خنک كاری و روانكاری چرخ دنده های مارپیچ

خنک كاری و روانكاری چرخ دنده های مارپیچی سرعت بالا

مقدمه

چرخ دنده های مارپیچی برای كاهش سرعت كمپرسورهای سانتریفیوژی و توربین ها برای رسیدن به سرعت های تعریف شده در موتور و ژنراتور استفاده می شوند. روانكاری و خنک كاری مناسب برای انجام موفقیت آمیز عملکرد در این گونه از چرخ دنده ها مهم هستند. هنگامی که چرخ دنده ها با یکدیگر درگیر می شوند، لغزش و چرخش سطوح دندانه ها برخلاف بکدیگر هستند. این درگیری چرخ دنده ها باعث افزایش تماس و ایجاد تنش های برشی می شود. روغن برای روانكاری دندانه های چرخ دنده های درگیر مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین جهت، جلوگیری از ایجاد سایش خراش و خوردگی حفره ای در سطوح آنها كه به علت تماس فلز با فلز ایجاد می شود.

ویسكوزیته یا گرانروی روغن دراثر فشار، افزایش پیدا می كند. بنابراین روغن می تواند علیرغم وجود تنش زیاد باعث جدا شدن دندانه های درگیر گردد. روغن همچنین جهت خنک كاری دنده و جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای روغن و دنده استفاده می شود. این مقاله موضوعات گوناگونی در رابطه با روانكاری و خنک كاری مناسب و مورد نیاز برای چرخ دنده های مارپیچی سرعت بالا را ارائه می نماید. چرخ دنده های مارپیچی سرعت بالا به آن دسته ای از چرخ دنده ها اطلاق می شود كه سرعت های خطی گام آنها بیشتر از 120 متر بر ثانیه باشد. همچنین در بخش های بعدی در مورد Micropitting با هم مطالبی را مرور می کنیم.

تنش سطح دنده

محل تماس سطوح دنده های چرخ دنده به طور كامل صاف و هموار نیست. سطوح پر از نقاط خشن کوچک هستند، مانند علائم و نشانه های حاصل از ماشین کاری. این امر مربوط به سختی سطح است. اگر لایه یا فیلم روانكاری دارای ضخامت كافی باشد، سختی و زبری دنده ها بر روی دنده های دیگر تماس برقرار نمی كند. یا به اصطلاح تأثیری نمی گذارد.

براساس تئوری روانكاری الاستوهیدوردینامبک (EHL) در بکی از سه نوع درگیری چرخ دنده ها قرار می گیرد. در نوع 1 و 2، در سطح درگیری دنده ها مقداری تماس وجود دارد. بسیاری از چرخ دنده های سرعت بالا از نظر درگیری در دسته سوم قرار می گیرند. در این حالت، روانكاری الاستوهیدرودینامبک لایه روغن به طور کامل وجود دارد. زبری سطوح دندانه ها با یکدیگر تماس برقرار نمی کنند. تنش شامل خراش، سایش و فرسایش سطح (خوردگی ها ریز 1 و درشت 2 حفره ای) است. استاندارد E95-ANSI/AGMA1010در سال 1995 تعاریف و تصاویری را برای این نوع از خرابی ها تدوین و ارائه نموند.

خراشیدگی

خراشیدگی باعث خرابی سطح دندانه چرخ دنده به سبب جوش خوردگی می شود. همچنین موجب پارگی سطح چرخ دنده در هنگام درگیری كناره دنده ها می شود. این پدیده به خطوط خراشیدگی شعاعی معروف است. خراشیدگی هنگامی رخ می دهد كه ضخامت لایه روغن كمتر از زبری پینیون و چرخ دنده باشد. در این زمان تماس فلز با فلز اتفاق می افتد.

برطبق استاندارد AGMA 925 – A03(2003)، اساس فرایند خراشیدگی از گرمای زیاد حاصل از اصطكاک تولیده شده به وجو می آید. همچنین به وسیله ترکیب سرعت سایش و تنش تماسی بالا.. خراشیدگی در حالت معمول و طبیعی در مركز، شروع نخواهد شد، زیرا سرعت سایش در آنجا صفر است. بنابراین خراشیدگی به طوركلی در نیمه بالا یا پایین یا پایه دندانه های چرخ دنده به وجود می آید. دمای نقطه تماس معادل با دمای اشتعال به علاوه دمای دندانه قبل از درگیر شدن است.

همچنین بخوانید: انتخاب روانکار مناسب برای عملیات کششی عمیق

استاندارد AGMA

استانداردAGMA 925 – A03 در سال2003 تدوین شده است. شاخص دمای هشدار (FLASH) به صورت افزایش دمای سطح درونی دندانه های چرخ دنده در بک نقطه معین است. در نتیجه برخی از عملکردهای ناشی از ترکیب تأثیرات هندسی دندانه ها، مقدار بار وارده و نیروی اصطكاك محاسبه می شود. سرعت و خصوصیات مواد تشبکل دهنده چرخ دنده در طول عملیات، محاسبه می گردد. این گوناگونی می تواند باعث بالارفتن دمای دندانه های چرخ دنده در محل چرخ دنده های با سرعت های بالا شوند.

براساس استاندارد AGMA 925 – A03(2003) برای سرعت های بالاتر از 80 متر برثانیه در چرخ دنده ها مواردی مطرح است. از جمله کاهش تشکیل لایه روانکاری و پرتاب روغن از بین دندانه های در تماس با بکدیگر. همچنین کاهش حجم روغن در اثر مزاحمت هوا در سرعت بالا منابع مهم تولید حرارت بوده که می بایست مورد توجه قرار گیرند. عامل قابل توجه دیگر عبارت است از میزان تأثیر روغن پاشیده شده، در سرد کردن دندانه های دنده است. وقتی كه روغن بر روی دنده های در تماس با یکدیگر پاشیده می شود. پس می بایست سطوح داخلی دنده ها را در بک فاصله زمانی كوتاه قبل از بروز خرابی پوشش دهد. در سرعت های بالای چرخ دنده، دندانه ها ممكن است خیلی سریع تر از روغن حرکت نمایند. در این صورت تمام دندانه ها توسط روغن پوشیده نشده اند.

سایش

سایش به معنی برداشته شدن و یا جابه جایی فلز از سطوح دندانه های دنده است. خرابی حاصل از خراشیدگی یا خوردگی های حفره ای 1 به طور معمول سایش محسوب نمی شود. سایش موجب کاهش ضخامت دندانه ها شده، می تواند در دندانه های دنده تغییر ایجاد نماید. سایش می تواند نتیجه عملیات مكانیکی، شیمیایی یا الكتربکی باشد. برای طراحی چرخ دنده هایی که دارای طراحی مناسبی هستند و در شرایط روانکاری نوع سوم هستند، سایش می بایست بسیار كم بوده به طوری که پس از یکسال کارکرد و یا مدت زمان بیشتر قابل رویت باشند. این مقدار سایش کم، همچنین نشان می دهد كه روغن مورد مصرف خوب فیلتر شده است. همچنین نشان می دهد هیچ گونه ذرات سایشی ناشی از وجود ذرات سخت معلق در روغن وجود ندارد.

میکروپیتینگ

میکروپیتینگ بک نوع خستگی و فرسایش زیاد حاصل از تماس غلتشی است. در باربکه نواحی تماس رخ می دهد. این نوع فرسایش از ترکیب سرعت های لغزشی و غلتشی، بار، دما و فیلم روغن و نوع روانكار پدید می آید. براساس استاندارد AGMA 925 – A03 (2003) حفره های تشکیل شده به طورمعمول دارای 10 تا mμ 20 عمق، 25 تا 100 میکرومتر طول و 10 تا 20 میکرومتر پهنا هستند. به دلیل اندازه حفره ها است كه دیدن Micropitting بسیار سخت است.

اگر Micropitting به اندازه بسیار زیاد افزایش پیدا كنند، این حفره ها به هم پیوسته و سطح قطعه کدر می شود، همچنین ظاهری مات و بی جلا پیدا می کند. همچنین Micropitting می تواند به كاهش عملكرد دندانه های چرخ دنده نیز منجر شود. در این صورت بار وارده، صدا و لرزش بر روی دندانه های چرخ دنده افزایش پیدا می كند. همچنین این پدیده می تواند به Micropitting منجر شود كه در نهایت باعث شكستن دندانه ها می شود. اطلاعات پایه ای بسیار کمی در زمینه مکانیسم Micropitting وجود دارد. بکی از این تئوری ها بیان می كند كه Micropitting هنگامی آغاز می گردد كه ناحیه زبر سطح دندانه چرخ دنده مقدار قابل توجهی از بار را تحمل می نماید. این سطوح زبر در نهایت تغییر شكل پیدا كرده، تولید رسوبات موضعی حاصله از تنش های كششی می نمایند.

ایجاد ترک

بارگذاری مجدد به اندازه کافی زیاد بوده است که موجب ایجاد ترک (ناشی از فرسایش) شده است. به طوری که این امر به صورت حفره های ریز ظاهر می گردند. بنابراین زبری و خشن بودن سطح، بک فاكتور بزرگ در ایجاد Micropitting است. استاندارد AGMA 925 – A03 ، كه در سال2003  تدوین شده است. این استاندارد می گوید Micropitting در بعضی از مواقع حذف و برطرف می شود. این هنگامی است كه سطوح دندانه چرخ دنده ها به طور صحیح پرداخت و صیقلی می شوند. Micropitting می توانند در هر جایی در سطح دندانه های چرخ دنده رخ دهند.

Macropitting

Macropitting نیز نوعی خستگی و فرسایش سطح هستند. این حفره ها به طور معمول 5/ 0 تا 1 میلیمتر قطر دارند. بزرگی آنها به اندازه ای است كه با چشم غیرمسلح قابل رویت هستند. این نوع از حفره ها معمولاً زمانی تشکیل می شوند که سطوح زیر وجود داشته و تماس فلز با فلز به بین دندانه ها امکان پذیر می گردد. به هرجهت، در چرخ دنده های سرعت بالا، سطوح پرداخته شده معمولاً بسیار هموار بوده. این سطوح لایه روغن دارای ضخامت مناسب برای ممانعت از تماس فلز با فلز است. در این موارد، علت ایجاد فرسایش از نوع بالا به طور كلی وجود فضاهای توخالی موجود در مواد تشكیل دهنده قطعه و چرخ دنده هستند. این نقطه شروع تشکیل ترك بوده و تنش های برشی سطح باعث گسترده شدن شکاف می گردد.

به هرجهت، بر طبق تحقیقات انجام شده توسط كاردیس و وبستر، این نوع فرسایش به طوركلی در نواحی كه سرعت لغزشی بالا وجود دارد شروع می شود. ممكن است در پایین یا بالای دندانه ها به وقوع بپیوندد. در این صورت امکان تشکیل آن در مركز (مكان هندسی) چرخ دنده یعنی در جایی كه سرعت لغزش برابر صفر است وجود ندارد. روانكارها نقش كلیدی در امکان بروز Micropitting دارند. مطالعات كامل شده به وسیله این دو محقق نشان می دهد كه Micropitting بیشتر در چرخ دنده هایی كه روغن استفاده شده در آن دارای مواد افزودنی ضدسایش است، به وجود می آید. در این نوع روغن ها مقاومت در برابر تشکیل Micropitting با افزایش درجه حرارت در چرخ دنده ها کم می شود. در حالیکه در حضور برخی دیگر از مواد افزودنی مقاومت در برابر تشکیل Micropitting در دماهای بالاتر افزایش می یابد.

مشكلات حرارتی

از اهداف دیگر روغن روانكار، خنک كاری سطوح داخلی چرخ دنده است. تست های انجام شده توسط محققین نشان می دهد كه نوع مارپیچی سرعت بالا می توانند به علت انتشار غیربکنواخت حرارت در پهنای آن ها خمیده شوند. در بسیاری از نمونه ها، بخش های كناری پنیون و چرخ دنده ها می بایست به دلیل این تغییر شكل و خمیدگی اصلاح شوند. در سرعت های بسیار بالای دنده ها این مشكلات و مسائل می تواند با بالارفتن دمای مخلوط هوا و روغن محبوس شده، در نقاط تماس با آنها به وجود آید. وارنیشن و رسوبات کربنی می تواند بر روی سطوح چرخ دنده ها تشکیل شوند. این رسوبات موجب تشدید فرسایش شده و سبب ایجاد ازدیاد بار موضعی و خرابی در چرخ دنده ها می گردد.

نحوه پاشش روغن بر روی سطوح چرخ دنده

روغن به طور معمول به داخل سطوح دنده های درگیر با بکدیگر، توسط بک مخزن پاشش، تزریق می شود. مخزن پاشش در تمامی پهنای دنده، گسترده می شود. همچنین دارای نازل های كوچكی برای ایجاد قطرات ریز روغن بوده، روغن را به داخل دندانه های چرخ دنده پاشش می نماید. بر اساس تحقیقات بین تولیدكنندگان مختلف، توافق وجود ندارد. به این دلیل که روانكار می بایست به دندانه های چرخ دنده درگیر شده تزریق شود.همچنین به چرخ دنده ای كه از درگیری خارج شده باشد و یا هر دو. این امر بستگی به تجربه تولیدكننده ها دارد.

این مسئله بسیار مهم است كه دندانه های چرخ دنده با روغن جهت روانكاری مناسب آغشته شده اند. همچنین اینکه روغن کافی (که در داخل فضای دندانه ها به منظور خنک کاری مناسب است) نفوذ نماید. بسیاری از تولیدكنندگان، برای كاهش مزاحمت هوا در داخل چرخ دنده ها از سپر یا صفحه انعکاس مخصوص استفاده می نمایند. هوای داخل چرخ دنده ، به علت سرعت و چرخش بالای دنده ها، افزایش پیدا كرده و شتاب می گیرد. انرژی مورد استفاده برای ایجاد شتاب در هوای اطراف دنده اتلاف می گردد. با قراردادن صفحات آب بند در كنار چرخ دنده ها، مقدار هوای شتاب گرفته محدود می شود. همچنین اتلاف انرژی كاهش پیدا خواهدكرد.

آب بند

این صفحات آب بند می توانند به عنوان پوششی برای جلوگیری از خروج روغن فشرده شده به بیرون از یاتاقان که از برخورد با چرخ دنده به وجود آمده استفاده شود. همچنین وقتی این برخورد باعث شتاب می گردد. روغن فشرده شده و شتاب گرفته، خود عامل اتلاف بیشتر انرژی است. در نهایت، سایر تولیدکنندگان دنده، از بک آب بند (کفی) بدلی استفاده می كنند. این آب بند به طوركلی بک صفحه مشبك است كه بین دنده ها و کف جعبه دنده گنجانده شده است. برای کمک به تخلیه روغن برای جلوگیری از برگشت روغن از کف چرخ دنده و ورود مجدد به داخل سیستم و شتاب گیری آن استفاده می شود.

طراحی های ویژه دنده ها

محققان آزمایشات با سیستم های روانكاری و خنک كننده روغن مجزا از هم، جهت مشاهده تأثیر این طراحی بر روی دمای دنده (حاصل از خراشیدگی) را انجام دادند. بکی از نازل های تزریق، برای اسپری و پاشش روغن برای روانکاری چرخ دنده ای که درگیر بوده یا از درگیری خارج شده، به کار رفت. سایر نازل ها برای پاشش روغن به صفحات آنها برای خنک كاری استفاده گردید. دما، میزان اتلاف انرژی و اندازه گیری مقدار سایش، برای تعیین تنوع در طراحی نحوه پاشش، جریان های روغن و انشعابات سیال محاسبه شد. بر اساس آزمایشات انجام شده، تفکیک روانكار و روغن خنک كننده منجر به%60 كاهش جریان روغن شد. همچنین موجب كاهش دمای دندانه های چرخ دنده و همچنین افزایش کم در میزان كارایی سیستم گردید.

بک شركت تولیدكننده، چرخ دند های را اختراع نموده که در محیط خلأ کار کرده است. به معنی واقعی تأثیر هوا بر اتلاف روغن را حذف نموده است. در گزارش های ذکر شده در این اختراع مقدار اتلاف انرژی در چرخ دنده هارا تا میزان 50 % نسبت به سایر چرخ دنده های معمولی كاهش داده است. دو نوع جعبه دنده با قدرت 90MW با یکدیگر مقایسه شده اند. یکی از نوع چرخ دنده معمولی و دیگری تحت محیط خلأ. مقدار اتلاف انرژی محاسبه شده در نوع معمولی تحت بار كامل 1407 کیلو وات بوده است. درحالی كه اتلاف انرژی در نوع تحت خلأ 628 کیلو وات محاسبه و اندازه گیری شد.

نتیجه گیری

اختلاف در اتلاف انرژی 779 کیلو وات و یا حدود بک درصد از قدرت اسمی دنده است. بسیاری از شركت های دیگر، چرخ دنده های مارپیچی سرعت بالا با شیارهای محوری مخصوص تولید می کنند. این شیارها مسیری را برای خروج مخلوط هوای داغ و روغن قبل از افزایش بیش از حد دما ایجاد نموده. همچنین اجازه می دهد روغن خنک كننده تازه به دنده های درگیر در نقطه میانی آنها وارد شود. معمولاً این شیارها فقط بر روی چرخ دنده محرك یا برخی اوقات بر روی دنده محرک و پینیون اضافه می گردند. طراحی های دیگر ممكن است دارای تعداد بیشتری باشند.

برخی از آنها با سرعت بالا توسط سیستم پاشش با سرعت و فشار بالا تجهیز شده. نزدیک به محل درگیری دنده نصب می گردد. برای خنک كاری مناسب، روغن می بایست، تمامی سطوح دندانه ها را در برای فاصله زمانی کوتاه قبل از خروج و پرتاب از سیستم پوشش دهد. در سرعت های بالای گام در دنده ها روغنی با سرعت بالاتر نیاز است. چون مقدار مناسبی از روغن خنک کننده را قبل از چسبیدن به دندانه بعدی و یا پرتاب شدن به بیرون، به داخل فضای بین دندانه ها وارد نماید. به طوركلی مقدار روغن بیشتری برای خنک کاری نسبت به روانکاری، مورد نیاز است.

در پایان بخوانید

بنابراین در حالی که روغن كافی بر روی سطوح دندانه ها برای روانكاری وجود دارد ممكن است این مقدار برای خنک کاری کافی نباشد. منابع بسیار خوبی برای کمک به ارزیابی و سنجش طراحی های چرخ دنده های مارپیچی سرعت بالا موجود است. اگر چه مشکلات روانكاری و خنک کاری نادر هستند، اما ممکن است حل این مسائل بسیار مشكل باشد. وقتی كه ارزیابی چرخ دنده های مارپیچی سرعت بالا مورد نظر است، اطلاع از تجربیات تولیدكننده بسیار مهم است. خنک کاری و روانكاری موارد پیچیده ای هستند و پارامترهای زیادی می بایست در خصوص این دو در نظر گرفته شود.