CƠ CHẾ CỐT LÕI CỦA MỠ BÔI TRƠN

Cấu Trúc Hóa Học của Mỡ Bôi Trơn

Mỡ là hệ thống hai pha, bao gồm:

Dầu Gốc (Base Oil): Chiếm phần lớn khối lượng (70-95%), là thành phần thực hiện chức năng bôi trơn chính. Dầu gốc có thể là dầu khoáng, dầu tổng hợp (PAO, Ester, Silicone) hoặc dầu thực vật.

Chất Làm Đặc (Thickener): Thường là các xà phòng kim loại (Lithium, Calcium, Aluminium Complex) hoặc các chất vô cơ/hữu cơ không xà phòng (Polyurea, đất sét). Chất làm đặc tạo ra một mạng lưới sợi (fiber matrix) giữ dầu gốc lại.

Phụ Gia (Additives): Cải thiện các tính năng cụ thể (chịu cực áp EP, chống oxy hóa, chống gỉ, v.v.).

Độ đặc của mỡ được quyết định chủ yếu bởi tỷ lệ và cấu trúc của mạng lưới sợi chất làm đặc.

Khái Niệm Độ Đặc (Consistency) và Tính Nhớt Dẻo (Thixotropy)

Độ Đặc: Là khả năng mỡ chống lại sự biến dạng vĩnh viễn dưới một lực tác dụng. Đây là một đặc tính vật lý quan trọng, không nên nhầm lẫn với độ nhớt của dầu.

Tính Nhớt Dẻo (Thixotropy): Mỡ là một vật liệu nhớt dẻo. Khi chịu lực cắt (shear force) hoặc làm việc cơ học, mỡ sẽ trở nên mềm hơn (giảm độ đặc), cho phép dầu gốc được giải phóng để bôi trơn. Khi lực cắt dừng lại, cấu trúc sợi của mỡ sẽ từ từ tự phục hồi độ đặc ban đầu. Đây là cơ chế hoạt động cốt lõi của mỡ bôi trơn. 

Sự Ra Đời của Tiêu Chuẩn ASTM D217 và NLGI 

Khái niệm về độ đặc của mỡ đã xuất hiện từ rất sớm, nhưng việc chuẩn hóa phương pháp đo lường là cần thiết để đảm bảo tính nhất quán trong sản xuất và sử dụng.

Sự ra đời của NLGI: Đến giữa thế kỷ 20, Viện Mỡ Bôi Trơn Quốc gia (NLGI - National Lubricating Grease Institute) của Hoa Kỳ đã chuẩn hóa phương pháp thử nghiệm độ xuyên kim và tạo ra một hệ thống phân loại toàn cầu.

Tiêu chuẩn ASTM D217: Phương pháp này được Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM International) chính thức công nhận là tiêu chuẩn ASTM D217 - Standard Test Method for Cone Penetration of Lubricating Grease. Sự ra đời của tiêu chuẩn này đã chấm dứt sự mơ hồ trong việc mô tả mỡ, thay thế các thuật ngữ chung chung như "mỡ mềm" hoặc "mỡ cứng" bằng các giá trị định lượng chính xác. 

ĐỘ XUYÊN KIM ĐƯỢC THỬ NGHIỆM NHƯ THẾ NÀO?

Độ xuyên kim là phép đo mức độ mà mỡ bôi trơn chống lại sự biến dạng dưới tác dụng của một lực chuẩn.

Định nghĩa: Độ xuyên kim là khoảng cách (theo đơn vị 1/10milimet) mà một hình nón tiêu chuẩn (Standard Cone) chìm sâu vào mẫu mỡ bôi trơn dưới trọng lượng của chính nó, trong điều kiện nhiệt độ cố định (25 độ C hay 77 độ F) và trong một khoảng thời gian nhất định (5 giây).

Cơ sở khoa học: Kết quả này liên quan trực tiếp đến cấu trúc mạng lưới sợi (matrix) của chất làm đặc. Mỡ cứng có mạng lưới sợi dày đặc và chắc chắn hơn, chống lại sự thâm nhập tốt hơn, dẫn đến giá trị xuyên kim thấp. Ngược lại, mỡ mềm có cấu trúc lỏng lẻo hơn, cho phép hình nón xuyên sâu hơn, dẫn đến giá trị xuyên kim cao. Thử Nghiệm Độ Xuyên Kim (ASTM D217).

Thử Nghiệm Độ Xuyên Kim (ASTM D217)

Mục Tiêu của Thử Nghiệm

Thử nghiệm độ xuyên kim D217 đo lường độ sâu mà một hình nón tiêu chuẩn chìm vào mẫu mỡ.

Mục tiêu chính là:

- Phân loại mỡ theo hệ thống NLGI.

- Đánh giá tính nhất quán giữa các lô sản xuất.

- Đo lường độ ổn định cơ học của mỡ (thông qua thử nghiệm xuyên kim kéo dài).

Phương Pháp Thử Nghiệm và Thiết Bị

Thiết bị: Gồm một máy đo xuyên kim (penetrometer) và một hình nón tiêu chuẩn làm bằng Magie hoặc thép, có tổng trọng lượng 102.5 gram (thép) hoặc 150 gram (Magie). Mẫu mỡ được chứa trong một cốc thép tiêu chuẩn.

Điều kiện Tiêu chuẩn: Thử nghiệm phải được thực hiện ở nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ, tiêu chuẩn là 25°C hay 77°F.

Quy trình:

- Bề mặt mỡ được làm phẳng, loại bỏ các bọt khí.

- Đầu hình nón được đặt chạm nhẹ vào bề mặt mỡ.

 - Hình nón được thả tự do dưới trọng lượng của chính nó trong thời gian tiêu chuẩn 5 giây.

 - Độ sâu thâm nhập được đọc trên thang đo.

Đơn vị: Kết quả được biểu thị bằng đơn vị 1/10 milimet (ví dụ: một mỡ có độ xuyên kim 280 nghĩa là hình nón xuyên sâu 28.0 mm).

Các Loại Độ Xuyên Kim Chi Tiết

Thử nghiệm D217 được áp dụng trong ba ngữ cảnh chính:

Độ Xuyên Kim Chưa Làm Việc (Unworked Penetration): Thực hiện trên mỡ vừa lấy ra khỏi thùng chứa. Phản ánh độ đặc ban đầu, dùng để kiểm tra sự ổn định của mỡ trong quá trình lưu trữ.

Độ Xuyên Kim Đã Làm Việc sau 60 Nhịp giã (60-Stroke Worked Penetration): Mẫu mỡ được nhào trộn 60 lần trong máy làm việc mỡ (Grease Worker) trước khi đo. Đây là giá trị tiêu chuẩn được sử dụng để xếp loại NLGI, mô phỏng độ đặc của mỡ sau một khoảng thời gian ngắn làm việc cơ học.

Độ Xuyên Kim Kéo Dài (Extended Worked Penetration): Mỡ được nhào trộn kéo dài ở 10.000, 60.000 hoặc 100.000 nhịp. Mục đích: Đánh giá độ ổn định cắt (Shear Stability) hay độ ổn định cơ học (Mechanical Stability). Sự thay đổi độ đặc cho thấy khả năng mỡ bị mềm đi và rò rỉ khi vận hành lâu dài.

ỨNG DỤNG VÀ Ý NGHĨA CÔNG NGHIỆP CỦA CẤP NLGI

Hệ thống NLGI, được định nghĩa bởi kết quả Độ Xuyên Kim đã làm việc sau 60 nhịp giã (ASTM D217), là công cụ then chốt trong việc lựa chọn mỡ bôi trơn. 

Bảng phân cấp NLGI dựa trên độ xuyên kim

Bảng này cung cấp một tham chiếu định lượng và thống nhất về độ đặc của mỡ. 

Vai trò của cấp độ đặc NLGI trong vận hành

NLGI 2: Cung cấp sự cân bằng tối ưu giữa khả năng bơm (có thể bơm qua súng mỡ) và chống rò rỉ (duy trì ở vị trí cần bôi trơn). Đây là lựa chọn mặc định cho hầu hết các vòng bi công nghiệp.

NLGI Mềm (0, 1): Dành cho các hệ thống bôi trơn trung tâm (Centralized Lubrication Systems) với đường ống dài, vì mỡ cần phải có khả năng chảy tốt. Cũng phù hợp cho hộp số kín.

NLGI Cứng (3): Dùng cho các ứng dụng có áp suất cao hoặc nơi cần đệm kín tốt hơn (ví dụ: trục đứng, khu vực rung động mạnh) để chống lại sự dịch chuyển và rò rỉ mỡ. 

ĐỘ XUYÊN KIM SAU KHI LÀM VIỆC KÉO DÀI: ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CƠ HỌC

Độ đặc của mỡ có thể bị thay đổi khi chịu ứng suất cắt (shear stress) liên tục trong quá trình vận hành. Thử nghiệm Độ Xuyên Kim Kéo Dài (Extended Worked Penetration) là phương pháp để đánh giá khả năng mỡ duy trì độ đặc. 

Thử nghiệm 100.000 Nhịp giã

Quy trình: Mẫu mỡ được nhào trộn liên tục 100.000 nhịp trong máy làm việc mỡ, mô phỏng quá trình làm việc kéo dài của mỡ trong ổ trục.

Chỉ số ΔP : Là sự khác biệt giữa Độ Xuyên Kim $100.000$ nhịp và $60$ nhịp.

ΔP = Penetration_{100.000 nhịp} - Penetration_{60 nhịp}

Đánh giá: Chỉ số ΔP càng nhỏ (thường dưới 30-40 đơn vị), mỡ càng có độ ổn định cơ học cao. Mỡ kém ổn định sẽ bị mềm đi đáng kể, dẫn đến ΔP lớn, gây rò rỉ và tiêu hao mỡ sớm trong quá trình sử dụng. 

Ảnh hưởng đến tuổi thọ của mỡ

Độ ổn định cơ học là một yếu tố then chốt quyết định tuổi thọ của mỡ. Mỡ bị mềm vĩnh viễn không chỉ rò rỉ mà còn không thể tạo ra lớp màng bôi trơn hiệu quả trong vòng bi, dẫn đến mài mòn và hư hỏng thiết bị. 

KHUYẾN NGHỊ VÀ TỔNG KẾT

Thử nghiệm Độ Xuyên Kim (ASTM D217) là phép đo nền tảng, cung cấp thông tin kỹ thuật quan trọng về độ đặc và khả năng bơm của mỡ thông qua phân cấp NLGI.

Đảm bảo chọn mỡ có cấp NLGI phù hợp với hệ thống cung cấp (bơm) và yêu cầu chống rò rỉ của thiết bị.

Luôn kiểm tra Độ Xuyên Kim Kéo Dài để đánh giá độ ổn định của mỡ, đặc biệt với các ứng dụng vận hành liên tục và tốc độ cao.

Tuy nhiên, Độ Xuyên Kim chỉ là một phép đo vật lý ở 25°C. Để đánh giá toàn diện, cần phải kết hợp với các thử nghiệm quan trọng khác như Điểm Nhỏ Giọt (chịu nhiệt), Tải Hàn 4 bi (chịu tải EP) và Khả năng Chống Rửa Trôi Nước.