Tại sao vòng bi của bơm hư hỏng?

Biên dịch Thanh Sơn, bản quyền thuộc về baoduongcokhi.com

TẠI SAO VÒNG BI CỦA BƠM HƯ HỎNG?

Xem thêm:

Vòng bi: cấu tạo, nguyên lý, phân loại, đặc điểm và bôi trơn

Chẩn đoán các hư hỏng của vòng bi (phần 1)

Các bài viết chủ đề vòng bi

Có phải, ý chúng ta muốn nói những yếu tố gì, ảnh hưởng đến tuổi thọ của vòng bi? Hầu hết chúng ta, đã từng nhiều lần thay thế vòng bi, khi tháo bơm để sửa chữa, hoặc thay thế hộp làm kín. Đây có phải là việc phải làm không? Nếu bạn suy nghĩ một chút, bạn sẽ tự hỏi, nếu vòng bi mà không bị mòn hỏng, thì sẽ không có chi tiết nào bị hư hỏng.

Tuổi thọ vòng bi được xác định bởi số giờ, mà dẫn đến “mỏi” của kim loại, và là một chỉ số của tải tác động lên vòng bi, số vòng quay, và lượng dầu bôi trơn vòng bi.

Các công ty sản xuất bơm tính toán tuổi thọ vòng bi, và cho thấy, tuổi thọ có thể lên tới nhiều năm.

Ví dụ: công ty sản xuất bơm Duriron dự tính, tuổi thọ của vòng bi đỡ, (đối với bơm nước kích cỡ, 75mm nhân 50mm nhân 250mm), là 3 năm.

Để hiểu từ “ mỏi” của kim loại, chúng ta xem thí nghiệm sau đây:

-         Duỗi thẳng một chiếc kẹp giấy.

-         Đầu tiên, ta uốn cong nó một chút, và để nó từ từ hồi về. Bạn thấy nó sẽ trở về vị trí thẳng như cũ. Bạn làm như thế nhiều thế nhiều lần, (thậm chí nhiều năm), mà không gẫy, (hay mỏi) kim loại, bởi vì bạn tạo ra một chu kỳ tác động nằm trong giới hạn đàn hồi của nó, (tưởng tượng giống trường hợp của miếng cao su).

-         Bây giờ, bạn sẽ bẻ gập cái kẹp, (bẻ cong nhiều hơn trước), và bạn thấy, nó sẽ không hồi lại về vị trí thẳng như ban đầu nữa. Vì lần này, bạn đã bẻ cong kim loại trong giới hạn dẻo của nó.

-         Nếu bạn bẻ kẹp giấy này tới lui nhiều lần, (trong giới hạn dẻo này), nó sẽ làm nứt, và gẫy sau ít nhất hai lần bẻ. Kim loại sẽ bị mỏi nhanh chóng, do làm việc “quá sức”, và trở nên dòn, và dễ gẫy. Nếu lực uốn cong tác động lên kim loại càng nhiều, thì nó sẽ làm việc “quá sức”, và gẫy.

Tương tự như vậy, khi vòng bi chịu tải trọng tác động từ trục quay, lực này ban đầu tác động trực tiếp lên vòng trong, truyền qua các viên bi, tới vòng ngoài vòng bi. Dưới tải trọng đó, lực sẽ phân bố đều cho các viên bi. Lực tác động này, sẽ làm mỏi các chi tiết kim loại của vòng bi từ từ theo thời gian.

Khi một bơm luôn vận hành ở điểm cho hiệu suất tốt nhất, (best efficiency point, BEP), thì chỉ có các tải sau tác động lên vòng bi là:

-         Trọng lượng của các bộ phận quay của bơm.

-         Ứng suất gây ra do việc lắp ghép có độ dôi lên trục.

-         Bất kể vòng bi nào cũng có tải trọng đặt trước, (hay còn gọi là dự ứng lực, preload) cho phép của nhà sản xuất.

Dự ứng lực là gì?

Vòng bi thường có khe hở bên trong nhất định khi hoạt động. Trong một số trường hợp, cần phải có khe hở bên trong âm, để tạo ra một độ cứng vững, hoặc độ chính xác cho cụm ổ trục, (để tránh rung động, và tiếng ồn). Lực này được gọi là dự ứng lực, (“tải trọng đặt trước”, preload), lực này, thường tác dụng theo phương dọc trục Fa, (hình vẽ). Dự ứng lực tối ưu, thường có giá trị xác định, cho mỗi kích cỡ vòng bi, nếu lực này tác động quá lớn, sẽ làm giảm tuổi thọ mỏi của vòng bi, và làm tăng độ ồn, mô men ma sát và mô men làm việc, (lưu ý, mômen ma sát là mômen do lực ma sát gây ra khi hai vật tiếp xúc chuyển động). Nếu dự ứng lực này tác động không đủ, sẽ gây ra hiện tượng vòng bi bị mài mòn, do nguyên nhân rung động. Vì vậy, để tác dụng một giá trị dự ứng lực thích hợp, là rất quan trọng.

Có hai kiểu tạo dự ứng lực Fa: solid preload, (kiểu cứng), và spring preload (kiểu mềm).

Ảnh vòng bi bị quá nhiệt

Ảnh: Dự ứng lực quá lớn là nguyên nhân hư hỏng vòng bi

Nhưng thực tế thì, hầu hết vòng bi đều làm việc quá tải vì:

1.      Lắp ghép có độ dôi quá lớn giữa vòng bi và trục, (trục lắp không nằm trong dung sai cho phép).

2.      Mất đồng tâm trục, giữa bơm và máy dẫn động.

3.      Trục bị cong.

4.      Mất cân bằng động.

5.      Vận hành bơm ngoài điểm hiệu suất tối ưu, (B.E.P).

6.      Trục bị giãn nở nhiệt theo phương hướng kính.

7.      Chỉ là cố gắng vô ích, khi làm mát vòng bi, bằng cách làm mát vỏ gối đỡ bằng ống nước, hoặc bằng hệ thống tương tự. Việc làm mát bên ngoài vòng bi, có thể gây ra co rút kim loại, làm tăng nguy hại, do gây thêm ứng suất lên vòng bi. (Vì nhiệt sinh ra do ma sát trong khi hoạt động, được truyền ra ngoài qua trục, và thân gối đỡ. Vì thân gối đỡ thường tải nhiệt tốt hơn trục, nên nhiệt độ vòng trong, và các bộ phận con lăn, thường cao hơn nhiệt của vòng ngoài từ 5-10^oC. Nếu trục bị nóng, trong khi ngoài vỏ gối đỡ được làm mát, thì sự chênh lệch nhiệt độ, giữa vòng trong, và vòng ngoài sẽ tăng lên).

8.      Hiện tượng xâm thực, búa nước (water hammer).

9.      Lực di dọc trục.

10. Đôi khi lỗ gối đỡ không tròn.

11. Thiết kế dẫn động truyền động đai.

12. Rung động gây ra do nhiều nguyên nhân.

13. Bánh công tác lắp quá xa, so với vị trí vòng bi. Đây là vấn đề phổ biến ở nhiều máy khuấy trộn.

14. Vòng bi cung cấp kém chất lượng.

Sư quá tải do các nguyên nhân trên, sẽ tạo ra nhiệt, và nhiệt này là nguyên nhân phổ biến, làm hư hỏng vòng bi. (cụ thể, Nhiệt làm giảm độ cứng của vật liệu vòng bi, và làm giảm tuổi thọ mỏi.

Khi nhiệt sinh ra do quá tải, sẽ làm cho chất bôi trơn:

-         Giảm độ nhớt, sẽ làm sản sinh thêm nhiệt, vì nó làm mất khả năng mang tải.

-         Hình thành một lớp “vecni” (hay varnish), và sau này tạo thành lớp “than“ ở nhiệt độ cao. Lớp than này phá huỷ khả năng bôi trơn của chất bôi trơn, (như dầu, hoặc mỡ). Nó cũng sẽ tạo ra chất bẩn rắn trong chất bôi trơn.

Ngoài ra, khi nhiệt sinh ra do quá tải, sẽ hình thành thêm nhiệt từ các nguồn sau:

-         Mức dầu quá cao, hoặc quá thấp. Bơm lắp đặt mất thăng bằng.

-         Vòng bi quá nhiều mỡ.

-         Trục chế tạo từ vật liệu có khả năng dẫn nhiệt từ lưu chất được bơm, đi vào gối đỡ. Đây là vấn đề phổ biến, ở các bơm dầu, hoặc bơm sử dụng bộ làm kín có áo nước làm mát, nhưng ngừng hoạt động.

-         Mất dòng lưu chất đệm, (buffer), giữa 2 cấp đối với seal làm kín cơ khí 2 cấp, làm nhiệt độ tăng lên, và truyền vào vòng bi.

-         Áo nước buồng dầu không làm việc.

-         Bơm sử dụng kiểu làm kín tiếp xúc, (contact seal), và gần với vị trí vòng bi.

-         Hư đường nước làm mát vào hộp làm kín (flushing water).

Một nhà sản xuất vòng bi hàng đầu thế giới đã nói rằng, tuổi thọ vòng bi liên quan mật thiết, trực tiếp tới nhiệt. Nếu dầu không bị nhiễm bẩn, thì vòng bi không thể mòn nhanh, và có tuổi thọ có ích lên tới 30 năm, ở nhiệt độ vận hành 30^oC. Họ cho rằng, tuổi thọ vòng bi bị mất đi một nửa, cho mỗi khoảng tăng nhiệt độ dầu tăng lên 10^oC.

Điều này cho thấy rằng, nhiệt độ dầu, là yếu tố quan trọng để tăng tuổi thọ có ích của vòng bi.

Hầu như, các nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng vòng bi sớm, là do chất bôi trơn bị nhiễm bẩn do không khí ẩm, nước, và chất rắn. Chỉ cần nhiễm 0,002% nước trong dầu, có thể làm giảm tuổi thọ vòng bi 48%, và nhiễm 6% nước, có thể làm giảm tuổi thọ vòng bi 83%.

Có nhiều phương pháp được nhà sản xuất bơm sử dụng, để tránh nước đi vào gối đỡ là:

-         Sử dụng vòng văng, (flinger ring), để đánh bật tia nước rò rỉ từ hộp tết chèn làm kín, (packing box) và hộp seal cơ khí đi vào gối đỡ. Đây là cách làm đơn giản nhất.

-         Duy trì dầu trong gối đỡ nóng, để tránh tạo nước ngưng bên trong.

-         Dùng vòng làm kín kiểu tiếp xúc lên trục, (lip seal), tuy nhiên vòng làm kín này có tuổi thọ thấp, và sẽ làm hư trục do sự tiếp xúc mài mòn.

-         Dung vòng làm kín khuất khúc, labyrinth seal, (làm kín kiểu không tiếp xúc), tốt hơn kiểu làm kín tiếp xúc, nhưng không hoàn toàn hiệu quả, do các bề mặt làm kín không tiếp xúc, và vô dụng khi ở chế độ tĩnh.

Hơi ẩm, nước hình thành từ nhiều nguồn khác nhau:

-         Hộp tết chèn làm kín rò rỉ chảy ngược về phía gối đỡ

-         Do đưa nước vào rửa khu vực rò rỉ hộp tết chèn làm kín, làm nước bắn vào gối đỡ.

-         Do hơi ẩm bị hút vào, qua vòng làm kín, khi buồng gối đỡ nguội xuống.

-         Ở đường làm mát hộp làm kín, thường có hơi nước, nước ngưng, hoặc nước làm mát, rò rỉ ra và đi trực tiếp vào gối đỡ.

Hơi khí ẩm và nước gây ra nhiều vấn đề:

-         Gây ăn mòn, rỗ bề mặt bi và rãnh bi, điều này làm tăng nhanh sự mỏi, của các chi tiết kim loại.

-         Các nguyên tử H2 tự do trong nước xuất hiện, gây ra sự mòn dễ gẫy của các chi tiết kim loại của vòng bi, làm tăng nhanh sự mỏi của kim loại.

-         Thể sữa dầu và nước, không tạo ra màng dầu bôi trơn.

Chất bẩn rắn đi vào chất bôi trơn từ nhiều nguồn:

-         Vòng cách bi bị mài mòn. Đây là bộ phận phân cách các viên bi, và giữ chúng lăn trên rãnh bi. Thường vòng này làm đồng thau, hoặc vật liệu phi kim loại.

-         Các phần tử rắn, bị mài mòn từ mặt trong gối đỡ, (thường làm từ thép đúc).

-         Cũng có các phần tử rắn, có sẵn trong dầu mỡ sử dụng cho chất bôi trơn.

-         Do quá trình sửa chữa, lắp ráp thiếu vệ sinh.

-         Các chất bẩn rắn, xâm nhập qua vòng làm kín của gối đỡ.

-         Các chất bẩn rắn, hình thành từ vòng làm kín kiểu tiếp xúc, làm kín bằng mỡ.

Làm thế nào, để chất bẩn rắn, và hơi ẩm, không đi vào gối đỡ:

-         Sơn bên trong buồng gối đỡ bằng sơn epoxy, và để tránh chất bẩn rắn bong ra, từ vỏ kim loại. Cẩn thận với việc sử dụng một số chất bôi trơn mới, có tính tẩy rửa cao, làm bong các lớp phủ bảo vệ kim loại.

-         Thay thế kiểu làm kín bằng mỡ, và làm kín khuất khúc, bằng loại làm kín tốt hơn.

-         Làm sạch dầu buồng gối đỡ, nhờ hệ thống lọc dầu, hoặc thay dầu định kỳ

Related Posts by Categories