Câu chuyện về một chi tiết mà rất nhiều người từng nhìn thấy, nhưng hiếm ai biết nó được tạo ra để làm gì.
Chiếc vam cuối cùng có những thanh thép đặc to gần bằng bắp chân người.
Ai nhìn cũng nghĩ lần này ổ lăn nhất định phải rời khỏi trục.
Nhưng khi lực kéo tiếp tục tăng, các thanh vam chỉ căng lên, tích tụ năng lượng đàn hồi rồi bất ngờ đứt phựt.
Ầm!
Tiếng nổ vang lên giữa xưởng.
Chiếc vam lại bị phá hủy.
Còn bộ ổ lăn khổng lồ vẫn nằm nguyên trên cổ trục cán, gần như không dịch chuyển.
Đó là lúc một cựu sinh viên gọi điện cho tôi:
“Thầy ơi, thầy có cách nào tháo được mấy bộ vòng bi này không?”
Em vừa mua thanh lý hơn chục trục cán thép cỡ lớn. Những trục cán ấy đã kết thúc vòng đời làm việc và phần thân trục chỉ còn được tính theo giá thép phế liệu. Nhưng trên hai đầu mỗi trục vẫn còn các bộ ổ lăn cỡ lớn. Nếu tháo được nguyên vẹn, kiểm tra thấy còn khả năng làm việc, mỗi bộ có thể bán riêng với giá trị hàng chục triệu đồng.
Ý tưởng kinh tế rất rõ ràng.
Nhưng bài toán cơ khí lại không đơn giản.
Em đã làm liên tiếp nhiều chiếc vam. Chiếc sau lớn hơn chiếc trước; thanh kéo sau to hơn thanh kéo trước. Thế nhưng từ chiếc nhỏ nhất đến chiếc lớn nhất, tất cả đều có chung một kết cục:
Vam đứt. Ổ lăn không ra.
May mắn là chưa có ai bị thương. Bởi khi một hệ thống kéo khổng lồ đang chịu tải bị phá hủy đột ngột, năng lượng đàn hồi tích tụ có thể giải phóng trong tích tắc, biến thanh thép, bu lông hoặc mảnh vam thành những vật văng đặc biệt nguy hiểm.
Nghe em kể xong, tôi không hỏi chiếc vam lớn đến đâu.
Cũng không hỏi đã dùng lực kéo bao nhiêu.
Tôi chỉ hỏi:
“Ở mặt đầu các trục cán có một lỗ nhỏ không?”
Em chưa để ý nên đi kiểm tra. Một lúc sau, điện thoại lại vang lên:
“Có thầy ạ. Đầu trục nào cũng có một lỗ ren.”
Tôi nói:
“Vậy là người thiết kế đã để sẵn lời giải trên chính cây trục ấy rồi.”
Đây cũng là lúc kiến thức của môn Chi tiết máy bước ra khỏi giáo trình.
Trong cụm trục cán, vòng trong của ổ lăn quay cùng trục. Vì vậy, tải trọng lần lượt quét qua mọi điểm trên chu vi của vòng trong trong quá trình làm việc. Nói theo lý thuyết, vòng trong chịu tải trọng chu kỳ.
Vòng chịu tải trọng chu kỳ phải được lắp có độ dôi với cổ trục để ngăn hiện tượng trượt vi mô hoặc xoay tương đối trên bề mặt lắp. Tùy kích thước, tải trọng và điều kiện vận hành, miền dung sai của cổ trục thường được lựa chọn trong các nhóm như k, m hoặc n.
Với trục cán, đường kính tại vị trí lắp ổ thường lên tới vài trăm milimét. Ổ lăn của chúng cũng không phải những bộ ổ thông thường: tải trọng tĩnh cơ bản có thể từ khoảng 700 tấn ở cỡ trung bình đến 2.000-5.000 tấn ở cỡ lớn; một số ổ đặc biệt còn vượt 6.000 tấn.
Để làm việc ổn định dưới tải trọng lớn, rung động và va đập như vậy, vòng trong phải được giữ rất chặt trên cổ trục. Độ dôi tạo ra áp suất tiếp xúc lớn trên toàn bộ bề mặt lắp, kéo theo lực ma sát rất lớn.
Đó là lý do mối ghép làm việc tin cậy.
Và cũng là lý do nhiều chiếc vam đồ sộ vẫn không thể tháo nổi.
Không phải vì chiếc vam cuối cùng còn quá nhỏ.
Mà vì người ta đang cố dùng lực kéo để thắng một mối ghép vốn được thiết kế với mục tiêu không được phép trượt.
Nhưng các kỹ sư thiết kế trục cán đã nghĩ xa hơn.
Họ biết rằng một ngày nào đó, sau hàng nghìn giờ làm việc, ổ lăn sẽ phải được tháo để kiểm tra, thay thế hoặc sửa chữa. Vì vậy, ngay từ khi chế tạo trục, người ta đã bố trí sẵn một hệ thống phục vụ tháo ổ bằng dầu áp lực cao.
Từ lỗ ren ở mặt đầu trục, một lỗ dẫn dầu được khoan vào bên trong cổ trục và nối tới vùng lắp vòng trong của ổ. Trên chính bề mặt côn hay trụ của cổ trục, người ta gia công một rãnh phân phối dầu dạng vòng, thường nằm gần giữa chiều dài lắp ghép vòng trong.
Rãnh này thuộc về cổ trục, không nằm trên vòng trong của ổ lăn.
Chiếc lỗ ren nhỏ ở đầu trục vì thế không phải một lỗ công nghệ vô nghĩa, cũng không phải vị trí để bắt một bu lông thông thường.
Nó là cửa vào của cả một phương án tháo đã được người thiết kế chuẩn bị từ nhiều năm trước.
Tôi hướng dẫn em nối bơm tay dầu áp lực cao vào lỗ ren ấy.
Dầu được bơm theo đường dẫn trong thân trục đến rãnh vòng trên bề mặt côn. Từ đó, dầu phân bố quanh chu vi và chui vào rãnh tiếp xúc giữa mặt côn của cổ trục với lỗ côn của vòng trong.
Áp suất dầu làm giảm mạnh sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt; vòng trong đồng thời giãn đàn hồi một lượng rất nhỏ. Lực ma sát từng giữ chặt bộ ổ trên trục giảm xuống rõ rệt.
Khi ấy, chỉ cần một lực dọc trục phù hợp và được kiểm soát, vòng trong bắt đầu dịch chuyển rồi trượt khỏi cổ trục.
Không cần thêm một chiếc vam khổng lồ.
Không còn những thanh thép căng cứng.
Không còn tiếng nổ giữa xưởng.
Và quan trọng hơn, cả ổ lăn lẫn bề mặt cổ trục đều được bảo toàn.
Ngay ngày hôm sau, em gọi lại. Giọng đầy phấn khởi:
“Thầy ơi, em tháo xong hết rồi. Hơn chục cái trục, tháo rất nhanh!”
Thứ mà những thanh vam to gần bằng bắp chân không làm được, cuối cùng lại được giải quyết nhờ một lớp dầu rất mỏng đi qua một chiếc lỗ nhỏ ở đầu trục.
Điều tôi nhớ nhất trong câu chuyện này không phải là những chiếc vam đã lần lượt bị gãy, cũng không phải việc cuối cùng các bộ ổ lăn đều được tháo ra nguyên vẹn.
Mà là chiếc lỗ ren nhỏ ở mặt đầu trục cán.
Một chi tiết rất nhỏ.
Nhỏ đến mức nhiều người đi ngang qua hàng trăm lần mà không để ý.
Nhưng chính nó lại chứa đựng cả tư duy của người thiết kế.
Họ không chỉ nghĩ đến cách lắp một bộ ổ lăn đủ chắc để chịu tải hàng nghìn tấn.
Họ còn nghĩ đến ngày, nhiều năm sau, sẽ có một người kỹ sư khác cần tháo nó ra.
Có lẽ đó cũng là điều đẹp nhất mà môn Chi tiết máy muốn dạy chúng ta.
Một thiết kế thực sự tốt không chỉ phục vụ cho hôm nay.
Nó còn để lại lời giải cho những người sẽ đến sau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (2 tập), NXB Giáo dục, Hà Nội, 1999.
[2] SKF, “The SKF Oil Injection Method”. https://www.skf.com/group/products/maintenance-products/hydraulic-tools-for-mounting-and-dismounting/oil-injection-method
[3] SKF, SKF Bearing Maintenance Handbook : https://web.mit.edu/2.70/Reading%20Materials/SKF-bearing-maintenance-handbook.pdf
[4] SKF, “Four-row cylindrical roller bearings”. https://www.skf.com/us/products/rolling-bearings/roller-bearings/cylindrical-roller-bearings/four-row-cylindrical-roller-bearings
[5] Schaeffler (FAG), Rolling Bearings in Rolling Mills (Publ. WL 17200). https://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/08_media_library/01_publications/schaeffler_2/publication/downloads_18/wl_17200_5_de_en.pdf
