Cách tính hệ số an toàn hộp số hành tinh chuẩn kỹ thuật

Tìm hiểu cách tính hệ số an toàn hộp số hành tinh (Service Factor) chi tiết nhất. Đảm bảo độ bền và hiệu suất cho hệ thống servo của bạn.

Giới thiệu

Trong lĩnh vực tự động hóa, việc lựa chọn một hộp số giảm tốc không đơn thuần chỉ là chọn tỉ số truyền và kích thước lắp đặt. Một trong những thông số quan trọng nhất nhưng thường bị bỏ qua hoặc tính toán sai lệch chính là hệ số an toàn hộp số hành tinh (Service Factor – ký hiệu là fs hoặc S.F). Việc xác định chính xác hệ số này quyết định trực tiếp đến tuổi thọ, độ chính xác và khả năng chịu tải của hệ thống truyền động, đặc biệt là trong các ứng dụng sử dụng động cơ servo đòi hỏi gia tốc lớn và tần suất khởi động cao.

Hệ số an toàn hộp số hành tinh là gì?

Hệ số an toàn hộp số hành tinh là một chỉ số không đơn vị, thể hiện khả năng chịu tải thặng dư của hộp số so với tải trọng làm việc thực tế. Nói cách khác, đây là tỉ lệ giữa momen xoắn định mức mà hộp số có thể chịu đựng được so với momen xoắn thực tế mà động cơ truyền vào trong một điều kiện làm việc cụ thể.

Hộp số hành tinh với cấu trúc gồm bánh răng mặt trời, các bánh răng hành tinh và vành răng ngoài, cho phép phân phối tải trọng đều lên nhiều điểm tiếp xúc. Tuy nhiên, các yếu tố ngoại cảnh như va đập, rung động, nhiệt độ môi trường và thời gian vận hành liên tục sẽ bào mòn bề mặt răng và làm suy giảm đặc tính của mỡ bôi trơn. Hệ số an toàn được đưa ra để bù đắp cho những biến số này, đảm bảo bánh răng không bị gãy vỡ hoặc mòn quá nhanh dưới tác động của tải động.

Tại sao phải tính toán hệ số an toàn

Trong quá trình tư vấn khách hàng tại Tự động hóa Toàn Cầu, chúng tôi gặp không ít trường hợp hộp số bị rơ (backlash tăng cao) hoặc mẻ răng chỉ sau vài tháng sử dụng. Nguyên nhân chủ yếu là do người thiết kế chỉ chọn hộp số dựa trên momen xoắn đầu ra của motor mà quên mất hệ số an toàn.

Việc tính toán đúng hệ số an toàn hộp số hành tinh mang lại các lợi ích sau:

• Bảo vệ hệ thống răng truyền động: Tránh hiện tượng quá tải tức thời khi motor tăng tốc hoặc khi gặp sự cố kẹt cơ khí.
• Tối ưu hóa tuổi thọ: Một hộp số làm việc ở ngưỡng 90-100% công suất liên tục sẽ có tuổi thọ thấp hơn nhiều so với hộp số có hệ số an toàn phù hợp (thường là 1.2 đến 1.5).
• Đảm bảo độ chính xác: Với các ứng dụng servo, việc duy trì độ rơ thấp là bắt buộc. Hệ số an toàn đủ lớn giúp các vòng bi và bánh răng không bị biến dạng đàn hồi quá mức, duy trì độ chính xác vị trí lâu dài.
• Tiết kiệm chi phí bảo trì: Tránh việc phải dừng máy thay thế thiết bị đột ngột, gây thiệt hại kinh tế lớn cho dây chuyền sản xuất.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số an toàn hộp số hành tinh

Để tính toán chính xác, chúng ta cần phân tích 3 yếu tố cốt lõi tác động trực tiếp lên bánh răng hành tinh:

Đặc tính tải trọng

Đây là yếu tố quan trọng nhất. Tải trọng được chia làm 3 loại chính:

• Tải đều: Các ứng dụng như băng tải nhẹ, máy quạt, bơm ly tâm. Momen xoắn ổn định, ít biến thiên.
• Tải va đập nhẹ: Máy đóng gói, máy khuấy chất lỏng đặc, cơ cấu cam. Có sự thay đổi momen nhưng không quá đột ngột.
• Tải va đập mạnh: Máy dập, máy cắt tôn, máy nghiền, hoặc các trục robot có gia tốc cực lớn (> 5 m/s²).

Thời gian vận hành 

Một hộp số chạy 2 giờ/ngày chịu áp lực nhiệt và mỏi khác hoàn toàn với một hộp số chạy 24/24 trong các nhà máy sản xuất liên tục. Thời gian chạy càng dài, hệ số an toàn càng phải lớn để bù trừ cho sự suy giảm chất lượng dầu mỡ.

Tần suất khởi động

Đối với động cơ servo, việc khởi động/dừng diễn ra liên tục. Mỗi lần khởi động, dòng điện tăng cao tạo ra momen cực đại có thể gấp 2-3 lần momen định mức. Nếu tần suất này lớn hơn 1000 lần/giờ, hệ số an toàn cần được cộng thêm một giá trị hiệu chỉnh đáng kể.

Công thức tính hệ số an toàn hộp số hành tinh tổng quát

Theo tiêu chuẩn của các hãng hộp số hàng đầu mà Tự động hóa Toàn Cầu đang phân phối, hệ số an toàn tổng hợp (fs) thường được xác định bởi công thức:

Trong đó:

• f1: Hệ số tải trọng và thời gian làm việc.
• f2: Hệ số nhiệt độ môi trường.
• f3: Hệ số chu kỳ làm việc.

Chi tiết cách chọn các hệ số thành phần:

Hệ số f1 (Tải trọng & Thời gian)

Thời gian làm việc	Tải đều	Tải va đập nhẹ	Tải va đập mạnh
< 3 giờ/ngày	0.8	1.0	1.5
3 – 10 giờ/ngày	1.0	1.25	1.75
10 – 24 giờ/ngày	1.25	1.5	2.0

Hệ số f2 (Nhiệt độ môi trường)

Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của mỡ bôi trơn bên trong hộp số hành tinh:

• Dưới 20°C: f2 = 1.0
• 30° C: f2 = 1.1
• 40° C: f2 = 1.2
• 50° C: f2 = 1.4 (Lưu ý: Cần hệ thống làm mát hoặc chọn hộp số chịu nhiệt chuyên dụng).

Hệ số f3 (Tần suất khởi động)

• Số lần Start/Stop < 10 lần/giờ: f3 = 1.0
• 10 – 100 lần/giờ: f3 = 1.1
• 100 – 500 lần/giờ: f3 = 1.2
• 500 lần/giờ: f3 = 1.3 – 1.5

Các bước tính toán cụ thể cho một ứng dụng thực tế

Để hiểu rõ hơn về cách tính hệ số an toàn hộp số hành tinh, hãy cùng đi qua một ví dụ cụ thể tại một nhà máy chế biến thực phẩm sử dụng cánh tay Robot Delta.

Thông số đầu vào:

1. Động cơ Servo: 750W, momen định mức Tmotor = 2.39 Nm. Momen cực đại Tmax = 7.1 Nm.
2. Tỉ số truyền hộp số hành tinh yêu cầu: i = 10.
3. Ứng dụng: Gắp sản phẩm liên tục 16 giờ/ngày.
4. Tần suất làm việc: 1200 lần gắp/giờ (tương đương 1200 lần khởi động/dừng).
5. Nhiệt độ môi trường nhà xưởng: 35° C.
6. Đặc tính tải: Tải va đập nhẹ.

Bước 1: Xác định các hệ số thành phần

• Tra bảng f1 (Tải va đập nhẹ, 16h/ngày): f1 = 1.5.
• Tra bảng f2 (Nhiệt độ 35° C): Chọn f2 ≈ 1.15.
• Tra bảng f3 (Tần suất > 500 lần/h): Chọn f3 = 1.3.

Bước 2: Tính hệ số an toàn tổng hợp (fs)

fs = 1.5 x 1.15 x 1.3 = 2.24.

Bước 3: Tính momen xoắn yêu cầu (Treq)

Momen xoắn định mức của hộp số (T2N) phải thỏa mãn điều kiện:

Bước 4: Kiểm tra momen cực đại 

Hộp số hành tinh phải chịu được momen tăng tốc của servo. Thông thường, momen cực đại cho phép của hộp số (T2max) phải lớn hơn Tmax của motor nhân với tỉ số truyền.

T2max ≥ 7.1 x 10 = 71  Nm

Kết luận: Bạn cần chọn một model hộp số hành tinh có momen định mức tối thiểu 54 Nm và momen cực đại cho phép trên 71 Nm để đảm bảo vận hành ổn định lâu dài.

Mối liên hệ giữa hệ số an toàn và tuổi thọ hộp số

Nhiều khách hàng thắc mắc tại sao khi chọn hệ số an toàn hộp số hành tinh thấp hơn một chút máy vẫn chạy được. Câu trả lời nằm ở biểu đồ đường cong mỏi của vật liệu thép làm bánh răng (S-N Curve).

Nếu fs = 1.0, hộp số được thiết kế để đạt tuổi thọ tiêu chuẩn (thường là 20.000 giờ theo tiêu chuẩn ISO 6336). Tuy nhiên, nếu bạn vận hành ở fs = 0.8, tuổi thọ có thể giảm xuống chỉ còn 5.000 giờ hoặc ít hơn. Ngược lại, việc tăng fs lên 1.5 có thể giúp hộp số hoạt động bền bỉ lên đến 40.000 – 50.000 giờ mà không cần thay thế.

Tại Tự động hóa Toàn Cầu, chúng tôi luôn khuyến nghị khách hàng sử dụng hệ số an toàn từ 1.2 trở lên cho các ứng dụng công nghiệp để tránh rủi ro về mặt cơ khí.

Những sai lầm thường gặp khi chọn Service Factor

Trong hơn 10 năm kinh nghiệm trong mảng thiết bị tự động hóa, tôi đã đúc kết được các sai lầm phổ biến sau:

• Chỉ nhìn vào công suất (kW): Công suất là một đại lượng phụ thuộc vào tốc độ. Cùng một công suất nhưng ở tốc độ thấp, momen xoắn sẽ cực lớn. Luôn phải tính toán dựa trên Momen (Nm).
• Bỏ qua hệ số va đập của tải quán tính: Với các đĩa quay lớn hoặc cánh tay dài, momen quán tính (J) rất lớn. Khi dừng đột ngột, lực quán tính phản hồi về hộp số có thể gấp nhiều lần momen định mức.
• Sử dụng cùng một hệ số cho mọi loại hộp số: Hộp số giảm tốc bánh răng trụ, hộp số trục vít và hộp số hành tinh có cấu tạo khác nhau. Hộp số hành tinh chịu tải dọc trục và hướng tâm tốt hơn, nhưng nhạy cảm hơn với nhiệt độ do mật độ công suất cao.
• Quên mất momen giữ của phanh: Động cơ servo có phanh thường tạo ra một cú giật mạnh khi phanh được kích hoạt, cần tính toán lực này vào hệ số an toàn.

Lựa chọn hộp số hành tinh tại Tự động hóa Toàn Cầu

Việc tự tính toán có thể gây khó khăn cho những người mới bắt đầu hoặc các kỹ sư bận rộn. Tại Tự động hóa Toàn Cầu, chúng tôi cung cấp giải pháp hỗ trợ kỹ thuật toàn diện:

1. Sản phẩm đa dạng: Cung cấp đầy đủ các dòng hộp số hành tinh GAC chính xác cao cho động cơ servo, từ các phân khúc giá rẻ đến cao cấp.
2. Tư vấn chuyên sâu: Đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm sẵn sàng giải đáp về cách phối ghép giữa Motor – Hộp số – Tải trọng sao cho kinh tế và bền bỉ nhất.

Ngoài hộp số, chúng tôi còn cung cấp các thiết bị phụ trợ như:

• Nguồn tổ ong, nguồn thanh ray: Đảm bảo nguồn điện ổn định cho hệ thống điều khiển.
• Biến tần, PLC, HMI: Giải pháp tự động hóa tích hợp.
• Động cơ Servo, Động cơ bước: Chất lượng cao, bảo hành dài hạn.

Kết luận

Việc xác định hệ số an toàn hộp số hành tinh không chỉ là một bước tính toán toán học, mà là sự thấu hiểu sâu sắc về ứng dụng thực tế và đặc tính cơ lý của thiết bị. Một hệ số an toàn đúng đắn là sự cân bằng hoàn hảo giữa chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành, bảo trì dài hạn.

Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn cái nhìn chi tiết và thực dụng nhất về cách chọn lựa hộp số giảm tốc cho hệ thống của mình. Liên hệ ngay với chúng tôi để nhận được tư vấn chi tiết cũng như bảng giá ưu dãi hấp dẫn.

Thông tin liên hệ:

• Website: tudonghoatoancau.com
• Hotline/Zalo: 0961320333