Theo truyền thống, lồng được sử dụng cho hộp trục xe lửa là:
Hiệu suất được cải thiện đáng kể có thể đạt được thông qua việc sử dụng lồng polymer cho ổ trục con lăn trong các ứng dụng hộp trục đường sắt. SKF đã giới thiệu các thiết kế lồng tối ưu dựa trên vật liệu polymer gia cường cho ổ trục con lăn hình trụ và hình côn, cũng như các cụm lồng cho hộp trục đường sắt. Ưu điểm hiệu suất rõ ràng của lồng polymer được khẳng định qua hệ số ma sát, độ trượt con lăn và nhiệt độ vận hành. Các
thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực địa hỗ trợ cho công việc lý thuyết về tối ưu hóa lồng. Lợi ích của lồng polymer mang lại cho khách hàng là tuổi thọ dài hơn và độ tin cậy được cải thiện. SKF hiện chọn lồng polymer làm tiêu chuẩn cho ổ trục con lăn của mình cho các ứng dụng này. Ngoài ra, lồng polymer còn được các công ty đường sắt lớn và các nhà cung cấp đầu máy xe lửa OEM công nhận.
Ổ trục con lăn hộp trục đường sắt được yêu cầu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về bảo trì thấp, độ tin cậy và an toàn khi vận hành. Một thành phần quan trọng để đạt được những yêu cầu này là lồng. Lồng trong ổ trục con lăn thực hiện nhiều nhiệm vụ. Tuy nhiên, nhiệm vụ chính là đảm bảo giữ chặt các con lăn trong quá trình lắp đặt và bảo trì, do đó cho phép xử lý dễ dàng hơn. Trong quá trình vận hành, các con lăn di chuyển từ vùng có tải sang vùng không tải, nơi lồng phải dẫn hướng các con lăn. Nhiệm vụ tiếp theo của lồng là cung cấp và phân phối chất bôi trơn và làm giảm rung động.
Theo truyền thống, lồng được sử dụng cho hộp trục xe lửa là:
a) lồng đồng thau gia công theo thiết kế hai mảnh có đinh tán hoặc lồng một mảnh cho ổ trục con lăn hình trụ; tinh thần
b) lồng thép ép cho ổ trục con lăn côn và các cụm như cụm ổ trục côn, TBU.
Ngày nay, cả hai loại ổ trục đều được cung cấp với lồng polymer.
Lựa chọn polymer
Trong các ứng dụng kỹ thuật nói chung, vật liệu polymer được lựa chọn vì hai lý do quan trọng. Thứ nhất là các đặc tính riêng của nó như trọng lượng nhẹ và ít hao mòn, độ bền và độ đàn hồi cao với hiệu ứng giảm chấn bổ sung. Thứ hai là quy trình đúc, cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp mà các phương pháp gia công truyền thống không thể sản xuất hiệu quả.
Những yếu tố này cũng áp dụng cho lồng vòng bi lăn. Lồng vòng bi polymer đã được sử dụng trong các vòng bi cho các ứng dụng chung trong hơn 30 năm với kết quả tuyệt vời. Nhà sản xuất vòng bi phải xem xét độ bền và độ đàn hồi trên toàn bộ dải nhiệt độ hoạt động, hệ số giãn nở nhiệt cao hơn và khả năng tương thích với chất bôi trơn và dung dịch rửa. Thiết kế phải phù hợp với các chức năng vận hành khác nhau bên trong vòng bi, để đúc khuôn chất lượng cao trong quá trình sản xuất, để lắp ráp và tháo rời các con lăn, có tính đến đặc điểm thiết kế “con lăn rơi”. Trong các ứng dụng hộp trục đường sắt, các yêu cầu bổ sung đối với lồng vòng bi phải được xem xét, chẳng hạn như tải trọng rung và va đập, độ tin cậy, an toàn và hiệu suất cao ( hình 2 ).
Thông số thực địa:
Lực hướng tâm và hướng trục bán tĩnh danh nghĩa tác động trong quá trình vận hành đã được biết rõ. Các tiêu chuẩn quốc tế khác nhau cũng mô tả các nguyên tắc tính toán để đánh giá các thông số như tuổi thọ định mức, v.v. Để tính toán và mô phỏng trên các giàn thử nghiệm hành vi động thực tế dựa trên các điều kiện vận hành thực tế, SKF đã ghi lại dữ liệu thực địa trên nhiều tuyến đường chính đặc trưng với các điều kiện đường ray và bánh xe khác nhau ở Châu Âu, Bắc Mỹ và Châu Á. Có tính đến các điều kiện đường ray và bánh xe tồi tệ nhất được tìm thấy ở Châu Âu, một cơ sở tính toán và thử nghiệm đã được xác định, mô tả độ rung, tải trọng va đập và nhiệt độ ở các mức tốc độ khác nhau.
Phương pháp tính toán
Một mô hình tính toán hai chiều từ Đại học Ruhr ở Bochum, Đức đã mô tả một phương pháp chính để tính toán lực lồng. SKF đã phát triển phương pháp mô phỏng này cho các ổ trục trong ứng dụng đường sắt để phân tích hành vi đàn hồi của lồng dưới mọi loại rung động và va chạm, chẳng hạn như ảnh hưởng của bánh xe bẹp dúm và khớp ray. Lồng được mô hình hóa như một cấu trúc đàn hồi, trong đó khối lượng lồng được phân bố đều trên mỗi tâm khối lượng của các thanh lồng (ngạnh) được kết nối bằng lò xo với độ cứng hướng tâm, tiếp tuyến và uốn. Chuyển động của từng khối lượng phần tử lăn được mô tả bằng một nhóm các phương trình vi phân được giải bằng số trong chương trình mô phỏng ( hình 1 ). Kết quả của các phương trình này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm, dựa trên các điều kiện vận hành bao gồm hầu hết các tình huống thực tế.
Lực quán tính và lực đỡ tác dụng lên lồng tạo ra ứng suất bên trong. Trong mô hình mặt cắt ngang của lồng, các nội lực F và mô men M tác dụng lên mặt cắt ngang của các thanh s và vòng bên r được thể hiện. Giá trị danh nghĩa của ứng suất pháp tuyến được tính toán như một hàm của lực dọc và mô men uốn, trong khi giá trị danh nghĩa của ứng suất cắt được suy ra từ lực ngang và mô men xoắn.
Các thành phần ứng suất có thể được kết hợp thành ứng suất tương đương theo giả thuyết năng lượng thay đổi hình dạng.
Sự thay đổi hướng của các đường lực trong quá trình chuyển tiếp giữa vòng và thanh làm tăng mật độ của chúng và do đó dẫn đến các đỉnh ứng suất. Ứng suất tương đương thu được bằng cách nhân các giá trị ứng suất danh nghĩa với hệ số tập trung ứng suất. Hệ số này có thể được tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Nó xem xét bán kính túi lồng, vòng lồng và kích thước thanh. Mô hình tính toán này giúp xác định chính xác các lực tác dụng lên lồng và tối ưu hóa thiết kế ( hình 3 ).
Thử nghiệm giàn khoan
Tại Trung tâm Kỹ thuật & Nghiên cứu SKF (ERC) ở Nieuwegein, Hà Lan, một số quy trình thử nghiệm đã được thực hiện để đánh giá hiệu suất lồng polymer cho các ứng dụng ổ trục đường sắt. Các quy trình này bao gồm thử nghiệm với giàn rung, thử nghiệm động và thử nghiệm độ bền. Giàn thử nghiệm SKF cho ổ trục tốc độ cao (THISBE) được sử dụng để tái tạo các điều kiện tải trọng động mà một phương tiện đang chạy cùng loại gặp phải hoặc từ tín hiệu tổng hợp thu được từ mô phỏng phân tích. Nhiệt độ vận hành được theo dõi trong suốt quá trình thử nghiệm, sau đó tất cả các thành phần ổ trục và mỡ bôi trơn cũng được kiểm tra để chẩn đoán tình trạng ổ trục.
Đối với thử nghiệm độ bền, nguyên lý giàn khoan “R3” được sử dụng. Đây là phương pháp thử nghiệm bán tĩnh được mô tả trong UIC 515-5 và cũng được mô tả trong tiêu chuẩn Châu Âu mới, EN12 082 ( Evolution 3/1997, trang 24-27 ).
Nhiệt độ ổ trục đặc biệt quan trọng trong quá trình thử nghiệm. Đây là một chỉ báo ma sát cho toàn bộ hệ thống ổ trục. Nhiệt độ thấp cho thấy ma sát thấp. Nhiệt độ thấp cũng có lợi cho tuổi thọ của mỡ bôi trơn, chu kỳ bảo dưỡng và tổng chi phí vòng đời. So với các thiết kế trước đó, lồng polymer có nhiệt độ hoạt động thấp hơn và ổn định hơn, điều này khẳng định kỳ vọng về tính chất của vật liệu.
Vòng bi lăn trụ
Trong vòng bi lăn trụ, độ trượt của con lăn phụ thuộc vào tốc độ và các thông số khác như vật liệu và thiết kế lồng. Khi rời khỏi vùng có tải, tốc độ quay của con lăn giảm do tương tác với các thanh lồng. Khi vào vùng có tải, con lăn phải tăng tốc lại nhanh chóng, đôi khi có thể gây ra hư hỏng do bôi trơn. Nếu sử dụng lồng polyme dẫn hướng vai, con lăn trong vùng không tải sẽ không chịu lực dẫn hướng của lồng. Điều này dẫn đến độ trượt của con lăn ít hơn nhiều, do đó mang lại lợi thế đặc biệt trong việc tránh hư hỏng do bôi trơn. Kết quả thử nghiệm cho thấy những lợi ích rõ ràng của vật liệu lồng polyme ( hình 4 ).
Đặc biệt, ở tốc độ thấp hơn, độ trượt của con lăn giảm đáng kể.
Nhiệt độ ổn định sau giai đoạn chạy rà của vòng bi hộp trục được trang bị lồng polyme thấp hơn khoảng 15 °C so với lồng đồng thau. Sự khác biệt này vẫn được duy trì ngay cả khi tốc độ tăng. Thử nghiệm này dựa trên thiết kế toa hành khách-toa dành cho các ứng dụng tốc độ cao lên đến 200 km/h của Đường sắt Trung Quốc. Hiện nay, một lượng lớn vòng bi SKF được trang bị lồng polyme đang được sử dụng.
Bên cạnh các thử nghiệm đã đề cập, các điều kiện khắc nghiệt cũng được mô phỏng, chẳng hạn như chạy ở tốc độ cao 330 km/h và thử nghiệm độ bền với một lần tra mỡ, tương ứng với quãng đường 2,4 triệu km mà không cần bôi trơn lại.
Một câu hỏi đôi khi được các công ty đường sắt đặt ra là: “Chúng ta có bao nhiêu thời gian để phát hiện ổ trục chạy nóng?” Điều này bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi loại và thiết kế lồng. Để đánh giá điều này, có thể thực hiện thử nghiệm ngắt bôi trơn để đo thời gian từ khi mất bôi trơn đến khi ổ trục hỏng. Lồng đồng thau có thể hoạt động trong một khoảng thời gian mà không cần bôi trơn, sau đó nhiệt độ ổ trục tăng đáng kể đến mức chạy nóng khiến ổ trục bị kẹt.
Lồng polymer có thể hoạt động trong cùng điều kiện lâu hơn nhiều mà không cần bôi trơn. Sau khoảng thời gian này, nhiệt độ tăng lên, các thanh lồng tan chảy và phủ lên các con lăn. Chất này đóng vai trò như một chất bôi trơn khẩn cấp bổ sung. Ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy (về cơ bản là không có lồng), ổ trục vẫn hoạt động trong vài giờ như một ổ trục bổ sung đầy đủ mà không bị kẹt. Trong những trường hợp sử dụng phương pháp hồng ngoại để phát hiện các hộp nóng, ổ trục có lồng polymer cho phép người vận hành đường sắt có nhiều thời gian hơn để phản ứng.
Kinh nghiệm thực tế đầu tiên về vòng bi lăn trụ trên đường sắt với lồng polymer bắt đầu vào năm 1989 với toa xe chở hàng của Deutsche Bahn (DB). Ngày nay, tất cả các toa xe mới của Đức, toa chở hàng, toa khách và một số dòng đầu máy DB mới (kiểu 101, 145 và 152) đều sử dụng lồng polymer làm tiêu chuẩn cho vòng bi lăn trụ. Các công ty đường sắt lớn khác của châu Âu cũng sử dụng thiết kế vòng bi tương tự và đạt được kết quả xuất sắc.
Các cụm ổ trục côn
Đối với các lồng được sử dụng trong các cụm ổ trục côn, TBU, một mô hình phần tử hữu hạn đã được chuẩn bị để nghiên cứu ứng suất và biến dạng trong tương tác với các con lăn. Các kết quả đã được kiểm tra theo các đặc tính vật liệu và được sử dụng để tối ưu hóa hình dạng thanh lồng và quá trình chuyển đổi sang các vòng bên.
Tập trung ứng suất lớn nhất nằm ở khu vực chuyển tiếp giữa thanh và vòng bên. Khi tính toán cho điều kiện tải trọng xấu nhất, nó thấp hơn 26 N/mm 2 . Điều này thấp hơn nhiều so với giới hạn độ bền vật liệu, tối thiểu là 40 N/mm 2 sau khi đúc.
Khi so sánh với các lồng thép ép, ma sát thấp hơn và nhiệt độ vận hành thấp hơn là những ưu điểm của lồng polymer. Điều này là do khối lượng thấp hơn, ma sát trượt thấp hơn giữa vật liệu lồng polymer và vật liệu con lăn và các bề mặt tiếp xúc túi được tối ưu hóa có khả năng giữ và phân phối chất bôi trơn hiệu quả hơn. Các
điều kiện cực đoan (tốc độ cao) đã được mô phỏng bằng cách chạy ở tốc độ 330 km/h trên 1,5 triệu km và ở tốc độ 400 km/h trên 800.000 km mà không cần bôi trơn lại. Nhiệt độ vận hành ổn định và đồng đều ở khoảng 60 °C (ở nhiệt độ môi trường 20 °C) trong suốt thời gian thử nghiệm. Sau khi thử nghiệm, không phát hiện thấy sự mài mòn đáng kể nào của lồng, và tình trạng mỡ không bị ảnh hưởng bởi tạp chất thép.
Một chế độ thử nghiệm khác là “thử nghiệm loại bỏ dầu” mô phỏng một TBU hoạt động trong điều kiện bất thường. Thử nghiệm bắt đầu bằng việc cung cấp một ít dầu bôi trơn, sau đó dừng lại sau một thời gian điều hòa; ổ trục dần dần bị thiếu chất bôi trơn và cuối cùng bị cạn kiệt. Lồng thép ép bị hỏng sau 70 km với nhiệt độ vận hành liên tục tăng cho đến khi ổ trục bị kẹt hoàn toàn. Trong cùng điều kiện, lồng polymer có thể hoạt động lâu hơn ít nhất năm lần so với lồng thép ép. Nhiệt độ vận hành của TBU được trang bị lồng polymer tăng lên sau một thời gian nhất định lên đến 220 °C và rất ổn định. Sau khoảng 500 km, thử nghiệm đã dừng lại ( hình 5 ).
Việc phát triển lồng polymer cho TBU bắt đầu tại SKF vào năm 1982 với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm Kỹ thuật và Nghiên cứu (ERC). Các TBU đầu tiên được trang bị lồng polymer đã được chuyển giao vào năm 1990. Kinh nghiệm đáng kể về việc sử dụng lồng này trong TBU đã được tích lũy thông qua việc lắp đặt chúng trên:
- Toa xe chở hàng vận chuyển xe tải qua dãy Alps ở Châu Âu bằng đường sắt ở Áo, Đức, Ý và Thụy Sĩ.
- Các loại toa tàu được sử dụng bởi đường sắt ở Áo, Hungary, Ý và Thụy Sĩ với tốc độ tối đa lên tới 200 km/h.
- Tàu cao tốc như tàu ICE của Đức có thể đạt tốc độ lên tới 280 km/h.
Kinh nghiệm cho thấy việc sử dụng công nghệ lồng này, thời gian bảo trì mà không cần bôi trơn lại trung gian lên đến 1,2 triệu km đối với toa tàu và các ứng dụng tốc độ cao, mang lại lợi ích rõ ràng cho các nhà khai thác đường sắt và nhà cung cấp thiết bị.
Gottfried Kure ,
SKF Österreich AG, Steyr, Áo;
Tiến sĩ Bauzhu Liang ,
SKF GmbH, Schweinfurt, Đức;
Maurizio Martinetti ,
SKF Industrie SpA, Villar Perosa, Ý;
và John Skiller ,
Trung tâm Nghiên cứu & Kỹ thuật SKF BV (ERC), Nieuwegein, Hà Lan.
 |
Ứng dụng SKF AuthenticateCó hai cách để kiểm tra tính xác thực bằng ứng dụng SKF Authenticate,
Tải xuống ứng dụng SKF Authenticate NGAY BÂY GIỜ trên App Store hoặc Google Play miễn phí bằng cách nhấp vào liên kết có liên quan hoặc quét mã dưới đây.
|