Nguyên lý làm việc và dạng hư hỏng của ổ trục thủy động lực (Hydrodynamic Bearings): Phần mở đầu

Thanh Sơn biên dịch từ Kingsbury, bản quyền thuộc về baoduongcokhi.com

PHẦN MỞ ĐẦU: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Trong mỗi giây đang diễn ra hàng ngày, tất cả các máy móc trên khắp thế giới đang hoạt động, để cung cấp các sản phẩm phục vụ nhu cầu của chúng ta. Những máy này đang được đỡ tốt bởi những ổ trục. Nếu một máy bị ngừng, thì những áp lực trong việc khắc phục sự cố là rất lớn. Bài viết sẽ cung cấp những kiến thức nền tảng về ổ trục thiết kế kiểu thủy động lực và các dạng hư hỏng thường gặp.

Xem thêm:

Ổ trục Integral squeeze film damper (ISFD) là gì, nó hoạt động như thế nào?

GIỚI THIỆU

Ổ trục có tác dụng đỡ trục quay có thể phân ra thành 4 loại cơ bản:

1-         Ổ lăn (roller bearing) – tải được đỡ trên các bi cầu và bi đũa.

2-         Ổ trục thủy tĩnh (hydrostatic bearing) – tải được đỡ bởi lưu chất cao áp.

3-      Ổ trục thủy động lực (hydrodynamic bearing) – tải được đỡ bởi màng dầu bôi trơn (oil film).

4-         Ổ trục từ tính (Magnetic bearing) – tải được đỡ bởi từ trường.

Trong bài viết này, chủ yếu nói về loại ổ trục thủy động lực, các miếng bạc (pad/shoe) có thiết kế có trụ xoay tự lựa (pivot).

LỊCH SỬ Ổ TRỤC THỦY ĐỘNG LỰC 

Trong những năm cuối thập kỷ 1880, có nhiều cuộc thử nghiệm về cách bôi trơn cho bề mặt bạc của ổ trục. Ý tưởng về việc “nổi” (floating) tải trên một màng dầu được nhóm của Beauchamp Tower thử nghiệm và công trình lý thuyết của Osborne Reynolds.

1.      Ổ BẠC CHẶN CÓ TRỤ XOAY TỰ LỰA (pivoted shoe thrust bearings)

ỨNG DỤNG ĐẦU TIÊN

 Năm 1912, Albert Kingsbury ký hợp đồng với công ty Pennsylvania Water and Power để ứng dụng thiết kế của ông vào nhà máy thủy điện ở Holtwood. Việc sử dụng ổ lăn đòi hỏi thời gian ngừng máy lớn hơn (nhiều lần trong năm) cho việc kiểm tra, sửa chữa và thay mới.

Loại ổ chặn thủy động lực, lưng các miếng bạc (shoe) có trụ xoay tự lựa, đã được lắp đặt cho tổ máy số 5 vào ngày 22 tháng 6 năm 1912.

Khi khởi động tổ máy ở 12.000 KW, bạc chặn bị phá hủy. Khi phân tích các nguyên nhân hư hỏng, tập trung vào vấn đề dung sai chế tạo và được khắc phục gấp theo yều cầu để đưa máy vào hoạt động.

Thiết kế ổ chặn của Albert Kingsbury

Sau khi sửa chữa đĩa chặn hợp lý và lắp đặt lại ổ chặn mới, máy đã chạy liên tục ở điều kiện tốt. Như là sự đền đáp xứng đáng cho người thiết kế ra nó, một ổ chặn đã chạy 75 năm với sự mài mòn không đáng kể ở tải 220 tấn, được thiết kế bởi ASME vào 27 tháng 6 năm 1987, đây được xem là cột mốc lịch sử của kỹ thuật cơ khí thế giới.

2.   Ổ BẠC ĐỠ (JOURNAL BEARING)

Ổ đỡ thủy động lực dạng trụ là loại ổ trục thủy động lực cơ bản nhất. Nó có bề mặt lỗ trong hình trụ với các rãnh bôi trơn theo phương dọc trục. Loại ổ này cho khả năng chịu tải cao, thiết kế dạng kết khối đơn giản, cho phép trục quay theo cả hai chiều và dễ dàng sản xuất. Tuy nhiên, khi mà tốc độ thiết kế của máy móc càng tăng, thì loại ổ đỡ này có những hạn chế, đó là hiện tượng dầu xoáy cuộn (oil whirl). Dầu xoáy cuộn là không mong muốn, vì biên độ rung động, lực và chu kỳ ứng suất cao tác động lên trục, lên ổ đỡ và máy.

Với nỗ lực ngăn chặn và loại bỏ hiện tượng dầu xoáy cuộn, đã có những kết quả nghiên cứu bước đầu với nhiều loại ổ đỡ với kiểu thiết kế hình học khác nhau, bằng cách sửa đổi các hình dạng của lỗ trong của ổ đỡ. Lỗ trong của ổ đỡ với nhiều hình dạng khác nhau: kiểu trái chanh (lemon), kiểu “đập áp lực” (pressure dam), dạng thùy (lobed) và rất nhiều dạng ổ đỡ khác. Khái niệm về miếng bạc đỡ có lưng trụ xoay tự lựa (pivoted shoe) được áp dụng lần đầu tiên cho loại ổ đỡ (journal bearing) cách đây 85 năm. Các thử nghiệm và ứng dụng mở rộng đã chứng minh loại ổ đỡ có nhiều miếng bạc (tilting pad) có lưng bạc kiểu trụ xoay tự lựa hiệu quả nhất trong việc loại bỏ hiện tượng dầu xoáy cuộn.

Các loại ổ đỡ trượt, so sánh về khả năng tải, chiều quay, khử hiện tượng oil whirl và hấp thụ chấn động
kiểu ổ đỡ tilting pad (5 miếng pad), lưng có trụ xoay tự lựa là tốt nhất để tránh hiện tượng oil whirl.

ỨNG DỤNG

Lịch sử phát triển đã chứng minh loại ổ trục thủy động lực với lưng các miếng bạc có trụ xoay tự lựa mang lại lợi ích lớn. Ổ trục ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn, yêu cầu bảo trì ít, tuổi thọ kéo dài hơn và hiệu quả hơn. Màng dầu (oil film) cũng tạo ra nhiều lợi ích trong khả năng hấp thụ chấn động (shock) và cho phép giảm các chấn động như một thông số thiết kế để kiểm soát rung động. Với những lợi ích to lớn đó, cho phép thiết kế để sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng khác nhau. Quả thực, với phát minh này, đã tạo ra khả năng phát triển các máy và tàu thủy công nghệ cao như ngày hôm nay.

CÁC ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Nhà máy thủy điện                           Tuabin thủy lực

Tua bin hơi                                        Tuabin khí

Bơm hút bùn                                     Bơm nước nồi hơi

Quạt tốc độ cao                                Máy nén ly tâm

Mô tơ điện                                         Bơm giếng sâu

Bơm dầu                                            Bơm nước làm mát

Thiết bị tinh chế bột giấy                Máy tua bin nén khí

Thiết bị gia nhiệt không khí.          Máy nghiền đá

Máy ép đùn

 CÁC ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH TÀU BIỂN

Ngõng trục chân vịt tàu                   Trục chân vịt tàu

Cụm tuabin phát điện                      Hộp giảm tốc chính

Ly hợp                                                Bơm các loại

Quạt                                                    Máy phụ trợ

Hình 3: Ổ trục tổ hợp đỡ - chặn thủy động lực có trụ xoay tự lựa

Hết phần 1

Xem tiếp phần 1

Related Posts by Categories