تاثیر تلرانس‌های هندسی روی عملکرد پمپ‌های سانتریفیوژ

مقدمه‌ای بر مهندسی کیفیت و قابلیت اطمینان

برای بهبود عملکرد اقتصادی، شرکت‌های تولیدکننده نیازمند کاهش سطح عدم تطابق و هزینه‌های خرابی به خاطر طراحی و تولید ضعیف می‌باشند. هزینه‌های خرابی بزرگ‌ترین سرفصل هزینه در اقتصاد تولید می‌باشد و شامل دوباره‌کاری، اسکرب قطعات، خدمات گارانتی، مرجوعی محصول و دعاوی مربوط به قابلیت اعتماد محصول می‌باشد. در نتیجه، هزینه‌های خرابی باعث کاهش سود شرکت می‌شود. شرکت‌هایی که تلاش می‌کنند هزینه‌های خرابی را کاهش دهند می‌توانند ایجاد مزیت رقابتی کنند.

اعمال تلرانس‌هاي نامناسب و واريانس كنترل‌نشده يكي از بزرگ‌ترين دلايل خرابي، اسكرب، دوباره‌كاري، مرجوعات كالا، افزايش دوره زماني توسعه محصول، گسيختگي جريان كار و احتياج به بازرسي مي‌باشد. معمولاً مشكلات ناشي از تلرانس‌هاي توليد در مرحله طراحي بسيار دير تشخيص داده مي‌شود. به طور ميانگين، تقريباً  70 درصد دوباره‌كاري‌هاي مهندسي توليد به خاطر مسائل كيفي مي‌باشد، كه باعث از بين رفتن رضايت مشتري و خواسته‌هاي آن مي‌شود. تقريباً  40 درصد دوباره‌كاري‌ها تا موقعي كه توليد محصول آغاز نشده باشد، تشخيص داده نمي‌شود.

یاتاقان‌های پمپ

وظيفه اصلي ياتاقان‌ها در پمپ‌هاي گريز از مركز آنست كه هنگاميكه اجزاء گردنده پمپ در معرض نيروهاي محوري و شعاعي قرار مي‌گيرند؛ حفظ موقعيت و همراستايي صحيح اجزاء ثابت پمپ با اجزاء گردنده را مهيا ‌نمايند .همچنين ياتاقان‌ها بايد به محور اجازه چرخش با حداقل اصطكاك برای به حداكثر رسانيدن بازده عملكردي پمپ را بدهند. علاوه بر اين ياتاقان‌ها بايد كليه نيروهاي محوري و شعاعي كه در حين عملكردهاي متفاوت محور به آن‌ وارد مي‌شود را جذب نمايند. در پمپ‌هاي گريز از مركز افقي كه مكش پمپ در انتهاي آن قرار گرفته  (End suction)است ، هر دو ياتاقان آن در يك طرف پروانه قرار گرفته و پروانه در این پمپ‌ها بصورت معلق(overhung)  قرار می‌گیرد. بيشتر پمپ‌هاي چند مرحله‌اي (Multistage pumps)  داراي يك ياتاقان در هر انتهاي محور بوده و پروانه‌هاي آن‌ها در بين این یاتاقان‌ها قرار مي‌گيرند (اصطلاحا به این پمپ‌ها between bearing گفته می‌شود).

انتخاب یک انطباق مناسب بین رینگ داخلی بلبرینگ با محور و رینگ خارجی بلبرینگ با پایه یاتاقان علاوه بر اینکه به شرایط عملکردی بستگی دارد به عواملی مثل جنس محور و پایه یاتاقان، ضخامت دیواره، دقت سطح تمام شده و شرایط ماشینکاری (مثل سرعت چرخش و دما) نیز وابسته است. در ادامه انطباقات توصیه شده برای بلبرینگ‌ها در پمپ‌های سانتریفیوژ در مراجع مختلف ارائه می‌شود.

انواع انطباقات

روشن است که گوناگونی توليدات صنعتی درجه‌های مختلفی از انطباق را طلب می‌کند. شکل 1 انواع انطباقات را برای محور و سوراخ نشان می‌دهد. از نظر کلی سه مرحله برای انطباق وجود دارد:

انطباق بازی‌دار(clearance):

انطباق بازی‌دار يا آزاد، زمانی پيش می‌آيد که دو قطعه منطبق شونده، نسبت به هم دارای لقی باشند.

انطباق روان(transition):

انطباق عبوری يا روان يا انتقالی، حالتی است که دو قطعه ضمن نداشتن لقی در يکديگر قابل حرکت و لغزيدن با نيروی کم هستند.

انطباق فشاری(interference):

اگر اندازه فعلی ميله از اندازه فعلی سوراخ زيادتر باشد، برای انجام انطباق نياز به نيروی فشاری با درجات مختلف هست.

آيا تقسيم انطباق به سه درجه کافی است؟ پاسخ منفی است. بنابراين هر يک از موارد بايد خود دارای مرحله‌هايی باشند. شکل 2 تمام درجات انطباق را برای محور و پایه یاتاقان نشان می‌دهد.‌ آن چه به پایه مربوط است با حرف بزرگ و آنچه به محور مربوط است با حرف کوچک معرفی می‌شود.

انطباقات توصیه شده

SKF bearing maintenance handbook

زمان مشخص کردن انطباق برای بلبرینگ، اولین چیز در نظر گرفتن شرایط چرخش است. جدول 1، شرایط مختلف چرخش را نشان می‌دهد.

جدول 1: شرایط مختلف چرخش

با توجه به جدول فوق زمانی که رینگ داخلی چرخشی و رینگ خارجی ثابت است و یا بار چرخشی روی رینگ داخلی و بار ثابت روی رینگ خارجی اعمال می‌شود، انطباق پیشنهاد شده برای رینگ داخلی interference و برای رینگ خارجی loose می‌باشد.

تلرانس‌ها برای قطر داخلی و خارجی بلبرینگ‌ها به صورت بین المللی استاندارد شده است. برای بدست آوردن یک انطباق مناسب، فقط تعداد محدودی از کلاس‌های تلرانس ایزو برای محور و پایه یاتاقان لازم است در نظر گرفته شود. شکل 3 کلاس‌های تلرانسی رایج برای محور و پایه یاتاقان را نشان می‌دهد.

جدول 2، انطباقات برای محورهای فولادی را نشان می‌دهد. تلرانس‌های مربوط به محور برای پمپ j5، k5، k6 و m6 می‌باشد.

جدول 2: انطباقات برای محور

جدول 3، انطباقات برای پایه یاتاقان یک‌پارچه را نشان می‌دهد. تلرانس‌های مربوطه K7 و J7 می‌باشد که نسبت به تلرانس M6 تلرانس‌های آزادتری هستند. برای مثال برای قطر پایه یاتاقان 80 میلیمتر داریم:

The SKF pump bearing

تلرانس k5 برای نشیمن بلبرینگ‌های SKF روی محور پیشنهاد شده است. این تلرانس یک انطباق پرسی بین رینگ داخلی بلبرینگ و محور می‌باشد. انطباق پرسی برای بلبرینگ‌ها ضروری است. همچنین یک انطباق آزادتر h5 یا j5 برای بلبرینگ‌هایی که روی محورهای ساخته شده از فولاد ضد زنگ قرار می‌گیرند و بلبرینگ‌هایی که اختلاف دمای بالایی بین رینگ داخلی و خارجی آن‌ها وجود دارد، در نظر گرفته شده است.

تلرانس H6 برای پایه یاتاقان پیشنهاد شده است. H6 یک لقی بسیار کم بین رینگ خارجی بلبرینگ و پایه یاتاقان ایجاد می‌کند که عملیات مونتاژ را ساده می‌نماید و همچنین یک لقی شعاعی هم برای بلبرینگ زمانی که در اثر افزایش دما منبسط شد ایجاد می‌کند.

Bearings in Centrifugal Pumps – Part I (SKF)

در حالت کلی، درجه حرارت عملیاتی مجاز یاتاقان توسط قابلیت روغنکاری در برآورده کردن ویسکوزیته مناسب محدود می‌شود. در بعضی از مواقع، در همان ابتدای عملیات، یاتاقان نمی‌تواند به دمای پایدار و مناسب دست پیدا کند که این امر به دلیل لقی نامناسب و یا شروع بسیار سریع پمپ اتفاق میافتد. این شرایط یک عدم تعادل دمایی را ایجاد می‌کند که منجر به پیش بارگذاری ناخواسته در یاتاقان می‌شود. این حالت زمانی که پایه یاتاقان به دلیل شرایط محیطی بسیار سرد است، امری رایج است. بهترین راهکار در این حالت، کنترل لقی (فاصله میان یاتاقان با محور و پایه) و شروع آهسته پمپ می‌باشد تا امکان تعادل دمایی ایجاد شود. تلرانس استاندارد پیشنهادی برای یاتاقان‌ها در پمپ‌های سانتریفیوژ در جدول 4 مشخص می‌شود.

جدول 4: انطباقات برای محور

تلرانس پیشنهاد شده برای پایه یاتاقان برای همه انواع یاتاقان‌ها H6 می‌باشد. این تلرانس منجر به یک فاصله کوچک بین پایه و بلبرینگ می‌شود که علاوه بر اینکه مونتاژ را راحت‌تر می‌کند، یک فاصله شعاعی نیز برای انبساط بلبرینگ زمانی که دما افزایش می‌یابد نیز ایجاد می‌کند. ریسک چرخش رینگ بیرونی بلبرینگ با این تلرانس پایین است. تلرانس H7 برای یاتاقان‌های سایز بزرگ‌تر پیشنهاد می‌شود. تلرانس گشادتر G6 برای یاتاقان‌های با قطر بزرگ‌تر از 250 میلیمتر پیشنهاد می‌شود اگر اختلاف دمایی بیشتر از 10 درجه بین رینگ خارجی و پایه یاتاقان وجود داشته باشد.

Bearing Fits NTN

در جدول 5 مشخص شده است که برای زمانی که رینگ داخلی می‌چرخد و رینگ خارجی ثابت است و یا بار چرخشی به رینگ داخلی و بار ثابت به رینگ خارجی اعمال می‌شود، بهتر است از انطباق سفت برای رینگ داخلی و انطباق شل برای رینگ خارجی استفاده شود.

جدول 5: شرایط نیرو و چرخش روی رینگ داخلی و خارجی

جدول 6 تلرانس‌ها برای محور را نشان می‌دهد. طبق شکل مقدار تلرانس js6، k6 و k5 پیشنهاد شده است.

جدول 6: انطباقات برای محور

جدول 7 تلرانس H7 را برای زمانی که رینگ داخلی چرخش و رینگ خارجی ثابت است را در هر نوع باری پیشنهاد می‌کند.

جدول 7: انطباقات برای پایه یاتاقان

Rolling Bearing Competence for Fluid PumpsSchaeffler

شرایط بارگزاری روی یاتاقان در پمپ‌های سانتریفیوژ به صورت جدول 8 می‌باشد. زمانی که بار محیطی به رینگ داخلی و بار نقطه‌ای به رینگ خارجی وارد می‌شود، انطباق پرسی برای رینگ داخلی ضروری است و انطباق آزاد برای رینگ خارجی امکان‌پذیر می‌باشد.

جدول 8: شرایط چرخش

تلرانس برای پایه یاتاقان طبق جدول 9 به صورت آزاد می‌باشد.

جدول 9: انطباقات برای پایه یاتاقان

جدول 10 نیز تلرانس مربوط به محور را نشان می‌دهد.

جدول 10: انطباقات محور

Fits and internal clearance (NSK)

در اینجا هم گفته رینگ داخلی انطباق سفت و رینگ خارجی انطباق شل طبق جدول 11 داشته باشد.

جدول 11: شرایط نیرو و چرخش

انطباقات برای محور طبق جدول 12 می‌باشد.

جدول 12: انطباقات برای محور

انطباقات برای پایه یاتاقان به صورت جدول 13 می‌باشد.

جدول 13: انطباقات برای پایه یاتاقان

https://www.ezo-usa.com/info-fitting-bearings.php

یک یاتاقان زمانی می‌تواند حداکثر ظرفیت خود را داشته باشد که لقی مناسب بین محور و پایه یاتاقان برقرار شود. تلرانس بین یاتاقان و محور به صورت جدول 14 می‌باشد.

جدول 14: انطباقات برای محور

تلرانس بین یاتاقان و پایه به صورت جدول 15 می‌باشد.

جدول 15: انطباقات برای پایه

Bearing retention and clearances (SNR)

تحت بار شعاعی، یکی از رینگ‌های یاتاقان تمایل به چرخیدن دارد. برای جلوگیری از سایش نشیمنگاه، این فاصله نسبی باید توسط یک انطباق مناسب، از بین برود. طبق جدول 16، تلرانس پیشنهادی برای محور پمپ j6 و k6 و برای پایه یاتاقان پمپ H7 و J7 می‌باشد.

جدول 16: انطباقات پیشنهادی برای محور و پایه یاتاقان

پیشنهادات

• بررسی آزمایشگاهی تاثیر انطباقات بر روی عملکرد پمپ انجام شود. به این صورت که در پمپ 3/50 wkl به جای تلرانس M6 در پایه یاتاقان از تلرانس J7 یا H6 (مقداری لقی در پایه یاتاقان) استفاده شود و تاثیر آن بر روی گرمای ایجاد شده در پایه یاتاقان بررسی گردد.
• در صورت امکان با استفاده از نرم افزار انسیس، به بررسی تاثیرات انطباقات ذکر شده بر روی حرارت و ارتعاش ایجاد شده در پمپ پرداخته شود.