Mô hình ma sát tĩnh của xylanh khí nén trong điều kiện tốc độ dịch chuyển và nhiệt - ẩm không khí thay đổi
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
MÔ HÌNH MA SÁT TĨNH CỦA XYLANH KHÍ NÉN
TRONG ĐIỀU KIỆN TỐC ĐỘ DỊCH CHUYỂN VÀ NHIỆT - ẨM
KHÔNG KHÍ THAY ĐỔI
STATIC FRICTION MODEL OF PNEUMATIC CYLINDERS IN CONDITIONS VARYING VELOCITY
AND TEMPERATURE - HUMIDITY AIR
Nguyễn Thùy Dương*, Phạm Văn Hùng
1. GIỚI THIỆU
TÓM TẮT
Nhiệt độ (T) và độ ẩm tương đối
Đặc tính ma sát của xylanh khí nén chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau khi làm việc, trong đó
(RH) là các yê
́u tố đặc trưng của môi
có môi trường khí hậu. Môi trường khí hậu có hai yếu tố đặc trưng là nhiệt độ (T) và độ ẩm tương đối (RH),
thay đổi theo mùa và vùng địa lý. Do đó, biến thiên của tốc độ dịch chuyển và các yếu tố đặc trưng của khí
hậu sẽ làm thay đổi đặc tính ma sát của xylanh khí nén. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh
hưởng đồng thời của tốc độ dịch chuyển, nhiệt độ và độ ẩm tương đối của môi trường khí hậu nhiệt đới ẩm
gió mùa Việt Nam tới đặc tính ma sát tĩnh của xylanh khí nén. Các nghiên cứu được tiến hành trên xylanh
khí nén công nghiệp theo quy hoạch thực nghiệm với ba yếu tố đầu vào: Vận tốc (v): 30 ÷ 100mm/s, nhiệt
độ (T): 150C ÷ 490C va độ ẩm tương đối (RH): 51% ÷ 99%, với hàm mục tiêu là ma sát tĩnh (FS). Kết quả đã
xác định mô hình ma sát tĩnh của XLKN có phương trình dạng hàm mũ, phụ thuộc đồng thời vào cả ba yếu
tố (v, T, RH). Mô phỏng số cũng cho thấy lực ma sát tĩnh FS giảm khi T, RH tăng và tăng theo tốc độ dịch
chuyển. Trong đó, ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển là lớn nhất và ảnh hưởng của RH mạnh hơn T đến lực
ma sát tĩnh.
trương khi hâu (gọi tắt là nhiệt - ẩm).
̀
́
̣
Những yếu tố quan trọng này ảnh
hưởng trực tiếp đến đặc tính Tribology
của các kết cấu ma sát là ma sát và
mòn khi làm việc không có chất bôi
trơn hoặc bôi trơn tới hạn trong môi
trường không khí. Trong điều kiện độ
ẩm tương đối RH của không khí thay
đổi, kết quả các công trình nghiên cứu
[1-6] đã cho thấy rằng: Ma sát của các
cặp vật liệu khác nhau chịu ảnh hưởng
rõ rệt của độ ẩm tương đối không khí,
ma sát giảm khi độ ẩm tương đối tăng.
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới
ẩm gió mùa với độ ẩm tương đối (RH)
thay đổi theo mùa, trung bình trong
khoảng từ 51% đến 99% và nhiệt độ
(T) thay đổi trung bình trong khoảng
từ 150 C đến 490C. Vì vậy, phần lớn các
thiết bị vận hành trong điều kiện khí
hậu Việt Nam đều bị thay đổi các tính
năng kỹ thuật, ảnh hưởng đến chất
lượng làm việc của chúng, xylanh khí
nén (XLKN) cũng không nằm ngoài
ảnh hưởng chung đó. Đặc trưng của
môi trường khí hậu (RH, T) đã ảnh
hưởng trực tiếp đến ma sát của XLKN,
nguyên nhân quan trọng làm XLKN
Từ khóa: Lực ma sát, xylanh khí nén, đặc tính ma sát, khí hậu nhiệt đới ẩm.
ABSTRACT
The friction characteristic of the pneumatic cylinder is influenced by many different working factors,
including the climate environment. The climatic environment has two characteristic factors: temperature
(T) and relative humidity (RH), varying by season and geographic region. Therefore, variations in velocity
and climatic specific factors will change the friction characteristic of pneumatic cylinder. This paper presents
the results of research on the simultaneous effects of the velocity, temperature and relative humidity of the
humid monsoon tropical climate in Vietnam on the static friction properties of pneumatic cylinder.
According to the experimental plan, the studies are conducted on the industrial pneumatic cylinder with
three input factors: velocity v: 30 ÷ 100mm/s, temperature T: 150C ÷ 490C and relative humidity RH: 51% ÷
99%, with the target function being static friction (FS). The results have determined the static friction model
of a pneumatic cylinder, shown through empirical regression equations with exponential form, describing
the variation of the static friction Fs depending on three research factors simultaneously (v, T, RH). The
numerical simulation also shows that Fs static friction force decreases as T, RH increases and increases with
the velocity. The influence of velocity is most significant, and the influence of air relative humidity is
stronger than the temperature on static friction force.
Keywords: Friction force, pneumatic cylinder, characteristic, humid tropical climate.
chuyê
̉n độ
này xuất hiện giữa gioăng - câ
̀
Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách hhoa Hà Nội
*Email: duong.nguyenthuy@hust.edu.vn
Ngày nhận bài: 15/5/2021
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 15/6/2021
Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021
và gioăng piston - xylanh. Do đó,
nhằm cải thiện chất lượng chuyển
động của XLKN, cần phải nghiên cứu
về ứng xử của ma sát trong các điều
kiện làm việc khác nhau bao gồm cả
80
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
yếu tố khí hậu. Nghiên cứu của Raparelli đã chỉ ra rằng với với hai thông số đặc trưng của khí hậu là RH và T đến tới
áp suất không đổi trong xylanh, mối quan hệ giữa lực ma một đă
sát và vận tốc là một phương trình hàm mũ và ma sát giảm tĩnh (Fs). Đê
̣
c trưng Tribology quan trọng của XLKN là ma sát
thực hiện đươc mục tiêu trên thì cân phải quy
̉
̣
̀
khi piston được bôi trơn [7]. G. Belforte [8] đã cho thấy ma hoạch thực nghiệm (QHTN) toàn phần với 03 yếu tố đầu
sát phụ thuộc vào vị trí của xylanh. Đối với các xi lanh có vào. Yếu tố đầu vào thứ nhất là tốc độ dịch chuyển tương
cùng thông số, lực ma sát tăng khi tốc độ và áp suất tăng. đối (v) của XLKN thay đổi trong phạm vi 30 ÷ 100mm/s. Hai
Nouri [9] đã thí nghiệm để khảo sát lực ma sát ở cả chế độ yếu tố đầu vào còn lại là RH(%) và T (°C) có phạm vi biến
dịch chuyển ban đầu và chế độ trượt hoàn toàn của xylanh thiên phù hợp đặc trưng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa của
khí nén không cần. Ma sát trong giai đoạn dịch chuyển ban Việt Nam: RH thay đổi trong khoảng từ 51 ÷ 99%; T°C thay
đầu chủ yếu phụ thuộc vào dịch chuyển, và trong giai đoạn đổi trong khoảng từ 15 ÷ 49°C. Hàm mục tiêu đầu ra là lực
trượt hoàn toàn chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ. Chang - Ho ma sát tĩnh (FS) của XLKN.
[10] đã khảo sát tổng ma sát của xylanh khí nén ở hai trạng
Đặc tính ma sát XLKN phụ thuộc phi tuyến vào tốc độ
thái tiếp xúc có và không có chất bôi trơn. Kết quả cho thấy
dịch chuyển v [7], độ ẩm tương đối RH và nhiệt độ T [15, 17]
đặc tính ma sát động tuân theo quy luật đường cong
nên hàm hồi qui thực nghiệm thông thường là đa thức bậc
Stribeck. Khi được bôi trơn bằng mỡ, lực ma sát giảm đáng
hai. QHTN toàn phần ba yếu tố đầu vào với hàm hồi qui phi
kể và hiện tượng trượt bước nhảy Stick-slip xảy ra ở tốc độ
tuyến (đa thức bậc hai) thì cần phải mở rộng thí nghiệm
thấp. Trong [11] đã nghiên cứu thực nghiệm hành vi rung
và ma sát của xi lanh khí nén, cho thấy hiện tượng chuyển
động trượt dính xảy ra với tốc độ 0,010m/s. Xuan Bo Tran,
Hideki Yanada [12] đã sử dụng mô hình LuGre sửa đổi mới
để mô phỏng ứng xử ma sát động trong giai đoạn trượt của
XLKN ở các điều kiện vận tốc và áp lực khác nhau. Kết quả
cho thấy rằng có hiện tượng trễ ở tốc độ thấp, mối quan hệ
lực ma sát - tốc độ - áp suất thay đổi tuyến tính khi tốc độ
cao. Niko Herakovič [13], đã chỉ ra rằng lực ma sát chịu ảnh
hưởng đáng kể vào áp suất và nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ
(các yếu tố đầu vào) với hệ số mở rộng α = 1,215. Đối với
yếu tố đầu vào thứ hai là RH, thì không thực hiện mở rộng
được với điểm thực nghiệm có RH = 99%. Do đó, lựa chọn
hàm hồi qui thực nghiệm lực ma sát Fs là hàm mũ của tốc
độ dịch chuyển tương đối, độ ẩm tương đối và nhiệt độ, có
phương trình như sau:
F A vb1 RHb2.Tb3
(1)
s
Trong đó:
A - Hệ số thực nghiệm;
trong phạ
m vi 20 ÷ 220C thì lực ma sát giảm, khoảng
2 ÷ 2,5N/10C. Các kết quả ngiên cứu của Takahiro Kosaki,
Manabu Sano cũng đã cho thấy khi nhiệt độ tăng thì lực ma
sát trong XLKN giảm và có xu hướng phụ thuộc nhiều vào
v - Tốc độ dịch chuyển tương đối (mm/s);
RH - Độ ẩm tương đối của không khí (%);
T - Nhiệt độ của không khí (0C);
vận tốc ở tốc độ cao hơn[14]. Nghiên cứu [15, 16] đã cho
b1, b2, b3 - Các số mũ thực nghiệm.
thấy lực ma sát trong XLKN giảm khi RH tăng từ 51% ÷ 99%
đồng thời cũng xác định lực ma sát là một hàm của RH và
vận tốc v. Nghiên cứu [17] của Pham Van Hung khi nhiệt độ
thay đổi từ150C ÷ 490C lực ma sát trong XLKN giảm 10
18%. Mức độ ảnh hưởng đến ma sát tĩnh lớn hơn 1,2 lần so
với ma sát động. Như vậy, các nghiên cứu chủ yếu tập
trung vào ứng xử của ma sát trong xi lanh khí nén với các
yếu tố thay đổi như p, v, rung động, có - không có bôi trơn,
và một vài công trình nghiên cứu đã đề cập đến ảnh hưởng
của nhiệt độ và độ ẩm tương đối đơn lẻ. Có rất ít các công
trình nghiên cứu về đặc tính ma sát của XLKN, chịu ảnh
hưởng đồng thời của tốc độ dịch chuyển và đặc trưng của
môi trường khí hậu. Ma sát tĩnh có ảnh hưởng trực tiếp đến
công suất khởi động và thời gian thiết lập của hệ thống cơ
điện tử sử dụng XLKN chưa được quan tâm nghiên cứu.
Tuyến tính hóa phương trình (1) bằng việc lg hai vế ta có:
lgF bo b1.lgv b2.lgRH b3.lgT (2)
s
Thực hiện QHTN tuyến tính dạng 2k +1 theo [18] khi đó
các biến thực nghiệm phải được thực hiện trong môi trường
logarit. Số thí nghiệm được xác định theo công thức (3):
N = 2k + 1 = 9
(3)
Trong đó:
k Số yếu tố đầu vào;
2 - Số mức thí nghiệm.
Phương trình hồi qui thực nghiệm tuyến tính đới với
biễn thực đã logarit có dạng:
Y b0.X0 + b1.X1+ b2.X2 b3.X3
(4)
Bài báo này trình bày nghiên cứu về ảnh hưởng đồng
thời của tốc độ dịch chuyển và môi trường khí hâu nhiệt
đới ẩm gió mùa với hai thông số đặc trưng là RH và T tới
Trong đó:
bi - Hệ số;
một đặc trưng Tribology quan trọng của XLKN đó là đặc
tính ma sát tĩnh.
X1 = lgv (mm/s);
X2 = lgRH (%);
X3 = lgT (0C).
2. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
2.1. Thiết kế thực nghiệm
Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiê
Phương trình hồi qui không thứ nguyên có dạng:
y a0.x0 a1.x1 a2.x2 a3.x3
̣m: Nghiên cứu ảnh
(5)
hưởng đồng thời của tốc độ dịch chuyển tương đối cùng
81
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Trong đó:
nguyên nhân gây ra hiện tượng trượt bước nhảy. Ma sát
tĩnh ảnh hưởng đến giai đoạn khởi động của XLKN.
ai - Các hệ số hồi qui thực nghiệm;
xi - Biến thực nghiệm thứ i không thứ nguyên.
Xác định giá trị các yếu tố đầu vào cho QHTN tuyến tính
có ba yếu tố như trong bảng 1.
ADC
Servo Drive
Computer
Bảng 1. Các yếu tố ảnh hưởng
Các yếu tố ảnh hưởng
Giá trị mã hóa
0
Servo
motor
xi
-1
+1
2
Liner Scale
X1 = lgv (mm/s)
1,477
1,708
1,176
1,739
load
cell
bkna1
X2 = lg (RH%)
X3 = lgT (0C)
1,852
1,996
1,690
1,433
Sau khi mã hóa các biến và tiến hành thí nghiệm, kết
quả thực nghiệm như bảng 2.
Hình 1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Bảng 2. Bảng kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa
Hàm
Biê
́
̣
lg biến thực
Biê
́
̃
́
a mục
tiêu
No
T
0C
V
mm/s
X2 =
lgRH
ysi =
lg FSi
RH%
X1 = lgV
X3 = lgT x0 x1 x2 x3
1 100 99 49
2 100 99 15
3 100 51 49
4 100 51 15
2
2
2
2
1,996 1,690 + + + + ys1
1,996 1,176 + + + - ys2
1,708 1,690 + + - + ys3
1,708 1,176 + + - - ys4
Hình 2. Đặc tính ma sát trong XLKN
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5 30 99 49 1,477 1,996 1,690 + - + + ys5
6 30 99 15 1,477 1,996 1,176 + - + - ys6
7 30 51 49 1,477 1,708 1,690 + - - + ys7
8 30 51 15 1,477 1,708 1,176 + - - - ys8
9 55 71 27 1,739 1,852 1,433 + 0 0 0 ys9
2.2. Thiết bị thực nghiệm
Để đánh giá ảnh hưởng (đồng thời) của vận tốc, độ ẩm
và nhiệt độ không khí đến tính chất ma sát (FS, FD) của
xylanh khí nén, tiến hành thử nghiệm khỏa sát ma sát trong
XLKN như trên bảng 2. Vận tốc: 30 100mm/s, Độ ẩm: 51
99%, Nhiệt độ: 15 490C. Thí nghiệm số 9 ở tâm, tiến hành
3 cuộc thử nghiệm song song với: Vận tốc: 55mm/s, Độ ẩm:
71%, Nhiệt độ: 270C. Dữ liệu thực nghiệm về ma sát tĩnh
của xylanh khí nén, như trong bảng 3.
Thiết bị thí nghiệm được thể hiện như trên hình 1. Trong
hệ thống thiết bị thí nghiệm, chuyển động của xylanh được
dẫn động bằng động cơ servo thông qua bộ truyền vít me
đai ốc bi. Piston được giữ cố định và được nối với cảm biến
lực thông qua khớp cầu. Lực ma sát được đo bởi cảm biến
lực có độ chính xác 0,02% FS. Dịch chuyển của xylanh được
xác định thông qua thước đo dịch chuyển DTH-A với độ
chính xác 0,1% RO. Toàn bộ hệ thống thiết bị cơ khí được đặt
trong tủ nhiệt ẩm, nguồn dộng lực và hệ thống đo được bố
trí bên ngoài tủ nhiệt ẩm. Tủ nhiệt ẩm có khả năng thay đổi
RH từ 51 ÷ 99% ± 2% và T từ 15 ÷ 49°C ± 1°C. Dữ liệu về dịch
chuyển và lực ma sát được xử lý và hiển thị trên màn hình
thông qua phần mềm Dasylab 11.0. Giao diện màn hình hiển
thị kết quả đo lực ma sát như trên hình 2, bao gồm lực ma sát
tĩnh FS và lực ma sát động FD.
Bảng 3. Dữ liệu thực nghiệm về ma sát tĩnh (FS) của XLKN khi vận tốc, độ ẩm
và nhiệt độ thay đổi
STN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Fs (N) 18,75 21,18 21,26 24,21 11,61 14,39 14,41 17,41 17,73
ȳsi=lgFS 1,273 1,326 1,328 1,384 1,065 1,158 1,159 1,241 1,249
Dựa vào bảng số liệu thực nghiệm 2 và 3, phương trình
hồi quy thực nghiệm lực ma sát tĩnh trong XLKN được biểu
diễn trong phương trình 6.
F 19,3165 v0,3263 RH0,2217 T0,1359
(6)
S
Từ phương trình hồi qui thực nghiệm (6) cho thấy, hàm
hồi qui thể hiện lực ma tĩnh của XLKN chịu ảnh hưởng đồng
thời và rõ rệt của tốc độ, độ ẩm tương đối và nhiệt độ
không khí:
Đặc tính ma sát trong XLKN thu được từ thực nghiệm
đồng dạng đồ thị sự phụ thuộc của lực ma sát vào dịch
chuyển [19], bao gồm ba giai đoạn: Dịch chuyển ban đầu,
gián đoạn và trượt hoàn toàn. Từ đồ thị cho thấy sự chênh
lệch giữa ma sát tĩnh và ma sát động là tương đối lớn, nó là
- Lực ma sát tăng khi tốc độ tăng, hoàn toàn phù hợp
với đồ thị nguyên tắc về giá trị lực ma sát tĩnh cũng như các
nghiên cứu đã được công bố;
82
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
- Khi độ ẩm tương đối tăng từ 51% đến 99% thì lực ma
sát tính càng giảm, điều này cho thấy hiện tường màng hơi lực ma sát FS có giá trị lớn nhất và có xu hướng giảm, đạt
ẩm được hình thành trên bề mặt tăng theo độ ẩm và nó giá trị nhỏ nhất tại vùng (T = 490C, RH = 99%). Như vâ
y, lực
ma sát tĩnh chịu ảnh hưởng đồng thời của RH và T, được
Ở vùng phức hợp nhiệt ẩm thấp (T = 150C, RH = 51%)
̣
đóng vai trò chất bôi trơn;
- Khi nhiệt độ tăng từ 150C đến 490C, ma sát tính giảm
khi nhiệt độ tăng, điều này cho thấy hiện tượng mềm hóa
gioăng xuất hiện khi nhiệt độ tăng và được khuếch đại khi
có mặt của màng hơi ẩm trên bề mặt.
thể hiện qua các đường đồng mức của Fs. Khi nhiệt độ và
độ ẩm tăng lên, các đường đồng mức có xu hướng dãn xa
nhau hơn, có nghĩa là ở chê ́ độ nhiệt độ và độ ẩm tương
đối càng lớn, thì ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến FS
giảm dần. Đồ thị 3b cũng cho thấy hiện tượng tăng ảnh
hưởng biến thiên của T và RH đến FS ở chế độ nhiệt ẩm
thấp hơn. Rõ ràng đường đồng mức thể hiện một giá trị cụ
thể của Fs và phụ thuộc đồng thời vào các bộ đôi giá trị RH
và T của không khí ẩm. Có thể điều khiển bộ đôi RH và T
của không khí ẩm để đạt được giá trị của lực ma sát tĩnh
mong muốn trong các điều kiện cụ thể của tốc độ dịch
Sự biến thiên của lực ma sát tĩnh khi tốc độ, độ ẩm và
nhiệt độ thay đổi đồng thời có thể được giải thích bằng sự
xuất hiện của hiệu ứng bôi trơn giới hạn khi màng hơi ẩm
ngưng đọng theo độ ẩm tương đối trên bề mặt ma sát. Ứng
xử của bôi trơn giới hạn trên bề mặt cần XLKN phụ thuộc
nhiều vào chiều dày màng hơi ẩm ngưng đọng trên bề mặt,
nó được khuếch đại lên khi tốc độ thay đổi. Tốc độ càng
cao thì ảnh hưởng của hiệu ứng bôi trơn đến ma sát tĩnh
giảm do thời gian tác động ngắn.
chuyển. Như vậy, khi tốc độ không thay đổi, căn cứ vào cơ
chế hiện tượng ngưng đọng màng hơi ẩm và mật độ các
đường đồng mức trên biểu đồ trong hình 3b cũng như biến
đổi của Fs có thể rút ra nhận xét như sau:
Từ phương trình (6), khi tốc độ không thay đổi xét tại
điểm tâm thực nghiệm, thì có phương trình:
Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và độ ẩm tương đối
của môi trường không khí đến FS là rõ ràng; Tác động của độ
F Av RH0,2217 T0,1359
(7)
S
ẩm tương đối đến Fs mạnh hơn ở nhiệt độ cao; Có thể dùng
cặp bộ đôi RH và T trên các đường đồng mức phù hợp để đạt
được lực ma sát Fs mong muốn tại các tốc độ cụ thể.
Trong đó: Av 19,3165 v0,3263 , v = 55mm/s,
RH = 51 ÷ 99%; T = 15 ÷ 490C.
Khi độ ẩm tương đối không đổi xét tại điểm tâm thực
nghiệm, phương trình (6) có dạng:
Phương trình (7) cho thấy lực ma sát tĩnh sẽ giảm khi độ
ẩm tương đối và nhiệt độ tăng. Mức độ ảnh hưởng của độ
ẩm tương đối lớn gấp 1,2 lần nhiệt độ tại điểm tâm vận tốc
F ARH v0,3263 T0,1359
(8)
S
thực nghiệm (55mm/s) và được thể hiện trên đồ thị FS = f
(RH,T) hình 3a. Các đường đồng mức trên hình 3b thể hiện
mức độ ảnh hưởng của RH và T. Mật độ đường đồng mức
càng cao thì ảnh hưởng càng lớn.
Trong đó: ARH 19,3165RH0,2217 , RH = 71%;
v = 30 ÷ 100mm/s; T = 15 ÷ 490C.
Phương trình (8) cho thấy lực ma sát tĩnh sẽ tăng khi tốc
độ tăng và giảm khi nhiệt độ tăng. Mức độ ảnh hưởng của
tốc độ lớn hơn 3,5 lần so với nhiệt độ môi trường không khí
tại điểm tâm độ ẩm tương đối của thực nghiệm (RH = 71%)
và được thể hiện trên đồ thị FS = f(v, T) hình 4a. Trên hình
4b các đường đồng mức thể hiện mức độ ảnh hưởng của v
và T đến FS. Mật độ đường đồng mức càng cao thì mức độ
ảnh hưởng càng lớn. Ở vùng có v = 30mm/s, T = 490C, lực
ma sát FS có giá trị nhỏ nhất và tăng mạnh, đạt giá trị lớn
nhất tại vùng có v = 100mm/s, T = 150C. Qua các đường
đồng mức của FS cho thấy, tốc độ và nhiệt độ tăng lên các
a)
đường đồng mức có xu hướng dãn xa nhau hơn, có nghĩa
là ở chế độ nhiệt độ và độ ẩm tương đối càng thấp, thì ảnh
hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến FS càng lớn. Các đường
đồng mức thể hiện các giá trị cụ thể của Fs, nó phụ thuộc
đồng thời vào các bộ đôi giá trị v và T của không khí ẩm. Có
thể điều khiển bộ đôi v và T của không khí ẩm để đạt được
giá trị của lực ma sát tĩnh mong muốn trong các điều kiện
độ ẩm RH cụ thể. Như vậy, khi độ ẩm không thay đô
rút ra nhận xét như sau:
nh hưởng của tốc độ v và nhiệt độ T của môi trường
không khí đến Fs là rất rõ ràng; Tác động của tốc độ dịch
chuyển v đến FS mạnh hơn nhiệt độ T; Có thể dùng cặp bộ
̉i, có thể
A
̉
b)
Hình 3. Ảnh hưởng của RH và T tại tâm thực nghiệm vận tốc đến Static
friction FS
đôi v và T trên các đường đồng mức phù hợp đê
lực ma sát FS mong muôn tại các độ ẩm cụ thể.
̉ đạt được
́
83
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
hợp đê
̉ đạ
cụ thể.
a)
a)
b)
Hình 4. Ảnh hưởng của v và T tại tâm thực nghiệm độ ẩm đến Static friction Fs
b)
Khi nhiệt độ không đổi xét tại điểm tâm thực nghiệm,
phương trình (9) có dạng:
Hình 5. ẢNh hưởng của v và RH tại tâm thực nghiệm nhiệt độ đến Static
friction FS
F AT v0,3263 RH0,2217
(9)
S
Như vậy, lực ma sát tĩnh FS của XLKN chịu ảnh hưởng rõ
rệt của tốc độ dịch chuyển, độ ẩm tương đối và nhiệt độ
không khí. Tuy nhiên, do đặc thù giai đoạn dịch chuyển ban
đầu rất ngắn nên hiệu ứng bôi trơn giới hạn của màng ẩm
xuất hiện chưa rõ ràng, giai đoạn này liên quan đến FS.
Trong giai đoạn trượt hoàn toàn, giai đoạn này liên quan
đến ma sát động, quãng đường chuyển động lớn hơn
nhiều so với dịch chuyển ban đầu nên hiệu ứng bôi trơn
giới hạn của màng ẩm xuất hiện nhanh hơn và có vùng
chuyển tiếp sang bôi trơn thuỷ động, do đó ma sát tĩnh
thường lớn hơn nhiều so với ma sát động. Nó ảnh hưởng
trực tiếp đến công suất khởi động và thời gian xác lập hệ
thống ổn định.
Trong đó: AT 19,3165 T0,1359 ; T = 270C;
v = 30 ÷ 100mm/s; RH = 51 ÷ 99%.
Phương trình (9) cho thấy lực ma sát tĩnh sẽ tăng khi tốc
độ tăng và giảm khi độ ẩm tương đối tăng. Mức độ ảnh
hưởng của tốc độ lớn hơn khoảng 3,2 lần so với độ ẩm
tương đối của môi trường không khí tại điểm tâm nhiệt độ
của thực nghiệm (T = 270C) và được thể hiện trên đồ thị
FS = f(v, RH) hình 5a. Cho thấy, lực ma sát tĩnh cũng chịu
ảnh hưởng đồng thời của v và RH, các đường đồng mức
trên hình 5b thể hiện mức độ ảnh hưởng của v và RH đến
FS. Ở vùng có tốc độ dịch chuyển nhỏ nhất v = 30mm/s, độ
ẩm tương đối cao RH = 99%, lực ma sát FS có giá trị nhỏ
nhất và có xu hướng tăng nhanh đạt giá trị lớn nhất tại
vùng có v = 100mm/s, RH = 51%. Qua các đường đồng mức
của FS cho thấy, mật độ đường đồng mức theo trục v dày
hơn theo trục RH cho thấy mức độ ảnh hưởng của v lớn
hơn RH rất nhiều. Có thể điều khiển bộ đôi v và RH của
không khí ẩm để đạt được giá trị của lực ma sát tĩnh mong
4. KẾT LUẬN
Mô hình về ứng xử ma sát tĩnh FS của XLKN đã được xác
định khi nó chịu ảnh hưởng đồng thời của tốc độ dịch
chuyển và các đặc trưng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa
Việt Nam. Từ mô hình này và có thể rút ra được một số kết
luận sau:
1. Cả ba yếu tố về tốc độ dịch chuyển tương đối, đặc
trưng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa RH và T đều có ảnh
hưởng rõ rệt đến lực ma sát tĩnh FS của XLKN. Lực ma sát
nhỏ nhất nằm trong vùng có tốc độ v, độ ẩm RH và nhiệt
độ T thấp và ngược lại. Mức độ thay đổi của ma sát tĩnh FS
trung bình khoảng 2,1 lần.
muô
́
nhiệt độ không thay đô
̉
Ảnh hưởng của tốc độ v và độ ẩm RH của môi trường
không khí đên Fs là rất rõ ràng; Tác động của tốc độ dịch
chuyển v đến Fs mạnh hơn độ ẩm RH nhiều lần; Có thể
dùng cặp bộ đôi v và RH trên các đường đồng mức phù
84
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
[12]. Xuan Bo Tran, Van Lai Nguyen, Khanh Duong Tran, 2019. Effects of
friction models on simulation of pneumatic cylinder. Mech. Sci., 10, 517–528,
2019.
2. Phương trình hồi qui thực nghiệm thể hiện quy luật
biến thiên của đặc trưng ma sát (FS) phụ thuộc đồng thời
vào sự thay đổi của tốc độ v, độ ẩm RH và nhiệt độ T có
dạng hàm mũ là phù hợp. Lực ma sát tăng khi tốc độ dịch
chuyển tăng và giảm khi độ ẩm và nhiệt độ tăng.
[13]. Niko Herakovič, Jože Duhovnik, Dragica Noe, 1992. Friction Force in
the Pneumatic Cylinder. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering,
38, 279-288.
3. Sử dụng mô phỏng số đã đưa ra được các biểu đồ
đường đồng mức của lực ma sát “Friction map” khi từng
cặp đôi thay đổi trong bộ ba thông số tốc độ v, độ ẩm RH
và nhiệt độ T. Các đường đồng mức trong mô phỏng số là
cơ sở để xác định được từng cặp yếu tố đầu vào phù hợp
trong các điều kiện thực nghiệm cụ thể.
[14]. Takahiro Kosaki, Manabu Sano, 2001. Effect of Sliding Surface
Temperature on Frictional Force in a Pneumatic Cylinder. Transactions of the Japan
hudraulics & Pneumatics society, 32(4), 98-103.
[15]. Thuy-Duong Nguyen, Van-Hung Pham, 2020. Study of the effects of
relative humidity and velocity on the friction characteristics of pneumatic cylinders.
International Journal of Modern Physics B. 34, 20401391-5.
4. Biểu đồ đường đồng mức của lực ma sát tĩnh cho thấy
mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố trong các cặp đôi của
tốc độ v, độ ẩm RH và nhiệt độ T tới đặc trưng ma sát.
Trong đó tốc độ có ảnh hưởng quyết định, tiếp theo là độ
ẩm tương đối và nhiệt độ môi trường không khí.
[16]. V.H. Pham, T.D. Nguyen, T.A. Bui, 2020. Behavior of Friction in
Pneumatic Cylinders with Different Relative Humidity. Tribology in Industry, 42(3),
400-406.
[17]. Thuy Duong Nguyen, Van Hung Pham, 2021. Influence of humid air
temperature on friction behavior in pneumatic cylinder. Tribology in Industry, vol
43, no. 1, 131-138, DOI:10.24874/ti.976.10.20.01
5. Qui luật biến thiên về ma sát tĩnh FS có thể được sử
dụng trong việc tính toán công suất khởi động và thời gian
xác lập hệ thống của hệ thống cơ điện tử khi sử dụng XLKN
[18]. Nguyen Minh Tuyen, 2004. Quy hoach thuc nghiem. Science and
Technics Publising House, Hanoi.
trong các điều kiện nhiệt ẩm.
[19]. I. V. Kragelsky, 1981. Friction Wear Lubrication. Tribology Handbook.
Pergamon Press, vol 1.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Mohammad Asaduzzaman Chowdhurya, Maksud Helalib, 2006. The
Effect of Frequency of Vibration and Humidity on the Coefficient of Friction.
Tribology International, 39, 958-962.
AUTHORS INFORMATION
[2]. Imada Y, 1996. Effect of humidity and oxide products on the friction and
wear properties of mild steel. J Jpn Soc Tribol, 114, 131–40.
Nguyen Thuy Duong, Pham Van Hung
School of Mechanical Engineering, Hanoi University of Science and Technology
[3]. J. K. Lancaster, 1990. A review of the influence of environmental humidity
and water on friction, lubrication and wear. Tribology Internation, 23(6), 371-389.
[4]. Mohammad Asaduzzaman Chowdhury, Maksud Helali, 2008. The Effect
of Relative Humidity and Roughness on the Friction Coefficient under Horizontal
Vibration. The Open Mechanical Engineering Journal, 2, 128-135.
[5]. Mohammad Asaduzzaman Chowdhury, 2012. Effect of Sliding Velocity
and Relative Humidity on Friction Coefficient of Brass Sliding against Different Steel
Counterfaces. International Journal of Engineering Research and Applications
(IJERA), 2(2), 1425-1431.
[6]. Mohammad Asaduzzaman Chowdhury, Md. MaksudHelali, 2007. The
effect of frequency of vibration and humidity on the wear rate. Wear 262, 198–
203.
[7]. T. Raparelli, A. Manuello Bertettot, L. Mazzat, 1997. Experimental and
numerical study of friction in an elastomeric seal for pneumatic cylinders. Tribology
international, 30(7), 547-552.
[8]. G. Sc Belforte, G. Mattiazzo, S. Mauro, 2003. Measurement of Friction
Force in Pneumatic Cylinders. Tribotest Journal. 10, 33-48.
[9]. B. M. Y. Nouri, 2004. Friction Identification in Mechatronic Systems. ISA
Transactions, 43(2), 205-216.
[10]. Ho Chang, Chou-Wei LAN, Chih-Hao Chen, Tsing-Tshih Tsung, Jia-Bin
Guo, 2008. Measurement of frictional force characteristics of pneumatic cylinders
under dry and lubricated conditions. Przegląd Elektrotechniczny, 88 261-264.
[11]. Yasunori Wakasawa, Yuhi Ito, Hideki Yanada, 2014. Friction and
Vibration Characteristics of Pneumatic Cylinder. The 3rd International Conference
on Design Engineering and Science, ICDES 2014 Pilsen, Czech Republic. 155-159.
85
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
6 trang
20/04/2022
1540
Bạn đang xem tài liệu "Mô hình ma sát tĩnh của xylanh khí nén trong điều kiện tốc độ dịch chuyển và nhiệt - ẩm không khí thay đổi", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- mo_hinh_ma_sat_tinh_cua_xylanh_khi_nen_trong_dieu_kien_toc_d.pdf
