Động cơ hướng trục với mật độ công suất cao, cấu trúc nhỏ gọn và đặc tính mô-men xoắn tuyệt vời đang ngày càng được sử dụng trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới, động cơ servo công nghiệp, năng lượng gió và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, khi số giờ vận hành tích lũy và điều kiện làm việc trở nên phức tạp hơn, rôto—bộ phận quay lõi của động cơ—chắc chắn sẽ gặp nhiều lỗi khác nhau. Trong số đó, hư hỏng bề mặt của Rôto động cơ hướng trục, khử từ nam châm vĩnh cửu (thép từ tính) và mất cân bằng động là ba loại lỗi phổ biến nhất. Đối mặt với những vấn đề này, mối quan tâm cốt lõi của nhân viên bảo trì là: Những lỗi nào có thể sửa chữa được? Mà yêu cầu thay thế? Hiệu suất và độ tin cậy có thể được đảm bảo sau khi sửa chữa?
1. Hư hỏng bề mặt rôto: Hư hỏng nhỏ có thể sửa chữa được, Hư hỏng nghiêm trọng cần thay thế
1.1 Nguyên nhân và biểu hiện lỗi
Hư hỏng bề mặt của Rôto động cơ hướng trục thường do cọ xát (ma sát giữa stato và rôto), vật lạ xâm nhập hoặc rôto bị chìm do hỏng ổ trục. Việc xác định loại hư hỏng giúp xác định nguyên nhân gốc rễ: nếu bề mặt rôto có một vết xước duy nhất trong khi toàn bộ bề mặt stato bị trầy xước thì nguyên nhân thường là do trục bị cong hoặc rôto mất cân bằng; nếu bề mặt stato chỉ có một vết cọ xát trong khi bề mặt rôto bị xước xung quanh toàn bộ chu vi của nó thì nguyên nhân là do không đồng tâm giữa stato và rôto, thường là do khung và các chốt của tấm chắn ở đầu bị biến dạng hoặc ổ trục bị mòn nghiêm trọng.
1.2 Khi nào có thể sửa chữa được?
Thiệt hại nhỏ trên bề mặt thường có thể sửa chữa được. Theo tiêu chuẩn ngành, phương pháp cạo hoặc mài được phép loại bỏ hư hỏng nhẹ trên bề mặt bên trong của stato và bề mặt ngoài của rôto với điều kiện nhiệt độ bề mặt động cơ sau khi sửa chữa phải tuân thủ các tiêu chuẩn liên quan. Tiêu chí cụ thể là:
Độ sâu hư hỏng nằm trong phạm vi có thể gia công được (thường nhỏ hơn 0,5 mm) và không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc tổng thể của lõi rôto.
Không xảy ra hiện tượng đoản mạch hoặc nóng chảy diện rộng trên các tấm thép silicon. Nếu xảy ra hiện tượng cháy cục bộ ở lõi răng, các phần bị nóng chảy và hợp nhất có thể được mài giũa và các khu vực bị hư hỏng có thể được sửa chữa bằng nhựa epoxy.
Sau khi sửa chữa, độ đồng đều của khe hở không khí vẫn có thể đáp ứng yêu cầu thiết kế và thỏa mãn mức nhiệt độ bề mặt.
Đối với kỹ thuật sửa chữa, các vết xước nhẹ và vết rỉ sét có thể được đánh bóng bằng vải nhám mịn nhúng vào dầu, thường xuyên kiểm tra độ lệch độ tròn bằng micromet. Đối với các hư hỏng bề mặt tiếp xúc như mài mòn cổ trục, có thể sử dụng các công nghệ kỹ thuật bề mặt như lớp phủ laser, mạ điện bằng chổi và phun nhiệt. Các quá trình sửa chữa này hoạt động ở nhiệt độ thấp và sẽ không gây biến dạng trục hoặc làm thay đổi cấu trúc kim loại.
1.3 Khi Nào Phải Thay Thế?
Độ sâu hư hỏng quá lớn, vượt quá phạm vi dung sai thiết kế và việc tiếp tục sửa chữa sẽ phá hủy cấu trúc lõi.
Đã xảy ra hiện tượng đoản mạch hoặc tách lớp trên diện rộng của các tấm thép silicon, dẫn đến tổn thất do dòng điện xoáy tăng lên đáng kể và quá nhiệt ở lõi.
Lõi rôto đã bị biến dạng cấu trúc không thể phục hồi và độ đồng đều của khe hở không khí vẫn không thể được đảm bảo ngay cả sau khi sửa chữa.
Hư hỏng đã lan rộng đến các điểm yếu trong cấu trúc đế rôto và chi phí sửa chữa gần bằng hoặc vượt quá chi phí thay thế.
2. Khử từ bằng nam châm: Nhẹ đến trung bình Có thể sửa chữa bằng cách tái từ hóa, Yêu cầu thay thế nghiêm trọng
2.1 Nguyên nhân và cơ chế khử từ
Bản chất của quá trình khử từ nam châm vĩnh cửu là sự thay đổi không thể đảo ngược trong cấu trúc miền từ, dựa trên nguyên nhân, chủ yếu rơi vào ba loại:
Khử từ nhiệt : Xảy ra khi nhiệt độ nam châm vĩnh cửu vượt quá giới hạn dung sai của loại vật liệu. Ví dụ, đối với NdFeB, nhiệt độ Curie là khoảng 310°C, trên nhiệt độ này xảy ra hiện tượng mất từ toàn bộ. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy sau 1000 giờ hoạt động liên tục ở 150°C, nam châm NdFeB có thể bị mất từ thông từ 3% đến 5%.
Khử từ trường ngược : Từ trường đảo ngược được tạo ra bởi các điều kiện bất thường như quá tải hoặc đoản mạch gây ra sự đảo ngược miền từ cục bộ. Trong một động cơ xe sử dụng năng lượng mới, trong điều kiện quá tải 200%, mật độ từ thông giảm từ 7% đến 12%.
Khử từ do ăn mòn hóa học : Vật liệu NdFeB bị oxy hóa trong môi trường nóng ẩm, gây ra sự suy giảm dần tính chất từ. Các thử nghiệm phun muối chỉ ra rằng nam châm không được bảo vệ có thể bị mất từ thông tới 15% sau 500 giờ.
Làm thế nào để xác định tại chỗ xem nam châm có bị khử từ hay không? Phương pháp trực quan nhất: sau khi khử từ, tốc độ không tải của động cơ tăng lên rõ rệt, dòng điện tải tăng và mô men phanh giảm. Việc phát hiện chính xác hơn yêu cầu sử dụng máy đo Tesla (Gaussmeter) để đo cường độ từ trường bề mặt hoặc bằng cách phát hiện EMF phía sau và so sánh nó với các thông số ban đầu.
2.2 Khi nào có thể sửa chữa được?
Khả năng sửa chữa của quá trình khử từ phụ thuộc vào mức độ khử từ và nên đánh giá dựa trên phân loại sau:
Mức độ khử từ |
Tỷ lệ giảm thông lượng |
Khả năng sửa chữa |
Giải pháp được đề xuất |
Khử từ nhẹ |
<10% |
Có khả năng đảo ngược cao |
Tái từ hóa + tối ưu hóa điều kiện vận hành |
Khử từ vừa phải |
10%–20% |
Có thể đảo ngược một phần |
Thay thế một phần nam châm + tái từ hóa toàn bộ |
Khử từ nghiêm trọng |
>20% |
Về cơ bản không thể đảo ngược |
Thay thế cụm rôto hoặc thay thế toàn bộ động cơ |
Khử từ nhẹ thường do quá nhiệt trong thời gian ngắn hoặc quá dòng nhẹ và có khả năng đảo ngược mạnh. Kế hoạch xử lý trước tiên bao gồm tối ưu hóa khả năng tản nhiệt, hạn chế quá tải và ổn định nguồn điện, sau đó sử dụng bộ từ hóa xung điện áp cao để từ hóa theo hướng các nam châm vĩnh cửu rôto. Sau khi từ hóa, xác minh bằng Gaussmeter rằng từ trường đã phục hồi về giá trị ban đầu. Theo thực tế trong ngành, thiết bị từ hóa chuyên nghiệp có thể phục hồi hơn 95% hiệu suất ban đầu.
Quá trình khử từ vừa phải yêu cầu tháo rời động cơ, kiểm tra từng nam châm vĩnh cửu, chọn ra các bộ phận bị khử từ nghiêm trọng, liên kết hoặc nhúng các nam châm mới cùng loại và kích thước một cách chính xác theo cực tính ban đầu và sau khi từ hóa hoàn toàn, tiến hành kiểm tra dòng điện không tải, mô-men xoắn và hiệu suất.
2.3 Khi nào cần thay thế?
Các tình huống sau đây đòi hỏi phải thay thế quyết định thay vì cố gắng sửa chữa thêm:
Lượng dư của nam châm vĩnh cửu thấp hơn 80% giá trị thiết kế và không thể khôi phục lại hiệu suất định mức sau khi từ hóa.
Nam châm có biểu hiện hư hỏng về cấu trúc (nứt, gãy, ăn mòn nghiêm trọng) khiến độ bền cơ học và tuổi thọ sử dụng không thể được đảm bảo ngay cả sau khi từ hóa.
Quá trình khử từ không thể đảo ngược đã xảy ra, có nghĩa là bản thân vật liệu nam châm vĩnh cửu đã già đi hoặc bị ăn mòn hóa học đến mức không thể phục hồi lượng từ dư thông qua quá trình từ hóa.
Quá trình khử từ đã dẫn đến hiệu suất động cơ giảm nghiêm trọng và nhiệt độ tăng bất thường đến mức chi phí sửa chữa vượt quá chi phí thay thế toàn bộ động cơ.
3. Lỗi cân bằng động: Phần lớn có thể sửa chữa được, rất ít yêu cầu thay thế
3.1 Nguyên nhân và chẩn đoán lỗi
Mất cân bằng rôto là nguồn lỗi phổ biến nhất trong máy móc quay. Thống kê cho thấy 70% lỗi rung trong máy quay xuất phát từ sự mất cân bằng của hệ thống rôto. Nguyên nhân sâu xa là sự lệch tâm khối lượng của rôto với trục hình học của nó, tạo ra độ lệch tâm khối tạo ra lực quán tính ly tâm trong quá trình quay, biểu hiện là độ rung hướng tâm tăng lên và độ mòn ổ trục tăng tốc.
Tuy nhiên, trước khi thực hiện hiệu chỉnh cân bằng động, trước tiên phải thực hiện một điều quan trọng— phân tích nguyên nhân cốt lõi của rung động bất thường vì đó có thể không phải là vấn đề về cân bằng động. Nếu thiết bị bị lỏng lẻo, cộng hưởng, nứt trục, hư hỏng ổ trục, lệch trục hoặc lún nền móng nghiêm trọng thì việc hiệu chỉnh cân bằng động sẽ không đạt được kết quả như mong đợi.
Dấu hiệu rung động điển hình của sự mất cân bằng là chu kỳ rung đồng bộ với tốc độ vận hành (bị chi phối bởi tần số quay 1 ×), biên độ rung xuyên tâm là cao nhất, biên độ và pha thể hiện sự ổn định và độ lặp lại.
3.2 Khi nào có thể sửa chữa được?
Phần lớn các sự cố hỏng cân bằng động có thể được khắc phục thông qua việc khắc phục tại chỗ hoặc tại nhà máy , trừ khi bản thân rôto bị hư hỏng về cấu trúc.
Cân bằng động tại chỗ là một công nghệ hoàn thiện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ngày nay. Phương pháp này thực hiện đo độ rung và hiệu chỉnh cân bằng theo tốc độ vận hành thực tế của rôto và các điều kiện lắp đặt mà không cần phải tháo rôto và gửi lại nhà máy. Nó có thể tiết kiệm khoảng 3–5 ngày thời gian và chi phí vận chuyển, đồng thời tránh được nguy cơ hư hỏng thứ cấp trong quá trình tháo rời và lắp ráp lại. Các phương pháp hiệu chỉnh chủ yếu bao gồm bổ sung trọng lượng (gắn trọng lượng cân bằng, ốc vít, tán đinh, hàn) và loại bỏ trọng lượng (khoan, mài, phay), với sự lựa chọn cụ thể tùy thuộc vào cấu trúc rôto và yêu cầu quy trình.
Độ chính xác của việc hiệu chỉnh tuân theo tiêu chuẩn ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 và sự mất cân bằng dư có thể được kiểm soát ở mức cực thấp. Trong các tình huống sản xuất chính xác, độ chính xác của cân động có thể đạt tới cấp G1 (cấp chính xác cao nhất trong ISO 1940-1), loại bỏ hiệu quả các nguy cơ rung.
Khung đĩa rôto của Rôto động cơ hướng trục chủ yếu được làm bằng vật liệu composite không từ tính và có khối lượng tương đối nhẹ. Tuy nhiên, khi trạng thái cân bằng thay đổi trong quá trình vận hành vì những lý do sau, việc điều chỉnh càng trở nên quan trọng hơn:
Ăn mòn, mài mòn hoặc đóng cặn của các bộ phận quay trong quá trình vận hành.
Sự bám dính của vật thể lạ gây ra độ lệch tâm lớn.
Sự mất cân bằng thay đổi chậm do biến dạng nhiệt hoặc cơ học.
Trong phần lớn các trường hợp trên, chức năng bình thường có thể được phục hồi thông qua hiệu chỉnh cân bằng động chuyên nghiệp.
3.3 Khi nào cần thay thế?
Trong các tình huống sau, việc điều chỉnh cân bằng động không hiệu quả và cần phải thay rôto:
Trục rôto có vết nứt hoặc gãy. Cần lưu ý rằng nếu mức độ vết nứt không vượt quá 10% chu vi cổ trục, hàn sửa chữa sau đó gia công phẳng có thể cho phép tiếp tục sử dụng; tuy nhiên, nếu vượt quá phạm vi này thì nên thay trục. Nếu vết nứt đã lan đến lõi trục thì phải thay toàn bộ rôto.
Lõi rôto đã bị biến dạng hoặc hư hỏng cấu trúc không thể phục hồi và độ chính xác của cân bằng vẫn không thể được đảm bảo sau khi hiệu chỉnh.
Các bộ phận quay đã bị bong ra (ví dụ như trọng lượng cân bằng rơi ra, gãy lưỡi dao) và hư hỏng là không thể khắc phục được.
Độ rung vẫn vượt quá giới hạn sau nhiều lần điều chỉnh cân bằng động, cho thấy các vấn đề nghiêm trọng hiện có với cấu trúc đế rôto.
Điều đáng nói là, do thiết kế cấu trúc mô-đun, Động cơ hướng trục có lợi thế nhất định trong quá trình bảo trì—chỉ cần thay thế mô-đun bị lỗi, giảm khó khăn khi đại tu và chi phí bảo trì.
4. Tóm tắt: Bảng hiểu về sửa chữa và thay thế
Loại lỗi |
Có thể sửa chữa |
Phải được thay thế |
Hư hỏng bề mặt rôto |
Vết xước và vết xước nhỏ (độ sâu <0,5 mm); không có hiện tượng ngắn mạch diện rộng của tấm thép silicon; độ đồng đều của khe hở không khí đáp ứng yêu cầu thiết kế sau khi sửa chữa. |
Thiệt hại sâu diện rộng; đoản mạch hoặc tách lớp nghiêm trọng của tấm thép silicon; biến dạng cấu trúc lõi không thể phục hồi. |
Khử từ nam châm |
Nhẹ (giảm từ thông <20%): tái từ hóa hoặc thay thế một phần nam châm, sau đó là từ hóa hoàn toàn. |
Nặng (giảm thông lượng >20%); hư hỏng cấu trúc nam châm; khử từ không thể đảo ngược trong trường hợp từ hóa không có hiệu quả. |
Lỗi cân bằng động |
Trong hầu hết các trường hợp, có thể sửa chữa bằng cách cân bằng động tại chỗ (phương pháp thêm/bớt trọng lượng). |
Gãy trục (vết nứt vượt quá 10% chu vi); hư hỏng cấu trúc lõi; sự tách rời của các bộ phận quay không thể khắc phục được. |
5. Khuyến nghị bảo trì và biện pháp phòng ngừa
1. Kiểm tra thường xuyên là điều kiện tiên quyết : Thiết lập cơ chế kiểm tra thường xuyên. Sử dụng Gaussmeter để kiểm tra định kỳ độ suy giảm từ trường và máy phân tích độ rung để kiểm tra cân bằng động thường xuyên, nhằm loại bỏ các lỗi trong giai đoạn đầu của chúng.
2. Chẩn đoán trước khi hành động : Trước khi thực hiện bất kỳ thao tác sửa chữa nào, trước tiên phải xác định rõ nguyên nhân lỗi. Đặc biệt đối với các vấn đề về cân bằng động, trước tiên phải loại trừ các yếu tố mất cân bằng như hư hỏng vòng bi, lệch trục và lỏng lẻo; nếu không, việc điều chỉnh cân bằng sẽ vô ích.
3. Tái từ hóa yêu cầu vận hành chuyên nghiệp : Hoạt động từ hóa liên quan đến thiết bị xung điện áp cao và phải được thực hiện bởi nhân viên có trình độ trong môi trường cách điện và được che chắn. Sau khi từ hóa, hãy xác minh hiệu suất bằng Gaussmeter và tiến hành chạy thử không tải và tải sau khi cài đặt lại.
4. Nâng cấp vật liệu để ngăn ngừa tái diễn : Đối với điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc độ rung cao, hãy ưu tiên chọn nam châm vĩnh cửu cao cấp (ví dụ: dòng H, SH) và áp dụng các biện pháp xử lý bảo vệ bề mặt như lớp phủ nhôm PVD hoặc lớp phủ composite epoxy cho nam châm để kéo dài tuổi thọ sử dụng.
5. Đánh giá tính kinh tế của việc bảo trì : Cần phải so sánh chi phí giữa việc thay thế cụm rôto và thay thế toàn bộ động cơ—khi cuộn dây stato vẫn ở tình trạng tốt thì việc thay thế bằng một rôto chính hãng cùng kiểu là đủ, với chi phí và thời gian quay vòng tốt hơn so với thay thế toàn bộ động cơ và hiệu suất được khôi phục như mới. Tuy nhiên, khi chi phí sửa chữa đạt tới hoặc vượt quá 60%–70% chi phí của động cơ mới thì nên ưu tiên thay thế toàn bộ động cơ.
