Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng về khoa học và kỹ thuật đang dần phát triển vượt bậc tạo điều kiện thuận lợi cho các thiết bị, máy móc ngày càng phát triển. Trong các thành phần của các thiết bị, máy móc không thể thiếu đi sự hiện diện của thiết bị chặn dầu để ngăn chặn sự rò rỉ của dầu nhớt và các lưu chất làm việc ra môi trường bên ngoài, cũng như ngăn chặn các tạp chất bên ngoài xâm nhập vào bên trong các thiết bị máy móc. Vấn đề được đặt ra ở đây là các thiết bị máy móc phát triển cũng cần phải phát triển các thiết bị chặn dầu mới để đáp ứng tốt cho các thiết bị máy móc trên đòi hỏi cao về điều kiện làm việc cao và chính xác trong quá trình làm việc. Hiện nay, các thiết bị chặn dầu đều là cơ cấu cơ khí truyền thống như phốt chặn dầu cơ khí (mechanical seal), V-ring, O-ring, lip-seal,… Các thiết bị đó vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm cố hữu, nguyên nhân chủ yếu là được bắt nguồn từ sự mài mòn do ma sát giữa các thiết bị cơ khí của phốt chặn dầu truyền thống và trục quay (hoặc bạc lót).
Điều đó dẫn đến một số vấn đề phát sinh như sau. Chẳng hạn như phát sinh nhiệt trong quá trình ma sát, tiêu hao năng lượng do ma sát sinh ra và các thiết bị cơ khí của phốt chặn dầu dễ bị hư hỏng. Trong một thập kỷ trở lại đây, chất lỏng từ tính (MRF – Magneto-rheological fluid) là vật liệu vô cùng tiềm năng trong tương lai đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu và khoa học. Chúng đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực (quốc phòng, xây dựng, hàng không vũ trụ, cơ khí….
Ưu điểm chất lỏng từ tính (MRF) là chất lỏng thông minh có độ nhớt có thể thay đổi cơ tính dưới tác dụng của từ trường. Ở trạng thái khi không có từ trường đi qua các hạt từ tính chuyển động tự do trong chất lỏng nền, đồng thời ứng xử lưu chất MRF tuân theo ứng xử của lưu chất Newton. Ở trạng thái có từ trường đi qua các hạt từ tính làm chúng bị từ hóa và liên kết lại với nhau và sắp xếp dọc theo các dạng phân bố của các đường sức từ. Do đó, lưu chất biến đổi cơ tính (thái lỏng thành trạng thái rắn) dưới tác dụng của từ trường, giúp ngăn chặn được dòng chảy.
Vì thế, trong luận văn 1 này sẽ đề xuất và thiết kế thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất – MRF nhằm mục đích giảm ma sát và tăng áp suất làm việc của chúng so với thiết bị chặn rò rỉ truyền thống.2 Giới thiệu về lưu chất – MRF Lưu chất từ biến (magneto-rheogical fluid- MRF) là một trong những chất lỏng thông minh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau cũng như có rất nhiều ứng dụng sử dụng lưu chất từ biến MRF cho các thiết bị, máy móc quan trọng. Khi có tác động từ trường lưu chất MRF có sự thay đổi đáng kể trong trạng thái lưu biến. Tính chất lưu biến của MRF gồm có ứng suất chảy dẻo, độ nhớt và độ đông đặc [1] [2]. Các tính năng này dễ dàng kiểm soát trong hầu hết các ứng dụng vì chúng được cố định bởi môi trường cụ thể.
Trước tiên, chúng ta bắt đầu với sự hình thành và quá trình ra đời của chất lỏng từ biến. Chất lỏng từ tính là một loại chất lỏng thông minh được phát hiện vào năm 1940 bởi J. Tuy nhiên, phải đến năm 1990, sau khi cải tiến và phát triển, chất lỏng MR mới có thể được ứng dụng rộng rãi.1 Thành phần chính của MRF Một lưu chất tùy biến thông thường có sự góp mặt của các hạt từ tính lơ lửng ở trong chất lỏng tương thích chứa nó như là dầu khoáng, dầu tổng hợp, nước hoặc etylene glycol. Lưu chất từ biến (MRF) thường có hai thành phần chính (chất lỏng nền và hạt từ tính) và chất phụ gia: Hình 1.1 Thành phần chính của MRF 2 • Chất lỏng nền Chất lỏng nền là lưu chất không mang từ tính nơi mà trong đó các hạt kim loại lơ lửng.
Chất lỏng nền là chất bôi trơn tự nhiên và giảm độ lắng động của các hạt kim loại trong MRF giúp quá. Để vận dụng hết ưu thế của lưu chất MRF, chất lỏng nền phải có độ nhớt thấp và nhiệt độ không đổi. Sự góp mặt của các hạt kim loại lơ lửng làm cho lưu chất nền đặc hơn. Một số chất lỏng nền thường được sử dụng như là dầu khoáng, dầu hydrocacbon và dầu silicon,… [4].
• Các hạt kim loại từ tính Để lưu chất từ biến hoạt động một cách hiệu quả, các hạt kim loại lơ lửng phải bị tác động bởi từ trường một cách nhanh chóng. Để làm được điều này, phải sử dụng các hạt kim loại có từ tính. Các hạt kim loại có từ tính được sử dụng trong lưu chất MR rất nhỏ, xấp xỉ từ 1μm tới 7μm. Thông thường các hạt kim loại thường được sử dụng là sắt carbonyl, bột sắt hoặc hợp kim coban sắt.
Các hạt kim loại của những loại vật liệu này có khả năng bão hòa cao dẫn đến hình thành một chuỗi liên kết vững chắc. Những loại hạt này có thể chiếm đến 50% trong chất lỏng nền [4], [5]. • Các chất phụ gia Các chất phụ gia chính được thêm vào lưu chất MR để kiểm soát những đặc tính của nó. Những chất phụ gia này bao gồm cả hoạt chất bề mặt và chất ổn định.
Hoạt chất bề mặt làm giảm đi mật độ lắng đọng của các hạt kim loại. Chức năng của các chất phụ gia này là để duy trì ma sát giữa các hạt kim loại và giữ được độ nhớt của lưu chất trong điều khiển và giảm tỷ lệ lắng đọng của các hạt dẫn đến lưu chất bị đông đặc do sử dụng trong thời gian dài. Vì vậy, những chất phụ gia này có thể làm tăng chu kỳ làm việc của lưu chất MR. Những chất phụ gia thường hay sử dụng là lithium stearate và oleate [6].
Bên cạnh đó, lưu chất MR còn có thêm chất hoạt động bề mặt, chúng thường thường chứa các hoạt chất bề mặt như: Axit Oleic, Tetramethylammonium hydroxide, Axit Citric, Soy Lecithin [6].2 Nguyên lý hoạt động của MRF Ở trạng thái bình thường, khi không có từ trường tác dụng vào MRF, các hạt sắt từ trong MRF chuyển động tự do và thể hiện các tính chất Newton giống như các chất lỏng khác. Ở trạng thái có từ trường bên ngoài tác dụng, các hạt kim loại có từ tính trong MRF sẽ liên kết lại và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng của các đường sức từ có khả năng chống lại sự phá vỡ liên kết. Độ bền của các liên kết phụ thuộc vào độ lớn của từ trường bên ngoài tác dụng.2 Các trạng thái của MRF Ứng suất trượt (yield shear stress) là thông số chính về lợi thế của chất lỏng MR và suy ra từ đặc tính phi Newton của những chất lỏng đó. Khi dưới tác dụng của từ trường, chất lỏng MR hoạt động tuân theo luật Bingham hoặc luật Herchel-Bulkley.3 Các chế độ làm việc và ứng dụng của MRF Đặc tính của MRF gồm có ba chế độ làm việc chính của MRF đã được nghiên cứu [7]: chế độ dòng chảy (valve mode), chế độ trượt (shear mode), chế độ nén (squeeze mode).
Chế độ dòng chảy: ứng dụng của chế độ dòng chảy là dùng để thiết kế van MRF. Trong đó, nơi dòng chảy của lưu chất MR được bố trí ở giữa các tấm không chuyển động như trong Hình 1.3a, cho thấy khi mà có từ trường tác dụng vuông góc với hướng của dòng chảy, sẽ giúp biến đổi tính chất lưu biến của MRF mà điều khiển được dòng chảy như mong muốn. Vì vậy, biên dạng vận tốc của chất lưu chất MR 4 thay đổi khi tăng ứng suất hoặc thay đổi độ nhớt của MRF [8], được biểu diễn trong Hình 1.3 Chế độ dòng chảy [8] Chế độ trượt: chất lỏng MR nằm giữa hai bề mặt, một trong những mặt đó trượt hoặc quay so với bề mặt bên kia. Đồng thời dưới tác dụng của từ trường được đặt vuông góc với hướng chuyển động của bề mặt trượt này, chế độ trượt của lưu chất – MRF được thể hiện ở Hình 1.4 Chế độ trượt của MRF [8] Chế độ nén: Chế độ làm việc thứ ba của lưu chất MR là chế độ ép.
Tuy nhiên, chế độ này chưa được nghiên cứu rộng rãi. Ở chế độ này, sự sắp xếp hình học để nén được thực hiện bởi hai bề mặt phẳng song song đối diện nhau. Hai bề mặt được đẩy về phía nhau bởi một ngoại lực, chúng hoạt động vuông góc với cả hai bề mặt. Chất lỏng MR trong khe hở giữa chúng, ban đầu chúng được tự do di chuyển ra khỏi khe hở ngày càng nhỏ, bằng cách chảy song song với các bề mặt, và tụ lại trong một vùng bên ngoài khe hở [9].
Dưới sự hiện diện của từ trường, mô men lưỡng cực từ 5 của các hạt có kích thước micromet được tạo ra, do đó tương tác lưỡng cực xảy ra giữa các hạt và các hạt tạo thành chuỗi và phối hợp theo đường dẫn từ trường [9]. Do đó, sự hình thành này chống lại và hạn chế chuyển động của chất lỏng từ vị trí ra khỏi các khe hở giữa hai mặt phẳng [9].5 Chế độ nén của MRF [9] 1.3 Giới thiệu về nam châm vĩnh cửu 1.1 Nam châm vĩnh cửu Nam châm vĩnh cửu là một vật có khả năng sản sinh một lực dùng để hút hay đẩy một từ vật khác hay một vật có độ từ cảm cao khi nằm gần nam châm, lực phát sinh từ nam châm gọi là lực từ. Mọi nam châm đều có hai từ cực, cực bắc và cực nam ở hai đầu. Từ trường tạo của nam châm vĩnh cửu xuất phát từ cực nam sang cực bắc.
Nhờ vào các đặc tính đặc biệt của nam châm vĩnh cửu, chúng đã được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày, một trong những điểm đặc biệt của nam châm vĩnh cửu đó là khi bị nhiễm từ thì những đặc tính của chúng sẽ không bị mất đi. Do đó, chúng có thể duy trì từ tính một cách liên tục, bền vững và không thể bị mất từ tính, kể cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.2 Vật liệu của nam châm vĩnh cửu Bảng 1.1 Các vật liệu để sản xuất nam châm [10] Có khả năng tạo ra lực từ cao nhất trong tất cả các loại vật Nam châm liệu hiện có. Một trong những nhược điểm là có xu hướng Neodymium dễ bị rỉ sét.