Mỗi ngày, hàng triệu viên thuốc được sản xuất trên các máy dập viên nén tự động trong ngành Dược phẩm.
Từ hỗn hợp bột chứa dược chất và tá dược, chỉ trong vài phần chục giây, máy lần lượt thực hiện các công đoạn nạp liệu, nén sơ bộ, nén chính rồi đẩy viên thuốc ra khỏi khuôn. Toàn bộ quá trình diễn ra liên tục với tốc độ rất cao, nhưng mỗi viên thuốc vẫn phải đạt khối lượng, kích thước và độ cứng gần như tuyệt đối đồng đều.
Ít ai biết rằng phía sau sự chính xác ấy không phải là một cơ cấu đặc biệt phức tạp.
Mà là những bánh nén.
Mỗi bánh nén được lắp lồng không trên một trục nén cố định thông qua hai ổ lăn. Khi mâm máy quay, các đầu chày dập lần lượt đi qua và tỳ lên bề mặt bánh nén dưới lực nén rất lớn. Chính chuyển động tương đối ấy làm bánh nén tự quay quanh trục, trong khi trục nén vẫn hoàn toàn đứng yên.
Đó là một kết cấu rất đơn giản.
Nhưng cũng chính kết cấu ấy đã mang đến cho mình một bài học nghề mà đến hôm nay vẫn còn nhớ rất rõ.
Một hôm, mình nhận được cuộc điện thoại của một kỹ sư.
Anh cho biết vừa chế tạo lại trục nén của một máy dập viên nén tự động.
Mọi thứ đều có vẻ hoàn hảo.
Trục được gia công đúng kích thước.
Vật liệu đúng yêu cầu.
Ổ lăn sử dụng là loại mới.
Thế nhưng chỉ sau vài ngày vận hành, ổ lăn đã hỏng.
Thay ổ mới.
Kết quả vẫn không thay đổi.
Anh nhờ mình cùng tìm nguyên nhân.
Khi xem bản vẽ và kết cấu của cụm bánh nén, mình gần như nhận ra vấn đề ngay lập tức.
Sai sót không nằm ở vật liệu.
Không nằm ở chất lượng ổ lăn.
Cũng không nằm ở chế độ bôi trơn.
Mà nằm ở việc lựa chọn chế độ lắp của ổ lăn.
Đây cũng là một trong những nội dung mà sinh viên thường học trong môn Chi tiết máy, nhưng không phải lúc nào cũng dễ hình dung nếu chỉ nhìn trên bản vẽ.
Việc lựa chọn chế độ lắp của ổ lăn không thể chỉ căn cứ đơn thuần vào việc trục quay hay vỏ quay, mà phải xét đến chuyển động tương đối giữa từng vòng ổ với phương tác dụng của tải trọng.
Từ đó mới xác định được vòng nào chịu tải trọng chu kỳ – tức tải trọng lần lượt quét qua mọi điểm trên chu vi của vòng trong quá trình làm việc – và vòng nào chịu tải trọng cục bộ, khi tải trọng luôn tác dụng lên gần như một vị trí cố định trên vòng.
Theo nguyên lý thiết kế ổ lăn, vòng chịu tải trọng chu kỳ phải được lắp có độ dôi, nhằm ngăn hiện tượng trượt vi mô (creep) và xoay tương đối giữa vòng ổ với chi tiết lắp ghép.
Ngược lại, vòng chịu tải trọng cục bộ nên sử dụng mối ghép lỏng hoặc mối ghép trung gian, cho phép vòng tự điều chỉnh một lượng rất nhỏ dưới tác dụng của tải. Nhờ đó, vùng chịu lực được phân bố đều hơn trên toàn chu vi, hạn chế mòn cục bộ và đồng thời thuận lợi cho việc tháo lắp, bảo dưỡng.
Sau khi xác định đúng dạng tải của từng vòng, mức độ chặt hay lỏng của mối ghép mới tiếp tục được lựa chọn dựa trên nhiều yếu tố khác như kích thước danh nghĩa của ổ lăn, độ lớn và tính chất của tải trọng, cấp chính xác của ổ, vật liệu của trục và vỏ lắp, nhiệt độ cũng như điều kiện làm việc thực tế.
Áp dụng nguyên lý đó vào cụm bánh nén của máy dập viên nén tự động, có thể thấy:
Trục nén được cố định với thân máy, còn bánh nén quay lồng không trên trục thông qua ổ lăn.
Vì vậy, vòng ngoài của ổ lăn là vòng chịu tải trọng chu kỳ, cần được lắp có độ dôi với lỗ của bánh nén (thực tế thường sử dụng các miền dung sai của lỗ như M7, N7 hoặc P7, tùy điều kiện làm việc).
Ngược lại, vòng trong không quay so với trục, nên chỉ chịu tải trọng cục bộ. Theo nguyên lý thiết kế, vòng này nên sử dụng mối ghép lỏng nhẹ hoặc mối ghép trung gian, tương ứng với các kiểu lắp như h6, g6 hoặc js6, để vòng trong có thể tự điều chỉnh rất nhỏ dưới tác dụng của tải, giảm mòn cục bộ và thuận lợi cho việc tháo lắp, bảo dưỡng.
Đối chiếu với kết cấu thực tế, nguyên nhân của sự cố đã trở nên rõ ràng.
Khi vòng trong không quay bị lắp chặt với trục, vòng trong bị giãn đàn hồi cục bộ, làm giảm khe hở hướng tâm mà nhà chế tạo ổ lăn đã tính toán rất chính xác.
Trong quá trình làm việc, nhiệt lượng tiếp tục làm vòng trong giãn nở cục bộ nhiều hơn.
Khe hở làm việc giảm.
Áp suất tiếp xúc tăng.
Ma sát tăng.
Nhiệt độ tăng.
Khả năng bôi trơn suy giảm.
Và chỉ sau một thời gian rất ngắn, ổ lăn đã bị phá hỏng.
Sau khi chế tạo lại trục theo đúng chế độ lắp, cụm bánh nén hoạt động ổn định và sự cố không còn tái diễn.
Không thay đổi loại ổ lăn.
Không thay đổi vật liệu.
Không thay đổi kết cấu của máy.
Chỉ thay đổi một chế độ lắp.
Khi học môn Chi tiết máy, sinh viên thường nhìn thấy những ký hiệu như H7, h6, k6, m6, K7 hay M7.
Nhiều người nghĩ đó chỉ là những ký hiệu để tra bảng.
Nhưng phía sau mỗi ký hiệu ấy là cả một hệ thống cơ học về truyền tải, ma sát, biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt và tuổi thọ của ổ lăn.
Một miền dung sai không chỉ quyết định việc lắp được hay không lắp được.
Nó quyết định khe hở làm việc.
Sự phân bố tải trọng.
Khả năng bôi trơn.
Nhiệt độ.
Độ rung.
Và cuối cùng là tuổi thọ của cả một cơ cấu máy.
Có lẽ đó cũng chính là điều làm nên vẻ đẹp của nghề kỹ sư cơ khí.
Những quyết định quan trọng nhất không phải lúc nào cũng nằm ở những chi tiết lớn nhất.
Đôi khi, chúng chỉ nằm trong vài ký tự rất nhỏ trên bản vẽ.
Bởi trong kỹ thuật, sự khác biệt giữa một cỗ máy vận hành bền bỉ suốt nhiều năm và một ổ lăn hỏng chỉ sau vài ngày đôi khi chỉ bắt đầu từ việc người kỹ sư trả lời đúng một câu hỏi rất đơn giản: vòng nào chịu tải trọng chu kỳ, và vòng nào chỉ chịu tải trọng cục bộ?
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wikipedia, “Tablet press” . https://en.wikipedia.org/wiki/Tablet_press
[2] Romaco, “Complete Guide to Designing Rotary Tablet Press Machines”.
[3] Pharmapproach, “Tablet Press: Types, Functional Parts, How It Works”. https://www.pharmapproach.com/tablet-press/
[4] SKF Group, “Seat tolerances for standard conditions”. https://www.skf.com/us/products/rolling-bearings/principles-of-rolling-bearing-selection/bearing-selection-process/bearing-interfaces/seat-tolerances-for-standard-conditions
