Vòng bi tự bôi trơn là gì? Loại, Công dụng & Lựa chọn

Vòng bi tự bôi trơn là gì và chúng hoạt động như thế nào

Đặc điểm nổi bật của ổ trục tự bôi trơn là khả năng tạo ra màng bôi trơn liên tục từ bên trong vật liệu ổ trục mà không cần bất kỳ nguồn cung cấp bên ngoài nào. Điều này xảy ra thông qua một trong ba cơ chế chính:

Vòng bi tay áo có tự bôi trơn không?

Vòng bi tay áo (còn gọi là vòng bi trơn hoặc vòng bi trục) có thể được bôi trơn thông thường hoặc tự bôi trơn tùy thuộc vào vật liệu chế tạo của chúng. Sự khác biệt rất quan trọng khi lựa chọn các ứng dụng không cần bảo trì.

Vòng bi tay áo bằng đồng thiêu kết là loại vòng bi tay áo tự bôi trơn được sử dụng rộng rãi nhất. Tiêu chuẩn ISO 2795 và MPIF 35 xác định các yêu cầu về hàm lượng dầu cho các thành phần này - loại tiêu chuẩn chứa tối thiểu 19% dầu theo thể tích . Chúng được tìm thấy trong động cơ điện, thiết bị gia dụng, thiết bị văn phòng và bộ truyền động phụ trợ ô tô, nơi việc tiếp cận vòng bi bị bịt kín hoặc khó khăn.

Vòng bi bọc polymer rắn được làm từ acetal (POM), nylon (PA6/PA66) hoặc PEEK với các chất phụ gia bôi trơn bên trong là một dạng ống bọc tự bôi trơn khác. Chúng hoạt động mà không cần bất kỳ loại dầu nào, khiến chúng phù hợp cho chế biến thực phẩm, thiết bị y tế và các ứng dụng dưới nước nơi cấm ô nhiễm dầu.

Vòng bi tay áo được hỗ trợ bằng thép thủy động - chẳng hạn như những loại được sử dụng trong trục khuỷu lớn và cổ trục tuabin - không tự bôi trơn. Chúng luôn yêu cầu cung cấp dầu có áp suất để duy trì nêm thủy động ngăn cách trục với ổ trục. Việc cung cấp dầu bị hỏng sẽ gây ra hỏng ổ trục ngay lập tức trong các thiết kế này.

Vòng bi gốm có tự bôi trơn không?

Vòng bi gốm thường được bán trên thị trường với cụm từ "chạy khô" — điều này tạo ra sự nhầm lẫn về việc liệu chúng có thực sự tự bôi trơn hay không. Câu trả lời chính xác là: không, vòng bi gốm không tự bôi trơn , nhưng đặc tính vật liệu của chúng làm giảm đáng kể yêu cầu bôi trơn so với thép.

Silicon nitride (Si3N4), vật liệu ổ trục gốm phổ biến nhất, có một số đặc tính giúp giảm sự phụ thuộc vào chất bôi trơn:

• Độ cứng bề mặt của 1.400–1.600 HV so với 700–800 HV đối với thép chịu lực - giảm độ mòn bám dính trong điều kiện bôi trơn cận biên
• Mật độ của 3,2 g/cm³ so với 7,8 g/cm³ đối với thép - tạo ra lực ly tâm thấp hơn trên đường đua ở tốc độ cao, cho phép màng bôi trơn mỏng hơn duy trì sự phân tách
• Hệ số giãn nở nhiệt thấp ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) - giảm sự thay đổi khe hở bên trong do sự thay đổi nhiệt độ có thể ép ra chất bôi trơn trong ổ trục thép
• Không từ tính và không dẫn điện - ngăn chặn sự xuống cấp của chất bôi trơn phóng tĩnh điện xảy ra trong vòng bi thép được sử dụng trong các ứng dụng truyền động tần số thay đổi

Trong thực tế, vòng bi gốm hoàn toàn có thể tồn tại trong thời gian ngắn mà không cần bôi trơn trong điều kiện sạch, tải thấp - đặc biệt ở tốc độ rất cao trong đó thời gian tiếp xúc trên mỗi vòng quay cực kỳ ngắn. Nhưng để hoạt động bền vững, vẫn cần phải có chất bôi trơn - thậm chí là một lớp màng khô tối thiểu - để ngăn ngừa hiện tượng mỏi bề mặt ngày càng tăng. Vòng bi gốm lai (bóng gốm, vòng thép) hầu như luôn yêu cầu bôi trơn thông thường.

Vòng bi thông thường có cần bôi trơn không?

Có - tất cả các vòng bi lăn thông thường (vòng bi, vòng bi trụ, vòng bi côn, vòng bi kim) đều yêu cầu bôi trơn trong suốt thời gian sử dụng của chúng. Chất bôi trơn thực hiện bốn chức năng mà không có hình dạng ổ trục nào có thể tái tạo được:

• Sự hình thành màng đàn hồi thủy động: Một bộ phim có áp suất 0,1 đến 1,0 micron tách các phần tử lăn ra khỏi mương đang chịu tải, ngăn chặn sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại
• Tản nhiệt: Dầu tuần hoàn trong các ổ trục lớn giúp loại bỏ nhiệt sinh ra do tiếp xúc lăn và lực cản của lồng - rất quan trọng khi vận hành trên 50% tải trọng động định mức của ổ trục
• Bảo vệ chống ăn mòn: Dầu mỡ chiếm chỗ độ ẩm trên bề mặt tiếp xúc; không được bôi trơn, thép chịu lực sẽ bị ăn mòn trong vòng vài giờ trong môi trường ẩm ướt
• Loại trừ chất gây ô nhiễm: Mỡ được nạp vào khoang ổ trục tạo ra một rào cản vật lý chống lại bụi và các hạt mài mòn có thể gây mài mòn ba thân

Hậu quả của việc bôi trơn không đủ là nghiêm trọng: các nghiên cứu của SKF và NSK chỉ ra rằng hơn 36% lỗi vòng bi lăn sớm có thể là do các vấn đề về bôi trơn - bao gồm không đủ số lượng, sai loại chất bôi trơn, chất bôi trơn bị ô nhiễm hoặc khoảng thời gian tái bôi trơn không chính xác. Để so sánh, hư hỏng do mỏi khi được bôi trơn đúng cách chỉ chiếm 14% các hư hỏng tại hiện trường.

So sánh các loại vòng bi tự bôi trơn

Việc chọn đúng loại ổ trục tự bôi trơn đòi hỏi phải điều chỉnh các điều kiện vận hành phù hợp với khả năng cụ thể của vật liệu. Bảng dưới đây tóm tắt các thông số hiệu suất chính:

Trường hợp vòng bi tự bôi trơn hoạt động tốt hơn các lựa chọn thay thế được bôi trơn

Có những môi trường hoạt động cụ thể khi chuyển sang vòng bi tự bôi trơn mang lại những lợi thế có thể đo lường được so với vòng bi được bôi trơn thông thường:

• Ứng dụng dao động và quay chậm: Vòng bi được bôi trơn bằng mỡ trong chuyển động dao động chậm (dưới 1 vòng / phút) không bao giờ tạo ra màng thủy động lực - tốt nhất chúng chạy được bôi trơn biên. Vòng bi bôi trơn rắn xử lý các điều kiện này ở hệ số ma sát từ 0,05 đến 0,15 mà không thay đổi cơ chế mài mòn ở tốc độ thấp.
• Môi trường rửa trôi và ngập nước: Dây chuyền chế biến thực phẩm, thiết bị rửa xe và ổ trục phần cứng hàng hải bị nước xâm nhập làm loãng dầu mỡ. Vòng bi polyme thiêu kết và đồng cắm than chì loại bỏ hoàn toàn kiểu hư hỏng này.
• Vùng nhiệt độ cao: Mỡ thông thường bị phân hủy ở nhiệt độ trên 180°C; mỡ tổng hợp mở rộng nhiệt độ này đến khoảng 260°C. Vòng bi bằng đồng cắm than chì hoạt động liên tục ở lên tới 400°C trong bánh xe lò, con lăn băng tải và thiết bị lò ủ thủy tinh.
• Môi trường chân không và phòng sạch: Bôi trơn khí thải trong chân không, làm nhiễm bẩn dụng cụ quang học và thiết bị bán dẫn. Vòng bi màng khô dựa trên PTFE là tiêu chuẩn trong các cơ chế vệ tinh và các giai đoạn kính hiển vi điện tử trong đó áp suất hơi dưới 10⁻⁸ Pa được yêu cầu.
• Giảm chi phí vòng đời: Một nghiên cứu về các chương trình thay thế vòng bi của nhà máy xử lý nước đô thị cho thấy rằng việc chuyển ống lót van cổng từ vòng bi bằng đồng được bôi trơn sang vòng bi tẩm than chì giúp giảm chi phí nhân công bảo trì bằng 62% trong khoảng thời gian 10 năm bằng cách loại bỏ các vòng bôi trơn hàng quý.

Các tham số lựa chọn chính và các lỗi định cỡ phổ biến

Giá trị PV - tích của áp suất ổ trục (P, tính bằng MPa) và vận tốc trượt (V, tính bằng m/s) - là thông số lựa chọn chính cho vòng bi trơn tự bôi trơn. Mọi vật liệu ổ trục đều có định mức PV tối đa mà trên đó màng bôi trơn không thể duy trì được và nhiệt độ bề mặt ổ trục tăng lên đến mức có thể phá hủy.

Ba lỗi kích thước gây ra phần lớn các hỏng hóc sớm của vòng bi tự bôi trơn trên hiện trường:

• Bỏ qua giới hạn PV trong điều kiện tải cao điểm: Ổ trục có định mức PV = 0,10 MPa·m/s có thể có kích thước chính xác để hoạt động bình thường nhưng bị hỏng trong quá trình khởi động hoặc tải va đập nếu không kiểm tra PV tức thời tại những thời điểm đó. Giá trị PV đỉnh có thể gấp 3 đến 5 lần giá trị trạng thái ổn định trong máy móc chuyển động qua lại.
• Thông số kỹ thuật hoàn thiện bề mặt trục không chính xác: Vòng bi tự bôi trơn require a shaft roughness of Ra 0,4 đến 0,8 micron để hình thành màng chuyển tối ưu. Trục được đánh bóng dưới Ra 0,2 micron không cung cấp đủ kết cấu độ bền để PTFE hoặc than chì bám chặt, làm chậm quá trình hình thành màng và tăng độ mài mòn sớm. Trục thô hơn Ra 1,6 micron làm mài mòn bề mặt ổ trục trước khi màng có thể hình thành.
• Đánh giá thấp tác động giãn nở nhiệt lên khe hở: Vòng bi polymer có hệ số giãn nở nhiệt cao gấp 5 đến 10 lần so với vỏ thép. Vòng bi PEEK có khe hở đường kính 0,05 mm ở 20°C có thể có khe hở bằng 0 — hoặc độ nhiễu — ở 150°C nếu tỷ lệ đường kính vỏ và ổ trục và sự kết hợp vật liệu không được tính toán chính xác ở giai đoạn thiết kế.