Nguyên nhân bánh xe đẩy bị mài mòn và các yếu tố ảnh hưởng

Trong điều kiện lý tưởng, bánh xe lăn thuần túy và điểm tiếp xúc chỉ biến dạng đàn hồi trong thời gian ngắn. Trên thực tế, bánh luôn có một mức trượt vi mô, biến dạng vật liệu và ma sát nội tại. Khi các tác động này lặp lại đủ nhiều, bề mặt bánh bắt đầu xuất hiện vết xước, vùng chai cứng, rỗ, nứt, bong lớp hoặc mòn lệch.

Mức độ mài mòn vì vậy không chỉ phụ thuộc vào số kilômét di chuyển. Hai bánh xe cùng vật liệu có thể có tuổi thọ rất khác nhau nếu một bánh chịu quá tải, thường xuyên xoay đổi hướng hoặc vận hành trên sàn có nhiều hạt cứng.

Bản chất của mài mòn cơ học ở bánh xe đẩy

Mài mòn cơ học là sự suy giảm vật liệu do hai bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau. Ở bánh xe đẩy, vùng tiếp xúc chính nằm giữa mặt lăn của bánh và nền sàn. Ngoài ra, mài mòn còn có thể xuất hiện tại ổ trục, bạc lót, trục bánh và cụm xoay của càng bánh.

Khi tải trọng ép bánh xuống sàn, lực không phân bố trên toàn bộ chu vi bánh mà tập trung tại một vùng tiếp xúc nhỏ. Áp suất tại vùng này làm vật liệu bánh bị nén và biến dạng. Khi bánh tiếp tục lăn, vùng chịu tải liên tục dịch chuyển, khiến bề mặt trải qua hàng nghìn hoặc hàng triệu chu kỳ nén, kéo và phục hồi.

Nếu ứng suất vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi của vật liệu, bánh có thể phục hồi gần như hoàn toàn sau mỗi vòng quay. Khi ứng suất quá lớn hoặc được lặp lại quá nhiều, vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn, phát sinh vi nứt và mất dần khỏi bề mặt.

Trong mô hình mài mòn Archard, thể tích vật liệu bị mất có quan hệ gần đúng với tải trọng và quãng đường trượt, đồng thời tỷ lệ nghịch với độ cứng của vật liệu:

V = k × W × s / H

Trong đó:

·         V là thể tích vật liệu bị mài mòn

·         k là hệ số mài mòn phụ thuộc cặp vật liệu và điều kiện tiếp xúc

·         W là tải trọng tác dụng

·         s là tổng quãng đường trượt tương đối

·         H là độ cứng của vật liệu

Mô hình này không dự đoán chính xác tuổi thọ của mọi bánh xe, nhưng cho thấy ba nguyên tắc quan trọng: tải càng lớn, trượt càng nhiều và vật liệu càng mềm thì nguy cơ mất vật liệu càng cao. Tuy nhiên, vật liệu cứng hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn vì nó có thể giảm khả năng hấp thụ rung động hoặc gây tiếng ồn lớn hơn trên nền cứng.

Các cơ chế làm bề mặt bánh xe bị mòn

Một bánh xe có thể chịu nhiều cơ chế mài mòn cùng lúc. Hình dạng vết hư hỏng thường phản ánh cơ chế đang chiếm ưu thế.

Mài mòn do cào xước

Mài mòn cào xước xảy ra khi các điểm gồ ghề hoặc hạt cứng cắt, cày hay kéo vật liệu ra khỏi bề mặt bánh. Hạt cát, phoi kim loại, mảnh bê tông và bụi khoáng đều có thể trở thành tác nhân mài.

Có hai trường hợp phổ biến:

·         Bề mặt sàn cứng và nhám trực tiếp cào lên mặt bánh

·         Hạt rời bị kẹt giữa bánh và sàn rồi hoạt động như hạt mài

Dấu hiệu thường gặp là các rãnh nhỏ chạy theo hướng lăn, bề mặt mất độ bóng và xuất hiện vụn vật liệu. Với bánh cao su hoặc polyurethane mềm, hạt sắc có thể cắm vào mặt bánh trước khi tiếp tục xé rách vật liệu ở những vòng quay sau.

Mài mòn do bám dính và xé bề mặt

Ở cấp độ vi mô, các điểm cao trên bánh và sàn có thể tiếp xúc rất chặt dưới áp suất lớn. Một số điểm tiếp xúc tạm thời bám vào nhau. Khi bánh chuyển động, liên kết này bị kéo đứt và có thể lấy đi một phần vật liệu của bánh.

Cơ chế này tăng mạnh khi bánh vừa chịu tải lớn vừa bị trượt ngang. Hiện tượng thường xuất hiện khi:

·         Xe bị kéo lê thay vì để bánh quay tự do

·         Bánh khóa nhưng xe vẫn bị đẩy

·         Xe đổi hướng đột ngột khi đang mang tải

·         Cụm xoay bị kẹt khiến bánh không kịp tự căn hướng

Bề mặt bánh có thể xuất hiện các mảng bị kéo xước, bong cục bộ hoặc tróc thành từng lớp thay vì mòn đều.

Mỏi tiếp xúc do tải lặp lại

Mỏi tiếp xúc hình thành khi một vùng vật liệu liên tục chịu ứng suất tuần hoàn trong quá trình bánh quay. Mỗi chu kỳ riêng lẻ có thể chưa đủ để phá hủy bánh, nhưng số chu kỳ lớn sẽ làm vi nứt phát triển dưới hoặc gần bề mặt.

Khi các vết nứt liên kết với nhau, một mảng vật liệu có thể bong ra, tạo thành rỗ nhỏ hoặc vùng tróc. Hiện tượng này dễ xuất hiện khi:

·         Bánh thường xuyên làm việc gần giới hạn tải

·         Bánh có đường kính nhỏ nhưng phải vượt nhiều khe và gờ

·         Mặt sàn tạo tải va đập lặp lại

·         Vật liệu đã lão hóa hoặc có khuyết tật

·         Lớp lăn và lõi bánh liên kết không ổn định

Mòn do mỏi khác với cào xước ở chỗ vật liệu có thể bong từ bên trong ra ngoài, kể cả khi mặt sàn tương đối sạch.

Biến dạng trễ và sinh nhiệt

Các vật liệu đàn hồi như cao su và polyurethane bị nén tại vùng tiếp xúc rồi phục hồi sau khi đi qua điểm chịu tải. Quá trình phục hồi không hoàn toàn tức thời. Một phần năng lượng cơ học chuyển thành nhiệt do tổn hao trễ của vật liệu.

Khi bánh quay liên tục, mang tải lớn hoặc có đường kính nhỏ, số lần biến dạng trong một đơn vị thời gian tăng lên. Nhiệt có thể tích tụ bên trong bánh nhanh hơn khả năng tản ra môi trường.

Nhiệt độ tăng làm thay đổi tính chất vật liệu, giảm độ bền xé và thúc đẩy:

·         Mềm hóa mặt lăn

·         Phồng hoặc biến dạng

·         Nứt do nhiệt

·         Bong lớp lăn khỏi lõi

·         Tăng lực cản lăn

Cơ chế này giải thích vì sao một bánh xe vận hành liên tục có thể xuống cấp nhanh hơn bánh chịu cùng tải nhưng chỉ di chuyển ngắt quãng.

Tải trọng ảnh hưởng đến tốc độ mài mòn như thế nào?

Tải trọng càng lớn thì bánh càng bị ép mạnh xuống sàn, vùng tiếp xúc biến dạng nhiều hơn và ứng suất bên trong vật liệu tăng lên. Tuy nhiên, quan hệ giữa tải trọng và tuổi thọ không nhất thiết tuyến tính. Một mức tăng tải nhỏ gần giới hạn làm việc có thể khiến nhiệt, biến dạng và mỏi tăng nhanh hơn dự kiến.

Tải trọng thực tế trên từng bánh cũng hiếm khi bằng tổng tải chia đều cho số bánh. Sàn không phẳng, khung xe cong, vị trí hàng lệch tâm hoặc một bánh có đường kính khác biệt đều có thể khiến một số bánh chịu tải cao hơn.

Ví dụ, xe bốn bánh không phải lúc nào cũng phân phối chính xác 25% tải cho mỗi bánh. Khi đi qua nền gồ ghề, có thời điểm chỉ ba bánh hoặc thậm chí hai bánh chịu phần lớn trọng lượng. Vì vậy, việc chọn bánh chỉ dựa trên tải trọng tĩnh trung bình có thể làm đánh giá thấp tải cục bộ.

Tải động còn xuất hiện khi xe:

·         Đi qua khe nối hoặc gờ sàn

·         Rơi từ bậc thấp xuống nền

·         Dừng đột ngột

·         Đổi hướng nhanh

·         Va vào chướng ngại vật

Trong các tình huống này, lực tức thời tại bánh có thể cao hơn đáng kể so với trọng lượng tĩnh. Tải va đập lặp lại làm tăng nguy cơ nứt, bong mặt lăn và biến dạng lõi bánh.

Vì sao trượt ngang và đổi hướng làm bánh mòn nhanh?

Khi bánh lăn thẳng, vận tốc tại vùng tiếp xúc chủ yếu cùng hướng với chuyển động của xe. Khi xe quay vòng, đặc biệt là quay tại chỗ, mặt bánh đồng thời chịu lực theo phương ngang.

Bánh xe thông thường không thể lăn tự do theo phương ngang. Vì vậy, trước khi bánh xoay về đúng hướng, bề mặt phải trượt hoặc xoắn trên sàn. Ma sát ngang này thường lớn hơn mài mòn trong quá trình lăn thẳng ổn định.

Hiện tượng mòn tăng mạnh trong những trường hợp sau:

·         Bán kính quay quá nhỏ

·         Xe thường xuyên quay tại chỗ

·         Tốc độ đổi hướng cao

·         Bánh cố định và bánh xoay bố trí không phù hợp

·         Cụm xoay thiếu bôi trơn hoặc bị kẹt

·         Khoảng cách giữa các bánh làm xe khó tự căn hướng

·         Người vận hành đẩy ngang thân xe

Với bánh đàn hồi, lực ngang làm mặt lăn bị xoắn trước khi trượt. Năng lượng tích lũy trong vùng biến dạng sau đó được giải phóng, gây xé mép hoặc tạo các mảng mòn không đều. Đây là lý do bánh có thể còn dày ở giữa nhưng mòn mạnh tại một bên mép.

Một nhầm lẫn phổ biến là cho rằng bánh chỉ bị mòn khi xe chạy quãng đường dài. Trên thực tế, xe di chuyển ít nhưng liên tục xoay trở trong không gian hẹp vẫn có thể mòn nhanh hơn xe chạy thẳng trên quãng đường dài.

Điều kiện mặt sàn quyết định dạng mài mòn

Mặt sàn là bề mặt đối tiếp trực tiếp với bánh nên độ cứng, độ nhám, độ sạch và hình dạng khuyết tật của sàn đều ảnh hưởng đến quá trình mài mòn.

Sàn nhám và có hạt cứng

Sàn bê tông thô, nền có cát hoặc khu vực có phoi kim loại làm tăng mài mòn cào xước. Hạt càng cứng và sắc so với vật liệu bánh thì khả năng cắt bề mặt càng lớn.

Việc quét hoặc hút sạch hạt rời có thể tạo khác biệt đáng kể ngay cả khi không thay đổi loại bánh. Ngược lại, một bánh có khả năng chống mài mòn tốt vẫn có thể hỏng sớm nếu liên tục cán qua phoi sắc.

Khe, gờ và ổ gà

Khi bánh va vào một gờ có chiều cao đáng kể so với bán kính bánh, lực tác dụng không còn chỉ theo phương thẳng đứng. Bánh phải biến dạng để leo qua chướng ngại vật, đồng thời chịu tải va đập tại mép tiếp xúc.

Bánh đường kính nhỏ thường bất lợi hơn vì cùng một khe hoặc gờ chiếm tỷ lệ lớn hơn so với bán kính bánh. Lực cần để vượt vật cản tăng, kéo theo ứng suất tại mặt lăn, trục và càng bánh.

Sàn có chất lỏng hoặc hóa chất

Nước có thể làm giảm một số dạng ma sát nhưng đồng thời mang hạt mài vào vùng tiếp xúc, gây trượt hoặc xâm nhập vào ổ trục. Dầu, dung môi, chất tẩy và hóa chất công nghiệp còn có thể làm vật liệu trương nở, mềm hóa hoặc mất liên kết.

Trong trường hợp này, hư hỏng nhìn giống mài mòn cơ học nhưng nguyên nhân ban đầu có thể là suy giảm hóa học. Sau khi vật liệu bị mềm hoặc nứt, tác động cơ học sẽ bóc tách bề mặt nhanh hơn. Vì vậy, không nên đánh giá vết mòn mà bỏ qua môi trường tiếp xúc.

Vật liệu và cấu tạo bánh ảnh hưởng ra sao?

Độ cứng chỉ là một trong nhiều thông số quyết định khả năng chống mài mòn. Hai vật liệu có độ cứng tương đương vẫn có thể khác nhau về độ bền xé, khả năng phục hồi đàn hồi, tổn hao trễ, độ bền mỏi và khả năng kháng hóa chất.

Bánh cao su

Cao su có khả năng hấp thụ rung động và tạo độ bám tốt, phù hợp với bề mặt cần vận hành êm. Tuy nhiên, vật liệu mềm thường biến dạng nhiều hơn dưới tải, làm tăng lực cản lăn và sinh nhiệt.

Cao su có thể mòn nhanh khi chịu trượt ngang, gặp vật sắc hoặc tiếp xúc với môi trường không tương thích. Dạng hư hỏng thường gồm mòn mép, xé mặt, nứt và chai cứng theo thời gian.

Bánh polyurethane

Polyurethane thường kết hợp khả năng chịu tải với độ đàn hồi và khả năng chống cào xước tương đối tốt. Hiệu năng thực tế phụ thuộc mạnh vào công thức vật liệu, độ cứng, chất lượng đúc và độ bám giữa lớp polyurethane với lõi bánh.

Nếu vận hành quá tải hoặc liên tục ở tốc độ cao, nhiệt tích tụ có thể làm lớp lăn mềm, nứt hoặc tách khỏi lõi. Vì vậy, khả năng chịu tải tĩnh cao không đồng nghĩa bánh phù hợp với mọi chế độ chạy liên tục.

Bánh nylon hoặc vật liệu nhiệt dẻo cứng

Bánh cứng biến dạng ít, thường có lực cản lăn thấp trên nền phẳng và sạch. Đổi lại, diện tích tiếp xúc nhỏ làm áp suất cục bộ tăng, khả năng hấp thụ va đập thấp và tiếng ồn có thể lớn hơn.

Khi gặp nền gồ ghề, tải xung truyền mạnh hơn vào bánh, trục và hàng hóa. Bánh có thể ít bị mòn dạng mềm hóa nhưng vẫn có nguy cơ nứt, sứt hoặc mòn cào xước.

Cấu tạo lõi và lớp lăn

Ở bánh có lớp lăn bọc quanh lõi, độ bền không chỉ phụ thuộc vào vật liệu bề mặt mà còn phụ thuộc liên kết giữa hai lớp. Ứng suất cắt phát sinh trong mỗi chu kỳ lăn có thể tích tụ tại bề mặt liên kết.

Nếu liên kết yếu, nhiệt cao hoặc lõi biến dạng khác với lớp lăn, bánh có thể bong vòng ngoài dù mặt lăn chưa mòn hết chiều dày. Đây là dạng hư hỏng kết cấu, không nên tiếp tục sử dụng chỉ vì bánh vẫn còn đủ đường kính.

Mòn đều, mòn lệch và hư hỏng bất thường

Không phải mọi mức mất vật liệu đều là dấu hiệu lựa chọn bánh sai. Mòn chậm và tương đối đồng đều trên toàn bộ chu vi có thể là kết quả bình thường của quá trình sử dụng.

Cần chú ý khi xuất hiện các dạng mòn sau:

Mòn phẳng tại một vị trí

Một vùng trên chu vi bị mòn thành mặt phẳng thường liên quan đến việc bánh không quay nhưng xe vẫn trượt trên sàn. Nguyên nhân có thể là khóa bánh chưa nhả, ổ trục bị kẹt hoặc vật lạ chèn vào bánh.

Khi bánh tiếp tục quay, mặt phẳng này tạo rung và tải va đập theo chu kỳ, khiến hư hỏng phát triển nhanh hơn.

Mòn một bên mép

Mòn lệch mép phản ánh lực ngang hoặc sai lệch hình học. Các nguyên nhân thường gặp gồm trục cong, càng bánh biến dạng, cụm xoay kẹt, khung xe lệch hoặc xe thường xuyên bị đẩy ngang.

Chỉ thay bánh mà không xử lý sai lệch có thể khiến bánh mới lặp lại cùng dạng hư hỏng.

Rỗ và bong từng mảng

Rỗ bề mặt thường liên quan đến mỏi tiếp xúc, tải lặp lại hoặc vật liệu đã suy yếu. Bong mảng lớn có thể xuất phát từ quá tải, nhiệt tích tụ, liên kết lớp lăn kém hoặc va đập mạnh.

Nứt quanh chu vi

Nứt có thể hình thành do lão hóa, biến dạng lặp lại, nhiệt, hóa chất hoặc tải vượt khả năng của vật liệu. Vết nứt là nơi tập trung ứng suất và có xu hướng tiếp tục phát triển khi bánh làm việc.

Đường kính các bánh không đồng đều

Khi một bánh mòn nhanh hơn các bánh còn lại, khung xe bị nghiêng và tải trọng tiếp tục dồn thêm vào một số vị trí. Quá trình này tạo vòng lặp: bánh mòn làm tải phân bố lệch, tải lệch lại làm bánh mòn nhanh hơn.

Các yếu tố làm tốc độ mài mòn tăng nhanh

Tốc độ mài mòn là kết quả tổng hợp, không thể đánh giá chỉ bằng một thông số riêng lẻ. Những yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp nhất gồm:

·         Tải trọng thực tế trên từng bánh

·         Mức tải động khi vượt gờ hoặc va chạm

·         Tổng quãng đường lăn

·         Tần suất khởi động, dừng và đổi hướng

·         Mức độ trượt ngang

·         Tốc độ vận hành

·         Thời gian chạy liên tục

·         Đường kính và chiều rộng bánh

·         Độ cứng, độ bền xé và độ bền mỏi của vật liệu

·         Độ nhám và độ sạch của mặt sàn

·         Nhiệt độ môi trường

·         Sự hiện diện của nước, dầu hoặc hóa chất

·         Tình trạng ổ trục và cụm xoay

·         Độ thẳng của trục, càng và khung xe

Các yếu tố này còn tương tác với nhau. Chẳng hạn, tải cao làm bánh biến dạng nhiều hơn; biến dạng làm nhiệt tăng; nhiệt làm vật liệu suy yếu; vật liệu suy yếu lại làm mài mòn tăng. Vì vậy, nguyên nhân gốc thường không phải yếu tố cuối cùng được quan sát thấy trên bề mặt.

Cách xác định nguyên nhân mài mòn trong thực tế

Việc phân tích nên bắt đầu từ hình dạng vết mòn, sau đó đối chiếu với điều kiện vận hành. Không nên kết luận chỉ dựa trên tuổi sử dụng của bánh.

Một quy trình kiểm tra cơ bản gồm:

1.    Quan sát dạng mòn

2.    Xác định bánh mòn đều, mòn mép, mòn phẳng, rỗ, nứt hay bong lớp

3.    So sánh các bánh trên cùng xe

4.    Kiểm tra bánh nào mòn nhanh hơn và vị trí của bánh đó trên khung

5.    Kiểm tra khả năng quay và xoay

6.    Phát hiện ổ trục nặng, trục kẹt, khóa bánh chưa nhả hoặc cụm xoay khó tự căn hướng

7.    Đánh giá tải trọng thực tế

8.    Tính cả trọng lượng xe, hàng hóa và khả năng tải phân bố không đều

9.    Khảo sát tuyến đường

10.  Ghi nhận khe sàn, gờ, độ nhám, vật sắc, khu vực quay hẹp và đoạn dốc

11.  Xem xét chế độ vận hành

12.  Phân biệt vận hành ngắt quãng với chạy liên tục, lăn thẳng với đổi hướng thường xuyên

13.  Kiểm tra môi trường

14.  Xác định nhiệt độ, độ ẩm, dầu, dung môi hoặc hóa chất có thể làm suy giảm vật liệu

Nếu tất cả bánh cùng mòn đều, nguyên nhân thường liên quan đến tải, quãng đường, vật liệu hoặc mặt sàn chung. Nếu chỉ một bánh hỏng sớm, cần ưu tiên kiểm tra tải lệch, trục, ổ trục, càng và sai số lắp đặt tại vị trí đó.

Giảm mài mòn phải bắt đầu từ cơ chế gây hỏng

Không có một loại bánh duy nhất chống được mọi dạng mài mòn. Biện pháp hiệu quả phải tác động đúng vào cơ chế chi phối.

Để hạn chế cào xước, cần làm sạch tuyến đường và loại bỏ hạt sắc. Để giảm mỏi, cần kiểm soát tải, tăng đường kính bánh hoặc hạn chế va đập. Để giảm mòn do trượt, cần cải thiện khả năng xoay, bố trí bánh hợp lý và tránh kéo ngang xe. Để giảm hư hỏng do nhiệt, cần xem xét tải liên tục, tốc độ, thời gian nghỉ và đặc tính tổn hao của vật liệu.

Các biện pháp chính gồm:

·         Chọn tải trọng bánh có dự phòng cho phân bố tải không đều và tải động

·         Ưu tiên bánh đường kính lớn hơn khi tuyến đường có khe hoặc gờ

·         Chọn vật liệu tương thích với mặt sàn, nhiệt độ và hóa chất

·         Giữ sàn sạch, hạn chế cát, phoi và vật sắc

·         Bảo dưỡng ổ trục, trục bánh và cụm xoay

·         Không đẩy xe khi bánh đang khóa

·         Hạn chế quay tại chỗ khi xe mang tải lớn

·         Kiểm tra độ thẳng của khung, càng và trục

·         Thay bánh theo cặp hoặc theo nhóm khi chênh lệch đường kính làm tải phân bố lệch

·         Ngừng sử dụng khi bánh nứt sâu, bong lớp hoặc biến dạng kết cấu

Mục tiêu không phải loại bỏ hoàn toàn mài mòn, vì mọi tiếp xúc lăn thực tế đều tạo tổn hao nhất định. Mục tiêu là duy trì mài mòn ở mức chậm, đồng đều và có thể dự đoán, đồng thời tránh các dạng hư hỏng cục bộ dẫn đến mất ổn định hoặc phá hủy đột ngột.

Mài mòn cơ học ở bánh xe đẩy hình thành từ áp suất tiếp xúc, chuyển động lăn, trượt vi mô và biến dạng lặp lại của vật liệu. Tải trọng, quãng đường, đổi hướng, mặt sàn, nhiệt độ và tình trạng cơ khí quyết định cơ chế nào phát triển nhanh nhất.

Mòn đều thường phản ánh quá trình sử dụng bình thường. Ngược lại, mòn phẳng, mòn mép, rỗ, nứt hoặc bong lớp cho thấy bánh đang chịu điều kiện bất lợi như trượt, tải lệch, va đập, sinh nhiệt hoặc suy giảm vật liệu. Muốn kéo dài tuổi thọ bánh xe, cần xác định đúng dạng hư hỏng và xử lý nguyên nhân gốc thay vì chỉ thay bánh mới.