Chọn ổ bi bánh xe tải nặng theo điều kiện vận hành

Tần suất vận hành lại quyết định một phần khác của bài toán: cỡ ổ và tuổi thọ cần thiết. Hai bánh xe chịu cùng một tải nhưng một bánh chạy vài giờ mỗi ngày, bánh còn lại chạy liên tục nhiều ca sẽ không nên được chọn theo cùng một mục tiêu tuổi thọ. Vì vậy, trình tự đúng là xác định kiểu tải để chọn họ ổ, sau đó dùng tải động, tải tĩnh và số vòng quay hoặc số giờ vận hành để chọn kích thước cụ thể.

Xác định tải thực tế trước khi chọn loại ổ

“Tải trọng của bánh xe” không đồng nghĩa với tải thực sự tác dụng lên một ổ. Trước khi tra mã ổ, cần tách tối thiểu bốn đại lượng: tải hướng kính (F_r), tải dọc trục (F_a), tải đỉnh khi va đập và chế độ vận hành theo thời gian.

Tải hướng kính thường đến từ trọng lượng mà bánh xe phải đỡ. Tải dọc trục xuất hiện khi bánh đổi hướng, chạy lệch, chịu lực ngang hoặc kết cấu truyền lực sang phương trục. Đối với nhiều loại ổ, tải dùng để tính tuổi thọ không lấy trực tiếp một trong hai giá trị này mà được quy đổi thành tải động tương đương (P). Quan hệ tổng quát thường có dạng (P = XF_r YF_a), trong đó hệ số (X) và (Y) phụ thuộc loại ổ, cấu hình và tỷ lệ tải; phải lấy theo dữ liệu của nhà sản xuất cho mã ổ cụ thể.

Đồng thời phải ghi nhận tải cực đại. Một bánh xe chạy trên nền phẳng có thể có tải trung bình không cao, nhưng khi đi qua khe sàn, gờ nối hoặc chịu cú va đập, tải tức thời lên ổ tăng mạnh. Đây là lý do một thiết kế có tuổi thọ động tính toán rất dài vẫn có thể không phù hợp nếu khả năng chịu tải tĩnh hoặc tải đỉnh không đủ.

Bộ dữ liệu tối thiểu nên có trước khi chọn ổ gồm:

· Tải hướng kính làm việc (F_r)

· Tải dọc trục (F_a)

· Tải đỉnh hoặc tải va đập dự kiến

· Tốc độ quay của bánh hoặc vòng/phút của ổ

· Số giờ chạy mỗi ngày và số ngày vận hành

· Chế độ chạy liên tục hay chạy–dừng nhiều lần

· Mức lệch tâm hoặc độ võng dự kiến của trục

· Nhiệt độ, bụi, nước và khả năng tái bôi trơn

Chọn loại ổ theo hướng tải và độ cứng

Ổ bi rãnh sâu khi tải hướng kính chiếm ưu thế

Ổ bi rãnh sâu có thể chịu tải hướng kính và một phần tải dọc trục theo cả hai chiều. Ưu điểm của cấu hình này là kết cấu tương đối đơn giản và có nhiều phiên bản làm kín sẵn. Tuy nhiên, SKF lưu ý tải dọc trục quá lớn có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của ổ bi rãnh sâu. Vì vậy, không nên chỉ thấy ổ có tải động (C) đủ lớn rồi mặc định rằng nó phù hợp với mọi bánh xe tải nặng.

Ổ bi rãnh sâu phù hợp hơn khi lực ngang được kiểm soát, tải chủ yếu truyền theo phương hướng kính và phép tính tuổi thọ cũng như tải tĩnh đều đạt yêu cầu.

Ổ lăn côn khi tải hướng kính và dọc trục cùng lớn

Cấu trúc con lăn côn cho phép ổ tiếp nhận tải kết hợp hướng kính–dọc trục và tạo độ cứng cao cho cụm ổ. SKF nêu rõ ổ lăn côn một dãy thường được dùng trong các ứng dụng có tải kết hợp; ổ hai dãy có thể chịu tải hướng kính và dọc trục lớn theo hai chiều.

Vì vậy, với bánh xe tải nặng thường xuyên xuất hiện lực ngang, lực đổi hướng hoặc yêu cầu kiểm soát độ rơ tốt, ổ lăn côn nên nằm trong nhóm ứng viên đầu tiên. Với ổ một dãy, cấu hình lắp theo cặp thường cần được xem xét khi phải định vị tải dọc trục theo cả hai chiều.

Đổi lại, việc đặt khe hở hoặc preload phải đúng. Preload quá cao làm tăng ma sát và nhiệt, còn preload không phù hợp có thể làm mất độ cứng hoặc ảnh hưởng tuổi thọ. SKF khuyến nghị tính toán phạm vi preload phù hợp rồi kiểm tra lại trong điều kiện ứng dụng thực tế.

Ổ đũa trụ khi tải hướng kính rất lớn

Ổ đũa trụ là lựa chọn đáng cân nhắc khi tải hướng kính là thành phần áp đảo. Tuy nhiên, một số cấu hình ổ đũa trụ chỉ đảm nhiệm tải hướng kính và cần một phần tử khác để định vị theo phương trục. Đây là giới hạn quan trọng nếu bánh xe đồng thời chịu lực ngang đáng kể.

Do đó, không nên thay ổ lăn côn bằng ổ đũa trụ chỉ vì muốn tăng khả năng chịu tải hướng kính nếu chưa giải quyết đường truyền tải dọc trục.

Ổ tang trống tự lựa khi khó tránh lệch tâm

Khi trục dài, kết cấu có độ võng hoặc độ đồng tâm giữa hai gối đỡ khó duy trì, ổ tang trống tự lựa có lợi thế khác biệt. SKF mô tả loại ổ này có khả năng chịu tải lớn và tự lựa để thích nghi với sai lệch tâm hoặc độ võng của trục.

Trong trường hợp này, khả năng chịu sai lệch có thể quan trọng hơn việc chỉ so sánh tải động danh nghĩa giữa hai mã ổ.

Tính tuổi thọ L10 theo tải và tần suất

Sau khi xác định loại ổ, cần chọn kích thước dựa trên tuổi thọ yêu cầu. Theo phương pháp tính tuổi thọ danh nghĩa cơ bản của ổ lăn, tuổi thọ L₁₀ được xác định theo:

L₁₀ = (C/P)ᵖ

Trong đó, C là tải động cơ bản của ổ, P là tải động tương đương. Với ổ bi, p = 3; với ổ con lăn, p = 10/3. L₁₀ được biểu diễn theo triệu vòng quay.

Khi cần quy đổi sang số giờ vận hành:

L₁₀h = [10⁶ / (60 × n)] × (C/P)ᵖ

Trong đó n là tốc độ quay của ổ, tính bằng vòng/phút.

Ví dụ, giả sử một ổ con lăn có (C/P = 4). Tuổi thọ cơ bản tính ra khoảng 101,6 triệu vòng. Nếu chạy ở 100 vòng/phút, giá trị tương đương khoảng 16.900 giờ; nếu tăng lên 300 vòng/phút trong khi tải không đổi, tuổi thọ tính theo giờ giảm còn khoảng 5.640 giờ.

Điểm đáng chú ý là tần suất vận hành không nhất thiết làm thay đổi loại ổ, nhưng làm thay đổi mạnh yêu cầu về cỡ ổ và tuổi thọ. Bánh xe chạy 24 giờ mỗi ngày cần tích lũy số vòng quay lớn hơn nhiều so với bánh chỉ hoạt động một ca. Vì thế, một mã ổ đủ cho thiết bị vận hành ngắt quãng chưa chắc đủ cho dây chuyền chạy liên tục.

Cũng không nên xem (L_{10}) là tuổi thọ thực tế chắc chắn. SKF lưu ý tuổi thọ sử dụng còn chịu ảnh hưởng của bôi trơn, nhiễm bẩn, sai lệch tâm, lắp đặt và điều kiện môi trường.

Kiểm tra tải tĩnh, tải sốc và tải đỉnh

Tuổi thọ động không thay thế được kiểm tra tải tĩnh. ISO 76 quy định phương pháp xác định tải tĩnh danh nghĩa cơ bản (C_0) và tải tĩnh tương đương (P_0), đồng thời đưa ra hướng dẫn về hệ số an toàn tĩnh cho các ứng dụng chịu tải lớn.

Một chỉ số thường được sử dụng là:

[

s_0=\frac{C_0}{P_0}

]

Nếu bánh xe chạy chậm nhưng thường xuyên chịu tải đỉnh, va chạm hoặc đứng yên dưới tải lớn, kiểm tra này có thể quan trọng hơn nhiều so với việc chỉ tăng (L_{10h}).

Chẳng hạn, một cụm bánh có thể chạy với tốc độ rất thấp nên số vòng quay tích lũy không lớn. Công thức tuổi thọ động vì vậy cho kết quả đẹp. Nhưng nếu bánh thường xuyên đập vào gờ sàn khi đang mang tải, ứng suất tiếp xúc tức thời vẫn có thể gây biến dạng vĩnh viễn tại bề mặt lăn. Trong ví dụ thiết kế “supporting wheel” của SKF, hãng kiểm tra riêng tuổi thọ động và hệ số an toàn tĩnh dựa trên tải đỉnh, cho thấy hai điều kiện này phải được đánh giá độc lập.

Không nên áp một giá trị (s_0) cố định cho mọi bánh xe. Mức yêu cầu phụ thuộc loại ổ, độ êm của chuyển động, mức va đập và yêu cầu độ chính xác. Giá trị mục tiêu nên lấy theo hướng dẫn của nhà sản xuất sau khi đã xác định (P_0) trong trường hợp bất lợi nhất.

Hiệu chỉnh theo lệch tâm, bôi trơn và bụi nước

Khi tải và tuổi thọ danh nghĩa đã đạt, điều kiện vận hành vẫn có thể trở thành yếu tố giới hạn.

Với môi trường nhiều bụi, nước hoặc hạt mài, hệ làm kín phải được xem như một phần của bài toán chọn ổ. Nhiễm bẩn có thể làm tuổi thọ thực tế thấp hơn đáng kể so với tuổi thọ mỏi tính từ (C/P). SKF cũng chỉ ra rằng ổ cần được tái bôi trơn khi tuổi thọ của mỡ ngắn hơn tuổi thọ yêu cầu của ổ hoặc khi mỡ bị nhiễm bẩn.

Tần suất vận hành cao còn làm điều kiện bôi trơn trở nên nhạy hơn. Khi tốc độ tăng, cần kiểm tra tốc độ giới hạn của chính mã ổ, độ nhớt mỡ hoặc dầu tại nhiệt độ làm việc và khả năng thoát nhiệt của cụm bánh. Không thể suy ra khả năng chạy liên tục chỉ từ tải động (C).

Sai lệch tâm cũng cần được xử lý ngay từ kiến trúc ổ. Nếu hệ thống vốn có độ võng lớn nhưng lại chọn loại ổ yêu cầu đồng tâm cao, việc tăng kích thước ổ không giải quyết nguyên nhân gốc. Ngược lại, nếu kết cấu đủ cứng và đồng tâm tốt, không nhất thiết phải sử dụng ổ tự lựa chỉ để có tải danh nghĩa lớn hơn.

Có thể xem đây là bước kiểm tra cuối: ổ đã đủ tải chưa, đủ tuổi thọ chưa và có sống được trong môi trường thực tế hay không. Chỉ khi cả ba câu trả lời đều đạt thì lựa chọn mới hoàn chỉnh.

Ma trận chọn ổ theo chế độ vận hành

Có thể thu hẹp phương án ban đầu theo ma trận sau:

Các đặc tính nền tảng trong bảng phù hợp với hướng dẫn của SKF về ổ bi rãnh sâu, ổ lăn côn và ổ tang trống tự lựa, cùng nguyên tắc tính tuổi thọ theo ISO 281 và tải tĩnh theo ISO 76.

Trong thực tế, quy trình chọn có thể rút thành sáu bước:

1. Xác định (F_r), (F_a), tải đỉnh và trường hợp tải bất lợi nhất

2. Xác định tốc độ, số giờ vận hành và tuổi thọ mục tiêu

3. Chọn họ ổ theo hướng tải, độ cứng và khả năng lệch tâm

4. Tính (P), sau đó chọn (C) đủ để đạt (L_{10h}) yêu cầu

5. Tính (P_0) và kiểm tra (C_0/P_0) theo hệ số an toàn phù hợp

6. Kiểm tra lại tốc độ, bôi trơn, làm kín, khe hở hoặc preload và điều kiện môi trường

Với ổ bi bánh xe tải nặng, nguyên tắc quan trọng nhất là chọn loại ổ theo đường truyền tải, còn chọn kích thước ổ theo tuổi thọ và tải đỉnh. Ổ bi rãnh sâu có thể phù hợp khi tải chủ yếu hướng kính; ổ lăn côn thích hợp hơn khi tải hướng kính và dọc trục cùng đáng kể; ổ đũa trụ phù hợp với tải hướng kính lớn khi tải dọc trục đã được xử lý riêng; ổ tang trống tự lựa trở nên có giá trị khi sai lệch tâm hoặc võng trục là điều kiện thực tế.

Tần suất càng cao thì yêu cầu (L_{10h}), bôi trơn và kiểm soát nhiệt càng quan trọng; tải va đập càng lớn thì kiểm tra (C_0/P_0) càng không thể bỏ qua. Vì vậy, không nên quyết định chỉ bằng một con số “tải trọng tối đa” trên catalog. Một lựa chọn đúng phải đồng thời vượt qua ba kiểm tra: đúng loại tải, đủ tuổi thọ động và đủ an toàn dưới tải đỉnh.