để xác định giá trị của V1 từ đường kính ổ trục trung bình, dm và tốc độ vận hành, n.

Ví dụ, nhập vào dưới cùng của biểu đồ với đường kính trung bình của ổ lăn phần tử lăn (100 mm), sau đó tiến hành theo phương thẳng đứng với tốc độ của ổ trục (2.000 vòng / phút). Vẽ một đường theo chiều ngang về bên trái sau đó cung cấp độ nhớt cần thiết (10mm2 / s) để đạt được l = 1 trong ứng dụng cụ thể này ở nhiệt độ hoạt động đã cho.

Khi biết độ nhớt tối thiểu cần thiết, V1, ở nhiệt độ hoạt động, kỹ sư bôi trơn sau đó có thể chọn chất bôi trơn thích hợp dựa trên độ nhớt cụ thể, k, được định nghĩa là tỷ lệ giữa độ nhớt thực tế, V, của chất bôi trơn đã chọn với độ nhớt tối thiểu cần thiết độ nhớt, V1. Với thông tin này, kỹ sư sẽ cố gắng chọn chất bôi trơn để đáp ứng chế độ bôi trơn màng chất lỏng đầy đủ cho ứng dụng. Nếu điều này là không thể, thì tùy chọn khả dụng tiếp theo là chọn chất bôi trơn cung cấp sự bảo vệ tốt nhất cho ứng dụng.

Hình 2 cho thấy k liên quan như thế nào đến cả việc lựa chọn chất bôi trơn và tuổi thọ vòng bi dự kiến. Tại k giá trị dưới 1, thường được chấp nhận rằng phụ gia EP sẽ được yêu cầu để giảm thiểu ảnh hưởng của các điều kiện bôi trơn biên. Khi k tiếp cận 1, tuổi thọ tiếp cận với tuổi thọ danh định L của ổ trục theo tiêu chuẩn DIN ISO 281. Tại k giá trị trên 1, trên thực tế, có thể vượt quá giá trị L của ổ trục, có thể tới 2,5 lần .

Khi k tiếp cận 4, tuổi thọ vòng bi đạt đến mức tối đa (tất cả các giá trị khác đều bằng nhau) trong khi k giá trị trên 4 có thể gây ra tăng ma sát chất lỏng, lực cản nhớt, trượt bi và các tác dụng không mong muốn khác. Người ta thường chấp nhận rằng các giá trị ê trong phạm vi 1 đến 2,5 là tối ưu cho hầu hết các ứng dụng ổ trục.

Nếu ứng dụng phải được vận hành trong chế độ bôi trơn biên, thì các chất phụ gia cụ thể phải được cung cấp để bảo vệ các điểm tiếp xúc kim loại. Nếu ứng dụng đang hoạt động trong chế độ bôi trơn tiếp cận với bôi trơn màng chất lỏng hoàn toàn, các chất phụ gia cực áp này có thể bị loại bỏ khỏi chất bôi trơn.

Điểm Cân nhắc

Lý thuyết EHD là một công cụ có giá trị trong việc hướng dẫn kỹ sư bôi trơn lựa chọn chất bôi trơn phù hợp. Nếu kỹ sư bôi trơn sử dụng độ nhớt cụ thể như một phần của tiêu chí lựa chọn, thì các giả định được sử dụng trong phân tích phải được xem xét, cùng với các biến có thể kiểm soát được. Hai điểm cụ thể cần được xem xét:

1. Tính toán độ dày màng (h0), độ dày màng riêng (l) và biểu đồ được sử dụng để xác định độ nhớt yêu cầu (V1) đều dựa trên hệ số áp suất-độ nhớt (a) của dầu khoáng. Hình 3 cho thấy hệ số độ nhớt áp suất đối với dầu khoáng và bốn loại dầu khác trong phạm vi áp suất từ ​​0 đến 2.000 bar.
2. Dầu được coi là thành phần bôi trơn duy nhất của dầu nhớt. Trong dầu mỡ, người ta tin rằng hệ thống làm đặc không góp phần vào độ dày màng bôi trơn. Tuy nhiên, hệ thống làm đặc có thể có ảnh hưởng đáng kể đến độ dày của màng.

Hình 4 nghiên cứu tài liệu xác định ảnh hưởng của hệ thống làm đặc dầu mỡ lên độ dày thực tế của màng. Biểu đồ trên cho thấy một loại mỡ làm đặc bằng đất sét sẽ làm giảm độ dày màng của ứng dụng xuống gần 50% độ dày màng do dầu gốc cung cấp . Mỡ được làm đặc bằng xà phòng phức bari có tác dụng ngược lại là gần như tăng gấp đôi độ dày màng so với dầu gốc.

Tuy nhiên, như thể hiện trong biểu đồ dưới trong Hình 4, ưu điểm của việc tăng độ dày màng chịu tải đi kèm với nhược điểm của mômen ma sát. Trong khi mỡ làm đặc bằng đất sét làm giảm độ dày màng, nó có lợi ích là giảm mômen ma sát trong ổ trục. Tác dụng ngược lại được quan sát thấy đối với dầu mỡ được làm đặc bằng xà phòng phức hợp bari.

Hệ số tốc độ và thiết kế vòng bi

Tốc độ là một thông số khác của hệ thống cống cần phân tích chi tiết hơn. Hệ số tốc độ tính toán cho ổ trục phần tử lăn, được định nghĩa là tích số của tốc độ ổ trục (n) và đường kính ổ trục trung bình (dm), không nhất quán đối với tất cả các ổ trục có cùng kích thước và tốc độ. Kỹ sư bôi trơn phải áp dụng hiệu chỉnh hệ số tốc độ tính toán, tùy thuộc vào thiết kế ổ trục.

Tiêu chí lựa chọn chất bôi trơn

Hệ thống sinh học

Phân tích hệ thống phân tích đối với một ứng dụng nhất định là cần thiết để lựa chọn chất bôi trơn thích hợp.

• Phạm vi nhiệt độ dịch vụ
• Hệ số tốc độ (ndm)
• Bôi trơn thủy động lực học
• Bôi trơn Elastohydrodynamic
• Áp lực cực đoan
• Bôi trơn khẩn cấp
• Phiền muộn

Yêu cầu đặc biệt

Nhiều ứng dụng có các yêu cầu đặc biệt vượt ra ngoài hệ thống phân tích phải được xem xét. Một số ứng dụng được giới hạn ở dầu, trong khi những ứng dụng khác yêu cầu mỡ. Các ứng dụng liên quan đến việc sử dụng vòng bi thiêu kết hoặc các bố trí làm kín đặc biệt sẽ yêu cầu phân tích bổ sung. Khả năng tương thích vật liệu là một vấn đề quan trọng khác.

Những yêu cầu khác

Việc lựa chọn chất bôi trơn cũng có thể bị ảnh hưởng bởi một loạt các yêu cầu chuyên biệt khác:

• Thiết kế cuộc sống
• Thiết bị bôi trơn
• Khoảng thời gian tái bôi trơn được chấp nhận
• Giá cả
• Các chứng nhận đặc biệt như đăng ký NSF
• Khả năng phân hủy sinh học

Chất bôi trơn đa dụng không thể cung cấp dịch vụ thỏa đáng trong các môi trường đòi hỏi khắt khe hiện nay. Hiệu suất dầu nhớt phải được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp hiện đại.

Bước đầu tiên để chọn chất bôi trơn tốt nhất cho một ứng dụng nhất định là xác định hệ thống phân tích. Với một hệ thống tam giác học được xác định đầy đủ tại chỗ, bước tiếp theo là phân tích lý thuyết. Lựa chọn chất bôi trơn dựa trên phân tích bôi trơn EHD hoặc phân tích bất kỳ thông số rời rạc nào khác là không phù hợp, bởi vì những phân tích như vậy chỉ tập trung vào một tập hợp con của hệ thống phân tích.