Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đo nhiệt để phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn

12: Giám sát tình trạng làm việc của một số thiết bị thông qua hình ảnh nhiệt hồng ngoại .... Cùng với rung động và tiếng ồn, nhiệt phát sinh là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến chế độ làm v

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Tháng 04 năm 2014

Tống Hải Yến

Lời cảm ơn

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn

khoa học của tôi, thầy giáo PGS.TS Hoàng Vị, người đã tận tình chỉ bảo, động

viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí cũng như Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Mục lục

Lời cam đoan 2

Lời cảm ơn 3

Danh mục các bảng, biểu 8

MỞ ĐẦU 9

1 Giới thiệu 9

2 Mục tiêu của nghiên cứu 10

3 Kết quả dự kiến 10

4 Phương pháp và phương pháp luận 10

5 Nội dung luận văn 11

CHƯƠNG 1: Ổ LĂN VÀ ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA Ổ LĂN 12

1.1 Ổ lăn thường dùng 12

1.1.1 Giới thiệu chung 12

1.1.2 Các thông số vận hành của vòng bi 15

1.2 Các tình trạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng ổ lăn 17

1.2.1 Các hoạt động bất thường, nguyên nhân và biện pháp khắc phục 17

1.2.2 Các dạng hỏng thường gặp của ổ lăn 20

1.3 Một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng Ổ 25

1.3.1 Theo dõi (giám sát) tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trên yếu tố nhiệt độ 25

1.3.1.1 Khái quát chung 25

1.3.1.2 Phương pháp theo dõi (giám sát) nhiệt độ 29

1.3.1.3 Thiết bị giám sát nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc 30

1.3.2 Theo dõi và phân tích rung động 32

1.3.3 Theo dõi và phân tích dầu bôi trơn 34

1.3.4 Kỹ thuật NDT 34

1.3.5 Kỹ thuật siêu âm 35

1.4 Kết luận chương 38

2.1 Mô hình thí nghiệm thu nhận tín hiệu nhiệt 40

2.1.1 Sơ đồ chung của mô hình thí nghiệm 40

2.1.2 Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc AZ8857 42

2.1.3 Thiết kế, chế tạo các chi tiết của mô hình thí nghiệm 43

2.2 Lắp ghép các chi tiết để tạo thành mô hình hoàn chỉnh 44

2.3 Kết luận chương 48

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 49

3.1 Thiết lập thí nghiệm 49

3.1.1 Các trang thiết bị thí nghiệm 49

3.1.2 Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm 49

3.1.3 Trình tự thực hiện thí nghiệm 50

3.1.3.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm với mô hình đã thiết kế 50

3.1.3.2 Trình tự thí nghiệm với mô hình máy đo ma sát - mòn 52

3.2 Kết quả thí nghiệm 55

3.2.1 Kết quả thí nghiệm với mô hình thiết kế 55

3.2.2 Kết quả thí nghiệm với mô hình máy đo ma sát - mòn 58

3.3 Kết luận chương 64

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 66

4.1 Các kết quả đã đạt được 66

4.2 Đề xuất các hướng nghiên cứu 67

Tài liệu tham khảo 68

Danh mục các hình ảnh

Hình 1 1: Cấu tạo ổ lăn 12

Hình 1 2: Các loại ổ bi 14

Hình 1 3: Các loại ổ đũa 14

Hình 1 4: Rỗ và tróc ở ổ lăn 20

Hình 1 5: Một số hình ảnh rỗ vòng bi 21

Hình 1 6: Một số hình ảnh mòn ổ bi 23

Hình 1 7: Một số hình ảnh nứt gẫy vòng bi 24

Hình 1 8: Hình ảnh bề mặt vòng bi bị biến dạng dư 24

Hình 1 9: Gỉ sét bám trên vòng bi 25

Hình 1 10: Hình ảnh nhiệt và đồ thị nhiệt độ của B6204 27

Hình 1 11: Ghi nhiệt độ hồng ngoại hình ảnh của ổ bi trong chuẩn đoán lỗi 27 Hình 1 12: Giám sát tình trạng làm việc của một số thiết bị thông qua hình ảnh nhiệt hồng ngoại 29

Hình 1 13: Một số loại nhiệt kế hồng ngoại 31

Hình 1 14: Đo và phân tích rung động bằng phương pháp phân tích phổ FFT34 Hình 1 15: Mô hình lấy mẫu để giám sát tình trạng dầu bôi trơn 34

Hình 1 16: Dùng kỹ thuật siêu âm để giám sát tình trạng hoạt động của thiết bị 36

Hình 2 1: Mô hình thí nghiệm để đo nhiệt độ Ổ lăn trong quá trình làm việc 40 Hình 2 2: Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm thu nhận tín hiệu nhiệt 40

Hình 2 3: Mô hình của máy đo ma sát - mòn 41

Hình 2 4: Mô hình bộ phận có lắp ổ bi côn 30304 41

Hình 2 5: Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc bằng tia hồng ngoại AZ 8857 42 Hình 2 6: Bản vẽ chi tiết trục 43

Hình 2 7: Hình ảnh ổ bi 6203 44

Hình 2 8: Bản vẽ lắp mô hình thí nghiệm 45

Hình 2 9: Mô hình thí nghiệm sau khi lắp ráp hoàn chỉnh 46

Hình 2 10: Mô hình cấu tạo của máy đo ma sát – mòn 46

Hình 2 11: Mô hình máy đo ma sát - mòn sau khi lắp ráp hoàn chỉnh 47

Hình 2 12: Hình ảnh ổ bi côn 30304 47

Hình 3 1: Mô hình hoàn chỉnh được đặt vào vị trí chuẩn bị thí nghiệm 50

Hình 3 2: Thiết bị đo nhiệt độ AZ 8857 được điều chỉnh đưa về thang đo o C.50 Hình 3 3: Hình ảnh các mẫu thí nghiệm ổ bi 6203 50

Hình 3 4: Đo nhiệt độ ổ bi 6203 mới 51

Hình 3 5: Đo nhiệt độ của ổ bi 6203 cũ 52

Hình 3 6: Đo nhiệt độ của ổ bi 6203 hỏng 52

Hình 3 7: Đo nhiệt độ của ổ bi côn với tải trọng m= 20kg 53

Hình 3 8: Các hình ảnh đo khe hở và độ đảo của ổ bi côn 54

Hình 3 9: Đo nhiệt độ của ổ bi côn với m = 20kg khi đã điều chỉnh khe hở ổ bi 55

Hình 3 10: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi khi tải trọng tương ứng m = 5kg 56

Hình 3 11: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi khi tải trọng tương ứng m = 10kg 57 Hình 3 12: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi khi tải trọng tương ứng m = 15kg 58 Hình 3 13: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi côn khi tải trọng m = 10kg 59

Hình 3 14: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi côn khi tải trọng m = 20kg 60

Hình 3 15: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi côn khi chạy với chế độ không tải 61 Hình 3 16: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi côn khi chạy với tải trọng m = 10kg 62

Hình 3 17: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi côn khi chạy với tải trọng m = 20kg 63

Danh mục các bảng, biểu

Bảng 1 1: Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của

ổ lăn 18

Bảng 1 2: Tần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn 24

Bảng 2 1: Các thông số kỹ thuật của thiết bị đo nhiệt độ AZ 8857 42

Bảng 3 1: Kết quả đo khe hở và độ đảo của ô bi côn với các tải trọng: Không tải, có tải ( m = 10kg, m = 20kg) 54

Bảng 3 2: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi với tải trọng m = 5kg 55

Bảng 3 3: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi với tải trọng tương ứng là m = 10kg 56 Bảng 3 4: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi với tải trọng tương ứng là m = 15kg 57 Bảng 3 5: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi côn với tải trọng m = 10kg 58

Bảng 3 6: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi côn với tải trọng m = 20kg 59

Bảng 3 7: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi côn với chế độ chạy không tải 61

Bảng 3 8: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi côn với tải trọng m = 10kg 61

Bảng 3 9: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi côn với tải trọng m = 20kg 62

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Ổ lăn là một trong những chi tiết máy được sử dụng phổ biết nhất trong các truyền động Độ tin cậy và độ chính xác của ổ lăn có ý nghĩa quan trọng với hoạt động tổng thể của các thiết bị, máy móc Việc phát hiện lỗi và chẩn đoán tình trạng của ổ lăn trong giai đoạn đầu là cần thiết để tránh những hỏng hóc bất chợt trong quá trình làm việc

Trước đây, hầu hết các nghiên cứu về ổ chỉ tập trung vào tăng khả năng tải, tăng độ bền, nâng cao chất lượng làm việc bằng độ chính xác của ổ Gần đây, các nghiên cứu đã tập trung vào hướng nghiên cứu các nguyên nhân gây sai hỏng ổ bi và cách khắc phục [1-3] William H Detweiler đã đưa ra nguyên nhân phổ biến và cách khắc phục cho ổ bi quá nhiệt [4]

Thông thường, dự báo tình trạng làm việc của ổ thông qua các nhà sản xuất nhưng trên thực tế thì không được như vậy Nếu ổ hỏng bất chợt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc của hệ thống thiết bị, máy móc Cho nên, việc dự báo trước tình trạng của ổ để có kế hoạch khắc phục kịp thời sẽ giúp an toàn cho người và đảm bảo hệ thống thiết bị hoạt động liên tục

Khi làm việc ổ thường phát sinh rung, nhiệt, tiếng ồn, Các nhà nghiên cứu cho rằng, cần phải giám sát tình trạng ổ thông qua các yếu tố này

Cùng với rung động và tiếng ồn, nhiệt phát sinh là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến chế độ làm việc của ổ cũng như hệ thống thiết bị, máy móc Lượng nhiệt phát sinh có thể được tạo ra bởi ma sát, chế độ bôi trơn làm nguội không đúng, tải bất thường, phản ánh rất rõ tình trạng làm việc của ổ Cho nên, cần phải đánh giá tình trạng làm việc của ổ thông qua thông số nhiệt Giải quyết được vấn

đề này sẽ khai thác tối đa công suất và thời gian sử dụng ổ; chủ động trong việc kéo dài tuổi thọ ổ trục; đảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, máy móc; giảm thiểu các sự cố đột xuất gây thiệt hại không nhỏ về chi phí bảo trì, vận hành cũng như sút giảm năng suất sản xuất của hệ thống thiết bị

Hiện nay, việc sử dụng thiết bị đo nhiệt để giám sát, phân tích, đánh giá tình trạng làm việc của thiết bị đã được nhiều nhà khoa học các nước quan tâm nghiên cứu và ứng dụng như: Việc sử dụng nhiệt kế hồng ngoại để phát hiện lỗi của ổ bi trong điều kiện tải động [5]; dùng nhiệt kế hồng ngoại để kiểm tra, giám sát tình trạng của ổ bi trong giai đoạn tải trọng động [6]; phân tích các hiệu ứng nhiệt (nhiệt độ) và ma sát của vòng bi [7] nhưng ở Việt Nam có rất ít các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, tác giả chọn đề tài:

"Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đo nhiệt để phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn"

2 Mục tiêu của nghiên cứu

Dự kiến mục tiêu chung của đề tài: Dự báo được các sai hỏng của ổ lăn để đảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, giảm các sự cố ngưng máy bất chợt Việc này được thực hiện bằng cách giám sát, phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn với thông số chính là nhiệt

4 Phương pháp và phương pháp luận

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Nghiên cứu thực nghiệm

+ Nghiên cứu cơ sở

- Phương pháp luận: Mô hình hóa và hình thành mô hình thử nghiệm

5 Nội dung luận văn

Ngoài lời nói đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính gồm các chương sau:

Chương 1: Ổ lăn và đánh giá tình trạng làm việc của ổ lăn

Chương này tác giả trình bày tổng quan về ổ lăn, các dạng sai hỏng và biện pháp khắc phục của ổ lăn, một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng của ổ lăn và định hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm

Xây dựng được mô hình thí nghiệm và chuẩn bị các thiết bị thí nghiệm

Chương 3: Thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm

Tiến hành thí nghiệm đo nhiệt độ ổ bi với các mẫu đã chọn ta thu được kết quả dưới dạng bảng biểu, xử lý và phân tích kết quả đạt được

Chương 4: Kết luận

Chương này tác giả kết luận chung về kết quả của luận văn và đề xuất các hướng nghiên cứu

CHƯƠNG 1: Ổ LĂN VÀ ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC

CỦA Ổ LĂN

1.1 Ổ lăn thường dùng

1.1.1 Giới thiệu chung

Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực

ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên

Cấu tạo ổ lăn bao gồm: Vòng trong, vòng ngoài, vòng cách và con lăn Vòng trong và vòng ngoài thường có rãnh để dẫn hướng cho con lăn và để giảm ứng suất Vòng trong lắp với ngõng trục, vòng ngoài lắp với gối trục (vỏ máy, thân máy) Thường vòng trong quay cùng với trục, còn vòng ngoài thì đứng yên, nhưng cũng có khi vòng ngoài quay cùng với gối trục còn vòng trong đứng yên cùng với trục

Hình 1 1: Cấu tạo ổ lăn

Ổ lăn ở một số thiết bị khác còn được gọi là vòng bi hay ổ bi Dựa vào khả năng chịu lực hướng tâm hay hướng trục hoặc cả hai, mà ổ bi chia ra gồm:

Ổ bi đỡ một dãy; ổ bi đỡ chặn; ổ bi chặn đỡ; ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; ổ đũa đỡ

trụ ngắn; ổ đũa côn; ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy, một số loại ổ lăn điển hình được thể hiện trên Hình 1.2 và Hình 1.3

* Ưu nhược điểm của ổ lăn

So sánh với ổ trượt, ổ lăn có các ưu điểm sau:

- Hệ số ma sát nhỏ (vào khoảng 0,0012 - 0.0035 đối với ổ bi và 0.002 - 0.006 đối với ổ đũa), mômen cản sinh ra khi mở máy cũng ít hơn so với ổ trượt; do đó dùng ổ lăn hiệu suất của máy tăng lên và nhiệt sinh ra tương đối ít Ngoài ra hệ số ma sát tương đối ổn định (ít chịu ảnh hưởng của vận tốc) cho nên có thể dùng ổ lăn làm việc với vận tốc rất thấp

- Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn

- Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rộng ổ trượt có cùng đường kính ngõng trục

- Mức độ tiêu chuẩn hoá và tính lắp lẫn cao, do đó thay thế thuận tiện, giá thành chế tạo tương đối thấp khi sản xuất loạt lớn

- Tuy nhiên, ổ lăn có một số nhược điểm sau:

- Kích thước hướng kính lớn

- Lắp ghép tương đối khó khăn

- Làm việc có nhiều tiếng ồn, khả năng giảm chấn kém

- Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao

- Giá thành tương đối cao nếu sản xuất với số lượng ít

Ổ lăn được dùng rất phổ biến trong nhiều loại máy: máy cắt kim loại, máy điện, ô tô, máy bay, máy kéo, máy nông nghiệp, cần trục, máy xây dựng, máy mỏ, trong các hộp giảm tốc, trong các cơ cấu,

* Các loại ổ lăn thường dùng:

- Ổ bi đỡ một dãy (Hình 1.2a): Chủ yếu là để chịu lực hướng tâm, nhưng cũng có thể chịu lực dọc trục bằng 70% lực hướng tâm không dùng đến (lực hướng tâm không dùng đến là hiệu giữa lực hướng tâm cho phép với lực hướng tâm thực tế) Ổ bi đỡ một dãy có thể làm việc bình thường khi trục nghiêng một góc nghiêng nhỏ, không quá 15’ ÷ 20’

Hình 1 2: Các loại ổ bi

Hình 1 3: Các loại ổ đũa

- Ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy (Hình 1.2b): Chủ yếu chịu tải trọng hướng tâm, nhưng cũng có thể chịu thêm tải trọng dọc trục bằng 20% khả năng chịu lực hướng tâm không dùng đến Ổ có thể làm việc bình thường khi trục nghiêng một góc nghiêng tới 2 ÷ 30

- Ổ đũa trụ ngắn đỡ một dãy (Hình 1.3a): Chủ yếu để chịu lực hướng tâm

So với ổ bi đỡ một dãy cùng kích thước loại ổ này có khả năng chịu lực hướng tâm lớn hon khoảng 70%, đồng thời chịu va đập tốt hơn Tuy nhiên một số kiểu ổ đũa trụ ngắn đỡ không chịu được lực dọc trục (Hình 1.3a)

và cũng không cho phép nghiêng trục

- Ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy (Hình 1.3b): Chủ yếu để chịu lực hướng tâm, khả năng chịu lực hướng tâm của loại này gấp hai lần so với ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy cùng kích thước và có thể chịu được lực dọc trục bằng 20% lực hướng tâm không dùng tới

- Ổ kim (Hình 1.3c): Là ổ mà con lăn là những đũa trụ nhỏ dài – gọi là kim

Số kim nhiều dấp mấy lần so với số đũa trong các ổ đũa thông thường Ổ kim hay dùng ở những chỗ cần hạn chế kích thước hướng kinh

- Ổ đũa trụ xoắn đỡ (Hình 1.3e): Là ổ mà con lăn là hình trụ rỗng, bằng băng thép mỏng cuốn lại (gọi là đũa trụ xoắn), ổ này không chịu được lực dọc trục Nhờ đũa trụ xoắn có tính đàn hồi cao nên ổ chịu tải trọng va đập tốt, có thể làm việc bình thường khi trục nghiêng tới 30’

- Ổ bi đỡ chặn một dãy (Hình 1.2c): Chịu được cả lực hướng tâm và lực dọc trục Khả năng chịu lực hướng tâm của ổ này lớn hơn ổ bi đỡ một dãy khoảng 30 ÷ 40% Khả năng chịu lực dọc trục phụ thuộc vào góc tiếp xúc giữa bi với vòng ngoài – góc tiếp xúc càng lớn thì khả năng chịu lực càng lớn

- Ổ đũa côn đỡ chặn (Hình 1.3d): Có thể chịu cả lực hướng tâm lẫn lực dọc trục lớn Ổ đũa côn đỡ chăn có thể chịu được lực hướng tâm bằng 170%

so với ổ bi đỡ một dãy cùng kích thước Loại này được dùng nhiều trong chế tạo máy vì tháo lắp đơn giản, điều chỉnh khe hở và bù lượng mòn thuận tiện

- Nhiệt độ vòng bi: Nhiệt độ vòng bi có thể dự tính được từ nhiệt độ đo được từ bên ngoài vỏ của gối đỡ và có thể đo trực tiếp từ vòng ngoài của vòng bi bằng một đầu đo đi xuyên qua một lỗ dầu trên vỏ gối Thông thường nhiệt độ vòng bi tăng lên từ từ sau khi khởi động máy đến khi chạy ổn định sau khoảng 2 - 3 tiếng đồng hồ Nhiệt độ vòng bi khi chạy

ổn định phụ thuộc vào tải, tốc độ quay và đặc tính truyền nhiệt của máy

Sự bôi trơn không đủ hay lắp ráp không đúng có thể gây ra nhiệt độ ổ bi tăng nhanh chóng Những trường hợp như vậy cần tạm thời ngừng máy và

có biện pháp khắc phục

- Rung động ở vòng bi: Những bất thường của vòng bi có thể được phân tích bằng cách đo rung động của một máy đang chạy Một thiết bị phân tích biểu đồ tần số dạng phổ được sử dụng để đo độ lớn của rung động và

sự phân bố của các tần số Các kết quả kiểm tra có thể xác định được nguyên nhân của các bất thường của vòng bi Các dữ liệu đo được thay đổi theo điều kiện vận hành của vòng bi và vị trí đo rung động Vì vậy cần xác định các tiêu chuẩn đánh giá cho mỗi máy được đo Việc theo dõi những bất thường về rung động từ vòng bi trong suốt thời gian vận hành

là rất hữu ích trong việc bảo trì

- Ảnh hưởng của sự bôi trơn: Mục đích chính của sự bôi trơn là giảm ma sát và giảm sự mài mòn bên trong vòng bi tránh hư hỏng sớm vòng bị Chất bôi trơn giúp ngăn ngừa sự tiếp xúc trực tiếp của các chi tiết kim loại như bi, vòng trong, vòng ngoài và vòng cách; Giảm sự sinh nhiệt do ma sát và tác dụng làm mát, làm kín và ngăn ngừa han gỉ, kéo dài tuổi thọ của vòng bi

- Lựa chọn chất bôi trơn: Có hai phương pháp chính để bôi trơn vòng bi là bôi trơn bằng mỡ và bôi trơn bằng dầu Tùy vào điều kiện và mục đích sử dụng lựa chọn phương pháp bôi trơn hợp lí để đạt được sự vận hành tốt nhất của vòng bi

1.2 Các tình trạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng ổ lăn

Khi ổ lăn được sử dụng trong điều kiện lý tưởng, các dạng hỏng ổ phát sinh là các dạng hỏng do mỏi Thông thường tuổi thọ của ổ lăn được thể hiện qua thời gian làm việc hoặc tổng số vòng quay trước khi hiện tượng mỏi xảy ra

ở vòng trong, vòng ngoài, trên con lăn, hiện tượng hỏng do mỏi phát sinh do ứng suất thay đổi theo chu kỳ

Thỉnh thoảng, Ổ lăn xuất hiện các vết nứt sớm hơn bình thường, nguyên nhân dạng hỏng này bao gồm:

- Sử dụng ổ không đúng

- Lắp đặt ổ sai hoặc quá trình thực hiện sai

- Chất bôi trơn bị hỏng, phương pháp bôi trơn không đúng hoặc không che kín

- Tốc độ và nhiệt độ làm việc không đúng

- Chất bôi trơn bị bẩn phát sinh trong quá trình lắp đặt

- Sử dụng tải quá nặng (quá tải)

Khi hiện tượng hỏng ổ bắt đầu xuất hiện, giai đoạn này rất quan trọng để tập trung nghiên cứu xác định nguyên nhân gây ra hỏng ổ Vào thời điểm này không chỉ ổ lăn mà cả trục, nắp ổ và chất bôi trơn đã được sử dụng cũng cần tập trung nghiên cứu song song với quá trình nghiên cứu ổ lăn

1.2.1 Các hoạt động bất thường, nguyên nhân và biện pháp khắc phục

Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của ổ lăn [1, 3, 4] được thể hiện trong bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1 1: Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của ổ lăn

3 Do quá tải Điều chỉnh lại gối ổ hợp lý

4 Lỗi lắp ráp Điều chỉnh độ đồng tâm trục với lỗ gối và

độ chính xác lắp ráp

5 Khuyết tật của

6 Dung lượng chất bôi trơn không đủ

Dung lượng chất bôi trơn chính xác

7 Dầu bôi trơn không đúng Thay đổi dầu bôi trơn thích hợp

8 Phương pháp bôi trơn không đúng

Thay đổi phương pháp bôi trơn bằng cách điều chỉnh hoặc thay thế các bộ phận mới

9 Dầu bôi trơn

- Bôi trơn quá mức

- Thiếu chất bôi trơn

- Dầu bôi trơn không đúng

Giảm lượng chất bôi trơn và lựa chọn loại

mỡ rắn hơn

Bổ sung thêm chất bôi trơn

Dùng đúng loại dầu bôi trơn và phương pháp bôi trơn hợp lý,

10 Sự tiếp xúc bất thường với đệm kín khuất khúc và các bộ phận khác

Làm kín hợp lý, chế độ lắp và phương pháp lắp hợp lý

Tải bất thường Chế độ lắp, khe hở trong, tải đặt trước, vị

trí vai thân gối không hợp lý

Lắp ráp sai

Độ chính xác gia công và độ đồng tâm trục với lỗ gối và độ chính xác lắp ráp chưa hợp lý

Bôi trơn không đủ hoặc không đúng

Bổ sung chất bôi trơn hay lựa chọn chất bôi trơn khác

Cọ xát của các chi tiết quay Thay đổi thiết kế vòng làm khuất khúc

Tiếng ồn

lớn đều

Vết nứt, ăn mòn hay vết xước trên rãnh lăn

Thay mới hay làm sạch vòng bi cẩn thận, cải thiện sự làm kín và sử dụng chất bôi trơn sạch

Thay mới hay làm sạch vòng bi cẩn thận, cải thiện sự làm kín và sử dụng chất bôi trơn sạch

Có vết nứt hoặc tạo vảy trên các viên bi

Thay mới vòng bi

Rung động quá

mức

Có vết lõm Thay mới vòng bi cẩn thận

Lỗi lắp ráp Đảm bảo sự vuông góc giữa trục và vai lỗ

gối

Sự thâm nhập phần tử bên ngoài

Thay mới hay làm sạch vòng bi cẩn thận, cải thiện sự làm kín và sử dụng chất bôi trơn sạch

Sự rò rỉ hay biến

mầu chất bôi trơn

Quá nhiều chất bôi trơn Sự thâm nhập của các phần tử bên ngoài hay các hạt mài

Giảm lƣợng chất bôi trơn và lựa chọn loại

mỡ rắn hơn Thay vòng bi hay chất bôi trơn Vệ sinh buồng gối và các bộ phận bên trong

Hình 1 4: Rỗ và tróc ở ổ lăn

Tróc, rỗ xuất hiện sớm trong thời gian làm việc của ổ lăn trong các điều kiện nhƣ: Trong quá trình làm việc, dung sai trong của ổ lăn trở nên hẹp hơn so

với ban đầu; Các vòng ổ lăn bị nghiêng do lắp đặt sai; vết nứt xuất hiện trong quá trình lắp đặt, gỉ sét xuất hiện trên bề mặt rãnh lăn hoặc trên con lăn; hình dạng của trục, vòng trong của ổ không chính xác

a Rỗ vòng trong Ổ bi chặn rãnh sâu b Rỗ vòng trong Ổ bi đũa trụ

c Rỗ vòng ngoài Ổ bi đũa trụ 2 dãy d Rỗ vòng trong Ổ bi đũa côn

e Rỗ vòng trong Ổ bi cầu tự lựa 2 dãy Hình 1 5: Một số hình ảnh rỗ vòng bi

* Mòn vòng ổ và con lăn

Quá trình mòn xuất hiện do ma sát của các bề mặt trƣợt (mặt đầu của các con lăn với cạnh bên, bề mặt vòng cách với bề mặt con lăn) Nguyên nhân chủ

yếu ở đây là do bôi trơn không đầy đủ và đúng quy cách, chịu sự tác động của các nhân tố bên ngoài Độ mòn tăng lên tỷ lệ với thời gian vận hành Hậu quả của dạng hỏng này là tăng khe hở hướng kính của ổ và làm tiền đề cho các dạng hỏng tiếp theo nguy hiểm hơn Độ mòn có thể giảm bằng cách cải thiện quá trình bôi trơn và tăng chất lượng bề mặt tiếp xúc của các chi tiết trong quá trình gia công

e Mòn do ma sát với tải nhẹ tại mặt lăn vòng trong Ổ bi chặn rãnh sâu

Hình 1 6: Một số hình ảnh mòn ổ bi

* Nứt và gẫy các chi tiết

Quá trình hình thành các vết nứt trên bề mặt các chi tiết của ổ có nguyên nhân từ tróc và rỗ bề mặt do ứng suất mỏi sinh ra vượt quá giới hạn cho phép Các vết nứt hình thành ban đầu thường rất nhỏ (cỡ vài µm) và sau thời gian hoạt động tương đối ngắn vết nứt này sẽ phát triển rất nhanh và gây nên gẫy hỏng chi tiết, hình 1.7 Dạng hỏng này là hư hỏng cục bộ và cũng đóng vai trò hết sức quan trọng, như là một đối tượng cần phát hiện của chuẩn đoán

a Nứt và vỡ trên Ổ bi cầu tự lựa 2 dãy b Nứt vòng ngoài của Ổ bi đũa trụ 2 dãy

c Nứt trên vòng ngoài ổ bi tiếp xúc 4 điểm

d Vỡ gờ vòng ngoài Ổ bi đũa trụ e Vỡ gờ thuộc vòng ngoài Ổ bi đũa trụ

Hình 1 7: Một số hình ảnh nứt gẫy vòng bi

Tần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn được cho trong bảng 1.2

Bảng 1 2: Tần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn

* Biến dạng dư bề mặt làm việc: Do chịu tải trọng va đập hoặc tải trọng tĩnh quá

lớn khi ổ không quay hoặc quay rất chậm (n nhỏ hơn 1 vòng/phút)

* Gỉ sét và ăn mòn:

Gỉ sét là một màng oxide, hydroxide, hoặc carbonate sinh ra trên bề mặt vật liệu bởi hoạt động hóa học Khi thiết bị dừng lại và nhiệt độ của chúng giảm tới nhiệt độ ngưng tụ, độ ẩm ngưng tụ thành những giọt nước và rơi xuống Nước rơi xuống thường kèm theo dầu bôi trơn, kết quả là gỉ sét sinh ra trên bề

mặt ổ lăn Khi ổ lăn được đặt vào nơi ẩm trong một thời gian dài, gỉ sét sinh ra trên rãnh lăn tại vùng trống giữa các con lăn

1.3 Một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng Ổ

Để khai thác tối đa công suất và thời gian sử dụng ổ; chủ động trong việc kéo dài tuổi thọ ổ trục; đảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, máy móc; giảm thiểu các sự cố đột xuất gây thiệt hại không nhỏ về chi phí bảo trì, vận hành cũng như sút giảm năng suất sản xuất của hệ thống thiết bị thì phải theo dõi tình trạng làm việc của vòng bi trong quá trình vận hành để phát hiện sớm hư hỏng và xử lý trước khi nó phát triển Điều này sẽ không chỉ làm giảm khả năng hư hỏng mà còn cho phép lên kế hoạch vật tư, nhân lực, kế hoạch sửa chữa hạng mục có liên quan trong suốt thời gian ngừng máy

1.3.1 Theo dõi (giám sát) tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trên yếu tố nhiệt

độ

1.3.1.1 Khái quát chung

Tất cả các hệ thống cơ khí nói chung và ổ lăn nói riêng trong quá trình hoạt động bình thường tạo ra nhiệt năng nên việc theo dõi bức xạ nhiệt để đánh

hành chụp hình ảnh nhiệt bằng hồng ngoại để đánh giá, phân tích tình trạng hoạt động của ổ lăn: Sử dụng nhiệt kế hồng ngoại để phát hiện lỗi của ổ bi trong điều kiện tải động [7]; dùng nhiệt kế hồng ngoại để kiểm tra, giám sát tình trạng của

ổ bi trong giai đoạn tải trọng động [8] (Hình 1.10); phân tích các hiệu ứng nhiệt (nhiệt độ) và ma sát của vòng bi [9]; Sử dụng nhiệt hồng ngoại để giám sát tình trạng của ổ bi trong chuẩn đoán lỗi dưới điều kiện bôi trơn [10] (Hình 1.11)

a Hình ảnh nhiệt theo định lượng của B6204 với chế độ tải trọng động

b Đồ thị nhiệt độ của B6204 với các tải trọng khác nhau Hình 1 10: Hình ảnh nhiệt và đồ thị nhiệt độ của B6204

a Đồ thị nhiệt độ ở 1,000 rpm

b Đồ thị nhiệt độ ở 3,000 rpm Hình 1 11: Ghi nhiệt độ hồng ngoại hình ảnh của ổ bi trong chuẩn đoán lỗi

Một trong những vấn đề lớn nhất của các ổ lăn khi hoạt động đó là nhiệt

độ tăng cao quá mức Nhiệt tăng cao quá mức [5, 6] có thể được tạo ra bởi ma sát, bôi trơn kém, quá tải, lỗi lắp ráp,… Khi nhiệt tăng cao quá mức sẽ dẫn đến những hư hỏng khó lường làm ảnh hưởng đến hoạt động của cả hệ thống máy móc

Giám sát nhiệt độ là một trong những kỹ thuật không thể thiếu của giám sát tình trạng Đối với mỗi chi tiết, nhiệt độ thay đổi có thể biểu hiện của những

hƣ hỏng ban đầu Nếu không đƣợc giám sát, phát hiện và hiệu chỉnh kịp thời thì đôi khi chỉ cần một hƣ hỏng nhỏ của những chi tiết này cũng có thể làm cho một thiết bị hoặc cả nhà máy ngừng hoạt động

a So sánh hình ảnh nhiệt của hai động cơ

b Kiểm tra nhiệt độ vòng bi của bơm đứng (vòng bi dưới nhiệt độ cao hơn)

c Hình ảnh nhiệt cho thấy lò quay nung vôi bị hư hỏng Hình 1 12: Giám sát tình trạng làm việc của một số thiết bị thông qua hình ảnh nhiệt

hồng ngoại

Ngày nay có rất nhiều phương pháp giám sát nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào tình trạng của thiết bị cần giám sát như: Đang đứng yên, đang chuyển động, khó tiếp xúc hay không thể tiếp xúc mà từ đó sử dụng các phương pháp giám sát nhiệt độ thích hợp

1.3.1.2 Phương pháp theo dõi (giám sát) nhiệt độ

- Phương pháp chủ quan:

Phương pháp chủ quan chủ yếu là dùng các giác quan như: Thị giác, xúc giác và khứu giác để kiểm tra sơ bộ nên thường kém chính xác Tuy nhiên trong một vài trường hợp phương pháp này gần như là duy nhất

- Phương pháp khách quan:

Trong kỹ thuật giám sát nhiệt độ, phương pháp giám sát khách quan được

áp dụng cho hầu hết các thiết bị hay các hệ thống điều khiển quá trình Có hai phương pháp giám sát nhiệt độ khách quan: Phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc

+ Phương pháp tiếp xúc: Phương pháp này khá phổ biến để giám sát nhiệt

độ Những thiết bị của phương pháp này hầu hết là sử dụng đơn giản, cho kết quả chính xác và đáng tin cậy Có thể dùng nhiều loại cảm biến khác nhau để nối với dụng cụ đo tùy theo hình dáng hay tính chất của môi trường đo

+ Phương pháp không tiếp xúc: Phương pháp không tiếp xúc tiến bộ nhất hiện nay là kỹ thuật dùng tia hồng ngoại Mọi vật đi qua điểm không tuyệt đối sẽ phát xạ một trường điện từ tùy theo nhiệt độ, được gọi là các tia hồng ngoại Thiết bị dùng tia hồng ngoại sẽ dò tìm các tia hồng ngoại đã phát ra từ đối tượng và chuyển thành tín hiệu để xử lý

Kỹ thuật tia hồng ngoại dùng để đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc đến đối tượng đo Kỹ thuật này được ứng dụng rất hiệu quả trong công tác bảo trì các chi tiết và thiết bị Bằng phương pháp này, có thể đo được nhiệt độ của thiết

bị mà không cần ngừng máy

1.3.1.3 Thiết bị giám sát nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Hỏa quang kế hay còn gọi là Pyrometer đây là loại cảm biến nhiệt độ đặc biệt biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện có chứa thông tin về nhiệt độ cần đo Nó làm việc chủ yếu trong môi trường khắc nghiệt mà các loại cảm biến nhiệt độ bình thường khó có thể đo được như là lò nung, lò luyện kim Nhiệt độ đo có thể đến hàng nghìn độ C

Đặc điểm của loại này là đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc với vật mang nhiệt Vì đặc điểm đo không tiếp xúc trực tiếp với điểm nhiệt độ cần đo nên độ chính xác của hỏa quang kế không cao chỉ mang tính tương đối, nó phụ thuộc chủ yếu vào bộ phận chuyển đổi thông tin ánh sáng và môi trường xung quanh tại thời điểm đo Dải nhiệt độ do càng cao thì sai lệch về nhiệt độ càng lớn Các thiết bị hỏa quang kế tất cả đều sử dụng hai loại thang nhiệt độ là o

C và oF, để người sử dụng lựa chọn

Thông thường người ta chia hỏa quang kế làm 2 loại

+ Hỏa quang kế bức xạ toàn phần

+ Hỏa quang kế cường độ sáng

Hỏa quang kế bức xạ toàn phần Hay còn gọi nhiệt kế hồng ngoại (IR Temperature) loại này là phổ biến nhất vì sử dụng đơn giản, đo nhiệt độ cao Thiết bị sử dụng diode hồng ngoại để thu năng lượng Nguyên lý đo theo định luật Stefan để suy ra nhiệt độ của vật

Năng lượng bức xạ: ET = ω.ζ.T4 (1.1)

Trong đó: ζ là hằng số ζ = 5,67.10-8[W/m2.K-4] hằng số Stefan

ε: 1 ≤ suất phát xạ (hệ số phát xạ)

Loại hỏa kế bức xạ toàn phần trong công nghiệp dùng tia laser phát ra

song song với trục của nó, vòng tròn sáng của tia laser đặt vào điểm cần đo nhiệt

độ Trên mặt hỏa quang kế luôn có một màn hình hiển thị kết quả đo

a Nhiệt kế hồng ngoại ghi nhiệt

b Nhiệt kế hồng ngoại hình ảnh Hình 1 13: Một số loại nhiệt kế hồng ngoại

RT C

e

C I

+ C1, C2 là hằng số

Nghĩa là hai vật có độ sáng ứng với một bước sóng nhất định bằng nhau thì có nhiệt độ bằng nhau Người ta thường chọn bước sóng 0,6 µm

1.3.2 Theo dõi và phân tích rung động

Kỹ thuật theo dõi và phân tích rung động là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật giám sát tình trạng thiết bị Rung động mang tính dây chuyền Ta

có thể nói rằng: “ Sự rung động này chính là nguyên nhân dẫn đến sự rung động khác” Chính vì vậy việc phát hiện và ngăn ngừa rung động là một công việc hết sức quan trọng và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán và ngừa phòng hư hỏng

Thông thường độ rung động của một chi tiết, một bộ phận cơ khí mang tính lũy tiến Do vậy, việc giám sát, theo dõi sự tiến triển của rung động là hoàn toàn có thể nếu như chúng ta có đủ thiết bị và thực hiện đúng phương pháp

Áp dụng kỹ thuật giám sát rung động sẽ giúp cho ta xác định một cách khá chính xác thời điểm xảy ra hư hỏng, hay nói một cách khác là thời điểm mà chi tiết hoặc thiết bị mất khả năng làm việc Để từ đó chúng ta sẽ tránh được các

hư hỏng ngẫu nhiên, các hư hỏng ngoài ý muốn Vì thông thường các hư hỏng loại này sẽ phải trả một chi phí rất lớn, nhất là đối với các chi tiết, các cụm máy quan trọng đối với sản xuất

Ngoài ra, kỹ thuật giám sát rung động sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị như: ổ trục, roto, vòng bi,… Và các chi tiết có chuyển động quay khác

Phân tích độ rung là một phương pháp đo lường được dùng để xác định, tiên đoán, và ngăn ngừa hư hỏng đối với máy móc có thiết bị xoay Thực hiện phân tích độ rung của máy móc sẽ cải thiện được độ tin cậy của máy móc và dẫn đến hiệu quả máy móc cao hơn và giảm thiểu hư hỏng về điện hay cơ khí Chương trình phân tích rung động được dùng khắp nơi trên thế giới trong lĩnh vực công nghiệp để phát hiện lỗi trong máy, lên kế hoạch sửa chữa máy móc, và giữ cho máy móc chạy đúng chức năng, không hư hỏng trong thời gian lâu nhất

Theo dõi sự rung động là công việc thực hiện trong lúc các điều kiện vận hành không được thay đổi, khi sự rung động gia tăng thì chỉ ra được những hỏng hóc sắp xảy ra Gia tăng mức độ rung động lớn thì hư hỏng cũng tăng lên Khi

cơ cấu có khối lượng và đàn hồi bị rung động thì tạo nên lực Lực này có thể tạo thành bởi thành phần tác động trực tiếp lên cơ cấu; nó có thể được khai triển bởi phản lực hoặc truyền đến cơ cấu từ rotor qua ổ trục Lực ly tâm có thể được truyền từ chuyển động quay do sự không cân bằng hoặc có thể là lực đẩy bởi sự

ăn khớp trong truyền động bánh răng hoặc bởi sự va đập chất lỏng trong bánh công tác Những thông số như là tốc độ quay của trục, số răng của bánh răng, số lượng bánh công tác,… đều có thể tính toán được tần số của nó khi có rung động Bằng sự so sánh giá trị của các tần số này với tần số khi mà sự rung động

bị tăng lên thì nó có thể xác định được nguồn gốc của sự gia tăng đó

Nếu sự thay đổi trong rung động có thể được phát hiện sớm hơn và được phân tích, thì chúng ta có thể can thiệp bảo trì sửa chữa trước khi hỏng hóc xảy

ra Vả lại, việc ngừng máy có thể được hoạch định tại một thời điểm thích hợp Như vậy đo và phân tích rung động định kỳ liên tục có thể là nền tảng cho việc giám sát tình trạng của máy có chuyển động quay (Hình 1.12) Do đó mà hệ thống giám sát rung động cần cung cấp:

- Đo mức gia tăng rung động để chỉ ra nhu cầu khẩn thiết cần quan tâm

- Đo tần số tại bất kỳ sự gia tăng nào xảy ra và cho phép chẩn đoán được vấn đề

Do đó, giám sát rung động là một công cụ hữu ích để phát hiện ra sự hiện diện của vấn đề về máy trong thời điểm sớm hơn Những vấn đề khác nhau gây

ra rung động trong những cách thức khác nhau

Hình 1 14: Đo và phân tích rung động bằng phương pháp phân tích phổ FFT

1.3.3 Theo dõi và phân tích dầu bôi trơn

Phân tích dầu là một chương trình lâu dài, nơi có liên quan, có thể cuối cùng dự đoán tốt hơn bất kỳ công nghệ nào Có thể mất một năm cho các chương trình này để đạt được mức độ phức tạp và hiệu quả

Kỹ thuật phân tích thực hiện trên mẫu dầu có thể được chia ra hai loại: Phân tích dầu được sử dụng vàphân tích các phần tử mài mòn nhiễm trong dầu bôi trơn phân tích dầu được sử dụng sẽ xác định tình trạng của dầu đó, sẽ xác định chất lượng của dầu và kiểm tra có tiếp tục sử dụng nữa hay không Phân tích các phần tử mài mòn nhiễm trong dầu bôi trơn sẽ xác định tình trạng cơ khí của các thành phần máy được bôi trơn, bạn có thể nhận biết các thành phần của các vật liệu rắn hiện diện và đánh giá loại hạt mài mòn, kích cỡ, mật độ phân bố, hình dạng và cấu trúc

Hình 1 15: Mô hình lấy mẫu để giám sát tình trạng dầu bôi trơn

1.3.4 Kỹ thuật NDT

Kiểm tra không phá hủy hay kiểm tra không tổn hại Destructive Testing - NDT), hay còn gọi là đánh giá không phá hủy (Non-Destructive Evaluation - NDE), kiểm định không phá hủy (Non-Destructive Inspection - NDI), hoặc dò khuyết tật là việc sử dụng các phương