Tại sao vòng bi - bạc đạn của bơm hư hỏng?

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

Tuổi thọ vòng bi - bạc đạn 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 - bạc đạn, số vòng quay và lượng dầu bôi trơn vòng bi - bạc đạn. Các công ty sản xuất bơm tính toán tuổi thọ vòng bi - bạc đạn 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 - bạc đạn đỡ (đối với bơm nước kích cỡ 75mm x 50mm x 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 gãy sau ít nhất hai lần bẻ. Kim loại sẽ bị mỏi nhanh chóng do làm việc “ quá sức” và trở nên dòn và dễ gãy. Nếu lực uốn cong tác động lên kim loại càng nhiều thì nó sẽ làm việc “quá sức” và gãy.
Tương tự như vậy khi vòng bi - bạc đạn 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 - bạc đạn. 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 - bạc đạn từ từ theo thời gian.
Khi một bơm luôn vận hành ở điểm cho hiệu suất tốt nhất (best efficiency point -B.E.P) thì chỉ có các tải sau tác động lên vòng bi - bạc đạn 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 - bạc đạn nào cũng có tải trọng đặt trước (hay còn gọi là dự ứng lực – preload) cho phép của nhà sản xuất.

* Kiến thức bổ sung về dự ứng lực: Ổ lăn 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 trục-ổ (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 - bạc đạn, nếu lực này tác động quá lớn sẽ làm giảm tuổi thọ mỏi của vòng bi - bạc đạn và làm tăng độ ồn, mô men ma sát và mô men làm việc. Nếu lực này tác động không đủ sẽ gây ra hiện tượng vòng bi - bạc đạn 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: solid preload (kiểu cứng) và spring preload (kiểu mềm)

Nhưng thực tế thì hầu hết vòng bi - bạc đạn đều làm việc quá tải vì:

–          Lắp ghép có độ dôi quá lớn giữa vòng bi - bạc đạn và trục (trục lắp không nằm trong dung sai cho phép)

–          Mất đồng tâm trục giữa bơm và máy dẫn động.

–          Trục bị cong.

–          Mất cân bằng động

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

–          Trục bị giãn nở nhiệt theo phương hướng kính.

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

–          Hiện tượng xâm thực, búa nước (water hammer)

–          Lực di dọc trục.

–          Đôi khi lỗ gối không tròn.

–          Thiết kế dẫn động truyền động đai.

–          Rung động gây ra do nhiều nguyên nhân.

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

–          Vòng bi - bạc đạn cung cấp kém chất lượng.

Sư quá tải này sẽ tạo ra nhiệt và nhiệt này là nguyên nhân phổ biến làm hư hỏng vòng bi - bạc đạn. (Nhiệt làm giảm độ cứng của vật liệu bi và làm giảm tuổi thọ mỏi.)

Nhiệt sinh ra do quá tải sẽ làm cho chất bôi trơn:

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

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

Ảnh: Vòng bi - bạc đạn của bơm bị quá nhiệt tạo các vết xước

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 - bạc đạn 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 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 - bạc đạn.

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

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

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

Hầu như các nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng vòng bi - bạc đạn sớm là do chất bôi trơn bị nhiễm bẩn khí ẩm, nước và chất rắn. Chỉ cần nhiễm 0,002% nước trong dầu có thể làm giảm tuổi thọ vòng bi - bạc đạn 48%, và nhiễm 6% nước có thể làm giảm tuổi thọ vòng bi - bạc đạn 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 gioăng 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), nhưng tuổi thọ thấp và vòng này sẽ làm hư trục do sự tiếp xúc mài mòn.

–          Vòng làm kín khuất khúc (làm kín 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 gioăng làm kín rò rỉ chảy ngược về phía gối đỡ

–          Do xịt nước vào rửa khu vực rò rỉ hộp gioăng 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 seal thường có hơi, 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 - bạc đạn, 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 vỏ 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:

–          làm kín bên trong buồng gối đỡ bằng 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 mạ 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.

Tác giả: Kỹ sư Nguyễn Thanh Sơn

Tin tức liên quan

• Các loại vòng bi bạc đạn xe máy thông dụng hiện nay (26/10/2019)
• 3 Cách Làm Tăng Giảm Khe Hở Vòng Bi Bạc Đạn Phổ Biến Nhất (26/10/2019)
• Cách lựa chọn Gối Đỡ Trục tốt và phù hợp nhất cho động cơ (26/10/2019)
• Mách bạn cách tìm kiếm vòng bi bạc đạn theo thông số nhanh nhất (26/10/2019)
• Các loại tải trọng vòng bi và những điều cần phải biết (26/10/2019)
• Vòng bi, bạc đạn dùng cho thang máy (26/10/2019)

Đối tác chiến lược

prev next