1.3. Bạc trượt cho máy bơm nước
1.3.1. Các loại vật liệu làm bạc trượt
Ban đầu bạc trượt làm bằng gỗ. Nhưng bạc trượt bằng gỗ có độ bền không cao được sử dụng trong thời gian dài. Cho đến đầu thế kỉ 20, một kỹ sư người Anh, khi sửa nhanh một máy bơm ở mỏ, đã sử dụng cao su cắt từ vòi ống, ông thấy rằng đặc tính chống mài mòn của cao su tốt hơn hẳn, kéo dài được thời gian sử dụng.
Phát hiện này đã đánh dấu sự kết thúc quá trình sử dụng bạc trượt bằng gỗ, cao su đã trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong thiết kế bạc trượt tự bôi trơn bằng nước.
Hình 1.2. Cao su được sử dụng trong chế tạo bạc trượt
bôi trơn nước [20].
Nguyễn Thị Hạnh 17 Lớp: K37C. CN Hóa Cao su là loại vật liệu có tính chất vô cùng quý giá. Khác với các vật thể rắn, cao su có độ bền cơ học thấp hơn, nhưng có đại lượng biến dạng, đàn hồi lớn hơn nhiều. Khi bị tác dụng bởi ngoại lực, những sản phẩm cao su có khả năng biến dạng hàng chục lần so với kích thước ban đầu. Kích thước ban đầu lại được thiết lập ngay sau khi loại bỏ ngoại lực.
Cao su là một hỗn hợp gồm nhiều cấu tử, cũng như những hệ hóa học khác, các tính chất cơ lý, hóa đặc trưng cho hợp phần cao su phụ thuộc vào bản chất hóa học các cấu tử, kích thước hay mức độ phân tán các cấu tử trong khối cao su, sự tác động tương hỗ lẫn nhau và giữa chúng với môi trường phân tán là cao su trong hỗn hợp. Lựa chọn các chất phụ gia thích hợp, xác định hàm lượng của chúng trong hợp phần cao su sao cho sự có mặt của mỗi chất không làm giảm hiệu quả sử dụng của các chất khác hoặc lại có tác dụng tăng cường hiệu quả sử dụng các chất phối hợp khác là yếu tố quan trọng nâng cao tính năng kỹ thuật của hợp phần cao su.
Công nghệ gia công, chế tạo sản phẩm cao su là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật, thời gian sử dụng sản phẩm đó.
Điều kiện công nghệ, máy và thiết bị tiến hành hỗn luyện khác nhau có thể nhận được các hỗn hợp cao su mà mức độ phân tán các cấu tử trong nó khác nhau.
Từ năm 2000 tới 2003, Trường đại học Liverpool John Moores khi khảo sát hoạt động bạc trượt bằng kính hiển vi, cùng với tính toán động lực học chất lỏng, đã chứng minh được rằng dưới sự quay của trục, tính mềm dẻo của bề mặt cao su là nguyên nhân làm nó hơi bị lõm xuống. Điều này để lại những lỗ hổng nhỏ với chiều sâu một vài micro,
Nguyễn Thị Hạnh 18 Lớp: K37C. CN Hóa nơi nước sẽ đẩy trục, mặc dù trục vẫn chỉ tiếp xúc với cao su ở hai bên của lỗ hổng này.
Điều này giải thích tại sao các vật liệu không đàn hồi như gỗ, hoặc vật liệu compozit như polyme gia cường sợi thủy tinh (GRP), lại bị mài mòn và có tiếng ồn lớn hơn cao su.
Nghiên cứu thực hiện tại trường đại học Liverpool John Moores cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệ cao su để tăng tuổi thọ bạc trượt, bằng cách đảm bảo rằng cao su được lưu hóa tối ưu, quá trình gia công tạo mẫu được tốt.
Hình 1.3. Bạc trượt bằng cao su có thể tháo lắp [20].
Bạc trượt hiện đại có đặc điểm tự điều chỉnh, giống với khả năng tự hồi phục của cao su.
Tính chất đàn hồi lớp lót cao su làm cho bạc trượt có khả chống xốc và có được độ võng do trục không đồng tâm khi nước chảy qua trục có các hạt và mảnh vỡ. Những tính năng này của bạc trượt góp phần làm cho tiếng ồn nhỏ và khoảng thời gian giữa hai lần bảo dưỡng dài.
Quá trình bảo dưỡng dễ dàng hơn bởi trên các bạc trượt có kích thước lớn sử dụng thanh có thể tháo dỡ được, đó là một trong hai bu lông lắp với khớp đúng rãnh gia công trong vỏ (hình 1.3).
Đối với tất cả các loại bạc trượt, liên kết giữa lớp cao su và vỏ
Nguyễn Thị Hạnh 19 Lớp: K37C. CN Hóa kim loại là quan trọng, nó phải phù hợp với độ bền của cao su và quá trình thay đổi đặc tính của nó khi làm việc.
Hệ số ma sát của cao su butadien nitril (NBR) trong nước thấp, hệ số ma sát của teflon (PTFE) còn thấp hơn (Hình 1.4). Với bạc làm bằng NBR, có thể xảy ra cháy ngay lập tức nếu nó làm việc ở trạng thái khô.
Hình 1.4. Hệ số ma sát của bạc cao su (NBR) và bạc PTFE trong nước [9].
1.3.1.2. Bạc trượt teflon (PTFE)
PTFE được tổng hợp từ monome tetraflo-etylen tương tự như polyetylen được tổng hợp từ monome etylen.
Nguyên tử flo lớn hơn rất nhiều so với nguyên tử hyđro nên mạch phân tử không còn phẳng, nó có dạng xoắn ốc với nguyên tử flo bó chặt xung quanh liên kết trung tâm C – C. Những nguyên tử flo bên ngoài bảo vệ liên kết yếu C – C và kết quả là PTFE rất bền hóa học.
Trong thực tế, polyme flo bền hóa học và không hòa tan trong hầu hết dung môi. Nó chỉ bị tấn công khi vật liệu nấu chảy hoặc kim loại kiềm hòa tan, như natri trong amoniac lỏng, flo bị tách ra từ cuối mạch cacbon. Hơn nữa, ở nhiệt độ cao polyme flo có thể bị tấn công bởi flo, một số các hợp chất của flo, kiềm thổ và ôxít kim loại kiềm[11].
Nguyễn Thị Hạnh 20 Lớp: K37C. CN Hóa Như đã biết, PTFE có đặc tính tự bôi trơn. Khi vật liệu sử dụng làm bạc máy bơm thẳng đứng, nó có thể khởi động khô (khởi động không cần bôi trơn ban đầu). Bạc làm bằng PTFE đã được chế tạo như là một cải tiến bạc làm bằng cao su để giảm tiếng ồn gây ra bởi ma sát với trục cánh quạt khi tốc độ quay thấp. Vì có hệ số ma sát thấp nên PTFE thường được dùng làm bạc cho máy bơm thẳng đứng có thể khởi động ngay mà không cần chất bôi trơn.
Chất độn có thể thay đổi rất nhiều ma sát của vật liệu. Lựa chọn tỷ lệ chất độn chính xác có thể chế tạo được vật liệu compozit có các tính năng tối ưu, phù hợp với yêu cầu của bạc compozit. Pushkar Venkatesh Kulkarni và N. K. Chapkhhane (Ấn Độ) đã chế tạo bạc trượt với thành phần như sau:
35% sợi thủy tinh độn với PTFE 55% đồng + 5% MoS2 độn với PTFE 35% cacbon độn với PTFE
Sau khi thử những vật liệu compozit khác nhau họ đã lựa chọn tổ hợp Đồng + MoS2 + PTFE làm bạc cho bơm trục đứng. Độ cứng của bạc với hàm lượng đồng khác nhau được khảo sát. Với 55% bột đồng độ cứng của bạc đạt gần 65 tới 70 shore D. MoS2 đã cải thiện đáng kể khả năng bôi trơn của compozit. Hệ số ma sát cũng được cải thiện bởi MoS2 dẫn tới thời gian làm việc của bạc được gia tăng.
Loại bạc này có tuổi thọ đáng kể với môi trường nước sạch, ở những môi trường với những điều kiện ăn mòn khác chưa được thử nghiệm.
1.3.1.3. Vật liệu NBR/PTFE
Nhiều nghiên cứu đã chế tạo bạc trượt sử dụng kết hợp cao su và
Nguyễn Thị Hạnh 21 Lớp: K37C. CN Hóa teflon để có được các tính chất tối ưu. Các nhà khoa học của Đại học Aston (Anh Quốc) đã phát triển thành công loại bạc trượt kết hợp này.
Vật liệu mới này cho hệ số ma sát thấp và giảm ma sát tĩnh. Điều này giúp bơm có thể chạy khô một thời gian ngắn ở giai đoạn đầu, và có thể hoạt động tốt ở môi trường biển. Ma sát tĩnh thấp cho phép sử dụng mô tơ nhỏ hơn và trục quay trong điều kiện chạy khô, tiết kiệm đáng kể chi phí trang thiết bị.
Bạc kết hợp PTFE có cấu trúc ba lớp, trong đó lớp cao su mềm nằm giữa hai lớp PTFE và lớp vỏ kim loại. Cấu trúc này được xác định bởi những kết quả nghiên cứu hơn 20 năm [9].
Hình1.5. Hai kiểu bạc trượt bằng PTFE
Thành công của cấu trúc này phụ thuộc trên công nghệ liên kết của các sản phẩm cao su. PTFE có hệ số ma sát thấp và có thể ngăn sự trương trong nước của cao su. Tỷ lệ trương thấp của cao su có thể đạt được bởi điều chỉnh thành phần hóa học để giữ độ cứng khoảng 70 ShoreA.