Item: Tổng quan về ứng dụng, cấu tạo, nguyên lý và cách xử lý các hư hỏng thường gặp của ổ bạc thuỷ động (Hydrodynamic Bearing)
Rating: 9.5
Author: Bùi Tấn Đạt

Bởi: Bùi Tấn Đạt - Lúc: 00:36

Tổng quan về ứng dụng, cấu tạo, nguyên lý và cách xử lý các hư hỏng thường gặp của ổ bạc thuỷ động (Hydrodynamic Bearing)

A. ỨNG DỤNG CỦA BẠC THỦY ĐỘNG

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 bạc lăn đòi hỏi thời gian ngừng máy lớn hơn (nhiều lần trong năm) cho việc kiểm tra, sửa chữa và thay mới. Loại ổ bạc chặn thủy động lưng bạc có trụ tự lựa 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 bị phá hủy. Khi phân tích các nguyên nhân hư hỏng, tập trung vào vấn đề dung sai và được khắc phục theo yều cầu để đưa máy vào hoạt động. Sau khi sửa chữa đĩa chặn hợp lý và lắp đặt bạc, máy đã chạy liên tục ở điều kiện tốt. Như là sự đền đáp xứng đáng cho người thiết kế ra nó, một ổ bạc 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.

Ổ BẠC ĐỠ (JOURNAL BEARING)

Ổ bạc đỡ thủy động dạng trụ là loại ổ bạc thủy động cơ bản nhất. Nó có bề mặt lỗ trong hình trụ với các rãnh bôi trơn theo phương dọc trục. Loại bạc này cho khả năng chịu tải cao, thiết kế dạng kết khối đơn giản, 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 bạc này có những hạn chế đó là hiện tượng dầu xoáy cuộn. Dầu xoáy cuộn (oil whirl) là không mong muốn vì biên độ rung động, lực và chu kỳ ứng suất cao khi tác động lên trục, lên bạc và máy.
Với nỗ lực ngăn chặn và loại bỏ dầu xoáy đã có những kết quả nghiên cứu bước đầu với nhiều loại bạc với kiểu thiết kế hình học khác nhau, bằng cách sửa đổi các hình dạng của lỗ trong của bạc. Lỗ trong của bạc với nhiều hình dạng khác nhau: kiểu trái chanh lemon, kiểu “đập áp lực” pressure dam, dạng thùy lobed và rất nhiều dạng bạc khác. Khái niệm bạc có trụ xoay tự lựa (pivoted shoe) được áp dụng lần đầu tiên cho loại bạc đỡ (journal bearing) cách đây 65 năm. Các thử nghiệm và ứng dụng mở rộng đã chứng minh loại bạc đỡ có trụ xoay tự lựa hiệu quả nhất trong việc loại bỏ hiện tượng dầu xoáy cuộn.

NHỮNG ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU

Lịch sử phát triển đã chứng minh loại bạc thủy động có trụ xoay tự lựa mang lại lợi ích lớn. Bạc càng nhỏ hơn, rẻ hơn, yêu cầu bảo trì ít, tuổi thọ kéo dài hơn và hiệu quả hơn. Màng dầu cũng tạo ra nhiều lợi ích trong khả năng hấp thụ 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

B. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BẠC THỦY ĐỘNG

Bạc truyền tải động của trục lên bệ và nền móng máy. Bạc thủy động lực học truyền (nổi) tải trên màng chất bôi trơn có khả năng tự hình thành mới. Bạc chặn chịu các tải di dọc trục. Tải hướng kính được đỡ bởi bạc đỡ (journal bearing). Máy và bạc có thể phân ra làm hai loại phương ngang hay phương đứng còn phụ thuộc vào phương chiều của trục. Bạc đỡ có thể dạng khối trụ kín lắp lồng vào từ đầu trục hoặc chia hai nửa lắp vòng quanh trục.

NGUYÊN LÝ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC

BẠC ĐỠ (JOURNAL BEARING)
Dựa trên lý thuyết nghiên cứu của kiểu bạc đỡ dạng hình trụ, giáo sư Osborne Reynolds đã chỉ ra rằng: sự bám của dầu bôi trơn vào ngõng trục và khả năng cản trở của nó đối với dòng chảy của dầu (độ nhớt), được kéo theo của sự quay của ngõng trục, nhờ vậy tạo ra màng dầu dạng nêm giữa ngõng trục và bạc đỡ (hình 1). Điều này hình thành áp suất trong màng dầu, nhờ đó mà nó chịu được tải (hình 2).

Hình 1: Nguyên lý thuỷ động lực học

Reynolds đã cho thấy nêm dầu là đặc điểm quan trọng tuyệt đối đến hiệu quả bôi trơn cho bạc đỡ. Reynolds cũng cho thấy rằng: “nếu một mặt phẳng rộng tiếp xúc với một bề mặt hơi nghiêng trong môi trường dầu, khi đó sẽ hình thành sự phân bố áp suất với áp suất cực đại tại tâm trong chiều chuyển động”.

Hình 2: Hình vẽ minh hoạ của Reynold về sự phân bố của áp suất màng dầu bôi trơn

BẠC CHỐT XOAY TỰ LỰA

Để mô tả nguyên lý của bạc ổ chặn có chốt tự lựa (hình 3) Albert Kingsbury đã phát biểu: “Nếu một miếng bạc được đỡ phía dưới bởi một chốt xoay, ở ngay vị trí điểm tâm lý thuyết của áp suất dầu, áp suất dầu này hình thành tự nhiên, kết quả là tạo ra ma sát trên bạc nhỏ nên không tạo ra sự ăn mòn của chi tiết kim loại. Với nguyên lý này thì một ổ chặn có thể có nhiều miếng bạc được bố trí vòng tròn và được bôi trơn hợp lý”. Cùng với khái niệm đó, người ta chế ra bạc đỡ có chốt tự lựa.

Cũng giống như loại bạc đỡ thông thường, bạc có chốt tự lựa của ổ đỡ chặn cũng tạo ra sự bám dính màng dầu, cung cấp màng dầu với khả năng tự cung cấp mới.

Hình 3. Mô tả của Albert Kingsbury

Hình 4. Cấu tạo Journal bearing và thrustbearing

Hình 5. Sự hình thành màng dầu thuỷ động học của bạc có chốt xoay tự lựa

Hình 6. Đặc tính tự cân bằng tải và tự lựa

C. XỬ LÝ CÁC HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP CỦA Ổ BẠC THỦY ĐỘNG

Phần này sẽ trình bày tổng quát về cấu tạo và cách xử lý các hư hỏng thường gặp của ổ bạc thuỷ động. Dựa trên sự hiểu biết về sự hoạt động và những ảnh hưởng tiềm tàng của các thông số liên quan giúp cho việc xử lý các hư hỏng. Các chi tiết cần chú ý là ngõng trục, đĩa chặn, bề mặt bạc babít, tất cả các điểm tiếp xúc bên trong cụm ổ bạc và dầu bôi trơn. Ngoài ra cần quan tâm các thông số vận hành riêng của máy và dữ liệu hoạt động.

Cách xử lý được sử dụng cho tất cả các loại ổ bạc bôi trơn bởi màng dầu, tuy nhiên sự thảo luận tập trung vào ổ bạc chặn cân bằng. Ổ bạc này chứa các chi tiết động nhiều nhất và được sử dụng rộng rãi. Các chú ý đề cập dưới đây cũng áp dụng chung với các loại bạc bôi trơn bởi màng dầu (như ổ bạc chặn không cân bằng, ổ bạc đỡ chốt xoay tự lựa, …).
Khi đánh giá về các hư hỏng của ổ bạc, việc kiểm tra chủ yếu vào bề mặt babít. Nguồn thông tin thứ 2 giúp chẩn đoán, đã được chứng minh là rất có giá trị, khi mà bề mặt babít bị phá huỷ hoàn toàn trong các sự cố phá huỷ lớn ổ bạc.
Trong phần này sẽ nêu các trường hợp, kiểu hư hỏng đặc biệt hữu ích trong việc chẩn đoán các hư hỏng trước khi dẫn đến xảy ra hư hỏng phá huỷ, lúc đó bạc không còn được đỡ bởi màng dầu. Nhờ cách sử dụng hợp lý thiết bị theo dõi rung động, nhiệt độ, phân tích mẫu dầu, đánh giá hệ thống bôi trơn và tham khảo sự hoạt động của máy. Các hư hỏng của ổ bạc có thể được xác định và đánh giá trước khi có xảy ra hư hỏng phá huỷ lớn.
Tình trạng ổ bạc thường được theo dõi qua thiết bị đo nhiệt độ. Phải đảm bảo các cảm biến nhiệt độ được gắn đúng vị trí với khả năng đáp ứng với sự thay đổi của nhiệt độ. Vị trí lắp và loại cảm biến phải được xác định đúng để giá trị nhiệt độ đo được là giá trị thực tế.

THẢO LUẬN CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG

Để bắt đầu cho một sự đánh giá, cụm ổ bạc nên được tháo hoàn toàn. Không được vệ sinh ổ bạc để tránh làm mất đi các thông tin có giá trị cho việc chẩn đoán.

KHUNG VỎ Ổ BẠC (BASE RING)

Kiểm tra khung vỏ ổ bạc. Trong thời gian vận hành thường lệ, những tấm cân bằng phẳng phía dưới có thể hình thành những vết lõm vào khung vỏ ổ bạc, trên mọi cạnh của các chốt mà định vị nó. Những vết lõm này phải đồng nhất và đáng chú ý. Những vết lõm sâu, rộng là cho thấy của sự cao tải. Sự mất đi lúc lắc đáy của các tấm cân bằng phẳng phía dưới tiếp xúc với khung vỏ ổ bạc, và tình trạng này của nó cho thấy là trường hợp khác của sự chịu cao tải.
Tính sạch sẽ của bạc và dầu cũng được xác định, khi có hiện tượng đóng cặn trong khung vỏ ổ bạc. Bằng chứng của hiện tượng dầu nhiễm nước, đặc biệt trong những máy thẳng đứng, có thể không thấy trừ phi khung vỏ ổ bạc được kiểm tra.

TẤM CÂN BẰNG PHẲNG (LEVELING PLATES)

Đế xoay hình cầu phía sau của mỗi miếng bạc chặn đặt trên ở phần trung tâm tấm cân bằng trên. Phần phẳng này dễ bị ảnh hưởng tạo các vết lõm vào vì sự tiếp xúc điểm
của đế xoay hình cầu. Vết lõm dễ dàng được xác định bởi một diện tích tiếp xúc sáng. Vùng này chỉ ra nơi miếng bạc làm việc trên các tấm cân bằng phẳng phía trên, và chiều sâu lõm của nó cho thấy sự tác động của tải.
Giống với kiểm tra tấm cân bằng phẳng phía trên trên gần vùng tiếp xúc có thể cũng có được bằng chứng của lỗ rỗ do điện tích.
Như ghi chú trước đó trong PHẦN 1, tấm cân bằng phẳng phía trên tương tác với tấm cân phẳng dưới trên các vành “cánh”. Tấm cân bằng phẳng phía trên thường tôi cứng còn tấm cân phẳng dưới thì không .
Khi còn mới, những tấm cân bằng phẳng có sự tiếp xúc đường. Có ma sát nhỏ giữa những cánh, và bạc có thể đáp ứng lại nhanh với những sự thay đổi tải. Phụ thuộc vào tính chất và sự độ lớn của tải di dọc trục, diện tích tiếp xúc của cánh sẽ tăng theo thời gian. Vùng tiếp xúc (của) những cánh, lần nữa tạo những vùng sáng, và thông thường sẽ xuất hiện vùng sáng lớn hơn trên những tấm cân bằng dưới. Nếu Sự quay của đĩa chặn là không thẳng góc với đường tâm trục, những tấm cân bằng phẳng sẽ liên tục làm mất cân bằng, gây ra sự mài mòn nhanh.

LƯNG BẠC (SHOE SUPPORT)

Lưng bạc là núm (trụ xoay) hình cầu được tôi cứng ở mặt phía sau của mỗi miếng bạc chặn. Dựa trên độ lớn và tính chất của tải di dọc trục, mặt cầu sẽ phẳng ở đâu nó có sự tiếp xúc với tấm cân bằng trên. vùng tiếp xúc sẽ xuất hiện một đốm sáng trên núm cầu. Nếu bằng chứng của sự tiếp xúc tồn tại (một đốm tiếp xúc lớn), đặt miếng bạc (trụ xoay quay xuống) trên một mặt phẳng. Nếu miếng bạc không đu đưa tự do theo mọi phương hướng thì cần phải được thay thế. Trụ xoay có thể cũng xuất hiện vùng tiếp xúc ngẫu nhiên, cho thấy sự làm việc quá mức, hoặc nó có thể bị biến màu, chỉ ra sự thiếu dầu bôi trơn.

THÂN BẠC (SHOE BODY)

Thân bạc cần phải định kỳ được kiểm tra cho thay thế phần kim loại. Xác định chu kỳ xảy ra khi bạc tiếp xúc với khung vỏ bạc. Thay thế phần kim loại có bề mặt bị thô nhám do bị ăn mòn; có vết sáng hay đốm sáng có thể cho biết sự tiếp xúc không mong muốn. Phụ thuộc vào hình dạng của những vết, lỗ rỗ cục bộ, có thể cho biết sự ăn mòn hay sự xuất hiện dòng điện không mong muốn qua trục.

BỀ MẶT BẠC (SHOE SURFACE)

Khi đánh giá bề mặt bạc, bước đầu tiên là phải xác định chiều quay. Điều này có thể giúp cho việc đánh giá:
• Bề mặt xước do mài mòn.
• Sự biến đổi màu sắc.
• Sự chảy babít.
• Lớp tráng phủ babít (“bồi đắp” thêm trong quá trình làm việc)
• Sự tiếp xúc giữa bạc và khung vỏ.

Bình thường

Tình trạng bạc sẽ thể hiện qua độ nhẵn bề mặt, đó là không có chỗ lõm ba-bit hợp kim hay bồi đắp thêm. Bề mặt màu xám đục của một tấm bạc mới sẽ duy trì không đổi sau nhiều giờ của vận hành hay nó có thể xuất hiện những đốm sáng hay toàn bộ bề mặt nó. Quá trình làm việc của bạc với chu kỳ thay đổi nhiệt thể gây ra sự hiện ra của một ” vết nổ hình sao ” “starburst” nhẹ hay các chấm lốm đốm trên bề mặt ba-bit hợp kim. Điều này là vô hại, nó tránh tạo vết rạn nứt và tạo bề mặt phẳng.

Sự Mài Mòn

Bề mặt bạc cho thấy những vết xây xát là kết quả của sự mài mòn ( Hình bên dưới). Sự mài mòn gây ra bởi các hạt bẩn cứng (như mạt sắt), mà kích cỡ lớn hơn so với bề dày màng dầu, di chuyển xuyên qua màng dầu. Hạt bẩn có thể bị ghim vào trong lớp ba-bit hợp kim mềm, thể hiện trên một cung ngắn bề mặt bạc và kết thúc tại điểm mà hạt bẩn ghim vào. Phụ thuộc vào kích thước hạt bẩn mà vết xây xát có thể tiếp tục xuyên ngang qua cả bề mặt bạc.
Hư hỏng do mài mòn trở nên xấu hơn qua thời gian tiến triển. Những vết xây xát này gây ra mất mát dầu bôi trơn của nêm dầu, làm giảm bề dày màng dầu. Điều này dần dần dẫn tới làm phá huỷ bề mặt bạc nhanh chóng..
Một nguyên nhân khác dẫn tới bề mặt bạc bị mài mòn là do bề ngõng trục, đĩa chặn quá thô nhám. Sự thô nhám này có thể có từ lần hư hỏng do mài mòn trước đó. Nó cũng có thể do gỉ sét hình thành sau một thời gian ngừng máy lâu dài. Cần kiểm tra bề mặt trục trước khi thay bạc mới.
Vết xước ngẫu nhiên có thể tạo các đường đan chéo hình tròn hoặc hướng kính rất giống với trường hợp bạc không mang tải hay không mang tải từng phần. Trong một ổ chặn, nó có thể cho thấy khe hở quá lớn. Những vết xây xát ngẫu nhiên có thể cũng cho thấy nguyên nhân từ sự sai sót trong thao tác tháo lắp.

Hình 7: bề mặt bạc bị mài mòn

Để loại trừ sự hư hỏng do mài mòn, dầu bôi trơn phải được lọc. Nếu dầu không thể
được lọc hay bị giảm chất lượng, nó cần phải thay thế. Quan trọng là phải đánh giá được sự làm việc hệ thống lọc, từ vấn đề kích cỡ lưới lọc không đúng. Bộ lọc chỉ cho các hạt bẩn có kích cỡ nhỏ hơn bề dày tối thiểu của màng dầu đi qua.
Ngoài sự lọc và thay thế dầu, toàn bộ cụm bạc đỡ, bồn dầu và đường ống phải được thổi rửa và làm sạch. Bề mặt bạc phải được phục hồi như ban đầu. Bạc đỡ thường phải được thay thế, nhưng nếu có thể sửa chữa tấm cân bằng phẳng sao cho khe hở bạc nằm khoảng thiết kế, thì bạc có thể sử dụng lại.
Mặc dù bề mặt babbit thông thường bị hư hại lớn hơn, nhưng bề mặt đĩa chặn và ngõng trục cũng phải được kiểm tra. Các hạt bẩn, mạt sắt khi ghim vào bề mặt ba-bit hợp có thể tạo ra các rãnh khía, những bề mặt này phải được phục hồi bằng việc phủ hay mài lại.

Sự Mất màu

– Phá huỷ do sự hình thành Ôxit Thiếc

Đây là một trong số vài phản ứng điện hóa mà làm mất đi tính chất “khả năng ghim” hạt bẩn của bạc. Phá huỷ do ôxit Thiếc có thể nhận ra là lớp màng hình thành trên bề mặt ba-bit hợp kim trở nên cứng, có màu nâu tối hay đen (hình 8). Ôxit thiếc hình thành khi có mặt thành phần kim loại thiếc trong hợp kim babit, dầu và nước muối, sự hình thành oxít thiếc bắt đầu trong những vùng của có áp suất và nhiệt độ cao. Một khi nó được hình thành, thì nó không thể được hoà tan, và độ cứng của nó sẽ ngăn ngừa những hạt mạt bẩn cứng ghim vào trong lớp lót ba-bit hợp kim.
Phá huỷ này có thể ngăn chặn bằng việc loại bỏ một vài hay tất cả các thành phần hình thành oxít thiếc. Dầu bôi trơn phải được thay mới. Một sự giảm nhiệt độ dầu có thể cũng ngăn chặn được khả năng sự hình thành của oxít thiếc.
Ngoài việc thay thế dầu, toàn bộ cụm bạc, bồn chứa dầu và đường ống cần phải thổi rửa và làm sạch bằng aceton. Những miếng bạc cần phải được thay thế. Tình trạng của ngõng trục, đĩa chặn hay những bề mặt động phải được đánh giá. Chúng cũng phải phục hồi về tình trạng ban đầu, hoặc mài lại hoặc thay thế.

Hình 8. Bạc bị oxi hoá lớp kim loại thiếc

Quá nhiệt

Hư hỏng do quá nhiệt có thể thể hiện ở nhiều dạng như sự mất màu ba-bit hợp kim, rạn nứt, chảy hay biến dạng. Lặp lại những chu trình (của) sự quá nhiệt có thể tạo ra tróc rỗ bề mặt, một kiểu của sự biến dạng bề mặt ở vật liệu không đẳng hướng (hình 9). Những vật liệu loại này có hệ số độ giãn nhiệt khác nhau trong mỗi trục tinh thể. Vết cháy đen bám ở mặt bạc, vi trí có nhiệt độ cao nhất.
Sự quá nhiệt có thể gây ra bởi nhiều nguồn, nhiều nguyên nhân liên quan đến số lượng và chất lượng của chất bôi trơn. Trong số đó có những nguyên nhân chính có khả năng xảy ra:
• Chọn lọc chất bôi trơn không thích hợp
• Cung cấp dầu bôi trơn tới gối đỡ không đủ
• Gián đoạn trong quá trình tạo màng dầu
• Sự bôi trơn giới hạn
Những điều kiện sau đây có thể cũng là nguyên nhân gây quá nhiệt là:
• Chọn lựa bạc không đúng
• Bề đĩa chặn và ngõng trục không tốt
• Khe hở giữa bạc và trục nhỏ
• Quá tải
• Quá tốc
• Môi trường làm việc xung quanh khắc nghiệt