Giáo trình Công nghệ sửa chữa đầu máy diezel - Chương I: Hao mòn và hư hỏng của các chi tiết trên đầu máy

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ sửa chữa đầu máy diezel - Chương I: Hao mòn và hư hỏng của các chi tiết trên đầu máy

1. LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình "Công nghệ sửa chữa đầu máy diezel” được biên soạn nhằm đáp ứng yêu cầu học tập của sinh viên chuyên ngành đầu máy-toa xe trong giai đoạn hiện tại. Giáo trình được chia thành hai phần chính: Phần thứ nhất là phần lý thuyết chung về công nghệ sửa chữa đầu máy và phần thứ hai là phần công nghệ sửa chữa các cụm chi tiết chính của đầu máy. Trong phần thứ nhất, giới thiệu những kiến thức lý thuyết cơ bản về công nghệ sửa chữa đầu máy như quá trình hao mòn và ảnh hưởng của hao mòn chi tiết tới trạng thái kỹ thuật của đầu máy; các phương pháp làm sạch và kiểm tra trạng thái chi tiết; các phương pháp công nghệ phục hồi và sửa chữa chi tiết, các chỉ dẫn công nghệ về lắp ráp, thử nghiệm cụm chi tiết sau khi sửa chữa. Phần thứ hai, giới thiệu quá trình công nghệ sửa chữa các nhóm chi tiết chính của động cơ diezel như: nhóm pittông-xécmăng-xylanh, nhóm trục khuỷu-tay quay- thanh truyền, nhóm cơ cấu phối khí, hệ thống nhiên liệu, các chi tiết giá xe và bộ phận chạy như khung giá chuyển hướng và bộ trục bánh xe, một số hệ thống phụ của đầu máy, quá trình thử nghiệm động cơ diezel và đầu máy sau khi sửa chữa. Trong khi biên soạn, đã cố gắng đề cập đến những vấn đề cơ bản có tính chất chung nhất của quá trình công nghệ sửa chữa, phản ảnh có mức độ những tiến bộ - kỹ thuật hiện đại trong ngành sửa chữa đầu máy diezel ở các nước tiên tiến đồng thời có lưu ý tới các điều kiện cụ thể ở Việt Nam. Giáo trình được biên soạn cho sinh viên hệ đào tạo chính quy dài hạn thuộc các chuyên ngành đầu máy (18.03.10.06) và đầu máy-toa xe (18.03.10.03), có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các hệ đào tạo khác thuộc lĩnh vực đầu máy-toa xe. Mặt khác, giáo trình cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật trong ngành vận tải đường sắt có quan tâm tới lĩnh vực sửa chữa đầu máy-toa xe. Về nội dung cũng như hình thức, giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những sơ suất và thiếu sót. Chúng tôi chân thành mong nhận được các ý kiến đóng góp và xây dựng của bạn đọc. HÀ NỘI 8- 2004 PGS.TS. ĐỖ ĐỨC TUẤN Cnsc.3
2. PHẦN THỨ NHẤT LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI VÀ SỬA CHỮA CHI TIẾT CHƯƠNG I HAO MÒN VÀ HƯ HỎNG CỦA CÁC CHI TIẾT TRÊN ĐẦU MÁY 1.1. Các dạng hư hỏng của chi tiết trên đầu máy diezel Trên đầu máy có rất nhiều loại chi tiết khác nhau, do đó trong quá trình vận dụng, các chi tiết của đầu máy có thể gặp nhiều loại hư hỏng khác nhau, và nguyên nhân của các loại hư hỏng đó cũng hết sức đa dạng. Tuy nhiên, chung quy lại các dạng hư hỏng có thể quy về 3 nhóm chính như sau: - Nhóm thứ nhất: các hư hỏng do hao mòn; - Nhóm thứ hai: các hư hỏng do tác động cơ giới; - Nhóm thứ ba: các hư hỏng do tác dụng hóa nhiệt. 1.1.1. Các dạng hư hỏng do hao mòn Hao mòn là qúa trình tất yếu xảy ra, là không thể tránh khỏi đối với các chi tiết làm việc ở chế độ ma sát kể cả trong trường hợp tuân thủ đầy đủ các quy định về quy trình khai thác và bảo dưỡng sửa chữa. Trong hao mòn lại chia ra: - Hao mòn bình thường (hao mòn dần dần): thông thường có quy luật và có thể xác định được quy luật đó. - Hao mòn không bình thường (hao mòn đột biến như xước, kẹt, xây sát, v.v ): thường xảy ra do không tuân thủ các quy trình kỹ thuật về khai thác, bảo dưỡng, sửa chữa, do không đảm bảo chế độ bôi trơn, do quá tải về nhiệt và các nguyên nhân khác như mòn vẹt, tróc, hao mòn với cường độ quá lớn. Nói chung dạng hao mòn này không có quy luật hoặc rất khó xác định các quy luật đó. 1. Mài mòn cơ học Là kết quả của sự ma sát giữa các bề mặt lắp ghép của chi tiết (píttông cùng xécmăng và ống lót xylanh, cổ trục khuỷu và các ổ đỡ của nó, cổ trục cặp bánh xe và ổ đỡ động cơ điện kéo, v.v ). Do bị mòn nên các kích thước ban đầu của các bề mặt lắp ghép của chi tiết bị thay đổi, còn hình dạng hình học thì bị biến dạng nếu quá trình mài mòn xảy ra không đồng đều. Độ mòn của các chi tiết được xác định bởi các lực (tải trọng) tác dụng lên chúng, trị số khe hở giữa các chi tiết đó và điều kiện bôi trơn của chúng, số lượng và chất lượng vật liệu bôi trơn. Độ mòn còn phụ thuộc vào vật liệu chi tiết, độ bóng gia công bề mặt, chế độ nhiệt luyện v.v Sự hao mòn của các chi tiết lắp ghép làm giảm chất lượng sử dụng của đầu máy. Thí dụ, do các xécmăng và rãnh píttông bị mòn nên độ kín của buồng cháy giảm xuống và áp suất nén cũng giảm xuống, do đó công suất của động cơ giảm và tiêu hao nhiên liệu tăng lên; hoặc khi cặp píttông-plông-giơ bơm cao áp bị mòn, khe hở giữa xylanh và píttông của nó tăng lên, do đó lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình và áp lực phun giảm xuống dẫn đến chất lượng phun kém, cháy không tốt và như vậy hiệu suất nhiệt của động cơ giảm xuống. Quá trình hao mòn của chi tiết đầu máy xảy ra kèm theo các hiện tượng lý- hóa phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Nhìn chung có thể chia ra những Cnsc.5
3. dạng hao mòn chủ yếu như: mòn dính (mòn tróc), mòn oxy hóa, mòn do nhiệt, mòn do hạt mài, mòn rỗ (mòn đậu mùa). 2. Mòn dính (mòn tróc) Mòn dính xuất hiện trong trường hợp không có dầu bôi trơn và không có màng ôxy hóa bảo vệ khi các chi tiết ma sát với nhau với vận tốc nhỏ v=1,0 m/s (đối với thép) và tại chỗ tiếp xúc thực tải trọng đơn vị lớn hơn giới hạn chảy của chi tiết. Mòn dính hình thành do các bề mặt kim loại bị biến dạng dẻo và giữa các phần tiếp xúc của các bề mặt phát sinh các liên kết kim loại. Sự dịch chuyển của các bề mặt tiếp xúc sau khi xuất hiện liên kết kim loại làm cho bề mặt tại các chỗ dính được cường hóa và những phoi kim loại bị bứt ra khỏi những chỗ có độ bền kém hơn hoặc làm cho bề mặt đó lõm xuống bởi phần biến cứng. Mòn dính kèm theo hệ số ma sát cao và cường độ mài mòn lớn nhất. Mòn dính xuất hiện ở những chi tiết được phục hồi bởi các phương pháp như hàn đắp, phun kim loại, v.v 3. Mòn ôxy hóa Mòn ôxy hóa đặc trưng bởi hai quá trình xảy ra đồng thời khi các chi tiết chịu ma sát: quá trình biến dạng dẻo của các thể tích kim loại vi mô của các lớp bề mặt và sự xâm nhập ôxy (ở không khí) vào các lớp kim loại biến dạng đó. Ở giai đoạn đầu, sự ôxy hóa xảy ra ở những thể tích không lớn của kim loại nằm ở bề mặt trượt khi ma sát. Ở giai đoạn sau, sự ôxy hóa xâm nhập vào những thể tích lớn hơn của các lớp bề mặt. Chiều sâu ôxy hóa tương ứng với chiều sâu biến dạng dẻo. Ở giai đoạn hao mòn ban đầu, sự ôxy hóa sẽ tạo ra trên bề mặt chi tiết công tác một lớp dung dịch ôxy, ở giai đoạn thứ hai sẽ tạo ra các hợp chất hóa học của ôxy với kim loại và nhờ đó mà cấu trúc của các lớp bề mặt bị thay đổi. Quá trình khuếch tán (xâm nhập) của ôxy và quá trình biến dạng dẻo, tăng cường, hỗ trợ lẫn nhau. Điều đó có nghĩa rằng, khi có biến dạng thì trên bề mặt ma sát của chi tiết sẽ tạo ra một khối lượng các mặt phẳng trượt và nó tạo điều kiện cho ôxy xâm nhập vào kim loại. Ngược lại, khi trên bề mặt trượt có một khối lượng lớn các nguyên tử ôxy chuyển động làm tăng độ di động của cấu trúc lớp bề mặt thì sự biến dạng dẻo lại được tăng cường. Ở thời kỳ đầu của quá trình mài mòn ôxy hóa, xảy ra sự phá hủy các màng di động của dung dịch ôxy rắn được tạo ra một cách liên tục và biến chúng thành các phần tử rất nhỏ. Giai đoạn thứ hai đặc trưng bởi sự tạo thành một cách có chu kỳ của các màng ôxy ròn và không biến dạng và bởi sự tróc vỡ của chúng. Độ chống mòn của chi tiết khi mòn ôxy hóa phụ thuộc vào độ dẻo của kim loại, tốc độ ôxy hóa và tính chất của các ôxyt. Mòn ôxy hóa xuất hiện khi có ma sát trượt và ma sát lăn. Khi có ma sát trượt, nó là dạng hao mòn cơ bản, còn khi có ma sát lăn nó xảy ra đồng thời với mòn rỗ. Khác với mòn nhiệt xảy ra ở tốc độ trượt lớn và tải trọng đơn vị cao, mòn ôxy hóa xuất hiện ở những chi tiết làm việc ở những điều kiện dễ dàng hơn. Mòn ôxy hóa có thể xảy ra ở cổ trục khuỷu, xylanh, chốt píttông và các chi tiết khác. 4. Mòn do hạt mài Mòn do hạt mài (hay gọi tắt là mòn hạt mài) xuất hiện do có biến dạng dẻo tế vi và do kim loại của những lớp bề mặt chi tiết bị cắt bởi những hạt mài (hạt căn bản) nằm giữa các bề mặt ma sát. Sự tiến triển của qúa trình hao mòn không phụ thuộc vào sự xâm nhập của các hạt mài lên bề mặt ma sát. Dù các hạt mài đó từ bên ngoài Cnsc. 6
4. xâm nhập vào, hoặc là chúng tồn tại ở một trong các vật làm việc, chẳng hạn như ở trong các chi tiết bằng gang hoặc cuối cùng có thể tạo ra ngay trong quá trình ma sát như ở giai đoạn thứ hai của mòn ô xy hoá, thì đặc tính mài mòn vẫn không thay đổi. Sự thay đổi kích thước của các chi tiết khi mài mòn do hạt mài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu và cơ tính của chi tiết, tính chất cắt của các hạt mài, áp lực đơn vị và vận tốc trượt khi ma sát. Về bản chất thì mòn hạt mài giống như các hiện tượng khi cắt kim loại và khác ở chỗ là có những đặc điểm đặc biệt như hình dạng hạt mài và mặt cắt của phoi nhỏ. Mòn hạt mài thường gặp ở các chi tiết làm việc ở chế độ ma sát, đặc biệt khi làm việc ở môi trường bụi bẩn. Mòn hạt mài có thể xuất hiện ở các chi tiết đầu máy khi phục hồi bằng mạ crôm, mạ sắt, phun kim loại. 5. Mòn rỗ (mòn đậu mùa) Mòn rỗ xuất hiện khi có ma sát lăn và thể hiện khá rõ ràng trên các bề mặt làm việc của các ổ lăn và bề mặt răng của bánh răng. Khi các chi tiết máy bị mòn rỗ thì xuất hiện biến dạng nén dẻo tế vi và gia cường các lớp bề mặt kim loại. Do bị gia cường nên xuất hiện ứng suất nén dư. Các tải trọng thay đổi theo chu kỳ vượt quá giới hạn chảy của kim loại khi có ma sát lăn sẽ gây nên hiện tượng mỏi phá huỷ các lớp bề mặt. Việc phá hủy các lớp bề mặt xảy ra do các vết nứt tế vi và vĩ mô đã xuất hiện từ trước, mà trong quá trình làm việc chúng phát triển thành những vết lõm đơn điệu hoặc thành những cụm vết rỗ. Chiều sâu của các vết nứt và vết lõm phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu chi tiết, trị số áp lực đơn vị tại điểm tiếp xúc và kích thước các bề mặt tiếp xúc. 1.1.2. Các dạng hư hỏng do tác động cơ giới Các hư hỏng do tác động cơ giới thường có các biểu hiện dưới dạng nứt, vỡ, bong, tróc, thủng, cong, xoắn, v.v Trong quá trình làm việc của đầu máy, rất nhiều chi tiết chịu tải trọng thay đổi về trị số và về hướng. Dưới tác dụng của các tải trọng đó, ở những vị trí tập trung ứng suất, sau một thời gian vận dụng sẽ xuất hiện những vết nứt tế vi, những vết nứt tế vi đó, tùy thuộc vào trị số và tần số của lực tác dụng, sẽ dần dần lan truyền thành những vết nứt lớn và cuối cùng chi tiết bị phá hủy. Các hiện tượng phá hủy này được gọi là phá hủy do mỏi của chi tiết (hoặc kim loại). Các chi tiết trên đầu máy thường bị phá hủy do mỏi là trục khuỷu, thanh truyền, các trục dẫn động cơ cấu phối khí, các bánh răng, lò xo tròn, lò xo nhíp, ổ lăn, cũng như các gu – giông chịu lực của bốc xi lanh, v.v Ngoài ra khi chi tiết làm việc ở tải trọng lớn hơn tải trọng tính toán và khi độ cứng bề mặt và sự bố trí tương hỗ giữa chúng thay đổi thì sẽ xuất hiện ứng suất dư, làm cho chi tiết bị cong, xoắn, dập, tróc, thủng, v.v Bên cạnh đó, các loại hư hỏng này còn có thể xuất hiện do không tuân thủ quy trình công nghệ sửa chữa, lắp ráp, do biến dạng và ứng suất đột biến trong quá trình làm việc. Hiện tượng mỏi của kim loại và ảnh hưởng tương hỗ của sự hao mòn với độ mỏi, là một trong những nguyên nhân làm hư hỏng các chi tiết. Độ mỏi của kim loại là quá trình phá hủy kim loại dần dần và lâu dài trong điều kiện có ứng suất thay đổi theo chu kỳ. Sự phá huỷ kim loại do tải trọng đổi hướng xảy ra không những ở những tải trọng có trị số nhỏ hơn giới hạn bền, mà cả ở những tải trọng có trị số nhỏ hơn giới hạn chảy. Sự xuất hiện các vết nứt mỏi có liên quan tới các đặc điểm cấu trúc tinh thể của kim loại. Những kim loại đa tinh thể được Cnsc.7
5. cấu tạo bởi một khối lượng lớn các tinh thể có hướng khác nhau, các tinh thể đó phân cách với nhau bởi các đường biên, các lô nhỏ và các tạp chất không kim loại. Các tinh thể này định hướng khác nhau do điều kiện kết tinh, điều kiện gia công gây nên do đó chúng không phải là đồng nhất. Do tính không đồng hướng đó, nên các tinh thể có độ chống tải trọng bên ngoài khác nhau, hay nói khác có độ bền khác nhau. Trong các tinh thể nằm không cùng hướng với tác dụng của tải trọng bên ngoài sẽ xuất hiện các ứng suất lớn và trong các tinh thể đó xuất hiện biến dạng dẻo ở dạng trượt (cắt). Trong các tinh thể khác, biến dạng mang đặc tính đàn hồi. Trong kim loại có tạp chất và các lỗ rỗng sẽ tạo ra tập trung ứng suất. Khi bị biến dạng đàn hồi, khoảng cách giữa các nguyên tử và sự biến dạng không đáng kể của mạng tinh thể sẽ được hồi phục sau khi nhả tải. Khi bị biến dạng dẻo, mối liên hệ giữa các nguyên tử của mạng tinh thể bị phá hoại theo các mặt phẳng cắt hoặc theo các mặt phẳng trượt. Ở những chu trình đầu tiên của ứng suất thay đổi, kết quả biến dạng dẻo là gia cường mặt phẳng trượt trong các phần tử khác nhau và làm cho kim loại được bền hóa. Tuy nhiên, khi các chu trình ứng suất thay đổi tăng lên thì quá trình biến dạng dẻo của các phần tử yếu có thể mất đi, còn mức độ biến dạng của mạng tinh thể có thể làm xuất hiện những vùng mà ở đó liên kết nguyên tử sẽ bị phá hủy và những liên kết mới không xuất hiện. Do đó độ kín mịn của kim loại bị phá hủy và bắt đầu xuất hiện những vết nứt tế vi. Giai đoạn bắt đầu phá hủy do mỏi là kết quả tác dụng của các ứng suất tiếp tuyến gây nên biến dạng dẻo lặp đi lặp lại nhiều lần. Sự xuất hiện và tiếp tục lớn lên của các vết nứt tế vi đã có và sự xuất hiện các vết nứt tế vi mới có thể sẽ chấm dứt, nếu xảy ra trạng thái cân bằng. Trạng thái cân bằng xảy ra trong trường hợp khi dưới tác dụng của các ứng suất tiếp tuyến sự yếu dần do phá huỷ các phần tử yếu hơn sẽ được bù trừ bởi sự bền hóa của những phần tử bền hơn. Nhưng cũng có thể có hiện tượng ngược lại, khi các vết nứt tế vi xuất hiện dưới ảnh hưởng của nguyên nhân này hoặc nguyên nhân khác tăng lên và liên kết lại thành một vết nứt chung. Trong trường hợp này ứng suất pháp đóng một vai trò quan trọng. Sự tạo thành các vết nứt mỏi trong phần lớn các trường hợp xảy ra theo hướng tác dụng của các ứng suất pháp tuyến lớn nhất. Cơ cấu biến dạng dẻo và phá huỷ kim loại ở tải trọng chu kỳ và tải trọng tĩnh về bản chất và nguyên tắc không có gì khác nhau. Trong cả hai trường hợp mạng tinh thể đều bị biến dạng theo các mặt phẳng cắt. Tuy nhiên, ở tải trọng tĩnh biến dạng dẻo tác dụng về một hướng và lan truyền đều hơn lên tất cả các tinh thể, trong khi đó ở tải trọng chu kỳ biến dạng dẻo chỉ tập trung ở những phần tử gây ra cắt (trượt) thay đổi về hướng. Như vậy, độ bền của kim loại ở tại trọng tải tĩnh sẽ phụ thuộc vào sức chống phá huỷ, tính trung bình cho tất cả các phần tử kim loại, còn ở tải trọng chu kỳ thì nó sẽ phụ thuộc vào những phần tử yếu hơn. Quá trình mỏi của kim loại có thể chia ra làm 3 thời kỳ: 1. Thời kỳ xuất hiện các vết nứt tế vi mỏi đầu tiên; 2. Thời kỳ phát triển các vết nứt tế vi mỏi; 3. Thời điểm phá hủy chi tiết do mỏi. Cnsc. 8
6. Cơ cấu hình thành vết nứt rất phức tạp và có nhiều quan điểm không thống nhất về nguyên nhân phát sinh của nó. Sự hình thành vết nứt mỏi thường thấy ở bề mặt kim loại, ở những chỗ tập trung ứng suất lớn, nhưng cũng có thể hình thành ở bên trong kim loại. Vết nứt không lan truyền theo toàn bộ thể tích của kim loại chi tiết mà chỉ lan truyền theo một trong những mặt cắt, theo những phần tử tương đối yếu có cấu trúc vật lý không đồng nhất và như vậy, phá huỷ do mỏi mang đặc tính cục bộ. Sự hình thành vết nứt mỏi trên bề mặt chi tiết không chỉ do ứng suất uốn và xoắn có chu kỳ gây nên, mà cả khi kéo-nén theo chu kỳ. Vết nứt mỏi trong trường hợp này thường sinh ra trên bề mặt chi tiết vì các lớp bề mặt này chịu ứng suất chu kỳ kém hơn. Mặt khác, khi các lớp bề mặt chi tiết được bền hóa bằng phương pháp gia công đặc biệt thì các vùng vết nứt mỏi thường xuất hiện dưới lớp bền hóa đó. Qua đây ta thấy sự xuất hiện vết nứt ở những chi tiết phục hồi bằng phủ đắp kim loại có thể xảy ra trên bề mặt kim loại cơ bản do có các tập trung ứng suất do mòn hoặc do phương pháp chuẩn bị bề mặt không kỹ lưỡng, cũng như trên bề mặt của lớp kim loại do đặc tính không đồng nhất về cấu trúc của chúng. Nguyên nhân làm giảm độ bền mỏi của các chi tiết phục hồi là: 1. Do trạng thái bề mặt chi tiết; 2. Do phủ đắp kim loại hoặc lắp thêm chi tiết phụ; 3. Do gia công cơ cho các chi tiết phục hồi. Sở dĩ độ mỏi của kim loại giảm xuống khi trạng thái bề mặt thay đổi là vì lúc đó lớp bề mặt đã mang những khuyết tật do chi tiết bị mòn như vết xước, xây sát, vết nứt tế vi hoặc do bề mặt chịu ảnh hưởng của các nguyên công chuẩn bị chi tiết để phủ đắp như cắt bằng ren, gia công cơ-dương cực, v.v Nhóm nguyên nhân thứ hai có liên quan tới các hiện tượng xảy ra trong quá trình phủ đắp, tới đặc tính không đồng nhất về cấu trúc của chúng và ứng suất dư bên trong. Nhóm nguyên nhân thứ ba có liên quan tới lượng dư gia công, tới trị số và sự đồng đều của nó trong quá trình gia công cơ cho các chi tiết phục hồi. Việc cắt gọt làm kim loại phủ đắp có chứa ôxy và các tạp chất khác một cách gián đoạn sẽ làm cho bề mặt bị rạch, bị lõm sâu và nhiều khi mài cũng không hết, do đó độ bền mỏi giảm xuống. Ở một mức độ nào đó, các nguyên nhân kể trên cộng thêm với ứng suất dư bao giờ cũng là đặc trưng của các phương pháp phục hồi chi tiết bằng phủ đắp kim loại. Sự xuất hiện vết nứt làm giảm độ bền mỏi của đầu máy phụ thuộc vào bản chất của các liên kết lý - hóa của lớp phủ với kim loại cơ bản. Các phương pháp điện phân và tất cả các phương pháp phủ bằng hàn đắp không đòi hỏi phải có bề mặt thô để phục hồi cho tốt, trong khi đó khi phun kim loại điều đó lại rất cần thiết để tăng độ bền dán của lớp phủ với kim loại chi tiết. Các lớp phủ điện phân và hàn đắp đều làm việc đồng thời với kim loại cơ bản ở mọi tải trọng. Do đó các khuyết tật của lớp bề mặt chi tiết bị mòn, các đặc điểm của cấu trúc lớp phủ và ứng suất dư trong lớp bề mặt đó, ở mức độ nào đó, đều ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết được phục hồi. Các lớp phun kim loại thường có độ bền bám nhỏ (1,2 - 2,5 kG/cm2), do đó dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ, như các nghiên cứu cho biết, lớp phun đó sẽ không làm việc đồng thời với kim loại cơ bản và tóm lại độ không đồng nhất về cấu trúc lớp kim Cnsc.9
7. loại phun, ứng suất dư bên trong của nó và việc gia công cơ khí của chi tiết đều không ảnh hưởng tới sự giảm độ bền mỏi. Ở đây ý nghĩa quyết định đối với độ bền mỏi là các phương pháp chuẩn bị bề mặt của chi tiết để phun kim loại và sự ảnh hưởng của quá trình phun kim loại tới sự xuất hiện những chỗ tập trung ứng suất. Do vậy, khi phục hồi chi tiết bằng những phương pháp khác nhau cần phải chú ý ảnh hưởng của lớp phủ tới độ bền mới của chi tiết. 1.1.3. Các dạng hư hỏng do tác động hóa - nhiệt Các hư hỏng do tác dụng hóa nhiệt thường biểu hiện dưới dạng cong vênh, ăn mòn, già hóa lớp cách điện, cháy, rỗ, v.v Mòn do nhiệt (hay mòn nhiệt) xuất hiện do tác dụng của lượng nhiệt sinh ra khi các chi tiết bị ma sát ở tốc độ trượt lớn và tải trọng đơn vị cao. Trong các điều kiện đó, trên các bề mặt làm việc của chi tiết sản sinh ra một lượng nhiệt khá lớn không kịp tán sâu vào kim loại, do đó các lớp bề mặt chi tiết bị đốt nóng tới các nhiệt độ rất cao. Tuỳ thuộc vào vật liệu và chế độ gia công nhiệt luyện của chi tiết, nhiệt độ cao sinh ra ma sát có thể dẫn đến sự gia công nhiệt có đặc thù riêng của các lớp bề mặt chi tiết kèm theo các hiện tượng như kết tinh lại, ram, tôi, tôi thứ cấp và nóng chảy bề mặt trong một số trường hợp. Do những hiện tượng đó, cấu trúc các lớp bề mặt chi tiết bị thay đổi và độ bền của kim loại giảm xuống nhanh chóng. Ngoài ra, nhiệt độ cao của các lớp bề mặt còn làm cho chúng bị mềm ra, bị dính tiếp xúc, bị dập và các thể tích nhỏ của các bề mặt tiếp xúc của chi tiết bị phá hủy. Đối với chi tiết, độ ổn định nhiệt có ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp tới độ chống mòn của nó. Khi đốt nóng kim loại có độ ổn định nhiệt nhỏ thì chi tiết bị mòn nhanh và ngược lại. Mòn nhiệt xuất hiện ở các cam của trục phối khí, các nấm con đội, xupáp, trên bề mặt làm việc của xylanh, cổ trục khuỷu, bánh răng và các chi tiết khác. Hư hỏng do tác động hóa nhiệt có thể gặp ở các chi tiết như cổ trục khuỷu, thành xylanh, chốt píttông, các cam của trục phối khí, các tán con đội, xupáp, v.v Các chi tiết này làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, do đó ngoài sự mài mòn như trên đã trình bày, chúng còn bị tác dụng ăn mòn của chất khí và chịu ảnh hưởng tác động hóa học của nước làm mát và dầu bôi trơn. Trên bề mặt của các chi tiết đó có thể xuất hiện các vết rỗ, bị ăn mòn và nhiều chi tiết còn bị cong, vênh do nhiệt độ quá cao. Chẳng hạn như phần phía trên của xylanh bị mòn nhiều không những là do sự cọ sát của xécmăng phía trên mà còn do ảnh hưởng của nhiệt độ cao tới điều kiện bôi trơn kém và của sự ăn mòn của chất khí với thành xylanh. Để khắc phục hiện tượng ăn mòn phải sử dụng các chất phụ gia chống ăn mòn cho nước làm mát và dùng các chất bôi trơn có chất lượng tốt. Nhìn chung, ta thấy phần lớn các hư hỏng của chi tiết đầu máy đều xảy ra do quá trình mài mòn tự nhiên của chúng. Còn lại, các hư hỏng có tính chất đột xuất thường xảy ra ít hơn và nguyên nhân của chúng phần lớn là do hậu quả của việc không tuân thủ đầy đủ và triệt để các quy trình, quy tắc. Để ngăn ngừa những hư hỏng đột xuất, người ta thiết lập một hệ thống bảo dưỡng và sửa chữa đầu máy theo kế hoạch định trước và hệ thống đó có một vai trò rất quan trọng. Hao mòn là kết quả không tránh khỏi của các chi tiết máy khi chúng làm việc và nó là một trong những yếu tố làm giảm thời gian vận dụng hay tuổi thọ của đầu máy. Để tiến hành bảo dưỡng cũng như sửa chữa đầu máy một cách khoa học và Cnsc. 10
8. đúng kỹ thuật phải tiến hành nghiên cứu và nắm được những yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của đầu máy. Việc phân tích các nguyên nhân hư hỏng của các chi tiết trên đầu máy cho thấy rằng, thời gian đầu tiên phát hiện ra các hư hỏng có liên quan tới chất lượng chế tạo ở nhà máy, còn sau đó các hư hỏng sinh ra do sửa chữa không kịp thời, chất lượng sửa chữa kém và do bảo dưỡng không chu đáo. Từ kinh nghiệm sử dụng đầu máy và tổ chức sửa chữa có thể thấy rằng, tay nghề của ban lái máy không chỉ đánh giá ở chỗ sử dụng hết công suất đầu máy mà còn ở chỗ biết phát hiện một cách nhanh chóng các trục trặc và khắc phục chúng một cách có hiệu quả. Do đó phải thường xuyên kiểm tra và bồi dưỡng kiến thức về nguyên lý, đặc tính của các cụm máy, sự tác động tương hỗ của chúng và về vấn đề công nghệ sửa chữa. Đồng thời để ngăn ngừa sự hao mòn quá lớn làm giảm tuổi thọ của đầu máy cần phải hiểu rõ sự diễn biến của nó theo thời gian và các hiện tượng xuất hiện trên lớp bề mặt chi tiết trong quá trình đó. 1.2. Hao mòn và quy luật hao mòn theo thời gian của các chi tiết trong mối ghép bôi trơn thuỷ động Trong quá trình vận dụng đầu máy, chất lượng ban đầu của chi tiết bị thay đổi do chúng bị mòn hoặc do xuất hiện những khuyết tật khác. Sự hao mòn của chi tiết làm thay đổi chất lượng bề mặt của chúng, làm thay đổi kích thước và hình dạng ban đầu, trên các bề mặt công tác xuất hiện các vết xây sát và xước, các bề mặt làm việc biến thành ôvan, hình côn, ở một số chi tiết bị cong, vênh. Tính chất của lớp bề mặt chi tiết cũng thay đổi trong quá trình mòn. Chẳng hạn khi các chi tiết tôi bề mặt, thấm cacbon, thấm xi-a-nya bị mòn thì độ cứng bề mặt của chúng giảm xuống và cũng có đôi khi độ cứng bề mặt lại tăng lên do bị lăn ép. Do đó độ mòn của lớp bề mặt tăng càng thúc đẩy nhanh sự phá huỷ của nó như tróc, dập, nứt, vỡ. Sự thay đổi kích thước và hình dạng hình học của chi tiết dẫn đến đặc tính lắp ghép ban đầu bị phá huỷ. Đối với các chi tiết lắp ghép lỏng với nhau khi bị mòn thì khe hở giữa chúng tăng lên từ trị số ban đầu cho tới trị số cho phép lớn nhất gây ra tiếng ồn và tiếng gõ đập khi làm việc. Trong quá trình vận dụng đầu máy nhất là ở những điều kiện không thuận lợi và bảo dưỡng không chu đáo thì độ mòn còn xuất hiện cả trong các mối ghép chặt. Trong trường hợp này, từ chỗ mối ghép có độ dôi có thể biến thành mối ghép có khe hở (đặc biệt là khi sử dụng chi tiết với độ mòn cho phép). Mô hình hao mòn của cặp chi tiết ma sát có bôi trơn thủy động thể hiện trên hình 1.1. Ở đây, trục tung Oi biểu thị độ mòn của chi tiết (có thể tính bằng mm); trục hoành OT hoặc OL biểu thị thời gian làm việc của mối ghép (có thể tính bằng giờ hoặc kilômét chạy). Giả sử cặp chi tiết ma sát gồm có chi tiết bị bao và chi tiết bao làm việc ở chế độ ma sát bôi trơn thủy động, có nghĩa là hai bề mặt làm việc được ngăn cách bởi một màng dầu bôi trơn liên tục có áp suất xác định. Hai chi tiết này lắp ghép với nhau với khe hở ban đầu Sbđ (A1A2), khe hở này cũng tương đương với chiều dày màng dầu bôi trơn. Trong quá trình làm việc, do ma Cnsc.11
9. sát giữa màng dầu với bề mặt chi tiết, các chi tiết sẽ bị hao mòn dần dần, trong đó quá trình hao mòn của chi tiết bị bao được biểu diễn bởi đường cong A1B1C1, còn của chi tiết bao là đường cong A2B2C2 . Hiển nhiên, các đường cong này biến thiên và có xu hướng tăng dần theo thời gian. Theo lý thuyết ma sát bôi trơn thủy động, đường cong hao mòn có thể chia làm 3 giai đoạn chính: Giai đoạn I: Thời kỳ chạy rà ( các đoạn cong A1B1 và A2B2) Quá trình diễn biến hao mòn trên các đoạn A1B1, A2B2 đặc trưng cho sự bắt đầu làm việc của mối ghép hay còn gọi là thời kỳ chạy rà các bề mặt chi tiết. Trị số và cường độ mòn khi chạy và phụ thuộc vào chất lượng bề mặt chi tiết. Các bề mặt làm việc của chi tiết càng gia công chính xác và càng tiếp xúc tốt thì độ mòn càng nhỏ. Hình 1.1. Đồ thị biểu diễn độ mòn của chi tiết theo thời gian làm việc Thời kỳ này các độ nhấp nhô của bề mặt mối ghép sẽ bị san phẳng, do đó cường độ hao mòn trong thời kỳ này không phải là hằng số mà có một giá trị lớn nhất nào đó, sau đó giảm dần theo thời gian. Đường cong biểu diễn cường độ hao mòn của các chi tiết trong giai đoạn I là: / / / / A1 B1 ; A2 B2 . Đến khi kết thúc quá trình chạy rà thì khe hở mối ghép có trị số là Schr (B1B2). Giai đoạn II: Giai đoạn hao mòn bình thường hay giai đoạn vận dụng bình thường Đoạn B1C1, B2C2 biểu thị sự làm việc bình thường của mối ghép. Độ mòn ở giai đoạn này tăng dần dần và phụ thuộc vào thời gian làm việc của mối ghép. Ở giai Cnsc. 12
10. đoạn này cường độ hao mòn của các chi tiết được coi như không đổi, vì vậy đường cong hao mòn được coi là các đường thẳng: B1C1, B2C2 và tạo ra các góc nghiêng 1, 2 so với trục hoành. Các trị số tg 1 c1 ; tg 2 c2 được gọi là tốc độ hay cường độ hao mòn của các chi tiết trong qúa trình vận dụng bình thường. Giai đoạn III: Giai đoạn hao mòn gia tăng (khốc liệt) Sau một quá trình làm việc lâu dài, tại các thời điểm C1, C2 nào đó xuất hiện khe hở C1C2. Tại đây màng dầu bôi trơn bị phá vỡ (màng dầu không còn liên tục), do đó các bề mặt của hai chi tiết có nguy cơ tiếp xúc trực tiếp với nhau. Tại đó cường độ hao mòn của các chi tiết sẽ có xu hướng tăng nhanh và giai đoạn này gọi là giai đoạn hao mòn khốc liệt. Ở giai đoạn này mối ghép làm việc kèm theo tiếng ồn và tiếng gõ. Phần kết thúc của giai đoạn II thường đặc trưng cho thời hạn làm việc tới trạng thái giới hạn của chi tiết. Đoạn thẳng C1C2 biểu thị số mòn giới hạn mà ở đó cf chi tiết phải được sửa chữa, tức là khe hở giới hạn C1C2 = Smax . Thường người ta cho rằng thời hạn phục vụ (thời gian làm việc giữa các lần sửa chữa) của chi tiết phải được hạn chế ở vùng I và vùng II, bởi vì nếu cứ tiếp tục làm việc sang giai đoạn III thì có thể dẫn sự phá hoại của chi tiết. Từ đây có thể suy ra thời gian làm việc của mối ghép: T = T1 + T2 Như vậy, tại thời điểm C1, C2 mối ghép phải được giải thể để kiểm tra và phục hồi hoặc sửa chữa nhằm khôi phục lại khe hở ban đầu Sbđ. Thời gian làm việc T còn gọi là chu kỳ bảo dưỡng hoặc sửa chữa của mối ghép hay chu kỳ giải thể của mối ghép đó. Tóm lại, các đường cong A1B1C1, A2B2C2 được gọi là quy luật hao mòn theo thời gian của các chi tiết, còn các giá trị c1= tg 1, c2= tg 2 được gọi là cường độ hao mm mm mòn của các chi tiết ( ; , v.v ). h km Qua đây ta thấy rằng, cường độ hao mòn của các chi tiết ở mỗi giai đoạn là rất khác nhau. Ở giai đoạn I và giai đoạn III cường độ mài mòn thay đổi nhanh, còn ở giai đoạn II cường độ mài mòn tương đối ổn định và được đặc trưng bởi độ nghiêng của các đoạn B1C1, B2C2 tức là bởi các giá trị tg 1 c1 ; tg 2 c2 . Cần lưu ý rằng, độ mòn của cả hai chi tiết mới (chi tiết bị bao 1 và chi tiết bao 2) lắp ghép với nhau với khe hở ban đầu là A1A2 = Sbđ sẽ tiến triển theo các đường cong A1B1C1 và A2B2C2 và có cường độ hoàn toàn khác nhau. Kích thước giới hạn đối với các chi tiết sẽ xảy ra khi nào bắt đầu có mài mòn khốc liệt và tất nhiên thời hạn đó cũng lại khác nhau. Đối với chi tiết bị bao 1, thời hạn đó có thể xuất hiện không phải ở thời điểm C1 mà ở một thời điểm nào đó sau C1, còn đối với chi tiết bao 2 thì nó xuất hiện ở điểm C2. Khe hở giới hạn mà ở đó không xảy ra tình trạng phá hoại đó là khe hở C1C2. Các khe hở cho phép sẽ là tất cả các khe hở nằm trong khoảng thời gian làm việc (hoặc cây số chạy) T= T1+T2. Trong trường hợp này, thời gian làm việc giữa các lần sửa chữa của chi tiết 2 xét về mặt hao mòn sẽ không tận dụng hết. Trong những trường hợp như vậy thì một chi tiết vẫn tiếp tục làm việc, còn chi tiết thứ hai được thay thế. Trong quá trình sử dụng không phải tất cả các chi tiết cùng kiểu là bị hao mòn như nhau, vì vậy khi sửa chữa cần phải phân tích khoảng thời gian làm việc của các chi tiết mà tiến hành thay thế. Cnsc.13
11. Trong thực tế độ mòn của các chi tiết lắp ghép như trên có thể diễn biến ở một chế độ không ổn định do tải trọng, vận tốc, chất lượng bôi trơn, trạng thái vật lý của các bề mặt làm việc, v.v do vậy đường cong thực tế của độ mòn sẽ dao động xung quanh một giá trị trung bình nào đó. Vì đầu máy làm việc dưới tác dụng có lực ma sát xuất hiện trên các bề mặt chi tiết khi chúng dịch chuyển tương đối với nhau, cho nên không thể khắc phục sự hao mòn một cách toàn diện được. Vì vậy sự hao mòn của các chi tiết đầu máy khi tuân thủ tất cả các quy trình bảo dưỡng kỹ thuật và vận dụng là kết quả tự nhiên của quá trình làm việc của chúng. Sự hao mòn đó gọi là sự hao mòn bình thường. Mức độ mài mòn hoặc cường độ mài mòn, như trên đã trình bày, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kết cấu của các bộ phận đầu máy, chất lượng vật liệu chi tiết, gia công cơ và nhiệt luyện, lắp ráp và điều chỉnh, chất lượng nhiên liệu, dầu mỡ, sự bảo dưỡng kịp thời và đầy đủ, điều kiện vận dụng, v.v Mài mòn là một quá trình lý hóa phức tạp mà cho đến nay vẫn chưa có ý kiến thống nhất về bản chất của nó. Để nghiên cứu quá trình mài mòn người ta tiến hành nhiều nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và dựa vào kết quả của chúng thiết lập những mối quan hệ của tốc độ mài mòn với vật liệu chi tiết, với áp lực đơn vị trên bề mặt ma sát, với tốc độ nhớt của dầu bôi trơn, với sự ảnh hưởng của các cấp chất phụ gia, v.v Mặc dù như vậy hiện nay vẫn chưa có phương pháp để tính toán mài mòn cho chi tiết trong thiết kế. Khó khăn của việc tính toán đó là ở chỗ độ mòn là một đại lượng phụ thuộc vào tải trọng, nhưng tải trọng lại chỉ có thể tính toán được một cách gần đúng. Chỉ có thể xác định được một khoảng thời gian đủ tin cậy mà trong khoảng thời gian đó tải trọng của chi tiết thay đổi. Những phương pháp phân tích hiện nay nhằm xác định áp lực đơn vị lên bề mặt ma sát cũng chỉ ra được những trị số quy ước, không phản ánh được sự phân bổ thực tế của tải trọng trên bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết. Tốc độ mài mòn phụ thuộc vào khe hở, nhưng ngay cả khe hở ban đầu khi lắp ráp cũng có thể có những trị số bất kỳ trong giới hạn dung sai chế tạo. Trong quá trình mài mòn nhưng trị số đó còn thay đổi ở những mức độ hoàn toàn khác. Mặt khác, tất cả các trị số có liên quan tới tốc độ mài mòn lại thay đổi liên tục trong quá trình vận dụng. Do đó sự mài mòn chi tiết được tiến triển như một quá trình ngẫu nhiên, còn sự hao mòn phải được xem như một hàm ngẫu nhiên của thời gian làm việc của chi tiết. 1.3. Phân tích quá trình hao mòn các cụm chi tiết chính trên đầu máy diezel Tuổi thọ của đầu máy quyết định bởi tuổi thọ của các cụm máy chính như động cơ, bộ truyền động, bộ phận chạy, v.v Tuổi thọ của các cụm máy lại quyết định bởi tuổi thọ của các chi tiết chính, do đó việc nghiên cứu hao mòn của chúng nhằm đưa ra những bện pháp nâng cao tuổi thọ là vấn đề cần được quan tâm. Trong tất cả các cụm máy thì các chi tiết của cụm động cơ bị hao mòn nhiều nhất, vì rằng các chi tiết của nó phải làm việc ở những điều kiện nặng nhọc, khó khăn. Điển hình hơn cả đó là các nhóm chi tiết như cổ trục-bạc lót, xiylanh- xécmăng, cơ cấu phối khí, v.v Nói chung, người ta thường lấy mức độ mài mòn của xi lanh hoặc cổ trục khuỷu để làm mốc đưa vào sửa chữa. Do hạn chế khuôn khổ giáo trình, trong chương này chúng ta chỉ xét sơ bộ quá trình mài mòn của một số nhóm chi tiết có tính chất điển hình. 1.3.1. Phân tích quá trình hao mòn nhóm trục khuỷu- bạc lót Cnsc. 14
12. 1. Điều kiện ma sát của mối ghép Điều kiện ma sát của các chi tiết trong động cơ phụ thuộc rất nhiều yếu tố, nhưng quan trọng nhất là yếu tố cơ -lý và hoá học của vật liệu, hình dạng hình học và kích thước chi tiết, độ nhám của bề mặt ma sát, các chế độ vận tốc, tải trọng và chế độ nhiệt của mối ghép, số lượng, chất lượng và phương pháp bôi trơn. Ngoài ra chế độ ma sát còn được xác định bởi đặc trưng về lượng và chất của các hạt mài tồn tại trong mối ghép, các yếu tố môi trường và nhiều yếu tố khác. Do ảnh hưởng của ma sát, lớp bề mặt cường hoá của các loại chi tiết, mối ghép sẽ bị thay đổi về tính chất cơ lý hoá, đôi khi còn thay đổi cả về cấu trúc. Độ chống mòn của các chi tiết phụ thuộc vào trị số ma sát tức là phụ thuộc vào hệ số ma sát. Hệ số ma sát trượt có trong nửa khô được biểu diễn dưới dạng: f .p c.z.v f c c , (1.1) p h p trong đó: fc - hệ số ma sát khô và nửa khô đối với ma sát cổ trục và gối đỡ; p - áp lực truyền qua mối ghép, N; pc - áp lực truyền trực tiếp qua bề mặt tiếp xúc, N; c - hệ số phụ thuộc vào điều kiện đầu; z - độ nhớt của dầu bôi trơn, Ns/m2; v - vận tốc dịch chuyển cặp ma sát, m/s; h - chiều dày màng dầu, mm. Hệ số ma sát từ thời điểm khởi động tới khi mối ghép của trục, bạc trục làm việc bình thường có giá trị như sau: - Tại thời điểm khởi động trong điều kiện ma sát khô: 0,02 - 0,25 - Ở chế độ ma sát khô ổn định: 0,15 - 0,20 - Ở chế độ ma sát nửa khô: 0,05 - 0,15 - Ở chế độ ma sát nửa ướt: 0,01 - 0,05 - Ở chế độ ma sát ướt: 0,001 – 0,01 Trong các điều kiện vận dụng thực tế sự làm việc của các mối ghép trong các pha ma sát không ổn định là không thể tránh khỏi. Trong quá trình khởi động trục tựa trên màng dầu bôi trơn và một phần tựa trực tiếp trên các đỉnh nhấp nhô của bề mặt gối đỡ. Khi có độ cứng vững của màng ô-xy hoá và màng dầu bôi trơn có thể không đủ lớn và có thể dẫn tới tiếp xúc trực tiếp của các bề mặt kim loại. Việc chuyển từ chế độ làm việc không ổn định sang miền ma sát ướt có thể thực hiện được bằng cách tăng vòng quay trục khuỷu. Khi đó, hệ số ma sát giảm nhanh hơn so với độ tăng vận tốc, do vậy nhiệt độ mối ghép giảm. Trong điều kiện bôi trơn giới hạn không thể hạn chế được hao mòn kể cả khi có tải trọng lớn, vì màng dầu giữa hai bề mặt chịu một áp lực lớn phân bố không đều trên bề mặt tiếp xúc; tại điểm có áp lực lớn nhất màng dầu bị gián đoạn và tại đó xảy ra sự tương tác của các phần tử kim loại. Trong quá trình làm việc của cặp ma sát cổ trục gối đỡ, độ nhấp nhô tế vi bị là phẳng. Các điều kiện ma sát sẽ dần dần ổn định và một chế độ ổn định sẽ được xác lập trong mối ghép. Lúc này sự thay đổi về phát nhiệt và sự gia tăng quá lớn lực ma sát sẽ làm cho các điều kiện ma sát xấu đi. Diện tích tiếp xúc thực tế của vùng tiếp xúc khi có ma sát giới hạn tỷ lệ thuận với tỷ số bán kính r của đỉnh nhấp nhô với chiều cao nhấp nhô R. Đồng thời khi độ Cnsc.15
13. nhấp nhô tế vi tăng lên thì tỷ số đó giảm xuống. Như vậy, diện tích tiếp xúc thực tế của các bề mặt gia công bằng giấy nhám nhỏ hơn so với bề mặt tiếp xúc gia công bằng đánh bóng bề mặt và trên các đỉnh nhấp nhô độ nhám lớn hơn tồn tại màng dầu bôi trơn khá mỏng. Khi đó sức cản ma sát xuất hiện, các vùng tiếp xúc kim loại sẽ tăng lên, khi tải trọng tăng lên thì diện tích tiếp xúc trực tiếp tăng lên. Nhưng sự tăng diện tích tiếp xúc xảy ra chậm hơn so với sự tăng tải trọng. Do đó nó tiến tới giới hạn xác định nào đó. Trong những điều kiện ma sát nửa ướt, sức cản dịch chuyển nhờ sự tổng hợp các lực xuất hiện trên các vùng tiếp xúc của các mặt và lực cản nhớt của màng dầu. Khi tăng vận tốc dịch chuyển tương đối của các bề mặt ma sát thì lực nâng thủy động cũng tăng lên. Lực này có tác dụng làm cho trục khuỷu ngày càng quay tròn đều trong gối đỡ. Trị số lực nâng phụ thuộc vận tốc dịch chuyển tương đối và độ nhớt của vật liệu bôi trơn, khe hở hướng kính, tải trọng và các thông số kết cấu của trục và gối đỡ. Khi lực nâng càng tăng lên thì tải trọng sẽ được phân bố lại, phần lớn tải trọng sẽ do màng dầu tiếp nhận và do đó biến dạng tiếp xúc sẽ giảm xuống. Sự tăng tải trọng ở cổ trục sẽ làm cho biến dạng ở các vòng tiếp xúc tăng lên. Hệ số ma sát nhỏ nhất đối với các mối ghép tương tự như ở những trị số áp lực khác khác nhau có giá trị gần như nhau, nhưng nó nghiêng về phía có vận tốc lớn hơn. Khi tăng áp lực lên, cổ trục sẽ chuyển tiếp từ chế độ ma sát hỗn hợp sang chế độ ma sát ướt xảy ra khi có tốc độ trượt tương đối lớn. Sự chuyển tiếp đó cũng xảy ra khi độ nhớt của vật liệu bôi trơn tăng. Khi lượng dầu bôi trơn thiếu, lực nâng sẽ giảm. Từ đó trục chuyển động không linh hoạt, lúc này lực ma sát tăng kéo theo sự tăng nhiệt độ dẫn đến dầu bôi trơn giảm độ nhớt. Cuối cùng chế độ ma sát chuyển sang ma sát khô. Vật liệu của cặp chi tiết cũng ảnh hưởng đến chế độ ma sát và quá trình chuyển tiếp. Ở chế độ ma sát nửa khô, sự hao mòn bề mặt ma sát phụ thuộc chiều cao của độ nhấp nhô tế vi và tỷ số giữa chiều cao và chiều dài của chúng. Ngoài ra, lực nâng sẽ tăng khi chiều dài của chêm dầu tăng, do vậy các bề mặt có chiều cao độ nhấp nhô là như nhau nhưng có bước khác nhau sẽ hao mòn khác nhau. Sự chuyển tiếp từ ma sát hỗn hợp sang chế độ ma sát ướt được qui định bởi hàng loạt các yếu tố. Trong đó yếu tố cơ bản là yếu tố cơ-lý của vật liệu, tải trọng, độ nhớt của dầu bôi trơn, hình dạng nhấp nhô tế vi của các mặt ma sát, tốc độ trượt và chất lượng dầu bôi trơn. 2. Ảnh hưởng của khe hở mối ghép tới điều kiện ma sát Độ cứng không đủ lớn của kết cấu, độ không chính xác khi chế tạo và lắp rắp, ảnh hưởng của nhiệt độ và biến dạng của chi tiết trong quá trình làm việc đều dẫn đến thay đổi hình học của chúng. Ảnh hưởng của hình dạng hình học sẽ được giảm bớt khi sử dụng những mối ghép trục -gối đỡ có khe hở gia tăng trong quá trình lắp ráp. Tuy nhiên, độ bền của chi tiết sẽ bị ảnh hưởng. Để nâng cao độ bền của mối ghép trục-gối đỡ thì khe hở ban đầu phải có giá trị bé nhất. Tuy vậy cần thấy rằng những khe hở ban đầu quá nhỏ trong mối ghép cổ trục-ổ đỡ có thể làm hư hỏng bề mặt ma sát, làm tăng hệ số ma sát gây ra cào xước, tiếp xúc cục bộ gây bó kẹt và nóng chảy lớp phủ chóng mòn của gối đỡ. Ở những Cnsc. 16
14. khe hở nhỏ, khi tăng chúng lên 0,01mm sẽ làm giảm được đáng kể độ phát nhiệt bên trong của màng dầu so với khi chuyển tiếp từ vận tốc lớn xuống vận tốc nhỏ hơn. Khi hình thành các vùng ma sát giới hạn và nhất là ma sát nửa khô, thì các qui luật thuỷ động sẽ không còn đúng nữa, nhiệt độ tăng làm cho độ nhớt của dầu bôi trơn giảm. Xuất phát từ lý thuyết bôi trơn thuỷ động cần phải sử dụng những loại dầu bôi trơn có độ nhớt đủ lớn cho quá trình làm việc của động cơ khi có tải. Tuy nhiên, khi sử dụng những loại dầu bôi trơn có độ nhớt thấp thì có thể giảm được thời kỳ chạy rà. Nhưng hao mòn chi tiết lại tăng nhanh và độ ổn định của quá trình chạy rà không được đảm bảo. Những loại dầu bôi trơn có độ nhớt lớn khả năng linh hoạt của dầu bôi trơn kém. Do đó làm mát và làm sạch bề mặt ma sát kém, vì vậy khi sử dụng chúng hao mòn chi tiết tăng nhanh. Sự giảm độ nhớt của vùng ma sát khi tăng số vòng quay của trục trong gối đỡ cũng ảnh hưởng đến độ giảm giá trị nhỏ nhất của màng dầu. Do đó đối với mối ghép cụ thể và tải trọng cho trước thì trị số hợp lý của chiều dài màng dầu nhỏ nhất sẽ xuất hiện tại một tần số quay xác định của trục khuỷu. Khe hở mà điều kiện ma sát ướt không được đảm bảo, tại đó xuất hiện va đập và độ mòn của các chi tiết tăng lên mãnh liệt, được gọi là khe hở giới hạn cho phép. Khi giảm tải trọng mối ghép, do ma sát ướt được xác lập khi giảm giá trị tần số vòng quay tới hạn của trục khuỷu. Do đó khi khởi động động cơ không nên tăng tải một cách đột ngột. Cần để động cơ chạy không tải một thời gian để thiết lập độ ma sát ướt. Việc dùng loại dầu bôi trơn có độ nhớt thấp làm xuất hiện ma sát nửa khô, vì lúc này ma sát ướt xuất hiện ở tần số vòng quay tương đối cao của trục khuỷu. 3. Hao mòn của cổ trục và bạc lót Trong quá trình vận dụng đầu máy, cổ trục khuỷu và bạc lót của động cơ phải làm việc ở những điều kiện hết sức nặng nhọc, khó khăn. Bạc lót phải chịu áp suất lớn, tải trọng tác dụng lại không ổn định, nó thay đổi trong phạm vi lớn và tuỳ theo tốc độ vận hành của động cơ đồng thời thay đổi theo chu kỳ. Tốc độ dịch chuyển giữa cổ trục và bạc lót rất lớn, có thể vượt quá trị số 10m/s, nhiệt độ bề mặt cũng rất cao, nhiệt độ bôi trơn có thể đạt tới 100 - 1500C. Trong quá trình làm việc trục khuỷu có thể bị biến dạng đàn hồi, bị cong, xoắn và do tất cả những yếu tố nói trên ma sát ướt giữa cổ, trục và bạc lót không được đảm bảo. Như ta đã biết, nếu ma sát ướt không đảm bảo thì trong quá trình làm việc của cổ trục khuỷu và bạc lót có những lúc các mặt ma sát tiếp xúc với nhau, do đó tại chỗ tiếp xúc tải trọng đơn vị tăng lên và nhiệt độ cũng tăng lên làm ảnh hưởng tới điều kiện bôi trơn và mài mòn tăng lên. Tất cả các cổ trục và cổ biên cùng với các bạc lót đều mòn không đều, hình thành độ ô van (méo) và độ côn. Lượng mài mòn quyết định bởi tính chất của tải trọng, chất lượng bôi trơn, kết cấu cụ thể và các điều kiện vận dụng khác. Nguyên nhân chính gây nên đặc tính mòn không đều là do đặc tính di chuyển của các chi tiết có ma sát. Trong quá trình làm việc, mặt trong của cổ trục khuỷu tiếp xúc với bạc nhiều do đó mòn nhiều. Các điểm trên chu vi của bạc tuy cũng lần lượt tiếp xúc, nhưng từ quá trình nén đến quá trình nổ do tải trọng đổi hướng và trị số của nó thay đổi cho nên gây ra lực dồn và làm cho độ mòn không đồng đều. Tốc độ di Cnsc.17
15. trượt của cổ biên lớn hơn cổ trục, điều kiện bôi trơn kém hơn, do đó cổ biên mòn nhiều hơn cổ trục. Độ mòn không đều trên chiều trục của cổ biên và cổ trục là do kết cấu trục khuỷu. Ở một số động cơ do thanh biên không đối xứng, vì vậy lực tác dụng lên cổ biên không đều, nơi chịu lực lớn sẽ mòn nhiều hơn và ngược lại. Căn cứ vào sự bố trí không giống nhau và độ lệch của biên, phần mòn nhiều nhất sẽ sinh ra ở phần đầu cổ trục hoặc phần sau cổ trục. Độ mòn không đều của cổ trục còn chịu ảnh hưởng của điều kiện bôi trơn. Các đường dầu trong trục khuỷu có độ nghiêng so với mặt ngoài cổ trục. Những tạp chất cơ học trong dầu nhờn dưới tác dụng của lực ty lâm sẽ dạt lên phần trên của đường dầu và sẽ từ miệng lỗ đường dầu đi vào mặt ma sát. Sự phân bố của các tạp chất này không đồng đều, ở ngay cửa ra của đường dầu tạp chất ít, còn ở vị trí khuất đường dầu tạp chất nhiều do đó mòn cũng không đều. Lượng mòn của cổ biên và bạc lót của nó, độ mòn của các cổ trục cũng không giống nhau, chẳng hạn có những động cơ cổ trục ở hai đầu trục khuỷu chỉ mòn bằng khoảng 30 - 40% các cổ trục ở giữa. Bên cạnh đó, độ mòn hướng kính của các cổ trục cũng không đều và thường những vị trí mòn ít nhất đều đối xứng với những vị trí mòn nhiều nhất. a. Vật liệu cặp ma sát bạc lót - cổ trục Trục khuỷu được chế tạo từ thép hợp kim, nhiệt luyện bằng phương pháp thấm ni-tơ. Độ cứng bề mặt làm việc đạt 67- 70 HRC. Độ bóng bề mặt đạt 8 - 9. Do đặc điểm kết cấu làm việc của động cơ đốt trong, vật liệu chịu mòn dùng làm ổ trục phải thoả mãn những yêu cầu sau: có tính chống mòn tốt, có độ cứng thích đáng và độ dẻo cần thiết, chóng rà khít với bề mặt cổ trục, ở nhiệt độ cao sức bền ít giảm sút, truyền dẫn nhiệt tốt, ít giãn nở, giữ được dầu bôi trơn, dễ đúc và dễ bám vào vỏ thép. Vật liệu chế tạo bạc lót gồm: nhóm kim loại và nhóm phi kim loại. Nhóm kim loại gồm: hợp kim babit, đồng thanh-thiếc, đồng thanh-chì, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm Ngày nay hợp kim babit và hợp kim đồng chì thuộc nhóm kim loại chống mòn được dùng phổ biến. Hợp kim babit dùng phổ biến để làm bạc lót trong động cơ đốt trong. Tuỳ theo hàm lượng thiếc và chì có trong babit mà có babit thiếc và babit chì nền thiếc. Ví dụ: Nền chì (Pb) có thành phần như sau: 9 - 11% Sn; 1,5 - 2,00%Cu; 13 - 15%Sb; 1,25 - 1.27%Cd; 0,7 - 1,25%Ni; 0,5 - 0,9%As còn lại là chì. Ngoài ra có tạp chất 0,10%Fe và 0,15%Zn. Do tổ chức kim cương của hợp kim babit gồm những tinh thể cứng Cu, Sb phân bố đều trên các nền mềm, do đó nó có tính dẻo tốt và chịu được mòn đồng thời dễ rà khít với trục. Hợp kim babit dễ đúc và bám chắc vào thép. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao độ cứng giảm nhiều. Để nâng cao tuổi thọ người ta thường dùng bạc lót có ba lớp: lớp babit có chiều dài không vượt quá 0,15 mm phủ lên lớp hợp kim đồng - chì có chiều dày 0,6 – 0,65 mm và phủ lên lớp bạc lót làm bằng kẽm. Đôi khi người ta thay lớp babit bằng lớp chì mỏng có tẩm indi nhằm nâng cao tính chống ăn mòn. Ngoài ra, trong bạc còn có một vài kim loại khác; nói chung loại bạc ba lớp chế tạo rất phức tạp. Cnsc. 18
16. Bạc lót có tráng hợp kim đồng chì làm việc kém hơn bạc babit, thường làm chp các cổ trục bị mòn nhanh. Để khắc phục sự mòn dính phải gia công với độ bóng và độ chính xác cao. Độ mòn của hợp kim đồng chì còn chịu ảnh hưởng của vận tốc và nhiệt độ ma sát. Ở một giai đoạn xác định của quá trình biến dạng dẻo, lớp màng bị phá hủy, khi đó trên bề mặt kim loại đồng tăng lên độ mòn lớn nhất trong phạm vi : T = 100  150 oC. Các tinh thể mòn đồng chì dễ bị phân huỷ sẽ phân cách kim loại gốc dẫn đến độ bền của bạc giảm. Hợp kim đồng chì có sức bền cơ học cao, chịu được nhiệt độ cao nhưng khi đúc dễ bị thiên tích, gia công khó khăn, dầu bôi trơn tuyệt đối không được lẫn nước để không làm hư hỏng hợp kim đồng chì. Việc dùng vật liệu chống mòn làm gối đỡ và dùng vật liệu bôi trơn có tính chất đảm bảo sẽ nâng cao đáng kể tuổi thọ của mối ghép. b. Các thông số về độ nhám bề mặt Độ nhấp nhô tế vi tại các bề mặt tiếp xúc của cặp chi tiết trong mối ghép phụ thuộc vào điều kiện ma sát, các quá trình biến dạng dẻo xảy ra trong vùng ma sát của hạt mài, phụ thuộc vào vật liệu chi tiết của mối ghép, độ dẫn nhiệt và các thông số khác. Sau khi chạy rà động cơ, độ nhám bề mặt ổn định tuỳ thuộc vào điều kiện ma sát mối ghép. Độ nhám bề mặt tương ứng với độ mòn nhỏ nhất của cặp ma sát được gọi là độ nhám tối ưu. Việc lựa chọn độ nhám hợp lý được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Những bề mặt có độ nhám lớn hơn độ nhám tối ưu, thì trong quá trình chạy rà sẽ được là phẳng. Ngược lại, các bề mặt có độ nhám nhỏ hơn độ nhám tối ưu sau khi chạy rà sẽ trở nên nhám hơn. Đới với những điều kiện ma sát nặng nhọc không cần thiết phải tạo bề mặt ma sát quá bóng bởi vì độ nhám tối ưu có thể sẽ lớn hơn. Do độ nhám bề mặt của cùng một loại chi tiết mối ghép không ổn định trong quá trình làm việc, cho nên phải nắm được độ nhám tối ưu như một độ nhám xác định mà tại đó, ở những điều kiện ma sát cho trước các chi tiết hao mòn ít nhất. Đối với mỗi cặp ma sát ở những điều kiện hao mòn cụ thể, xác lập thông số tối ưu đảm bảo độ chống mòn lớn nhất. Phương pháp lựa chọn khách quan để xác lập thông số tối ưu dựa vào điều kiện vận dụng của mối ghép, lựa chọn các thông số về độ nhám tương đối phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết mối ghép và sử dụng các phương pháp thống kê toán học. Nói chung, cặp chi tiết trong mối ghép cổ trục-bạc bề mặt làm việc phải có độ nhám tương đối nhỏ, độ nhám đó phụ thuộc vào phương pháp gia công cơ khí. Đối với cổ trục khuỷu phương pháp gia công chủ yếu là mài và đánh bóng để đạt độ bóng 8 - 9 với chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt Rmax = 0.005  0.0016 mm. Trường hợp không có đánh bóng, thì chế độ mài tinh chỉ đạt 8 với Rmax = 0.0016 0.0032 mm. Với bạc lót, chế độ gia công chủ yếu là khoét và doa để đạt 8 - 9 với các thông số tế vi tương tự như cổ trục. 1.3.2. Hao mòn của các chi tiết nhóm xécmăng-xylanh Cnsc.19
17. Xécmăng và xylanh phải làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, môi trường có chất ăn mòn, màng dầu bôi trơn luôn bị nhiên liệu làm loãng, dầu bôi trơn và nhiên liệu có lẫn cặn bẩn, v.v Trong toàn bộ hành trình của píttông, những vị trí khác nhau của xylanh chịu những điều kiện ma sát khác nhau và do đó độ mòn của xylanh theo chiều trục không đồng đều. Phía đỉnh xylanh bị mòn nhiều hơn phần dưới, do đó xylanh sau thời gian làm việc có dạng côn; theo chiều hướng kính xyanh bị mòn theo hình ô van. Lượng mài mòn lớn nhất trong xylanh ứng với điểm chết trên của xécmăng thứ nhất. Sở dĩ như vậy, là vì ở điểm chết trên của xécmăng thứ nhất điều kiện làm việc của xylanh là xấu nhất, áp suất của xécmăng lên xylanh là lớn nhất, nhiệt độ cháy cao nhất và bôi trơn kém nhất. 1. Ảnh hưởng của áp suất tác dụng lên xécmăng Áp suất của xécmăng tác dụng lên xylanh phụ thuộc vào sức bật của xécmăng và áp lực của khí cháy tác dụng lên lưng xécmăng. Nếu coi áp suất của khí cháy là 100% thì áp lực tác dụng lên các xécmăng lần lượt sẽ là khoảng 76%, 20% và 7,6% (hình 1.2). Áp lực tác dụng lên xécmăng thứ nhất là lớn nhất. Khi píttông đi xuống, áp lực trong xylanh giảm dần, do đó áp suất tác dụng lên xylanh cũng giảm dần. Khi lực tác dụng vuông góc với mặt ma sát càng lớn thì những phân tử của các mặt ma sát găm vào nhau càng nhiều và do đó phần trên của xylanh bị mòn nhiều nhất. Dạng đường cong đặc tính mài mòn tương tự như dạng đường cong phân bổ áp lực trong xylanh theo chiều trục và điều đó đã nói lên ảnh hưởng của áp lực đối với độ mòn. Trong quá trình làm việc cũng như không làm việc xécmăng luôn áp sát vào thành xylanh, để giải thích sự mài mòn của xécmăng có hai trường hợp: - Đẳng áp: trong trường hợp này áp lực xécmăng lên thành xylanh là đồng đều nhưng nó chỉ dùng trên lý thuyết để tính toán, trong thực tế thì không có vì có khe hở miệng của xécmăng. Qua thời gian sử dụng và thực tế nhiều lần đo đạc khảo sát, thấy rằng khu vực gần miệng xécmăng là chịu mài mòn lớn nhất. Do đó khi lắp xécmăng vào píttôngngười ta phải phân bố đều hướng miệng xécmăng để tránh hiện tượng lọt khí xuống cácte, bảo đảm cho sự bao kín buồng cháy. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % p p 1 p'1 p 2 p'2 p3 p'3 Hình 1.2. Sơ đồ lực ép của khí cháy lên xécmăng P1 = 0,76P, P2 = 0,20P; P3 = 0,076P. Cnsc. 20
18. - Không đẳng áp: hiện tượng phân bố lực theo hình trái lê mà áp lực ở miệng xécmăng là lớn nhất (có giá trị bằng 3P). Sau quá trình làm việc thì áp lực 3P giảm xuống còn từ 1P đến 2P do có sự mài mòn, do đó áp lực lớn nhất còn ở khu vực từ 1200 đến 2400. Đây là trường hợp mới được nghiên cứu và áp dụng. Hiện nay trong công nghệ chế tạo xécmăng người ta mạ một lớp crôm xốp gần miệng xécmăng có chiều dày lớn hơn ở vị trí khác trên xécmăng. Tác dụng của xécmăng là bao kín buồng cháy và phải đảm bảo lượng lọt khí nhỏ nhất. Xécmăng phải khít với thành xylanh, khe hở giữa xécmăng và rãnh xécmăng phải đảm bảo ở trị số nhỏ nhất. Sự kín khít giữa xécmăng và xylanh đảm bảo được là do áp lực khí cháy giãn nở và sức bật của xécmăng. Ngoài quá trình giãn nở, thì ở các quá trình khác sức ép của khí trong xylanh không đáng kể. Do đó tuổi thọ của xécmăng có thể coi là thời gian mà xécmăng còn ép khít được với xylanh do sức bật của bản thân nó. Sức bật của xécmăng sẽ giảm dần trong quá trình sử dụng do bị mòn theo hướng kính và nơi mòn nhiều nhất là miệng của xécmăng. Theo các nghiên cứu cho thấy, thì xécmăng thứ nhất sau khi sử dụng bị mòn nhiều nhất và như vậy sức bật của nó cũng giảm nhiều nhất. Các xécmăng càng ở phía sau bị mòn càng ít. Ngoài ra, nhiệt độ cao cũng làm cho sức bật của xécmănggiảm. Trong rãnh xécmăng thứ nhất còn tồn tại cả mài mòn do cặn bẩn, do đó độ hở của xécmăng và rãnh tăng lên. Sự mài mòn của xylanh có tác dụng tương hỗ với sự mài mòn của xécmăng. Đặc điểm mòn của xécmăng là chiều dày mòn nhiều, chiều cao mòn ít, xécmăng khí mòn nhiều hơn xécmăng dầu, trong đó xécmăng khí thứ nhất do chịu áp lực lớn nhất, bôi trơn kém nhất, nhiệt độ cao nhất là do đó mòn nhiều nhất. Để kéo dài tuổi thọ của xécmăng và làm giảm hao mòn của nó cũng như xylanh, người ta thường mạ crôm xốp cho những xécmăng thứ nhất là xécmăng làm việc ở những điều kiện khắc nghiệt nhất. 2. Điều kiện nhiệt độ Nhiệt độ ở các vị trí khác nhau trong xylanh cũng khác nhau. Nhiệt độ của phần trên xi lanh cao nhất, chẳng hạn trong một số động cơ làm mát bằng nước tuần hoàn, nhiệt độ bình quân của khu vực điểm chết trên của píttông lên tới khoảng 3500C và ở khu vực điểm chết dưới là khoảng 2000C. Đối với một số động cơ làm mát bằng không khí, thì các nhiệt độ đó có thể lên tới khoảng 4300C và 2200C. Nhiệt độ của xécmăng thứ nhất ở điểm chết trên còn cao hơn nhiệt độ của xylanh. Nhiệt độ tăng làm cho độ nhớt của dầu giảm và do đó làm yếu màng dầu; thậm chí màng dầu tại nơi nhiệt độ cao còn có thể bị cháy, mặt khác sự cung cấp dầu cho phần trên của xylanh cũng khó khăn và đó cũng là lý do để giải thích tại sao phần trên của xylanh lại bị mòn nhiều. Khi động cơ làm việc, trong xylanh hình thành ba khu vực nhiệt độ: - Khu vực nhiệt độ cao Dầu nhờn trong vùng nhiệt độ cao không có tác dụng bôi trơn, màng dầu bị phá hủy, áp suất của nhiên liệu phun sương mạnh cũng làm ảnh hưởng đến màng dầu bôi trơn, đặc tính và trị số hao mòn của xylanh phụ thuộc vào chế độ nhiệt, kết cấu động cơ và mức độ làm mát khác nhau của xylanh trong cùng một động cơ. Khi nhiệt độ thành xylanh giảm thấp hơn nhiệt độ tạo sương của các sản phẩm cháy trên thành xylanh thì hơi nước bị ngưng tụ, các loại axít cao phân tử, lưu huỳnh và các hợp chất Cnsc.21
19. lưu huỳnh trong nhiên liệu cũng làm tăng nhanh sự hao mòn. Dầu nhờn trong vùng này bị cháy tạo ra muội than và nhựa bám vào các chi tiết của píttông, xécmăng, xylanh làm xấu quá trình công tác, giảm khả năng truyền nhiệt, gây tắc vòi phun, tạo sự mài mòn các bề mặt kim loại. Khi nhiên liệu bị đốt cháy, nhiệt độ tăng cao, màng dầu bôi trơn bị giãn nở cục bộ, bị làm loãng do nhiên liệu phun vào có tốc độ cao, do luồng khí nạp thổi vào xylanh, do sự thay đổi áp suất ở thời kỳ giãn nở, do sự giảm tốc độ của píttôngcho tới không và do sự đổi hướng chuyển động của nó, dẫn đến sự phá huỷ hoặc làm giảm chiều dầy của màng dầu bôi trơn, làm cho các bề mặt kim loại tiếp xúc trực tiếp với nhau. Những yếu tố trên làm tăng ma sát và gây ra hao mòn không đồng đều trên chiều dài xylanh. Độ mòn lớn nhất thường thấy ở vùng xécmăng lửa đầu tiên. Khi độ mòn xylanh tăng lên thì khe hở của nhóm píttông- xécmăng-xylanh càng tăng do đó càng làm tăng nhanh quá trình hao mòn. - Khu vực nhiệt độ trung bình Ở khu vực này các sản phẩm cháy và dầu bôi trơn tạo keo, gây bó kẹt xécmăng, làm mòn xylanh và xécmăng. - Khu vực nhiệt độ thấp Ở khu vực này dầu bôi trơn hầu như vẫn giữ nguyên tính chất, ít bay hơi, do vậy khi khí cháy lọt xuống các te, trong dầu có chứa lẫn hạt nhiên liệu, trong nhiên liệu có lưu huỳnh, các axít hữu cơ, có tác dụng làm loãng dầu nhớt mất phẩm chất cũng gây nên hiện tượng ăn mòn. Để giảm tính chất ăn mòn ta thêm chất phụ gia đa chức năng để làm giảm tính oxy hoá, chống tạo nhựa, chống tính ăn mòn. Trong toàn bộ hành trình píttônglàm việc ở những vị trí khác nhau của xylanh, chịu những điều kiện ma sát khác nhau, do đó độ mòn xylanh theo chiều trục không đồng đều: phía đỉnh xylanh mòn nhiều hơn phần dưới theo hướng trục xylanh có dạng hình côn, theo chiều hướng kính thì xylanh bị mòn theo hình ôvan. Lượng mài mòn lớn nhất trong xylanh ứng với điểm chết trên của xécmăng thứ nhất. Như vậy là vì ở điểm chết trên của xécmăng thứ nhất, điều kiện làm việc của xylanh xấu nhất, áp xuất của xécmăng lên xylanh là lớn nhất, nhiệt độ cháy cao nhất và bôi trơn kém nhất. Tính ăn mòn của những sản phẩm cháy cũng ảnh hưởng tới mức độ và đặc tính ăn mòn của nhóm píttông, xécmăng, xylanh. Những sản phẩm cháy gồm có CO2, SO2,NO2, hơi nước và các axít hữu cơ CH2O, C2H4O2 Chúng có thể trực tiếp ăn mòn hoặc hoà tan trong hơi nước rồi ăn mòn, sự ăn mòn do hai loại này cũng có tác dụng như nhau là ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá học, mức độ bị ăn mòn của xylanh quyết định bởi nhiệt độ của vách xylanh, nhiệt độ càng cao thì sự ăn mòn càng mạnh, trong trường hợp này phần trên của xylanh cũng chịu điều kiện làm việc xấu nhất. Tuy nhiệt độ phần trên có cao nhưng do áp lực khí cũng lớn, do đó hơi nước bị ngưng tụ dẫn đến việc bôi trơn khó khăn, tác dụng chống ăn mòn của màng dầu hầu như không có, làm tăng độ mài mòn. Trong một số tài liệu kỹ thuật đã lấy lực ngang N và kết quả của sự biến dạng của xi lanh và píttông ở nhiệt độ cao để cắt nghĩa sự mòn không đều của xylanh. Song căn cứ vào đặc tính mòn thực tế của xylanh thì quan điểm này chưa thể thỏa mãn được. Vì vậy nơi mòn nhiều nhất của xylanh thường lại xuất hiện ở nơi lực ngang N = 0 và ngược lại ở nơi N = Nmax thì lượng mòn lại nhỏ hơn. Mặt khác nếu dùng sự biến dạng của píttông để giải thích sự mòn không đều của xylanh cũng chưa được vì phần đầu píttông không tiếp xúc với xylanh. Cnsc. 22
20. Chung quy lại ta thấy, xylanh là chi tiết phải làm việc ở những điều kiện rất khắc nghiệt và đặc tính hao mòn của chúng đã được xét một cách sơ bộ, cụ thể theo hướng kính xylanh bị mòn thành ôvan, theo chiều trục bị mòn thành hình côn, phần bị mòn nhiều nhất là phía đỉnh của nó (tức là phần ở buồng cháy). 33 2 158,75  1 179 4 0 2 4 6 8 m/10 km  VG SS SS VG Hình 1.3. Đồ thị hao mòn xylanh động cơ đầu máy D9E 1. Cường độ hao mòn theo hướng song song với đường tâm trục khuỷu 2. Cường độ hao mòn theo hướng vuông góc với đường tâm trục khuỷu 3. Ảnh hưởng của luồng khí nạp thổi quét trên thành xylanh Luồng khí nạp thổi quét trên thành xylanh cũng là nguyên nhân làm xylanh mòn không đều trên mặt cắt ngang. Trên hình 1.4 biểu thị sơ đồ đặc tính hao mòn của xylanh theo hướng kính. Ta thấy độ mòn theo hướng kính của xylanh (độ mòn lớn nhất) nằm ở vị trí đối diện với xupáp nạp. Tác dụng thổi quét của khí nạp lên thành xylanh làm nhiệt độ của nó giảm xuống, do đó sự ăn mòn xảy ra mạnh hơn và như vậy cường độ mài mòn tăng lên. Bên cạnh đó, điều kiện làm mát của động cơ cũng ảnh hưởng tới sự mài mòn của xylanh theo hướng kính. Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng, vị trí mòn trên hướng kính của xylanh không phải lúc nào cũng hoàn toàn đối diện với xupáp nạp, mà ở nơi nào nhiệt độ thấp nhất. Trong thực tế, trên một động cơ đặc tính mòn của các xylanh nói Cnsc.23
21. chung giống nhau về căn bản nhưng lượng mòn tuyệt đối có khác nhau. Nơi mòn nhiều nhất là các xylanh hai đầu có nhiệt độ thấp hơn các xylanh khác. Vị trí mòn nhiều nhất của xylanh của các động cơ khác nhau cũng khác nhau, điều đó phụ thuộc vào sự bố trí xupáp nạp và điều kiện làm mát của động cơ. Trong quá trình nạp, không khí có tác dụng thổi quét lên thành xylanh và nhiên liệu ở thể hơi ngưng tụ sẽ rửa dầu nhờn trên vách xylanh, phá hoại màng dầu bôi trơn càng làm tăng cường độ mài mòn của phần trên xylanh. Khi dầu bôi trơn ở môi trường có áp suất thấp (gần như chân không) thì nhiệt độ sôi bé, lúc đó sức căng trên bề mặt màng dầu bôi trơn lớn, làm bể rách màng dầu, các phần tử kim loại không bền vững trên bề mặt píttông, xécmăng, xylanh bị rách, bong ra gây hiện tượng rỗ nhám trên bề mặt. Hiện tượng này gọi là hiện tượng xâm thực. 3 2 1 Hình 1.4. Đặc tính hao mòn của xylanh theo hướng kính 1. Xupáp nạp; 2. Xupáp nạp thải; 3. Hao mòn của xylanh 4. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới độ mòn các chi tiết nhóm píttông-xécmăng- xylanh Sự ảnh hưởng của nhiên liệu tới độ mòn xylanh - píttông- xécmăng được xác định chủ yếu bởi lượng tạp chất có trong nhiên liệu, trong đó axít nhất là axít cao phân tử lưu huỳnh, và các hợp chất của lưu huỳnh có khả năng ăn mòn các chi tiết của động cơ, ngoài ra ta còn phải kể đến độ nhớt của nhiên liệu và chất lượng phun nhiên liệu vào xylanh. Khi động cơ làm việc sẽ tạo ra khí SO2, SO3 trong khu vực cacte khí này kết hợp với hơi nước tạo ra axit H2SO3và H2SO4 cả hai loại axít cùng với bụi và một số axít khác trong nhiên liệu gây nên ăn mòn động cơ rất mạnh. Tính ăn mòn của những sản phẩm cháy cũng ảnh hưởng lớn tới mức độ và đặc tính mòn của xi lanh. Những sản phẩm cháy này gồm có CO2, SO2, NO, hơi nước và các axít hữu cơ CH2O, C2H4O2, v.v Chúng có thể trực tiếp ăn mòn xylanh hoặc hòa tan trong hơi nước rồi ăn mòn xylanh vì vậy sự ăn mòn do hai loại cùng có tác dụng như nhau là loại ăn mòn hóa học và ăn mòn điện - hóa học. Mức độ bị ăn mòn của xylanh quyết định bởi nhiệt độ của vách xylanh, nhiệt độ càng cao thì sự ăn mòn càng mạnh. Ta thấy, trong trường hợp này phần trên của xylanh cũng lại chịu Cnsc. 24
22. điều kiện làm việc xấu nhất. Cụ thể, tuy nhiệt độ phần trên xylanh có cao nhưng do áp lực khí cũng lớn do đó hơi nước bị ngưng tụ dẫn đến việc bôi trơn khó khăn, tác dụng chống ăn mòn của màng dầu hầu như không có và tóm lại độ mòn cũng lớn. Trong quá trình nạp không khí có tác dụng thổi quét lên thành xi lanh và nhiên liệu ở thể hơi ngưng tụ sẽ rửa dầu nhờn trên vách xi lanh, phá hoại màng dầu bôi trơn càng làm tăng cường độ mài mòn của phần trên xylanh. Độ nhớt của nhiên liệu đúng yêu cầu thì động cơ sẽ làm việc bình thường, nếu độ nhớt lớn thì lúc lưu động sẽ gây ra cản trở lớn làm xấu chất lượng phun. Độ nhớt bé làm giảm áp suất phun nhiên liệu, dễ bị rò rỉ qua khe hở giữa píttông- xécmăng - xylanh, kim phun và đế kim phun nhiên liệu hoà lẫn vào dầu bôi trơn làm giảm tính lý hoá dẫn đến sự hao mòn chi tiết. Ta còn phải để ý tới trị số xêtan của nhiên liệu, vì khi động cơ diesel dùng nhiên liệu có trị số xêtan bé thì kéo dài giai đoạn cháy trễ, động cơ có khói đen tạo muội than, sức tiêu hao nhiên liệu tăng, gây hiện tượng va đập, làm hao mòn xylanh, píttông, xécmăng. Do đó để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, làm giảm bớt sự mài mòn, thì nhiên liệu động cơ diesel có những yêu cầu sau: - Nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, độ nhớt cần phải đúng đảm bảo cho việc cấp nhiên liệu qua vòi phun không bị gián đoạn, chứa ít tạp chất axít, lưu huỳnh, bụi; - Phải có giai đoạn cháy trễ càng ngắn trong quá trình cháy; - Phải có khả năng tự bốc cháy tốt (nâng cao trị số xêtan); - Đảm bảo cháy hoàn toàn không có khói đen, không tích muội than, nhiên liệu diesel nếu đạt yêu cầu trên thì nhóm píttông-xécmăng-xylanh trong động cơ sẽ giảm rất nhiều về độ hao mòn. 5. Ảnh hưởng chất lượng dầu bôi trơn Chất lượng dầu bôi trơn ảnh hưởng đáng kể tới độ mòn của các chi tiết nhóm píttông- xécmăng-xylanh. Ngoài các nhiệm vụ cơ bản như: bôi trơn, làm sạch, làm mát, làm kín, chống han gỉ, dầu bôi trơn phải có tính năng làm giảm mài mòn, đảm bảo chi tiết máy làm việc lâu bền. Vì vậy dầu bôi trơn phải đạt các yêu cầu kỹ thuật sau: - Có khả năng tạo thành màng dầu vững chắc trên bề mặt công tác của chi tiết; - Có khả năng đông đặc ở nhiệt độ thấp; - Tạo muội than ít nhất; - Bền vững hoá học đối với ôxy và không khí; - Không có tạp chất cơ học và nước. Hàm lượng nước ngưng tụ lẫn vào dầu bôi trơn khi động cơ làm việc ở chế độ nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng đến độ mài mòn. Nước sẽ làm xấu tính bôi trơn của màng dầu, khi lọt vào bề mặt xylanh nó sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn khốc liệt hơn. Một số chỉ tiêu đặc trưng của dầu ảnh hưởng tới sự mài mòn: Nhiệt độ đông đặc: là nhiệt độ thấp nhất mà ở nhiệt độ đó dầu mất tính lưu động, để đảm bảo dầu bôi trơn tốt nhất thì nhiệt độ đông đặc phải không lớn. Để làm giảm nhiệt độ đông đặc người ta pha thêm một chất phụ gia, việc làm giảm nhiệt độ đông đặc tức là tạo sự ổn định cho dầu khắc phục ít nhất sự mài mòn. Cnsc.25
23. Độ nhớt: là một trong những tiêu chuẩn giới hạn của dầu bôi trơn, nó biểu thị công suất cần thiết trong khắc phục ma sát, khi những phân tử của dầu chịu lực tác dụng bên ngoài thì dầu có lực đối kháng hay còn gọi là độ nhớt. Độ nhớt của dầu là một trong những tính chất quan trọng, nhất là trong những điều kiện nhiệt độ cao, các tính chất lý hoá của dầu cũng ảnh hưởng đến độ nhớt, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm, tăng khe hở các chi tiết, tăng hao dầu, tăng tải trọng đơn vị trên bề mặt ma sát. Khi nhiệt độ thấp thì độ nhớt tăng gây khó khăn cho việc dẫn dầu bôi trơn đến các chi tiết, ảnh hưởng đến sự luân chuyển tuần hoàn của dầu bôi trơn từ đó gây hao mòn chi tiết. Dầu bôi trơn phải có tính ổn định lý hoá tốt khi vận chuyển và bảo quản trong một thời gian dài. Khi ở nhiệt độ cao để làm giảm tính chất ăn mòn, người ta pha thêm chất phụ gia để dầu không bị biến chất (giữ vững tính lý hoá). 6. Ảnh hưởng của quá trình khởi động động cơ Qúa trình khởi động động cơ làm cho động cơ từ trạng thái tĩnh chuyển sang thạng thái động (làm việc), do đó không tránh khỏi hiện tượng hao mòn. Khi bắt đầu khởi động thì trong lòng xylanh đã có hơi nước ngưng tụ từ trước, lúc này màng dầu bôi trơn chưa hình thành và quá trình ăn mòn xylanh xảy ra (hiện tượng xâm thực). Khi khởi động các chi tiết bị ma sát ở tốc độ trượt lớn và tải trọng đơn vị cao, lúc này xuất hiện ma sát khô và ma sát giới hạn vì bề mặt kim loại trực tiếp chà sát vào nhau khi vật liệu bôi trơn chỉ có ở một số vùng trên bề mặt kim loại, bề mặt chi tiết sản sinh ra một lượng nhiệt không kịp tản sâu vào kim loại, nó làm thay đổi cấu trúc các lớp bề mặt chi tiết, độ mòn của kim loại giảm xuống nhanh chóng làm tăng nhanh sự hao mòn đó là mài mòn cơ học. Độ mòn lớn nhất xảy ra trong khoảng 1 đến 2 giây đầu tiên sau khi khởi động, sau đó nó sẽ trở lại trạng thái ổn định.Trên đầu máy diesel hiện nay, khi động cơ dừng hoạt động thì dầu bôi trơn sẽ rơi về cácte và khi khởi động thì phải nâng cần gia tốc mục đích là để đạt tới trị số vòng quay hợp lý làm động cơ hoạt động, đó cũng là nguyên nhân dẫn tới sự hao mòn. Nhiều thí nghiệm tiến hành trong các điều kiện khác nhau đã chứng tỏ rằng sự khởi động động cơ nguội trong một mức độ nào đó đều làm tăng nhanh quá trình hao mòn nhóm píttông-xécmăng-xylanh. 7. Quá trình thay đổi khe hở miệng xécmăng Trong quá trình vận dụng, kể từ thời điểm tương ứng với trạng thái tối ưu của bề mặt ma sát đối với các chi tiết lắp ghép, sự làm việc tiếp theo của động cơ sẽ làm giảm các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của nó, độ giảm đó càng lớn khi mức độ hao mòn càng tăng. Đối với một động cơ trong một quá trình làm việc píttôngchịu tác dụng của lực biến đổi về đại lượng và hướng như lực khí thể, quán tính và kể cả lực bền có xu hướng nén píttôngvào mặt xylanh, sự đốt nóng không đồng đều theo hướng kính và dọc trục của píttôngvà xylanh gây nên ứng suất nhiệt bổ sung. Những vùng khác nhau của píttôngsẽ chịu lực cục bộ như khoảng không gian của xécmăng khí, bề mặt trên và dưới của xé măng chịu lực quán tính khi píttôngthay đổi hướng chuyển động trong xylanh. Tác động tương hỗ của các lực đó gây nên sự hao mòn trong các chi tiết nhóm píttông, xylanh. Độ mòn này sẽ ảnh hưởng đến trị số hao mòn khe hở miệng trong mối ghép píttông, xylanh và ảnh hưởng đến trị số tiết diện thông qua. Cnsc. 26
24. 1.3.3. Quá trình hao mòn chi tiết nhóm cơ cấu phối khí động cơ đầu máy diesel và ảnh hưởng của quá trình hao mòn chi tiết tới quá trình làm việc của động cơ Trong quá trình làm việc, các chi tiết cơ bản của cơ cấu phối khí như xupáp, ống dẫn hướng, cổ trục cam, mặt làm việc của cam, xupáp, v.v đều bị hao mòn và ít nhiều đều ảnh hưởng tới trạng thái kỹ thuật của động cơ và cụ thể là làm giảm công suất hữu ích của nó trong quá trình vận dụng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu một cách tổng hợp ảnh hưởng của hao mòn tất cả các chi tiết nói trên tới độ giảm công suất hữu ích của động cơ bằng giải tích là một công việc rất khó khăn, phức tạp. Do đó, cần phân tích lựa chọn một số chi tiết hoặc mối ghép điển hình trong cơ cấu mà độ mòn của nó ảnh hưởng quyết định tới độ giảm công suất. 1. Ảnh hưởng của quá trình hao mòn trục cam nhóm cơ cấu phối khí tới quá trình làm việc của động cơ đầu máy diesel Sự hao mòn cổ trục làm cho khe hở giữa chúng và bạc đỡ tăng lên, gây ra sự va đập lớn ảnh hưởng đến sự tiếp xúc giữa các vấu cam và con đội trong quá trình phối khí làm ảnh hưởng tới công suất hữu ích, mà cụ thể là làm giảm công suất hữu ích (Ne) của động cơ. Trong nhóm cơ cấu phối khí, độ mòn chiều cao cam có ảnh hưởng lớn nhất tới độ giảm công suất hữu ích. Khi chiều cao cam bị mòn, độ nâng xupáp giảm làm tiết diện lưu thông trong quá trình nạp cũng giảm, dẫn đến lượng khí nạp vào xylanh giảm và lượng khí thải không thải hết được. Kết quả làm áp suất cuối kỳ nạp Pa cũng giảm theo. Như đã biết: Qh 1 Pk Ne 89,67.Vh .i.n. . . .i .cg .V , (1.2) M k  Tk trong đó: Vh- thể tích công tác của xylanh; i - số xylanh của động cơ; n - số vòng quay của động cơ; Qh - nhiệt trị thấp của nhiên liệu; Mk- khối lượng không khí nạp;  - số kỳ của động cơ; Pk- áp suất trước đường ống nạp; Tk - nhiệt độ không khí trước đường ống nạp; i - hiệu suất chỉ thị của động cơ;  cg - hiệu suất cơ giới; V - hệ số nạp không khí. Hệ số nạp không khí được xác định như sau:  Pa Tk V =1 . . . , (1.3)  1 Pk Tk T t . r .Tr trong đó:  - tỷ số nén của động cơ; Pa - áp suất cuối quá trình nạp; Cnsc.27
25. 1- hệ số nạp thêm; t - hệ số hiệu chỉnh tỷ nhiệt phụ thuộc vào vaứ tr ; r - hệ số khí sót; Tr - nhiệt độ khí sót. Ở đây ta chỉ xét ảnh hưởng của độ mòn chiều cao cam tới công suất hữu ích còn các thông số khác coi như không thay đổi trong quá trình hao mòn của cam. Kết hợp (1.2) và (1.3) rồi rút gọn ta được: Ne = k.Pa (1.4) trong đó: k- hằng số rút gọn. Qua (1.3) thấy rằng khi Pa giảm thì Ne cũng giảm theo. Trị số của Pa được xác định như sau: 3,5 2 2 n2 V 1   P 1 h , (1.5) a 520.106 f  2  1 tb trong đó: n- số vòng quay định mức của động cơ; Vh - thể tích của xylanh;  =0,6- 0,8 hệ số tổn thất khí nạp; P .T  r a , Pa.Tr ftb- tiết diện lưu thông trung bình của xupáp. Qua đó ta thấy rằng, Pa phụ thuộc vào ftb mà ftb lại bị chi phối bởi chiều cao cam. Để xác định được ftb, ta tiến hành xây dựng mặt cam và kích thước thấp của cam, đã tính toán góc quay của cam và ứng với góc quay đó là các giá trị nâng xupáp khi cam chưa mòn và sau khi đã mòn theo các công thức đã biết. Sự hao mòn mặt lăn cam dẫn đến sự thay đổi tiết diện (giảm nhỏ) của tiết diện các xupáp nạp và xupáp thải, làm thay đổi đặc tính đường cong nâng xupáp và làm cho pha phối khí tiêu chuẩn bị sai lệch, dẫn đến các chỉ tiêu làm việc và chỉ tiêu công suất của động cơ cũng bị ảnh hưởng. Giảm công suất của động cơ làm xấu các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác. 2. Ảnh hưởng của quá trình hao mòn xupáp nhóm cơ cấu phối khí tới quá trình làm việc của động cơ đầu máy diesel Thân xupáp Thân xupáp và ống dẫn hướng xupáp làm việc ở chế độ ma sát giới hạn, tức là luôn luôn duy trì màng dầu bôi trơn rất mỏng trên bề mặt ma sát giữa thân và ống dẫn hướng. Để đảm bảo cho việc bôi trơn được ổn định không những cần phải có độ nhớt thích hợp mà còn phải đảm bảo "tính dầu" tốt. Tính dầu ở đây là khả năng của dầu bôi trơn duy trì trên bề mặt ma sát những màng dầu bền vững có tính chất hút bám và ổn định hoá học. Khi việc bôi trơn không được đảm bảo ví dụ như do nhiệt độ quá cao làm giảm độ nhớt và phá huỷ màng dầu bôi trơn, lúc này sự tiếp xúc của Cnsc. 28
26. mối ghép giữa thân xupáp và ống dẫn hướng chuyển sang chế độ ma sát khô dẫn đến sự mài mòn tăng. Nấm xupáp-đế xupáp Chế độ làm việc của nấm xupáp và đế xupáp là chế độ làm việc dưới sự va đập giữa đế xupáp và nấm xupáp và ma sát giữa chúng khi va đập là ma sát khô. Do vậy chúng gây ra sự biến dạng ở mặt tiếp xúc. Ngoài ra, do nấm xupáp và đế xupáp thường xuyên tiếp xúc với khí cháy ở nhiệt độ cao (500- 600 C) làm cho bề mặt xupáp và đế xupáp sinh ra một lượng nhiệt rất lớn mà không kịp tản sâu vào trong kim loại, do đó các bề mặt chúng dễ bị mềm ra, bị dính tiếp xúc và dưới sự va đập giữa chúng làm cho bề mặt tiếp xúc chóng mòn. Trong quá trình hoạt động, hư hỏng, hao mòn xupáp là hiện tượng xảy ra thường xuyên nhất. Sự hư hỏng xupáp đều dẫn đến hiện tượng các bề mặt tiếp xúc giữa nấm xupáp và đế xupáp không được kín khít do: - Dầu chảy dọc theo khe hở giữa thân xupáp và ống dẫn hướng xuống bề mặt nấm khi khe hở tăng lên và kết muội trên mặt nấm xupáp do nhiệt độ cao. - Độ nâng của xupáp giảm làm tiết diện thông qua của xupáp nạp và xupáp thải giảm đi, tổn thất trong hệ thống nạp và thải tăng lên, do đó điều kiện điền đầy và thổi quét xylanh động cơ giảm xấu. - Tất cả các nguyên nhân đều dẫn đến công suất của động cơ giảm. 3. Ảnh hưởng của sự sai lệch pha phối khí đến công suất động cơ Nếu xupáp nạp đóng sớm hơn thời điểm tiêu chuẩn thì lượng khí nạp vào xylanh sẽ giảm, vì rằng tiết diện lưu thông của xupáp gần điểm chết trên (ĐCD) giảm và trở lực khí tăng lên, khi đó đường cong của quá trình nạp đi xuống. Nếu tăng góc đóng muộn xupáp thì lượng khí nạp cũng sẽ nhỏ, bởi vì lúc đó có một bộ phận khí nạp bị đẩy ngược lại. Việc xác lập thời điểm đóng xupáp tốt nhất là căn cứ vào lượng nạp khí lớn nhất có thể đạt được trong quá trình nạp. Trên thực tế, điều đó chỉ có thể thực hiện được bằng cách chọn theo đồ thị công. Cũng có thể dùng phương pháp đo lượng không khí trong đường ống nạp để đạt được mục đích trên, nhưng cách này chỉ tiện lợi đối với động cơ không có quét buồng cháy. Thời điểm mở xupáp nạp. Nếu giảm góc mở sớm thì gần ĐCT tiết diện lưu thông của xupáp sẽ giảm và do đó trở lực của khí lưu động trong xylanh tăng lên và đường cong của quá trình đi thấp xuống. Đồng thời tổn thất "bơm" tăng lên, hiệu suất cơ giới và công suất của động cơ giảm. Ngoài ra, khi tăng tốc độ khí nạp trong xupáp sẽ làm tăng nhiệt độ cuối cùng của khí nạp. Điều đó sẽ dẫn đến làm cho động năng của khí sau khi nạp vào xylanh chuyển thành nhiệt năng và kết quả đầu tiên là giảm trọng lượng khí nạp mới và giảm công suất động cơ. Do đó, căn cứ vào hình dạng của đồ thị công có thể phán đoán được về sự lựa chọn những góc phối khí đã nói ở trên có đúng đắn hay không. Cần phải tăng góc phối khí đó cho đến khi nào đường nạp gần như nằm ngang. Cnsc.29
27. Nếu như mở xupáp nạp quá sớm trở lực của xupáp nạp sẽ giảm. Nhưng trong trường hợp đó, khí nạp mới không được sạch do lẫn nhiều sản vật cháy lọt vào ống nạp (độ bẩn tăng), vì xupáp nạp mở kéo dài trong thời kì mà áp suất sản vật cháy trong xylanh lớn hơn áp suất trong đường ống nạp. Ở thời kỳ đó sản vật cháy chạy ngược vào ống nạp và sau đó lại cùng với khí nạp mới đi vào trong xylanh. Việc chọn góc mở sớm xupáp nạp nên bắt đầu từ góc phối khí nhỏ và tăng dần cho đến khi không còn chỗ lồi trên đồ thị công là được. Bây giờ ta chuyển sang xét góc đóng muộn xupáp thải. Nếu xupáp thải được đóng sớm hơn, tức là góc đóng muộn của xupáp thải nhỏ thì lúc đó tiết diện lưu thông của xupáp tại vùng ĐCT nhỏ và khí thải thì không kịp thải ra khỏi xylanh. Khi píttông lên ĐCT, khí sót một phần nào bị nén, sau đó khí sót này giãn nở làm giảm lượng khí nạp mới, bởi vì khí nạp mới chỉ bắt đầu đi vào trong xylanh khi áp suất trong xylanh giảm đến áp suất môi trường xung quanh (p0). Do đó, giảm nhỏ góc phối khí này là không có lợi. Nếu như tăng góc đóng muộn xupáp thải thì lúc đó đường thải sẽ đi xuống. Trong trường hợp đó có thể lợi dụng toàn bộ hành trình của píttông để nạp. Nhưng điều đó có thể không tốt do khí nạp mới bị bẩn, bởi vì xupáp thải để mở quá lâu và sản vật cháy từ đường ống thải có thể đi ngược về xylanh. Tình trạng đó không nên phán đoán theo đồ thị công, mà nên tiến hành đo lượng tiêu hao không khí và tăng dần góc phối khí. Tiếp tục ta xem góc mở sớm của xupáp thải. Xupáp xả được mở trước khi hành trình xả bắt đầu nhằm mục đích cho một lượng đáng kể khí thải tự thoát ra ngoài, qua đó giảm được công tiêu hao cho việc đẩy khí trong hành trình xả và giảm lượng sản phẩm cháy sót lại trong xylanh. Nếu xupáp xả mở quá sớm khi mà áp suất sản phẩm cháy vẫn còn cao sẽ lãng phí một phần công của chu trình, làm giảm công suất của động cơ. Công suất có ích của động cơ cũng sẽ giảm nếu xupáp xả mở quá muộn vì khi đó phần công giãn nở tận dụng được không bù đắp nổi công tiêu hao do việc đẩy khí thải ra ngoài do áp suất môi chất công tác trong hành trình xả lớn. Ngoài ra áp suất khí sót lớn cũng là yếu tố làm tăng hệ số khí sót và làm giảm hệ số nạp. Thời điểm mở xupáp thải tốt nhất thường được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Ảnh hưởng của góc phun sớm Khi động cơ làm việc ở một chế độ nhất định và cùng một loại nhiên liệu thì góc bắt đầu phun tốt nhất thường khoảng 20 trước ĐCT. Khi góc phun sớm lớn, giai đoạn bốc cháy trễ sẽ tăng bởi vì áp suất và nhiệt độ không khí lúc bắt đầu phun thấp. Các chỉ số pz và T cũng tương ứng tăng lên mãnh liệt, điều đó không phải chỉ là do tập trung được một số lớn nhiên liệu trong buồng cháy tới thời điểm bốc cháy mà còn do một phần lớn nhiên liệu cháy ở gần ĐCT khi v= const. Khi góc phun sớm nhỏ, giai đoạn bốc cháy trễ giảm, động cơ làm việc êm hơn nhưng công suất của động cơ giảm và sự cháy không được hoàn toàn, bởi vì một phần lớn nhiên liệu cháy ở quá trình giãn nở. Góc phun sớm tốt nhất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: kết cấu của động cơ, chế độ nhiệt của động cơ, tỷ số nén, áp suất và nhiệt độ của không khí nạp vào xylanh quy luật cung cấp nhiên liệu, đặc tính phun và số vòng quay của trục khuỷu. Qua nghiên cứu các góc phối khí của động cơ diezel, ta thấy chúng rất có ảnh hưởng tới việc nạp khí mới vào xylanh và thổi khí cháy ra khỏi xylanh. Trong các Cnsc. 30
28. động cơ làm việc ở các chế độ tốc độ thay đổi, thì cứ mỗi trị số của số vòng quay "n" ứng với góc phối khí tốt nhất để đảm bảo số vòng quay đã cho. 1.3.4. Quá trình hao mòn và ảnh hưởng của hao mòn chi tiết nhóm bơm cao áp tới quá trình làm việc của động cơ 1. Phân tích quá trình hao mòn cặp píttôngplông-giơ bơm cao áp a. Điều kiện ma sát của cặp píttôngplông-giơ Cặp píttôngplông-giơ được chế tạo với yêu cầu kỹ thuật rất cao, mối ghép của cặp chi tiết này chỉ cho phép khe hở hướng kính giới hạn 2-3 m, phần dẫn hướng là 2,0 m. Trong khi làm việc, cặp píttôngplông-giơ bị hao mòn, khe hở hướng kính tăng dần, các khe hở cục bộ cũng phát triển, kết quả là lượng cung cấp nhiên liệu cho động cơ không đảm bảo, độ kín thủy lực giảm xuống, áp suất nhiên liệu cấp cho kim phun giảm làm cho quá trình tạo hỗn hợp cháy xấu đi, cụ thể là độ hạt nhiên liệu trong hỗn hợp cháy lớn lên, làm khó cho việc tự bốc cháy của hỗn hợp, ảnh hưởng không tốt tới quá trình làm việc của động cơ và dẫn đến mức tiêu hao nhiên liệu tăng lên. Các bề mặt công tác của chi tiết bị hao mòn do ảnh hưởng của nhiều yếu tố vận dụng tổng hợp khác nhau như: lực tác dụng giữa chúng với nhau, vận tốc tương đối của píttôngvới xylanh, đặc điểm kết cấu cặp píttông plông-giơ, mức độ chính xác khi gia công các biên dạng làm việc của chi tiết, sự đồng nhất của vật liệu chế tạo, mức độ hoạt tính lý hóa học của nhiên liệu, độ chính xác của thông số hình học, ngoài ra còn phải kể đến độ nhớt của nhiên liệu, độ ẩm của không khí lớn làm lượng nước trong nhiên liệu cao, nhiệt độ môi trường vận dụng lớn sẽ làm thay đổi mức độ hoạt tính lý, hóa học của nhiên liệu. Các tạp chất lẫn vào nhiên liệu trong quá trình chuyên chở, vận chuyển và sử dụng cũng ảnh hưởng không nhỏ tới sự hao mòn cặp píttôngplông-giơ. Khi bơm làm việc, píttôngplông-giơ chịu một lực hướng kính lớn làm mất cân bằng, lực này sinh ra do các nguyên nhân sau: - Độ chênh áp của chất lỏng; - Tốc độ dịch chuyển của píttông; - Kết cấu bất đối xứng của píttông. - Độ chênh áp của chất lỏng ở hành trình hữu ích của píttônglà nhân tố gây ảnh hưởng lớn nhất đến sự xuất hiện các lực hướng kính gây nghiêng lệch píttôngtrong xylanh. Khi kết thúc hành trình hữu ích, píttôngđi xuống, độ chênh áp sẽ mất đi. Do có sự trượt tương đối của cặp píttôngplông-giơ, trên bề mặt làm việc của chúng xuất hiện một áp lực thủy động của chất lỏng. Áp lực thủy động phân bố không điều cũng làm cho píttôngbị nghiêng lệch trong xylanh và dẫn đến sự phân bố lại khe hở hướng kính. Với mỗi tốc độ trượt của píttôngkhác nhau, áp lực thủy động sẽ thay đổi làm píttôngsẽ bị nghiêng lệch khác nhau. Sự sai lệch hình dáng hình học của mối ghép như độ côn, ôvan và độ không đồng tâm, chất lượng gia công, độ bóng bề mặt của píttôngvới xylanh sẽ làm cho chế độ bôi trơn ma sát ướt bị phá vỡ gây hao mòn nhanh chóng cặp píttông plông-giơ. Mặt khác, vì một lý do nào đó các hạt mài bị lẫn vào trong nhiên liệu, xâm nhập vào bề mặt làm việc của píttôngvà xylanh sẽ gây trầy xước dẫn đến hao mòn rất lớn. Các hạt mài có kích thước nhỏ hơn khe hở ban đầu theo nhiên liệu lọt vào bề Cnsc.31
29. mặt ma sát làm mài mòn chúng, khe hở hướng kính tăng dần cùng với sự nghiêng lệch của píttông, tạo điều kiện cho các hạt mài có kích thước lớn lọt vào, quá trình mài mòn tiếp tục xảy ra nhanh chóng hơn. Sự nghiêng lệch của píttôngsẽ làm cho píttôngtiếp xúc trực tiếp với xylanh (khi có độ nghiêng lớn nhất) lúc này khe hở hướng kính coi như bằng không, về lý thuyết chế độ bôi trơn ma sát ướt không tồn tại, sự mài mòn xảy ra khốc liệt hơn, phá huỷ nhanh chóng cặp píttôngplông-giơ. Nói tóm lại, cặp píttôngplông-giơ làm việc trong điều kiện áp lực lớn, tùy thuộc vào hành trình của píttôngmà có những lực gây nghiêng lệch dẫn đến các chi tiết mòn không đều. Mặt khác cặp píttôngplông-giơ còn chịu sự tác động của yếu tố vận dụng như thành phần lý, hóa học của nhiên liệu, môi trường nhiệt độ làm việc, điều kiện vận hành, chế độ sử dụng cụ thể. b. Các nguyên nhân gây nghiêng lệch của píttôngtrong xylanh Các nguyên nhân chủ yếu gây nghiêng lệch píttôngtrong xylanh là do chênh áp của chất lỏng và do kết cấu của cặp píttôngplông-giơ. Khi có sự sai lệch về hình dạng hình học do chế tạo hay hao mòn không đều, thì píttôngbị nghiêng trong xylanh vì áp suất của chất lỏng ở các phía không giống nhau. Khi độ nghiêng lệch càng tăng thì sức chuyển dịch của píttôngcàng tăng. Độ lệch của píttôngxảy ra trong giới hạn khe hở nhỏ nhất, có nghĩa là khe hở giữa xylanh và píttôngvới kích thước lớn nhất của píttông. Độ côn, độ ô van và các kết cấu bất đối xứng của píttôngplông-giơ cộng với sự chênh áp và sự thay đổi khe hở hướng kính theo chiều dài mối ghép làm xuất hiện lực hướng kính mất cân bằng. Sự tác động của lực hướng kính chỉ xảy ra ở hành trình hữu ích của píttông, nên có thể coi rằng dưới tác dụng của lực này píttôngsẽ chuyển dịch theo hướng kính trong mỗi hành trình kép. Khi bị nghiêng lệch của píttôngtrong xylanh, sức cản của lớp chất lỏng giữa chúng sẽ chống lại sự xích gần nhau của hai bề mặt trên. Mức độ xích lại gần nhau nhiều hay ít còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ chênh áp, độ nhớt, hình dạng hình học của bộ đôi píttôngplông-giơ. c. Áp suất thủy động của cặp píttôngplông-giơ Sự làm việc của cặp píttôngplông-giơ theo điều kiện làm việc ở chế độ bôi trơn ma sát ướt. Áp suất thủy động phụ thuộc vào các thông số kết cấu của bề mặt ma sát, tốc độ di chuyển của hai bề mặt với nhau, độ nhớt của chất lỏng. Áp suất thủy động tác dụng lên các bề mặt còn lại cũng có hướng đối diện với mặt kia. Như vậy, khi ma sát có tính chất đối xứng nhau thì áp suất thủy động sẽ bằng nhau, píttôngchịu một hệ lực cân bằng, không bị lệch khi di chuyển trong xylanh. Trong thực tế, trên bề mặt píttôngcòn có các rãnh đứng, rãnh vát, trên bề mặt xylanh còn có lỗ nạp và lỗ thải, nên chiều dài mối ghép ở hai phía đối xứng của mặt phẳng đi qua tâm píttônglà không bằng nhau. Ở các phần rãnh vát lỗ nạp và thải áp suất thủy động thường nhỏ hơn ở những nơi khác, đặc biệt khi chiều dài bề mặt ma Cnsc. 32
30. sát nhỏ thì ảnh hưởng của các lỗ nạp và thoát tới sự giảm áp suất thủy động càng lớn. Áp suất thủy động còn thay đổi theo hành trình hữu ích của píttông. Khi hành trình hữu ích giảm đi thì độ lệch tâm của píttôngtăng lên. Sự thay đổi áp suất thủy động còn ảnh hưởng đến quá trình mài mòn. Nếu các hạt mài lẫn trong nhiên liệu có kích thước nhỏ hơn khe hở hướng kính thì chúng hầu như không ảnh hưởng đến mài mòn và bị dòng nhiên liệu đẩy đi. Khi khe hở đạt giá trị nhỏ nhất thì ngay cả các hạt mài có kích thước nhỏ cũng có thể gây mài mòn vì lúc này kích thước của chúng có thể bằng hay lớn hơn khe hở hướng kính. Trong thực tế, ta thường thấy cặp píttôngplông-giơ thường bị mòn nhiều ở phần rãnh vát, cửa nạp, cửa xả là nơi có khe hở nhỏ vì áp suất thủy động bé, điều đó phù hợp với lý luận ở trên. Như vậy, từ các nguyên nhân gây nghiêng lệch píttônglàm điều kiện bôi trơn ma sát ướt bị phá vỡ, từ sự phân tích ở phần trên ta có thể rút ra kết luận về cường độ hao mòn của píttôngplông-giơ phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Đặc điểm của tải trọng; - Tốc độ chuyển động của píttôngtrong xylanh; - Trị số khe hở bán kính ban đầu; - Độ nhớt của chất lỏng; - Độ chấn áp của píttông; - Mức độ lý-hóa tính, độ tinh khiết của nhiên liệu; - Đặc điểm kết cấu của chi tiết, cấu trúc vi mô và vĩ mô của bề mặt ma sát. Trong đó tải trọng đóng vai trò quan trọng. d. Dạng hao mòn chi tiết của píttông Hao mòn của píttôngnhiều nhất ở phần đầu, rãnh vát, các mặt đối diện với cửa nạp và cửa xả. Vùng mòn lớn nhất là vùng ứng với lỗ nạp có dạng gần giống với một tứ giác cong có đáy nằm trên đỉnh píttông, hai cạnh nằm hai phía chạy dọc theo đường sinh, cạnh thứ tư đối diện với cạnh đáy có dạng đường cong phức tạp lồi, lõm hay thẳng tùy thuộc vào đặc điểm bơm cao áp, đặc điểm tải trọng, điều kiện vận dụng. Vệt mòn lỗ nạp không kéo dài suốt vùng mòn, mà tập hợp vùng này là các rãnh mòn đứt đoạn chạy dọc theo đường sinh. Điểm chấm dứt một vết mòn là điểm gây cản trở thủy lực của dòng nhiên liệu rò rỉ qua rãnh, kích thước của rãnh quyết định kích thước dòng chảy qua nó. Sở dĩ có các vết sước chạy dọc theo đường sinh là do các hạt mài có kích thước xấp xỉ hay lớn hơn khe hở đã bị kẹt vào giữa hai bề mặt trong đầu hành trình của píttôngkhi bắt đầu đóng lỗ nạp. Khi píttông đi lên các mép sắc của các hạt mài sẽ cuốn vào thành xylanh và píttônglàm hạt mài bị vo tròn lại và lao theo chuyển động của píttông, các cạnh sắc của hạt mài có tác dụng cắt kim loại gây nên mòn cho cả píttônglẫn xylanh. Vì áp suất dẫn hạt mài vào giữa khe hở của bộ đôi là lớn nhất, ở vùng nạp là nơi có áp suất lớn nên hao mòn ở vùng ứng với lỗ nạp lớn, nếu tải trọng không đổi píttôngchỉ có chuyển động tịnh tiến mà không có chuyển động xoay thì hao mòn chỉ xảy ra ở vùng hẹp, nhưng ở đây tải trọng thay đổi, píttông có thể vừa chuyển động quay vừa tịnh tiến nên hao mòn xẩy ra trên suốt bề mặt làm việc của cặp píttông plông-giơ. Cnsc.33
31. Khảo sát nhiều chi tiết bị bào mòn cho thấy góc nghiêng của các vết liên tiếp có độ sai khác không lớn, còn độ dài vết mòn vùng cạnh vát và cạnh đứng đều biến động một cách ngẫu nhiên với độ sai khác nhau rất lớn. Nói chung chiều dài vết mòn vùng nạp lớn hơn nhiều so với vùng cạnh vát, vì vậy nhiên liệu rò rỉ theo rãnh mòn, vùng lỗ nạp được thông suốt từ khi bắt đầu đến khi kết thúc hành trình píttông. Đường rò rỉ theo rãnh mòn lỗ thoát chỉ được nối thông ở phần cuối hành trình. Tình hình trên làm lượng nhiên liệu rò rỉ ở vùng lỗ nạp lớn hơn ở vùng lỗ thoát, ngay cả khi vết mòn ở hai vùng có độ sâu bằng nhau. Khe hở đường kính tăng thì độ mòn tăng theo với độ gia tăng lớn, nhất là ở khe hở hướng kính lớn. Việc thay đổi khe hở hướng kính có nhiều nguyên nhân, song sự biến dạng của xylanh ở thời điểm nén ép nhiên liệu cũng làm khe hở tăng lên, độ nghiêng lệch tăng theo, khả năng các hạt mài có kích thước lớn hơn lọt vào, quá trình mài mòn xảy ra nhanh hơn. Qua phân tích ở trên ta thấy cặp píttôngplông-giơ hao mòn chủ yếu do hạt mài, các hạt mài lẫn trong nhiên liệu lọt vào giữa hai bề mặt có gradien áp suất cao bị chèn dập trong quá trình lẫn kèm theo trượt khi píttôngchuyển động trong xylanh. Vì vậy để tăng tuổi thọ cho bộ đôi cần phải làm sạch nhiên liệu bằng cách lọc thật sạch trước lúc vào bơm cao áp. Hao mòn thủy động do dòng chảy có hạt mài chỉ đóng vai trò thứ yếu trong tỉ lệ mòn, tác động thứ yếu ở vùng cạnh vát và cạnh đứng. Độ cong vết mòn vùng này cho biết tỉ lệ tốc độ dòng chảy có hạt mài so với tốc độ píttông. Hao mòn do dính kim loại không phải là nguyên nhân chính gây hư hỏng đối với cặp píttôngplông-giơ sử dụng đúng kỹ thuật. Những vùng mòn nhiều nhất là phần đầu píttông, các bề mặt đối diện với hai cửa nạp và cửa thải của xylanh trong đó cửa thải mòn ít hơn. Nói chung, các vùng mòn đều có những vết xước theo hướng đường sinh, nguyên nhân là do cặn bã cơ giới lẫn trong nhiên liệu. 2. Ảnh hưởng của hao mòn cặp píttôngplông-giơ bơm cao áp tới quá trình hoạt động của động cơ Sau một thời gian làm việc cặp píttôngplông-giơ bị hao mòn, khe hở hướng kính tăng lên làm tiết diện thông qua tăng lên, độ kín thủy lực giảm xuống, lượng nhiên liệu rò rỉ tăng, lượng cấp thực tế trong một chu trình giảm xuống, bên cạnh đó thời điểm nhiên liệu phun vào buồng cháy muộn đi do áp suất tăng chậm, độ không đều của lượng nhiên liệu cấp vào mỗi xylanh lớn lên làm ảnh hưởng tới công suất và tuổi thọ của động cơ. a. Ảnh hưởng tới thời điểm phun Do áp suất nhiên liệu trong không gian cặp píttôngplông-giơ tăng lên chậm làm thời điểm phun nhiên liệu vào buồng cháy muộn đi. Góc phun sớm giảm làm tăng thời gian cháy trễ ảnh hưởng xấu tới toàn bộ quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình bốc lửa và cháy. Giai đoạn cháy của hỗn hợp bị lùi sau điểm chết trên khá xa do đó thể tích buồng cháy tăng, áp suất cuối quá trình cháy giảm, nhiên liệu cháy cả ở thời kỳ giãn nở và cháy không hết, tổn thất nhiệt lớn, công suất và tuổi thọ giảm. b. Ảnh hưởng tới thời gian cấp nhiên liệu Áp suất nhiên liệu tăng chậm làm thời gian cấp nhiên liệu tăng, độ sương mù, độ đồng đều, độ phun xa giảm, chất lượng hỗn hợp cháy kém, kết quả là giảm hệ số sử dụng nhiệt và công suất hữu ích của động cơ. Cnsc. 34
32. c. Ảnh hưởng tới độ không đồng đều của lượng nhiên liệu cấp vào xylanh động cơ Khi vòng quay động cơ thấp, thời gian thực hiện một chu trình công tác của bơm lớn, chiều cao của bề mặt làm kín nhỏ và chiều dài dòng chảy ngắn, lượng rỏ rỉ qua khe hở hướng kính tăng. Mặt khác mỗi cặp píttôngplông-giơ có một giá trị mòn khác nhau nên lượng rò rỉ cũng khác nhau, đặc biệt khi động cơ ở chế độ phụ tải lượng nhiên liệu cấp ở mỗi bơm chênh lệch nhau rất lớn làm công suất phát ra ở mỗi xylanh không đều, công suất chung giảm, động cơ làm việc bị rung động, dẫn đến tuổi thọ giảm. d. Ảnh hưởng tới quá trình khởi động động cơ Khi cặp píttôngplông-giơ có độ mòn đạt tới một giá trị nào đó làm tỉ lệ số hạt nhiên kiệu có đường kính lớn tăng, số hạt nhiên liệu ít không đảm bảo tới giá trị tự cháy. Độ mòn lớn làm qui luật cấp nhiên liệu ở chế độ khởi động thay đổi, động cơ khó khởi động thậm chí không khởi động được. 3. Ảnh hưởng của hao mòn trục cam bơm cao áp tới quá trình hoạt động của động cơ Sự hao mòn prôphin cam dẫn đến sự thay đổi hình dạng của nó và làm cho chiều cao cam thay đổi, dẫn đến chiều cao nâng con đội của píttôngplông-giơ cũng thay đổi. Khi chiều cao nâng píttôngplông-giơ giảm đi thì lượng dầu đi qua píttôngplông-giơ cấp cho buồng cháy giảm xuống, do đó điều kiện làm việc của píttôngplông-giơ trong bơm không đảm bảo lưu lượng nhiên liệu cần thiết. Điều đó làm giảm công suất của bơm cao áp đồng thời làm giảm công suất động cơ. Khi prôphin cam thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới thời điểm phun nhiên liệu. Đặc biệt khi các prôphin cam hao mòn không đều dẫn đến lưu lượng và thời điểm cấp nhiên liệu cho mỗi buồng đốt sẽ không đều làm cho công suất ở mỗi xylanh của động cơ không đồng đều gây ảnh hưởng rất xấu đến các chi tiết khác và công suất động cơ giảm hẳn. 1.3.5. Quá trình hao mòn bánh xe đầu máy diezel Bộ trục bánh xe là cụm chi tiết quan trọng trong bộ phận chạy đầu máy, nó đóng vai trò quyết định trong việc hình thành lực kéo và lực hãm và liên quan trực tiếp đến sự chuyển động an toàn của đoàn tàu. Hiện tượng hư hỏng, hao mòn của bộ trục bánh xe khá đa dạng nhưng có thể phân thành hai nhóm chính: Nhóm 1: Hư hỏng do hao mòn Hao mòn có thể phân ra làm hai loại: - Hao mòn bình thường Loại hao mòn này xảy ra chủ yếu do ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc của mặt lăn bánh xe với mặt đỉnh ray, giữa gờ bánh xe với má (hông) ray. Trong quá trình vận dụng, bánh xe chịu tải trọng thay đổi, do đó tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với ray phát sinh ứng suất tiếp xúc khá lớn. Ngoài ra, nguyên nhân gây hao mòn mặt lăn còn là do sức kéo bám phát huy không đồng đều giữa các bánh xe, do hiện tượng chuyển động rắn bò của đầu máy, bánh xe dịch chuyển và trượt theo phương ngang dẫn đến mặt lăn và gờ bánh đều bị hao mòn. Đây là quá trình hao Cnsc.35
33. mòn tất yếu, xảy ra có quy luật và có thể xác định được quy luật đó theo thời gian làm việc tính bằng kilômét chạy của đầu máy. - Hao mòn không bình thường Là hao mòn có cường độ hao mòn bất thường, xảy ra đột xuất, không ổn định với phạm vi cục bộ, chẳng hạn: mòn vẹt mặt lăn và gờ bánh bánh xe đầu máy do tác động cơ giới, do bó hãm, do bánh xe bị trượt lết trên ray khi có chênh lệch đường kính bánh xe quá giới hạn cho phép, hoặc hao mòn bất thường một bên gờ bánh xe nào đó của đầu máy, v.v Đây là loại hao mòn xảy ra do không tuân thủ các quy định vận hành. Nhóm 2: Hư hỏng bất thường hay hư hỏng đột xuất Loại hư hỏng này chủ yếu là do tác động cơ giới và ngoại cảnh khách quan gây ra như: - Nứt, mẻ gờ bánh xe khi cán phải chướng ngại vật trên đường; - Cong trục, nứt bánh do trật bánh, đổ tàu; - Cào xước nơi lắp ổ đỡ động cơ điện kéo do thiếu dầu bôi trơn; - Nứt, rỗ bề mặt làm việc của bánh răng truyền động khi chất lượng bôi trơn không tốt; - Mài mòn cổ trục bánh xe do độ dôi của mối ghép giữa vòng trong của ổ lăn và cổ trục không đảm bảo, làm vòng trong của ổ lăn đầu trục bị xoay. Những hư hỏng này do không tuân thủ đúng các yêu cầu của quy trình kỹ thuật và chế độ làm việc cuả đầu máy. Khi bánh xe bị hao mòn sẽ làm xuất hiện sức cản phụ, đặc biệt khi đầu máy chuyển động vào đường cong, lực ma sát tăng lên làm cản trở chuyển động bình thường của đầu máy; khi gờ bánh bị mòn nhiều có thể gây trật bánh (đặc biệt khi đi qua ghi), ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn chạy tàu. Biên dạng mòn mặt lăn và gờ bánh xe đầu máy được thể hiện trên hình 1.5. Cnsc. 36
34. Hình 1.5. Biên dạng mòn mặt lăn và gờ bánh xe đầu máy Đường I. Biên dạng ban đầu của bánh xe; Đường II. Biên dạng mòn của bánh xe sau quá trình vận dụng; Đường III. Biên dạng của bánh xe sau khi khi phục hồi có hàn đắp gờ bánh; Đường IV. Biên dạng của bánh xe sau khi phục hồi không có hàn đắp gờ bánh. Bộ trục bánh xe đầu máy có rất nhiều dạng hư hỏng, ta có thể phân hư hỏng làm ba khu vực theo chi tiết là bánh xe, trục bánh và bánh răng truyền động. 1. Các hư hỏng đối với bánh xe Bánh xe là chi tiết quan trọng và bị hao mòn nhiều nhất, dẫn đến hay phải tiện khôi phục biên dạng mặt lăn, cuối cùng đi đến thay thế cả bánh xe. Nguyên nhân là do quá trình vận hành, mặt lăn bánh xe làm việc ở điều kiện nặng nhọc, thường phát sinh ứng suất tiếp xúc rất lớn với đường ray, có khi vượt quá giới hạn chảy. Ngoài ra bánh xe thường bị trượt, làm mài mòn mặt lăn quá nhanh, sự trượt của mặt lăn bánh xe theo ray thường thường xảy ra khi bánh xe tịnh tiến lăn theo ray. Nguyên nhân gây ra sự trượt này bao gồm: - Do kết cấu hình học Mặt lăn bánh xe không phải lúc nào cũng phù hợp với nhu cầu vào đường cong của đầu máy. Ta biết rằng bánh xe tiếp xúc với ray không phải ở một điểm mà trên bề mặt rộng có diện tích khoảng 2,5 cm2, vì dạng hình học của mặt lăn bánh xe có độ côn, nên những điểm nằm trên đường tròn có đường kính nhỏ, sẽ có vận tốc tiếp tuyến nhỏ hơn so với những điểm nằm trên đường tròn có đường kính lớn. Trong khi đó bánh xe quay với một tốc độ góc xác định, như vậy hai điểm cùng nằm trên mặt lăn của bánh xe lại có vận tốc tiếp tuyến khác nhau và phải thực hiện quãng đường dài như nhau, điều này không thể chấp nhận được. Vì thế trục bánh xe có sự tự điều chỉnh tốc độ cho các điểm nằm trên mặt lăn bánh xe khi lăn theo ray sẽ thực hiện được chiều dài là như nhau. Sự tự điều chỉnh này thông qua việc “trượt” tương đối giữa các điểm nói trên với đường ray, sự trượt này gây ra sức cản cơ bản. Theo thí nghiệm sức cản cơ bản gây ra độ ma sát phụ trong trường hợp này dạt 0,1 kG/T. Nếu ở giai đoạn khởi động, giá trị sức cản này tăng lên một cách đáng kể. - Do phát huy sức kéo bám không đồng đều Giữa các trục bánh xe đầu máy truyền động điện có các động cơ điện kéo treo gá kiểu tựa trục, thì hệ số lợi dụng bám nhỏ. - Chuyển động rắn bò của đầu máy Chuyển động rắn bò của đầu máy tồn tại ngay trong quá trình vận động tịnh tiến của nó, do có sự dịch chuyển theo phương ngang, về phía phải hay phía trái tuỳ thuộc vào kết cấu của đường và bộ phận chạy, mà dẫn đến sự trượt ngang và dọc của Cnsc.37
35. mặt lăn. Sự trượt này cũng là một trong các nguyên nhân gây ra hao mòn mặt lăn và gờ bánh xe. - Sự sai sót trong chế tạo: Việc sửa chữa biên dạng mặt lăn và lắp ráp cụm bánh xe không chính xác cũng làm tăng sự trượt phụ và cũng là nguyên nhân gây ra hao mòn mặt lăn bánh xe do trượt. Hiện tượng mài mòn của bề mặt làm việc của mặt lăn bánh xe chủ yếu tập trung vào vùng tiếp xúc giữa mặt lăn với ray và ở chân gờ bánh xe nơi sát mặt lăn. 2. Các hư hỏng đối với trục bánh Trong các chi tiết hợp thành bộ trục bánh xe thì các hư hỏng bình thường do hao mòn của trục bánh là ổn định nhất. Vì các bề mặt lắp ghép của trục với hai bánh xe và bánh răng là lắp chặt, duy nhất có thân giữa trục với bạc lót là mối ghép lỏng và có chế độ bôi trơn thuỷ động, cường độ hao mòn của kích thước này rất nhỏ. Sau đây ta chỉ đề cập các hư hỏng bất thường (tai nạn) của trục đã xảy ra như: - Cào xước thân giữa trục, vị trí lắp ổ đỡ động cơ điện kéo, do chế độ bôi trơn không đảm bảo hoặc hư hỏng của bạc lót như tróc lớp chịu mòn, mạt kim loại lẫn vào màng dầu bôi trơn làm lây lan sự cạo xước nhanh chóng; - Cào xước cổ trục, do vòng trong của ổ lăn đầu trục xoay, nguyên nhân thường là độ dôi lắp ghép giữa hai bề mặt chi tiết trên không đảm bảo; - Cong trục do tai nạn chạy tàu như trật bánh, đổ tàu, v.v - Nứt do mỏi hoặc tải trọng lớn trong quá trình làm việc. a. Ảnh hưởng của hao mòn bánh xe tới quá trình làm việc của đầu máy Sự hao mòn hư hỏng của bánh xe gây ảnh hưởng rất lớn tới quá trình làm việc của đầu máy, trong đó có việc gây gia tăng số vòng quay của bánh xe. Với cùng một quãng đường như nhau thì bánh xe có đường kính nhỏ phải quay nhiều vòng hơn bánh xe có đường kính lớn. Ví dụ, với quãng đường chạy 100.000 km của đầu máy D9E (vận dụng tại Xí nghiệp đầu máy Sài Gòn), thì khi bánh xe đường kính 1016 mm, nó phải quay 31.345.604 vòng; còn khi đường kính giảm xuống còn 900 mm thì nó phải quay 35.385.704 vòng. Như vậy, với cùng một vận tốc chạy tàu cho phép, thì các trục bánh xe có đường kính nhỏ sẽ kéo theo các bộ phận tham gia chuyển động quay của bánh xe như hai ổ lăn đầu trục và 2 ổ lăn đỡ rôto động cơ điện kéo cũng phải quay với vận tốc góc khá lớn, có thể gây quá tải về vòng quay. Các ổ lăn này rất dễ bị vượt tốc độ quay cho phép, đặt biệt là ổ đỡ rôto động cơ điện kéo, do có tỷ số truyền của trục bánh xe với bánh răng thụ động xấp xỉ gấp 5 lần. Tương tự cổ góp động cơ điện kéo sẽ bị mòn nhanh hơn. b. Ảnh hưởng hao mòn gờ bánh xe đến vận hành của đầu máy - Đầu máy bị lắc ngang: Khi gờ bánh xe bị mòn, khe hở làm việc giữa cặp bánh với 2 ray tăng lên, làm cho biên độ các dao động theo phương ngang của đầu máy sẽ lớn. Kết quả là đầu máy bị lắc ngang nhiều va mạnh hơn. Kể cả chuyển động “rắn bò” là chuyển động đặt trưng của phương tiện đường sắt, cũng không dễ dàng ổn định, mà cũng bị dao động qua lại cọ gờ bánh xe vào hai hông đường ray. Hay nói cách khác, sự hao mòn gờ bánh xe làm tăng tần số và biên độ dao động ngang của Cnsc. 38
36. trục bánh xe và giá chuyển hướng, dẫn đến gia tăng cường độ hao mòn gờ và mặt lăn, do bánh xe bị trượt theo phương ngang trên mặt ray. - Gây ra sức cản phụ: Khi đầu máy chuyển động vào đường cong phụ tải các má trượt chịu mòn tăng, sinh ra các ma sát cản trở chuyển động bình thường của đầu máy. - Hao mòn bề mặt bạc lót ổ đỡ động cơ điện kéo và trục bánh xe tăng, do trục bánh xe bị dao động ngang nhiều hơn bình thường. - Ảnh hưởng an toàn chạy tàu: Mòn gờ bánh xe có thể gây trật bánh ảnh hưởng nghiêm trọng an toàn của đầu máy, nếu không kiểm tra có biện pháp xử lý kịp thời có thể dẫn đến nứt vỡ gờ bánh xe gây tai nạn chạy tàu. - Các lực xung kích cộng hưởng gây quá tải cho các bộ phận dưới lò xo nói chung và hệ lò xo nói riêng. c. Ảnh hưởng của hao mòn biên dạng mặt lăn Quan trọng nhất của biên dạng mặt lăn là độ côn của nó, trong quá trình đầu máy vận hành giữa hai cấp sửa chữa (cấp 3), sự hao mòn mặt lăn diễn ra từ từ ở vùng quanh vòng lăn và chân gờ bánh xe, làm mất dần độ côn cần thiết nói trên. Hậu quả của hao mòn này là khi đầu máy đi vào đường cong, hai bánh xe không có độ côn của mặt lăn điều chỉnh tốc độ thích hợp như được thiết kế đã đề cập ở phần 1-3, buộc mặt lăn bánh xe phải trượt dọc trên mặt ray để tự điều chỉnh bằng cách: - Nếu bánh xe phía ray lưng lăn thuần tuý thì bánh xe phía ray trong (bụng) sẽ bị xoắn do quay đủ tốc độ góc, nhưng lại phải “quay tròn” tại chỗ để “chờ” bánh xe ngoài thực hiện quãng đường lớn hơn, bản chất của sự “quay tròn” này là “quay trượt” bánh xe hay còn gọi là hiện tượng rẫy máy. - Ngược lại, bánh xe ở phía ray trong được quay thuần tuý, bánh xe ở phía ray ngoài không lăn theo kịp, buộc bánh xe ngoài phải trượt lết trên mặt ray, bản chất của sự trượt này là bị lết dọc theo ray hay còn gọi là lết trượt. Cả hai hiện tượng trên đều làm cho mặt lăn bánh xe vốn đã bị mòn lại càng bị mòn nhanh hơn và gây ra hư hỏng cả mặt đường ray đặc biệt là bề mặt của ray bụng, chỗ đường cong. Mặt khác khi độ côn mặt lăn thiếu, thì khả năng tự định tâm của trục bánh xe với trục tâm của đường sắt cũng sẽ giảm, tần số chuyển động “rắn bò” tăng lên và cũng là nguyên nhân dẫn đến làm mòn gờ bánh xe. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới trạng thái kỹ thuật và tuổi thọ của đầu máy 1.4.1. Chất lượng vật liệu chi tiết Tuổi thọ của đầu máy trước hết xác định bởi độ chống mòn và độ bền mỏi của các chi tiết. Khi làm việc ở tải trọng tĩnh tuổi thọ của chi tiết giảm xuống do các bề mặt làm việc bị mòn, còn trong các điều kiện tải trọng động thì tuổi thọ giảm xuống do chi tiết bị mòn và bị mỏi. Chất lượng vật liệu và sự gia công nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện có ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ của các chi tiết. Việc chọn vật liệu khi sửa chữa phải tiến hành dựa theo trị số và đặc tính của tải trọng tác dụng lên chi tiết, điều kiện làm việc của chi tiết trong lĩnh vực bôi trơn, tốc độ di chuyển, nhiệt độ, sự ăn mòn và quá trình công nghệ chế tạo các chi tiết đó. Trong quá trình sửa chữa đầu máy phải chế tạo một số chi tiết thay thế cho những chi tiết bị mòn, hoặc lắp thêm những chi tiết phụ để bù trừ Cnsc.39