Vòng bi mâm xoay: Các loại, đường cong tải & cách lựa chọn

Chiếc vòng có đường kính một mét, nặng 91 kg và quay chưa đến một vòng mỗi phút. Thế nhưng con số quyết định nó có sống sót hay không lại không nằm trong cột tải trọng danh định.

Đó là bất ngờ đầu tiên khi quy định vòng bi mâm xoay, và phía sau còn ba điều nữa. Kích thước bao không tuân theo tiêu chuẩn nào, nên khả năng lắp lẫn mà bạn đang dựa vào chỉ là quy ước thị trường chứ không phải yêu cầu kỹ thuật. Loại thường bị xem là yếu hơn lại chịu tải tĩnh lớn hơn loại nhiều người chọn để thay thế. Và một phần lớn hư hỏng bắt nguồn từ kết cấu hàn bên dưới chứ không phải từ vòng bi. Hướng dẫn này lần lượt trình bày sáu loại và biểu đồ tải dùng để chọn cỡ thực tế. Sau đó là hai hệ thống hệ số an toàn đang được sử dụng, vành răng, vòng lỗ bu lông và cách phân biệt một vòng đã mòn với một vòng lắp sai. Để nắm hệ thuật ngữ về tải trọng làm nền tảng cho toàn bộ nội dung, hãy bắt đầu với hướng dẫn về tải trọng động và tải trọng tĩnh.

Điểm chính

• Không có tiêu chuẩn kích thước. SKF nêu rõ kích thước bao của vòng bi mâm xoay cầu tiếp xúc bốn điểm và vòng bi đũa chéo không tuân theo tiêu chuẩn quốc tế hay quốc gia nào. Dù vậy, các dòng nhẹ và trung bình của hãng vẫn có kích thước lắp lẫn với sản phẩm đối thủ.
• Chọn cỡ bằng biểu đồ, không phải bằng trị số danh định. Mỗi vòng bi mâm xoay có một biểu đồ tải giới hạn tĩnh với hai đường: đường liền biểu thị khả năng chịu tải của rãnh lăn và đường nét đứt biểu thị khả năng chịu tải của liên kết bu lông. Điểm làm việc phải nằm dưới cả hai. C và C₀ chỉ giúp bạn tìm đến đúng trang trong danh mục.
• Nhân tải trước khi kiểm tra. SKF áp dụng hệ số tải ứng dụng từ 1.15 cho bàn xoay đến 2 cho máy đầm và băng chuyền xoay. Kaydon dùng hệ số làm việc từ 1.00 đến 1.50, dựa trên chế độ làm việc thay vì loại máy. Kaydon còn có một quy tắc mà SKF không có nội dung tương đương: tải trọng dọc trục tối đa danh định phải lớn hơn ba lần lực dọc trục vận hành tối đa.
• Bi không phải lựa chọn yếu hơn. Với cùng đường kính trung bình rãnh lăn 1,094 mm, vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm của SKF có C₀ = 2,710 kN, so với 1,450 kN của vòng bi đũa chéo, trong khi khối lượng bằng nhau. Bản dùng con lăn đổi tốc độ lấy độ cứng, độ chính xác quay và khe hở bằng không.
• Kết cấu đỡ là một phần của vòng bi. Bắt buộc phải gia công với độ nhám Ra 3.2 đến 6.3 µm, còn độ không phẳng tổng thể bị giới hạn ở (dₘ + 1000)/10000 mm. Bích lắp cần chiều dày bằng 0.03 đến 0.05 × dₘ. Một vòng có tiết diện thấp sẽ biến dạng theo bất cứ bề mặt nào mà nó được bắt bu lông vào.
• Các dấu là chỉ dẫn lắp đặt. Dấu màu đỏ và chữ F xác định vùng mềm, tức cung không được tôi tại nơi quá trình tôi cảm ứng bắt đầu và kết thúc. Khi lắp, dấu F của hai vòng phải đặt cách nhau 180°.
• Độ mòn phải được đo, không thể phỏng đoán. Ghi lại độ rơ nghiêng dọc trục khi lắp đặt, sau đó kiểm tra lại sau 2,000 giờ vận hành hoặc ít nhất mỗi năm một lần.

Vòng bi mâm xoay khác gì một vòng bi cầu cỡ lớn?

Vòng bi mâm xoay chịu đồng thời tải dọc trục, tải hướng kính và mô-men lật theo mọi hướng, đồng thời thay thế cả một cụm khớp quay thay vì chỉ nằm bên trong cụm đó. Đây là khác biệt về chức năng. Nó có thể xoay qua lại trong một góc giới hạn dễ dàng như khi quay tròn (SKF).

Kết cấu được quyết định bởi nhiệm vụ đó. Vòng trong và vòng ngoài mang các viên bi hoặc con lăn trụ, được ngăn cách bằng các miếng cách polyamide thay vì vòng cách liền khối. Một vòng thường có vành răng. Cả hai vòng đều có lỗ trơn hoặc lỗ ren để lắp bu lông liên kết. Chỉ rãnh lăn được tôi cứng và mài chính xác, còn phần còn lại của vòng, kể cả răng, vẫn giữ trạng thái ram. Phớt tích hợp bằng cao su acrylonitrile-butadiene giữ mỡ bên trong, ngăn tạp chất xâm nhập, còn các đầu tra mỡ cho phép bôi trơn lại trong quá trình vận hành.

Hai hệ quả cần được tính đến ngay từ giai đoạn thiết kế. Lỗ trong lớn và chiều cao tiết diện thấp giúp đơn giản hóa mọi kết cấu xung quanh vòng bi; trong phần lớn trường hợp, các chi tiết lắp ghép chỉ cần bề mặt phẳng đã gia công. Nhưng chính tiết diện thấp đó cũng khiến độ cứng riêng của vòng rất nhỏ so với đường kính. Vì vậy danh mục không chỉ công bố dung sai của vòng bi mà còn quy định dung sai cho kết cấu hàn của bạn.

Dải kích thước rộng hơn hầu hết các họ vòng bi. SKF chế tạo vòng liền khối có đường kính ngoài từ 50 đến 7,900 mm, còn vòng phân đoạn lên đến 14,000 mm. Mọi dữ liệu khả năng chịu tải được công bố đều áp dụng cho bố trí được đỡ, nơi tải ép vòng bi xuống kết cấu bên dưới. Với bố trí treo, nơi vòng bi chịu tải ở trạng thái bị treo, cần tham khảo bộ phận kỹ thuật ứng dụng.

Sáu loại vòng bi mâm xoay là gì?

Vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm một dãy và vòng bi đũa trụ chéo một dãy đáp ứng phần lớn ứng dụng. Bốn loại còn lại được dùng khi một ràng buộc cụ thể về độ cứng, khả năng chịu tải hoặc khối lượng vượt quá khả năng của hai loại một dãy.

Hai mục trong bảng cần được đặc biệt lưu ý. Vòng bi con lăn ba dãy có tải trọng danh định cao nhất nhưng cũng đòi hỏi khắt khe nhất. SKF lưu ý loại này nhạy với độ võng của các chi tiết liên quan, nên cần kết cấu đỡ cực kỳ cứng và được chế tạo chính xác mới đạt tuổi thọ tối đa. Mua vòng bi có tải trọng danh định cao nhất rồi bắt nó vào một khung mềm là tự làm mất toàn bộ lợi thế đó. Dải sản phẩm luyện kim của NSK cũng dựa trên thiết kế ba dãy, với đường kính ngoài 1 đến 6 m và tùy chọn vành răng trong, vành răng ngoài hoặc không có vành răng (NSK).

Vòng bi rãnh lăn dây thép có mức tiết kiệm khối lượng được công bố đã thay đổi theo thời gian. Danh mục năm 2019 cho biết loại một dãy nhẹ hơn 70% so với vòng bi toàn thép cùng cỡ. Trang sản phẩm skf.com hiện tại ghi nhẹ hơn 60% (SKF). Cả hai đều là số liệu của SKF cho cùng một phép so sánh, vì vậy nên coi trang mới hơn là thông tin hiện hành và ghi rõ ngày khi trích dẫn thay vì lấy giá trị trung bình. Trang này cũng đưa ra tuyên bố của SKF về thiết kế cầu tiếp xúc tám điểm: khả năng chịu tải tăng 80% so với vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm một dãy cùng cỡ. Đây là phép so sánh của nhà sản xuất, không phải kết quả đo độc lập.

Dùng bi hay con lăn chéo? Danh mục không đồng ý với quan niệm phổ biến

Với cùng đường kính trung bình rãnh lăn và cùng khối lượng, vòng bi mâm xoay cầu tiếp xúc bốn điểm có tải trọng tĩnh dọc trục cao hơn. Không phải loại đũa chéo.

Bốn dòng dữ liệu trong cùng một danh mục, đều có đường kính trung bình rãnh lăn 1,094 mm, cho thấy rõ điều đó (SKF):

Cùng đường kính, cùng tùy chọn vành răng, cùng khối lượng đến từng kilôgam, nhưng bản dùng bi chịu tải dọc trục tĩnh cao hơn 87% và tải động cao hơn 9%. Tỷ lệ này là phép tính của chúng tôi từ hai dòng dữ liệu trong danh mục, không phải số liệu được công bố sẵn.

Vậy loại đũa chéo thực sự mang lại điều gì? SKF nêu rất cụ thể, và không mục nào là khả năng chịu tải. Khi được đặt tải trước, diện tích tiếp xúc lớn giữa con lăn và rãnh lăn tạo độ cứng cao cùng độ chính xác quay cao, vì vậy đây là lựa chọn phù hợp khi định vị chính xác là thông số vận hành then chốt. Loại này cũng nên được chọn khi cần khe hở vận hành bằng không hoặc tải đặt trước, hay khi cần mô-men cản quay ổn định.

Đổi lại, bạn phải trả giá ở bốn điểm.

• Tốc độ. Vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm có ma sát thấp hơn nên chạy nhanh hơn. Dòng cầu cỡ trung đạt tốc độ vòng 4 m/s, dòng nhẹ đạt 2 m/s, trong khi loại đũa chéo bị giới hạn ở 1.5 m/s khi chạy liên tục và 2 m/s trong thời gian ngắn.
• Dung sai bề mặt đỡ. Loại đũa chéo yêu cầu độ phẳng và độ cứng của bề mặt đỡ chặt chẽ hơn loại cầu tiếp xúc bốn điểm.
• Khả năng lắp lẫn kích thước. Các dòng cầu tiếp xúc bốn điểm nhẹ và trung bình có kích thước lắp lẫn với sản phẩm đối thủ. Với loại đũa chéo, SKF chỉ xác nhận khả năng lắp lẫn đến và bao gồm đường kính trung bình rãnh lăn 1,094 mm.
• Dung sai đường kính lại theo chiều ngược lại. Loại đũa chéo giữ dung sai ±1 mm trên đường kính trong hoặc ngoài không có vành răng ở mọi dải kích thước. Loại cầu tiếp xúc bốn điểm có dung sai ±2.5 mm đến 1,000 mm, ±3.5 mm đến 2,000 mm và ±5 mm đến 2,500 mm. Tổng chiều cao của cả hai đều có dung sai ±1 mm.

Hướng dẫn lựa chọn của chính SKF đánh dấu loại đũa chéo là nên dùng cho yêu cầu độ chính xác quay và không nên dùng cho tốc độ cao, đồng thời đánh dấu dòng cầu nhẹ là không nên dùng khi cần độ chính xác quay. Có thể rút gọn thành quy tắc quyết định: chọn con lăn khi máy phải biết chính xác mình đang ở đâu, chọn bi khi máy cần chuyển động và mang tải.

Bốn điểm tiếp xúc trong thiết kế rãnh lăn đầu tiên chính là hình học cung Gothic được mô tả trong hướng dẫn về vòng bi cầu tiếp xúc góc, chỉ khác là được phóng lớn đến đường kính một mét.

Vì sao C₀ không thể dùng riêng để chọn cỡ vòng bi mâm xoay

Vòng bi mâm xoay được lựa chọn bằng cách đặt một điểm lên biểu đồ, không phải bằng cách so sánh một trị số danh định. Quy đổi máy thành một tải dọc trục tổng hợp và một mô-men lật tổng hợp. Nhân cả hai với hệ số ứng dụng, sau đó xác nhận điểm này nằm dưới cả hai đường trên biểu đồ tải giới hạn tĩnh của vòng bi.

Trước hết phải xác định trường hợp tải. SKF biểu diễn bằng một cặp phương trình cho bố trí trong hình của hãng. Tải dọc trục là Fₐ = Qₐ + G₁ + G₂ + G₃. Mô-men lật là Mₜ = Qₐ × L + Fᵣ × Hᵣ + G₃ × L₃ − G₁ × L₁ − G₂ × L₂. Trong đó Qₐ là tải nâng, các đại lượng G là các phần trọng lượng như đối trọng, cabin và cần, còn L và H là cánh tay đòn tương ứng. Khi bán kính làm việc thay đổi, phải dùng giá trị bán kính lớn nhất.

Sau đó, hai quy tắc quyết định tải hướng kính có cần xét đến hay không. Có thể bỏ qua tải hướng kính ngoài khi nó không vượt quá 5% tải dọc trục. Nếu tải này tác dụng ở bất kỳ vị trí nào ngoài mặt phẳng vòng bi, phải tính và đưa mô-men lật phát sinh vào trường hợp tải. Và nếu tỷ số Fᵣ/Fₐ vượt quá 0.6, SKF khuyến nghị liên hệ bộ phận kỹ thuật ứng dụng thay vì đọc đường cong. Để tìm hiểu cách kết hợp hai thành phần lực thành một trường hợp tải nói chung, xem tải dọc trục so với tải hướng kính.

Tiếp theo là hệ số nhân. Cả tải dọc trục và mô-men lật đều được nhân với cùng hệ số tải ứng dụng: Fₐᵣ = fL × Fₐ và Mₜᵣ = fL × Mₜ.

Biểu đồ là bước cuối cùng và cũng là bước thường bị đối thủ bỏ qua. Mỗi vòng bi trong bảng sản phẩm đều có biểu đồ tải giới hạn tĩnh với hai đường. Đường liền biểu thị khả năng chịu tải của rãnh lăn, được định nghĩa là tải tĩnh lớn nhất mà vòng bi có thể chịu mà không gây ảnh hưởng bất lợi đến đặc tính quay. Đường nét đứt biểu thị khả năng chịu tải của liên kết bu lông và phụ thuộc vào chi tiết siết. Đường này giả định bố trí được đỡ, đúng số lượng bu lông cấp bền 10.9 được nêu để neo vòng bi, ren được phủ một lớp dầu nhẹ mỏng và sử dụng mô-men siết trong danh mục. Điểm giao của tải dọc trục tính toán và mô-men lật tính toán phải nằm dưới cả hai đường.

Ví dụ tính toán của chính SKF đủ ngắn để trình bày đầy đủ và cũng là nội dung phần lớn người đọc đang tìm kiếm. Một máy xúc mini cần vòng bi mâm xoay có vành răng trong. Tải dọc trục Fₐ = 65 kN, tải hướng kính ngoài Fᵣ = 12 kN, mô-men lật Mₜ = 120 kNm. Tỷ số tải Fᵣ/Fₐ = 12/65 = 0.184, nằm thoải mái trong giới hạn 0.6, nên xét theo tiêu chí này thì mọi dòng đều đạt. Với fL = 1.33 cho máy xúc mini, Fₐᵣ = 1.33 × 65 = 87 kN và Mₜᵣ = 1.33 × 120 = 160 kNm. Cả RKS.062.20.1094 và RKS.162.14.1094 đều vượt qua kiểm tra trên biểu đồ. Khi cần độ cứng, chọn loại đũa chéo. Nếu không, vòng bi cầu hoàn toàn đáp ứng.

Hãy lưu ý điều thực sự quyết định kết quả ở đây. Hai giá trị 87 kN và 160 kNm hoàn toàn không được so với C₀. Hướng dẫn về tải trọng động và tải trọng tĩnh liệt kê việc chọn cỡ vòng bi mâm xoay theo C thay vì C₀ là lỗi phổ biến đầu tiên. Các con số trên giải thích vì sao: vòng quay chậm bị lõm Brinell trên rãnh lăn từ rất lâu trước khi tích lũy hư hỏng do mỏi. Bản thân tải trọng tĩnh danh định được xác định theo ISO 76, còn tải trọng động theo ISO 281, và cả hai đều được ghi trong bảng sản phẩm. Chúng là tiêu chí để sàng lọc, không phải phép thử chấp nhận cuối cùng.

Hệ số tải của SKF và hệ số làm việc của Kaydon không phải cùng một con số

Hai nhà sản xuất lớn công bố các phương pháp lựa chọn sử dụng những hệ số được xác lập theo cách khác nhau để nhân với các đại lượng khác nhau. Chuyển một thiết kế từ đường cong của nhà cung cấp này sang nhà cung cấp kia sẽ âm thầm làm thay đổi biên an toàn mà bạn tưởng mình đang có.

Bảng của Kaydon phân loại theo cách máy được sử dụng thay vì bản thân loại máy. Cần cẩu di động bánh lốp làm việc xây dựng thông thường dùng hệ số 1.00, phiên bản bánh xích dùng 1.10, cùng chiếc cần cẩu đó khi làm việc sản xuất tại bãi phế liệu và xưởng đóng tàu dùng 1.25, còn xử lý lâm sản dùng 1.50. Máy xúc được chia theo yếu tố giới hạn tải: 1.25 khi giới hạn bởi nguy cơ lật, 1.50 khi giới hạn bởi van xả áp suất thủy lực. Bàn phân độ và cửa xoay dùng hệ số từ 1.00 đến 1.50 tùy tần suất và va đập, còn cơ cấu lái dùng 1.25 với lốp hơi so với 1.50 với lốp đặc (Kaydon).

So với danh sách của SKF, sự khác biệt là thực chất chứ không chỉ nằm ở cách gọi. SKF ấn định 1.5 cho mọi cần cẩu di động. Kaydon cho cùng loại máy giá trị từ 1.00 đến 1.50 tùy vào công việc nâng diễn ra cả ngày. Không phương pháp nào sai. Chúng dùng hai cách trừu tượng hóa khác nhau; nhà thiết kế lấy nguyên một hệ số sang phương pháp kia mà không xác lập lại sẽ áp dụng con số đã được hiệu chỉnh theo một đường cong khác.

Biên dự phòng lực dọc trục là khác biệt rõ hơn. Kaydon nêu rằng tải trọng dọc trục tối đa danh định phải lớn hơn ba lần lực dọc trục vận hành tối đa, bất kể mô-men tại điều kiện đó. Lý do là độ cứng kết cấu và phân bố tải. Phương pháp của SKF không có nội dung tương đương vì đường cong khả năng chịu tải của liên kết bu lông đã bao hàm một phần mối lo đó. Nếu bạn chọn cỡ theo biểu đồ SKF rồi chuyển sang báo giá chi tiết Kaydon cho cùng chế độ làm việc, hãy kiểm tra riêng quy tắc 3×.

Các giới hạn tốc độ đáng được quy đổi vì hai hãng dùng đơn vị khác nhau và cho ra một kết quả thú vị. Giới hạn ứng dụng thông thường của Kaydon là 500 fpm cho vòng bi một dãy và 300 fpm cho loại nhiều dãy. Với 0.3048 m mỗi foot, các giá trị này tương ứng 2.54 m/s và 1.52 m/s. Con số nhiều dãy của Kaydon gần như trùng với giới hạn 1.5 m/s của vòng bi đũa chéo SKF sau khi làm tròn, trong khi con số một dãy thấp hơn đáng kể so với 4 m/s của vòng bi cầu cỡ trung SKF. Hai hãng gần như thống nhất về giới hạn của loại con lăn và nhiều dãy, nhưng chênh nhau khoảng 1.6 lần với loại cầu một dãy. Phép quy đổi là của chúng tôi; số liệu nguồn là của Kaydon.

Định nghĩa ứng dụng thông thường của Kaydon tự nó đã là một danh sách kiểm tra trước khi thiết kế hữu ích. Phương pháp giả định trục quay thẳng đứng, tải dọc trục nén và mô-men, đồng thời tải hướng kính nhỏ hơn 10% tải dọc trục. Nó cũng giả định chuyển động dao động hoặc quay gián đoạn, nhiệt độ vận hành trong khoảng −20 °F đến +140 °F (−29 đến +60 °C), lắp đặt đúng cách, bôi trơn định kỳ và kiểm tra định kỳ lực căng bu lông. Nếu vượt ra ngoài bất kỳ điều kiện nào, đường cong công bố không còn là toàn bộ câu trả lời.

Điều gì thực sự giới hạn nhiệt độ vận hành?

Thép làm vòng không phải giới hạn. Miếng cách polyamide, phớt cao su và mỡ mới là các yếu tố giới hạn; khoảng nhiệt độ SKF công bố cho dải sản phẩm trong danh mục là −25 đến +70 °C.

Mỡ nạp tiêu chuẩn dùng dầu gốc khoáng, chất làm đặc xà phòng lithium và phụ gia cực áp, có cấp độ đặc NLGI 2. Độ nhớt dầu gốc là 200 mm²/s tại 40 °C và 16 mm²/s tại 100 °C. Theo khái niệm đèn giao thông của SKF, vùng bôi trơn tin cậy nằm trong khoảng +30 đến +110 °C; đây là thông tin hẹp hơn nhưng hữu ích hơn phạm vi nhiệt độ riêng của mỡ. Để hiểu cách độ nhớt dầu gốc và hóa học phụ gia chi phối lựa chọn này, xem hướng dẫn về bôi trơn vòng bi.

Có một bẫy nhiệt cần được nêu rõ vì rất dễ vô tình tạo ra trong thiết kế. Nếu vòng ngoài chạy mát hơn vòng trong, khe hở trong sẽ giảm hoặc tải đặt trước sẽ tăng. SKF xem đây là lý do cần tham khảo kỹ thuật ứng dụng, và đó chính xác là điều kiện xuất hiện khi moay-ơ nóng nằm bên trong một vòng tiếp xúc với không khí môi trường.

Các quy tắc bôi trơn thực tế khá ngắn gọn và dễ đáp ứng vì vòng bi này quay chậm:

• Có thể nạp mỡ đầy hoàn toàn khoảng trống giữa hai vòng.
• Bơm mỡ ngay sau khi lắp cho đến khi mỡ mới thoát ra khỏi phớt quanh toàn bộ chu vi.
• Bôi trơn lại khi vòng bi đang quay để mỡ được phân bố đều.
• Bôi trơn lại qua bốn đầu tra mỡ côn bố trí cách đều theo DIN 71412:1987, thiết kế A; chúng nằm trên vòng trong đối với vòng bi có vành răng ngoài và trên vòng ngoài đối với các loại còn lại.
• Chu kỳ bôi trơn lại được tra từ biểu đồ theo số giờ vận hành mỗi tuần, áp dụng ở nhiệt độ vận hành 70 °C với mỡ chất lượng tốt. Bụi bẩn, độ ẩm hoặc nhiệt độ cao hơn sẽ rút ngắn chu kỳ.

Vành răng được bôi trơn riêng và khi giao hàng chỉ được phủ chất bảo quản chứ chưa bôi mỡ. Chất bôi trơn cần có độ nhớt dầu gốc tối thiểu 500 mm²/s tại 40 °C, độ bám dính tốt, khả năng chống rửa trôi bởi nước cao và chịu được ít nhất +100 °C.

Phớt tích hợp không thay thế được biện pháp bảo vệ bên ngoài. SKF nêu rõ chúng không được thiết kế cho vòng bi tiếp xúc với nước, chân không, hàm lượng tạp chất mài mòn cao hoặc bức xạ. Phớt V-ring cỡ lớn có bán sẵn hoặc tấm che thép bắt bu lông vào phần quay hay phần đứng yên là giải pháp làm kín thứ cấp thông dụng. Vai trò của làm kín trong thông số kỹ thuật nói chung được trình bày trong bài vòng bi có phớt so với vòng bi có nắp chắn.

Vành răng: Vì sao răng được chủ ý để mềm

Vành răng tích hợp là bánh răng trụ thân khai 20° và không được tôi cứng. SKF gia công theo tiêu chuẩn nội bộ bám sát cấp chính xác 12 của ISO 1328-2 và đánh giá bằng hai lực tiếp tuyến trên răng riêng biệt thay vì một.

Cặp trị số này là phần cần hiểu rõ. Tf normal là lực tiếp tuyến trên răng cho tải vận hành thông thường, dựa trên ứng suất mỏi tại chân răng và được tính cho 3,000,000 chu kỳ vận hành. Tf max là lực tiếp tuyến lớn nhất cho phép, dựa trên gãy tại chân răng. Cả hai đều được công bố theo từng ký hiệu và cùng áp dụng cho bánh răng không tôi cứng. Một chu kỳ làm việc dành phần lớn thời gian dưới Tf normal và chỉ thỉnh thoảng chạm Tf max là trường hợp thiết kế khác hẳn một ứng dụng thường xuyên chạy gần một trong hai giới hạn. Một con số duy nhất không thể biểu đạt được điều đó.

Vị trí vành răng là quyết định thiết kế chứ không chỉ là sở thích, và nó được thể hiện trong ký hiệu. Trên dải vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm cỡ trung của SKF, 061 là vành răng ngoài, 062 là vành răng trong và 060 là không có vành răng. Bánh răng nhỏ ăn khớp ở khoảng cách xa tâm nhất với vành răng ngoài và gần tâm nhất với vành răng trong, làm thay đổi cánh tay đòn mà bộ truyền nhìn thấy.

Khe hở ăn khớp có giá trị công bố và một giới hạn dưới trái với trực giác.

Sau khi định vị bánh răng nhỏ, hãy dùng căn lá để đo tại dấu màu xanh và chữ B, vị trí có khe hở giữa các răng nhỏ nhất trên chu vi. Khe hở lớn hơn ở các vị trí khác quanh chu vi là dung sai hình dạng bình thường và không gây ảnh hưởng bất lợi. Và khe hở bằng không là lỗi, không phải độ chính xác: SKF nêu rằng kinh nghiệm thực tế cho thấy khe hở bằng không có thể gây quá tải kết cấu, làm giảm đáng kể tuổi thọ bánh răng.

Bánh răng nhỏ phải có độ cứng mà vành răng vòng bi không có. Nó thường được tôi cứng và mài, đồng thời nên nhô ra khỏi vành răng vòng bi khoảng 5 mm ở cả hai phía. Đỉnh răng cũng cần được sửa với lượng 0.01 × mô-đun, chiều cao sửa từ 0.4 đến 0.6 × mô-đun và bán kính từ 0.1 đến 0.15 × mô-đun. Phần sửa này giúp tránh cản trở ăn khớp tại chân răng của vành răng vòng bi mềm hơn. Nếu thiếu, mài mòn chạy rà sẽ làm tăng tiếng ồn; SKF mô tả hiện tượng này là không thực sự gây hại vì tốc độ mòn giảm dần và mức ồn cũng sẽ giảm. Cách phân biệt quá trình chạy rà này với lỗi vòng bi thực sự được trình bày trong hướng dẫn về tiếng ồn vòng bi.

Các răng được gia công như vậy vẫn ở trạng thái ram, nên bề mặt nhìn thấy là bề mặt gia công cắt gọt chứ không phải bề mặt mài.

Lắp đặt: Kết cấu đỡ là một phần của vòng bi

Vòng bi mâm xoay có độ cứng hạn chế vì tiết diện nhỏ so với đường kính. Nó sẽ biến dạng theo bất cứ bề mặt nào mà nó được bắt bu lông vào. Vì vậy danh mục công bố dung sai cho cả công việc của đơn vị chế tạo kết cấu, và các dung sai này chặt hơn mức phần lớn xưởng hàn dự kiến.

Kết cấu. Bích lắp phải đỡ toàn bộ mặt bên của vòng bi. Chiều dày tối thiểu là 0.05 × dₘ với đường kính trung bình rãnh lăn đến 500 mm, 0.04 × dₘ từ 500 đến 1,000 mm và 0.03 × dₘ trên 1,000 mm. Chiều dày thành tối thiểu của kết cấu được xác định theo S₁ = 0.35 × S. Kết cấu hình trụ thành dày có bích trong hoặc bích ngoài cho kết quả tốt hơn kết cấu thành mỏng có khung giàn. Thành kết cấu dưới và trên nên thẳng hàng với cụm phần tử lăn để đường truyền tải trực tiếp.

Bề mặt. Bắt buộc phải gia công, độ nhám phải nằm trong khoảng Ra 3.2 đến 6.3 µm, còn các mặt phải phẳng và không có gỉ, sơn hay ba via. Bề mặt cũng cần được rửa sạch và làm khô, tuyệt đối không để lại lớp chất bảo quản, dầu hoặc mỡ. Liên kết giữa vòng và kết cấu dựa vào ma sát; bôi trơn bề mặt này sẽ làm mất tác dụng đó.

Độ phẳng, được kiểm tra theo ba mục riêng:

• Độ phẳng tổng thể theo phương chu vi bị giới hạn ở tc = (dₘ + 1000)/10000 mm.
• Khoảng cách giữa các điểm đo không được lớn hơn bước lỗ bu lông liên kết. Giữa hai điểm liên tiếp, sai lệch cùng chiều không được vượt quá 0.0002 × n, trong đó n là khoảng cách giữa hai điểm. Khi chiều nghiêng đổi hướng, tổng hai sai lệch không được vượt quá 0.002 × n.
• Độ phẳng theo phương hướng kính hoặc ngang, tức độ côn trên chiều rộng bề mặt đỡ, bị giới hạn ở tt = B/1000, trong đó B là chiều rộng đó.

Liên kết bu lông, một điểm mà hai nhà sản xuất lại có hướng dẫn khác nhau. SKF quy định bu lông đầu lục giác theo DIN EN ISO 4014:1999, cấp bền 10.9 (EN ISO 898), với chiều dài liên kết bu lông tối thiểu _L_K = 5 × G. Vòng đệm phẳng dưới cả đầu bu lông và đai ốc phải được tôi cứng hoặc tôi và ram, đồng thời tuyệt đối không dùng vòng đệm lò xo dưới bất kỳ hình thức nào. Quy trình siết phải thực hiện ít nhất hai giai đoạn bằng cờ lê lực chính xác hoặc bộ căng thủy lực.

Kaydon chấp nhận SAE J429 Grade 8 hoặc ISO 898-1 Class 10.9. Hãng căng bu lông theo ba giai đoạn ở 30%, 80% và 100% lực căng thiết kế cuối cùng do đơn vị thiết kế thiết bị quy định, theo trình tự hình sao. Hãng cũng cảnh báo không dùng tấm kê nâng mỏng dưới vòng bi (Kaydon). Giới hạn độ phẳng và độ võng của Kaydon được công bố dưới dạng đồ thị theo đường kính vòng chia và đường kính bi thay vì công thức. Đây là lý do hợp lý để vẫn dùng các giá trị dạng công thức khép kín của SKF làm tài liệu tham khảo ngay cả khi chi tiết không phải của SKF.

Vùng mềm cần được giải thích kỹ hơn. Chỉ rãnh lăn được tôi cảm ứng, mà quá trình tôi cảm ứng luôn phải bắt đầu và kết thúc ở một vị trí nào đó. Điều này để lại một cung nhỏ không được tôi cứng, được SKF xác định bằng dấu màu đỏ và chữ F. Khi có thể, vị trí này trùng với lỗ dùng để nạp bi hoặc con lăn, sau đó được bịt bằng nút có biên dạng theo rãnh lăn. Khi lắp kết cấu thứ hai, dấu F của vòng còn tự do phải cách dấu F của vòng đã cố định 180°. Cách gọi không thống nhất giữa các hãng: nhiều vòng của Trung Quốc và thị trường thay thế đánh dấu cùng đặc điểm bằng chữ S. Cùng một đặc điểm nhưng khác chữ cái; người chỉ biết một quy ước có thể tìm mãi một dấu không hề có. Dấu định hướng mang thông tin lắp ráp thực sự là kiểu chi tiết chúng tôi từng ghi nhận ở vòng bi đũa trụ bốn dãy.

Hai phép kiểm tra nghiệm thu hoàn tất quá trình lắp đặt. Quay vòng còn tự do và xác nhận mô-men quay không biến thiên quá mức hoặc có điểm bó. Mô-men tuyệt đối cao do tải đặt trước, mỡ và ma sát phớt là bình thường; sự biến thiên mới là bất thường và cho thấy độ ô van. Sau đó đo độ rơ nghiêng dọc trục trên đường tải chính bằng đồng hồ so dưới một mô-men lật xác định. Xác nhận khe hở hướng kính gần như bằng không tại vị trí cách điểm đo 180°. Đánh dấu các điểm đo trên chi tiết liền kề và ghi giá trị vào biên bản lắp đặt. Giá trị này là đường cơ sở để theo dõi độ mòn trong suốt tuổi thọ máy và không thể dựng lại về sau.

Vòng có đường kính trung bình rãnh lăn trên 2,000 mm mang dấu đen và cần thêm một bước. Căn thẳng hai dấu đen, đo độ ô van tại sáu điểm cách nhau 30° trên các đường kính định tâm và giữ trong giới hạn 0.5 mm với đường kính trung bình rãnh lăn từ 2,000 đến 3,000 mm. Việc hiệu chỉnh phải thực hiện bằng biến dạng đàn hồi nhỏ với kích hoặc dụng cụ hình sao, không được dùng lực cưỡng bức.

Làm sao phân biệt vòng đã mòn với vòng lắp sai?

Bằng cách so sánh độ rơ nghiêng dọc trục hiện tại với giá trị đã ghi khi lắp đặt. Độ mòn rãnh lăn và khe hở dọc trục tăng cùng nhau, nên xu hướng khe hở chính là phép đo độ mòn; nếu không có đường cơ sở thì hoàn toàn không có phép đo.

Chu kỳ của SKF là sau 2,000 giờ vận hành hoặc ít nhất mỗi năm một lần. Ghi lại từng kết quả và biểu diễn thành đồ thị để nhìn thấy xu hướng trước khi độ rơ trở nên quá lớn.

Khi không thể đo độ rơ nghiêng tại chỗ, có thể dùng độ giảm chiều cao vòng bi thay thế: ΔHw = Hs0 − Hs1, trong đó Hs0 là chiều cao sau khi lắp và Hs1 là chiều cao hiện tại. Luôn dùng cùng một quy trình đo. Mức giảm cho phép phụ thuộc vào đường kính phần tử lăn: từ 1 mm với phần tử 14 mm, đến 1.2 mm ở 16 mm, 1.5 mm ở 20 mm và 2.2 mm ở 30 mm. Vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm dòng nhẹ dùng bi 20 mm, nên 1.5 mm là giới hạn thường gặp và chính ký hiệu sản phẩm cho biết kích thước phần tử lăn.

Liên kết bu lông cần được chú ý ít nhất ngang với rãnh lăn vì đây là nơi phần lớn cụm mâm xoay thực sự bung hỏng:

• Siết lại toàn bộ bu lông liên kết trong khoảng từ tuần thứ ba đến tuần thứ mười hai vận hành, sau đó siết trước khi khởi động lại sau thời gian dừng dài, sau 2,000 giờ vận hành hoặc ít nhất mỗi năm một lần.
• Nếu một bu lông mất 20% trở lên tải đặt trước quy định, thay bu lông đó và hai bu lông liền kề.
• Nếu ít nhất 20% số bu lông trên một vòng có tải đặt trước thấp hơn 80% giá trị quy định, thay toàn bộ số bu lông.
• Không bao giờ nới lỏng hoặc thay quá một bu lông cùng lúc, đồng thời dùng đúng phương pháp siết, dụng cụ và loại bu lông ban đầu.
• Luôn thay bu lông khi thay vòng bi.

Phớt phải được kiểm tra ít nhất mỗi sáu tháng trong bảo trì thông thường và được làm sạch hoặc thay thế khi có bất kỳ dấu hiệu hư hỏng nào. Kiểm tra để bảo đảm có mỡ quanh toàn bộ chu vi môi phớt.

Bảo quản là một cơ chế hỏng thực sự đối với phụ tùng dự phòng. Vòng bi mâm xoay có thể bảo quản khoảng một năm trong bao bì gốc, với điều kiện độ ẩm tương đối dưới 60%, không có rung động và không có biến động nhiệt độ lớn. Nếu cần bảo quản lâu hơn, phải nêu khi đặt hàng vì bao bì sẽ thay đổi. Luôn đặt vòng nằm phẳng và đỡ toàn bộ mặt bên, không dựng đứng vì trọng lượng của các vòng và phần tử lăn có thể làm chúng biến dạng vĩnh viễn. Quy tắc tương tự áp dụng khi vận chuyển; tuyệt đối không treo vòng bằng một điểm hoặc một bu lông duy nhất. Nếu hư hỏng đã xảy ra, khung phân tích trong hướng dẫn về hư hỏng vòng bi áp dụng cho rãnh lăn mâm xoay cũng như mọi loại vòng bi khác.

Đọc ký hiệu khi không có tiêu chuẩn kích thước

Vì không có tiêu chuẩn nào quy định kích thước bao vòng bi mâm xoay, ký hiệu là mã riêng của nhà sản xuất. Khả năng lắp lẫn chỉ tồn tại vì các hãng lớn cùng hội tụ vào kích thước bao của dòng nhẹ và trung bình, và sẽ chấm dứt ngay khi bạn ra ngoài các dòng đó.

Hệ thống của SKF được công bố đầy đủ nên phù hợp làm ví dụ. RKS. chỉ vòng bi mâm xoay SKF. Tiếp theo là dòng sản phẩm: 2 cho cầu tiếp xúc bốn điểm dòng nhẹ, 06 cho cầu tiếp xúc bốn điểm dòng trung bình, 16 cho đũa trụ chéo dòng trung bình. Sau đó là vị trí vành răng: 1 cho vành răng ngoài, 2 cho vành răng trong, 0 cho không có vành răng ở dòng trung bình và 3 cho không có vành răng ở dòng nhẹ. Kế tiếp là kích thước phần tử lăn: 20, 25 hoặc 30 mm với bi và 14, 16 hoặc 20 mm với con lăn. Cuối cùng là đường kính trung bình rãnh lăn tính bằng milimét. Vì vậy RKS.062.20.1094 có nghĩa là vòng bi mâm xoay cầu tiếp xúc bốn điểm dòng trung bình, có vành răng trong, bi 20 mm và đường kính trung bình rãnh lăn 1,094 mm. Vòng bi tùy chỉnh chuyển sang một hệ thống khác mã hóa dải đường kính ngoài, loại vòng bi và kích thước phần tử lăn.

Hệ quả thực tế là những thông tin phải có trong yêu cầu báo giá. Chỉ đường kính ngoài cộng vòng lỗ bu lông không đủ để bảo đảm lắp lẫn.

Hai thông tin vật liệu cũng cần được trao đổi cùng lúc vì chúng thay đổi tại một ngưỡng đường kính chứ không theo cấp chất lượng. SKF chế tạo vòng bằng thép ram C45E theo EN 10083-2 đến đường kính trung bình rãnh lăn 1,094 mm và bằng thép tôi cảm ứng 42CrMo4 theo EN 10083-3 trên ngưỡng đó. Bi và con lăn dùng thép 100Cr6 tôi thấu theo EN ISO 683-17. Chỉ rãnh lăn được tôi cảm ứng; vòng và răng được chủ ý để không bị ảnh hưởng. Đây là các phiên bản tiêu chuẩn được danh mục SKF năm 2019 viện dẫn, và một số tiêu chuẩn đã được sửa đổi kể từ đó; hãy xem chúng là tài liệu tham chiếu cho thông số của nhà sản xuất chứ không phải phiên bản tiêu chuẩn hiện hành.

Để tìm hiểu phương pháp đối chiếu giữa các thương hiệu, tức cùng một nguyên tắc được áp dụng ở nơi có tiêu chuẩn, xem hướng dẫn về đối chiếu vòng bi và đọc mã vòng bi. Nếu đang đo một vòng đã lắp để nhận dạng, hãy bắt đầu với bài cách đo vòng bi. Còn về nơi sản xuất, cụm Luoyang được đề cập trong khảo sát các nhà sản xuất vòng bi chiếm một phần lớn sản lượng vòng bi mâm xoay của Trung Quốc.

ANDE không sản xuất vòng bi mâm xoay. Chúng tôi chế tạo vòng bi cầu tiếp xúc bốn điểm dùng cùng hình học cung Gothic ở đường kính nhỏ hơn, với đường kính lỗ từ 30 đến 500 mm. Chúng tôi đối chiếu và quy định sản phẩm dựa trên cùng loại dữ liệu tải trọng và dung sai đã trình bày ở trên. Nếu hình học của bạn nằm trong dải đó, hoặc bạn muốn có ý kiến thứ hai về lựa chọn vòng bi mâm xoay trước khi đưa lên bản vẽ, hãy gửi thông tin cho đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi.

Câu hỏi thường gặp

Vòng bi mâm xoay là gì?

Đây là vòng bi lăn đường kính lớn, chịu đồng thời tải dọc trục, tải hướng kính và mô-men lật theo mọi hướng, đồng thời được bắt bu lông trực tiếp vào kết cấu phía trên và phía dưới. Nó có thể xoay qua một góc giới hạn hoặc quay liên tục, thường ở tốc độ thấp. Chỉ rãnh lăn được tôi cứng và một vòng thường có vành răng.

Vòng bi bàn xoay có phải là vòng bi mâm xoay không?

Trong công nghiệp, các tên gọi này có thể dùng thay thế cho nhau, cùng với vành quay và vòng bi xoay toa. Sự nhầm lẫn nằm ở thị trường chứ không phải thuật ngữ. Tìm kiếm vòng bi bàn xoay còn trả về các tấm xoay tiêu dùng và phụ kiện mâm xoay Lazy Susan, vốn không có tải trọng mô-men danh định hay bất kỳ dữ liệu kỹ thuật nào được trình bày ở đây.

Có những loại vòng bi mâm xoay nào?

Cầu tiếp xúc bốn điểm một dãy, đũa trụ chéo một dãy, cầu tiếp xúc bốn điểm hai dãy, đũa trụ hai dãy, con lăn ba dãy và rãnh lăn dây thép. Hai loại đầu đáp ứng phần lớn ứng dụng. Loại ba dãy có tải trọng danh định cao nhất nhưng nhạy nhất với độ võng của kết cấu xung quanh.

Tính khả năng chịu tải của vòng bi mâm xoay như thế nào?

Quy đổi máy thành một tải dọc trục tổng hợp và một mô-men lật tổng hợp, sau đó nhân cả hai với hệ số tải ứng dụng. Xác nhận điểm này nằm dưới cả đường rãnh lăn và đường bu lông trên biểu đồ tải giới hạn tĩnh của vòng bi. Hệ số SKF nằm trong khoảng 1.15 đến 2 tùy loại máy. Chỉ riêng C₀ không đủ để kết luận vì vòng lỗ bu lông có thể là ràng buộc chi phối.

Dấu S hoặc F trên vòng bi mâm xoay có nghĩa là gì?

Dấu này chỉ vùng mềm của rãnh lăn, tức cung không được tôi cứng tại nơi quá trình tôi cảm ứng bắt đầu và kết thúc; vị trí đó thường nằm ở lỗ nạp phần tử lăn có nút bịt. SKF dùng dấu màu đỏ và chữ F, còn nhiều nhà cung cấp khác dùng chữ S. Khi lắp, vùng mềm của hai vòng phải được đặt cách nhau 180°.

Mòn bao nhiêu là quá mức?

So sánh độ rơ nghiêng dọc trục hiện tại với giá trị ghi khi lắp, kiểm tra sau 2,000 giờ vận hành hoặc ít nhất mỗi năm một lần. Khi không thể đo khe hở, dùng độ giảm chiều cao vòng bi theo đường kính phần tử lăn: 1 mm với phần tử 14 mm, 1.5 mm ở 20 mm và 2.2 mm ở 30 mm.

Tóm tắt ngắn

Vòng bi mâm xoay là một chi tiết kết cấu có phần tử lăn bên trong, vì vậy phải được quy định như một chi tiết kết cấu. Sáu điểm sau quyết định phần lớn lựa chọn:

• Không có tiêu chuẩn kích thước. Kiểm tra kích thước bao, vành răng và hệ lỗ bu lông thay vì tin vào tên dòng sản phẩm, đồng thời nhớ rằng khả năng lắp lẫn được công bố luôn có giới hạn đường kính cụ thể.
• Biểu đồ tải là phép thử chấp nhận. Hai đường, rãnh lăn và bu lông, với điểm làm việc nằm dưới cả hai. Tải trọng danh định dùng để sàng lọc ứng viên chứ không phải phê duyệt chúng.
• Nhân hệ số trước khi đặt điểm lên biểu đồ và phải biết hệ số đến từ hệ thống nào. SKF xác định theo loại máy, Kaydon theo chế độ làm việc, còn Kaydon bổ sung biên dự phòng lực dọc trục gấp ba lần mà phương pháp SKF không có.
• Loại dùng bi không phải loại yếu hơn. Với cùng đường kính và khối lượng, nó chịu tải dọc trục tĩnh cao hơn 87% trong các dòng danh mục trên. Chọn đũa chéo vì độ cứng và độ chính xác, đồng thời chấp nhận đánh đổi tốc độ.
• Kết cấu hàn nằm trong phạm vi thiết kế. Chiều dày bích, Ra, ba phép kiểm tra độ phẳng, cấp bền bu lông và tải đặt trước. Một vòng bi hoàn hảo lắp trên khung mềm vẫn sẽ nhanh chóng bị mòn.
• Thiết lập đường cơ sở khe hở ngay từ ngày đầu. Độ mòn là một xu hướng, và phép đo đầu tiên là phép đo duy nhất không thể thực hiện lại về sau.

Hãy gửi tải dọc trục, tải hướng kính, mô-men lật, góc xoay, tốc độ, chu kỳ làm việc và dải nhiệt độ cho đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi. Chúng tôi sẽ cùng bạn thực hiện lựa chọn, bất kể chi tiết cuối cùng có phải sản phẩm của chúng tôi hay không.

Về tác giả

Jeff Li viết về kỹ thuật vòng bi và tìm nguồn cung ứng toàn cầu cho ANDE Bearing. Anh làm việc trực tiếp với khách hàng OEM và thị trường thay thế trong các ngành ô tô, công nghiệp nặng và năng lượng tái tạo. Kết nối trên LinkedIn.