Giải thích chi tiết: Ổ lăn – tuổi thọ và tải tĩnh

Bài toán dùng để làm gì

Ổ lăn (ổ bi, ổ đũa) đỡ hầu hết các trục quay trong xưởng: động cơ, hộp số, con lăn băng tải, bàn xoay robot. Bài toán tính ổ chạy được bao nhiêu giờ trước khi bắt đầu tróc rỗ (L10h), tuổi thọ thực tế khi tính đến độ tin cậy, dầu mỡ, độ sạch (Lnm), và ổ có bị lõm vết khi chịu tải đứng yên hoặc va đập không (S0). Có thêm phần tính tuổi thọ khi tải và tốc độ thay đổi theo nhiều chế độ.

Hình dung đơn giản

Kiến thức nền cần có

Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.3 lực · 0.7 hệ số an toàn · 0.11 chuyển động quay · 0.14 mỏi · 0.16 thống kê

Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu

Ký hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị	Lấy số liệu ở đâu
Loại con lăn	Ổ bi hay ổ đũa (quyết định số mũ p)	–	Theo ổ chọn
C, C0	Tải động cơ bản (ổ chạy 1 triệu vòng với 90 % độ tin cậy), tải tĩnh cơ bản	N	Catalogue SKF, FAG, NSK… ví dụ 6206: C = 20,3 kN, C0 = 11,2 kN
e, X, Y, X0, Y0	Hệ số quy đổi lực dọc trục sang tải tương đương	–	Catalogue, tra theo f0·Fa/C0; ổ bi đỡ X0 = 0,6, Y0 = 0,5
Fr, Fa, n	Lực hướng kính, lực dọc trục lên ổ, tốc độ quay	N, v/ph	Phản lực gối từ CT14; lực dọc từ bánh răng nghiêng, côn
Độ tin cậy	Xác suất ổ chưa hỏng khi đạt tuổi thọ tính	%	Thường 90 %; thiết bị quan trọng 95–99 %
dm, ν	Đường kính trung bình ổ (d + D)/2; độ nhớt dầu/mỡ ở nhiệt độ làm việc	mm, mm²/s	Kích thước ổ; bảng dữ liệu mỡ (gốc VG 100 ở 70 °C ≈ 20–30)
eC	Hệ số nhiễm bẩn: ổ càng sạch càng gần 1	–	ISO 281 Bảng 13: mỡ kín 0,5–0,8; bình thường 0,3–0,5; bẩn 0,1–0,3
Cu	Tải giới hạn mỏi của ổ	N	Catalogue (6206 ≈ 475 N)
Lreq, S0min	Tuổi thọ yêu cầu; hệ số an toàn tĩnh tối thiểu	giờ, –	1 ca: 10 000–20 000 h; 3 ca: 40 000–60 000 h; S0 ≥ 1, có va đập 1,5–2

Xây dựng công thức từng bước

Công thức tổng quát không "từ trên trời rơi xuống": nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:

Bước 1. Tải động tương đương

Gộp lực hướng kính và dọc trục thành một lực hướng kính "tương đương". Nếu lực dọc nhỏ (Fa/Fr ≤ e) thì bỏ qua:

P = Fr (Fa/Fr ≤ e) ; P = X·Fr + Y·Fa (Fa/Fr > e)

Bước 2. Tuổi thọ danh nghĩa

Số triệu vòng quay mà 90 % số ổ giống nhau còn chạy tốt. p = 3 với ổ bi, 10/3 với ổ đũa. Đổi sang giờ theo tốc độ:

L10 = (C/P)^p ; L10h = 10⁶/(60·n) · L10

Bước 3. Chất lượng bôi trơn

Tính độ nhớt cần thiết ν1 theo tốc độ và cỡ ổ, so với độ nhớt thực có ν:

ν1 = 4500·n^−0,5·dm^−0,5 (n ≥ 1000) ; κ = ν/ν1 (0,1–4)

Bước 4. Hệ số tuổi thọ hệ thống aISO

Kết hợp κ, độ sạch eC và tải giới hạn mỏi Cu theo công thức ISO 281 (ổ bi):

aISO = 0,1·[1 − A^0,83·(eC·Cu/P)^(1/3)]^(−9,3) ≤ 50

Bước 5. Tuổi thọ hiệu chỉnh

Nhân thêm hệ số độ tin cậy a1 (90 % → 1; 95 % → 0,64; 99 % → 0,25):

Lnmh = a1 · aISO · L10h ≥ Lreq

Bước 6. Kiểm tra tĩnh

Khi đứng yên hoặc va đập, bi có thể làm lõm rãnh. So tải tĩnh cơ bản với tải tĩnh tương đương:

P0 = max(Fr, X0·Fr + Y0·Fa) ; S0 = C0/P0 ≥ S0min

Bước 7. Tải thay đổi theo chế độ

Khi máy chạy nhiều chế độ (tải Pi, tốc độ ni, tỉ lệ thời gian qi), tính tải trung bình theo mũ p rồi tính tuổi thọ:

Pm = (Σ Pi^p·ni·qi / Σ ni·qi)^(1/p) ; L10h = 10⁶/(60·nm)·(C/Pm)^p

Hình CT15.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

Ảnh động minh họa

Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)

Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:

TT	Đại lượng	Ký hiệu	Giá trị	Đơn vị	Ghi chú / nguồn
1	Loại con lăn	typ	Ổ bi
2	Tải động cơ bản C	C	20 300	N	Ví dụ 6206: C = 20,3 kN; C0 = 11,2 kN
3	Tải tĩnh cơ bản C0	C0	11 200	N
4	Hệ số e	e	0,22		Tra catalogue theo f0·Fa/C0
5	Hệ số X (khi Fa/Fr > e)	X	0,56
6	Hệ số Y (khi Fa/Fr > e)	Y	2
7	Hệ số X0	X0	0,6		Ổ bi đỡ 0,6
8	Hệ số Y0	Y0	0,5		Ổ bi đỡ 0,5
9	Lực hướng kính	Fr	2 000	N
10	Lực dọc trục	Fa	0	N
11	Tốc độ quay	n	1 450	v/ph
12	Độ tin cậy yêu cầu	rel	90	%
13	Đường kính trung bình ổ (d + D)/2	dm	46	mm	6206: (30 + 62)/2 = 46
14	Độ nhớt động học dầu/mỡ ở nhiệt độ làm việc	ν	20	mm²/s	Mỡ thông dụng gốc VG 100 ở 70 °C ≈ 20–30
15	Hệ số nhiễm bẩn eC	eC	0,5		Rất sạch 0,8–1 · sạch (mỡ kín) 0,5–0,8 · bình thường 0,3–0,5 · bẩn 0,1–0,3 (ISO 281 Bảng 13)
16	Tải giới hạn mỏi Cu (catalogue)	Cu	475	N	6206 ≈ 475 N
17	Tuổi thọ yêu cầu	Lreq	10 000	giờ	Máy làm 1 ca: 10 000–20 000 h; 3 ca liên tục: 40 000–60 000 h
18	S0 tối thiểu	S0min	1		≥ 1 vận hành êm; 1,5–2 có va đập
35	Chế độ 1: tải P1	P1	2 000	N
36	Chế độ 1: tốc độ n1	n1	1 450	v/ph
37	Chế độ 1: tỉ lệ thời gian q1	q1	60 %		Tổng q = 1
38	Chế độ 2: tải P2	P2	3 000	N
39	Chế độ 2: tốc độ n2	n2	1 000	v/ph
40	Chế độ 2: tỉ lệ thời gian q2	q2	30 %		Tổng q = 1
41	Chế độ 3: tải P3	P3	4 000	N
42	Chế độ 3: tốc độ n3	n3	500	v/ph
43	Chế độ 3: tỉ lệ thời gian q3	q3	10 %		Tổng q = 1

Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:

TT	Đại lượng	Ký hiệu	Kết quả	Đơn vị	Công thức / cách tính
19	Số mũ tuổi thọ	p	3		p = 3 ổ bi; 10/3 ổ đũa
20	Tải động tương đương	P	2 000	N	P = Fr nếu Fa/Fr ≤ e; ngược lại P = X·Fr + Y·Fa
21	Tuổi thọ danh nghĩa	L10	1 046	triệu vòng	L10 = (C/P)^p
22	Tuổi thọ danh nghĩa theo giờ	L10h	12 019	giờ	L10h = 10⁶/(60·n)·L10
23	Hệ số độ tin cậy a1	a1	1		ISO 281: 90 % → 1; 95 % → 0,64; 99 % → 0,25
24	Độ nhớt cần thiết ν1	ν1	17,42	mm²/s	n < 1000: ν1 = 45000·n^−0,83·dm^−0,5 ; n ≥ 1000: ν1 = 4500·n^−0,5·dm^−0,5 (ISO 281)
25	Tỉ số độ nhớt κ	κ	1,15		κ = ν/ν1 (giới hạn 0,1–4)
26	eC·Cu/P	x	0,119
27	Số hạng theo κ	A	0,588		Ổ bi: 2,5671 − 2,2649/κ^0,054381 \| 1,9987/κ^0,19087 \| 1,9987/κ^0,071739 ; ổ đũa: 1,5859 − 1,3993/κ^… \| 1,2348/κ^…
28	Biểu thức trong ngoặc	base	0,684		Ổ bi: 1 − A^0,83·(eC·Cu/P)^(1/3) ; ổ đũa: 1 − A·(eC·Cu/P)^0,4
29	Hệ số tuổi thọ hệ thống aISO	aISO	3,44		aISO = 0,1·[…]^(−9,3) ổ bi đỡ; ^(−9,185) ổ đũa đỡ; tối đa 50 (ISO 281:2007 mục 9.3)
30	Tuổi thọ hiệu chỉnh	Lnmh	41 299	giờ	Lnm = a1·aISO·L10
31	Lnm ≥ tuổi thọ yêu cầu	Kiểm tra	ĐẠT
32	Tải tĩnh tương đương	P0	2 000	N	P0 = X0·Fr + Y0·Fa (không nhỏ hơn Fr)
33	Hệ số an toàn tĩnh	S0	5,6		S0 = C0/P0
34	S0 ≥ S0 min	Kiểm tra	ĐẠT
44	Tốc độ trung bình	nm	1 220	v/ph	nm = Σ ni·qi
45	Tải tương đương trung bình	Pm	2 464	N	Pm = (Σ Pi^p·ni·qi / Σ ni·qi)^(1/p)
46	Tuổi thọ theo phổ tải	L10hm	7 635	giờ	L10h = 10⁶/(60·nm)·(C/Pm)^p

Áp dụng thực tế và lưu ý

Nếu không đạt tuổi thọ: chọn ổ cùng đường kính trong nhưng dãy nặng hơn (6206 → 6306), chuyển sang ổ đũa, cải thiện làm kín và bôi trơn (tăng eC, κ).
κ < 1 nghĩa là mỡ quá loãng ở nhiệt độ làm việc: chọn mỡ có dầu gốc đặc hơn. aISO có thể nhỏ hơn 1, khi đó tuổi thọ thực ngắn hơn L10h.
Ổ trong môi trường xưởng hàn (bụi, xỉ, khói) nên lấy eC thấp và dùng ổ có nắp chắn 2RS.
L10 là tuổi thọ thống kê: 10 % số ổ có thể hỏng trước thời điểm đó, đừng coi là con số bảo đảm cho từng ổ.