Nếu bạn muốn một câu trả lời trực tiếp: bôi trơn không đầy đủ hoặc không đúng cách là nguyên nhân hàng đầu gây ra hư hỏng vòng bi, chịu trách nhiệm cho khoảng 36% đến 54% tất cả các hư hỏng vòng bi sớm. , tùy thuộc vào ngành công nghiệp và ứng dụng. Một số nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà sản xuất vòng bi lớn - bao gồm SKF và NSK - thậm chí còn đưa ra con số cao hơn khi bạn tính đến các trường hợp nhiễm bẩn có nguồn gốc từ lỗi quản lý bôi trơn.
Vòng bi là thành phần được thiết kế chính xác. Các bộ phận lăn, mương và lồng hoạt động dưới áp lực rất lớn, thường ở tốc độ và nhiệt độ cao. Nếu không có màng bôi trơn chính xác ngăn cách các bề mặt kim loại, sẽ xảy ra tiếp xúc trực tiếp, dẫn đến mài mòn nhanh, sinh nhiệt, mỏi bề mặt và cuối cùng là hỏng hóc nghiêm trọng. Nguyên lý vật lý rất đơn giản: kim loại trên kim loại ở tốc độ cao tạo ra nhiệt, nhiệt làm phân hủy vật liệu và vật liệu bị phân hủy không thành công.
Điều đó nói lên rằng, hư hỏng vòng bi hiếm khi do một yếu tố riêng lẻ gây ra. Các vấn đề về bôi trơn thường gây ra hoặc đẩy nhanh các chế độ hỏng hóc khác. Hiểu đầy đủ các nguyên nhân — và cách chúng tương tác — là điều cần thiết đối với bất kỳ ai quản lý thiết bị quay, cho dù trong nhà máy sản xuất, tua bin gió, hệ thống truyền động ô tô hay dây chuyền chế biến thực phẩm.
Lỗi bôi trơn không chỉ đơn giản là vấn đề hết dầu mỡ. Nó bao gồm một loạt các điều kiện ngăn cản chất bôi trơn thực hiện công việc của nó. Mỗi điều kiện này tạo ra các kiểu hư hỏng riêng biệt trên bề mặt ổ trục.
Khi ổ trục không nhận đủ chất bôi trơn, màng elastohydrodynamic ngăn cách các phần tử lăn khỏi mương sẽ trở nên quá mỏng để ngăn chặn sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại. Điều này dẫn đến hiện tượng mài mòn chất kết dính, bôi nhọ và tăng nhiệt cục bộ. Trong động cơ điện chạy ở tốc độ 1.500 vòng/phút trở lên, bề mặt kim loại có thể đạt đến nhiệt độ phá hủy trong vòng vài phút sau khi thiếu chất bôi trơn.
Sử dụng chất bôi trơn có cấp độ nhớt không phù hợp với tốc độ và nhiệt độ ứng dụng là một trong những lỗi bảo trì phổ biến nhất. Chất bôi trơn quá mỏng không thể duy trì đủ lớp màng dưới tải; một cái quá dày sẽ tạo ra nhiệt quá mức thông qua việc khuấy và kéo. Ví dụ, đối với vòng bi trục chính tốc độ cao, việc sử dụng mỡ NLGI 2 tiêu chuẩn thay vì dầu có độ nhớt thấp hoặc mỡ NLGI 1 sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ vận hành và rút ngắn tuổi thọ vòng bi.
Ngược lại, quá nhiều chất bôi trơn cũng là một vấn đề nghiêm trọng. Vòng bi được bôi trơn quá mức sẽ chịu nhiệt độ bên trong tăng cao do bị khuấy trộn, làm phân hủy dầu gốc mỡ và chất làm đặc, dẫn đến rò rỉ và cứng lại. Bôi mỡ quá mức gây ra một phần đáng kể các hư hỏng vòng bi trong động cơ điện , nơi mà các kỹ thuật viên thường bôi mỡ mà không tẩy sạch vật liệu cũ, khiến vấn đề trở nên trầm trọng hơn theo thời gian.
Mỡ và dầu có tuổi thọ hữu hạn. Chu kỳ nhiệt, oxy hóa, xâm nhập của nước và cắt cơ học đều làm giảm hiệu suất bôi trơn theo thời gian. Một loại mỡ được kiểm tra hoàn hảo khi vận hành thử có thể đã mất phần lớn khả năng bảo vệ sau 4.000 đến 8.000 giờ sử dụng, tùy thuộc vào điều kiện vận hành. Nhiều khoảng thời gian bảo trì được thiết lập dựa trên thời gian theo lịch thay vì tình trạng thực tế, dẫn đến vòng bi chạy bằng chất bôi trơn đã qua sử dụng đã hết tuổi thọ hiệu quả của nó.
Các nguồn khác nhau phân loại nguyên nhân hư hỏng vòng bi theo những cách hơi khác nhau, nhưng các yếu tố góp phần chính đều nhất quán trong các nghiên cứu trong ngành. Bảng dưới đây phản ánh dữ liệu được tổng hợp từ nghiên cứu được công bố bởi các nhà sản xuất vòng bi và tổ chức kỹ thuật đáng tin cậy.
| Nguyên nhân thất bại | Đóng góp ước tính | Chế độ sát thương chính |
|---|---|---|
| Liên quan đến bôi trơn (tất cả các loại) | 36% – 54% | Mặc, bôi nhọ, quá nóng |
| Ô nhiễm | 14% – 16% | Mài mòn, rỗ, ngâm nước giả |
| Lắp đặt/lắp đặt không đúng cách | 16% – 21% | Quá tải, gãy xương lệch |
| Mệt mỏi (bình thường ở giai đoạn cuối đời) | 10% – 17% | Sự nứt vỡ, nứt dưới bề mặt |
| Khác/linh tinh | 5% – 10% | Xói mòn điện, ăn mòn, quá tải |
Những con số này thay đổi theo từng lĩnh vực. Trong các nhà máy thép và khai thác mỏ, ô nhiễm đóng vai trò lớn hơn do tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt. Trong chế biến dược phẩm và thực phẩm, sự xâm nhập của nước và quá trình làm sạch mạnh mẽ là nổi bật hơn. Trong tuabin gió, dòng điện đi qua vòng bi - một dạng hư hỏng đặc trưng của bộ truyền động có tốc độ thay đổi - ngày càng trở nên quan trọng. Việc hiểu các trình điều khiển lỗi cụ thể cho ứng dụng của bạn quan trọng hơn việc tuân theo hướng dẫn trung bình của ngành một cách mù quáng.
Ô nhiễm là sự hiện diện của bất kỳ vật liệu lạ nào - các hạt rắn, nước, hóa chất xử lý - bên trong ổ trục. Ngay cả những hạt không nhìn thấy được bằng mắt thường cũng có thể gây ra thiệt hại đáng kể. Một hạt thép có kích thước chỉ 10 micron (nhỏ hơn sợi tóc người ở mức ~70 micron) là đủ lớn để tạo ra lực tăng ứng suất trên bề mặt mương khi lăn qua một quả bóng chịu lực hoặc con lăn.
Bụi bẩn, mảnh vụn kim loại và các hạt gia công xâm nhập vào vỏ ổ trục gây ra mài mòn và rỗ bề mặt. Trong hệ thống thủy lực, việc duy trì độ sạch của dầu theo Mã ISO 4406 16/14/11 hoặc tốt hơn có thể kéo dài tuổi thọ ổ trục và bộ phận lên nhiều lần so với việc chạy ở Mã 20/18/15. Sự khác biệt giữa hệ thống bôi trơn sạch và hệ thống bôi trơn bị ô nhiễm thường là sự khác biệt giữa tuổi thọ vòng bi 20.000 giờ và tuổi thọ 5.000 giờ.
Nước có sức tàn phá đặc biệt. Theo nghiên cứu được công bố trên tài liệu về ma sát, chỉ cần hàm lượng nước 0,1% trong chất bôi trơn ổ trục có thể làm giảm tuổi thọ mỏi của ổ trục tới 48%. Nước gây ra hiện tượng giòn do hydro của thép chịu lực, thúc đẩy sự ăn mòn trên các rãnh lăn và các bộ phận lăn, đồng thời làm suy giảm khả năng tạo màng của chất bôi trơn. Sự ngưng tụ trong quá trình luân nhiệt - thiết bị nóng lên trong quá trình vận hành và nguội đi qua đêm - là con đường thường xuyên cho hơi ẩm xâm nhập vào vòng bi kín.
Trong các nhà máy chế biến thực phẩm và hóa chất, các chất tẩy rửa mạnh và chất lỏng xử lý có thể xuyên qua các vòng đệm và tấn công trực tiếp vào thép chịu lực. Ngay cả các axit nhẹ hoặc các hợp chất kiềm cũng làm thay đổi tính chất hóa học bề mặt của mương, tạo ra các vết rỗ vi mô dẫn đến nứt vỡ. Việc lựa chọn vòng bi có thiết kế phớt phù hợp và chất bôi trơn tương thích về mặt hóa học là rất quan trọng trong những môi trường này.
Lỗi lắp đặt chiếm một tỷ lệ đáng kể trong các trường hợp hỏng vòng bi sớm - ước tính tỷ lệ này nằm trong khoảng từ 16% đến 21% trong tất cả các trường hợp. Điều khiến điều này đặc biệt khó chịu là hư hỏng lắp đặt xảy ra trước khi ổ trục quay được một vòng trong quá trình sử dụng. Vòng bi được lắp đặt đúng cách với chất bôi trơn phù hợp, chạy trong hệ thống được căn chỉnh tốt, sẽ đạt hoặc vượt quá tuổi thọ L10 định mức của nó. Ổ trục được dẫn động bằng búa lên trục sẽ không hoạt động.
Một trong những lỗi lắp đặt phổ biến nhất là tác dụng lực ép vừa vặn vào vòng bi không đúng. Khi ấn ổ bi rãnh sâu vào trục, lực chỉ được tác dụng lên vòng trong - vòng được lắp ép. Lực truyền qua các quả bóng và vòng ngoài gây ra vết lõm: vết lõm vĩnh viễn trên các rãnh ở mỗi vị trí quả bóng. Ổ trục có thể trông không bị hư hại bên ngoài, nhưng bề mặt rãnh lăn của nó đã được đánh dấu và nó sẽ tạo ra tiếng ồn và hỏng sớm ngay từ vòng quay đầu tiên.
Vòng bi được thiết kế để lắp với các khớp nối đặc biệt trên trục và trong vỏ. Trục có kích thước nhỏ hơn cho phép vòng trong của ổ trục trượt hoặc quay - vòng quay tương đối với trục, tạo ra nhiệt ma sát mạnh và cuối cùng bị hàn hoặc kẹt. Lỗ của vỏ quá chật có thể làm biến dạng vòng ngoài, làm giảm độ hở bên trong và khiến ổ trục chạy nóng và chịu tải trước ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Độ lệch góc giữa đường tâm trục và lỗ ổ trục - thậm chí vượt quá vài phần mười độ so với dung sai độ lệch thiết kế của ổ trục - tạo ra sự phân bố tải trọng không đồng đều trên các con lăn. Vòng bi lăn hình trụ và côn đặc biệt nhạy cảm với độ lệch. Việc vận hành ổ lăn hình trụ với độ lệch chỉ 0,05° vượt quá khả năng chịu đựng của nó có thể làm giảm tuổi thọ sử dụng tính toán của nó từ 50% trở lên.
Mệt mỏi tiếp xúc lăn là dạng hư hỏng ổ trục duy nhất không phải do lỗi bảo trì hoặc thiết kế gây ra - đó là cơ chế hết tuổi thọ dự kiến đối với ổ trục đã được lắp đặt đúng cách, bôi trơn đúng cách và vận hành trong các thông số tốc độ và tải trọng định mức của nó. Thước đo tiêu chuẩn về tuổi thọ ổ trục - tuổi thọ L10 - được định nghĩa là số vòng quay (hoặc số giờ hoạt động ở một tốc độ nhất định) mà 90% nhóm vòng bi giống hệt nhau sẽ hoàn thành trước khi phát triển hiện tượng nứt mỏi.
Thiệt hại do mỏi bắt đầu khi các vết nứt dưới bề mặt bắt đầu do ứng suất cắt theo chu kỳ bên dưới vùng tiếp xúc. Trải qua hàng triệu chu kỳ ứng suất, những vết nứt này lan truyền lên bề mặt và cuối cùng khiến vật liệu vỡ ra - một quá trình gọi là nứt vỡ. Các mương bị nứt có bề ngoài thô ráp, bong tróc đặc trưng với các cạnh được xác định rõ ràng. Một ổ trục được bảo trì đúng cách đạt đến độ mỏi do nứt vỡ thực sự là một thành công trong việc bảo trì - nghĩa là ổ trục đã đạt được tuổi thọ thiết kế thay vì bị hỏng sớm do những nguyên nhân có thể tránh được.
Trong thực tế, tỷ lệ vòng bi đạt được tuổi thọ mỏi thực sự là tương đối nhỏ. Hầu hết đều được thay thế do tiếng ồn, độ rung, nhiệt độ tăng hoặc khoảng thời gian bảo trì theo kế hoạch trước khi bắt đầu bị nứt. Khi hư hỏng do mỏi xảy ra sớm - trước tuổi thọ L10 được tính toán - đó thường là dấu hiệu của tình trạng quá tải, lỗi vật liệu hoặc ảnh hưởng tích lũy của các điều kiện bôi trơn biên theo thời gian.
Xói mòn điện - còn được gọi là hư hỏng do điện giật hoặc gia công phóng điện (EDM) - đã phát triển đáng kể như một nguyên nhân gây hư hỏng với việc áp dụng rộng rãi các bộ truyền động tần số thay đổi (VFD) trong động cơ điện. VFD đưa ra các xung điện áp tần số cao có thể tạo ra dòng điện trên trục. Khi những dòng điện này phóng qua ổ trục, chúng tạo ra các miệng hố hồ quang cực nhỏ trên bề mặt mương và con lăn.
Kiểu hư hỏng rất đặc biệt: các đường đua phát triển vẻ ngoài mờ hoặc có rãnh, với các nếp gấp đều đặn chạy theo chu vi xung quanh vòng. Kiểu rãnh này là một chỉ báo chẩn đoán đáng tin cậy về xói mòn điện. Trong các động cơ được dẫn động bởi biến tần không có ổ trục được nối đất hoặc cách điện thích hợp, hiện tượng ăn mòn điện có thể phá hủy ổ trục chỉ trong vòng 3 đến 6 tháng. , ngay cả khi việc bôi trơn và lắp đặt hoàn hảo.
Các giải pháp bao gồm vòng nối đất trục, vỏ ổ trục cách điện hoặc vòng trong hoặc ổ trục lai bằng gốm với các bộ phận lăn silicon nitrit không dẫn điện. Việc lựa chọn biện pháp đối phó thích hợp phụ thuộc vào kích thước động cơ, cấu hình VFD và cách bố trí nối đất hệ thống.
Vòng bi bị hỏng mang theo bằng chứng chẩn đoán trên bề mặt của chúng nếu được kiểm tra cẩn thận trước khi loại bỏ. Phân tích hư hỏng vòng bi - đôi khi được gọi là phân tích vết nứt khi kiểm tra bề mặt vết nứt kim loại - là một quá trình có cấu trúc phù hợp với các mô hình hư hỏng quan sát được với các dạng hư hỏng đã biết. Hầu hết các nhà sản xuất vòng bi đều cung cấp hướng dẫn phân tích lỗi và dịch vụ phòng thí nghiệm cho mục đích này.
Giữ lại các vòng bi bị hỏng trong túi nhựa kín ngay sau khi tháo ra — trước khi vệ sinh — duy trì tình trạng bôi trơn và bằng chứng mảnh vụn có thể bị mất nếu vòng bi bị lau hoặc rửa sạch. Việc chụp ảnh vị trí ổ trục được lắp đặt, dấu trục và tình trạng lỗ khoan của ổ trục trước khi tháo sẽ bổ sung bối cảnh có giá trị cho việc phân tích.
Do phần lớn các hư hỏng vòng bi đều có thể phòng ngừa được nên phương pháp phòng ngừa có cấu trúc nhắm vào các dạng hư hỏng phổ biến nhất theo trình tự khả năng thống kê của chúng.
Chọn chất bôi trơn dựa trên loại ổ trục, hệ số tốc độ (n × dm), phạm vi nhiệt độ vận hành và mức độ tiếp xúc với môi trường — không dựa trên những gì đã có trong kho. Ghi lại loại, số lượng và khoảng thời gian bôi trơn lại chính xác cho mọi điểm bôi trơn trong nhà máy. Sử dụng súng bơm mỡ đã được hiệu chỉnh thay vì phân phối bằng cảm giác; súng bắn mỡ tiêu chuẩn cung cấp khoảng 1,3 gram mỗi hành trình, đây là cơ sở hữu ích để tính toán khối lượng. Triển khai các khoảng thời gian bôi trơn lại dựa trên tình trạng nếu có thể bằng cách sử dụng giám sát siêu âm hoặc lấy mẫu dầu mỡ để phát hiện sự xuống cấp trước khi xảy ra hư hỏng.
Loại bỏ việc lắp đặt búa trên vòng bi trên trục. Sử dụng các công cụ lắp thích hợp: bộ gia nhiệt cảm ứng cho các vòng trong vừa khít với nhiễu (làm nóng đến 80°C–100°C thường là đủ và không ảnh hưởng đến luyện kim thép ổ trục), máy ép thủy lực có bộ chuyển đổi chỉ tác dụng lực lên vòng được lắp và các dụng cụ lắp cơ khí dành cho vòng bi cỡ trung bình. Xác minh kích thước trục và vỏ bằng micromet đã hiệu chuẩn trước khi lắp đặt - bước đo 10 phút giúp ngăn chặn việc điều tra lỗi sớm trong nhiều tháng.
Bảo quản vòng bi thay thế trong bao bì gốc ở khu vực khô ráo, sạch sẽ, tránh nhiệt độ quá cao. Không bao giờ mở các gói vòng bi cho đến thời điểm lắp đặt. Giữ kín hộp đựng chất bôi trơn và lọc khi phân phối. Kiểm tra và thay thế các vòng đệm vỏ thường xuyên - một vòng đệm bị mòn có giá 2 đô la để thay thế có thể gây ra ô nhiễm làm phá hủy vòng bi 500 đô la trong vòng vài tháng. Trong môi trường có mức độ phơi nhiễm hạt cao, hãy cân nhắc nâng cấp từ phớt một môi lên phớt hai môi hoặc chuyển sang cụm ổ trục có phốt mê cung để có khả năng loại trừ tốt hơn.
Mỗi phân tích rung động, giám sát nhiệt độ, phân tích dầu và giám sát phát xạ siêu âm đều cung cấp các cửa sổ khác nhau về tình trạng ổ trục. Một chương trình rung được triển khai tốt sử dụng kỹ thuật phân tích đường bao hoặc cộng hưởng tần số cao có thể phát hiện các khuyết tật vòng bi từ 4 đến 8 tuần trước khi hư hỏng trở nên nghiêm trọng, cho phép thay thế theo kế hoạch trong thời gian bảo trì theo lịch thay vì tắt máy khẩn cấp. Nhiệt độ tăng cao hơn mức vận hành bình thường là dấu hiệu cảnh báo ở giai đoạn cuối - vào thời điểm vòng bi hoạt động cao hơn mức cơ bản lịch sử từ 10°C đến 15°C, thiệt hại đáng kể có thể đã xuất hiện.
Việc căn chỉnh trục phải được xác minh bằng công cụ căn chỉnh bằng laser sau mỗi lần thay thế vòng bi trên thiết bị ghép nối. Phương pháp chỉ báo quay số được chấp nhận đối với máy móc nhỏ hơn. Dung sai căn chỉnh mục tiêu chặt chẽ hơn khả năng điều chỉnh sai lệch định mức của khớp nối - khớp nối điều chỉnh độ lệch còn lại trong quá trình tăng trưởng nhiệt vận hành, chứ không phải độ lệch thông thường do lắp đặt không chính xác. Một bộ động cơ máy bơm được căn chỉnh theo độ lệch song song trong phạm vi 0,05 mm và góc 0,05 mm/100 mm sẽ luôn tồn tại lâu hơn một bộ được căn chỉnh trong phạm vi 0,2 mm.
Đôi khi hỏng ổ trục không phải là vấn đề bảo trì - đó là vấn đề về thiết kế hoặc lựa chọn. Việc chỉ định sai loại ổ trục trong điều kiện tải hoặc định cỡ ổ trục dưới tải trọng tác dụng sẽ tạo ra các tình trạng hỏng hóc mà không biện pháp bảo trì tốt nào có thể khắc phục được.
Quá trình lựa chọn vòng bi phải bao gồm tính toán tải trọng động tương đương, xác minh hệ số tốc độ so với định mức tốc độ của vòng bi và xác nhận rằng tuổi thọ L10 đáp ứng khoảng thời gian dịch vụ cần thiết của ứng dụng với giới hạn an toàn đầy đủ - thường là hệ số từ 3 đến 5 đối với thiết bị quan trọng.
Chi phí thay thế ổ trục hầu như không bao giờ là chi phí thực sự của một hư hỏng ổ trục. Trong một nhà máy xử lý liên tục - nhà máy giấy, nhà máy hóa chất, dây chuyền sản xuất thực phẩm - một trục trặc vòng bi ngoài dự kiến gây ra thời gian ngừng hoạt động dù chỉ một giờ cũng có thể dễ dàng gây tổn thất sản xuất từ 10.000 đến 100.000 USD trở lên, tùy thuộc vào giá trị thông lượng của thiết bị. Hư hỏng thứ cấp ở các bộ phận lân cận - vòng đệm, trục, vỏ, khớp nối - thường làm tăng thêm chi phí khiến ổ trục bị giảm đi.
Các nghiên cứu của các cơ quan kỹ thuật bảo trì đều cho thấy rằng bảo trì phản ứng có chi phí cho mỗi lần sửa chữa cao hơn từ 3 đến 9 lần so với bảo trì theo tình trạng, theo kế hoạch. Một vòng bi trị giá 200 USD bị hỏng đột ngột và khiến dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động trong 4 giờ sẽ gây ra tổng chi phí sự kiện mà không biện pháp tối ưu hóa giá vòng bi nào có thể bù đắp được. Trường hợp kinh tế này là nền tảng của các chuyển động bảo trì tập trung vào độ tin cậy (RCM) và bảo trì dự đoán (PdM) — mục tiêu không phải là mua vòng bi rẻ hơn mà là đảm bảo mọi vòng bi đều đạt được tuổi thọ thiết kế.
Đối với các nhà quản lý bảo trì đang xây dựng một trường hợp kinh doanh để cải thiện các chương trình bôi trơn, kiểm soát ô nhiễm hoặc thiết bị giám sát độ rung, việc tính toán lợi tức đầu tư thường rất đơn giản: một sai sót nghiêm trọng tránh được thường phải trả chi phí cho thiết bị giám sát và chi phí thực hiện chương trình gấp nhiều lần.
Nguyên nhân số một gây ra hỏng ổ trục - vấn đề bôi trơn - cũng là nguyên nhân dễ kiểm soát nhất. Lựa chọn chất bôi trơn chính xác, số lượng thích hợp, khoảng thời gian tái bôi trơn thích hợp và ngăn ngừa ô nhiễm sẽ loại bỏ loại hư hỏng vòng bi lớn nhất có thể phòng ngừa được. Sau khi bôi trơn, hãy chú ý đến các biện pháp lắp đặt, loại trừ ô nhiễm, xác minh độ thẳng hàng và giám sát tình trạng để giải quyết các dạng hư hỏng chính còn lại theo thứ tự tác động thống kê giảm dần.
Vòng bi không phải là vật tư tiêu hao dễ bị hao mòn — chúng là các bộ phận chính xác, trong điều kiện vận hành thích hợp, sẽ đạt được tuổi thọ định mức một cách đáng tin cậy. Khi chúng hư hỏng sớm và lặp đi lặp lại, nguyên nhân hầu như luôn có thể tìm ra được là do lỗi thiết kế hoặc bảo trì cụ thể, có thể nhận dạng và sửa chữa được. Quy trình phân tích lỗi - kiểm tra từng vòng bi bị hỏng một cách có hệ thống trước khi nó bị loại bỏ - là công cụ ít được sử dụng nhất trong bộ công cụ bảo trì công nghiệp và là công cụ mà theo thời gian sẽ đóng vòng lặp giữa sự cố xảy ra và loại bỏ nguyên nhân gốc rễ một cách đáng tin cậy nhất.