Căn chỉnh cơ học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Căn chỉnh cơ học là gì?

Căn chỉnh cơ học (Mechanical Alignment) là quy trình điều chỉnh vị trí tương đối của các bộ phận trong hệ thống máy móc nhằm đảm bảo sự đồng trục, thẳng hàng hoặc song song theo đúng thông số kỹ thuật. Đây là một bước thiết yếu trong lắp đặt, bảo trì và vận hành các máy móc quay như động cơ, máy bơm, hộp số hoặc trục truyền động.

Mục tiêu chính của căn chỉnh là giảm thiểu rung động, lực tác động không đồng đều, mài mòn bất thường và tổn thất năng lượng trong hệ thống. Khi các bộ phận quay không được căn chỉnh chính xác, các lực cơ học sẽ phân bố sai lệch, gây căng thẳng cho bạc đạn, trục và khớp nối, từ đó rút ngắn tuổi thọ của thiết bị.

Khác với căn chỉnh bằng mắt hoặc các phương pháp đơn giản truyền thống, căn chỉnh cơ học hiện đại sử dụng các thiết bị đo lường chính xác như cảm biến laser, thước so dial hoặc thiết bị quang học để đảm bảo độ sai lệch ở mức micromet. Điều này đặc biệt quan trọng trong các nhà máy sản xuất có yêu cầu cao về độ tin cậy và hiệu suất vận hành.

Tầm quan trọng của căn chỉnh trong công nghiệp

Căn chỉnh đúng cách giúp đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống cơ khí, giảm thời gian dừng máy và chi phí bảo trì. Theo các nghiên cứu của tổ chức Mobius Institute, hơn 50% các sự cố trong thiết bị quay là do sai lệch căn chỉnh hoặc mất cân bằng. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của nhà máy.

Trong các ngành công nghiệp như hóa chất, năng lượng, thực phẩm và dược phẩm, nơi yêu cầu hoạt động liên tục và chính xác cao, căn chỉnh là yếu tố bắt buộc trong quy trình bảo trì dự đoán (PdM) và bảo trì theo điều kiện (CBM). Thiết bị không được căn chỉnh đúng có thể tạo ra rung động vượt ngưỡng, ảnh hưởng đến kết cấu nền móng, làm hỏng phớt làm kín, tăng tiêu hao điện năng và gây rò rỉ chất lỏng.

Bảng dưới đây trình bày một số tác động của căn chỉnh sai đối với thiết bị quay:

Hiện tượng	Nguyên nhân do căn chỉnh sai	Hậu quả
Rung động bất thường	Lệch trục, sai lệch tâm	Hỏng ổ trục, tăng nhiệt độ
Tiêu thụ năng lượng cao	Ma sát tăng do lực lệch tâm	Tăng chi phí vận hành
Rò rỉ dầu tại phớt	Trục quay không đồng trục	Mất bôi trơn, hư hỏng thứ cấp

Phân loại sai lệch căn chỉnh

Căn chỉnh sai lệch (misalignment) là tình trạng phổ biến và được phân loại theo cách các trục hoặc bộ phận lệch nhau trong không gian. Hiểu rõ các loại sai lệch là điều kiện tiên quyết để lựa chọn phương pháp và thiết bị căn chỉnh phù hợp. Các dạng lệch phổ biến gồm:

• Sai lệch song song (Offset Misalignment): Trục đầu vào và đầu ra song song nhưng bị dịch chuyển lệch nhau.
• Sai lệch góc (Angular Misalignment): Hai trục tạo thành một góc với nhau, thường do trục bị nghiêng hoặc đế máy không phẳng.
• Sai lệch hỗn hợp: Là sự kết hợp của cả sai lệch song song và góc, thường xảy ra trong thực tế vận hành.

Hình thức sai lệch có thể diễn ra theo cả hai phương: ngang và dọc. Mức độ lệch nhỏ có thể gây rung nhẹ, nhưng nếu để lâu không xử lý sẽ làm tổn thương dần dần đến toàn bộ hệ truyền động.

Bảng sau minh họa các loại sai lệch và đặc điểm nhận biết:

Loại sai lệch	Đặc điểm	Biểu hiện điển hình
Song song	Trục vẫn song song nhưng bị lệch tâm	Rung đều, ổ trục mòn nhanh
Góc	Trục bị nghiêng nhẹ, giao nhau tại một điểm	Rung theo chu kỳ, lệch pha
Kết hợp	Vừa lệch tâm, vừa lệch góc	Rung hỗn hợp, tiếng ồn cao

Nguyên lý căn chỉnh và các phương pháp đo

Nguyên tắc căn chỉnh dựa trên việc đo chính xác vị trí tương đối của các bộ phận cơ học và điều chỉnh cho đến khi sai lệch nằm trong giới hạn cho phép. Việc này đòi hỏi hiểu biết sâu về hình học, lực tác động và khả năng xử lý số liệu đo lường. Các phương pháp đo phổ biến bao gồm cơ khí truyền thống và công nghệ hiện đại.

Phương pháp truyền thống: Sử dụng thước so dial và đồng hồ đo để xác định độ lệch qua từng điểm đo. Ưu điểm là chi phí thấp, nhưng đòi hỏi người vận hành có tay nghề cao và thời gian thực hiện lâu.

Phương pháp hiện đại: Sử dụng thiết bị căn chỉnh bằng laser, cung cấp thông số sai lệch góc và khoảng cách theo thời gian thực. Thiết bị này có thể lưu trữ dữ liệu, tạo báo cáo tự động và giảm thời gian thao tác đáng kể.

Công thức cơ bản để tính sai lệch góc giữa hai điểm đo cách nhau $L$ đơn vị chiều dài:

$\theta = \tan^{-1} \left( \frac{\Delta y}{L} \right)$

Trong đó $\Delta y$ là sai số vị trí theo phương thẳng đứng hoặc ngang giữa hai điểm đo. Giá trị $\theta$ là góc lệch cần điều chỉnh để đạt được trạng thái đồng trục.

Các công cụ và thiết bị hỗ trợ căn chỉnh

Việc lựa chọn đúng công cụ và thiết bị hỗ trợ là yếu tố quyết định đến độ chính xác và hiệu quả của quá trình căn chỉnh. Các công cụ hiện đại giúp giảm thời gian thực hiện, tăng độ tin cậy của dữ liệu và giảm phụ thuộc vào kỹ năng thủ công của người vận hành. Công nghệ mới cũng hỗ trợ lưu trữ, phân tích và tích hợp dữ liệu căn chỉnh vào hệ thống bảo trì tổng thể của nhà máy.

Danh sách các thiết bị thường dùng trong căn chỉnh cơ học hiện đại bao gồm:

• Thiết bị căn chỉnh laser (Laser Shaft Alignment Tools): Dùng để đo sai lệch góc và dịch chuyển song song theo thời gian thực với độ chính xác cao (±0.01 mm).
• Thước so dial (Dial Indicators): Công cụ truyền thống để đo sai số quay hoặc lệch tâm tại nhiều điểm của chu vi trục.
• Bộ shim căn chỉnh (Alignment Shims): Dùng để điều chỉnh chiều cao máy móc bằng cách thêm hoặc bớt các lá kim loại mỏng dưới chân đế.
• Phần mềm căn chỉnh chuyên dụng: Giúp phân tích, mô phỏng sai lệch và xuất báo cáo căn chỉnh tự động (ví dụ: PRUFTECHNIK ALIGNMENT CENTER).

Các nhà cung cấp thiết bị hàng đầu hiện nay bao gồm:

• PRUFTECHNIK – Đức: tiên phong trong thiết bị căn chỉnh laser cao cấp.
• SKF – Thụy Điển: cung cấp giải pháp tổng thể từ cảm biến đến phần mềm căn chỉnh.
• Easy-Laser – Thụy Điển: nổi bật với thiết bị căn chỉnh nhỏ gọn, phù hợp hiện trường.

Quy trình thực hiện căn chỉnh

Quy trình căn chỉnh cơ học cần được thực hiện bài bản theo từng bước nhằm đảm bảo độ chính xác và khả năng tái lặp. Trong thực tế công nghiệp, quá trình này thường là một phần trong kế hoạch bảo trì theo điều kiện hoặc sau khi thay thế bộ phận quay. Các bước cơ bản bao gồm:

1. Chuẩn bị thiết bị: Kiểm tra tình trạng chân đế, vệ sinh bề mặt, đo sơ bộ độ lệch ban đầu bằng mắt hoặc thước.
2. Lắp đặt thiết bị đo: Gắn thiết bị laser hoặc đồng hồ so vào trục máy để thu thập dữ liệu sai lệch theo góc quay 0°, 90°, 180°, 270°.
3. Tính toán và điều chỉnh: Dựa vào kết quả đo để thêm shim, điều chỉnh đế hoặc tịnh tiến máy theo các trục X-Y-Z.
4. Kiểm tra lại: Sau khi điều chỉnh, thực hiện đo lại để đảm bảo sai lệch còn trong giới hạn kỹ thuật cho phép.

Bảng hướng dẫn tiêu chuẩn sai lệch tối đa cho phép:

Đường kính trục (mm)	Sai lệch song song tối đa (mm)	Sai lệch góc tối đa (mm/100 mm)
< 100	0.05	0.05
100 – 200	0.03	0.03
> 200	0.02	0.02

Tiêu chuẩn căn chỉnh kỹ thuật

Để đảm bảo tính đồng nhất và an toàn trong lắp đặt, các tổ chức kỹ thuật quốc tế đã ban hành nhiều tiêu chuẩn liên quan đến căn chỉnh cơ học. Các tiêu chuẩn này quy định rõ sai số cho phép, phương pháp đo lường và yêu cầu kiểm tra sau khi căn chỉnh.

• ISO 1940-1: Quy định về độ cân bằng và chất lượng quay của trục, được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và nghiệm thu máy quay. Chi tiết tại ISO.org
• NEMA MG-1: Hướng dẫn về căn chỉnh động cơ điện tại Mỹ, đặc biệt liên quan đến tải trọng và ổ trục.
• ANSI/ASA S2.75: Tiêu chuẩn rung động và căn chỉnh cho các thiết bị quay công nghiệp.

Việc tuân thủ các tiêu chuẩn giúp doanh nghiệp đạt được độ tin cậy trong bảo trì, kéo dài tuổi thọ thiết bị và dễ dàng chứng minh chất lượng trong kiểm định kỹ thuật hoặc đánh giá hiệu suất vận hành.

Hậu quả của căn chỉnh sai

Căn chỉnh sai là nguyên nhân tiềm ẩn gây ra hư hỏng lặp lại, tiêu hao năng lượng và mất an toàn cho hệ thống. Những sai lệch nhỏ ban đầu nếu không phát hiện và xử lý sớm sẽ tích lũy theo thời gian, dẫn đến sự cố nghiêm trọng.

Hậu quả phổ biến của việc căn chỉnh sai:

• Vỡ ổ trục, gãy trục truyền động
• Tiếng ồn và rung động vượt ngưỡng cho phép
• Tăng tải cơ học không đều trên bạc đạn và phớt dầu
• Hỏng phớt làm kín gây rò rỉ dầu nhớt
• Gia tăng nhiệt độ và tiêu hao điện năng

Theo ReliabilityWeb, sai lệch căn chỉnh góp phần vào hơn 30% các ca hư hỏng không lường trước trong thiết bị quay công nghiệp. Chi phí sửa chữa do căn chỉnh sai có thể gấp 3–5 lần chi phí căn chỉnh định kỳ đúng kỹ thuật.

Xu hướng và công nghệ căn chỉnh hiện đại

Sự phát triển của công nghệ số và IoT đang làm thay đổi cách căn chỉnh cơ học được thực hiện trong nhà máy thông minh. Các hệ thống cảm biến tích hợp có thể theo dõi liên tục độ lệch trục, nhiệt độ, rung động và tự động cảnh báo nếu vượt ngưỡng. Đây là một phần của chiến lược bảo trì tiên tiến như CBM (Condition-Based Maintenance) và PdM (Predictive Maintenance).

Các xu hướng nổi bật trong căn chỉnh hiện đại:

• Thiết bị căn chỉnh tích hợp Wi-Fi/Bluetooth để truyền dữ liệu thời gian thực
• Ứng dụng công nghệ AR (Augmented Reality) để hướng dẫn kỹ thuật viên thao tác tại hiện trường
• Tự động phân tích và xuất báo cáo căn chỉnh bằng AI và phần mềm học máy

Các nhà cung cấp như Fluke Reliability, Easy-Laser và SPM Instrument đang thương mại hóa các hệ thống căn chỉnh tự động có khả năng đồng bộ với phần mềm CMMS (Computerized Maintenance Management System), tạo nên một quy trình căn chỉnh khép kín, thông minh và hiệu quả hơn trước nhiều lần.

Tài liệu tham khảo

1. Mobius Institute. Machinery Alignment. https://www.mobiusinstitute.com/training/machinery-alignment/
2. PRUFTECHNIK. Laser Shaft Alignment. https://www.pruftechnik.com/products/shaft-alignment/
3. SKF. Shaft Alignment Tools. https://www.skf.com/group/products/condition-monitoring/alignment-tools
4. ISO 1940-1:2003. Balance quality requirements for rotors. https://www.iso.org/standard/58462.html
5. ReliabilityWeb. The Impact of Shaft Misalignment. https://www.reliabilityweb.com/articles/entry/the-impact-of-shaft-misalignment
6. Easy-Laser. Alignment and Measurement Systems. https://www.easy-laser.com/en-us