Vòng bi bạc trượt và sự bôi trơn của chúng

Vòng bi bạc trượt và sự bôi trơn của chúng – Ổ trục hoặc ổ trượt bao gồm một trục hoặc ổ trục quay tự do trong một ống bọc hoặc vỏ kim loại đỡ. Không có phần tử lăn nào trong các ổ trục này. Thiết kế và cấu tạo của chúng có thể tương đối đơn giản, nhưng lý thuyết và hoạt động của những vòng bi này có thể phức tạp.

Bài báo này tập trung vào các vòng bi bạc trượt màng chất lỏng được bôi trơn bằng dầu và mỡ; nhưng trước tiên là một cuộc thảo luận ngắn gọn về các chốt và ống lót, vòng bi tạp chất khô và bán bôi trơn, và vòng bi đệm nghiêng.

Các chốt và ống lót tốc độ thấp là một dạng ổ trục trong đó trục hoặc vỏ thường không quay hoàn toàn. Việc quay từng phần ở tốc độ thấp, trước khi đảo ngược hướng thường, không cho phép hình thành màng chất lỏng đầy đủ và do đó tiếp xúc kim loại với kim loại xảy ra trong ổ trục. Ghim và ống lót liên tục hoạt động ở chế độ bôi trơn biên.

Các loại vòng bi này thường được bôi trơn bằng mỡ cực áp (EP) để hỗ trợ tải trọng. Molypden disulfide rắn (moly) được bao gồm trong mỡ để tăng cường khả năng chịu tải của chất bôi trơn.

Nhiều ứng dụng thiết bị khai thác và xây dựng ngoài trời kết hợp các chốt và ống lót. Do đó, tải va đập và nhiễm bẩn nước và bụi bẩn thường là những yếu tố chính trong quá trình bôi trơn của chúng.

Hình 1. Vòng
bi xuyên tâm và đệm lực đẩy Kingsbury

Vòng bi khô bao gồm một trục quay trong ống bọc khô, thường là polyme, có thể được trộn với các chất rắn như molypden, graphite, PTFE hoặc nylon.

Các vòng bi này được giới hạn trong các ứng dụng tải trọng thấp và tốc độ bề mặt thấp. Vòng bi bạc trượt được bôi trơn bao gồm một trục quay trong một ống bọc kim loại xốp bằng đồng hoặc nhôm nung kết, trong đó dầu bôi trơn được chứa trong các lỗ của kim loại xốp. Các vòng bi này bị hạn chế ở tải trọng thấp, vận tốc từ thấp đến trung bình và nhiệt độ lên đến 100 ° C (210 ° F).

Vòng bi đệm nghiêng hoặc vòng bi xoay bao gồm một trục quay trong một vỏ được tạo thành từ các tấm đệm cong. Mỗi miếng đệm có thể xoay độc lập và căn chỉnh theo độ cong của trục. Sơ đồ của ổ trục đệm nghiêng được trình bày trong Hình 1.

Ưu điểm của thiết kế này là sự liên kết chính xác hơn của vỏ đỡ với trục quay và tăng độ ổn định của trục. ¹

Vòng bi bạc trượt có nghĩa là bao gồm vòng bi bọc, trơn, vỏ và vòng bi babbitt. Thuật ngữ babbitt thực sự đề cập đến các lớp kim loại mềm hơn (chì, thiếc và đồng) tạo thành bề mặt tiếp xúc kim loại của vỏ ổ trục. Những kim loại mềm hơn này phủ lên một lớp vỏ đỡ bằng thép chắc chắn hơn và cần thiết để đệm lớp vỏ khỏi trục quay cứng hơn.

Vòng bi kiểu vỏ đơn giản chỉ chấp nhận tải trọng hướng tâm, vuông góc với trục, nói chung là do trọng lượng hoặc tải trọng hướng xuống của trục. Lực đẩy hoặc tải dọc trục, dọc theo trục của trục, cũng có thể được đáp ứng bằng các ổ trục được thiết kế cho mục đích này. Hình 1 cho thấy một ổ trục đệm nghiêng có khả năng chấp nhận cả tải trọng hướng tâm và lực đẩy.

Hình 2. Các lớp của cấu trúc vòng bi

Vòng bi bạc trượt hoạt động ở chế độ biên (tiếp xúc kim loại với kim loại) chỉ trong quá trình khởi động và tắt thiết bị khi tốc độ quay của trục (bạc trượt) không đủ để tạo màng dầu. Đó là trong quá trình khởi động và tắt máy khi hầu như tất cả các hư hỏng của ổ trục xảy ra. ²

Lực nâng thủy tĩnh, được tạo ra bởi nguồn cấp dầu có áp suất bên ngoài, có thể được sử dụng để làm nổi các bạc trượt lớn, nặng trước khi khởi động (quay trục) để ngăn ngừa loại hư hỏng này. Trong quá trình hoạt động bình thường, trục quay với tốc độ đủ để ép dầu giữa các bề mặt cong phù hợp của trục và vỏ, do đó tạo ra một nêm dầu và màng dầu thủy động.

Màng chất lỏng thủy động lực học đầy đủ này cho phép các ổ trục này chịu được tải trọng cực lớn và hoạt động ở tốc độ quay cao. Tốc độ bề mặt từ 175 đến 250 mét / giây (30.000 đến 50.000 feet / phút) là phổ biến. Nhiệt độ thường bị giới hạn bởi chất bôi trơn được sử dụng, vì chì và thiếc babbitt có khả năng đạt đến nhiệt độ 150 ° C (300 ° F).

Điều quan trọng là phải hiểu rằng trục quay không được định tâm trong vỏ ổ trục trong quá trình hoạt động bình thường. Khoảng cách bù này được gọi là độ lệch tâm của ổ trục và tạo ra một vị trí duy nhất cho độ dày màng dầu tối thiểu, như được minh họa trong Hình 3.

Hình 3. Chuyển động của trục trong khi khởi động

Thông thường, độ dày màng dầu tối thiểu cũng là khe hở hoạt động động của ổ trục. Kiến thức về độ dày màng dầu hoặc khe hở động lực cũng hữu ích trong việc xác định các yêu cầu lọc và hoàn thiện bề mặt kim loại.

Thông thường, độ dày màng dầu tối thiểu trong vùng tải trong quá trình hoạt động nằm trong khoảng từ 1,0 đến 300 micron, nhưng các giá trị từ 5 đến 75 micron phổ biến hơn trong các thiết bị công nghiệp cỡ trung bình. Độ dày màng sẽ lớn hơn trong thiết bị có trục đường kính lớn hơn.

Những người yêu cầu giá trị chính xác hơn nên tìm kiếm thông tin về Số Sommerfeld và Số Reynolds. Thảo luận chi tiết hơn về những tính toán này nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Lưu ý rằng các giá trị này lớn hơn đáng kể so với các giá trị một micron gặp phải trong ổ trục phần tử lăn.

Áp suất gặp phải trong vùng tiếp xúc của ổ lăn nhỏ hơn đáng kể so với áp suất tạo ra trong ổ lăn. Điều này là do diện tích tiếp xúc lớn hơn được tạo ra bởi các bề mặt phù hợp (độ cong tương tự) của vòng bi bạc trượt và vỏ.

Áp suất trung bình trong vùng tải của ổ trục được xác định bằng lực trên một đơn vị diện tích hoặc trong trường hợp này, trọng lượng hoặc tải trọng mà ổ đỡ chia cho vùng tải gần đúng của ổ trục (đường kính ổ trục nhân với chiều dài của ổ trục. Ổ đỡ trục). Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, các giá trị này nằm trong khoảng từ 690 đến 2.070 kPa (100 đến 300 psi).

Ở những áp suất thấp này, hầu như không có sự gia tăng độ nhớt của dầu trong vùng tiếp xúc ổ trục do áp suất. Vòng bi động cơ pittông ô tô và một số ứng dụng công nghiệp chịu tải nặng có thể có áp suất trung bình từ 20,7 đến 35 MPa (3.000 đến 5.000 psi). Ở các mức áp suất này, độ nhớt có thể tăng lên một chút. Áp suất tối đa mà ổ trục gặp phải thường là khoảng gấp đôi giá trị trung bình, tối đa là khoảng 70 MPa (10.000 psi).

Dầu xoáy là hiện tượng có thể xảy ra ở ổ trục tốc độ cao khi vị trí trục trong vỏ trở nên không ổn định và trục tiếp tục thay đổi vị trí của nó trong quá trình hoạt động bình thường, do lực chất lỏng tạo ra bên trong ổ trục. Độ xoáy dầu có thể giảm bằng cách tăng tải hoặc thay đổi độ nhớt, nhiệt độ hoặc áp suất dầu trong ổ trục.

Một giải pháp lâu dài có thể liên quan đến một ổ trục mới với các khe hở hoặc thiết kế khác nhau. Roi dầu xảy ra khi tần số xoáy dầu trùng với tần số tự nhiên của hệ thống. Kết quả có thể là một thất bại thảm hại. ³

Dầu bôi trơn

Dầu được sử dụng trong ổ trục bạc trượt khi cần làm mát hoặc cần xả sạch các chất bẩn hoặc mảnh vụn ra khỏi ổ trục. Vòng bi tốc độ cao luôn được bôi trơn bằng dầu chứ không phải bằng mỡ. Dầu được cung cấp cho ổ trục bằng hệ thống bơm dầu có áp suất, vòng dầu hoặc vòng đệm hoặc bấc. Các rãnh trên vỏ ổ trục được sử dụng để phân phối dầu trên khắp các bề mặt của ổ trục.

Cấp độ nhớt yêu cầu phụ thuộc vào RPM của ổ trục, nhiệt độ dầu và tải trọng. Tốc độ ổ trục thường được đo nghiêm ngặt bằng số vòng quay trên phút của trục, không tính đến tốc độ bề mặt của trục, theo giá trị “thứ _m ” được tính cho ổ lăn. Bảng 1 cung cấp hướng dẫn chung để chọn cấp độ nhớt ISO chính xác.

Số cấp ISO được chỉ ra là cấp ưu tiên cho dải tốc độ và nhiệt độ. Dầu cấp ISO 68 và 100 thường được sử dụng trong các ứng dụng gia nhiệt, trong nhà, với 32 cấp dầu được sử dụng cho các đơn vị tốc độ cao (10.000 vòng / phút) và một số ứng dụng nhiệt độ thấp ngoài trời.

Lưu ý trong bảng rằng tốc độ ổ trục càng cao, độ nhớt yêu cầu của dầu càng thấp; và nhiệt độ hoạt động của thiết bị càng cao thì độ nhớt của dầu càng cao. Nếu có thể xảy ra rung động hoặc tải va đập nhỏ, thì nên xem xét loại dầu cao hơn loại được chỉ ra trong Bảng 1.

Bảng 1. Vòng bi bạc trượt Lựa chọn cấp độ nhớt ISO

Một phương pháp khác để xác định cấp độ nhớt thích hợp là áp dụng các tiêu chí độ nhớt tối thiểu và tối ưu cho biểu đồ nhiệt độ-độ nhớt. Độ nhớt tối thiểu được chấp nhận chung của dầu ở nhiệt độ hoạt động cho ổ trục bạc trượt là 13 cSt, mặc dù một số thiết kế cho phép dầu loãng đến 7 hoặc 8 cSt ở nhiệt độ hoạt động.

Độ nhớt tối ưu ở nhiệt độ hoạt động là 22 đến 35 cSt, đối với các ổ trục tốc độ vừa phải nếu không xảy ra hiện tượng sốc tải. Độ nhớt tối ưu có thể cao tới 95 cSt đối với các ổ trục tốc độ thấp, chịu tải nặng hoặc chịu tải xung kích.

Sử dụng phương pháp này đòi hỏi một số kiến ​​thức về nhiệt độ dầu trong ổ trục trong điều kiện hoạt động, điều này có thể khó xác định. May mắn thay, nhiệt độ dầu chính xác là không cần thiết cho hầu hết các phép xác định độ nhớt. Người ta thường xác định nhiệt độ bề mặt ngoài của các ống dẫn dầu đến và đi khỏi ổ trục.

Nhiệt độ của dầu bên trong ống nói chung sẽ cao hơn (5 đến 10 ° C, 10 đến 18 ° F) so với bề mặt kim loại bên ngoài của ống. Nhiệt độ dầu trong ổ trục có thể được lấy là giá trị trung bình của dầu đi vào so với nhiệt độ ra khỏi ổ trục. ⁴

Phương pháp thứ ba và phức tạp hơn là tính toán độ nhớt của dầu cần thiết để có được độ dày màng dầu đạt yêu cầu. Những người muốn tìm hiểu thêm về phương pháp này nên tìm kiếm thông tin liên quan đến phương trình Sommerfeld và tỷ lệ lệch tâm hoặc Số Reynolds. ⁴

Nếu dầu được chọn có độ nhớt quá thấp, nhiệt sẽ sinh ra do độ dày màng không đủ và sẽ xảy ra một số tiếp xúc kim loại với kim loại. Nếu dầu có độ nhớt quá cao, nhiệt sẽ lại được tạo ra, nhưng do ma sát chất lỏng bên trong được tạo ra trong dầu. Chọn dầu có độ nhớt quá cao cũng có thể làm tăng khả năng tạo bọt.

Các vùng áp suất cao và áp suất thấp, được tạo ra trong dầu ở mỗi bên của vùng có độ dày màng tối thiểu, có thể gây ra sự xâm thực của dầu trong các ổ trục này. Khe hở là kết quả của sự giãn nở của không khí hòa tan hoặc hơi (nước hoặc nhiên liệu) trong vùng áp suất thấp của ổ trục.

Bong bóng kết quả phát nổ, gây ra hư hỏng khi nó đi qua phần áp suất cao của ổ trục. Nếu sự nổ hoặc xẹp của bong bóng hơi xảy ra bên cạnh bề mặt kim loại, điều này có thể gây ra các vết rỗ lỗ hổng cho kim loại. Nếu sự nổ bong bóng xảy ra trong dầu, có thể xảy ra một điểm nóng vi mô hoặc hiện tượng bong tróc vi mô, điều này có thể dẫn đến đánh bóng bên trong hệ thống.

Thông thường, hệ phụ gia ức chế gỉ và oxy hóa (R&O) được sử dụng trong các loại dầu được sử dụng trong các ứng dụng này. Cũng có thể có các chất phụ gia chống tạo bọt và làm giảm điểm đông kết. Dầu thủy lực chống mài mòn (AW) cũng có thể được sử dụng miễn là không vượt quá giới hạn nhiệt độ cao của thành phần AW kẽm và không có quá nhiều nước.

Dầu R&O có xu hướng có đặc tính tách nước tốt hơn, điều này có lợi và các đặc tính AW của dầu thủy lực sẽ chỉ có lợi trong quá trình khởi động và tắt máy, giả sử vòng bi hoạt động đúng cách.

Bôi trơn mỡ

Mỡ được sử dụng để bôi trơn các ổ trục khi ổ trục không phải là yếu tố làm mát, thường là nếu ổ trục hoạt động ở tốc độ tương đối thấp. Dầu mỡ cũng có lợi nếu xảy ra va chạm tải trọng hoặc nếu ổ trục thường xuyên khởi động và dừng hoặc đảo hướng.

Mỡ hầu như luôn được sử dụng để bôi trơn các chốt và ống lót vì nó cung cấp chất bôi trơn dày hơn dầu để hỗ trợ tải trọng tĩnh và bảo vệ chống rung và tải sốc phổ biến trong nhiều ứng dụng này.

Xà phòng lithium hoặc chất làm đặc phức hợp lithium là chất làm đặc phổ biến nhất được sử dụng trong mỡ bôi trơn và rất tốt cho hầu hết các ứng dụng mang bạc trượt. Loại mỡ được sử dụng thường là loại NLGI # 2 với độ nhớt của dầu gốc khoảng 150 đến 220 cSt ở 40 ° C.

Mỡ dùng cho tốc độ thấp, tải cao, nhiệt độ cao và cho các chốt và ống lót có thể sử dụng dầu gốc có độ nhớt cao hơn và được pha chế với EP và phụ gia rắn. Mỡ để cải thiện khả năng chống thấm nước có thể được pha chế với dầu gốc nặng hơn , các chất làm đặc khác nhau và các công thức phụ gia đặc biệt.

Mỡ để pha chế ở nhiệt độ thấp tốt hơn có thể kết hợp dầu gốc có độ nhớt thấp hơn được sản xuất theo tiêu chuẩn NLGI # 1. Vòng bi được bôi trơn bằng hệ thống phân phối mỡ tập trung thường sử dụng loại mỡ # 1, 0 hoặc 00.

Độ nhớt biểu kiến ​​của mỡ thay đổi theo lực cắt (áp suất, tải trọng và tốc độ), tức là mỡ không phải Newton hoặc thixotropic. Trong vòng bi quay vòng, khi vòng bi quay nhanh hơn (tốc độ cắt tăng), độ nhớt biểu kiến ​​của mỡ giảm và gần với độ nhớt của dầu gốc được sử dụng trong mỡ.

Ở cả hai đầu của vỏ ổ trục, áp suất thấp hơn và do đó độ nhớt biểu kiến ​​vẫn cao hơn. Kết quả là mỡ dày hơn ở các đầu ổ trục đóng vai trò như một chất làm kín tích hợp để giảm sự xâm nhập của các chất gây ô nhiễm.

Thủ tục bôi trơn

Quy trình bôi trơn cho ổ trục và chốt và ống lót không được xác định rõ ràng hoặc quan trọng như đối với ổ lăn vì mỡ không phải chịu tác động khuấy trộn do các phần tử lăn tạo ra.

Khối lượng mỡ cần bơm và tần suất bôi được quyết định nhiều hơn bởi quá trình thử và sai. Nói chung, hầu hết các vòng bi bạc trượt không thể được gia tăng quá mức. Phải hết sức thận trọng khi bơm mỡ vào ổ trục có gắn các vòng đệm, để chúng không bị lực và khối lượng của mỡ đi vào làm hỏng hoặc dịch chuyển.

Sự khắc nghiệt của môi trường, tải trọng va đập và đặc biệt là nhiệt độ vận hành sẽ là những yếu tố chính trong việc xác định tần suất tái bôi trơn.

Vòng bi tạp nói chung là một thiết kế đơn giản hơn và không khó bôi trơn như vòng bi lăn. Độ nhớt thích hợp phù hợp với điều kiện vận hành và chất bôi trơn khô và sạch thường sẽ đủ để tạo thành màng bôi trơn chất lỏng đầy đủ và mang lại tuổi thọ vòng bi tuyệt vời.

Nguồn: www.machinerylubrication.com