5 Nguyên nhân gây gãy trục đầu ra ở hộp số giảm tốc hành tinh

Phân tích chuyên sâu 5 nguyên nhân gây gãy trục đầu ra ở hộp số giảm tốc hành tinh. Hướng dẫn cách khắc phục, tính toán lực hướng tâm và bảo vệ hệ thống servo.

Giới thiệu

Trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa hiện đại, sự kết hợp giữa hộp số hành tinh và động cơ servo là tiêu chuẩn vàng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, momen xoắn lớn và khả năng vận hành êm ái. Tuy nhiên, một trong những sự cố thảm họa nhất mà các kỹ sư bảo trì thường phải đối mặt là tình trạng gãy trục đầu ra ở hộp số giảm tốc hành tinh.

Sự cố này không chỉ đơn thuần là hỏng hóc linh kiện, mà nó còn kéo theo việc dừng máy đột ngột, hư hỏng dây chuyền cơ khí phía sau và đôi khi làm hỏng cả động cơ servo đắt tiền.

Với kinh nghiệm hơn 10 năm trong lĩnh vực cung cấp thiết bị tự động hóa, tôi nhận thấy rằng hơn 80% các trường hợp gãy trục không xuất phát từ lỗi của nhà sản xuất, mà đến từ việc tính toán sai lệch, lắp đặt không chuẩn xác hoặc vận hành vượt quá giới hạn cho phép. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích cơ chế gãy trục dưới góc độ kỹ thuật, giúp bạn chẩn đoán chính xác nguyên nhân và đưa ra giải pháp phòng ngừa triệt để.

gay-truc-dau-ra-o-hop-so-giam-toc-hanh-tinh — Động cơ Servo Xinje MS6H-130CS15B2-22P3

Cơ chế chịu lực và khái niệm Ứng suất mỏi

Để hiểu tại sao trục bị gãy, chúng ta cần nhìn nhận trục đầu ra của hộp số như một dầm chịu lực phức tạp. Khi vận hành, trục đầu ra không chỉ chịu momen xoắn (Torsion) từ động cơ truyền sang, mà còn phải gánh chịu các lực ngoại vi từ tải trọng như lực hướng tâm và lực dọc trục.

Đa số các vết gãy trục không xảy ra ngay lập tức khi máy vừa khởi động (trừ trường hợp va đập cực mạnh), mà nó diễn ra theo cơ chế “mỏi vật liệu”. Khi trục quay, các thớ vật liệu kim loại chịu sự tác động lặp đi lặp lại của ứng suất kéo và nén. Theo thời gian, một vết nứt vi mô sẽ xuất hiện tại điểm tập trung ứng suất cao nhất (thường là rãnh then hoặc phần giao nhau giữa các đường kính trục). Vết nứt này lan rộng dần qua từng vòng quay cho đến khi phần diện tích còn lại của trục không đủ sức chịu tải, dẫn đến gãy hoàn toàn.

Việc nhận biết vết gãy do mỏi hay do quá tải tức thời là bước đầu tiên trong việc xác định nguyên nhân gây gãy trục đầu ra ở hộp số giảm tốc hành tinh.

Sai lầm trong việc lựa chọn Hệ số an toàn

Một trong những nguyên nhân hàng đầu nhưng ít được để ý nhất chính là việc chọn sai hệ số an toàn (Service Factor – S.F) trong quá trình thiết kế. Nhiều kỹ sư chỉ quan tâm đến việc khớp tỷ số truyền và kích thước mặt bích với động cơ servo mà quên mất tính chất của tải trọng.

Tầm quan trọng của hệ số S.F

Hệ số an toàn S.F được tính dựa trên tỷ lệ giữa momen định mức của hộp số và momen tải thực tế cần thiết. Đối với các ứng dụng chạy êm, tải đều như băng tải nhẹ, hệ số S.F có thể chọn ở mức 1.0 đến 1.2. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có tính chất va đập mạnh, đảo chiều liên tục (như máy cắt dao bay, cánh tay robot, bàn xoay index), hệ số này bắt buộc phải từ 1.5 đến 2.0 trở lên.

Hậu quả khi chọn sai

Nếu bạn chọn một hộp số có S.F thấp cho một ứng dụng có quán tính tải (Load Inertia) lớn, mỗi khi động cơ servo tăng tốc hoặc giảm tốc đột ngột, một momen xung lực khổng lồ sẽ tác động lên trục đầu ra. Dù trục được làm từ thép hợp kim siêu bền, nó cũng sẽ nhanh chóng bị biến dạng xoắn hoặc gãy gọn do quá tải momen xoắn lặp lại nhiều lần. Đây là lỗi thiết kế cơ bản nhưng gây hậu quả nghiêm trọng nhất.

Lực hướng tâm vượt ngưỡng cho phép

Đây là nguyên nhân phổ biến nhất gây gãy trục trong các ứng dụng truyền động gián tiếp thông qua đai răng, xích hoặc bánh răng gắn trực tiếp lên trục đầu ra của hộp số.

Hiểu về Radial load

Lực hướng tâm là lực tác dụng vuông góc với trục. Mỗi hộp số hành tinh đều có biểu đồ chịu tải lực hướng tâm cụ thể do nhà sản xuất quy định. Giá trị này không cố định mà phụ thuộc vào hai yếu tố: tốc độ quay của trục và vị trí điểm đặt lực.

Điểm chết người trong lắp đặt

Sai lầm thường gặp là kỹ thuật viên lắp puly hoặc nhông xích quá xa so với vai trục (phần thân hộp số). Theo nguyên lý cánh tay đòn, càng lắp xa vai trục, momen uốn tác dụng lên gốc trục càng lớn.

Ví dụ: Nhà sản xuất quy định lực hướng tâm tối đa là 2000N tại điểm cách vai trục 10mm. Nếu bạn lắp puly cách vai trục 30mm, khả năng chịu tải của trục sẽ giảm đi đáng kể, có thể chỉ còn dưới 1000N. Khi lực căng dây đai quá lớn kết hợp với cánh tay đòn dài, trục sẽ chịu ứng suất uốn cực lớn theo chu kỳ quay, dẫn đến gãy trục tại vị trí sát vòng bi hoặc ngay tại rãnh then.

Lắp đặt sai lệch tâm và dung sai cơ khí

Đối với các ứng dụng nối trục trực tiếp (dùng khớp nối mềm để nối trục hộp số với trục tải), sự sai lệch trong quá trình căn chỉnh là “kẻ giết người thầm lặng” đối với trục hộp số.

Sai lệch góc và sai lệch song song

Mặc dù các loại khớp nối mềm có khả năng bù trừ sai lệch, nhưng chúng đều có giới hạn nhất định. Nếu độ lệch tâm giữa trục hộp số và trục của máy công tác vượt quá giới hạn bù của khớp nối, nó sẽ tạo ra một lực cưỡng bức uốn trục liên tục trong quá trình quay.

Hiện tượng này tạo ra một “momen bẻ” tại đầu trục. Tình trạng này kéo dài sẽ làm nóng vòng bi, phá vỡ phớt chắn dầu và cuối cùng là gãy trục do mỏi. Vết gãy trong trường hợp này thường có dạng xoắn ốc hoặc vát chéo, kèm theo dấu hiệu mòn vẹt bất thường ở một phía của trục.

Dung sai lắp ghép quá chặt

Một trường hợp khác liên quan đến cơ khí là khi lắp puly hoặc khớp nối vào trục. Nếu dung sai lỗ của puly quá chặt so với trục, nhiều kỹ thuật viên sử dụng búa để đóng mạnh hoặc dùng nhiệt nung quá nóng puly. Hành động dùng búa đóng mạnh có thể gây nứt âm vi mô bên trong cấu trúc kim loại của trục. Hoặc việc gia nhiệt không kiểm soát làm thay đổi cơ tính của thép trục, khiến nó trở nên giòn hơn và dễ gãy khi vận hành dưới tải trọng cao.

Hiện tượng cộng hưởng và rung động

Rung động là kẻ thù của mọi hệ thống cơ khí. Trong các hệ thống servo, tần số dao động riêng của hệ cơ khí có thể trùng với tần số điều khiển của động cơ hoặc tần số rung động của máy, gây ra hiện tượng cộng hưởng.

Khi cộng hưởng xảy ra, biên độ dao động của trục tăng lên đột biến, tạo ra các ứng suất uốn và xoắn vượt xa mức tính toán lý thuyết. Nguyên nhân có thể đến từ việc khung máy không đủ cứng vững, bệ đỡ hộp số bị lỏng bu lông, hoặc cài đặt thông số Gain của động cơ servo quá cứng gây rung lắc.

Việc gãy trục do cộng hưởng thường rất khó chẩn đoán bằng mắt thường và đòi hỏi phải có thiết bị đo rung chuyên dụng để phân tích phổ tần số. Tuy nhiên, biểu hiện dễ thấy là hộp số phát ra tiếng ồn lạ, hú hoặc rung bần bật ở một dải tốc độ nhất định trước khi xảy ra sự cố gãy trục.

Chất lượng gia công và vật liệu trục

Mặc dù ít phổ biến hơn ở các thương hiệu lớn, nhưng với các dòng hộp số giá rẻ, chất lượng vật liệu và gia công là một vấn đề đáng lo ngại dẫn đến gãy trục đầu ra ở hộp số giảm tốc hành tinh.

Lỗi nhiệt luyện: Trục hộp số thường được làm từ thép hợp kim (như 40Cr, SCM440) và phải qua quá trình nhiệt luyện để đạt độ cứng bề mặt nhưng vẫn giữ được độ dẻo dai bên trong. Nếu quá trình nhiệt luyện kém, trục có thể quá giòn (dễ gãy khi va đập) hoặc quá mềm (dễ bị xoắn).
Góc lượn không đạt chuẩn: Tại vị trí thay đổi đường kính trục (vai trục), nhà sản xuất phải gia công một góc lượn đủ lớn để phân tán ứng suất. Nếu góc này được gia công quá vuông góc, nó sẽ trở thành điểm tập trung ứng suất cực đại, là nơi khởi nguồn của mọi vết nứt.

Giải pháp phòng ngừa và Khắc phục

Để tránh tình trạng gãy trục lặp lại, các kỹ sư cần thực hiện các bước sau:

Tính toán lại tải trọng: Kiểm tra xem momen tải thực tế và lực hướng tâm có vượt quá thông số kỹ thuật của hộp số không. Nếu cần, hãy nâng size hộp số lên một cấp hoặc chọn dòng Heavy Duty.
Kiểm tra lắp đặt: Sử dụng đồng hồ so hoặc thiết bị cân chỉnh laser để đảm bảo độ đồng tâm giữa trục hộp số và trục tải. Đảm bảo puly/nhông xích được lắp sát vai trục nhất có thể.
Điều chỉnh thông số Servo: Cài đặt thời gian tăng tốc/giảm tốc hợp lý hơn. Tránh việc dừng/chạy quá gắt nếu công nghệ không yêu cầu. Sử dụng chức năng S-Curve trên PLC hoặc Drive để làm mềm chuyển động.
Sử dụng khớp nối phù hợp: Ưu tiên các loại khớp nối đĩa đàn hồi hoặc khớp nối vấu chất lượng cao có khả năng bù sai lệch tốt và hấp thụ chấn động.
Bảo dưỡng định kỳ: Thường xuyên kiểm tra độ rơ của trục, tiếng ồn và nhiệt độ của hộp số. Xiết chặt lại các bu lông bệ máy.

Tổng kết

Sự cố gãy trục đầu ra ở hộp số giảm tốc hành tinh là kết quả của sự tổng hòa nhiều yếu tố từ thiết kế, lắp đặt đến vận hành. Việc hiểu rõ nguyên nhân gốc rễ giúp doanh nghiệp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí sửa chữa và thời gian chết của máy. Đừng chỉ thay thế một hộp số mới mà không tìm hiểu tại sao cái cũ bị gãy, bởi vì cái mới cũng sẽ sớm gặp chung số phận.

Tại Tự Động Hóa Toàn Cầu, chúng tôi không chỉ cung cấp các dòng hộp số hành tinh GAC chính xác, động cơ servo, biến tần, PLC chất lượng cao mà còn hỗ trợ khách hàng tính toán chọn thiết bị tối ưu nhất, đảm bảo hệ số an toàn và độ bền cho máy móc của bạn.

Nếu bạn đang gặp vấn đề về tính toán lực, chọn hộp số hay cần tư vấn giải pháp tự động hóa toàn diện, hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được hỗ trợ kỹ thuật chuyên sâu.

CÔNG TY CP TỰ ĐỘNG HÓA TOÀN CẦU