Trang chủ / Sổ tay ứng dụng / 4.8 Tuổi thọ sử dụng

4.8 Tuổi thọ sử dụng

Tuổi thọ sử dụng

4.8.1 Nguyên lý

Yêu cầu về cấp chính xác, chất lượng bề mặt và thời gian gia công ngắn không ngừng tăng lên. Đây là lý do vì sao dẫn hướng tuyến tính trong các kết cấu cơ khí hiện đại ngày càng được xác định bởi biến dạng đàn hồi cho phép.

Vì vậy, các giai đoạn sau được thiết lập để tính toán kích thước cho dẫn hướng con lăn:

  • Xác định ngoại lực và mô-men
  • Phân bổ lực và mô-men cho từng bàn trượt
  • Xác định tải trước và biến dạng
  • Tính toán tuổi thọ sử dụng
  • Tính toán hệ số an toàn tĩnh

Tuổi thọ sử dụng có thể bị giới hạn bởi mỏi vật liệu hoặc hư hỏng bề mặt chạy do ảnh hưởng của môi trường.

Bề mặt lăn gây ra mỏi vật liệu, làm hư hỏng rãnh và con lăn (rỗ bề mặt). Nếu biết được các lực tác động lên bề mặt tiếp xúc lăn, tuổi thọ mỏi có thể được tính toán theo DIN ISO 281 hoặc DIN 636. Độ mài mòn trên bề mặt chạy phụ thuộc đặc biệt vào bôi trơn, bụi bẩn, áp suất bề mặt và độ lớn của chuyển động tương đối giữa các bề mặt chịu tải.

Tuổi thọ sử dụng đã tính toán có thể bị rút ngắn do các rủi ro hư hỏng bổ sung hoặc các yếu tố khác, điều này sẽ làm mất hiệu lực bảo hành.

Sơ đồ ngoại lực và mô-men

Chú giải ký hiệu ngoại lực và mô-men

mKhối lượng
Fa,xNgoại lực theo phương x
Fa,zNgoại lực theo phương z
KKhoảng cách bàn trượt
QKhoảng cách hệ thống theo phương ngang
XaTọa độ điểm đặt lực theo phương x
YaTọa độ điểm đặt lực theo phương y
ZaTọa độ điểm đặt lực theo phương z
XmTọa độ trọng tâm theo phương x
YmTọa độ trọng tâm theo phương y
ZmTọa độ trọng tâm theo phương z
Ma,xNgoại mô-men quanh trục x
Ma,yNgoại mô-men quanh trục y
Ma,zNgoại mô-men quanh trục z
YspĐiểm đặt lực dẫn động dọc theo phương y
ZspĐiểm đặt lực dẫn động dọc theo phương z

Các mục sau đây giải thích cách tính toán tuổi thọ mỏi. Do có các yếu tố không thể xác định chắc chắn, không có quy trình tiêu chuẩn để tính toán tuổi thọ mài mòn.

4.8.2 Tính toán tuổi thọ sử dụng

Xác định ngoại lực và mô-men

Ngoại lực tác động lên hệ thống dẫn hướng được xác định bởi các thành phần lực Fax, Fay và Faz, cùng với tọa độ điểm đặt lực Xa, Ya và Za. Khối lượng m với các thành phần gia tốc ax, ay và az sinh ra các lực quán tính Fmx, Fmy và Fmz, tác động tại tọa độ trọng tâm Xm, Ym và Zm, từ đó tạo tải lên hệ thống dẫn hướng.

Fmx = m · (−ax)
Fmy = m · (−ay)
Fmz = m · (−az)
FmxLực quán tính theo phương x (N)
FmyLực quán tính theo phương y (N)
FmzLực quán tính theo phương z (N)
mKhối lượng (kg)
ax, ay, azGia tốc theo mỗi phương (m/s²)

Các lực ΣFy, ΣFz tác động vuông góc với trục dọc bàn làm việc được các bàn trượt riêng lẻ chịu, do đó cần được phân bổ cho từng bàn trượt theo số lượng và vị trí của bàn trượt.

Ngoài ra, các ngoại mô-men khác Max, May và Maz cũng có thể có tác động. Các ngoại mô-men này cũng cần được phân bổ cho từng bàn trượt MONORAIL.

Phân bổ lực và mô-men cho từng bàn trượt MONORAIL

Để tính toán lực ngang Fjy và lực kéo-nén Fjz trên mỗi bàn trượt (j = 1…n), cần biết khoảng cách dọc K và khoảng cách ngang (khổ ray) Q của bàn trượt. Ngoài ra, cần xem xét cách bố trí thiết kế của bàn trượt và thanh dẫn hướng trên các trục.

Xác định tải trước và biến dạng

Cấp tải trước của dẫn hướng SCHNEEBERGER MONORAIL được xác định bởi điều kiện vận hành và yêu cầu về độ cứng vững của dẫn hướng máy. Tải trước V1, V2 hoặc V3 không chỉ làm tăng độ cứng vững mà còn tạo tải lên bề mặt tiếp xúc lăn trong suốt thời gian tải trước còn hiệu lực. Để biết chi tiết về các cấp tải trước khác nhau, xem Mục 4.5 - Tải trước.

Ngoại lực tác động lên MONORAIL gây ra sự dịch chuyển của bàn trượt so với thanh dẫn hướng. Các dịch chuyển này thay đổi tùy theo cấp tải trước và độ lớn của lực tác động. Việc tính toán độ dịch chuyển đòi hỏi phải xem xét đặc tính độ cứng vững của hệ thống dẫn hướng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính toán tuổi thọ sử dụng

Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng là lực tác động lên bàn trượt MONORAIL, cấp tải trước được chọn, khả năng tải trọng động danh định và xác suất sự kiện. Nếu lực không đổi tác động trong suốt quãng đường di chuyển, tuổi thọ sử dụng được tính bằng lực tương đương P. Tuy nhiên, nếu dự kiến có lực thay đổi, phải sử dụng lực tương đương động Pj.

Lực tương đương động P

Để tính toán tuổi thọ sử dụng, cần xác định lực tương đương động Pj cho mỗi bàn trượt MONORAIL (j = 1…n). Lực tương đương động được tính như sau:

Fj = |Fjy| + |Fjz|
FjLực hiệu dụng (N)
FjyLực hiệu dụng theo phương y (N)
FjzLực hiệu dụng theo phương z (N)

Trong các ứng dụng mà bàn trượt MONORAIL chịu tải bao gồm cả lực và mô-men, ví dụ trong trường hợp bàn trượt đơn hoặc hệ thống chỉ có một thanh dẫn hướng, lực tương đương động Pj được xác định theo công thức sau:

Fj = |Fjy| + |Fjz| + C · |Mj| / MQL
FjLực hiệu dụng (N)
FjyLực hiệu dụng theo phương y (N)
FjzLực hiệu dụng theo phương z (N)
CTải trọng động danh định (N)
MjMô-men động (Nm)
MQLMô-men dọc hoặc ngang động cho phép (Nm)

Lực tương đương động Pj sau đó có thể được tính xấp xỉ bằng công thức sau:

Khi Fj ≤ 3 · Fvsp: Pj = Fvsp + 2/3 · Fj
Khi Fj > 3 · Fvsp: Pj = Fj

Nếu lực P không cố định, lực tương đương động Pj dưới tải theo giai đoạn có thể được tính như sau:

Pj = q√[ Σ(Pjkq · lk) / Σlk ]
PjLực tương đương động (N)
PjkLực tương đương động cho mỗi quãng đường di chuyển lk (N), k = 1…n
lkQuãng đường di chuyển từng phần (m), k = 1…n
qSố mũ tính toán tuổi thọ sử dụng = 10/3 (loại con lăn) = 3 (loại viên bi)

Tải trọng động danh định C

Các số liệu tải trọng của dẫn hướng con lăn dựa trên các nguyên tắc do ISO quy định cho việc tính toán ổ lăn (DIN ISO 281). Tải trọng động danh định là tải trọng dẫn đến tuổi thọ sử dụng danh nghĩa tương ứng với quãng đường di chuyển 100.000 m (100 km), với điều kiện tải trọng do khối lượng và hướng không thay đổi và đường tác dụng lực vuông góc với đơn vị ổ lăn.

So sánh khả năng tải

Các nhà sản xuất khác thường quy định khả năng tải của họ dựa trên quãng đường di chuyển 50.000 m (50 km). Các giá trị này theo Tiêu chuẩn JIS cao hơn đáng kể so với giá trị theo DIN ISO. Để so sánh với khả năng tải của SCHNEEBERGER, có thể sử dụng công thức chuyển đổi sau:

Dẫn hướng con lăn: C50 = 1.23 · C100
Dẫn hướng viên bi: C50 = 1.26 · C100

Xác suất sự kiện

Theo các tiêu chuẩn DIN ISO, khả năng tải của ổ lăn được quy định cho xác suất sự kiện (độ tin cậy) 90%. Điều này có nghĩa là 90% trong một nhóm hệ thống dẫn hướng giống nhau có thể đạt được hoặc vượt qua tuổi thọ danh định đã tính toán. Đối với các yêu cầu độ tin cậy cao hơn, có thể sử dụng hệ số hiệu chỉnh a1:

Xác suất sự kiện (%) 90 95 96 97 98 99
a1 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21

Tính toán tuổi thọ sử dụng

Với lực tương đương P (N) và tải trọng động danh định C (N), tuổi thọ tính toán danh nghĩa Lnom có thể được tính như sau:

Lnom = a1 · (C / P)q · 100km
LnomTuổi thọ danh nghĩa (m)
CTải trọng động danh định
PLực tương đương
a1Hệ số điều chỉnh tuổi thọ
qSố mũ tính toán tuổi thọ sử dụng
= 10/3 (loại con lăn)
= 3 (loại viên bi)

Tuổi thọ cũng có thể được biểu diễn theo giờ vận hành. Để làm điều này, cần xem xét tốc độ trung bình và hệ số sử dụng:

Lnom,h = Lnom / (2 · s · n · 60) = Lnom / (60 · vm)
Lnom,hTuổi thọ danh nghĩa (h)
LnomTuổi thọ danh nghĩa (m)
vmTốc độ trung bình (m/min)
sChiều dài hành trình (m)
nTần số hành trình (min⁻¹)

Lưu ý

Đối với các ứng dụng hành trình ngắn có hành trình nhỏ hơn hoặc bằng hai lần đường kính con lăn/viên bi, tuổi thọ sử dụng đã tính toán cần được giảm bớt.

4.8.3 Tính toán S₀

Tính toán hệ số an toàn tĩnh S₀

Hệ số an toàn tĩnh S₀ là một biện pháp an toàn chống lại biến dạng vĩnh viễn không cho phép của con lăn/viên bi và rãnh, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tải trọng tĩnh danh định C₀ và lực tương đương tĩnh P₀.

S₀ = C₀ / P₀
S₀Hệ số an toàn tĩnh
C₀Tải trọng tĩnh danh định
P₀Lực tương đương tĩnh
P₀ = |F0y| + |F0z| + C₀ · |M₀| / M0QL
F0yNgoại lực tĩnh (N)
F0zNgoại lực tĩnh (N)
M0QLMô-men dọc hoặc ngang tĩnh cho phép (Nm)
M₀Tải trọng mô-men tĩnh (Nm)

Đối với P₀, cần xem xét lực thực tế tác động lên bề mặt tiếp xúc lăn. Yếu tố quyết định đối với biến dạng bề mặt tiếp xúc lăn là biên độ cao nhất, ngay cả khi nó chỉ xảy ra trong thời gian rất ngắn. Dựa trên yêu cầu và điều kiện vận hành, chúng tôi khuyến nghị tuân thủ các giá trị tối thiểu sau đây cho hệ số an toàn tĩnh S₀:

Điều kiện vận hành S₀
Bố trí treo, ứng dụng có rủi ro cao ≥ 12
Ứng suất động cao, tải trọng va đập cao và rung động 8 - 12
Thiết kế máy và thiết bị thông thường, không phải tất cả thông số tải trọng đều được biết đầy đủ, tải trọng luân phiên vừa phải và rung động 5 - 8
Tất cả dữ liệu tải trọng đã biết đầy đủ, tải trọng đồng đều và rung động thấp 3 - 5

4.8.4 Chương trình tính toán

Chương trình tính toán kích thước MONORAIL

Việc tính toán thủ công tuổi thọ sử dụng, hệ số an toàn, và đặc biệt là độ dịch chuyển dưới tải trọng kết hợp rất phức tạp và chỉ có thể áp dụng cho các ứng dụng đơn giản. Vì vậy, SCHNEEBERGER cung cấp dịch vụ tính toán bằng chương trình máy tính.

Mục đích và cách sử dụng chương trình tính toán MONORAIL

Chương trình tính toán hỗ trợ máy tính cho việc xác định kích thước MONORAIL có thể xác định các nội dung sau:

  • Kích thước MONORAIL cần thiết
  • Tải trước tối ưu
  • Hệ số an toàn tĩnh
  • Tuổi thọ sử dụng danh định
  • Độ võng của điểm làm việc dưới tải trong một hệ thống MONORAIL cho trước

Phép tính có xét đến độ cứng vững phi tuyến thực tế của từng bàn trượt MONORAIL, cũng như sự tương tác giữa các bàn trượt do độ cứng vững khác nhau dưới tải kéo, nén và tải ngang. Biến dạng bổ sung do giãn nở nhiệt và biến dạng đàn hồi của kết cấu máy không được xem xét.

Dữ liệu cần thiết

Là một ví dụ thiết kế, cần có đầy đủ dữ liệu như thể hiện trong bản vẽ máy và bảng dữ liệu ở trang tiếp theo:

  • Hình học dẫn hướng, bao gồm số lượng bàn trượt và thanh dẫn hướng, khoảng cách dọc và ngang của bàn trượt
  • Vị trí các trục trong không gian và khoảng cách giữa các trục (khoảng cách giữa các điểm chuẩn của các trục liền kề)
  • Khối lượng của tất cả các trục máy và phôi được tính toán
  • Vị trí trọng tâm khối lượng
  • Vị trí của các phần tử dẫn động so với điểm chuẩn trục tương ứng
  • Vị trí điểm tải (điểm đặt lực và mô-men)
  • Hành trình tối đa của tất cả các trục được tính toán
  • Tốc độ và gia tốc tối đa của các trục

Ngoài ra, đối với các tình huống tải khác nhau:

  • Tải trọng tổng hợp, bao gồm tốc độ, gia tốc, quãng đường di chuyển và tỷ lệ phần trăm thời gian, cùng độ lớn và hướng của lực và mô-men tác động tại điểm làm việc theo tình huống tải tương ứng

Tất cả các kích thước hình học đều liên quan đến tâm trục tương ứng (xem bản vẽ). Cách đặt tên các trục trong hệ tọa độ Descartes có thể được chọn tùy theo nhu cầu.

Đối với nhiều loại máy và thiết kế điển hình, SCHNEEBERGER có thể cung cấp sơ đồ máy và bảng dữ liệu. Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với đại diện SCHNEEBERGER của bạn.

4.8.5 Mẫu bảng dữ liệu

Mẫu bảng dữ liệu cho bàn làm việc X-Y

Bảng dưới đây là bảng dữ liệu mà SCHNEEBERGER sử dụng để tính toán kích thước cho bàn làm việc X-Y. Hãy điền các thông số máy thực tế và chuyển cho đại diện SCHNEEBERGER của bạn để tính toán.

Khối lượng

mx =kgmy =kgmw =kg

Kích thước

S1 =mmS2 =mmS3 =mm
S4 =mmS5 =mmS6 =mm
S7 =mmS8 =mmS9 =mm
K1 =mmK5 =mm
Q2 =mmQ4 =mm
A2 =mmA3 =mm
A4 =mmA6 =mm
L4 =mmL5 =mmL6 =mm
B1 =mmB2 =mmB3 =mm

Hành trình (tối đa) và gia tốc (tối đa)

sx =mmsy =mm
ax =m/s²ay =m/s²

Tải trọng tổng hợp: lực và mô-men

SốChu kỳFx (N)Fy (N)Fz (N)Mx (Nm)My (Nm)Mz (Nm)
1
2
3
4
5

Tải trọng tổng hợp: tỷ lệ quãng đường / thời gian

SốTrục XTrục Y
Tốc độ v (m/min)Tỷ lệ thời gian t (%)Quãng đường di chuyển s (mm)Tốc độ v (m/min)Tỷ lệ thời gian t (%)Quãng đường di chuyển s (mm)
1
2
3
4
5

4.8.6 Mẫu bản vẽ máy

Mẫu bản vẽ máy cho bàn làm việc X-Y

Ví dụ bản vẽ máy bàn làm việc X-Y - Góc nhìn 1

Mẫu bản vẽ máy cho bàn làm việc X-Y
1 Vít me bi

Ví dụ bản vẽ máy bàn làm việc X-Y - Góc nhìn 2

Mẫu bản vẽ máy cho bàn làm việc X-Y
1 Vít me bi

Mô tả: Bản vẽ máy này thể hiện cấu hình dẫn hướng MONORAIL điển hình cho bàn làm việc X-Y, bao gồm vị trí bàn trượt, bố trí thanh dẫn hướng, hệ thống truyền động và thiết kế kết cấu. Các bản vẽ này có thể dùng làm ví dụ tham khảo cho dữ liệu cần thiết của chương trình tính toán MONORAIL.

ESC