Nhiệt độ ảnh hưởng đến tải trọng bánh xe thế nào?

Điểm cần lưu ý là nhiệt độ tác động lên bánh không chỉ đến từ môi trường. Nhiệt tại mặt lăn còn bao gồm nhiệt sinh ra do ma sát, và lượng nhiệt này phụ thuộc vào vật liệu, tải trọng, quãng đường, bề mặt chạy và chế độ vận hành. Blickle cũng xác định các điều kiện ứng dụng tiêu chuẩn của bánh xe quanh nhiệt độ môi trường 15–28°C; khi điều kiện thực tế khác chuẩn, cần tính đến hệ số an toàn hoặc mức giảm tải tương ứng.

Nhiệt độ làm thay đổi khả năng chịu tải qua cơ chế nào?

Khả năng chịu tải của bánh xe là kết quả làm việc đồng thời của mặt lăn, thân bánh, ổ lăn, trục, giá đỡ và chất bôi trơn. Nhiệt độ có thể tác động vào nhiều thành phần trong chuỗi này, vì vậy giới hạn chịu tải của cả cụm thường được quyết định bởi bộ phận nhạy nhiệt nhất chứ không chỉ bởi vật liệu thân bánh.

Ở nhiệt độ cao, mặt lăn bằng elastomer hoặc nhựa có xu hướng chịu biến dạng lớn hơn dưới tải kéo dài. Hệ quả thực tế là khả năng giữ hình dạng và chịu tải giảm, trong khi nguy cơ tạo điểm bẹt khi bánh đứng yên dưới tải tăng lên. Blickle lưu ý rằng nhiệt độ cao làm giảm đáng kể tải trọng và tuổi thọ của mặt lăn; tải tĩnh cao kết hợp với nhiệt độ cao còn làm tăng nguy cơ bánh bị biến dạng phẳng.

Nhiệt sinh ra trong lúc bánh lăn cũng phải được tính đến. Một bánh làm việc trong môi trường 35°C không có nghĩa nhiệt độ tại mặt lăn chỉ là 35°C. Tải lớn, tốc độ cao, hành trình dài hoặc lực cản lăn lớn đều có thể làm nhiệt độ vật liệu tăng thêm. Vì vậy, hai bánh cùng làm việc ở một nhiệt độ môi trường nhưng có chế độ tải và tốc độ khác nhau có thể có mức suy giảm tải trọng khác nhau.

Ở phía ngược lại, nhiệt độ thấp làm nhiều loại cao su và polyurethane tăng độ cứng, đồng thời giảm đáng kể độ đàn hồi. Lực cản ma sát cũng có thể tăng nhẹ. Do đó, “càng lạnh càng chịu tải tốt” không phải là quy tắc có thể áp dụng chung cho bánh xe.

Khi nhiệt độ tăng, tải trọng cho phép có thể giảm bao nhiêu?

Mức giảm không có một tỷ lệ chung cho mọi bánh xe. Nhà sản xuất thường quy định hệ số hiệu chỉnh tải trọng theo nhiệt độ cho từng dòng vật liệu và kết cấu.

Một ví dụ định lượng là dòng bánh polyurethane RE.F4 trong tài liệu kỹ thuật của Elesa. Với thời gian làm việc liên tục ở nhiệt độ quy định trên 30 phút, hệ số tải thay đổi như sau:

Như vậy, nếu một bánh thuộc đúng dòng này có tải danh định 1.000 N thì ở vùng 60–80°C, tải hiệu chỉnh theo nhiệt độ chỉ còn khoảng:

1.000 × 0,80 = 800 N

Nếu nhiệt độ tăng lên vùng 80–120°C, hệ số 0,40 tương ứng khoảng 400 N. Đây chỉ là ví dụ áp dụng hệ số của RE.F4, không phải quy luật cho mọi bánh polyurethane. Elesa cũng chỉ rõ bảng trên áp dụng cho chế độ phơi nhiệt kéo dài và liên tục trên 30 phút.

Sự giảm tải có thể bắt đầu trước khi bánh đạt tới nhiệt độ giới hạn tuyệt đối. Chẳng hạn, một bánh vẫn được phép hoạt động ở 70°C không có nghĩa nó còn giữ nguyên 100% tải trọng danh định tại 70°C.

Nhiệt độ thấp có làm bánh xe chịu tải tốt hơn không?

Không nhất thiết. Ở nhiệt độ thấp, một số vật liệu giữ được tải trọng danh định trong một khoảng nhất định, nhưng khi nhiệt độ tiếp tục giảm, khả năng làm việc có thể suy giảm nhanh hoặc nhà sản xuất có thể không còn khuyến nghị sử dụng.

Bảng Elesa cho thấy nhiều dòng bánh trong tài liệu vẫn có hệ số 1,00 từ -20 đến 0°C. Tuy nhiên, dòng RE.G1 chỉ còn hệ số 0,80 trong cùng khoảng. Khi xuống -40 đến -20°C, một số dòng chỉ còn hệ số 0,40–0,50 và nhiều dòng khác được đánh dấu không khuyến nghị.

Nguyên nhân cần được nhìn ở cả khả năng chịu tải lẫn khả năng vận hành. Blickle cho biết ở nhiệt độ thấp, độ cứng của nhiều mặt lăn elastomer — đặc biệt cao su và nhiều polyurethane — tăng đáng kể trong khi độ đàn hồi giảm. Khi đó bánh có thể vẫn chịu được lực ép nhưng khả năng hấp thụ rung, vượt chướng ngại và lăn êm không còn giống điều kiện bình thường.

Vì thế, khi đánh giá nhiệt độ và tải trọng bánh xe, không nên chỉ hỏi bánh có “vỡ” dưới tải hay không. Khả năng duy trì hình dạng, độ đàn hồi, lực cản lăn và tuổi thọ trong toàn bộ chu kỳ vận hành cũng phải nằm trong giới hạn thiết kế.

Vật liệu bánh xe quyết định mức nhạy với nhiệt độ ra sao?

Các vật liệu khác nhau có khoảng nhiệt làm việc và thời điểm bắt đầu giảm tải rất khác nhau. Ngay cả hai loại polyurethane cũng chưa chắc có cùng giới hạn.

Polyurethane và TPU

Theo dữ liệu của Blickle, bánh TPU dòng POTH có khoảng nhiệt độ làm việc khoảng -20 đến 70°C, có thể chịu tới 90°C trong thời gian ngắn, nhưng tải trọng bắt đầu giảm khi nhiệt độ môi trường vượt khoảng 35°C.

Với bánh polyurethane elastomer Extrathane® dòng ALTH, khoảng làm việc cũng là -20 đến 70°C và tạm thời tới 90°C, nhưng mức giảm tải được ghi nhận từ trên 40°C.

Điều này cho thấy tên gọi chung “bánh PU” không đủ để xác định tải ở nhiệt độ cao. Cần biết chính xác công thức vật liệu và dòng sản phẩm.

Bánh cao su

Một số vật liệu cao su có thể duy trì tải tốt hơn trong một khoảng nhiệt khác. Ví dụ, dòng bánh cao su đặc siêu đàn hồi VLE của Blickle có phạm vi -20 đến 80°C, tạm thời đến 100°C và bắt đầu giảm tải ở nhiệt độ môi trường trên 60°C.

Do đó, không thể kết luận đơn giản rằng cao su hay polyurethane luôn “chịu nhiệt tốt hơn”. Câu trả lời phụ thuộc vào loại cao su, loại polyurethane, kết cấu bánh và yêu cầu tải cụ thể.

Bánh kim loại và các bộ phận đi kèm

Kim loại thường mở rộng đáng kể phạm vi làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng giới hạn của ổ lăn và hệ bôi trơn vẫn phải được xem xét. Chẳng hạn, bánh gang dòng G của Blickle ở cấu hình lỗ trơn được công bố có thể làm việc từ -100 đến 600°C, trong khi phiên bản sử dụng ổ bi có giới hạn tới khoảng 300°C.

Ví dụ này cho thấy giới hạn nhiệt của bánh xe là giới hạn của cả hệ thống. Thay mặt lăn bằng vật liệu chịu nhiệt nhưng vẫn sử dụng ổ lăn, mỡ bôi trơn hoặc giá đỡ không phù hợp chưa chắc tạo ra một cụm bánh chịu nhiệt tương đương. Elesa cũng yêu cầu khi nhiệt độ nằm ngoài vùng tiêu chuẩn phải kiểm tra cả mặt lăn, thân bánh và loại chất bôi trơn.

Tải tĩnh, tải động và thời gian chịu nhiệt ảnh hưởng thế nào?

Nhiệt độ không nên được tách khỏi chế độ tải. Một bánh chịu tải khi thiết bị đứng yên có trạng thái cơ học khác với bánh liên tục lăn dưới cùng tải trọng.

Với tải tĩnh kéo dài ở nhiệt độ cao, nguy cơ biến dạng tại vùng tiếp xúc tăng lên. Khi bánh chuyển sang tải động, biến dạng và phục hồi lặp lại tại mặt lăn sinh ra tổn hao và nhiệt. Vì vậy, tốc độ, quãng đường và tải trọng càng cao thì ảnh hưởng nhiệt do vận hành càng đáng chú ý. Blickle xác định tải động của bánh bằng thử nghiệm trên băng quay theo DIN EN 12527–12533 và ISO 22878–22884, đồng thời cho biết các điều kiện thực tế lệch khỏi điều kiện chuẩn cần được phản ánh trong hệ số an toàn.

Thời gian tiếp xúc nhiệt cũng quan trọng không kém mức nhiệt cực đại. Elesa quy định bảng hệ số nhiệt nói trên cho trường hợp làm việc liên tục trên 30 phút. Trong khi đó, nhiều dòng Blickle lại công bố riêng nhiệt độ làm việc liên tục và mức nhiệt cao hơn chỉ được phép trong thời gian ngắn.

Vì vậy, một bánh tiếp xúc 90°C trong vài phút mỗi chu kỳ không thể mặc nhiên được đánh giá giống bánh hoạt động liên tục ở 90°C. Cần sử dụng đúng thông số “continuous”, “temporary” hoặc bảng derating do nhà sản xuất cung cấp.

Cách xác định tải trọng bánh xe an toàn theo nhiệt độ vận hành

Có thể tiếp cận bài toán theo hai bước: trước tiên xác định tải yêu cầu trên mỗi bánh, sau đó xác định tải còn lại của bánh tại nhiệt độ thực tế.

Blickle sử dụng quan hệ:

Tải yêu cầu mỗi bánh = (khối lượng thiết bị tải hàng) / số bánh thực sự chịu tải × hệ số an toàn

Hệ số an toàn dùng để bù cho các điều kiện khác chuẩn như phân bố tải không đều, chướng ngại, tốc độ hay môi trường vận hành. Điều kiện chuẩn được Blickle mô tả gồm mặt đường nhẵn, tốc độ đi bộ khoảng 4 km/h, phân bố tải đều và nhiệt độ môi trường 15–28°C.

Tiếp theo, nếu nhà sản xuất cung cấp hệ số giảm tải theo nhiệt độ (k_T), có thể xác định:

Tải cho phép tại nhiệt độ thực tế = Tải danh định × (k_T)

Sau đó cần bảo đảm:

Tải cho phép tại nhiệt độ thực tế ≥ Tải yêu cầu trên mỗi bánh

Ví dụ, một hệ thống cần mỗi bánh chịu 3.600 N sau khi đã tính hệ số an toàn. Nếu bánh có tải danh định 4.500 N nhưng làm việc trong điều kiện mà hệ số nhiệt chỉ còn 0,80 thì:

4.500 × 0,80 = 3.600 N

Về mặt tính toán, bánh vừa chạm mức yêu cầu và gần như không còn dự trữ tải. Nếu còn va đập, tốc độ cao, mặt sàn xấu hoặc phân bố tải không đều, cần chọn cấu hình có khả năng chịu tải cao hơn thay vì coi 4.500 N là tải sử dụng thực tế.

Số bánh lắp trên thiết bị cũng chưa chắc bằng số bánh được phép dùng để chia tải. Trong hướng dẫn của Elesa, với xe bốn bánh chở tải rắn, phép tính bảo thủ sử dụng ba bánh tiếp xúc chịu tải; với tải lỏng, hướng dẫn sử dụng hai bánh do tải có thể dịch chuyển và các bánh luân phiên chịu lực.

Trình tự lựa chọn thực tế vì thế nên là: xác định nhiệt độ môi trường và nhiệt phát sinh khi chạy, xác định thời gian tiếp xúc, kiểm tra khoảng nhiệt của từng thành phần, lấy hệ số giảm tải đúng với dòng bánh, rồi mới so sánh tải hiệu dụng với tải yêu cầu. Không nên chọn bánh chỉ dựa vào tải trọng catalogue ở nhiệt độ phòng.

Nhiệt độ và tải trọng bánh xe có quan hệ trực tiếp nhưng không tồn tại một hệ số giảm tải chung cho tất cả các loại bánh. Nhiệt độ cao có thể làm giảm tải cho phép, tăng biến dạng và rút ngắn tuổi thọ; nhiệt độ thấp có thể làm vật liệu cứng hơn, giảm đàn hồi và trong một số trường hợp cũng buộc phải giảm tải. Mức ảnh hưởng thực tế phụ thuộc vào vật liệu, kết cấu, ổ lăn, thời gian chịu nhiệt và chế độ tải. Vì vậy, tải trọng an toàn phải được xác định từ tải danh định kết hợp với giới hạn nhiệt và hệ số hiệu chỉnh của đúng dòng bánh đang sử dụng.