بلبرینگ و ارتعاش در توربوماشین ها

  .بلبرینگ ها نقش بسیار مهمی در صنعت تولید و خصوصا توربوماشین ها دارند

بلبرینگ یک عنصر ماشینی است که حرکت نسبی را به یک حرکت دلخواه تبدیل می کند .آنها باعث می شوند اصطکاک بین قطعات متحرک کاهش یابد . این عنصر ماشینی  و ارزشمند به یک قطعه اجازه می دهد تا قطعه دیگر را تحمل کند (یعنی پشتیبانی کند).
بیرینگ ها دستگاه های جداگانه ای هستند که در یک ماشین یا قطعه ماشین نصب می شوند. پیچیده ترین بلبرینگ ها برای سخت
ترین کاربردها اجزای بسیار دقیقی هستند. ساخت بعضی از  آنها نیازمند برخی از بالاترین استانداردهای فناوری فعلی است.استفاده
از بلبرینگ و رولبرینگ ها که به اصطلاح تخصصی تر تحت عنوان بیرینگ یاد می شوند به یک یا چند صنعت و کاربرد خاص محدود نمی شوند. به بیان دیگر در هر کاربرد و صنعتی حتی صنایعی که به منظور انتقال قدرت و نیرو نیاز به تجهیزات دوار یا همان توربوماشین ها باشد هم از این قطعه حساس و مهم استفاده می شود.

اگرچه قد بلبرینگ کوچک است ولی نقش مهمی در عملکرد بهینه ماشین‌های دوار دارد. این امر ضروری می‌سازد که هر فردی که با چنین دارایی‌هایی کار می‌کند، دانش اولیه از عملکرد و بهترین شیوه‌های نگهداری و استفاده از آن‌ها را داشته باشد. برای درک کامل اهمیت آن‌ها، ابتدا باید به اصول اولیه بلبرینگ ها برگردیم. در وهله اول آنها :
برای کاهش اصطکاک بین قطعات متحرک
برای کاهش تولید گرما
برای کاهش مصرف برق
برای تحمل بارهای سنگین تر در سرعت های بالاتر با دقت بیشتر و محدود کردن
حرکت نسبی فقط به حرکت مورد نیاز به کار می روند.امروزه بلبرینگ ها یکی از پرکاربردترین قطعات در صنعت و خیلی ابتدایی بخواهیم بگوئیم ماشین ها به حساب می آید . حرکت غلتشی آنها تقریباً همه حرکات را آسان می کند و به کاهش اصطکاک کمک می کند. این عضو مهم در ماشین ها وظیفه کلیدی دارد که در یک جمله خلاصه می شود آنها حرکت را انتقال می دهند. یعنی اجزایی را که نسبت به یکدیگر می چرخند پشتیبانی و هدایت می کنند.آنها اجازه می دهند محورهای چرخان چرخ ها، چرخ دنده ها، توربین ها و غیره که توربوماشین ها از آنها پشتیبانی می کند، راحت تر بچرخند.

این مهم است که بلبرینگ ها در توربوماشین ها قابل اعتماد و متناسب برای ماشین آلات مناسب باشد . هر کدام با دقت ساخته شده اند و تناسب آنها اغلب با تلورانس هایی است که کمتر از 0.001 است. قبل از استفاده از یک بلبرینگ در ماشین آلات، لازم است میزان بار آن را بدانید  چیزی که بر اساس تنش های بار و سرعتی است که تحت آن قرار می گیرد. برای نصب آنها باید از ابزارهای مناسب استفاده کرد و اطمینان از تمیز بودن، متحدالمرکز بودن و اندازه گیری دقیق پایه های بلبرینگ با میکرومتر ضروری است.خرابی آنها در یک ژنراتور توربین بزرگ در حال کار عواقب فاجعه باری دارد. برای مصونیت از خرابی عملکرد بلبرینگ باید تمام شرایط عملیاتی عادی و همچنین تا حد امکان شرایط اضطراری غیرعادی را که گهگاه ایجاد می‌شوند پوشش داد.

ابتدا بیایم توربوماشین ها یا ماشین آلات دوار را تعریف کنیم. آنها ماشینهای با یک جزء دوار هستند که انرژی را به سیال یا بالعکس
منتقل می‌کند . این باعث می شود ، در یک توربوماشین انتقال انرژی بین قطعات (سیال و روتور) از طریق تعامل دینامیکی وجود
داشته باش.این عمل در یک چرخ انجام می گیرد. چرخ از شماری پره تشکیل شده که به یک محور متصل شده اند. از آنجا که پره ها
تنها در محور مماسی جابه جا می شوند، کار به واسطه جابه جایی مولفهٔ مماسی نیروی وارد به چرخ انجام می گیرد. مولفهٔ شعاعی
نیروی وارد به چرخ، در امتداد شعاعی جابه جا نمی شود و در نتیجه نمی تواند کاری انجام دهد. به طور کلی، اگر انتقال انرژی از روتور
به سیال باشد، یا پمپ یا فن است و اگر از طریق سیال به روتور باشد، ماشین را توربین می نامند. البته می شود گفت این نوع ماشین آلات یا محرک هستند مانند الکترومتور ، توربین گاز،  توربین بخار یا متحرک هستند مانند کمپرسور، دمنده ،پمپ ، هواکش و فن و غیره . این نوع ماشین آلات انواع مختلفی را در برمی گیرد که شامل کمپرسورهای گاز، توربین ها، پمپ ها، فن ها، بلوور و جعبه دنده ها و …. می باشد.البته این نمونه های که مثال زده شد محدود به این موارد نمی شود .

اولین توربوماشین ها را می توان به عنوان چرخ های آبی شناسایی کرد که بین قرن های یکم و سوم قبل از میلاد در منطقه مدیترانه ظاهر شدند. آنها در سراسر دوره قرون وسطی مورد استفاده قرار گرفتند و اولین انقلاب صنعتی را آغاز کردند. هنگامی که نیروی بخار مورد استفاده قرار گرفت، به عنوان اولین منبع نیرویی که توسط احتراق سوخت به جای منابع انرژی طبیعی تجدید پذیر هدایت می شد، شناخته شد.آنها به عنوان موتورهای رفت و برگشتی بودند. توربین‌های اولیه و طرح‌های مفهومی برای آنها، به‌طور متناوب ظاهر می‌شدند، اما دما و فشار مورد نیاز برای یک توربین عملا کارآمد از فناوری ساخت آن زمان فراتر رفت. اولین پتنت توربین های گازی در سال 1791 توسط جان باربر ثبت شد. توربین های آب هیدروالکتریک عملی و توربین های بخار تا سال 1880 ظاهر نشدند.
توربین های گاز در دهه 1930 ظاهر شدند.

توربین نوع ضربه ای توسط کارل گوستاف د لاوال در سال 1883 ایجاد شد. این اولین توربین نوع واکنش عملی در سال 1884 که توسط چارلز پارسونز ساخته شد. اولین طرح پارسونز یک واحد جریان محوری چند مرحله‌ای بود که جورج وستینگهاوس آن را خریداری کرد و در سال 1895 شروع به ساخت آن کرد، در حالی که جنرال الکتریک طرح‌های دی لاوال را در سال 1897 به دست آورد. امروزه، توربین‌های بخار تقریباً 90 درصد نیروی الکتریکی تولید شده در ایالات متحده را تشکیل می‌دهند. به طور کلی، انواع توربوماشین هایی که در عمل با آن مواجه می شوند، توربوماشین های باز و بسته هستند. ماشین‌های باز مانند پروانه‌ها، آسیاب‌های بادی و فن‌های بدون پوشش روی حجم بی‌نهایتی از سیال عمل می‌کنند، در حالی که ماشین‌های بسته روی مقدار محدودی از سیال هنگام عبور از محفظه کار می‌کنند.
توربوماشین ها نیز بر اساس نوع جریان دسته بندی می شوند. هنگامی که جریان موازی با محور چرخش باشد، به آنها ماشین جریان محور می گویند و هنگامی که جریان عمود بر محور چرخش باشد، به آنها ماشین های جریان شعاعی (یا گریز از مرکز) می گویند. دسته سومی نیز وجود دارد، به نام ماشین‌های جریان مختلط، که در آن اجزای سرعت جریان شعاعی و محوری وجود دارند.
توربوماشین‌ها را می‌توان به دو دسته دیگر طبقه‌بندی کرد: آنهایی که انرژی را برای افزایش فشار سیال جذب می‌کنند، یعنی پمپ‌ها، فن‌ها و کمپرسورها، و آنهایی که انرژی تولید می‌کنند مانند توربین‌ها با گسترش جریان به فشارهای پایین‌تر. کاربردهایی که شامل پمپ ها، فن ها، کمپرسورها و توربین ها می شوند، مورد توجه خاص هستند. این اجزا تقریباً در تمام سیستم‌های تجهیزات مکانیکی مانند چرخه‌های قدرت ضروری هستند.

به طور خلاصه، یک توربوماشین یک ماشین تولید نیرو است که از عمل دینامیکی یک عنصر چرخان، روتور استفاده می کند. عمل روتور سطح انرژی سیال دائماً در حال جریان را از طریق دستگاه تغییر می دهد. توربین‌ها، کمپرسورها و فن‌ها همگی اعضای این خانواده از ماشین‌ها هستند. اکثر توربوماشین‌ها با سرعت‌های نسبتاً بالاتر کار می‌کنند. بدون هیچ مشکل مکانیکی و بازده حجمی نزدیک به صد درصد.بد نیست بدانیم توربوماشین ها خیلی به ما نزدیک تر هستند . اگر کمی ملموس تر بخاهیم این ماشین ها را مثال بزنیم می شود گفت که ما در زندگی روزمره هم با توربوماشین ها مواجه هستیم . در واقع ما حداقل روزی یک بار از یک توربوماشین استفاده می کنیم. وقتی موهای خود را با سشوار خشک می کنیم، از یک توربوماشین استفاده می کنیم. یک سشوار هوای دمای اتاق را روی کویل های داغ نیکروم (آلیاژ نیکل، کروم و اغلب آهن) می دمد و تبخیر آب را سرعت می بخشد.
جزء مهم سشوار آن است که هوا را دمیده است (با نام مستعار فن).
این قطعه یک توربوماشین است. یکی دیگر از ماشین های خانگی پرکاربرد لباسشویی است.
ماشین های لباسشویی باید آب کثیف مصرف شده را تخلیه کرده و آب تمیز و تازه را جایگزین آن کنند. برای انجام این کار یکی از اجزای مهم ماشین لباسشویی پمپی است که برای حذف آب کثیف و تامین آب تمیز استفاده می شود. این پمپ یک توربوماشین است.
اگر صاحب خودرو هستید، می‌دانید که حفظ دمای خودرو چقدر مهم است . پمپ آب (پمپ هیدرودینامیکی) برای عملکرد ماشین شما ضروری است. پمپ تضمین می‌کند که مایع خنک‌کننده در داخل موتور، شیلنگ‌ها و رادیاتور به گردش در می‌آید و دمای بهینه را حفظ می‌کند. مثال روزمره دیگر، هود آشپزخانه است. پنکه‌های داخل هود آشپزخانه که دود را به داخل می‌کشند و آنها را از طریق کانال‌ها به بیرون یا از طریق فیلترها (که بو را از بین می‌برند) فشار می‌دهند و آنها را به بیرون هدایت می کنند. اینها نمونه های مشهودی از توربوماشین‌ های می باشد که در کنار ما قرار دارند. علاوه بر ماشین لباسشویی، ماشین ظرفشویی یا هود آشپزخانه و حتی وقتی یک پنکه رومیزی یا پنکه سقفی را روشن می‌کنیم، از توربوماشین‌ها استفاده می‌کنیم.

اما نکته مهمی که در این ماشین محترم که واژه جذابی را برای خود ساخته وجود دارد ، بحث ارتعاش است که باید مورد توجه قرار
گیرد. ارتعاش یک پدیده ذاتی است که تمایل دارد عملکرد مورد نیاز را تحت تأثیر قرار دهد ؛ البته لازم است بدانیم که این ارتعاش ها
حدود استانداردی دارد.

اگر بخواهیم ارتعاش را تعریف کنیم به نوعی از حرکت سامانه های دینامیکی اطلاق می شود که به صورت نوسانی صورت پذیرفته
و حرکت در یک پریود زمانی تکرار شود. به عبارت ساده تر ارتعاش ، نوسان مکانیکی نسبت به یک موقعیت مرجع است،که مقدار
آن بیانگر پارامتری از حرکت یک سامانه ی مکانیکی است.

به طور کلی دو نوع نیروی استاتیکی و دینامیکی در ماشین آلات وجود دارد . ارتعاش نتیجه ی نیرو های دینامیکی ماشین هایی است
که قطعات متحرک دارند . در خصوص بحث ارتعاش در بعضی از توربوماشین ها ، بلبرینگ ها باید به کارکرد خوب کمک کنند، به ویژه در صورت رهایی از مشکل لرزش. بلبرینگ ها نباید بیشتر از باز کردن کل دستگاه برای مقاصد دیگر نیاز به بازرسی داشته باشند . بلبرینگ ها باید فقط در فواصل طولانی برای یک برنامه زمان بندی شده نیاز به تجدید و تعویض داشته باشند.

با توجه به دستیابی به قابلیت اطمینان و عملکرد خوب، بلبرینگ ها باید دارای ویژگی های مثل ارزان بودن،آسان در جمع آوری و جداسازی، کم تلفات و تقاضای متوسط روغن روان کننده باشند.به طور کلی اغلب در ماشین آلات صنعتی صدا و ارتعاش به راحتی مورد توجه قرار می گیرند . به هر حال در ماشین های سنگین توربین های بادی تولید کننده ی برق ، ژنراتور ها، کمپرسورها، فن ها، توربین های گازی و پمپ ها عیب های اولیه مشهود نیستند . سرعت شفت ، نسبت جرم بدنه ی بلبرینگ به قطر شفت، نوع بلبرینگ ، سیستم آزمایشگاهی و غیره، همگی بر زمان بروز عیب مؤثر  می باشند. در میان پارامترهای مختلفی که بر ارتعاش تأثیر می‌گذارند ، انتخاب بیرینگ مناسب مهم‌ترین جزء است . از نتایج تجربی، مشخص شد که رولبرینگ بیشترین دامنه ارتعاش را در بین هر سه بلبرینگ می دهد در حالی که بلبرینگ در شرایط کاری مشابه کمترین دامنه ارتعاش را می دهد.بلبرینگ ها از اجزای دوار مانند شفت در سیستم های مکانیکی پشتیبانی می کنند و بارهای محوری و شعاعی را از منبع به سازه ای که آن را پشتیبانی می کند منتقل می کند . انواع مختلفی از بلبرینگ ها وجود دارد، اما انتخاب بلبرینگ مناسب نقش مهمی در عملکرد توربوماشین ها دارد. زیرا عملکرد موثر و منسجم این ماشین ها به نوع بلبرینگ های انتخاب شده و عملکرد آنها تحت ارتعاش و همچنین سایر قطعات مرتبط مانند شفت، محفظه، مهره ها، جداکننده ها و غیره آن نیز بستگی دارد.

انتخاب بلبرینگ

با این مقدمه که کمی تفضیلی هم شد ما به سراغ مقاله ای رفتیم که به بحث ارتعاش در توربوماشین ها و اهمیت عملکرد بلبرینگ
ها می پردازد. در این مقاله سه مدل بیرینگ مختلف برای بررسی تاثیر آن بر ارتعاش در شرایط کاری در توربوماشین ها در نظر گرفته
شده . اولین مدل بلبرینگ است ،که از توپ هایی استفاده می کند که آن را از بقیه مدل بلبرینگ ها متمایز می کند . استفاده از این
مدل بلبرینگ برای کاهش اصطکاک دورانی و تحمل بارهای شعاعی و محوری است. دومین مدل رولبرینگ مخروطی می باشد، از مسیرهای رینگ مخروطی داخلی و خارجی همراه با غلتک های مخروطی تشکیل شده اند. هدف اصلی آنها قرار دادن بارهای ترکیبی است، به عنوان مثال در هر دو بار شعاعی و محوری به طور همزمان، ظرفیت حمل بار محوری را می توان با افزایش زاویه تماس افزایش داد. بلبرینگ‌های 3 تیکه کف گرد ، از بلبرینگ های ساچمه‌ای تشکیل شده‌اند که توسط یک حلقه پشتیبانی می‌شوند و می‌توانند در کاربردهای رانش کم، که بار محوری کمی وجود دارد، استفاده شوند. تنها هدف آنها تحمل بارهای محوری است اما نه بارهای شعاعی.

بلبرینگ3 تیکه کف گرد همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است قابل جدا شدن است، یعنی واشر شفت و محفظه، مجموعه توپ و قفس قابل تفکیک هستند.

بلبرینگ تپ تیز

عنوان	بلبرینگ	رولبرینگ	بلبرینگ کف گرد
پارت نامبر	6002 RS	30202	51202
قطر داخلی (میلی متر)	15	15	15
قطر خارجی (میلی متر)	32	35	32

پارامتر راه اندازی آزمایشی بلبرینگ

حال به قسمت مهم و اصلی همه حرفای که تا اینجا گفتیم می رسیم . اجرا کردن ؛ البته این مطلب در نمونه آزمایشگاهی بیان شده است .برای راه اندازی کردن و نشان دادن این موضوع نیاز به موتور DC، تکیه گاه صفحه، وزنه تعادل، شفت، بلبرینگ ها و کوپلینگ         می باشد. این تجهیزات از شفتی به طول 780 میلی متر و قطر 15 میلی متر تشکیل شده است. یک کوپلینگ انعطاف پذیر برای جفت کردن شفت و موتور استفاده می شود تا اثرات ارتعاش فرکانس بالا تولید شده توسط موتور 0.5 اسب بخار را به حداقل برساند. یک موتور القایی فاز PMDC (مگنت دائمی DC ) موتور 230Vis متصل به واحد کنترل سرعت متغیر برای دستیابی به سرعت های متغیر نیز نیاز است. موتور می تواند در محدوده سرعت 0-3000 RPM کار کند. دو بلبرینگ در محفظه نصب قرار می گیرند. یک بار استاتیک توسط یک دیسک آلومینیومی با قطر 100 میلی متر و جرم 0.583 کیلوگرم در مرکز شفت ساخته شده از فولاد ضد زنگ اعمال می شود. یک شتاب سنج به بالای محفظه بلبرینگ متصل شده است تا بزرگی ارتعاشات را اندازه گیری کند. پس از آن این شفت توسط واحد کنترل سرعت اجازه داده می شود تا به آرامی در محدوده سرعت مورد نظر بچرخد. پس از رسیدن سرعت شفت به سرعت مورد نظر، اجازه داده شد
تا مدتی با همان سرعت بچرخد تا دامنه ارتعاش تثبیت شود. پس از تثبیت ، سرعت آن یادداشت می شود. این روش برای محدوده های مختلف سرعت و همچنین بلبرینگ ها ادامه می یابد. اندازه ارتعاش با استفاده از یک ارتعاش سنج پیزوالکتریک اندازه گیری شد.جایی که پیکاپ ارتعاش سنج بر روی بستر آزمایش نزدیک به بلبرینگ نصب شده بود.

نتایج و بحث

در این مقاله سه بیرینگ مختلف (بلبرینگ ، رولبرینگ و بلبرینگ کف گرد) مورد بررسی قرار گرفته و مقادیر دامنه آنها جمع آوری شده است. هنگامی که سرعت به تدریج افزایش می یابد، جابجایی (دامنه ارتعاش) نیز افزایش می یابد، اما تغییر آن به نوع بلبرینگ مورد استفاده بستگی دارد.

سرعت(rpm)	بلبرینگ	رولبرینگ	کف گرد
500	0.001	0.006	0.0035
1000	0.002	0.0165	0.0105
1500	0.004	0.0365	0.0195
2000	0.005	0.0505	0.0395
2500	0.006	0.0935	0.0435
3000	0.007	0.0995	0.0475

همانطور که در جدول 2 ارائه شده است، دامنه ارتعاش برای یک بلبرینگ از 0.001 تا 0.007 میلی متر متغیر است. اما برای دو دیگر بلبرینگ دیگر این محدوده در حال افزایش است. با هدف جابجایی رولبرینگ محدوده از 0.006 تا 0.0995 میلی متر است. این افزایش جابجایی به دلیل ساختار مناسب آن (آرایش مخروطی) است. برای بلبرینگ های کف گرد این محدوده از 0.0035 تا 0.0475 میلی متر است که کمتر از رولبرینگ  است.نتیجه این آزمایش نشان می دهد که بلبرینگ ها بر روی ارتعاش در تجهیزات توربوماشین ها اثر می گذارند . در این کار برای شناسایی میزان ارتعاش ناشی از استفاده از انواع مختلف بلبرینگ ها ارائه شد. بلبرینگ های در نظر گرفته
شده در این کار عبارتند از رولبرینگ، بلبرینگ کف گرد و مواد شفت در نظر گرفته شده که از فولاد ملایم است. از این آزمایش به این
نتیجه رسیدیم که با افزایش سرعت در توربوماشین ها ، رولبرینگ به دلیل ساختار منحصر به فرد خود، بیشترین جابجایی را ایجاد می کند، در حالی که بلبرینگ در نتیجه تماس نقطه ای کمترین جابجایی را ارائه می دهد و بلبرینگ کف گرد برد متوسط را نشان می دهد.
بنابراین، برای کاهش شدت ارتعاش و دستیابی به عملکرد بهتر، ترجیحاً از بلبرینگ نسبت به بلبرینگ های کف گرد و رولبرینگ ها استفاده شود.

امیدواریم این مقاله توانسته باشد برای زمان ارزشمند شما ، مفید و مناسب باشد .