مهندس برتر

آموزش نیاز های ((اصلی و فرعی)) مهندس مکانیک

مهندس برتر

آموزش نیاز های ((اصلی و فرعی)) مهندس مکانیک

یاتاقان های هوایی (air bearing)

- یاتاقان هوایی چیست؟

اساسا در یاتاقان های هوایی از یک لایه نازک فشرده شده هوا برای نگه داشتن یک بار موجود در یاتاقان استفاده می شود که در آن محور در جریانی از هوا شناور می شود.

این یاتاقان ها به پوسته سیالی(fluid film) نیز معروف می باشند، که در این یاتاقان ها تماس سطح به سطح زیر لایه ای از هوا می باشد. یعنی اینکه در یاتاقان های دیگر مثل رولربرینگ ها که اجزای غلتنده باعث حرکت یاتاقان می شود در این نمونه یاتاقان پوسته ای از هوا باعث سهولت در حرکت دو عضو می شوند.

از آن جاکه هوای فشرده شده در بین شکاف یاتاقان تولید فشاری درامتداد طولی یاتاقان می کند، این سیال قابلیت انتقال نیرو را دارد. نیرویی که یاتاقان می تواند تحمل کندبه صورت زیر است:

F = P(avg)* A

فشار واقعی منتشر شده در یاتاقان های مختلف بر طراحی و پارامترهای مختلف یاتاقان استوار است.برای یاتاقان های صاف و مستطیلی مقدار باری که قابل تحمل می باشد به راحتی محاسبه می گردد اما برای یاتاقان های ژورنال (خود روغن زن) وکروی مقدار بار قابل تحمل تخمین زده می شود.

F = 0.3 * P * A

« P : فشار تامین شده است ».

مزایای استفاده از یاتاقان های هوایی:

یاتاقانهای fluid film مزایای زیادی نسبت به یاتاقان های مکانیکی دارند زیرا اولا یاتاقان های هوایی تحت سایش ناشی از تماس سطح به سطح و حرارت تولید ناشی از اصطکاک قرار نمی گیرد. علاوه بر این، این نمونه از یاتاقان ها مقدار اصطکاک استاتیکی (استانه حرکت) و اصطکاک دینامیکی بسیار پایینی دارند. همچنین مقدار لایه هوای اطراف محور همیشه دارای مقدار ثابتی نمی باشد و مقدار میانگین آن از مقدار واقعی در اطراف محور مقدار جزئی خطا دارد که برای رفع این نقص از سیستم های کنترلی استفاده می شود.

در یاتاقان های هوایی پیشنهاد می شود که اجزای یاتاقان بسیار مستحکم باشند زیرا فشارلایه هوا را تحمل می کنند. اجزای مرکبی که با یکدیگر تماس خطی یا نقطه ای دارد باید در آن ها تنش هرتزمحدود شده باشد.

- مزایای استفاده از یاتاقان های هوایی:

1. نداشتن تماس سطح به سطح (سایش).

2. نداشتن اجزا غلتنده و روان کار .

3. پایین بودن اصطکاک ایستایی «در حد صفر».

4. پایین بودن اصطکاک حرکتی«در حد صفر».

5. استحکام بالا .

6. خود تنظیم مرکز.

دلایل استفاده از هوا در یاتاقانهای هوایی:

بسیاری از مردم با یاتاقان های روغنی اشنایی دارند برای مثال یاتاقان ژورنال «خود روغن زن» در موتور ماشین ها، اما عده زیادی هنوز با یاتاقان های هوایی اشنایی کافی ندارند. در این نمونه از یاتاقان ها از دو نمونه سیال که گازها و مایعات می باشد استفاده می شود. از این لحاظ برای دو نوع سیال ذاتا ویسکوزیته وجود دارد، که مایعات ویسکوزیته بیشتری نسبت به گازها دارند که این اختلاف بسیار مشهود است.

اولا ویسکوزیته پایین بدین معنی است که در یک فشار یکسان مقدار بار نیز پایین آمده (لایه های مایع در یاتاقان ها معمولا پنج بار بیشتر از یاتاقان های لایه گازی تحمل بار می کنند).

ثانیا پایین بودن ویسکوزیته در گازها باعث می شود که یاتاقان های گازی در موقع عمل کردن مقدار اصطکاک ایستایی و حرکتی بسیار پایینی نسبت به موقعی که لایه مایع در یاتاقان وجود دارد، داشته باشند. اصطکاک بیشتر ایجاد حرارت کرده و باعث خراب شدن یاتاقان می شود.

ثالثا مقدار شکاف لازم در یاتاقان های گازی برای حرکت محور درحدود mm 10 می باشد، با این تفاوت که در یاتاقان های شامل لایه مایع مقدار شکاف باید در حدودmm 100باشد.

به این منظور یاتاقان های هوایی دارای ظرفیت بار کمتری هستند و همچنین در تمام سرعت های ممکن مقدار اصطکاک نزدیک به صفر است . نکته قابل توجه دیگر تمیز بودن این گونه یاتاقان ها نسبت به یاتاقان های لایه مایع می باشد، که معمولا از روغن استفاده می کنند و دلیل دیگر آن که در این نوع یاتاقان ها از هوا به عنوان روانکار استفاده شده که مزیت آن قابل دسترس بودن هوا می باشد.

- مزیت های استفاده از هوا :

1. تمیز بودن هوا و دسترسی آسان به آن.

2. صفر بودن اصطکاک (نداشتن گرما در سرعت های بالا).

3. کوچک بودن شکاف gap

هیدرو استاتیک و هیدرو دینامیک:

اولین سوال در این جا این است که چگونه می توان مقدار فشار مورد نیاز برای سیال را در یاتاقان تولید کرد؟

یک فشار که فشار هیدرو استاتیکی می باشد بیشتر مربوط به شناور ماندن محور می باشد و فشار مورد نیاز برای آن فشار خارجی است.

فشار دیگر هیدرو دینامیکی می باشد که باعث حرکت اجزاء ماشین شده و فشار داخلی آن را تولید می کند.

معمولا فشارهای هیدرو دینامیکی برای یاتاقان های شامل لایه روغن کاربرد دارند که به راحتی فشار مرتبط با ویسکوزیته روغن تولید می شود. برعکس در یاتاقان های هوایی به علت پایین بودن ویسکوزیته مقدار فشار پایین می باشد.

دراین نمونه از یاتاقان ها ( یاتاقان های هوایی) فشار موجود هیدرو استاتیکی بوده، که بهتر است از آئروستاتیک به جای هیدروستاتیک استفاده شود که با استفاده از هوای فشرده یک لایه نازک هوا تولید می شود که این هوای فشرده بایستی تمیز، دارای فشار ثابت ومقدار کافی باشد. فشار مورد نیازباید از psi 20- psi 120 تغییرکند، که وابسته به استحکام و ظرفیت بار و همچنین مقدار هوای مورد نیاز می باشد.

چگونگی وارد شدن هوا به داخل یاتاقان:

بعد از وارد شدن محور به یاتاقان و بعد ازپیچیدن در گذرگاه ها در مرحله بعد مقدار فشار لازم برای وارد شدن هوا به شکاف نیازمی باشد، که به دو صورت انجام می شود :

1. ORIFICE

2.POROUS

برای روشorifice (سوراخ)، هوا از میان یک سوراخ جریان پیدا می کند (قطر حدود 0.015 اینچ) تا به سطح داخلی یاتاقان برسد.

از روشporous (متخلخل) دریاتاقان هایی استفاده می شود که دارای قسمت های متخلخل بوده، که معمولا جنس آن ها ازبرنزو فولاد می باشد. هوا به سطح داخلی یاتاقان از میان قسمت متخلخل نفوذ می کند.

مزیت های این روش قابل بحث است. برای orifice معمولا پروفیل فشار تولیدی نمی تواند مانند porous دقت کافی را داشته باشد. و راهی را که برای توسعه دادن فشارلازم به کارمی رود به نام تکنیک (pocket compensation) شناخته می شود. در orifice قطر صحیح سوراخ قابل تنظیم می باشد. در orifice یک شی بزرگ می تواند وارد هوای ورودی به یاتاقان شود در صورتی که برای porous شبکه متخلخل مانند یک فیلتر عمل کرده و هوای ورودی به یاتاقان نسبت به orifice دارای ناخالصی کمتری می باشد.

مقدار ماده مصرفی برای تولیدorifice بسیار کم بوده زیرا سوراخ مورد نظر توسط دریل به وجود می آید اما برای porous باید یک شبکه متخلخل وجود داشته باشد.

در بعضی یاتاقان های هوایی مانند «Nelson Air» از دو روش orifice و porous استفاده شده که از orifice برای جبران فشار استفاده می شود واز نوع نازل های دریل شده یا نازل از جنس الماس ساخته شده اند.porous استفاده شده نیز از نوع صفحه تخت (جنس الماس) یا بوش برنزی می باشد.

شکل و هندسه یاتاقان های هوایی:

شکاف های خیلی کوچک مورد نیاز برای یاتاقان های هوایی که از یک هندسه کاملا بدون عیب تولید شده بدین گونه می باشد.

در شکل بالا هیچ اختلافی در اندازه، مساحت و محیط که نتیجه آن بستن شکاف،از بین بردن بی اصطکاکی یاتاقان و باعث پایین آمدن دقت و ظرفیت بار می شود وجود ندارد. تلورانس معمول در یاتاقان مسطح مستطیلی 0.00075 اینچ بوده که انحراف آن 0.0001 می باشد.

علاوه بر این هندسه قسمت های مختلف یاتاقان مشخص می کند که انحراف حرکت نهایی یاتاقان برابر با میانگین لایه هوا در یاتاقان هوایی می باشد.

صحت دقت و قابلیت تکرار پذیری:

برای شروع این بحث بهتراین است که اصطلاحات صحت«accuracy» دقت«precision» و قابلیت تکرارپذیر بودن«repeatability» به طور مختصر تعریف کنیم:

صحت«accuracy»: برای اندازه گیری نزدیک بودن و پیروی کردن حرکت محور به پروفیل ایده آل.

دقت«precision»:برای چگونگی اندازه گیری حرکت های کوچک محور که می تواند در حال افزایش باشد.

قابلیت تکرارپذیر بودن«repeatability»: که برای چگونگی حرکت محور در درون یاتاقان بعد از چندین دور تکرار برای تعیین میزان انحراف .

یاتاقان های هوایی ازآن جا که دارای دقت بسیار بالایی بوده یکی ازبهترین یاتاقان ها در دنیا می باشند. تمام اجزا تولید شده این یاتاقان ها با دقت بسیار زیادی تولید می شوند، زیرا میانگین ضخامت لایه هوا بسیار تاثیر گذار می باشد.

پیش بارهای یاتاقان های هوایی:

تعدادی از یاتاقان های هوایی خود پیش بار می باشند مانند یاتاقان های مسطح و مستطیلی که با وجود پیش بار مزیت بهتری پیدا می کنند.

در یاتاقان های هوایی می توان از پیش بار استفاده کرد(مثل یک صفحه مسطح که سوار بر سطح گرانیتی می شود).

به هر حال برای بالا بردن کارایی یاتاقان های هوایی و کمک به باقی ماندن هوا در شکاف معمولا از پیش بارهایی با روش های زیر استفاده می شود:

1. پیش بارگذاری وزنه ای.

2. پیش بارگذاری با استفاده ازخلاء.

3. پیش بارگذاری مغناطیسی.

4. پیش بار مخالف در یاتاقان های هوایی.

پیش بارگذاری وزنه ای ساده ترین روش می باشد که در آن از مقدار وزنه ای که سنگین تر از مقادیر مورد انتظار در یاتاقان های هوایی است، استفاده می شود.اگر چه در این روش اشکالاتی در جرم اضافه شده وجود دارد اما از یک سیستمی که پیش از این دارای جرم اضافه و نیروی کمی بوده بهتر کار می کند. این پیش بار بر یاتاقان های هوایی به صورت عمودی عمل می کند.

دومین روش استفاده از پیش بار خلاء می باشد از خلاء برای ایجاد پیش بار در این گونه یاتاقان ها استفاده می شود(به جای استفاده از وزنه در پیش بارهای وزنه ای). فشار خلاء ایجاد شده باید در حدود psi14 باشد.

فشار معمول در یاتاقان های هوایی حتی هنگامی که سطوح یاتاقان و سطوح خلاء با هم مساوی باشند در حدود 80- 40 (psi) است،که تاثیر خالص آن در بالا آمدن محور در یاتاقان می باشد.

پیش بار خلاء بدون اضافه کردن جرم غیر ضروری سختی را افزایش داده و کمک در ثابت ماندن شکاف هوا در یاتاقان می کند. مشکل اصلی در این روش نیاز به یک یاتاقان با سطح زیاد است که بتواند فشار و خلاء را با هم جا دهد و نیازمند یک منبع خلاء نیز می باشد.

این روش به طور موفقیت آمیزی در کابردهای زیادی استفاده شده است مخصوصا برای سطوح تخت و سیستم های مسطح که هیچ روش پیش باری نمی تواند جایگزین این روش شود.

سومین روش، روش پیش بار گذاری مغناطیسی می باشد که جاذبه مغناطیسی بین آهنربا که روی قسمت متحرک قرار دارد و مواد مغناطیسی که روی قسمت ثابت یاتاقان قرار دارد به وجود می آید.

این شیوه برای یاتاقان های خطی می تواند اثرات باارزشی داشته باشد و همچنین تلورانس مورد نیاز برای اجزاء یاتاقان را کاهش می دهد(در مقایسه با سیستم های پیش باری در یاتاقان های هوایی). به هر حال بسیاری از یاتاقان ها از مواد غیر مغناطیسی ساخته شده اند که این یاتاقان ها نیازمند به اضافه شدن موادی مثل آهن هستند.

یکی از مشکلات دیگر این روش در سرعت های بالا ایجاد می شود. در سرعت های بالا آهنربا یک جریان عکس در آهن تولید کرده که با حرکت محور مخالفت می کند وباعث افزایش نیروی بازدارنده می شود.

به هرحال در بسیاری از کابردها، این روش یک روش موثر پیش بارگذاری در یاتاقان های هوایی می باشد.

آخرین روش، روش پیش بار مخالف در یاتاقان های هوایی می باشد. که در این روش از پیش بار مخالف استفاده می شود. این روش سختی یاتاقان ها و همچنین ظرفیت بار را تا نصف کاهش می دهد(دیگر پیش بارها نیز ظرفیت بار را کاهش می دهند) و بر تولید یاتاقان های با دقت زیاد و قابل اطمینان بسیار تاثیرگذارند.آن ها دارای دو یاتاقان های هوایی هستند که به صورت موازی کار می کنند. و بر ضخامت متوسط لایه هوا (در مرکز بودن محور) نیز بسیار تاثیرگذارند.

شرکت «Nelson air» در استانداردهای خود از این روش استفاده می کند. زیرا آن ها معتقدند که این روش بیشترین دقت و تنوع را دارد.به هر حال این روش نیازمند قطعات و سطوح، با دقت زیاد می باشد

شکل های متنوع یاتاقان های هوایی:

تا الان متوجه شدیم که چگونه یک یاتاقان های هوایی کار می کند ود این جا تعدادی از یاتاقان های هوایی معمول که برای درجات مختلف آزادی ساخته شده اند نشان داده شده اند