Bộ phớt trục động cơ xoay máy khoan đá được làm từ vật liệu gì? Giải thích về NBR, FKM và PU

Bộ phớt trục động cơ xoay hoạt động trong suốt tuổi thọ phục vụ của nó ở một trạng thái liên tục duy nhất: mép đàn hồi ép chặt vào trục luôn quay không ngừng khi máy khoan đang vận hành. Sự tiếp xúc trượt liên tục này, kết hợp với việc tiếp xúc với dầu bôi trơn trong vỏ động cơ và bất kỳ mức nhiệt độ nào mà động cơ đạt được trong quá trình vận hành, khiến việc lựa chọn vật liệu trở thành yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ thực tế của phớt. Bài viết này xem xét các loại vật liệu phổ biến nhất được dùng cho phớt trục động cơ xoay và phạm vi ứng dụng phù hợp của từng loại.

Bộ phớt trục động cơ xoay được làm từ vật liệu gì?

Các phớt trục động cơ quay thường được đúc từ cao su nitrile (NBR), fluoroelastomer (FKM) hoặc polyurethane (PU), kết hợp với vỏ kim loại hoặc nhựa để giữ hình dạng phớt và lò xo garter để duy trì lực tiếp xúc của mép phớt lên trục. Việc lựa chọn giữa ba loại vật liệu này chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của dầu trong vỏ và chu kỳ vận hành dự kiến của phớt.

Tại sao vật liệu phớt trục lại quan trọng đối với một phớt quay liên tục?

Khác với những phớt chỉ di chuyển thỉnh thoảng, ví dụ như phớt xy-lanh con dấu Trục , phớt trục động cơ quay luôn duy trì tiếp xúc trượt liên tục với bề mặt đối diện trong gần như toàn bộ thời gian khoan hoạt động. Tiếp xúc liên tục này sinh ra nhiệt ma sát liên tục tại mép phớt, ngoài nhiệt độ mà dầu trong vỏ đạt được, đồng thời đòi hỏi vật liệu phải duy trì khả năng làm kín qua một số lượng rất lớn vòng quay trục — chứ không chỉ qua một số lượng tương đối nhỏ các chu kỳ tịnh tiến.

Một vật liệu không phù hợp với những điều kiện này sẽ bộc lộ rõ các triệu chứng quen thuộc: mép gioăng cứng lại và mất lực tiếp xúc do chịu nhiệt kéo dài, hoặc mòn thành rãnh rõ ràng trên trục nhanh hơn mức dự kiến, hoặc phình to và mềm đi do tương thích kém với dầu bôi trơn đang sử dụng trong vỏ động cơ.

NBR là gì và vì sao NBR thường là lựa chọn mặc định cho gioăng trục quay?

NBR là lựa chọn đa dụng phổ biến cho gioăng trục quay trong các hệ thống thủy lực dùng dầu khoáng, vì cùng những lý do khiến nó trở thành lựa chọn mặc định cho nhiều loại gioăng thủy lực khác: khả năng chống chịu tốt đối với dầu thủy lực và dầu bôi trơn gốc khoáng, độ linh hoạt hợp lý trong dải nhiệt độ rộng, và chi phí ở mức vừa phải. Đối với một động cơ quay hoạt động ở nhiệt độ vỏ bình thường, NBR thường là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn.

Ngưỡng nhiệt độ sử dụng liên tục của nó, thường được nêu trong khoảng xấp xỉ 100–120°C tùy theo hợp chất cụ thể, là yếu tố chính cuối cùng thúc đẩy việc lựa chọn một vật liệu khác cho thiết kế, bởi vì nhiệt sinh ra do ma sát tại mép quay liên tục có thể đẩy nhiệt độ cục bộ cao hơn mức nhiệt độ dầu trong thân máy đo được đơn thuần.

Ngay cả trong cao su NBR, hệ thống chống oxy hóa được tích hợp vào thành phần cũng có tác động đo lường được đến khả năng duy trì xếp hạng nhiệt độ theo thời gian. Các thử nghiệm so sánh giữa một loại NBR thông thường và một phiên bản mà chất chống oxy hóa được đồng trùng hợp trực tiếp lên chuỗi phân tử cao su — thay vì trộn lẫn như một phụ gia riêng biệt — cho thấy loại đã cải tiến giữ được khả năng chống lão hóa do nhiệt và oxy tốt hơn trên nhiều tổ hợp chất chống oxy hóa khác nhau. Lý do rất rõ ràng: chất chống oxy hóa thông thường được trộn lẫn có thể dần dần di chuyển ra khỏi cao su và bị dầu, dung môi hoặc nhiệt độ cao kéo dài rửa trôi, trong khi chất được liên kết hóa học với chuỗi polymer sẽ ở nguyên vị trí suốt vòng đời của chi tiết. Một phớt trục là ứng cử viên lý tưởng để hưởng lợi từ sự khác biệt này, bởi vì nó hoạt động liên tục trong suốt vòng đời phục vụ bằng cách tiếp xúc không ngừng với dầu hộp số ở nhiệt độ cục bộ cao — đúng điều kiện khiến chất chống oxy hóa thông thường bị rửa trôi nhanh nhất.

FKM là gì và khi nào nên ưu tiên dùng FKM cho phớt trục?

FKM cung cấp ngưỡng nhiệt độ sử dụng liên tục cao hơn đáng kể so với NBR, thường được nêu lên tới 200°C, đồng thời có khả năng chống hóa chất rộng hơn. Đối với động cơ quay hoạt động ở nhiệt độ cao — do chu kỳ làm việc cao, khí hậu nóng hoặc mạch thoát dầu vỏ máy không tản nhiệt hiệu quả như mong đợi — khoảng chênh lệch nhiệt độ bổ sung của FKM có thể là yếu tố quyết định giữa một phớt trục đạt tuổi thọ thiết kế và một phớt trục bị cứng lại rồi hỏng sớm.

Điểm đánh đổi là chi phí và, ở một số loại công thức, độ linh hoạt giảm ở nhiệt độ thấp so với NBR. FKM thường chỉ được lựa chọn cho phớt trục khi nhiệt độ vận hành hoặc tính tương thích với chất lỏng thực sự yêu cầu, chứ không phải như một nâng cấp mặc định.

Còn polyurethane dành cho phớt trục thì sao?

Khả năng chống mài mòn và xé rách của polyurethane ít quan trọng hơn đối với phớt trục so với phớt chống bụi hoặc phớt chống nước, bởi vì cơ chế mài mòn chủ yếu ở phớt trục là tiếp xúc trượt liên tục chứ không phải do tiếp xúc với các hạt mài mòn. Polyurethane vẫn được sử dụng trong một số thiết kế phớt trục quay, đặc biệt khi cần khả năng chống trầy xước và hư hại trong quá trình lắp đặt cao hơn, nhưng vật liệu này ít được ưu tiên lựa chọn cho vị trí này hơn so với NBR hoặc FKM.

Một lựa chọn thứ tư đáng lưu ý, dù vẫn mang tính chuyên biệt thay vì là lựa chọn mặc định, là phần môi phớt làm từ PTFE đã được cải tiến thay vì cao su đàn hồi thông thường. Các thử nghiệm so sánh trên bàn thử nghiệm đối với PTFE đã được làm mềm và cải tiến con dấu Xoay so sánh với một phớt môi cao su tiêu chuẩn, được vận hành trong điều kiện bôi trơn kém cố ý và chất lỏng làm việc có tính ăn mòn nhẹ, phớt này ghi nhận nhiệt độ vận hành thấp hơn tại vùng phớt (giảm tối đa khoảng 3,6°C trong điều kiện bôi trơn kém) và mô-men ma sát thấp hơn ở cùng tốc độ trục. Trong những điều kiện cụ thể nêu trên — bôi trơn hạn chế hoặc chất lỏng làm việc có tính ăn mòn nhẹ — thiết kế phớt có môi bằng PTFE có thể bền hơn phớt cao su thông thường, dù đây là lựa chọn chuyên biệt hơn và đắt đỏ hơn, thường dành riêng cho các ứng dụng mà phớt cao su NBR hoặc FKM tiêu chuẩn đã từng chứng minh hiệu suất không đạt yêu cầu.

Các vật liệu này so sánh với nhau như thế nào khi đặt cạnh nhau?

Bảng dưới đây tóm tắt vị trí tổng quát của ba loại vật liệu. Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào công thức hợp chất cụ thể do từng nhà sản xuất áp dụng.

Vật liệu lò xo cuộn ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ phớt?

Môi cao su đàn hồi chỉ chiếm một nửa yếu tố giúp phớt trục quay hoạt động; lò xo garter giữ chặt môi này áp sát vào trục mới là thành phần duy trì lực làm kín khi môi dần bị mài mòn. Lò xo garter thường làm từ kim loại chống ăn mòn, và tình trạng của lò xo cũng quan trọng ngang bằng với tình trạng của môi cao su: nếu lò xo bị mất độ căng, bị ăn mòn hoặc bị lệch vị trí trong quá trình lắp đặt, phớt sẽ rò rỉ ngay cả khi vật liệu làm môi vẫn còn ở trạng thái tốt.

Đây là một trong những lý do khiến phớt trục thường được thay thế toàn bộ thay vì chỉ bảo dưỡng riêng lò xo — lò xo và môi là hai thành phần được phối hợp chính xác với nhau, và việc kết hợp lò xo đã qua sử dụng với môi mới (hoặc ngược lại) sẽ làm phát sinh lại mức độ bất định mà việc thay thế toàn bộ nhằm loại bỏ.

Điều kiện bề mặt trục tương tác với vật liệu phớt như thế nào?

Không có vật liệu phớt trục nào có thể bù đắp hoàn toàn cho bề mặt trục bị hư hỏng. Sự ăn mòn, rỗ hoặc rãnh mài mòn tại điểm tiếp xúc của phớt sẽ khiến ngay cả một phớt được chọn đúng vật liệu và kích thước cũng phải làm việc trên một bề mặt không đều hoặc nhỏ hơn tiêu chuẩn — đây là nguyên nhân phổ biến khiến phớt mới vừa thay vẫn bị rò rỉ trong thời gian ngắn sau khi lắp đặt.

Khi trục xuất hiện rõ rãnh mài mòn do phớt trước để lại, các lựa chọn thường gồm lắp một ống sửa chữa mỏng phủ lên vùng bị mài mòn hoặc, trong những trường hợp phức tạp hơn, mang trục đi mài lại hoặc thay thế hoàn toàn — quyết định cụ thể phụ thuộc vào loại động cơ và nên được xác nhận kỹ lưỡng dựa trên tài liệu bảo trì của nhà sản xuất thay vì suy đoán chủ quan.

Nhiệt độ và chu kỳ vận hành ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn vật liệu?

Một động cơ xoay hoạt động ngắt quãng, với thời gian để làm mát giữa các chu kỳ khoan, gây ra ít căng nhiệt kéo dài lên phớt trục hơn so với động cơ hoạt động liên tục ở chu kỳ tải cao. Khí hậu môi trường làm trầm trọng thêm vấn đề này: cùng một thiết kế động cơ có thể vận hành thoải mái trong dải nhiệt độ của NBR ở vùng khí hậu ôn hòa, nhưng lại vận hành quá nóng trong điều kiện sa mạc hoặc dưới lòng đất kéo dài đến mức cần thay thế bằng FKM.

Vì ma sát tại mép phớt góp phần gia tăng nhiệt lượng mà dầu bôi trơn trong vỏ máy đã mang theo, nên nhiệt độ vận hành thực tế của phớt thường cao hơn một chút so với nhiệt độ trung bình của dầu trong vỏ máy — điều này đáng được lưu ý khi phớt dường như hỏng do nhiệt dù nhiệt độ dầu trong vỏ máy vẫn nằm trong giới hạn bình thường.

Làm Thế Nào Để Xác Định Vật Liệu Phù Hợp Cho Ứng Dụng Của Bạn?

Vì vật liệu phớt trục bên phải phụ thuộc đồng thời vào nhiệt độ vận hành, loại dầu trong vỏ hộp và chu kỳ làm việc, nên cách đáng tin cậy nhất là mô tả các điều kiện vận hành thực tế của động cơ cho nhà cung cấp phớt thay vì giả định rằng một phớt thay thế chung chung sẽ hoạt động như nhau bất kể vật liệu sử dụng. Trường hợp có sẵn số hiệu chi tiết của phớt hiện tại hoặc tài liệu bảo trì động cơ, thông tin này thường nêu rõ vật liệu đã được lắp đặt ban đầu.

Khi thông tin đó không có sẵn, nhà cung cấp quen thuộc với ứng dụng cụ thể của động cơ thường có thể đề xuất một vật liệu phù hợp dựa trên chu kỳ làm việc được mô tả; đồng thời, việc kiểm tra cả tình trạng cao su đàn hồi lẫn lò xo garter sẽ mang lại cái nhìn toàn diện hơn so với chỉ tập trung vào vật liệu phần môi tiếp xúc.

1. Zhang B., Gao Z., Liu X., Zhang L., Feng X. “Nghiên cứu về khả năng chịu nhiệt độ cao của cao su nitrile ANBR3305 và NBR3305E.” Tạp chí Công nghệ và Thiết bị Cao su – Nhựa, 2026, 52(9): 55–59.
2. Liu C., Xiao G., Jia X. “Hiệu suất của phớt xoay PTFE đã cải tiến trong điều kiện bôi trơn kém và ăn mòn yếu.” Tạp chí Khoa học Công nghệ và Kỹ thuật, 2026, 26(20): 8655–8660.