Đối với cụm xilanh – piston thì sự hỏng hóc rất đa dạng, mỗi dạng đều có nguyên nhân riêng. Qua việc phân tích quá trình làm việc của bơm dung dịch khoan YHБ – 600, ta thấy cụm xilanh – piston có các dạng mòn hỏng chính sau: hỏng do mòn, hỏng do va đập và hỏng do khuyết tật chế tạo.
4.1.3.1. Hỏng do mòn
Đây là dạng hỏng hay gặp nhất đối với cụm xilanh – piston của máy bơm khoan YHБ – 600.
Sự mòn là sự thay đổi dần dần, có tính quy luật về hình dạng, kích thước, trạng thái cấu trúc của chi tiết, cũng như tính chất ban đầu của nó theo thời gian trong điều kiện làm việc bình thường của máy.
Để đánh giá về sự mòn hỏng của chi tiết, người ta đưa ra khái niệm về độ mòn cho phép và độ mòn giới hạn:
Độ mòn cho phép là hiệu số giữa kích thước danh nghĩa và kích thước cho phép. Trong đó, kích thước danh nghĩa là kích thước ghi trên bản vẽ, kích thước cho phép là kích thước nằm trong miền dung sai quy định ghi trên bản vẽ.
Độ mòn giới hạn là hiệu số giữa kích thước danh nghĩa và kích thước giới hạn. Trong đó, kích thước giới hạn là kích thước mà khi chi tiết đạt đến, nó sẽ bị loại bở và không được sử dụng nữa.
Khi chi tiết bị mòn, nếu giá trị mòn của chúng vượt quá độ mòn giới hạn thì chúng được coi là hỏng.
1. Đối với xilanh
Xilanh chủ yếu bị mòn theo chiều dài hành trình làm việc, cường độ mòn theo chiều dài thường không đều, làm mặt trụ của xilanh trở thành mặt côn.
Bề mặt lỗ của xilan bị mòn cơ học và mài mòn phân tử tạo nên các vết xước, bị mòn hoá học tạo nên các vũng rỗ do lớp gỉ bong ra. Theo chiều dài làm việc các vết này có độ rộng và độ sau khác nhau, tức làm cho xilanh mòn không đều.
Xilanh mòn nên hình dáng bị thay đổi, phía dưới bề mặt trong xilanh có phần bị mòn nhiều hơn, xilanh sẽ bị ôvan. Phía trên điểm chết trên ( ĐCT ) và phía dưới điển chết dưới ( ĐCD ) của xilanh bị mòn ít hơn phần giữa ĐCT và ĐCD.
Hình 4.3. Sự mòn của xilanh Bảng 4.3. Các chi tiết trong hình 4.3
STT Tên chi tiết STT Tên chi tiết
a Xilanh khi chưa bị mòn 1 Mặt trong của xi lanh khi chưa mòn b Xilanh đã bị mòn 2 Mặt trong của xilanh khi bị mòn
Bề mặt ngoài của xilanh cũng thường xuyên xuất hiện các lớp oxít, các vết rỗ nông, nên bề mặt ngoài của xilanh cũng bị mòn.
2. Đối với piston
Hình 4.4. Sự mòn vòng cao su của piston
Trên bề mặt piston tiếp xúc với bề mặt trong của xilanh thì chủ yếu xuất hiện các vết xước không đều nhau dọc theo chiều dài, đồng thời quá trình chuyển động của piston trong xilanh sẽ làm mòn mép biên của piston.
Mặt piston trực tiếp nén chất lỏng cũng thấy xuất hiện chủ yếu các vết rỗ dày, độ rộng và sâu khá lớn. Đai ốc siết hai đầu piston bị giảm kích thước.
Lỗ piston cũng có biểu hiện của sự mòn, sự mòn này biểu hiện ở sự giảm độ khít giữa lỗ piston và cần piston. Lỗ piston có các lớp oxít, phía mép ngoài của nó bị mòn nhiều hơn.
Vòng cao su làm kín bị rỗ, xước và mòn, ở một số piston có thời gian làm việc lâu dài, vòng cao su còn bị rách.
3. Nguyên nhân sự mòn hỏng cụm xilanh – piston
Sự mài mòn cụm xilanh – piston thường gây lên hư hỏng khi độ mòn vượt quá giới hạn cho phép. Sự mòn hỏng của chúng chủ yếu do các nguyên nhân sau:
Do sự xuất hiện của các hạt mài, các hạt mài là các kim loại hoặc phi kim có độ bền, độ cứng lớn hơn độ bền, độ cứng của lớp kim loại bề mặt xilanh – piston. Chúng xuất hiện do hai nguyên nhân cơ bản sau:
Các hạt mài có sẵn trên bề mặt chi tiết: do lỗi của quá trình gia công chi tiết lần cuối, như dùng phương pháp mài tinh lần cuối, sau khi gia công còn có hạt mài cứng găm trên bề mặt làm việc của xilanh.
Các hạt mài có trong dung dịch khoan: trong bơm khoan YHБ – 600, không dùng dầu bôi trơn để bôi trơn cụm xilanh – piston, mà người ta dùng luôn dung dịch khoan để bôi trơn, làm mát. Khi bơm làm việc, dung dịch khoan vừa là chất lỏng làm việc, vừa đóng vai trò bôi trơn, làm mát bộ truyền xilanh – piston. Nhưng trong dung dịch khoan có các chất rắn như các hạt nặng BaSO4, Fe2O3, ... các hạt rắn từ dưới đáy giếng khoan đi lên do quá trình làm sạch dung dịch còn sót lại như thạch anh, đá, cát, ...
Trong quá trình làm việc, các hạt mài này bị piston đẩy chuyển động theo, và giống như một dao cắt, nó cắt đi một lớp kim loại trên bề mặt làm việc của cụm xilanh – piston gây lên xước và làm cụm xilanh – piston bị mòn nhanh.
Các chất hoá học có khả năng ăn mòn chứa trong dung dịch khoan tạo ra các lớp oxít trên bề mặt kim loai của chúng. Các vết xước trên bề mặt kim loại là chỗ rất thuận tiện để các chất hoá học đọng lại và hình thành nên các lớp oxít. Khi piston chuyển động, nó sẽ cuốn đi các lớp oxít này và để lại trên bề mặt xilanh các vết rỗ. Các vết này ngày càng phát triển nhanh hơn do sự chuyển động liên tục của piston trong xilanh để tạo ra lưu lượng và áp suất yêu cầu, đồng thời dưới sự tác động của nhiệt độ và áp suất làm việc sẽ làm cho cụm xilanh – piston mòn rất nhanh.
Do lực ma sát giữa xilanh và piston: Fms = N.f (4.1)
Hình 4.5. Ảnh hưởng của thành phần lực N đến độ mòn của xilanh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thành phần lực N này gây ra chèn ép hạt mài, làm tốc độ mài mòn bộ truyền xilanh – piston tăng nhanh.
Trong bơm YHБ – 600, hai xilanh đặt nằm ngang nên khi piston chuyển động, thành phần lực N có thể được coi là trọng lượng bản thân piston, nó sẽ tạo ra áp lực lên thành xilanh, đặc biệt là phía dưới của xilanh. Do đó, phía dưới của xilanh bị mòn nhiều hơn, nên xilanh bị ôvan. Riêng ở phần trên của chết trên và phần dưới của điển chết dưới, do không có sự tác dụng của lực ma sát giữa xilanh và piston nên chúng bị mòn rất ít.
Ngoài ra, sự tác động tức thời giữa các phần tử của bề mặt tiếp xúc với thành phần xilanh – piston sẽ làm xuất hiện các lực nén cục bộ, sinh ra ma sát sẽ làm cặp xilanh – piston bị mỏi nên sẽ gây ra mòn.
Tại chỗ lắp van có độ mòn lớn nhất là do sự tác động của dòng chảy dao động có chứa các hạt rắn, đồng thời đây cũng là chỗ chịu tác động của dòng chảy có nhiệt độ và áp suất lớn nhất.
Do sự tác động của áp lực dòng chảy lên bề mặt cụm xilanh – piston, đồng thời dung dịch lại luôn luôn thay đổi ra vào liên tục cũng sẽ làm quá trình mài mòn bộ truyền này diễn ra nhanh hơn.
Do sự hỏng của đệm làm kín ngoài xilanh – piston hoặc các đệm làm kín này được xiết chưa chặt, nên dung dịch khoan có thể chảy qua và đọng lại trên bề mặt ngoài của xilanh – piston. Từ đó, chúng sẽ hình thành các lớp gỉ (lớp oxi hoá) làm mòn dần bề mặt ngoài của xilanh.
4.1.3.2. Hỏng do va đập
Sự hỏng của cụm xilanh – piston chủ yếu là do sự mòn chi tiết. Nhưng bên cạnh đó, trong quá trình bơm làm việc, vì một lý do nào đó, nó cũng sẽ gây ra một số va đập tương đối mạnh và cũng sẽ dẫn đến làm hỏng cụm này.
Thông thường, có hai dạng va đập thường gặp đối với cụm xilanh – piston khi bơm làm việc là: va đập thuỷ lực và va đập cơ khí.
1. Va đập thuỷ lực
Va đập thuỷ lực là hiện tượng biến đổi áp suất đột ngột khi có sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chảy.
Khi xảy ra hiện tượng va đập thuỷ lực, bề mặt piston và xilanh sẽ xuất hiện các vết rỗ rộng và sâu. Các vết này phát triển nhanh, làm cho bề mặt của xilanh – piston bị mòn rất mạnh, dẫn đến khe hở lắp ghép thay đổi và trong khoang thuỷ lực sẽ xuất hiện tiếng kêu. Hiện này xảy ra thường do các nguyên nhân sau:
Hiện tượng xâm thực
Đây là hiện tượng rất hay xảy ra với các máy thuỷ lực nói chung và máy thuỷ lực thể tích nói riêng. Nó là hiện tượng xuất hiện các bọt khí trong dòng chất lỏng do nguyên nhân giảm áp suất động tới một giá trị tới hạn nào đó, thường giá trị tới hạn này là áp suất hơi bão hoà.
Trong máy bơm piston thì hiện tượng này xảy ra là do:
Tốc độ dòng chảy ở cửa vào quá cao, làm áp suất chất lỏng giảm mạnh, khi áp suất đó nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng thì xảy ra hiện tượng xâm thực.
Lựa chọn, tính toán đường kính và chiều dài ống hút không hợp lý, làm tăng tổn thất trên đường ống hút.
Nhiệt độ của chất lỏng bơm thay đổi khi nhiệt độ của chất lỏng tăng, dẫn đến giảm áp và gây ra hiện tượng xâm thực.
Khí lọt vào trong xilanh qua hệ thống làm kín hoặc khí lẫn trong dung dịch quá lớn, chưa được lọc một cách triệt để.
Khi trong bơn xuất hiện các bọt khí thì chúng sẽ tập trung lại và chiếm chỗ dòng chảy, dẫn đến xuất hiện các khoảng trống cục bộ và làm diện tích dòng chảy giảm, nên các chất lỏng xung quanh xô đến với vận tốc cực lớn, làm cho áp suất tại đó tăng đột ngột, hình thành lên một áp lực lớn tác động vào bề mặt xilanh. Ban đầu sẽ tạo ra các vết nứt nhỏ trên bề mặt, sau đó phát triển lên thành các lỗ hổng (các vết rỗ) trong xilanh. Khi các lỗ hổng được hình thành, phần chất lỏng ít nhiều cũng sẽ bị trộn lẫn của hơi, xâm nhập vào các lỗ hổng này và gây ra hiện tượng va đập trong các vết rỗ, làm cho các vết này phát triển rất nhanh và làm thủng xilanh. Nếu bề mặt chi tiết không phẳng, nó sẽ hấp thụ phần lớn năng lượng nên sẽ bị phá hỏng nhanh do hiện tượng xâm thực nhanh hơn so với bề mặt xilanh phẳng.
Đường đặc tính xâm thực cho thấy khả năng làm việc bình thường của máy bơm ứng với số vòng quay không đổi và nhiệt độ làm việc nhất định phụ thuộc độ chân không của máy bơm.
Hình 4.6. Đường đặc tính xâm thực của máy bơm
K1, K2 là điểm giới hạn phạm vi làm việc an toàn của bơm ứng với trị số áp suất chân không giới hạn. nếu độ chân không vượt quá các trị số giới hạn thì bơm sẽ làm việc trong tình trạng bị xâm thực.
Sự tác động của lực quán tính
Như đã nói ở trên, dòng dung dịch trong bơm piston là dòng không ổn định, vận tốc chuyển động của dòng chảy chất lỏng trong bơm phụ thuộc vào vận tốc
chuyển động của piston, nó là hàm thay đổi theo thời gian: v = f(t), với 0. Nếu dung dịch khoan có khối lượng m chuyển động trong bơm sẽ chịu tác
dụng của lực quán tính: Rqt m. (dấu (-) của Rqt biểu thị lực quán tính ngược chiều với gia tốc). Nếu vận tốc v tăng thì lực quán tính Rqt tác dụng ngược chiều dòng chảy, ngược lại, nếu vận tốc v giảm thì lực quán tính Rqt tác dụng cùng chiều dòng chảy.
Lực quán tính này sẽ tác dụng lên dòng chảy, gây ảnh hưởng không tốt đến hệ thống bơm, cụm xilanh – piston, đường ống và các hệ thống khác. Đồng thời, do
vận tốc v của piston thay đổi một cách có chu kỳ, nên gia tốc cũng thay đổi một cách có chu kỳ cả về chiều và độ lớn. Vì vậy, lực quán tính sinh ra trong bơm là một tải trọng động có chu kỳ, tác động vào các bộ phận của bơm và hệ thống. Tải
trọng động này đôi khi rất lớn, nhất là đối với những bơm có hệ số không đồng đều về lưu lượng. Do có sự tồn tại của lực quán tính này, nên trong phương trình chuyển động của dòng chảy không ổn định có thành phần của lực quán tính. Đó là phương trình Becnuli cho dòng chảy không ổn định: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1 . p v z h ds const g t γ ∂ + + + ÷ = ∂ ∑ ∫ (4.2) Thành phần hqt = v ds t ∂ ∂ ÷
∫ , với s là diện tích của mặt cắt ống dẫn, liên quan đến lực quán tính, được gọi là cột áp quán tính. Cột áp quán tính có thể gây ra xâm thực cho máy bơm và dẫn tới làm mòn hỏng cụm xilanh – piston.
2. Va đập cơ khí
Dạng hỏng này chủ yếu là do khâu lắp ráp bơm như: Lắp ráp các xilanh có khuyết tật: han, gỉ, rỗ, ... Mối ghép giữa ty piston và piston bị hỏng.
Các bộ phận đệm làm kín lắp chưa đúng hoặc lắp chưa chặt. Do đó, khi bơm làm việc có thể xảy ra các hiện tượng:
Chất khí từ ngoài lọt vào khoang thuỷ lực.
Chất lỏng bơm chảy qua đệm làm kín và đọng lại ở bề mặt ngoài của xilanh, lỗ piston.
Áp suất buồng làm việc giảm.
Khi xảy ra các hiện tượng đó làm cho cụm xilanh – piston bị hỏng rất nhanh, bơm làm việc có tiếng kêu lớn, sau đó dẫn đến sự phá huỷ các chi tiết trong khoang thuỷ lực, cụ thể là cụm xilanh – piston, rồi đến các bộ phận của bơm.
4.1.3.3. Hỏng do khuyết tật chế tạo
Các khuyết tật chế tạo có thể xảy ra là:
Kết cấu chi tiết không hợp lý, không phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Bề mặt xilanh có các vết rỗ, nứt.
Việc áp dụng phương pháp gia công lần cuối bề mặt xilanh không đảm bảo, trên bề mặt xilanh còn găm các hạt mài.
Lớp cao su của piston không đảm bảo điều kiện độ bền, độ cứng, khả năng chịu nhiệt, chịu áp suất cao và chịu dầu.
Lỗ piston bị rỗ, độ côn của lỗ không đảm bảo.
Khi máy bơm làm việc thì piston chuyển động tịnh tiến trong xilanh, làm xuất hiện lực mat sát giữa hai bề mặt tiếp xúc, tạo ra áp lực riêng trên bề mặt tiếp xúc giữa xilanh và piston rất lớn, cộng với sự tác động của các hạt mài, chất oxi hoá làm cho các nhấp nhô (vết xước, vết rỗ) trên bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết nhanh chóng bị cuốn đi cùng với các lớp oxít, dẫn đến bộ truyền xilanh – piston bị mòn rất
nhanh. Do đó, khe hở lắp ghép giữa chúng tăng, sinh ra lực động học lớn, dẫn đến sự cố làm mòn cụm này cũng như các bộ phận khác và làm ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống bơm.