پمپ‌ها یکی از بزرگترین کاربران آب‌بندهای مکانیکی هستند. همانطور که از نامشان پیداست، آب‌بندهای مکانیکی از نوع تماسی هستند که با آب‌بندهای غیرتماسی آیرودینامیکی یا لابیرنتی متفاوتند.آب‌بندهای مکانیکیهمچنین به عنوان آب‌بند مکانیکی متعادل یاآب‌بند مکانیکی نامتعادلاین به درصدی از فشار فرآیند، در صورت وجود، اشاره دارد که می‌تواند به پشت سطح ثابت آب‌بند منتقل شود. اگر سطح آب‌بند به سطح چرخان فشار داده نشود (مانند آب‌بند نوع فشاری) یا سیال فرآیند با فشاری که باید آب‌بندی شود، اجازه ورود به پشت سطح آب‌بند را نداشته باشد، فشار فرآیند سطح آب‌بند را به عقب پرتاب کرده و باز می‌کند. طراح آب‌بند باید تمام شرایط عملیاتی را در نظر بگیرد تا آب‌بند را با نیروی بسته شدن لازم طراحی کند، اما نه آنقدر نیرو که بارگذاری واحد در سطح آب‌بند پویا باعث ایجاد گرما و سایش بیش از حد شود. این یک تعادل ظریف است که قابلیت اطمینان پمپ را افزایش یا کاهش می‌دهد.
آب‌بند دینامیکی با فعال کردن نیروی بازشونده به جای روش مرسوم، با ... مواجه می‌شود.
متعادل کردن نیروی بسته شدن، همانطور که در بالا توضیح داده شد. این امر نیروی بسته شدن لازم را از بین نمی‌برد، اما به طراح و کاربر پمپ یک دکمه دیگر می‌دهد تا با امکان برداشتن وزن یا بار از روی سطوح آب‌بندی، ضمن حفظ نیروی بسته شدن مورد نیاز، آن را بچرخاند و در نتیجه گرما و سایش را کاهش دهد و در عین حال شرایط عملیاتی ممکن را گسترش دهد.
درزگیرهای گاز خشک (DGS)که اغلب در کمپرسورها استفاده می‌شوند، نیروی بازکننده‌ای را در سطوح آب‌بند ایجاد می‌کنند. این نیرو توسط یک اصل یاتاقان آیرودینامیکی ایجاد می‌شود، که در آن شیارهای پمپاژ ظریف به هدایت گاز از سمت فرآیندی فشار بالای آب‌بند، به داخل شکاف و در سراسر سطح آب‌بند به عنوان یک یاتاقان لایه سیال غیر تماسی کمک می‌کنند.
نیروی باز شدن یاتاقان آیرودینامیکی یک سطح آب‌بندی گاز خشک. شیب خط نشان‌دهنده‌ی سختی در یک شکاف است. توجه داشته باشید که شکاف بر حسب میکرون است.
همین پدیده در یاتاقان‌های روغنی هیدرودینامیکی که از اکثر کمپرسورهای گریز از مرکز بزرگ و روتورهای پمپ پشتیبانی می‌کنند، رخ می‌دهد و در نمودارهای خروج از مرکز دینامیکی روتور که توسط Bently نشان داده شده است، دیده می‌شود. این اثر یک توقف پایدار ایجاد می‌کند و عنصر مهمی در موفقیت یاتاقان‌های روغنی هیدرودینامیکی و DGS است. آب‌بندهای مکانیکی شیارهای پمپاژ ظریفی را که ممکن است در سطح DGS آیرودینامیکی یافت شوند، ندارند. ممکن است راهی برای استفاده از اصول یاتاقان گازی تحت فشار خارجی برای کاهش نیروی بسته شدن ازصورت آب بند مکانیکیs.
نمودارهای کیفی پارامترهای یاتاقان لایه سیال در مقابل نسبت خروج از مرکزیت ژورنال. سختی، K، و میرایی، D، زمانی که ژورنال در مرکز یاتاقان قرار دارد، حداقل هستند. با نزدیک شدن ژورنال به سطح یاتاقان، سختی و میرایی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد.
یاتاقان‌های گازی آئرواستاتیک تحت فشار خارجی از یک منبع گاز تحت فشار استفاده می‌کنند، در حالی که یاتاقان‌های دینامیکی از حرکت نسبی بین سطوح برای ایجاد فشار شکاف استفاده می‌کنند. فناوری تحت فشار خارجی حداقل دو مزیت اساسی دارد. اول، گاز تحت فشار می‌تواند مستقیماً بین سطوح آب‌بند به صورت کنترل‌شده تزریق شود، نه اینکه گاز را با شیارهای پمپاژ کم‌عمق که نیاز به حرکت دارند، به داخل شکاف آب‌بند هدایت کند. این امر امکان جدا کردن سطوح آب‌بند را قبل از شروع چرخش فراهم می‌کند. حتی اگر سطوح به هم فشرده شده باشند، هنگام تزریق فشار مستقیم بین آنها، برای شروع و توقف بدون اصطکاک، باز می‌شوند. علاوه بر این، اگر آب‌بند داغ باشد، می‌توان با فشار خارجی فشار را به سطح آب‌بند افزایش داد. سپس شکاف به طور متناسب با فشار افزایش می‌یابد، اما گرمای حاصل از برش روی تابع مکعبی شکاف قرار می‌گیرد. این به اپراتور قابلیت جدیدی می‌دهد تا از تولید گرما جلوگیری کند.
مزیت دیگری که در کمپرسورها وجود دارد این است که برخلاف DGS، جریانی از سطح مقطع عبور نمی‌کند. در عوض، بیشترین فشار بین سطوح آب‌بندی است و فشار خارجی به داخل جو یا از یک طرف به داخل و از طرف دیگر به داخل کمپرسور جریان می‌یابد. این امر با دور نگه داشتن فرآیند از شکاف، قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد. در پمپ‌ها، این ممکن است مزیتی نباشد زیرا وارد کردن گاز قابل تراکم به داخل پمپ می‌تواند نامطلوب باشد. گازهای قابل تراکم در داخل پمپ‌ها می‌توانند باعث کاویتاسیون یا مشکلات چکش هوا شوند. با این حال، جالب خواهد بود که یک آب‌بندی بدون تماس یا بدون اصطکاک برای پمپ‌ها بدون مشکل جریان گاز به داخل فرآیند پمپ داشته باشیم. آیا می‌توان یک یاتاقان گازی تحت فشار خارجی با جریان صفر داشت؟
جبران خسارت
همه یاتاقان‌های تحت فشار خارجی نوعی جبران فشار دارند. جبران فشار نوعی محدودیت است که فشار را در حالت ذخیره نگه می‌دارد. رایج‌ترین شکل جبران فشار، استفاده از روزنه‌ها است، اما تکنیک‌های جبران فشار شیاری، پله‌ای و متخلخل نیز وجود دارد. جبران فشار باعث می‌شود یاتاقان‌ها یا سطوح آب‌بندی بدون تماس نزدیک به هم کار کنند، زیرا هرچه به هم نزدیک‌تر شوند، فشار گاز بین آنها بیشتر می‌شود و سطوح را از هم دور می‌کند.
به عنوان مثال، تحت یک یاتاقان گازی جبران شده با روزنه تخت (تصویر 3)، میانگین
فشار در شکاف برابر با کل بار روی یاتاقان تقسیم بر مساحت سطح آن خواهد بود، که این واحد بارگذاری است. اگر فشار گاز منبع ۶۰ پوند بر اینچ مربع (psi) باشد و سطح آن ۱۰ اینچ مربع مساحت داشته باشد و ۳۰۰ پوند بار وجود داشته باشد، به طور متوسط ۳۰ psi در شکاف یاتاقان وجود خواهد داشت. به طور معمول، شکاف حدود ۰.۰۰۰۳ اینچ خواهد بود و از آنجا که شکاف بسیار کوچک است، جریان فقط حدود ۰.۲ فوت مکعب استاندارد در دقیقه (scfm) خواهد بود. از آنجا که درست قبل از شکاف، یک محدودکننده روزنه وجود دارد که فشار را در حالت ذخیره نگه می‌دارد، اگر بار به ۴۰۰ پوند افزایش یابد، شکاف یاتاقان به حدود ۰.۰۰۰۲ اینچ کاهش می‌یابد و جریان از طریق شکاف را به میزان ۰.۱ scfm محدود می‌کند. این افزایش در محدودیت دوم، جریان کافی را به محدودکننده روزنه می‌دهد تا اجازه دهد فشار متوسط در شکاف به ۴۰ psi افزایش یابد و بار افزایش یافته را پشتیبانی کند.
این یک نمای برش خورده از کنار یک یاتاقان هوای روزنه‌دار معمولی است که در یک دستگاه اندازه‌گیری مختصات (CMM) یافت می‌شود. اگر قرار باشد یک سیستم پنوماتیکی به عنوان "یاتاقان جبرانی" در نظر گرفته شود، باید یک محدودیت در بالادست محدودیت فاصله یاتاقان داشته باشد.
جبران روزنه در مقابل جبران متخلخل
جبران روزنه پرکاربردترین شکل جبران است. یک روزنه معمولی ممکن است قطر سوراخی معادل ۰.۰۱۰ اینچ داشته باشد، اما از آنجایی که چند اینچ مربع مساحت را تغذیه می‌کند، چندین برابر مساحت بیشتر از خودش را تغذیه می‌کند، بنابراین سرعت گاز می‌تواند زیاد باشد. اغلب، روزنه‌ها دقیقاً از یاقوت یا یاقوت کبود بریده می‌شوند تا از فرسایش اندازه روزنه و در نتیجه تغییر در عملکرد یاتاقان جلوگیری شود. مسئله دیگر این است که در فواصل کمتر از ۰.۰۰۰۲ اینچ، ناحیه اطراف روزنه شروع به خفه کردن جریان به بقیه سطح می‌کند، در این نقطه فروپاشی لایه گاز رخ می‌دهد. همین اتفاق در هنگام بلند شدن نیز رخ می‌دهد، زیرا فقط ناحیه روزنه و هرگونه شیار برای شروع بلند شدن در دسترس هستند. این یکی از دلایل اصلی است که یاتاقان‌های تحت فشار خارجی در نقشه‌های آب‌بندی دیده نمی‌شوند.
این مورد در مورد یاتاقان متخلخل جبران‌شده صدق نمی‌کند، در عوض سختی همچنان افزایش می‌یابد.
با افزایش بار، افزایش می‌یابد و شکاف کاهش می‌یابد، درست مانند مورد DGS (تصویر 1) و
یاتاقان‌های روغنی هیدرودینامیکی. در مورد یاتاقان‌های متخلخل تحت فشار خارجی، یاتاقان در حالت نیروی متعادل قرار خواهد گرفت وقتی که فشار ورودی ضربدر مساحت برابر با کل بار روی یاتاقان شود. این یک مورد تریبولوژیکی جالب است زیرا نیروی بالابر یا شکاف هوایی صفر است. جریان صفر خواهد بود، اما نیروی هیدرواستاتیک فشار هوا در برابر سطح مقابل زیر سطح یاتاقان همچنان بار کل را کاهش می‌دهد و منجر به ضریب اصطکاک تقریباً صفر می‌شود - حتی اگر سطوح هنوز در تماس باشند.
برای مثال، اگر یک سطح آب‌بند گرافیتی مساحتی معادل ۱۰ اینچ مربع و ۱۰۰۰ پوند نیروی بسته شدن داشته باشد و گرافیت ضریب اصطکاک ۰.۱ داشته باشد، برای شروع حرکت به ۱۰۰ پوند نیرو نیاز دارد. اما با یک منبع فشار خارجی ۱۰۰ psi که از طریق گرافیت متخلخل به سطح آن وارد می‌شود، اساساً نیرویی برای شروع حرکت لازم نخواهد بود. این در حالی است که هنوز ۱۰۰۰ پوند نیروی بسته شدن وجود دارد که دو سطح را به هم می‌فشرد و سطوح در تماس فیزیکی هستند.
دسته‌ای از مواد یاتاقان ساده مانند: گرافیت، کربن‌ها و سرامیک‌هایی مانند آلومینا و کاربیدهای سیلیکون که برای صنایع توربو شناخته شده‌اند و به طور طبیعی متخلخل هستند، بنابراین می‌توانند به عنوان یاتاقان‌های تحت فشار خارجی که یاتاقان‌های فیلم سیال غیر تماسی هستند، استفاده شوند. یک عملکرد ترکیبی وجود دارد که در آن از فشار خارجی برای کاهش فشار تماس یا نیروی بسته شدن آب‌بند از تریبولوژی که در سطوح آب‌بند تماسی رخ می‌دهد، استفاده می‌شود. این به اپراتور پمپ اجازه می‌دهد تا چیزی را در خارج از پمپ تنظیم کند تا با کاربردهای مشکل‌ساز و عملیات با سرعت بالاتر در حین استفاده از آب‌بندهای مکانیکی مقابله کند.
این اصل همچنین در مورد جاروبک‌ها، کموتاتورها، تحریک‌کننده‌ها یا هر رسانای تماسی که ممکن است برای گرفتن داده‌ها یا جریان‌های الکتریکی به اشیاء چرخان یا خاموش کردن آنها استفاده شود، صدق می‌کند. با چرخش سریع‌تر روتورها و افزایش میزان تخلیه، نگه داشتن این دستگاه‌ها در تماس با شفت می‌تواند دشوار باشد و اغلب لازم است فشار فنری که آنها را در مقابل شفت نگه می‌دارد، افزایش یابد. متأسفانه، به ویژه در مورد عملکرد با سرعت بالا، این افزایش نیروی تماسی منجر به گرما و سایش بیشتر نیز می‌شود. همان اصل ترکیبی که در مورد سطوح آب‌بند مکانیکی که در بالا توضیح داده شد، اعمال می‌شود، در اینجا نیز قابل اعمال است، جایی که تماس فیزیکی برای رسانایی الکتریکی بین قطعات ثابت و چرخان مورد نیاز است. فشار خارجی را می‌توان مانند فشار یک سیلندر هیدرولیک برای کاهش اصطکاک در سطح مشترک دینامیکی استفاده کرد و در عین حال نیروی فنر یا نیروی بسته شدن مورد نیاز برای نگه داشتن سطح جاروبک یا آب‌بند با شفت چرخان را افزایش داد.
زمان ارسال: ۲۱ اکتبر ۲۰۲۳