Phân tích hư hỏng vòng bi - ISO 15243 sẵn sàng trợ giúp bạn

Có thể xác định các dạng hư hỏng và nguyên nhân gây hư hỏng ổ lăn là bước đầu tiên để tránh các hư hỏng lặp lại và cải thiện độ tin cậy của máy móc.

Vòng bi là một trong những bộ phận phổ biến nhất trong máy móc công nghiệp hiện đại. Chúng kết nối bộ phận quay (trục) với bộ phận đứng yên (vỏ) với ma sát tối thiểu. Chúng cho phép vận hành trơn tru các loại máy móc từ ô tô và máy bay đến máy phát điện, băng tải, máy in và bất kỳ loại máy móc hoặc thiết bị quay nào.

Những người làm việc với máy móc công nghiệp sẽ hiểu rõ hơn về cách chúng hoạt động và đôi khi chúng bị hỏng sớm khi vận hành.

Với suy nghĩ này, Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) đã công bố ISO 15243, một tiêu chuẩn cung cấp sự phân loại các dạng hư hỏng khác nhau xảy ra trong vòng bi lăn. Đối với mỗi dạng lỗi, tiêu chuẩn mô tả các đặc điểm, hình thức và nguyên nhân có thể gây ra lỗi. Phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn đã được xuất bản vào năm 2017.

Cùng với việc hiểu các đặc điểm và hình thức của một dạng lỗi, điều quan trọng là phải hiểu nguyên nhân gây ra lỗi. Với sự hiểu biết này, có thể đưa ra các khuyến nghị về hành động khắc phục để giúp tránh thất bại trong tương lai. Tất nhiên, nếu ổ trục bị hỏng và xảy ra hiện tượng giật thì có thể không thể xác định được chế độ và nguyên nhân hỏng hóc.

Ở đây chúng tôi cung cấp bản tóm tắt về các dạng hư hỏng ISO của vòng bi lăn cũng như nguyên nhân của chúng. Nhưng trước tiên một số thông tin cơ bản.

Khái niệm cơ bản về vòng bi

Vòng bi là các bộ phận máy có độ chính xác cao được làm bằng thép chịu lực có độ cứng cao và, trong nhiều trường hợp hiện nay, có các bộ phận lăn bằng gốm. Ổ trục bao gồm các vòng bên trong và bên ngoài, bi hoặc con lăn và vòng cách, và, tùy ý, được đậy bằng vòng đệm hoặc tấm chắn. Hình 1 cho thấy các bộ phận chung của vòng bi. Vòng bi có nắp được nhà sản xuất bôi đầy dầu mỡ. Bôi trơn, mỡ hoặc dầu rất quan trọng cho sự phát triển độ dày màng bôi trơn cần thiết để tách các bộ phận lăn và mương. Vòng bi phải được chọn riêng cho máy, được lắp và lắp đúng cách, được bôi trơn tốt và không bị nhiễm bẩn. Hiểu biết đúng đắn về hình dạng bên trong của ổ trục và cách thức hoạt động của ổ trục là rất quan trọng khi tìm kiếm các dấu hiệu hư hỏng.

Hình 1: Thuật ngữ ổ trục – ổ bi rãnh sâu.

Việc so sánh mô hình tải trọng của ổ trục đã ngừng hoạt động với mô hình tải trọng của ổ trục đã hoạt động tốt có thể hữu ích để hiểu nguyên nhân gây hư hỏng ổ trục. Điều quan trọng nữa là phải chú ý đến vòng bi giả. Vòng bi giả thường có tuổi thọ sử dụng ngắn hơn so với vòng bi được sản xuất bởi nhà sản xuất vòng bi có uy tín.
 

Nguyên nhân hỏng hóc vòng bi

Điều gì khiến vòng bi không thể hoạt động chính xác và sau đó dẫn đến hỏng hóc? Có nhiều câu trả lời khác nhau cho câu hỏi này, tùy thuộc vào người bạn hỏi. SKF thực hiện nhiều cuộc điều tra kiểm tra vòng bi và phân tích hư hỏng cho khách hàng và cho nghiên cứu của chúng tôi. SKF ghi lại các cuộc điều tra trong phần mềm dựa trên đám mây – Công cụ Báo cáo Phân tích Vòng bi (BART). Các lý do khiến vòng bi bị loại bỏ khỏi hoạt động và nguyên nhân dẫn đến việc loại bỏ vòng bi được theo dõi cùng với một số dữ liệu khác. Với dữ liệu này, SKF có thể đưa ra một số câu trả lời cho câu hỏi: Tại sao vòng bi ngừng hoạt động?

Dữ liệu cho thấy hầu hết các vòng bi đều bị ngừng hoạt động do độ rung và tiếng ồn quá mức. Vòng bi cũng được tháo ra khỏi hoạt động khi thực hiện bảo trì trên máy móc hoặc khi nhiệt độ quá cao (hình 2).

Hình 2: Những lý do hàng đầu khiến vòng bi bị loại khỏi hoạt động.

Các nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng vòng bi là do bôi trơn và nhiễm bẩn (hình 3). Nguyên nhân bôi trơn có thể là do thiếu chất bôi trơn, chất bôi trơn không phù hợp, độ ẩm hoặc chất lỏng khác trong chất bôi trơn, sự xuống cấp của chất bôi trơn, v.v. Nguyên nhân gây ô nhiễm có thể là do ô nhiễm hạt xuất hiện trong quá trình lắp ráp hoặc bảo trì, ô nhiễm hạt do mài mòn các bộ phận máy móc (bánh răng) , chẳng hạn), bịt kín không hiệu quả, lọc không đủ, v.v. Hư hỏng vòng bi cũng có thể do sử dụng (ứng dụng) vòng bi không đúng cách hoặc lắp (giao diện) kém và xử lý vòng bi không đúng cách.

Hình 3: Các nguyên nhân thường gặp gây hư hỏng vòng bi

Phân loại chế độ lỗi ISO 15243 trong quá trình vận hành vòng bi

ISO 15243: 2017 phân loại các dạng hư hỏng xảy ra khi ổ trục được lắp vào tài sản/máy móc và trong quá trình vận hành, nghĩa là nó không bao gồm các lỗi thuộc loại sản xuất chẳng hạn như các bộ phận bị thiếu. Các dạng hư hỏng ISO được chia thành sáu loại: mỏi tiếp xúc lăn, mài mòn, ăn mòn, xói mòn điện, biến dạng dẻo và nứt và gãy (hình 4). Mỗi loại này được chia thành các tiểu mục để phân loại cụ thể hơn các dạng hư hỏng.

Hình 4: Phân loại kiểu lỗi theo ISO 15243:2017.

Việc đánh số (ví dụ: 5.1.2) của các phân loại dựa trên Chương 5 của ISO 15243. Tham khảo [ Sổ tay Phân tích hư hỏng và hư hỏng vòng bi ] có thể hữu ích để xác định dạng và nguyên nhân hỏng ổ trục.
 

Sáu cách phân loại được mô tả như sau:

Độ mỏi tiếp xúc lăn (ISO 5.1)

Độ mỏi tiếp xúc lăn được phân loại thành hai loại: mỏi bắt đầu dưới bề mặt và mỏi bắt đầu từ bề mặt. Độ mỏi bắt đầu dưới bề mặt (ISO 5.1.2) (hình 5) là do tải trọng theo chu kỳ của các bề mặt tiếp xúc lăn, theo thời gian gây ra sự thay đổi cấu trúc vật liệu nơi bắt đầu các vết nứt nhỏ. Các vết nứt nhỏ phát triển bên dưới bề mặt, thường ở vị trí xâm nhập vào vật liệu và lan truyền lên bề mặt dưới dạng các vết nứt. Độ mỏi bị ảnh hưởng bởi chất lượng ổ trục, tải trọng tác dụng, độ bôi trơn và độ sạch. Điều này tương tự như tuổi thọ định mức vòng bi, L 10mh . Độ mỏi dưới bề mặt có thể tăng nhanh nếu ổ trục chịu ứng suất cao, chẳng hạn như do quá tải tạm thời hoặc các sự kiện khác làm suy yếu vật liệu. Trong những trường hợp này, tuổi thọ mỏi ngắn (5 % đến 10 % của L 10mh ). Độ mỏi bắt đầu trên bề mặt (ISO 5.1.3) (hình 6) là độ mỏi bắt đầu trên bề mặt lăn và thường gây ra do hư hỏng bề mặt do bôi trơn kém hoặc độ sạch kém. Màng bôi trơn không đủ và chất rắn bị bám quá nhiều có thể dẫn đến tiếp xúc giữa kim loại với kim loại, làm cho độ nhám bề mặt bị cắt lên nhau. Sau đó có thể xảy ra các vết nứt nhỏ, tiếp theo là các vết nứt nhỏ và cuối cùng là hiện tượng mỏi trên bề mặt.

Hình 5: Độ mỏi bắt đầu từ dưới bề mặt (mũi tên màu đỏ cho biết vị trí trên ổ trục có thể quan sát được hư hỏng trong hình này).

Hình 6: Độ mỏi bắt đầu trên bề mặt.

Mài mòn (ISO 5.2)

Loại tiếp theo là mài mòn. ISO phân loại mài mòn thành hai loại phụ: mài mòn do mài mòn và mài mòn do dính. Mài mòn (ISO 5.2.2) (hình 7) là sự loại bỏ dần dần vật liệu, thường có sự hiện diện của vật liệu mài mòn như chất gây ô nhiễm dạng hạt. Sự mài mòn cũng có thể xảy ra do bôi trơn không đủ. Sự mài mòn thường được đặc trưng bởi sự xuất hiện xỉn màu của bề mặt. Mài mòn là một quá trình thoái hóa mà cuối cùng có thể phá hủy hình học vi mô của bề mặt lăn của ổ trục. Các hạt mài mòn có thể nhanh chóng làm mòn các rãnh của vòng và con lăn cũng như các túi lồng. Sự mài mòn có thể xảy ra do sự xâm nhập của vật liệu bị ô nhiễm vào chất bôi trơn và ổ trục và do thiếu chất bôi trơn ở phần tiếp xúc lăn.

Hình 7: Sự mài mòn do thiếu chất bôi trơn trong ổ trục được bôi trơn bằng mỡ.

Mòn do dính (ISO 5.2.3) (hình 8) xảy ra khi hai bộ phận bên trong ổ trục trượt vào nhau, gây ra sự chuyển dịch vật liệu từ bề mặt này sang bề mặt kia và sinh ra nhiệt ma sát tương ứng. Điều này có thể gây ra quá trình ủ hoặc làm cứng lại vật liệu. Sự mài mòn do dính xuất hiện dưới dạng vết bẩn (trượt, lõm) khi ổ trục chịu tải quá nhẹ và trong trường hợp ổ trục hướng tâm trong đó con lăn chịu gia tốc cao khi đi vào vùng chịu tải của ổ trục. Điều này cũng có thể xảy ra với các ổ bi tiếp xúc góc hoạt động ở tốc độ cao với tải trọng quá nhẹ và khe hở quá lớn.

Hình 8: Mòn dính (trượt).

Ăn mòn (ISO 5.3)

Loại tiếp theo, ăn mòn, được phân thành ba loại: ăn mòn do ẩm, ăn mòn do ma sát và ăn mòn giả. Ăn mòn do ẩm (5.3.2) (hình 9) là một vấn đề kinh điển về sự xâm nhập của hơi ẩm vào ổ trục. Vật liệu chịu lực có độ cứng cao có khả năng chống ăn mòn thấp. Độ ẩm sẽ gây hư hỏng khoảng cách giữa các con lăn khi ổ trục đứng yên. Sự suy giảm bề mặt có thể dẫn đến hiện tượng mỏi trên bề mặt trong quá trình vận hành tiếp theo. Độ ẩm làm suy giảm đáng kể khả năng của chất bôi trơn trong việc tạo ra độ dày màng trong ổ trục đang vận hành. Ăn mòn do vết xước (ISO 5.3.3.2) (hình 10) xảy ra khi có những chuyển động vi mô trong bề mặt tiếp xúc giữa các bề mặt tiếp xúc, chẳng hạn như giữa vòng trong của ổ trục và trục với vòng ngoài và vỏ ổ trục. Điều này có thể là do ổ trục được lắp vào trục hoặc trong vỏ không chính xác, tùy thuộc vào tải trọng tác dụng. Ví dụ, một ổ trục có vòng trong quay và tải trọng tác dụng ổn định đòi hỏi phải có sự can thiệp tối thiểu nhất định của vòng trong lên trục để tránh ăn mòn đáng lo ngại. Tương tự như vậy, ổ trục có vòng trong quay và tải vòng trong quay tác dụng lên đòi hỏi phải có sự lắp chặt nhất định của vòng ngoài ổ trục trong vỏ để tránh ăn mòn đáng kể. Ăn mòn dai dẳng xuất hiện dưới dạng oxy hóa màu đỏ/đen ở bề mặt tiếp xúc. Hiện tượng nước muối sai (ISO 5.3.3.3) (hình 11) xảy ra ở vùng tiếp xúc giữa các con lăn và đường lăn chịu chuyển động dao động hoặc rung động nhỏ. Sự mài mòn xảy ra ở khoảng cách giữa các con lăn. Sự mài mòn làm mất đi lớp hoàn thiện ban đầu của bề mặt và cũng có thể gây ra hiện tượng oxy hóa màu đỏ/đen trên bề mặt, tương tự như hiện tượng ăn mòn đáng lo ngại. Mức độ mài mòn phụ thuộc vào cường độ tải trọng tác dụng, cường độ dao động và rung động cũng như các điều kiện bôi trơn.

Hình 9: Ăn mòn do ẩm.

Hình 10: Ăn mòn đáng lo ngại.

Hình 11: Ngâm nước muối giả.

Xói mòn điện (ISO 5.4)

Có hai loại xói mòn điện: xói mòn dòng điện quá mức và xói mòn do rò rỉ dòng điện. Xói mòn dòng điện quá mức (ISO 5.4.2) (hình 12) xảy ra khi dòng điện đi qua một vòng ổ trục, qua các con lăn và qua vòng ổ trục kia. Ở các bề mặt tiếp xúc, quá trình này tương tự như hàn hồ quang điện (mật độ dòng điện cao trên bề mặt tiếp xúc nhỏ). Vật liệu được nung nóng đến nhiệt độ khác nhau, từ mức ủ đến mức nóng chảy. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của các khu vực bị đổi màu có kích thước khác nhau, nơi vật liệu đã được tôi luyện, làm cứng lại hoặc tan chảy. Miệng núi lửa hình thành nơi vật liệu tan chảy và do đó bị vỡ ra do ổ trục quay. Vật liệu dư thừa sẽ bị hao mòn. Xói mòn dòng điện quá mức có thể do sét đánh vào máy móc, khi việc sửa chữa mối hàn được thực hiện trên máy móc có nối đất thiết bị hàn không đúng cách, v.v. Xói mòn do rò rỉ dòng điện (ISO 5.4.3) (hình 13) xảy ra khi dòng điện cường độ hơi thấp đi qua ổ đỡ. Thiệt hại thường là các miệng hố nhỏ nằm gần nhau và hình dạng màu xám/bảng rửa xuất hiện theo thời gian. Các con lăn có thể có bề ngoài màu xám, xỉn màu và chất bôi trơn có thể bị đổi màu. Mức độ hư hỏng phụ thuộc vào cường độ dòng điện, thời gian, tải trọng ổ trục, tốc độ và chất bôi trơn. Xói mòn do rò rỉ dòng điện thường xảy ra ở các động cơ điện có dòng điện rò khi trục không được nối đất đúng cách và động cơ được điều khiển bằng bộ truyền động tần số thay đổi.

Hình 12: Xói mòn dòng điện quá mức.

Hình 13: Xói mòn do rò rỉ dòng điện.

Một giải pháp để ngăn ngừa hư hỏng do xói mòn điện là sử dụng vòng bi có lớp phủ cách điện (SKF INSOCOAT) hoặc vòng bi lai có con lăn bằng gốm.

Biến dạng dẻo (5.5)

ISO phân loại biến dạng dẻo thành hai loại: biến dạng quá tải và vết lõm từ các hạt. Biến dạng quá tải (ISO 5.5.2) (hình 14) là hư hỏng cơ học do quá tải tĩnh như do xử lý không đúng cách (ổ trục bị rơi từ trên cao), lắp không đúng cách (dập búa vào ổ trục), tải trọng cao nhất do vận hành máy móc, v.v. có thể biểu hiện dưới dạng vết lõm trên rãnh lăn hoặc vết khía trên khoảng cách của con lăn, hư hỏng vòng cách, vòng đệm và tấm chắn, v.v. Các vết lõm do các hạt (ISO 5.5.3) (hình 15) xảy ra khi các chất gây ô nhiễm hạt rắn hoặc mảnh vụn bị chồng lên trong quá trình lăn của ổ trục diện tích tiếp xúc, do đó gây ra các vết lõm (biến dạng) trong rãnh lăn và các bộ phận lăn. Kích thước, loại và độ cứng của các hạt ảnh hưởng đến phạm vi thiệt hại. Việc lăn đè vết lõm sau đó có thể dẫn đến hiện tượng mỏi trên bề mặt (ISO 5.1.3).

Hình 14: Biến dạng quá tải.

Hình 15: Vết lõm từ các hạt.

Nứt và gãy (ISO 5.6)

Loại ISO cuối cùng là nứt và gãy. Nó được phân thành ba loại: gãy cưỡng bức, gãy mỏi và nứt nhiệt. Gây đứt gãy cưỡng bức (ISO 5.6.2) (hình 16) khi ứng suất vượt quá độ bền kéo của vật liệu. Các nguyên nhân phổ biến gây ra đứt gãy cưỡng bức là do ứng suất vòng quá cao do lắp ổ trục trên trục có khớp bị cản trở quá mức hoặc đẩy ổ trục côn quá xa lên trên chỗ tựa trục côn hoặc ống bọc của nó. Gãy do mỏi (ISO 5.6.3) (hình 17) xảy ra khi độ bền mỏi của vật liệu bị vượt quá khi uốn theo chu kỳ. Sự uốn cong lặp đi lặp lại gây ra vết nứt lan truyền qua vòng hoặc lồng. Điều này có thể xảy ra trong ổ trục nếu nó chịu tải trọng lớn và vỏ đỡ không cung cấp độ cứng đồng đều, khiến vòng ngoài phải chịu ứng suất chu kỳ cao. Nứt nhiệt (ISO 5.6.4) (hình 18) xảy ra khi hai bề mặt trượt vào nhau, tạo ra nhiệt ma sát. Nếu độ trượt lớn, việc gia cố lại bề mặt cục bộ kết hợp với sự phát triển của ứng suất kéo dư cao sẽ gây ra các vết nứt, thường vuông góc với hướng trượt. Ví dụ, nứt do nhiệt có thể xảy ra nếu vỏ cố định tiếp xúc với vòng ổ trục quay.

Hình 16: Gãy xương cưỡng bức.

Hình 17: Gãy xương do mỏi.

Hình 18: Cracking nhiệt.

Hãy nhớ rằng chất bôi trơn (dầu hoặc mỡ) từ bên trong ổ trục bị hỏng cũng có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc trong quá trình điều tra ổ trục. Nên lấy mẫu chất bôi trơn để so sánh với mẫu mới. Phân tích chất bôi trơn có thể được thực hiện để xem xét hàm lượng ô nhiễm hạt và độ ẩm, sự thay đổi độ nhớt, thay đổi độ đặc của dầu mỡ, v.v.

Việc kiểm tra vòng đệm hoặc tấm chắn ổ trục và các bộ phận khác như ống bọc ngoài cũng có thể mang lại nhiều thông tin.

Có thể sử dụng các kỹ thuật bảo trì dự đoán hoặc bảo trì dựa trên tình trạng như phân tích rung động, đo nhiệt độ, phân tích dầu, v.v. để phát hiện lỗi trước khi xảy ra hư hỏng nghiêm trọng đối với ổ trục và cũng có thể xảy ra hư hỏng đối với tài sản mà ổ trục đang vận hành. Điều này có thể cho phép cải thiện việc xác định chế độ lỗi. Việc loại bỏ các vòng bi có kích thước lớn hơn (đường kính > 200 mm) khỏi hoạt động trước khi xảy ra hư hỏng nghiêm trọng có thể cho phép tái sản xuất chúng. Điều này có thể khôi phục ổ trục về tình trạng “như mới”, giảm chi phí bảo trì và tác động đến môi trường (hình 19).

Hình 19: So sánh về môi trường giữa vòng bi tái sản xuất và vòng bi mới.

Các chế độ lỗi phổ biến nhất

Dữ liệu 1 của SKF xác định năm dạng hư hỏng ISO phổ biến nhất là mài mòn (26%), mỏi bề mặt (16%), ăn mòn do ẩm (14%), mài mòn do dính (7%) và xói mòn do rò rỉ dòng điện (7%) ( hình 20). Các dạng hư hỏng này chiếm khoảng 70% tổng số các dạng hư hỏng được xác định trong các nghiên cứu về ổ trục, mặc dù sự ăn mòn đáng lo ngại được thấy ở hầu hết các ổ trục, ngay cả khi về bản chất là nhỏ. Các chế độ lỗi ISO khác cũng được quan sát thấy nhưng ở mức độ thấp hơn.

Hình 20: Các chế độ lỗi ISO phổ biến nhất.

Công cụ Báo cáo Phân tích Vòng bi SKF (BART)

Phần mềm SKF BART được triển khai cho các kỹ sư của SKF và hiện có sẵn cho khách hàng của SKF. Khách hàng được đào tạo cơ bản về kiến thức ổ trục, kỹ thuật kiểm tra ổ trục và cách sử dụng phần mềm SKF BART. Khách hàng hợp tác chặt chẽ với kỹ sư hoặc chuyên gia ứng dụng của SKF để hoàn thành báo cáo kiểm tra. Báo cáo Kiểm tra BART được chuyên gia SKF phê duyệt. Việc kiểm tra có thể tiết lộ liệu ổ trục có nên được thay thế, có thể tái sử dụng hay không, có khả năng tái sản xuất hay phải loại bỏ. Nó cũng có thể được sử dụng để ghi lại quá trình kiểm tra ổ trục mới trước khi đưa vào sử dụng. Điều này có thể hữu ích nếu vòng bi đã được bảo quản trong thời gian dài.

Nếu cần, kỹ sư ứng dụng của SKF có thể thực hiện phân tích hư hỏng đầy đủ của vòng bi để đưa ra các khuyến nghị nhằm cải thiện độ tin cậy. Các kỹ sư của SKF có thể sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) [Ref. 3] để tăng cường phân tích hư hỏng vòng bi của họ. AI sử dụng hệ thống thị giác máy tính có thể đánh giá hư hỏng vòng bi bằng ảnh kỹ thuật số. Hệ thống sử dụng trí tuệ nhân tạo dưới dạng thuật toán nhận dạng hình ảnh mạng lưới thần kinh đã được đào tạo bằng cách sử dụng hàng nghìn hình ảnh về vòng bi bị hỏng từ kho lưu trữ của SKF.

Kết luận

Tóm lại, ISO 15243 rất hữu ích để phân loại các dạng hư hỏng của vòng bi đã vận hành trong tài sản và có thể hữu ích trong việc xác định các nguyên nhân hư hỏng. Bằng cách làm quen với các dạng hư hỏng vòng bi phổ biến và nguyên nhân của chúng, người ta có thể thực hiện các hành động khắc phục để tránh lặp lại lỗi. Điều này có thể làm giảm đáng kể rủi ro xảy ra các sự cố thảm khốc và ngoài kế hoạch, đồng thời có khả năng cải thiện độ tin cậy và tính sẵn có của tài sản. Vòng bi bị loại bỏ khỏi hoạt động vì lý do bảo trì có thể được kiểm tra để tái sử dụng hoặc có thể để tái sản xuất.

Dữ liệu về chế độ hư hỏng và nguyên nhân vòng bi cũng như các dữ liệu liên quan khác đang được thu thập để hiểu rõ hơn về hoạt động của vòng bi. Phần mềm SKF BART được SKF sử dụng và có sẵn cho khách hàng để lập báo cáo kiểm tra vòng bi và phân tích hư hỏng.

Theo SKF

Tham khảo thêm:

• SKF hợp lý hóa việc phân tích vòng bi cho người dùng Ansys

• SKF Bearing Assist - Ứng dụng hỗ trợ lắp vòng bi của SKF

• Những dấu hiệu nhận biết hư hỏng vòng bi, nguyên nhân và cách khắc phục