Tìm kiếm nguyên nhân thực sự của sự cố vòng bi sớm

Trong trường hợp bị sự cố sớm, ‘vết nứt khắc trắng’ thường được gọi là các bên có tội, nhưng bằng cách đào sâu vào nguyên nhân cơ bản, chúng tôi đi đến một giải pháp hiệu quả hơn, Erik Vegter, Nhà khoa học cao cấp về mô hình và thử nghiệm mỏi ở SKF nói.

Một phần nhờ vào các phương pháp và kỹ thuật sản xuất hiện đại như bảo trì, thất bại sớm vẫn còn hiếm. Nhưng nó vẫn xảy ra, và có thể có hậu quả thảm khốc. Điều đáng lo ngại nhất là một số vòng bi bị lỗi ở khoảng cách xa không đạt được tuổi thọ tính toán của chúng và đôi khi chỉ kéo dài 5-10% trong vòng đời danh nghĩa của chúng. Đây là một nguồn chi phí lớn và kích thích cho những khách hàng mong đợi vòng bi sẽ tồn tại trong suốt tuổi thọ được tính toán hoặc thậm chí lâu hơn.

Một số ứng dụng, chẳng hạn như hộp số cho tuabin gió, đã được chứng minh là nhạy cảm hơn với sự cố mang sớm hơn những ứng dụng khác. Điều quan trọng nhất đối với khách hàng là chẩn đoán tốt về sự thất bại và giải pháp ditto. Tuy nhiên, nhiều điều đã được thực hiện về các nguyên nhân chính xác của sự thất bại sớm mang.

Một hiện tượng phổ biến với sự thất bại sớm là một mạng lưới các vết nứt nhỏ với bề ngoài màu trắng bên dưới bề mặt ổ trục, được gọi là “vết nứt khắc trắng” (WECs) hoặc vết nứt trục nhỏ có thể nhìn thấy trên bề mặt nghề nghiệp . Thoạt nhìn, thật hợp lý khi cho rằng những vết nứt đó là nguyên nhân của vấn đề, bởi vì chúng có thể nhìn thấy trong hầu hết các trường hợp hỏng ổ trục sớm.

Tuy nhiên, một dự án nghiên cứu SKF kéo dài bốn năm đã chỉ ra rằng những vết nứt này thực sự xảy ra ở cuối chuỗi thất bại và là hậu quả tự nhiên của mạng lưới vết nứt trong vòng bi rơi sớm. Các chuyên gia của công ty đã đi đến kết luận rằng WEC chỉ là một triệu chứng có thể nhìn thấy được về sự thất bại và không phải là một phần của nguyên nhân cơ bản.

SKF cho đến nay đã xác định được 7 cơ chế gây ra sự cố vòng bi, bạc đạn sớm, với một kết quả chung: tuổi thọ vòng bi ngắn hơn và sự xuất hiện của WEC. Đó là lý do tại sao SKF đã phát triển một sơ đồ phân loại sự cố mang sớm. Điều này giúp các kỹ sư ứng dụng, cùng với khách hàng, theo dõi nguyên nhân gốc thực sự của việc ngừng hoạt động và do đó đi đến giải pháp phù hợp nhất.

Mặc dù có cái nhìn sâu sắc mới này, một số trường hợp hỏng sớm vẫn được quy cho WEC và được giải quyết dựa trên chúng (thường bằng cách thay thế ổ trục bị lỗi bằng ổ trục giống hệt). Tuy nhiên, thay vì lặp lại một cách không cần thiết phương pháp này, điều quan trọng là đào sâu hơn và khám phá nguyên nhân cơ bản của sự thất bại. Nghiên cứu SKF đã tiết lộ một số nguyên nhân cơ bản và giúp tìm ra giải pháp chính xác hơn cho từng trường hợp.

Dự án chi tiết
Dự án bao gồm mô phỏng các điều kiện chính xác trong đó các vòng bi bị hỏng đang hoạt động và khiến các vòng bi phải thử nghiệm rộng rãi trong phòng thí nghiệm (bao gồm kính hiển vi điện tử quét và quang học và kiểm tra siêu âm). Bằng cách mô phỏng sự cố ổ trục trong các điều kiện được kiểm soát, SKF đã có thể đặt ngón tay của mình vào các cơ chế hỏng hóc chính xác và có thể tìm ra giải pháp chính xác và nhắm mục tiêu hơn cho từng vấn đề.

Đối với mỗi nguyên nhân chính, SKF tái tạo một cách có hệ thống các điều kiện hoạt động quan trọng trong quá trình thiết lập thử nghiệm. Điều này mang lại cho họ sự chắc chắn về các trường hợp cụ thể mà WEC gây ra và cho phép họ chứng minh mối liên hệ giữa các vết nứt và, ví dụ, các ứng suất cấu trúc. Nhờ vào dự án, SKF đã có thể làm rõ vai trò của WEC trong  tiếp xúc ổ lăn truyền thống và mỏi mỏi tăng tốc (tăng tốc độ vỡ của vòng bi).

Với tiếp xúc ổ lăn (trong đó không xảy ra lỗi sớm), WEC thường được gây ra bởi các ứng suất và tải trọng theo chu kỳ. Tuy nhiên, với sự mệt mỏi tăng tốc, có thể nhìn thấy nhiều WEC hơn, tùy theo trường hợp, có thể là do ứng suất cao hơn, cường độ vật liệu thấp hơn và / hoặc kết hợp các hiệu ứng ma sát và bôi trơn .

WEC là vết nứt trong cấu trúc vi mô của thép chịu lực. Chúng được đặt tên như vậy vì sự xuất hiện màu trắng của cấu trúc vi mô đã được sửa đổi của một mẫu thép được đánh bóng và khắc. Các bộ phận bị ảnh hưởng có chứa siêu mịn, tinh thể nano, ferrite không có cacbua hoặc ferrite với sự phân bố rất mịn của các hạt cacbua. Các khu vực khắc trắng (WEAs) được hình thành do vô định hình do ma sát ở các bề mặt rách trong quá trình lăn. Những bề mặt này trông có màu trắng dưới kính hiển vi quang học do phản ứng ăn mòn thấp của chúng đối với etchant. Các khu vực khắc trắng xung quanh vết nứt cứng hơn 10-50% so với cấu trúc vi mô xung quanh (và không bị ảnh hưởng).

Sơ đồ phân loại
SKF đã phát triển một sơ đồ phân loại các hư hỏng ổ trục dựa trên phương pháp mới của nó (Hình 2). Điều này giúp đề xuất một giải pháp cụ thể dựa trên chẩn đoán chính xác hơn. Ví dụ: nếu sự cố xảy ra do các vấn đề bôi trơn hoặc hiệu ứng hóa học, SKF có thể khuyên bạn nên chuyển sang ổ trục có lớp phủ oxit đen. Việc xác định các chế độ thất bại khác có thể dẫn đến khuyến nghị về các giải pháp từ thép không gỉ cường độ cao đến vòng bi lai.

Cuộc điều tra nói chung được đón nhận, không đề cập đến bất kỳ sự bất đồng nào về chi tiết. Mọi người đều đồng ý về nội dung chính rằng “các vết nứt khắc trắng” là kết quả của các chế độ thất bại khác nhau. Nhưng công việc vẫn chưa kết thúc: ví dụ, SKF vẫn chưa mô phỏng các trường hợp trong đó vòng bi bị hỏng do dòng điện và các thí nghiệm hiện đang diễn ra trong phòng thí nghiệm của công ty.

Giải pháp
Trọng tâm hiện đã chuyển từ tìm chế độ ngừng hoạt động mới sang phát triển các giải pháp tốt hơn. Thông qua nhiều nghiên cứu và phát triển, SKF đang tìm kiếm các vật liệu tốt nhất và kết hợp xử lý nhiệt có khả năng chống lại tất cả các nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc.

Ngoài việc đưa ra một danh sách các nguyên nhân cơ bản của sự cố, SKF cũng đưa ra một số khuyến nghị chung bằng cách phân loại các yếu tố suy yếu thành ‘tải cao hơn’ và ‘cường độ vật liệu thấp hơn’. Các khuyến nghị phân biệt giữa các khuyến nghị cho chính ứng dụng, chẳng hạn như hệ thống ổ trục hoặc quy trình thiết kế và khả năng cải thiện hơn nữa độ cứng của vòng bi. Tùy chọn hiệu quả nhất để ngăn ngừa sự cố vong bi sớm sẽ phụ thuộc vào các trường hợp cụ thể của ứng dụng.

Vòng bi oxy hóa màu đen từ SKF cho hộp số tua bin gió đã được chứng minh là một giải pháp mạnh mẽ cho ứng dụng đầy thách thức này. Trong thị trường năng lượng gió, vòng bi oxy hóa đen đã được cung cấp với khối lượng lớn cho tất cả các nhà sản xuất hộp số chính cho các vị trí chịu lực quan trọng nhất trong hơn mười năm và tỷ lệ thất bại của chúng rất thấp (<50ppm, dựa trên hơn 260.000 vòng bi được lắp đặt).

Độ rắn cao hơn của oxit đen có thể được giải thích bằng sự kết hợp các tính chất độc đáo có thể chịu được các điều kiện vận hành khắc nghiệt nhất trong hộp số. Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm đã cho thấy hiệu suất tốt hơn trong các tình huống bôi trơn kém và điều kiện trượt cao bởi vì điều trị cho kết quả bôi trơn tốt hơn và khả năng chống bôi trơn tốt hơn. Những rủi ro của mài mòn ma sát, rỗ và nứt có thể được hạn chế. Vòng bi oxit đen có khả năng chống ăn mòn và hóa chất, làm giảm tác động của độ ẩm và các thành phần dầu tích cực. Chúng cũng giúp cải thiện hành vi ma sát và giảm mài mòn, đặc biệt là trong các điều kiện ma sát hỗn hợp xảy ra trong hộp số tua bin gió.

Mỗi hỏng hóc sớm là duy nhất và có thể có nhiều nguyên nhân có thể dẫn đến vỡ vụn sớm. Không có một nguyên nhân chính nào và mọi hư hỏng vòng bi phải được đánh giá dựa trên các điều kiện vận hành được đề cập. Bằng cách hiểu điều này và tránh xa chẩn đoán hỏng ổ trục dựa trên ‘vết nứt khắc trắng’, một chẩn đoán chính xác hơn về vấn đề là có thể và có thể được giải quyết nhanh hơn.