Vòng bi Card SKF – Liều thuốc thần cho Máy móc

Magnus Kellström không để quy ước cản trở một ý tưởng hay. Bạn có thể nói điều đó từ chiếc xe đạp của anh ấy. Nghỉ hưu từ năm 2005, ông đi vòng quanh quê hương trên một chiếc xe hai bánh nằm nghiêng, ngồi trên ghế ngả lưng với bàn đạp đặt xa về phía trước trên bánh trước. Đó là một thiết kế mà những người đam mê cho rằng thoải mái hơn và khí động học hơn những gì có trên xe đạp tiêu chuẩn.

Sự sẵn sàng thách thức hiện trạng tương tự là đặc trưng trong sự nghiệp 39 năm của Kellström tại SKF, nơi ông đảm nhiệm nhiều vai trò phát triển sản phẩm. Trong thời gian này, Kellström đã giúp thúc đẩy nghệ thuật và khoa học thiết kế vòng bi, mang đến những công cụ mới và ý tưởng sáng tạo cho một loại sản phẩm giúp thế giới vận hành theo đúng nghĩa đen. 

Vào cuối những năm 1960, Kellström nghiên cứu việc đưa máy tính vào quy trình kỹ thuật. Ông nhớ lại: “Tất cả các công ty công nghiệp đều có máy tính vào thời điểm đó. “Chúng lớn bằng một căn phòng nhưng kém mạnh mẽ hơn nhiều so với điện thoại di động ngày nay. Tuy nhiên, họ vẫn có thể thực hiện các phép tính nhanh hơn nhiều so với bất kỳ con người nào.”

Tuy nhiên, những chiếc máy đầu tiên đó không hề thân thiện với người dùng. Kellström và các đồng nghiệp của ông sẽ tạo ra các chương trình trên thẻ đục lỗ bằng giấy, sau đó họ gửi chương trình này đến trung tâm dữ liệu để xử lý. Các kỹ sư sẽ không biết liệu chương trình có hoạt động hay không cho đến khi có kết quả sau đó khoảng một ngày. “Tất nhiên là chúng tôi đã phạm sai lầm,” anh nói. “Nhưng chúng ta chỉ phạm sai lầm một lần, sau đó chúng ta sẽ không bao giờ tái phạm nữa.”

CARB hiện được sử dụng trong nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất trên thế giới, bao gồm cả hệ thống động cơ điện cung cấp năng lượng cho các tàu du lịch tiên tiến nhất hiện nay.

Đi toàn cầu

Chuyên môn của Kellström về thiết kế vòng bi có sự hỗ trợ của máy tính đã đưa ông đi khắp thế giới trong những năm 1970, với thời gian làm việc kéo dài một năm ở Hoa Kỳ để phát triển một chương trình máy tính tự động tính toán nhiệt cho thiết kế vòng bi. Quá trình toàn cầu hóa đang diễn ra mạnh mẽ vào thời điểm đó và giống như nhiều công ty công nghiệp khác, SKF đang điều chỉnh dấu ấn của mình, tạo ra các trung tâm xuất sắc trong các nhóm sản phẩm khác nhau có thể phục vụ thị trường toàn cầu.

Vào đầu những năm 1980, ông trở lại quê hương Thụy Điển, làm việc tại trung tâm phát triển và sản xuất vòng bi tang trống (SRB) chính của SKF ở Gothenburg. Sản phẩm này, khi đó là trụ cột của ngành công nghiệp vòng bi, có thể truy nguyên lịch sử của nó từ những ý tưởng đổi mới của Sven Wingquist, người sáng lập SKF.

Kellström giải thích: “Sven Wingquist đã phát minh ra ổ bi tự điều chỉnh để giải quyết một vấn đề trong nhà máy. “Vòng bi có độ ma sát rất thấp nhưng chúng không thể chịu được tải trọng cao. SKF đã phát triển ổ tang trống được thiết kế để giải quyết hạn chế đó.”

Giống như sự đổi mới ban đầu của Wingquist, SRB được thiết kế để đối phó với những thách thức mà máy móc gặp phải trong thế giới thực. Chúng có thể chịu được cả tải trọng hướng tâm và tải trọng hướng trục, đồng thời có thể chịu được độ lệch góc mà không làm tăng đáng kể ma sát hoặc nguy cơ kẹt giấy. Điều đó quan trọng vì máy móc phải chịu được những khiếm khuyết hoặc biến dạng trong quá trình sản xuất do tải nặng.

Tại trung tâm Gothenburg, Kellström và nhóm của ông đã cải tiến dòng sản phẩm SRB của SKF, tạo ra các thiết kế có độ ma sát thấp hơn, khả năng chịu tải cao hơn và tuổi thọ làm việc dài hơn. Các sản phẩm đều tốt, nhưng chúng có những hạn chế.

ĐỐI VỚI TÔI, PHÁT MINH LÀ GIẢI NHỮNG CÂU ĐỐ MÀ HẦU HẾT MỌI NGƯỜI THẬM CHÍ KHÔNG NHẬN RA ĐÓ LÀ NHỮNG CÂU ĐỐ.
Magnus Kellström, kỹ sư phát triển SKF

Thực hiện cải tiến

Một vấn đề là nhiệt. Khi máy thay đổi nhiệt độ trong quá trình sử dụng, các bộ phận có thể giãn nở hoặc co lại. SRB tiêu chuẩn không đối phó tốt với chuyển động dọc trục có thể xảy ra trên trục dài. Nó có thể dẫn đến ma sát cao hơn và có nguy cơ bị mài mòn sớm. Các nhà sản xuất máy móc đã khám phá các giải pháp nhưng không có giải pháp nào lý tưởng; Vòng bi lăn hình trụ gặp khó khăn với hiện tượng lệch trục và việc lắp SRB vào vỏ trượt đặc biệt sẽ làm tăng thêm khối lượng, chi phí và độ phức tạp.

Trong khi cố gắng giải quyết những hỏng hóc sớm của vòng bi trong hộp số hành tinh công nghiệp, Kellström nhận ra rằng có chỗ cho một cách tiếp cận hoàn toàn khác. Ông đã phác thảo ý tưởng về một loại ổ lăn hoàn toàn mới, có thể chịu được chuyển động dọc trục trong khi vẫn giữ được khả năng chịu lệch góc của SRB.

Phải mất vài năm Kellström mới thuyết phục được đồng nghiệp rằng phát minh của ông xứng đáng với nỗ lực đáng kể cần thiết để biến nó thành sản phẩm thương mại, nhưng cuối cùng ông đã đảm bảo được một số nguồn tài trợ R&D cho một dự án quy mô nhỏ. Ông nhớ lại: “Công việc của chúng tôi là tạo ra các SRB tốt hơn chứ không phải phát minh ra vòng bi mới, vì vậy lúc đầu, nó hơi giống một ‘công việc tồi tệ’. “Đúng là tên của tôi có trên bằng sáng chế chính, nhưng còn nhiều điều hơn thế nữa. Nó cần nhiều hơn một ý tưởng. Tôi được bao quanh bởi một số nhà vô địch thực sự và nếu không có họ thì CARB sẽ không bao giờ thành công.” Kellström và các đồng nghiệp của ông đã tiếp tục nỗ lực phát triển trong suốt đầu những năm 1990, cuối cùng đã đưa ra một thiết kế mà họ gọi là “vòng bi lăn thẳng hàng nhỏ gọn”, hay gọi tắt là CARB.

Bí mật của CARB là hình dạng của nó, kết hợp các đặc điểm của ba loại ổ trục hiện có: SRB, ổ đũa trụ và ổ đũa kim.

Phải mất vài năm phân tích, thử nghiệm và sàng lọc trước khi nhóm có được một thiết kế đáp ứng được tham vọng của họ. Giống như nhiều dự án phát triển, việc hoàn thành không hề phô trương. “Tôi nhớ mình đã đứng cùng một nhóm kỹ sư trong xưởng mộc của mình và chúng tôi chỉ cảm thấy ‘bây giờ mọi việc đã xong’,” anh nhớ lại.

Nóng ra khỏi báo chí

Nó đã không được thực hiện. Phát minh chỉ là một phần của sự đổi mới. Kellström vẫn phải thuyết phục SKF thực hiện các khoản đầu tư cần thiết để đưa CARB vào sản xuất và không có bằng chứng nào cho thấy thị trường đã sẵn sàng cho một khái niệm vòng bi mới. Ông nói: “Hồi đó việc phát triển sản phẩm khác với ngày nay. “Chúng tôi sẽ đưa ra các ý tưởng và các đồng nghiệp kỹ thuật ứng dụng và bán hàng của chúng tôi sau đó sẽ xem liệu có thị trường cho chúng hay không.”

Bước đột phá lớn đầu tiên của CARB đến từ ngành giấy. Vào đầu những năm 1990, các nhà sản xuất đã phát triển các dòng máy sản xuất giấy tốc độ cực cao mới. Họ đang tìm kiếm một giải pháp vòng bi cho các con lăn trong những chiếc máy đó và thiết kế mới của Kellström hoàn toàn phù hợp. Kellström cho biết: “Vòng bi CARB đã được sử dụng trên một chiếc máy đã phá vỡ kỷ lục thế giới về sản xuất giấy in báo”. “Tôi nghĩ đó là lúc tôi biết rằng ý tưởng của chúng tôi sẽ có tác động đáng kể.”

SKF ra mắt CARB thương mại vào năm 1995. Thiết kế sáng tạo của nó đã sớm thu hút khách hàng trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất kim loại đến năng lượng tái tạo. “Khi một công ty tuabin gió của Đức thay thế cách bố trí vòng bi thông thường bằng giải pháp CARB, trọng lượng của vòng bi trong tuabin đã giảm 2.600 kg và vòng bi nhỏ hơn cho phép vỏ nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn, tiết kiệm thêm ba tấn.” Kellström nói. “Việc tiết kiệm đó cho phép giảm trọng lượng của tòa tháp thêm vài tấn.”