Nguyên nhân quá nhiệt trong vòng bi máy nén?

Giới thiệu

Trong các thiết bị xử lý chất lỏng hiện đại, ổ trục máy nén đóng vai trò là bộ phận hỗ trợ quan trọng giúp ổn định chuyển động của trục, giảm thiểu ma sát quay và đảm bảo hoạt động liên tục dưới tải trọng cao. Khi hệ thống máy nén tiến tới tốc độ cao hơn, kích thước nhỏ hơn và môi trường nhiệt đòi hỏi khắt khe hơn, thách thức về quá nhiệt vòng bi ngày càng trở nên nổi bật. Sự quá nóng của thành phần này không chỉ là sự bất thường về nhiệt độ; nó thường là dấu hiệu báo trước sự mài mòn cơ học, suy giảm chất bôi trơn và mất ổn định cấu trúc trên toàn bộ hệ thống máy nén quay.

Mất cân bằng tải cơ học

Mất cân bằng tải cơ học là một trong những nguyên nhân chính gây ra ứng suất nhiệt trong vòng bi máy nén. Khi cụm rôto chịu lực dọc trục hoặc hướng tâm không đều, ổ trục phải bù cho các điểm áp suất không đều, dẫn đến ma sát tiếp xúc tăng lên.

Lực lượng xuyên tâm nâng cao

Tải hướng tâm tăng khi trục máy nén bị lệch, khi có cánh quạt không cân bằng hoặc khi độ rung trong các bộ phận quay tốc độ cao vượt quá ngưỡng thiết kế. Khi ma sát tăng lên, ổ trục sẽ tạo ra nhiệt theo tỷ lệ và sự tiêu tán không đủ dẫn đến quá nhiệt dần dần.

Lực đẩy dọc trục

Tải trọng dọc trục phát sinh từ sự chênh lệch áp suất bên trong buồng máy nén. Khi mức lực đẩy vượt quá khả năng chịu tải của ổ trục, ma sát trượt tăng lên đáng kể, khiến nhiệt tích tụ liên tục. Kiểm soát thích hợp sự phân bổ tải trọng dọc trục là điều cần thiết để duy trì sự ổn định nhiệt.

Cơ chế lỗi liên quan đến tải

Ổ trục chịu tải không đối xứng hoặc tải quá mức sẽ trải qua mô hình tăng nhiệt độ có thể dự đoán được:

Ứng suất không đều làm tăng ma sát bề mặt

Ma sát tạo ra vùng nhiệt tập trung

Màng bôi trơn bắt đầu xuống cấp

Xảy ra tiếp xúc kim loại với kim loại

Nhiệt độ tăng đột biến làm tăng tốc độ mài mòn và cuối cùng là hiện tượng kẹt vòng bi

Thiếu bôi trơn và phân hủy nhiệt

Bôi trơn đóng một vai trò không thể thiếu trong hiệu suất nhiệt của bất kỳ ổ trục máy nén nào. Nếu không có màng dầu thích hợp, ma sát sẽ tăng lên, nhiệt tích tụ nhanh chóng và kéo theo đó là sự suy giảm nhiệt.

Độ nhớt bôi trơn không đủ

Đối với máy nén tốc độ cao, độ nhớt bôi trơn được xác định cẩn thận để cân bằng tính lưu động và độ dày màng. Chất bôi trơn có độ nhớt không đủ sẽ không thể duy trì sự tách biệt giữa các con lăn và rãnh lăn, làm tăng đáng kể nguy cơ tích tụ nhiệt. Ngược lại, độ nhớt quá cao sẽ làm tăng lực cản của chất lỏng, tạo ra nhiệt thông qua ma sát bên trong.

Sụp đổ màng dầu

Sự sụp đổ màng dầu có thể xảy ra do:

Nhiệt độ quá cao

Hoạt động tốc độ cao

Dầu bị ô nhiễm

Áp suất dầu không ổn định

Khi lớp chắn dầu bị sập, các bề mặt kim loại sẽ tương tác trực tiếp, dẫn đến sinh nhiệt tức thời và làm tăng tốc độ hỏng nhiệt của vòng bi.

Hệ thống bôi trơn bất thường

Các lỗi trong mạng lưới bôi trơn máy nén công nghiệp—chẳng hạn như dòng dầu không ổn định, đường dẫn bị tắc hoặc hạn chế trong đường dây cung cấp—trực tiếp làm ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt. Hoạt động liên tục trong điều kiện bôi trơn kém sẽ nhanh chóng dẫn đến quá nhiệt.

Tăng ma sát trong môi trường tốc độ cao

Tốc độ quay cao là nguyên nhân được biết đến gây ra ứng suất nhiệt. Khi công nghệ máy nén tiến bộ, RPM cao hơn ngày càng phổ biến, đòi hỏi cấu trúc và vật liệu ổ trục phải chịu được mức ma sát cao.

Hiệu ứng ly tâm trên các con lăn

Ở tốc độ cao, lực ly tâm đẩy các phần tử lăn ra ngoài, làm thay đổi sự phân bổ tải trọng trên đường đua. Sự dịch chuyển này làm tăng áp lực cục bộ, làm tăng tốc độ sinh nhiệt.

Tương tác trượt và ma sát lăn

Ngay cả trong các bộ phận máy nén chính xác, ma sát trượt không bao giờ có thể được loại bỏ hoàn toàn. Khi tốc độ quay tăng mạnh, ma sát lăn chuyển một phần thành ma sát trượt, tăng cường tỏa nhiệt.

Công thức sinh nhiệt tăng

Các kỹ sư thường sử dụng mô hình đơn giản hóa để hiểu mức tăng nhiệt dựa trên tốc độ:

Nhiệt sinh ra ∝ Tải × Tốc độ × Hệ số ma sát

Khi giới hạn tốc độ tăng lên, khả năng sinh nhiệt trở nên cao một cách không cân đối, đặc biệt là khi không có cơ chế làm mát mạnh mẽ.

Hạn chế về vật liệu và sự suy giảm tính toàn vẹn bề mặt

Vật liệu ổ trục phải cung cấp độ bền, khả năng chịu nhiệt và đặc tính kết cấu ổn định. Khi vật liệu bị mỏi hoặc biến dạng cấu trúc vi mô xuất hiện, việc sinh nhiệt là không thể tránh khỏi.

Tăng trưởng độ nhám bề mặt và bong tróc vi mô

Các khuyết tật nhỏ trên đường lăn hoặc các bộ phận lăn làm tăng độ nhám bề mặt. Với độ nhám lớn hơn, ma sát tăng lên và nhiệt tích tụ. Những khuyết tật vi mô này có xu hướng mở rộng nhanh chóng khi vận hành ở áp suất cao.

Làm mềm nhiệt của thép chịu lực

Khi ổ trục máy nén hoạt động gần ngưỡng làm mềm vật liệu của nó, biến dạng sẽ xảy ra dễ dàng hơn. Biến dạng làm thay đổi đường truyền tải, gây ra sự phân bố ứng suất không đồng đều và tăng thêm nhiệt độ - góp phần gây mất ổn định cấu trúc.

Tác động của độ tinh khiết vật chất

Các tạp chất trong thép chịu lực ảnh hưởng đến cả độ cứng và độ dẫn nhiệt. Hợp kim không tinh khiết tản nhiệt kém và tạo ra các điểm nóng làm tăng nhiệt độ hoạt động.

Trục lệch và kết cấu không nhất quán

Căn chỉnh trục ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính nhiệt của ổ trục. Sự lệch trục làm tăng ma sát bằng cách thay đổi sự tương tác hình học dự định giữa các phần tử lăn và mương.

Độ lệch góc

Độ lệch góc làm cho các bộ phận lăn bị trượt, tạo ra các dạng nhiệt bất thường. Hoạt động liên tục trong điều kiện lệch góc dẫn đến nhiệt độ tăng nhanh.

Độ lệch song song

Độ lệch song song tạo ra sự phân bố tải không đồng đều, làm cho một đoạn của ổ trục chịu phần lớn tải. Sự mất cân bằng này làm tăng tốc độ căng thẳng nhiệt.

Biến dạng nhà ở

Nếu vỏ máy nén biến dạng do rung, giãn nở nhiệt hoặc lắp đặt không đúng cách, ổ trục không còn duy trì được độ thẳng hàng lý tưởng, tạo điều kiện cho ma sát và quá nhiệt.

Căng thẳng nhiệt do ô nhiễm

Chất gây ô nhiễm là một nguyên nhân tiềm ẩn nhưng quan trọng gây mất ổn định nhiệt.

Sự xâm nhập của hạt cứng

Các hạt như bụi, mảnh vụn kim loại hoặc cặn gia công xâm nhập vào môi trường bôi trơn và làm tăng ma sát mài mòn. Các vết xước nhỏ phát triển thành các khuyết tật sinh nhiệt.

Ô nhiễm độ ẩm

Độ ẩm làm giảm độ nhớt của chất bôi trơn, làm gián đoạn tính liên tục của màng dầu, gây ăn mòn và tăng mức độ ma sát. Sự sinh nhiệt tăng tốc nhanh chóng dưới sự suy thoái do độ ẩm gây ra.

Không tương thích hóa học

Một số chất gây ô nhiễm tương tác hóa học với chất bôi trơn, làm giảm hiệu suất bôi trơn và tăng tải nhiệt lên ổ trục máy nén.

Cấu trúc tản nhiệt không đủ

Ngay cả khi các điều kiện bôi trơn và cơ học phù hợp, ổ trục vẫn có thể bị quá nhiệt chỉ vì nhiệt không thể thoát ra ngoài một cách hiệu quả.

Thiết kế đường dẫn nhiệt kém

Nếu vỏ ổ trục thiếu đường dẫn nhiệt hiệu quả thì việc tích tụ nhiệt là không thể tránh khỏi. Độ dẫn điện của vật liệu và độ dày thành ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất làm mát.

Lưu lượng thông gió hoặc làm mát không đủ

Trong buồng máy nén kín, nhiệt có thể tích tụ nhanh chóng. Nếu không có các kênh luồng khí hoặc đường dẫn thụ động được thiết kế, nhiệt độ của ổ trục sẽ tăng ngay cả khi chịu tải vừa phải.

Giao thoa giãn nở nhiệt

Nếu các bộ phận xung quanh giãn nở nhiều hơn hoặc ít hơn bản thân ổ trục, ứng suất nhiệt sẽ xuất hiện dưới dạng nén, ma sát và tích tụ nhiệt hơn nữa.

Lỗi vận hành và thông số sử dụng không chính xác

Thực tiễn vận hành có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt của ổ trục.

Vận hành quá tốc độ

Việc chạy máy nén vượt quá ngưỡng tốc độ dự kiến sẽ làm tăng sản lượng nhiệt và lấn át hoạt động của màng bôi trơn.

Nhu cầu tải quá mức

Áp suất tăng đột ngột hoặc hoạt động quá tải kéo dài khiến nhiệt độ tăng liên tục.

Chu kỳ khởi động-dừng thường xuyên

Những thay đổi tải đột ngột ngăn hệ thống thiết lập các kiểu bôi trơn và làm mát ổn định, làm tăng ứng suất nhiệt lên ổ trục.

Mặc lâu dài và lão hóa tự nhiên

Ngay cả khi được bảo trì thích hợp, hoạt động lâu dài vẫn dẫn đến hao mòn không thể tránh khỏi.

Tổng quan về cơ chế mặc

Các phần tử lăn dần mất đi độ êm ái

Bề mặt đường đua phát triển các vết rỗ vi mô

Các kênh bôi trơn bị tắc nghẽn một phần

Hiệu suất tản nhiệt giảm

Sự xuống cấp chậm này khiến nhiệt độ tăng lên theo thời gian, cuối cùng dẫn đến hiện tượng quá nhiệt kéo dài.

Bảng tóm tắt tính năng sản phẩm

Bảng sau đây tóm tắt các đặc điểm cấu trúc và chức năng thường được xem xét trong thiết kế ổ trục máy nén để điều khiển nhiệt.

Kết luận

Quá nhiệt trong vòng bi máy nén phát sinh từ sự kết hợp của các yếu tố cơ học, nhiệt, vận hành và môi trường. Những yếu tố góp phần quan trọng bao gồm mất cân bằng tải, thiếu bôi trơn, tốc độ quay quá mức, ô nhiễm, tản nhiệt không đủ, xuống cấp vật liệu, sai lệch và điều kiện vận hành không phù hợp.

Hiểu những nguyên nhân này là điều cần thiết để tối ưu hóa độ tin cậy của thiết bị, thiết kế hệ thống máy nén quay hiệu suất cao và kéo dài tuổi thọ linh kiện. Bằng cách cải thiện thiết kế bôi trơn, tinh chỉnh lựa chọn vật liệu, nâng cao độ chính xác liên kết và tăng cường cấu trúc làm mát, các kỹ sư có thể ngăn ngừa sự cố nhiệt vòng bi một cách hiệu quả và duy trì hiệu suất máy nén ổn định trong các môi trường công nghiệp khác nhau.