Trục lệch tâm bằng thép: Hướng dẫn thiết kế, vật liệu, ứng dụng và bảo trì

một là gì Trục lệch tâm thép ?

Trục lệch tâm bằng thép là một bộ phận quay được gia công chính xác, trong đó một hoặc nhiều tạp chí, thùy hoặc phần hình trụ được lệch khỏi trục quay trung tâm của trục bằng một khoảng cách cố định, có chủ ý được gọi là độ lệch tâm hoặc độ ném. Khi trục quay, phần bù sẽ vẽ một đường tròn xung quanh tâm thực, chuyển đổi chuyển động quay liên tục thành chuyển động tịnh tiến hoặc dao động được điều khiển trong cơ cấu mà nó dẫn động.

Thép là vật liệu chủ yếu cho trục lệch tâm vì nó kết hợp độ bền kéo cần thiết để chịu được tải trọng uốn, độ cứng bề mặt cần thiết để chống mài mòn tại các bề mặt ổ trục và khả năng gia công cho phép đạt được và duy trì dung sai kích thước chặt chẽ. Tùy thuộc vào ứng dụng, các loại từ thép cacbon trung bình đến thép hợp kim cứng và các biến thể không gỉ được chỉ định. Hình học có thể trông đơn giản, nhưng kích thước độ lệch tâm và dung sai độ đồng tâm giữa các cổ trục là một trong những phép đo được kiểm soát chặt chẽ nhất trong chế tạo trục chính xác — sai số đo bằng micron ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của chuyển động, mức độ rung và tuổi thọ sử dụng của bộ phận.

Trục lệch tâm hoạt động như thế nào: Nguyên lý chuyển đổi chuyển động

Nguyên tắc hoạt động đơn giản nhưng mạnh mẽ. Ổ trục hoặc ổ đỡ được lắp trên phần lệch tâm của trục. Khi trục quay quanh trục thực của nó, cổ trục lệch tâm di chuyển theo một đường tròn có bán kính bằng giá trị độ lệch tâm. Bất kỳ bộ phận nào được kết nối với ổ trục đó - một thanh kết nối, một thanh đẩy, một piston bơm, một thanh nén - đều bị ràng buộc phải tuân theo chuyển vị tròn đó trong một mặt phẳng, tạo ra một hành trình bằng hai lần độ lệch tâm.

Ví dụ, một trục lệch tâm có độ lệch 5 mm tính từ tâm sẽ tạo ra hành trình 10 mm trong cơ cấu dẫn động trên mỗi vòng quay đầy đủ. Bằng cách thay đổi độ lệch tâm ở giai đoạn thiết kế, các kỹ sư trực tiếp kiểm soát độ dài hành trình mà không làm thay đổi hệ thống truyền động quay. Điều này làm cho trục lệch tâm trở thành một bộ tạo chuyển động nhỏ gọn và có thể điều chỉnh độc đáo - trong một số thiết kế, độ lệch tâm được cố tình điều chỉnh thông qua vòng đệm có thể điều chỉnh pha, cho phép điều chỉnh độ dài hành trình trong khi vận hành.

Cấu hình chuyển động khác với một tay quay đơn giản. Một tay quay dẫn động một thanh kết nối thông qua một chốt lệch ở đầu của nó; một trục lệch tâm dẫn động một ổ trục hoặc dây đai xung quanh bao quanh toàn bộ cổ trục lệch tâm. Vòng bao quanh đầy đủ này phân phối tải trọng trên diện tích tiếp xúc lớn hơn, làm cho việc bố trí trục lệch tâm đặc biệt phù hợp với các ứng dụng có lực cao, khe hở thấp.

Các ứng dụng chính trong các ngành công nghiệp

Trục lệch tâm bằng thép xuất hiện trên rất nhiều loại máy móc. Khả năng chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến một cách chính xác và gọn nhẹ khiến chúng không thể thay thế được trong các lĩnh vực sau:

• Máy nghiền hàm và máy nghiền hình nón — Trong thiết bị khai thác và chế biến cốt liệu, trục lệch tâm là thành phần cốt lõi dẫn động hàm nghiền hoặc lớp phủ theo đường dao động của nó. Trục phải chịu được tải trọng xoắn và uốn theo chu kỳ rất lớn; rèn thép hợp kim nặng với các tạp chí được làm cứng bằng vỏ là tiêu chuẩn. Độ lệch tâm xác định hướng ném của máy nghiền và do đó quyết định mức độ đầu ra và thông lượng của nó.
• Máy nén và máy bơm pittông - Trục lệch tâm dẫn động piston trong máy nén pittông tốc độ thấp và bơm màng. Việc bố trí vòng bi toàn vòng giúp giảm thiểu tải trọng bên lên cần piston, kéo dài tuổi thọ vòng đệm so với thiết kế chốt trục khuỷu.
• Máy ép dập và đột dập – Máy ép cơ sử dụng trục lệch tâm (hoặc bánh răng lệch tâm) để dẫn động ram. Hình dạng lệch tâm xác định hành trình ép; trục phải hấp thụ toàn bộ tải trọng va đập xuyên qua tại điểm chết dưới trong mỗi chu kỳ.
• Động cơ quay Wankel - Trục ra của động cơ Wankel là trục lệch tâm. Rôto quay quanh cổ trục lệch tâm và hình học lệch tâm của trục xác định thể tích quét và hình dạng hành trình công suất của động cơ.
• Máy dệt — Máy dệt và máy dệt kim sử dụng trục lệch tâm để dẫn động các khung đỡ, thanh kim và cơ cấu cuốn theo các chuyển động tịnh tiến được định thời gian chính xác phối hợp với chuyển động quay của trục chính.
• Thiết bị y tế và phòng thí nghiệm — Máy lắc quỹ đạo, máy ly tâm có rôto bù và một số bộ truyền động dụng cụ phẫu thuật nhất định dựa vào trục lệch tâm có đường kính nhỏ được gia công với dung sai dưới micron từ thép không gỉ hoặc thép công cụ.

Các loại thép được sử dụng trong sản xuất trục lệch tâm

Việc lựa chọn vật liệu được quyết định bởi cường độ tải, yêu cầu về độ cứng bề mặt, môi trường vận hành và liệu trục có chịu tải va đập hay không. Các lớp được chỉ định phổ biến nhất là:

Đối với trục máy nghiền và các ứng dụng chịu va đập cao khác, phôi thường được sản xuất dưới dạng rèn thay vì được tiện từ thanh phôi. Việc rèn sắp xếp cấu trúc hạt của thép với hình dạng trục, cải thiện đáng kể độ bền mỏi và độ bền va đập so với phôi gia công. Thử nghiệm không phá hủy - kiểm tra siêu âm hoặc kiểm tra hạt từ tính - là phương pháp tiêu chuẩn dành cho các trục có yêu cầu an toàn quan trọng trước khi bắt đầu gia công hoàn thiện.

Quy trình sản xuất và dung sai tới hạn

Việc sản xuất trục lệch tâm bằng thép theo đặc điểm kỹ thuật đòi hỏi một chuỗi các hoạt động gia công, xử lý nhiệt và hoàn thiện, mỗi hoạt động góp phần mang lại độ chính xác kích thước cuối cùng và chất lượng bề mặt của các cổ trục vòng bi.

• Tiện và gia công thô — Phôi trục được khoan chính giữa trên cả trục thực và trục lệch tâm của nó. Tiện thô loại bỏ phần lớn vật liệu với lượng dự trữ lớn cho biến dạng xử lý nhiệt tiếp theo.
• Xử lý nhiệt — Làm cứng cảm ứng, cacbon hóa vỏ hoặc làm cứng xuyên suốt được áp dụng để đạt được độ cứng bề mặt quy định (thường là HRC 55–62 cho các bề mặt tạp chí) trong khi vẫn duy trì độ bền của lõi. Xử lý nhiệt gây ra những thay đổi về kích thước phải được tính đến trong lượng dự trữ trước khi xử lý.
• mài — Nghiền hình trụ của các tạp chí lệch tâm và tạp chí chính đến kích thước cuối cùng là hoạt động quan trọng nhất. Máy được thiết kế để xoay trục quanh trục lệch tâm của nó khi mài các cổ trục lệch tâm, đòi hỏi độ lệch của vật cố định chính xác bằng độ lệch tâm thiết kế. Độ tròn của tạp chí thường được kiểm soát trong khoảng 2–5 µm; Mục tiêu độ nhám bề mặt Ra 0,4–0,8 µm là tiêu chuẩn cho các ứng dụng ổ trục trượt.
• Kiểm tra — Kiểm tra lần cuối đo đường kính cổ trục, độ lệch tâm (độ lệch so với tâm thực), độ đồng tâm giữa các cổ trục, độ đảo và độ bóng bề mặt. Máy đo tọa độ (CMM) và thiết lập khối chữ V chính xác với chỉ báo quay số đều được sử dụng tùy thuộc vào kích thước trục và độ chính xác cần thiết.

Bản thân dung sai độ lệch tâm - độ lệch được giữ chính xác như thế nào - là đặc tính xác định của trục lệch tâm chất lượng. Trong các ứng dụng máy nghiền, dung sai độ lệch tâm ± 0,05 mm có thể được chấp nhận. Trong máy lắc quỹ đạo y tế hoặc máy ép chính xác, có thể yêu cầu dung sai ± 0,005 mm hoặc chặt hơn. Việc chỉ định dung sai chặt chẽ không cần thiết sẽ làm tăng chi phí theo cấp số nhân; dung sai phù hợp với các yêu cầu chức năng thực tế là một nguyên tắc kỹ thuật quan trọng.

Lựa chọn vòng bi và bôi trơn cho các ổ trục lệch tâm

Bố trí ổ trục trên cổ trục lệch tâm chịu sự kết hợp của tải trọng hướng tâm và động khi trục quay. Việc lựa chọn ổ trục phải tính đến tốc độ quay, độ lớn và hướng của tải trọng cũng như liệu ổ trục quay cùng với cổ trục hay dao động trên đó.

Trong các ứng dụng máy nghiền hạng nặng, ổ trục trơn (tay áo) có dầu bôi trơn cưỡng bức được ưu tiên hơn các ổ lăn. Vòng bi trơn phân phối tải trọng trên diện tích dự kiến ​​lớn hơn, chịu tải va đập tốt hơn và có thể được thay thế tại hiện trường mà không cần thiết bị chuyên dụng. Màng dầu giữa trục và ổ trục phải được duy trì ở áp suất và lưu lượng đủ để ngăn chặn sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại dưới tải trọng cao điểm - do đó việc giám sát nhiệt độ và độ sạch của dầu là tiêu chuẩn trong các chương trình giám sát tình trạng máy nghiền.

Trong các ứng dụng nhẹ hơn và tốc độ cao hơn - máy bơm, máy ép, máy dệt - ổ bi rãnh sâu hoặc ổ đũa hình trụ được gắn trong vỏ ổ trục lệch tâm (vòng đệm lệch tâm) là phổ biến. Những yêu cầu này đòi hỏi phải bôi trơn bằng mỡ với chu kỳ bôi lại được xác định bởi hệ số tốc độ (n × dm) và nhiệt độ vận hành. Vòng bi trên trục lệch tâm chịu tải trọng quay so với vòng ngoài, điều này thúc đẩy sự mài mòn đều trên đường lăn - điều kiện thuận lợi cho tuổi thọ mỏi của vòng bi con lăn.

Các chế độ lỗi và cân nhắc bảo trì

Hiểu được trục lệch tâm bằng thép bị hỏng như thế nào là điều cần thiết để xác định khoảng thời gian bảo trì phù hợp và chiến lược giám sát tình trạng. Các chế độ thất bại chủ yếu là:

• Nứt mỏi — Ứng suất uốn theo chu kỳ tập trung tại các điểm gián đoạn hình học: rãnh then, lỗ chéo, rãnh cắt bán kính ở vai tạp chí. Các vết nứt do mỏi bắt đầu ở bề mặt và lan truyền vào trong, thường ở góc 45° so với trục trục. Kiểm tra hạt từ tính hoặc thuốc nhuộm thẩm thấu thường xuyên ở vùng tập trung ứng suất là phương pháp phát hiện chính.
• tạp chí mặc — Trong các ứng dụng ổ trục trơn, việc mất màng dầu do nhiễm bẩn, áp suất dầu thấp hoặc tải quá mức sẽ gây ra mài mòn bề mặt ổ trục. Việc giảm đường kính tạp chí vượt quá phạm vi khe hở cho phép dẫn đến mất ổn định vòng bi và tăng tốc độ mài mòn. Việc đo định kỳ đường kính cổ trục so với dung sai bản vẽ ban đầu là phương pháp bảo trì tiêu chuẩn.
• gãy xương quá tải — Đưa sắt vụn (kim loại không thể nghiền nát) vào máy nghiền hoặc khóa thủy lực trong máy nén có thể tạo ra mô men xoắn tức thời vượt xa giới hạn thiết kế của trục, gây ra gãy xương thảm khốc. Các thiết bị bảo vệ quá tải (chốt cắt, hệ thống giảm áp thủy lực, bộ hạn chế mô-men xoắn) được thiết kế đặc biệt để tránh hỏng hóc trước khi trục xảy ra.
• Ăn mòn — Trong môi trường ẩm ướt hoặc có tác động mạnh về mặt hóa học, các hố ăn mòn bề mặt đóng vai trò là vị trí bắt đầu xuất hiện vết nứt do mỏi, làm giảm đáng kể giới hạn độ bền của trục. Lớp phủ bảo vệ, đặc điểm kỹ thuật bằng thép không gỉ hoặc bảo vệ cathode được áp dụng tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của môi trường ăn mòn.

Phân tích độ rung là công cụ bảo trì dự đoán hiệu quả nhất cho hệ thống trục lệch tâm. Những thay đổi về đặc tính rung ở tần số quay của trục và các sóng hài của nó cho thấy sự mất cân bằng đang phát triển, độ mòn ổ trục hoặc độ lỏng cấu trúc trước khi kiểm tra vật lý cho thấy hư hỏng rõ ràng. Nhiều OEM máy nghiền và máy nén hiện đã tích hợp gia tốc kế và hệ thống giám sát trực tuyến làm tiêu chuẩn cho các cụm trục quan trọng.

Tìm nguồn cung ứng và xác định trục lệch tâm bằng thép

Khi tìm nguồn cung ứng trục lệch tâm bằng thép - dù là bộ phận OEM, bộ phận thay thế hay thiết kế được thiết kế theo yêu cầu - gói thông số kỹ thuật phải thông báo rõ ràng những điều sau cho nhà cung cấp:

• Giá trị độ lệch tâm và dung sai - Khoảng cách bù từ tâm thực đến tâm tạp tâm, với dải dung sai áp dụng. Đây là kích thước chức năng xác định.
• Đường kính tạp chí và dung sai — Cả cổ trục lệch tâm và cổ trục ổ trục chính, với yêu cầu về độ bóng bề mặt (Ra) và dung sai hình học (độ tròn, độ trụ).
• Cấp vật liệu và xử lý nhiệt — Chỉ định tiêu chuẩn thép (AISI, EN, GB hoặc tương đương), quy trình xử lý nhiệt và phạm vi độ cứng yêu cầu ở bề mặt tạp chí và lõi.
• Yêu cầu kiểm tra không phá hủy - Có cần kiểm tra siêu âm, hạt từ tính hay chất thẩm thấu bằng thuốc nhuộm hay không và ở giai đoạn sản xuất nào.
• Chứng nhận và truy xuất nguồn gốc — Giấy chứng nhận của nhà máy vật liệu, hồ sơ xử lý nhiệt và báo cáo kiểm tra phải đi kèm với các trục quan trọng về an toàn. Các nhà cung cấp được chứng nhận ISO 9001 với khả năng kiểm soát quy trình được ghi chép sẽ cung cấp chuỗi truy xuất nguồn gốc cần thiết cho các ngành được quản lý.

Đối với các trục thay thế trong máy móc hiện có, việc cung cấp một trục ban đầu bị mòn làm tài liệu tham khảo - ngay cả khi bị hỏng - sẽ đáng tin cậy hơn so với việc làm việc từ các bản vẽ chưa hoàn chỉnh. Một nhà sản xuất trục có thẩm quyền có thể thiết kế ngược các kích thước ban đầu từ một bộ phận bị mòn, xác định nơi xảy ra mài mòn và gia công thay thế theo dung sai được khôi phục.