دانلود مقاله روان کاری هیدرواستاتیکی

در روان کاری هیدرودینامیکی ، سطح یاتاقان کاملاً توسط یک فیلم سیال از یکدیگر جدا می شوند.

با استفاده از عمل لغزندگی جدایی فیلم به دست آمد تا با مکانیزم تولید فشار گوه فیزیکی ، فشار داخل یاتاقان توسعه یابد.

چنین یاتاقانهایی علاوه بر داشتتن نیروی بازدارنده از حرکت، اصطکاکی پایین و نیز افت قدرت پایین ،از امتیاز بسیار خوب ساده بودن ،برخوردارند.لذا قابل اعتماد و ارزان بوده و نگهداری آنها راحت است ،یاتاقانهای کشویی روان کاری شونده به صورت هیدرودینامیکی خود عمل کننده هستند ،اگر چه که از معایب مهم و به خصوص زیر ، برخوردارند:
1-اگر سرعت طراحی پایین باشد ،ممکن است تولید فشار هیدرودینامیکی لازم ، مکان پذیر نباشد.

2- روان کاری فیلم سیال ممکن است در زمان شروع ،تغییر جهت داده و یا قطع شود
3- در یاتاقان ژورنال در نظر گرفته شده در فصلهای گذشته ، محور به طور هم مرکزی کار کرده و موقعیت یاتاقان با بار تغییر می کند؛ بنابر این دلالت بر شقی پایین دارد.

در یاتاقانهای روان کاری شونده هیدرواستاتیکی (همچنین «تحت فشار از خارج» نامیده می شود) ، سطوح یاتاقان توسط یک فیلم سیال نگه داشته شده توسط یک منبع فشار در خارج این یاتاقان جدا می شوند .

یاتاقانهای هیدرواستاتیکی معایب 1 و 2 را نداشته و تغییرات موقعیت یاتاقان با بار ذکر شده در معایب 3 را تقلیل می دهند .

مشخصه های یاتاقانهای روان کاری شونده به صورت هیدرواستاتیکی عبارتند از :
1- اصطکاک خیلی خیلی پایین .

2- ظرفیت حمل بار بسیار بالا در سرعتهای پایین.

3- دقت جایگذاری خیلی بالا در سرعت بالا و کاربرد بار سبک.

بنابر این یاتاقانهای روان کاری شونده هیدرواستاتیکی زمانی مورد استفاده قرار می گیرند ، که نیاز مبرمی به آنها باشد؛ مثل تلسکوپهای بزرگ و واحدهای جستجو کننده رادار ، که در آنها بار های خیلی خیلی سنگین و سرعتهای خیلی خیلی پایین استفاده می شوند ، یا در ماشین ابزارها و ژیروسکوپها ،که در آنها سرعتهای خیلی بالا ، بارهای سبک و روان کننده های گازی استفاده می شوند .

2-2 تشکیل فیلم سیال

در یک سیستم یاتاقان ساده بدون فشار قسمت چرخنده که تحت تأثیر بار است، روی کفشک یاتاقان قرار داده می شود .

ضمن افزایش فشار منبع فشار در تورفتگی کفشک نیز افزایش می یابد .

فشار قسمت تورفتگی تا نقطه ای افزایش می یابد که فشار روی قسمت چرخنده بر روی مساحتی برابر با مساحت تورفتگی کفشک به اندازه کافی برای بلند کردن بار باشد .

این ، به طو ر متداول (بالابری فشار ) p1 نامیده می شود .

درست بعد از این که قسمت چرخنده از کفشک یاتاقان جدا می شود ، فشار تورفتگی کمتر از مقدار لازم برای بلند کردن چرخنده یاتاقان است (pr


شکل 1-2 تشکیل فیلم سیال در یاتاقان هیدرواستاتیک.(الف)پمپ خاموش
(ب)فشار در حال افزایش،(ج)فشار ضرب در مساحت تو رفتگی برابر با
بار عمودی اعمال شده،(د)یاتاقان در حال عمل،(ه) بار افزوده شده،(و)بار
کاهش داده شده


3-2 بررسی جریان روغن از میان دو صفحه موازی




F3
f3
h f2 f1




x
فرضها: شکل 2-2
1- سیال نیوتنی و غیر قابل تراکم است.

2- جریان آرام و یکنواخت است .

نیروهای اینرسی ناچیز و نیروهای جسمی نیز کوچک هستند و در مقایسه با نیروهای فشار فرض شود هیچ لغزشی بین روان کار و سطوح مرزی وجود ندارد.

ویسکوزیته ثابت است.

جریان فقط در امتداد محور x است و نتیجتاً فشار p فقط تابع x و T تابع y است.

اگر عرض المان در امتداد b,z فرض گردد داریم: (1-2) (2-2) (3-2) برای سیال نیوتنی داریم: (4-2) شرایط مرزی : با فرض اینکه هیچ لغزشی بین روان کار و سطوح مرزی وجود نداشته باشد داریم: @ , @ , جا گذاری در معادله بالا : (5-2) هنگامی که فشار حداکثر است: و اگر Q حجم روان کار که در جهت x جریان دارد ، تعریف شود ، با استفاده از پهنای b در جهت z ، حجم روان کار را می توان به دست آورد: (6-2) اگر در شعاع r ، المانی با عرض dr و به طول 2πr در نظر بگیریم ، از فرمولی که قبلاً برای محاسبه حجم روان کار بین دو صفحه موازی به دست آمده استفاده کنیم، به جای dx مقدار dr و به جای b ، 2πr را قرار دهیم و برای فیلم روان شکل3-2-یاتاقان هیدرواستاتیکی کار مقدار ثابت h 0 در نظر بگیریم و سرعت سطح متحرک را صفر در نظر بگیریم ، (v=0) داریم: (7-2) و برای مقدار ثابت Q داریم: (8-2) شرایط مرزی: در سطح حوضچه تا سطح R0 فشار برابر فشار ورودی P0 فرض گردد.

(9-2) (10-2) 2-3-2 محاسبه ظرفیت تحمل بار: (11-2) بهینه سازی قطر حوضچه: 4-3-2 (12-2) 2) (13- (E1P) توان لازم برای پمپ کردن روان کار (قدرت پمپ) : 5-3-2 (14-2) اگر رابطه توان پمپ را برای h0 ،w ،A ، معین بررسی کنیم می توان حداقل قدرت پمپ را نسبت به قطر حوضچه به دست آوریم.

دیده می شود که قدرت پمپ وقتی حداقل است که ضریب kpq حداقل باشد .

اگر برای مقادیر مختلف تغییرات ضریب kpq را بررسی کنیم ، می توانیم نسبت حدی جهت حداقل کردن قدرت پمپ را مشخص کنیم .

شکل 4-2 وقتی نسبت برابر 0/5 است ، مقدار kpq حداقل می باشد .

برای حالت هندسی خاص مزبور، قدرت پمپ حداقل است .

6-3-2بهینه سازی ضخامت فیلم : نیروی اصطکاکی متعلق به المان سطح 2πrdr (15-2) u=rw گشتاوردر اصطکاکی کل ، عمدتاً به ناحیه خارج از سطح حوضچه می شود: (h=h0) (16-2) 4-3-2قدرت اصطکاکی : E 1f (17-2) کل توان لازم : با جمع کردن توان پمپ و توان اصطکاکی داریم: (18-2) اگر مشتق E 1t را نسبت به h0 برابر صفر قرار دهیم h0=0/004167 in ، به دست می آید.

لازم به ذکر است که عملاً ضخامت فیلم در حدود 0/006 in نگه داشته می شود .

در این صورت ازدیاد دما در فیلم کمتر است.

5-3-2 ازدیاد دمای روغن برای تخمین بالا رفتن دمای روغن فرض میکنیم کل توان اصطکاکی به گرما تبدیل می شود: (19-2) 6-2 تنظیم کننده های جریان در یک سیستم روانکاری اکثراً چندین یاتاقان از یک پمپ تغذیه می کنند .

همچنین حوضچه های متعدد روغن اکثراً از یک پمپ تغذیه می کنند ، زیرا استفاده از پمپ مستقل برای هر یاتاقان و یا هر حوضچه مستلزم هزینه زیادی می باشد .

البته در این صورت لازم است نسبت به توزیع روغن تدابیر فنی لازم به عمل آید تا به هر قسمت به اندازه کافی روغن برسد .

برای این منظور محدود کننده جریان در انشعابات فرعی نصب می شود که ساده ترین نوع آنها شامل عبور و یا پاشش از سوراخ و یا از یک لوله کم قطر ظریف (کاپیلاری) می باشد .

در این دو نوع محدود کننده افت فشار با مقداردبی متناسب است .

وقتی بار یاتاقان افزایش پیدا کند ضخامت فیلم کاهش می یابد و در نتیجه مقدار دبی پایین می آید و این افت فشار کمتری را در تنظیم کننده به دنبال خواهد داشت .

در نتیجه فشار فیلم در یاتاقان بالا خواهد رفت (فشار انشعاب اصلی p s یعنی فشار ورودی تنظیم کننده ثابت می باشد ) این عمل نقش یک تنظیم کننده را در جبران فشار نشان می دهد.

هر گاه به فرض جریان روغن در یاتاقان متوقف باشد ، فشار فیلم با فشار p s برابر خواهد بود ، زیرا که در تنظیم کننده افت فشار نداریم .

پس در این حالت فرضی هم فشار روغن در حوضچه وضع خوبی خواهد داشت .برای سیستم نشان داده شده در شکل (4-2) یک پمپ برای چندین یاتاقان فعالیت می کند .

شیر اطمینان B فشار ثابت ps تأمین می کند .

وقتی فشار پمپ بیش از اندازه بالا باشد ، بدیهی است که مقدازی از روغن خروجی پمپ به منبع برمی گردد که با QR نشان داده شده است .

در بیشتر اوقات QR صفر است .

همان طور که قبلاً گفته شد محدود کننده های جریان برای توزیع سهم هر یاتاقان به کار می رود و اگر فقط یک یاتاقان داشته باشیم دیگر این وسیله لازم نخواهد بود .

در این حالت معمولاً از شیر کنترل جریان استفاده می شود .

یکی از امتیازات محدودکننده جریان از نوع سوراخ و یا کاپیلاری است که ذرات معلق روغن آزادانه از آن عبور می کنند و گرفتگی پیش نمی آید ، در صورتی که در مورد شیر کنترل جریان وضع چنین نیست .

این وسیله به ذرات معلق روغن حساسیت داشته و در صورت استفاده از آن وجود یک فیلتر مناسب ضروری است .

شکل 4-2-سیستم یاتاقان هیدرواستاتیکی با خوضچه متعدد روغن شکل 5-2-محدود کننده جریان از نوع کاپیلاری قابل تنظیم یک نوع محدود کننده کاپیلاری قابل تنظیم در شکل (5-2) ملاحظه می شود .

در این وسیله از پیچ با رزوه مستطیلی استفاده شده است و فضای ایجاد شده بین استوانه و پیچ یک کاپیلاری مارپیچی ایجاد می کند .

با پیچاندن این پیچ طول کاپیلاری تغییر می کند .

از این وسیله می توان در مواردی که با یک پمپ به چندین محل روغن فرستاده می شود استفاده کرد .

7-2 مشخصات سفتی فیلم هیدرواستاتیکی منظور از مشخصات سفتی یعنی نحوه تغییرات ضخامت فیلم نسبت به بار کلی وارده .

محاسبات را روی یاتاقان پاشنه ای برای شرایط مختلف انجام می دهیم ابتدا حالت ساده ای شامل یک حوضچه گرد را بررسی می کنیم .

بین روابط (10-2) و (9-2) مربوط به این حالت وقتی ln(R/R0) حذف گرددخواهیم داشت: (20-2) در حالت دبی ثابت رابطه فوق را به صورت زیر می نویسیم (حالت دبی ثابت با استفاده از پمپ جابجایی مثبت و یا شیر کنترل جریان قابل دستیابی است ) : (21-2) در این رابطه C ترکیب کمیتهای ثابت است .

حال از W نسبت به h0 مشتق گرفته و برای ضریب سفتی k1 خواهیم داشت : (22-2) علامت منفی حاکی است که با ازدیاد W ضخامت h0 کاهش پیدا می کند .

با استفاده از رابطه (3-19) در حالت دبی ثابت هر گاه بار W دو برابر گردد ضخامت فیلم طبق رابطه زیر تغییر می کند : (23-2) یعنی اگر بار کلی وارده دو برابر گردد ، تنها %21 از ضخامت فیلم کاسته می شود .

با استفاده از رابطه های قبل می توان نوشت : بر اساس رابطه بالا اگر در صورت امکان بتوان سیستم کنترل خاصی طرح کرد که با ازدیاد بار دبی هم متناسباً بالا برود .

در این صورت h0 ثابت می ماند یعنی ضریب سفتی فیلم بی نهایت می شود .

الف- محدود کننده از نوع کاپیلاری با استفاده از رابطه (9-2) برای دبی روغن یاتاقان داریم : (24-2) برای جریان روغن از یک کاپیلاری به طول lc و شعاع مقطع Rc خواهیم داشت : (25-2) واضح است که : (26-2) در حالی که داریم: پس با توجه به روابط قبل: (27-2) چون بر طبق اصل پیوستگی QB=QC است ، نتیجه زیر حاصل می شود : (28-2) در این رابطه PS فشار ورودی محدودکننده و P0 فشار خروجی آن است.

حال رابطه (3-4) را در مورد ظرفیت تحمل بار یاتاقان مجدداً تحت بررسی قرار می دهیم (29-2) واضح است که : (30-2) با حذف P0 خواهیم داشت : (31-2) حال اگراز W نسبت به h0 مشتق بگیریم ، ضریب سفتی فیلم روغن حاصل می شود : (32-2) علامت منفی حاکی است که با ازدیاد بار w ، ضخامت h0 کاهش پیدا می کند و لزومی به حفظ علامت منفی نیست .

حال با جایگزینیهای مناسب از روابط قبلی خواهیم داشت: (33-2) در حالیکه رابطه اخیر را می توان به صورت زیر نوشت: (34-2) ضریب سفتی k2 به ازاء حداکثر است .

برای اثبات موضوع از k2 نسبت به k مشتق گرفته ،برابر صفر قرار دهید .

بنابر این در شرایطی که p0 نصف ps باشد ، سفتی فیلم روغن حداکثر است .

در رابطه (33-2) به ازاء و نیز با استفاده از رابطه (29-2) خواهیم داشت: (35-2) پس وقتی از محدودکننده کاپیلاری استفاده شود ضریب سفتی نصف حالت قبلی (دبی ثابت ) خواهد بود.

باید توجه داشت که این نتیجه گیری برای یک ضخامت فیلم h0 معین صادق است .

ب- محدود کننده از نوع سوراخ برای جریان از یک سوراخ با لبه تیز داریم : (36-2) در این جا Q0 دبی ، d0 قطر سوراخ ،ρ جرم مخصوص سیال و CD ضریب تخلیه است ، و مثل حالت قبل برای جریان یاتاقان از رابطه (24-2) استفاده می کنیم .

پیوستگی جریان ایجاب می کند که : QB=Q0 و یا : 37-2) ( با معرفی ضریب k0 به صورت : (38-2) معادله (37-2) به صورت زیر نوشته می شود : (39-2) w=p0A با توجه به بحث قبلی داریم: با استفاده از این رابطه و با حذف P0 از رابطه (37-2) خواهیم داشت : (40-2) ریشه قابل قبول معادله فوق برای w بر حسب h0 به صورت زیر است : (41-2) برای به دست آوردن ضریب سفتی k3 فیلم از w نسبت به h0 مشتق می گیریم و بهتر است محاسبات را به صورت زیر ادامه دهیم : (42-2) وقتی از رابطه (37-2) استفاده شود خواهیم داشت : (43-2) رابطه (43-2) با استفاده از w=p0A بر حسب PS (PS معمولاً ثابت در نظر گرفته می شود) به صورت زیر نوشته می شود: (44-2) وقتی به ازاء مقادیر مختلف k مقدار k3 را مورد بررسی قرار دهیم ، ملاحظه خواهدشد که با ازدیاد k مقدار k3 هم بالا می رود .به عبارت دیگر هر قدر افت فشار در محدودکننده از نوع سوراخ کمتر باشد ، سفتی فیلم روغن بالاتر خواهد رفت .

وقتی به فرض ، باشد .

داخل پرانتز رابطه (44-2) مساوی 0/555 است .

در مقایسه با حالت مشابه در محدودکننده از نوع کاپیلاری ، ضریب سفتی فیلم در این نوع محدودکننده بالاتر است.

8-2 ضرایب کفشک .

بدون در نظر گریری شکل یا اندازه ظرفیت حمل بار یک کفشک یاتاقان را میتوان به شکل کلی تری بیان کرد : (45-2) که در آن = ضریب بارکفشک یاتاقان بدون بعد = کل تصویر مساحت کفشک ، بر حسب مقدار جریان روان کننده در عرض یک کفشک و از میان لقی یاتاقان ، می شود : (46-2) که در آن ضریب بدون بعد جریان کفشک یاتاقان است .

قدرت پمپاژ لازم برای کفشک هیدرواستاتیکی را می توان توسط حاصل ضرب تورفتگی و جریان به دست آورد .

فرض کنید که سرعت زاویه ای صفر است به ترتیب که افت لزجت به خاطر افت توان صفر است : (47-2) که در آن ضریب بعد قدرت کفشک یاتاقان است .

بنابراین طراح یاتاقان هیدرواستاتیکی در ابتدا سه ضریب بدون بعد یاتاقان () را مورد بررسی قرار می دهد .

مقادیر هر دو ضریب از این ضرایب برای تعیین سومی کافی است .

ضرایب یاتاقان ، کمیتهای بدون بعدی هستند که مشخصه های عملکرد بار ، جریان و قدرت را به پارامترهای فیزیکی مربوط می کنند .

ضرایب یاتاقان برای چندین نوع کفشک یاتاقان در نظر گرفته خواهد شد .

1-8-2 کفشک یاتاقان پله ای مدور با دوباره نویسی معادلات (10-2) ، (11-2) ، و (14-2) بر حسب معادلات (45-2) تا (47-2) ، به ترتیب داریم : (48-2) (49-2) (50-2) مساحت تصویر شده کلی کفشک ، عبارت است از : در شکل6-2 سه ضریب کفکشک یاتاقان برای نسبتهای مختلف شعاع تورفتگی به شعاع یاتاقان برای یک یاتاقان کف گرد پله مدور نشان داده می شود .

ضریب بار کفشک یاتاقان از صفر برای تورفتگیهای خیلی کوچک تا واحد برای یاتاقانهای دارای تورفتگیهای بزرگ نسبت به ابعاد کفشک تغییر می کند .

در واقع اندازه گیری راندمان یاتاقان در استفاده از فشار تورفتگی برای حمایت از باز اعمالی است .

ضریب جریان کفشک یاتاقان از مقدار واحد برای تورفتگی های نسبتاً کوچک تا مقداری نزدیک به بی نهایت برای یاتاقانهای با تورفتگیهای خیلی بزرگ ، تغییر می کند .

به طور فیزیکی ضمن بزرگ شدت تورفتگی نسبت به یاتاقان ، مقاومت هیدرولیکی به جریان سیال کاهش می یابد و لذا جریان افزایش پیدا می کند .

همچنین از شکل (6-2) ، ضریب قدرت برای تورفتگیهای خیلی خیلی کوچک به سمت بی نهایت میل می کند و ضمن افزایش تورفتگی به یک مقدار کمینه کاهش می یابد ، و سپس برای تورفتگیهای خیلی بزرگ دوباره به سمت بی نهایت میل می کند .

برای یک یاتاقان کف گرد پله ای مدور ، مقدار کمینه در اتفاق می افتد .

شکل 6-2-جدول برای تعیین ضرایب کفشک یاتاقان کفگرد پله ای مدور 2-8-2 یاتاقان کف گرد حلقه ای شکل (7-2) یک یاتاقان کف گرد حلقه ای با چهارشعاع مختلف برای تعریف تورفتگی و کفی را نشان می دهد .در این یاتاقان ، روان کننده از تورفتگی حلقه ای روی کفیهای داخلی و خارجی جریان پیدا می کند .یک تجزیه و تحلیل مشابه با قسمتهای قبل برای یک یاتاقان کف گرد پله مدور ، عبارات زیر را برای ضرایب کفشک به دست می دهد : (51-2) (52-2) (53-2) برای این نوع یاتاقان مساحت تصویر شده کفشک عبارت است از : شکل 7-2 شکل 8-2 ضرایب کفشک برای یک یاتاقان کفشک کف گرد حلقه ای برای را نشان می دهد .

این نتایج مستقیماً توسط محاسبه معادلات (51-2) تا (53-2) به دست مس آیند .

برای این شکل فرض می شود که تورفتگی حلقه ای به صورت مرکزی در داخل عرض یاتاقان واقع می شود .

بنابراین دلالت بر این دارد که است .

توجه کنید که منحنی برای ضریب بار برای تمام نسبتهای است .

توجه کنید که منحنی برای ضریب بار برای تمتم نسبتهای به کارگرفته می شود .

شکل 8-2-جدول برای تعیین ضراییب کفشک برای یاتاقان کفشکی کف گرد حلقه ای 3-8-2 قطاعهای مستطیلی اگر افت فشار در عرض کفی قطاع مستطیلی خطی باشد ، ضرایب کفشک را می توان محاسبه کرد .

شکل 9-2 یک قطاع مستطیلی همراه با توزیع فشار خطی را نشان می دهد .

ضرایب کفشک برای قطاع مستطیلی عبارتند از : (54-2) (55-2) (56-2) مساحتهای یاتاقان ، تورفتگی و کفی عبارتند از : معادله (55-2) یک نرخ جریان پاینده و بارهای بزرگتر از آنچه که عملاً تجربه می کند را تولید می کند .

معادله (54-2) بارهایی تولید می کند که کمی کوچکتر هستند .

با فرض این که چهار گوشه نقشی ندارند : (57-2) (58-2) شکل 9-2-کفشک هیدرواستاتیکی مستطیلی