Rotor và stator bơm trục vít: vật liệu, mài mòn và cách thay thế

Bơm trục vít lệch tâm là bơm thể tích một trục. Rotor là một trục xoắn một đầu mối, làm bằng kim loại cứng; stator là ống cao su có biên dạng xoắn hai đầu mối. Khi rotor quay lệch tâm bên trong stator, hai biên dạng tạo thành một chuỗi khoang kín (cavity) di chuyển đều dọc trục, đẩy môi chất từ đầu hút sang đầu đẩy. Nhờ nguyên lý này, dòng chảy ổn định tỷ lệ với tốc độ quay, ít xung, ít cắt và bơm được dịch nhớt cao có lẫn hạt rắn hoặc sợi.

Chính sự ăn khớp có độ dôi (interference) giữa rotor cứng và stator mềm tạo nên độ kín của khoang, nhưng cũng là nguyên nhân mài mòn tự nhiên. Mỗi vòng quay, lớp cao su bị nén và trượt một lượng nhỏ trên bề mặt rotor. Theo thời gian, độ dôi giảm dần, khoang hở ra và một phần môi chất trượt ngược về phía hút thay vì được đẩy đi. Đây là quá trình bình thường: rotor và stator được thiết kế như chi tiết thay thế, giống như má phanh hay vòng bi.

Cao su stator là nơi tiếp xúc trực tiếp với môi chất, nên vật liệu này phải tương thích hóa học với dịch bơm và chịu được nhiệt độ vận hành. Chọn sai loại cao su là nguyên nhân phổ biến khiến stator phồng, cứng giòn hoặc nứt sớm trước cả khi mòn cơ học. Việc lựa chọn nên dựa trên bảng tương thích vật liệu và xác nhận lại với nhà cung cấp theo từng ứng dụng cụ thể.

Ngoài hóa chất, nhiệt độ và hàm lượng hạt rắn cũng định hình lựa chọn. Dịch nóng làm cao su giãn nở, có thể làm tăng độ dôi quá mức và đẩy nhanh mài mòn; ngược lại dịch quá lạnh khiến cao su cứng lại. Với môi chất giàu hạt rắn mài, một số stator dùng công thức cao su có độ cứng cao hơn để chống xước, đổi lại độ đàn hồi giảm. Trong ngành thực phẩm và dược, stator còn phải đạt tiêu chuẩn vật liệu tiếp xúc thực phẩm như EHEDG hoặc 3A, đi kèm khả năng vệ sinh CIP/SIP.

Stator mòn hiếm khi hỏng đột ngột; nó suy giảm dần và để lại dấu hiệu rõ ràng nếu được theo dõi. Vì lưu lượng của bơm trục vít tỷ lệ với tốc độ, ở cùng một tốc độ quay mà lưu lượng thực tế giảm dần thì gần như chắc chắn độ dôi rotor–stator đã giảm và khoang bắt đầu hở. Đây là chỉ báo tin cậy hơn cả việc nhìn bằng mắt.

Một thực hành hữu ích là ghi lại lưu lượng, áp suất và dòng điện ngay khi bơm mới lắp để làm mốc tham chiếu. Khi các thông số này lệch dần khỏi mốc ban đầu, đội bảo trì có thể chủ động đặt vật tư thay thế thay vì để bơm dừng đột xuất giữa ca sản xuất.

Lớp màng môi chất giữa rotor và stator vừa làm kín vừa bôi trơn và tản nhiệt cho cao su. Khi bơm chạy mà không có dịch — do bồn cạn, van hút đóng, khí lọt vào hay tắc đường hút — ma sát khô giữa kim loại và cao su sinh nhiệt rất nhanh. Chỉ trong vài phút, nhiệt có thể vượt giới hạn chịu đựng của cao su, làm stator chai cứng, nứt hoặc cháy hỏng vĩnh viễn. Đây là dạng hư hỏng tốn kém nhưng hoàn toàn có thể phòng tránh.

Biện pháp phòng ngừa gồm: lắp cảm biến mức hoặc cảm biến chạy khô để ngắt bơm khi thiếu dịch; mồi đầy bơm trước khi khởi động (bơm trục vít tự mồi tốt nhưng vẫn cần dịch trong khoang); và tránh đóng van đầu đẩy khi bơm đang chạy. Với dây chuyền tự động, nên đưa tín hiệu bảo vệ chạy khô vào logic điều khiển để dừng bơm an toàn trước khi stator bị tổn thương.

Khi lưu lượng đã tụt rõ và không phục hồi sau khi loại trừ các nguyên nhân khác (rò khí, tắc đường ống), đó là lúc thay stator. Trong nhiều trường hợp nên kiểm tra rotor cùng lúc: nếu rotor bị xước sâu, mòn mất lớp phủ hoặc có dấu ăn mòn rỗ, lắp stator mới vào rotor cũ hỏng sẽ làm stator mới mau hỏng theo. Với môi chất ăn mòn mạnh, rotor phủ chrome hoặc rotor titan giúp kéo dài chu kỳ giữa hai lần thay.

Quy trình thay nên tuân theo tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất: chú ý chiều lắp, mô-men siết, và đặc biệt là vật liệu cao su phải đúng mã cho ứng dụng. Sau khi thay, một stator mới thường có độ dôi ban đầu lớn nên mô-men khởi động cao hơn bình thường; cần bôi trơn bằng môi chất và không cho bơm chạy khô trong lần khởi động đầu. Việc lập sổ theo dõi tuổi thọ stator theo từng vị trí bơm giúp dự báo nhu cầu phụ tùng và giảm thời gian dừng máy.