تنظیم کوچکی که تفاوت بزرگی ایجاد می کند
پمپ های سانتریفیوژ یکی از پرکاربردترین دستگاه ها برای انتقال سیالات در کاربردهای صنعتی هستند. اگرچه از نظر طراحی کاملاً ناهموار است، پمپ های گریز از مرکز معمولاً به دلیل سایش بیش از حد آب بندی، آسیب لغزش در یاتاقان ها و/یا خرابی قفس یاتاقان دچار شکست مکانیکی می شوند. این مقاله به بررسی این سه حالت خرابی می‌پردازد و با استفاده از نرم‌افزار محاسبه بلبرینگ اختصاصی، توضیح می‌دهد که چگونه فاصله محوری یاتاقان مناسب می‌تواند این مشکلات را کاهش دهد تا طول عمر یاتاقان‌ها و در نهایت خود پمپ افزایش یابد.
با نگاهی به داخل یک پمپ سیال گریز از مرکز، دو موقعیت یاتاقان جداگانه را می توان یافت. نزدیکترین موقعیت جلویی به پروانه معمولاً یاتاقان غیر مکان یابی است که به بارهای شعاعی سیستم واکنش نشان می دهد. برای این منظور بیشتر از بلبرینگ شیار عمیق یا غلتک استوانه ای استفاده می شود. موقعیت عقب معمولاً جفت یاتاقان موقعیت محوری است که فاصله انتهایی محوری را تعیین می کند و به بار محوری و همچنین بار شعاعی واکنش نشان می دهد. اکثر پمپ های گریز از مرکز از یاتاقان های توپی تماس زاویه ای دو ردیفه (DRACBB)، یک جفت بلبرینگ تماس زاویه ای (ACBB) یا یک جفت رولبرینگ مخروطی استفاده می کنند.
تصویر 1: چیدمان معمولی یاتاقان در داخل یک پمپ گریز از مرکز (تصاویر توسط Schaeffler Group USA Inc.)
حالت های شکست
همانطور که در بالا ذکر شد، سه حالت خرابی رایج در پمپ های گریز از مرکز عبارتند از سایش آب بند، آسیب لغزش در یاتاقان ها و شکستگی قفس بلبرینگ. اولین مورد از این حالت های شکست - سایش بیش از حد آب بند - ناشی از انحراف شفت اصلی است که نیروی تماس آب بند را با شفت افزایش می دهد و باعث سایش زودرس مواد آب بند می شود. کاهش این انحراف شفت باعث افزایش طول عمر آب بند می شود که منجر به عمر بیشتر سیستم پمپ می شود.
دومین حالت خرابی رایج برای پمپ های گریز از مرکز - آسیب لغزش در یاتاقان ها - ناشی از بارگذاری ناکافی بر روی یکی از یاتاقان های مکان یابی است. از آنجایی که نیروی محوری پمپ معمولاً فقط در یک جهت عمل می کند، تنها یکی از یاتاقان های مکان یابی بیشتر بار را می گیرد در حالی که یاتاقان دیگر برای تحمل هر بار شعاعی اضافی و لحظه واژگونی استفاده می شود. بسته به شرایط عملیاتی، این ممکن است منجر به تخلیه یک یاتاقان شود که به موجب آن عناصر نورد تمایل دارند به جای چرخش در جهت مورد نظر در مسیر مسابقه، از محور خود بچرخند. ACBB ها و DRACBB ها به ویژه در شرایط بارگذاری کم در برابر این مکانیسم آسیب پذیر هستند. علاوه بر این، نیروی گریز از مرکز وارد شده به توپ ها در حالی که خارج از منطقه بار هستند، می تواند تغییر زاویه تماسی را که بلبرینگ تجربه می کند، تشدید کند. این چرخش اضافی منجر به پدیده‌ای به نام لغزش می‌شود که می‌تواند توسط مسیرهای لغزش در مسیر مسابقه و عناصر غلتشی تشخیص داده شود. کاهش فاصله یا حتی بارگذاری اولیه یاتاقان های مکان یابی می تواند به جلوگیری از این حالت خرابی کمک کند.
لغزش همچنین می تواند منجر به شکستگی قفس، سومین حالت خرابی رایج برای پمپ های گریز از مرکز شود. در یک یاتاقان با بار کم، منطقه بار بخش کوچکتری از مسیر مسابقه را تشکیل می دهد. این امر می تواند باعث شود که عناصر غلتشی در محفظه قفس یاتاقان با ورود به منطقه تخلیه نشده در محفظه های قفس سرعت خود را کاهش دهند یا ترمز کنند و پس از ورود مجدد به منطقه بار و شروع چرخش مجدد به حالت عادی شتاب بگیرند. اگر این شتاب‌ها و کاهش‌ها شدید یا به اندازه کافی مکرر باشند، قفس می‌تواند در نتیجه تنش‌های بیش از حد معمول، دچار خستگی و در نهایت شکستگی در جیب شود.
تصویر 2: انحراف آب بند در تنظیمات مختلف فاصله محوری یاتاقان (نشان داده شده در BEP)
تحلیل و بررسی
برای بررسی این حالت‌های خرابی، یک سازنده یاتاقان یک پمپ ارائه‌شده توسط کاربر را انتخاب کرد و جابجایی در مهر و موم، نسبت چرخش به چرخش توپ‌ها و همچنین شتاب قفس را در بهترین نقطه بازده (BEP) کنترل کرد. برای شبیه‌سازی شرایط عملیاتی عادی، همه موارد بار با 1780 چرخش در دقیقه (rpm) با اختلاف دمای 10 درجه سانتیگراد (50 فارنهایت) بین حلقه داخلی و خارجی اجرا شدند. سه جفت مختلف ACBB های سری 7313 در موقعیت مکانی تحت شرایط فوق الذکر با محدوده های مختلف فاصله شبیه سازی شدند. تمام جفت‌های آزمایش‌شده طراحی جهانی داشتند (برای استفاده به‌عنوان یک جفت در آرایش X یا O) و دارای کلاس‌های فاصله زیر بودند: UA (ترخیص محوری کوچک)، UB (کوچک‌تر از فاصله محوری UA) و UO (بدون فاصله) . فاصله در بلبرینگ سری 6313 جلو برای همه محاسبات روی ترخیص معمولی (CN) تنظیم شده است. بر اساس بار ارائه شده، یاتاقان سمت موتور در جفت مکان یابی، بار محوری را در سیستم پشتیبانی می کند، در حالی که یاتاقان سمت پروانه، هر بار شعاعی و بارهای لحظه واژگونی را پشتیبانی می کند.
با استفاده از این پارامترهای تست و سه جفت مختلف ACBB، جابجایی شفت در محل آب بندی اولین شرطی بود که مورد بررسی قرار گرفت. این انحرافات را می توان در تصویر 2 مشاهده کرد. در 0% BEP، جفت ACBBهای پاکسازی UA منجر به بزرگترین جابجایی شفت شدند. در همین حال، یاتاقانهای UB کلیرنس 13 میکرومتر (µm) کمتر از نسخه‌های UA-clearance منحرف شدند، در حالی که جفت یاتاقانهای UO-learance 27 میکرومتر کمتر از جفت UA در محل مهر و موم منحرف شدند. نتایج مشابهی در 25% BEP مشاهده شد: جفت پاکسازی UB 11 میکرومتر کمتر از جفت UA منحرف شد، در حالی که جفت پاکسازی UO 24 میکرومتر کمتر از جفت UA در محل مهر و موم منحرف شد.
اگرچه نتایج مشابهی در 50% BEP دیده شد، باید توجه داشت که انحراف کلی شفت با افزایش BEP کاهش می‌یابد. جفت ACBBهای پاکسازی UB 2 میکرومتر کمتر از جفت UA منحرف شدند، در حالی که یاتاقانهای پاکسازی UO 4 میکرومتر کمتر از جفت UA در محل مهر و موم منحرف شدند. در 75% و 100% BEP، جفت UA کمتر از هر دو یاتاقان UB و UO منحرف شد. در 75% BEP، یاتاقانهای UB-learance 1 µm بیشتر از یاتاقانهای UA-learance منحرف شدند، در حالی که جفت UO 2 میکرومتر بیشتر از جفت UA در محل مهر و موم منحرف شدند.
به طور مشابه، یاتاقان های UB-learance 2μm بیشتر از جفت UA در 100% BEP منحرف شدند، در حالی که یاتاقان های UO-learance 3μm بیشتر از جفت UA در محل مهر و موم منحرف شدند.
تنها تفاوت‌های حاشیه‌ای در انحراف در محدوده BEP بهینه‌تر وجود دارد، اما در BEP پایین‌تر یک مزیت با توجه به به حداقل رساندن سایش آب‌بند به دلیل انحراف کمتر شفت وجود دارد.
تصویر 3: نسبت رول به چرخش به عنوان تابعی از فاصله محوری یاتاقان
پس از تجزیه و تحلیل انحراف شفت، نسبت چرخش به چرخش شرط بعدی بود که مورد بررسی قرار گرفت. نسبت چرخش به چرخش بیشتر از 0.5 با احتمال بالاتر آسیب لغزش در یاتاقان ها مرتبط است، اگرچه این ممکن است به روانکاری در سیستم بستگی داشته باشد. برای این بخش از تجزیه و تحلیل، یاتاقان ها در مکان های سمت موتور و پروانه نظارت شدند و خروجی کامل نتایج را می توان در تصویر 3 مشاهده کرد.
با توجه به جفت بلبرینگ UA-clearance، نسبت رول به چرخش برای تمام موارد BEP در یاتاقان سمت پروانه بیشتر از 1.1 است. این نشان می دهد که لغزش محتمل است. در حالی که یاتاقان های سمت موتور با افزایش BEP بهتر ظاهر می شوند، لغزش هنوز هم زمانی که زیر 50% BEP کار می کند، محتمل است. در همین حال، یاتاقان طرف پروانه جفت UB نسبت چرخش به چرخش بیشتر از 0.9 را برای همه موارد BEP نشان داد - یک بار دیگر، نشان می دهد که لغزش محتمل است. لغزش همچنان در 0% BEP و 25% BEP در یاتاقان سمت موتور یک نگرانی است. شرایط لغزش در مرز 50٪ BEP است. در نهایت، یاتاقان سمت پروانه جفت بلبرینگ UO-clearance نسبت رول/ چرخش بیشتر از 0.6 را برای همه موارد BEP نشان داد. این نشان می دهد که لغزش ممکن است در 0٪ BEP و 25٪ BEP باشد. در BEP بالاتر، شرایط لغزش مرزی است.
تصویر 4: تفاوت سرعت قفس به عنوان تابعی از فاصله محوری یاتاقان
با توجه به سومین حالت شکست رایج برای پمپ های گریز از مرکز - خرابی قفس یاتاقان - تغییرات سرعت قفس یاتاقان ها نتایج مشابهی با شرایط چرخش / چرخش نشان داد. این با محاسبه سرعت مداری هر توپ در پاکت های قفس و سپس استفاده از واریانس بین مقادیر حداکثر و حداقل برای ایجاد تفاوت سرعت قفس که در تصویر 4 مشاهده می شود، تعیین شد.
از آنجایی که اختلاف سرعت بیشتر در قفس فشار بیشتری به جیب وارد می کند، این وضعیت ممکن است منجر به شکستگی شود. در تصویر 4، جفت بلبرینگ UA-clearance بیشترین اختلاف سرعت قفس را نشان می دهد. این پدیده به ویژه با کاهش BEP مشهود است. در حالی که جفت UB بهتر عمل می کند، کمترین تغییرات سرعت قفس با استفاده از یاتاقان های UO-clearance به دست می آید.
همانطور که بررسی قبلی در مورد سه حالت خرابی رایج برای پمپ های گریز از مرکز نشان داد، انتخاب فاصله محوری یاتاقان مناسب باید عمر یاتاقان ها و در نتیجه خود پمپ را بهبود بخشد.
استفاده از یک یاتاقان با فاصله کمتر، انحراف در آب بند را محدود می کند، که به نوبه خود می تواند به بهبود عمر آب بندی پمپ کمک کند - به خصوص زمانی که از محدوده بهینه BEP کار می کند. علاوه بر این، فاصله کاهش‌یافته میزان لغزش احتمالی در یاتاقان‌ها را به حداقل می‌رساند، به ویژه در یاتاقانهای بدون بار که عمدتاً برای بار لحظه‌ای و شعاعی استفاده می‌شود.
انتخاب فاصله مناسب همچنین می تواند تنش های موجود در قفس را به دلیل شتاب ها کاهش دهد که می تواند عمر بلبرینگ و سیستم کلی را افزایش دهد. با این حال، اگر حتی با کاهش بازه فاصله در یاتاقان ها همچنان آسیب دیده می شود، ممکن است لازم باشد برای کاهش بیشتر احتمال لغزش و تنش قفس، به یک یاتاقان از پیش بارگذاری شده بروید.