Trong thiết kế cơ khí hạng nặng và bảo trì thiết bị công nghiệp, việc tính toán chính xác khả năng chịu tải của Vòng bi lăn hình trụ lực đẩy là cốt lõi của việc đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Những vòng bi này nổi tiếng với khả năng chịu tải dọc trục đặc biệt và độ cứng cao, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các giàn khoan dầu, máy đùn hạng nặng và hộp số công nghiệp. Để tối đa hóa tuổi thọ sử dụng của vòng bi và tránh hỏng hóc thiết bị nghiêm trọng, các kỹ sư phải nắm vững các phương pháp tính toán chính xác cho cả Xếp hạng tải động và Xếp hạng tải trọng tĩnh.
1. Cơ sở về khả năng chịu tải dọc trục và hình dạng ổ trục
Để hiểu được khả năng chịu tải của vòng bi trụ chặn, trước tiên người ta phải phân biệt sự khác biệt về cấu trúc của chúng với vòng bi. Con lăn hình trụ cung cấp Đường dây liên hệ chứ không phải là điểm liên hệ được tìm thấy trong vòng bi. Đặc tính hình học này cho phép vòng bi trụ chặn chịu được lực đẩy dọc trục lớn trong một không gian rất nhỏ. Tuy nhiên, nó cũng đòi hỏi độ chính xác cao hơn về kiểm soát độ rung và căn chỉnh.
1.1 Ý nghĩa của ứng suất tiếp xúc đường dây
Trong quá trình tính toán, tiếp xúc đường có nghĩa là áp suất được phân bổ trên toàn bộ chiều dài của con lăn. Theo lý thuyết ứng suất tiếp xúc Hertzian, việc tính toán khả năng chịu tải phải xét đến chiều dài hữu hiệu của các con lăn. Nếu lắp ổ trục không đúng cách dẫn đến bị nghiêng, tải trọng sẽ tập trung vào các mép của con lăn, tạo ra “Ứng suất cạnh”. Điều này có thể làm giảm khả năng tải lý thuyết hơn 50%. Do đó, trong các tìm kiếm tần suất cao, “Độ lệch vòng bi” vẫn là một từ khóa dài quan trọng liên quan đến tính toán tải trọng.
1.2 Xếp hạng tải động và tải tĩnh cơ bản
- Xếp hạng tải động cơ bản (Ca): Điều này đề cập đến tải trọng trục không đổi mà ổ trục có thể chịu đựng trong khi quay để đạt tuổi thọ định mức một triệu vòng quay. Đây là thước đo quan trọng để đánh giá tuổi thọ hoạt động của thiết bị.
- Xếp hạng tải tĩnh cơ bản (C0a): Điều này đề cập đến tải trọng giới hạn tại đó xảy ra biến dạng vĩnh viễn tại điểm trung tâm tiếp xúc trong khi ổ trục đứng yên hoặc quay với tốc độ rất chậm. Nó xác định sự an toàn của ổ trục dưới tác động của tải trọng hoặc trong thời điểm khởi động. Nắm vững sự khác biệt giữa hai giá trị này là bước đầu tiên trong Lựa chọn Vòng bi.
2. Tính tải trọng động cơ bản (Ca) sử dụng ISO 281
Việc tính toán định mức tải trọng động là cơ sở để dự đoán tuổi thọ mỏi của ổ trục. Đối với vòng bi trụ chặn, tiêu chuẩn được công nhận trên toàn cầu là ISO 281 . Công thức này không chỉ xem xét các kích thước vật lý mà còn xem xét tác động của công nghệ vật liệu và độ chính xác xử lý đến khả năng chịu tải.
2.1 Công thức chuẩn ISO 281
Đối với vòng bi trụ chặn một hàng, tải trọng động dọc trục định mức Ca (được đo bằng Newton) được tính bằng các biến sau:
Ca = fc * (Lw * cos alpha)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 Định nghĩa biến và tác động của chúng
- fc (Hệ số hình học): Hệ số phụ thuộc vào hình dạng cụ thể, cấp dung sai và chất lượng vật liệu của ổ trục. Thép chịu lực chất lượng cao (như GCr15) thường có giá trị fc cao hơn.
- Lw (Chiều dài con lăn hiệu quả): Chiều dài hiệu quả của con lăn. Việc tăng chiều dài con lăn trực tiếp cải thiện khả năng chịu tải, nhưng con lăn quá dài sẽ tạo ra ma sát trượt đáng kể trong quá trình quay; do đó, các nhà thiết kế phải cân bằng tỷ lệ khung hình.
- Z (Số lượng con lăn): Càng có nhiều con lăn thì lực mà mỗi con lăn mang theo càng ít, làm tăng chỉ số tổng thể.
- Dw (Đường kính con lăn): Đường kính con lăn có tác động theo cấp số nhân đến khả năng chịu tải và là biến số nhạy cảm nhất trong thiết kế.
2.3 Tính tuổi thọ xếp hạng (L10)
Sau khi có được Ca, người kỹ sư cần tính toán Đánh giá tuổi thọ (L10) . Đối với ổ lăn chặn, công thức tính là:
L10 = (Ca / Pa)^10/3
Số mũ 10/3 (khoảng 3,33) phản ánh thực tế là ổ lăn có độ bền cao hơn trước khi bị mỏi so với ổ bi (sử dụng số mũ là 3). Trên trang web của công ty, việc thể hiện dự đoán tuổi thọ chính xác này sẽ nâng cao đáng kể niềm tin của khách hàng đối với sản phẩm.
3. Khả năng chịu tải tĩnh (C0a) và hệ số an toàn
Trong nhiều ứng dụng, vòng bi không phải lúc nào cũng ở trạng thái vận hành tốc độ cao. Ví dụ, khi mở một van nặng hoặc tại thời điểm cần cẩu nâng một tải, ổ trục phải chịu áp lực rất lớn khi đứng yên. Trong những trường hợp như vậy, chúng ta phải dựa vào ISO 76 tiêu chuẩn để tính toán khả năng chịu tải tĩnh.
3.1 Ngăn ngừa biến dạng vĩnh viễn (Brinelling)
Khả năng chịu tải tĩnh được định nghĩa là tải gây ra biến dạng vĩnh viễn tổng cộng tại tâm tiếp xúc của con lăn và mương chịu tải nặng nhất, không vượt quá 0.0001 của đường kính con lăn. Nếu vượt quá giá trị này, ổ trục sẽ tạo ra rung động và tiếng ồn nghiêm trọng trong quá trình quay tiếp theo. Điều này thường được gọi trong các tìm kiếm công nghiệp là “Hiệu ứng Brinelling”.
3.2 Công thức tính tĩnh
Công thức chung cho tải trọng tĩnh dọc trục định mức C0a được biểu thị như sau:
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sin alpha
Hằng số 220 thể hiện mức độ hoạt động của thép chịu lực được tôi cứng tiêu chuẩn dưới các mức ứng suất tiếp xúc cụ thể.
- Hệ số an toàn (S0): Trong thực tế kỹ thuật, chúng tôi đưa ra hệ số an toàn tĩnh S0 = C0a/P0a. Đối với thiết bị có tải va đập, nên sử dụng S0 từ 3 trở lên; đối với thiết bị chính xác, S0 phải cao hơn nữa để đảm bảo không có biến dạng dẻo ảnh hưởng đến độ chính xác.
4. So sánh vận hành: Hệ số điều chỉnh tải
Điều kiện làm việc thực tế phức tạp hơn nhiều so với điều kiện trong phòng thí nghiệm. Tất cả các chất bôi trơn, nhiệt độ và độ chính xác của việc lắp đặt đều đóng vai trò là “các yếu tố hiệu chỉnh” ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải hiệu quả của ổ trục.
| Yếu tố tác động | Biến | Tác động đến năng lực | Khuyến nghị |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ hoạt động | ft | Giảm đáng kể trên 120C | Sử dụng thép ổn định nhiệt |
| Điều kiện bôi trơn | kappa | Bôi trơn kém khiến kim loại tiếp xúc | Đảm bảo tỷ lệ độ nhớt kappa > 1,5 |
| Lỗi căn chỉnh | phiên bản beta | Góc nghiêng nhỏ gây ra sự tập trung tải | Sử dụng vòng đệm hình cầu hoặc ghế tự điều chỉnh |
| Độ tinh khiết của vật liệu | aISO | Các tạp chất dẫn đến sự nứt vỡ sớm | Chọn thép khử khí chân không hoặc ESR |
| Tốc độ vận hành | n | Lực ly tâm làm tăng ứng suất | Xác minh thông số kỹ thuật giới hạn tốc độ |
5. Câu hỏi thường gặp (FAQ)
Câu hỏi 1: Vòng bi lăn hình trụ lực đẩy có thể chịu được tải trọng hướng tâm không?
Không. Những vòng bi này được thiết kế nghiêm ngặt để chịu tải dọc trục. Do các con lăn được bố trí vuông góc với trục trục nên lực hướng tâm gây ra ma sát nghiêm trọng với lồng hoặc thậm chí có thể dẫn đến sập cụm. Nếu có lực hướng tâm, vui lòng sử dụng kết hợp ổ lăn kim.
Câu hỏi 2: Tại sao số mũ tuổi thọ L10 khác với vòng bi?
Điều này là do sự khác biệt trong cơ học tiếp xúc. Vòng bi sử dụng tiếp xúc điểm, dẫn đến nồng độ ứng suất cao hơn và số mũ là 3. Vòng bi lăn hình trụ sử dụng tiếp xúc đường, giúp phân bổ ứng suất đồng đều hơn, do đó sử dụng số mũ vượt trội là 10/3.
Câu 3: Độ nhớt bôi trơn ảnh hưởng đến tải hiệu quả như thế nào?
Độ dày của màng dầu bôi trơn quyết định xem các đỉnh nhám của bề mặt tiếp xúc có va chạm hay không. Ngay cả khi mức tải lý thuyết cao nhưng nếu độ nhớt của dầu quá thấp thì tuổi thọ sử dụng thực tế có thể thấp hơn 10% giá trị tính toán.
6. Tài liệu tham khảo và tiêu chuẩn kỹ thuật
- ISO 281:2007 : Vòng bi lăn - Xếp hạng tải trọng động và tuổi thọ danh định.
- ISO 76:2006 : Vòng bi lăn - Xếp hạng tải trọng tĩnh.
- Tiêu chuẩn ANSI/ABMA 11 : Xếp hạng tải trọng và tuổi thọ mỏi của vòng bi lăn.
- Harris, T. A. và Kotzalas, M. N. : Phân tích ổ lăn, Tập 1 và 2 , Nhà xuất bản CRC. (Sách giáo khoa tiêu chuẩn ngành về phân tích vòng bi).
