Trục đứng đi qua ổ trục và được bôi trơn: Nguyên lý kỹ thuật, thách thức và giải pháp hiện đại

Hiểu rõ điều gì xảy ra khi “ trục đứng đi qua ổ trục và được bôi trơn ”

Khi một trục thẳng đứng đi qua ổ trục và được bôi trơn, ổ trục phải chịu được cả tải trọng hướng tâm và hướng trục đồng thời cho phép quay trơn tru dưới sự tiếp xúc liên tục với chất lỏng. Không giống như các trục nằm ngang, hệ thống trục thẳng đứng phụ thuộc rất nhiều vào sự hình thành màng chất lỏng và khả năng của chất bôi trơn — thường là nước — duy trì sự ổn định giữa các bề mặt quay và bề mặt tĩnh.

Cấu hình này được sử dụng rộng rãi trong máy bơm, hệ thống ống trục chân vịt tàu thủy, tuabin thủy điện, máy trộn đứng và thiết bị năng lượng ngoài khơi. Nếu quá trình bôi trơn trở nên không ổn định, trục sẽ xảy ra hiện tượng tiếp xúc kim loại với polyme hoặc kim loại với kim loại, dẫn đến mài mòn nhanh, quá nhiệt, rung động, tiếng ồn và cuối cùng là hỏng hóc.

Hiểu rõ cơ chế này là điều cần thiết đối với các kỹ sư muốn tối ưu hóa hiệu năng hoặc giải quyết các vấn đề vận hành.

Vì sao cụm ổ trục đứng lại quan trọng đối với độ tin cậy của hệ thống

Các máy dạng đứng dựa vào các ổ trục có chức năng:

• Hỗ trợ tải trọng kết hợp hướng tâm và hướng trục
• Đảm bảo sự thẳng hàng trên các đoạn trục dài.
• Vận hành trong môi trường ngâm hoặc bán ngâm.
• Chống lại các hạt mài mòn thường có trong nước.
• Tạo ra một lớp màng chất lỏng ổn định ở tốc độ thấp và cao.

Do trọng lực tác động trực tiếp dọc theo trục quay, lực đẩy dọc trục trở thành một vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng. Ngay cả sự lệch trục nhỏ cũng có thể làm tăng lực tiếp xúc hướng tâm lên 2 – 3 lần , đẩy nhanh quá trình mài mòn một cách đáng kể.

Trong các ứng dụng hàng hải và thủy điện , ổ trục có thể hoạt động liên tục 24/7 trong vòng 10 – 25 năm, do đó vật liệu, đặc tính bôi trơn và thiết kế hình học đóng vai trò cực kỳ quan trọng.

Ứng dụng của ổ trục thẳng đứng: Hàng hải, thủy điện, hệ thống bơm và nhiều lĩnh vực khác.

Ổ trục đứng xuất hiện trong các hệ thống như:

• Ống trục chân vịt tàu thủy

Các ổ trục đường kính lớn, ngâm trong nước, yêu cầu dòng chảy nước ổn định.

• Vòng bi dẫn hướng tuabin thủy điện

Trục tuabin thủy điện thẳng đứng có thể nặng hơn 40 tấn, đòi hỏi hiệu suất thủy động lực học tuyệt vời.

• Máy bơm và máy tuần hoàn trục đứng

Máy bơm nước sinh hoạt, máy bơm nước làm mát, máy bơm giếng sâu — nhiều loại hoạt động liên tục trong nước có chứa cát hoặc bùn mài mòn.

• Hệ thống năng lượng ngoài khơi và năng lượng tái tạo

Máy phát điện sóng và thủy triều sử dụng ổ trục nước bằng polymer để đảm bảo tính bền vững.

Mỗi ứng dụng đều đặt ra những thách thức riêng biệt đối với ổ bi về bôi trơn, tải trọng và ô nhiễm.

Những thách thức kỹ thuật chính khi trục đứng hoạt động bên trong ổ trục được bôi trơn

Ngay cả khi có chất bôi trơn, các ổ trục thẳng đứng vẫn đối mặt với nhiều nguy cơ hỏng hóc:

1. Sự hao hụt màng chất lỏng do hoạt động thủy động lực học ở tốc độ thấp

Các giai đoạn khởi động và tắt máy thường tạo ra hiện tượng bôi trơn ranh giới, làm tăng tốc độ mài mòn một cách đáng kể.

2. Tiếp xúc do tải trọng trục gây ra

Lực đẩy quá mức làm nén màng phim, làm tăng ma sát và nhiệt độ.

3. Các vấn đề về chất lượng nước

Các hạt mài mòn (cát, bùn) có thể làm tăng độ mài mòn lên 300 – 500% theo so sánh độ mài mòn cao su theo tiêu chuẩn ASTM D5963.

4. Sai lệch trục

Ngay cả độ lệch chỉ 0,1 – 0,2 mm cũng có thể gây ra sự phân bố áp suất không đồng đều dọc theo lớp lót polymer.

5. Sự bất ổn định của dòng chảy chất bôi trơn

Lưu lượng nước không đủ sẽ cản trở quá trình tản nhiệt và nâng nước bằng thủy động lực học.

Do đó, các máy hoạt động theo phương thẳng đứng phải dựa vào các vật liệu có khả năng chống mài mòn cao, ma sát thấp và khả năng hoạt động trong điều kiện bôi trơn hỗn hợp.

Cơ chế bôi trơn bằng nước: Màng thủy động lực học, điều kiện biên và hành vi khởi động khô

Các ổ trục bôi trơn bằng nước hoạt động theo hai chế độ bôi trơn:

• Bôi trơn thủy động (Trạng thái lý tưởng)

Sự quay tạo ra áp suất hình thành một lớp màng nước ngăn cách trục và ổ trục.

Điều này giúp giảm ma sát xuống còn 0,02 – 0,05, tương tự như các hệ thống bôi trơn bằng dầu.

• Bôi trơn ranh giới (Trạng thái tới hạn)

Xảy ra trong quá trình khởi động, tắt máy và hoạt động ở tốc độ thấp.

Sự tiếp xúc làm tăng ma sát lên 0,15 – 0,25, đòi hỏi vật liệu có khả năng chống mài mòn cao.

Nước dùng làm chất bôi trơn — Ưu điểm

• Không bắt lửa
• An toàn cho môi trường
• Loại bỏ nhiệt tức thì
• Không có nguy cơ ô nhiễm dầu

Thách thức đặt ra: Nước có độ nhớt thấp, điều này có nghĩa là vật liệu phải bù đắp bằng thiết kế cơ học và hình học.

Vì sao vòng bi polymer bôi trơn bằng nước đang trở thành tiêu chuẩn trong ngành?

Các ổ trục polymer hiện đại đã thay thế các ổ trục kim loại trong nhiều hệ thống thẳng đứng vì những lý do sau:

Khả năng chống mài mòn cao: Trong các thử nghiệm ASTM D5963, vật liệu composite polymer cho thấy độ mài mòn thấp hơn từ 3 đến 8 lần so với các hệ thống truyền thống làm từ cao su hoặc kim loại.

Khả năng khởi động khô và bôi trơn ranh giới vượt trội: Các ma trận polymer được thiết kế có khả năng bôi trơn sẵn, giúp giảm ma sát khi khởi động.

Hoạt động không bị ăn mòn, không cần dầu: Không gỉ sét, không phản ứng điện hóa, không nhiễm dầu.

Sự phù hợp về mặt pháp lý: Các quy định của IMO, EPA VGP và các quy định về môi trường biển khuyến khích sử dụng các hệ thống không dùng dầu.

Techemer / INDRON® hòa nhập một cách tự nhiên.

Trong các ứng dụng bôi trơn bằng nước, chất lượng vật liệu quyết định tuổi thọ của ổ trục.

Các vòng bi bôi trơn bằng nước INDRON® của Techemer — bao gồm cả dòng polymer TSTN — được thiết kế đặc biệt cho môi trường trục thẳng đứng:

• Đã được chứng minh có khả năng chống mài mòn cao hơn đáng kể so với các loại bạc đạn cao su thông thường.
• Màng chất lỏng ổn định nhờ hình dạng rãnh được tối ưu hóa.
• Tuổi thọ cao hơn trong môi trường nước có tính ăn mòn (sông, ven biển, khử muối).
• Được sử dụng trong tàu công tác biển, tuabin thủy điện và máy bơm trục đứng.
• Thích hợp để thay thế các bạc đạn kim loại trong ống trục chân vịt và bạc đạn dẫn hướng.

Các sản phẩm này tích hợp liền mạch vào các giải pháp kỹ thuật đã mô tả — mà không cần quảng bá thương hiệu quá mức — mang lại giá trị thực sự cho các kỹ sư đang tìm kiếm sự cải thiện hiệu suất.

Các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ tin cậy khi trục đứng chạy trong ổ trục được bôi trơn

1. Lựa chọn vật liệu ổ trục polymer tiên tiến

Vật liệu composite hiệu suất cao có thể giảm lượng mài mòn từ 40 – 70% trong môi trường nước có tính mài mòn.

2. Tối ưu hóa lưu lượng nước đến ổ trục

Lưu lượng tối thiểu đảm bảo làm mát và bôi trơn ổn định.

Lưu lượng nước yếu là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hư hỏng sớm.

3. Cải thiện độ cứng và độ hoàn thiện bề mặt trục

Khuyến khích:

Độ cứng ≥HRC 40

Độ nhám bề mặt 0,3 –0.5 μm Ra

4. Sử dụng khe hở ổ trục thích hợp

Quá chật: màng phim bị sụp đổ

Quá lỏng: rung trục

Cần tuân thủ các hướng dẫn kỹ thuật về dung sai nhiệt và giãn nở.

5. Kết hợp hình dạng ổ trục có rãnh

Giúp tuần hoàn nước và cải thiện lực nâng thủy động học khi khởi động.

6. Kiểm tra độ thẳng hàng bằng dụng cụ laser

Giảm áp lực không đều và kéo dài tuổi thọ vòng bi một cách đáng kể.

7. Chọn vòng bi bôi trơn bằng nước để tuân thủ các quy định về môi trường.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tàu thuyền hoạt động trong vùng biển được bảo vệ.

Phần kết luận

Khi một trục thẳng đứng đi qua ổ trục và được bôi trơn, việc duy trì chế độ bôi trơn ổn định là rất cần thiết để ngăn ngừa rung động, mài mòn và hư hỏng. Các ổ trục polymer bôi trơn bằng nước hiện đại đã trở thành tiêu chuẩn kỹ thuật cho các ứng dụng hàng hải, bơm và thủy điện nhờ khả năng chống mài mòn cao, lợi ích về môi trường và hiệu suất thủy động lực học đáng tin cậy.

Thông qua việc lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết kế hệ thống bôi trơn và kiểm soát kỹ thuật, hệ thống ổ trục thẳng đứng có thể đạt được tuổi thọ cao hơn, hiệu quả cao hơn và rủi ro vận hành thấp hơn.