چکیده: یاتاقانهای ژورنال از مهمترین اجزای تجهیزات دوار می­باشند که نقش راهنما و تحمل کننده بارهای مکانیکی را در اعضاء متحرک با حرکت دوار یا خطی ایفاء می­کنند. فیلم روغن ایجاد شده در این یاتاقانها، تماس فیزیکی بین شفت و یاتاقان را به تماس هیدرودینامیکی تبدیل می­نماید. از لحاظ شکل هندسی، این نوع یاتاقانها می­تواند به شکل ساده دونیمه­ای ثابت تا شکل­های پیچیده شامل پدهای نوسانی(Tilting pad)باشند. استفاده از یاتاقان­هاي ژورنال کفشک لولایی بعنوان یکی از تکنولوژي­هاي صنعتی جهت رفع مشکلات ناپایداري و رفع مشکلات ساخت ومونتاژ مانند ناهمراستایی شفت و یاتاقانها، خصوصاً درتوربوماشین­ها کاربردهاي فراوان یافته است. یاتاقانهای ژورنال کفشک لولایی با یک مقدار بارگذاری اولیه(پیش بارگذاری Preload) طراحی می شوند. پیش بار، عددی بدون بعد بوده که نسبت قطر داخلی پد، قطر بیرینگ و قطر شفت را بیان می­کند. پیش­بار، نه تنها يك پارامتر مهم در طراحی یاتاقانهای ژورنال کفشک لولایی بوده، بلكه به عنوان ابزاری برای افزایش پایداری، کارایی یاتاقان می­باشد. در این مقاله ابتدا به بررسی روشهای محاسبه پیش­بار و پارامترهای موثر برآن پرداخته شده است. سپس تاثیرآن برسختی و میرایی یاتاقانهای ژورنال، بررسی خواهد شد. همچنین تغييرات پارامترهای عدد سامرفیلد، لقي و يا تغييرات انحناي پد بر مقدار پیش­بار مورد بحث قرار گرفته است.

کلید واژه: یاتاقانهای ژورنال، تجهیزات دوار، فیلم روغن، پیش ­بارگذاری

    مقدمه

     تجهیزات دوار مانند کمپرسورها، توربین­ها، پمپها، الکتروموتورها و…، معمولاً با استفاده از یاتاقان­های هیدرودینامیکی به گردش در می­آیند. در یک دسته­بندی کلی یاتاقان­های ژورنال هیدرودینامیکی را می­توان به دو دسته بیرینگهای با موقعیت ثابت[1] و بیرینگ­های­ ژورنال با کفشک­های ­لولایی[2] تقسیم­بندی نمود. ژورنال بیرینگهای ­کفشک ­لولایی با یک مقدار پیش­بار اولیه طراحی می­شوند. پیش­بار، نسبت قطر داخلی پد، قطر بیرینگ، قطر شفت و لقی بیرینگ را بیان می­کند

 bearing preload=I-Rb-Rs/Rp-Rs

     معادله (1) نشان دهنده مقدار پیش­ بار، که عددی بدون بعد بوده می باشد. اگرچه این مقدار به بارگذاری اولیه مشهور است، ولی ارتباطی به بارگذاری استاتیکی و دینامیکی اولیه در مورد یاتاقانهای ژورنال کفشک لولایی نداشته و به عنوان ابزاری در طراحی این نوع یاتاقانها به منظور افزایش پایداری و راندمان شفت تجهیزات دوار مورد استفاده قرار می­گیرد.

نحوه تعیین مقدار پیش ­بار

     برای شروع انجام محاسبات، ابتدا یک یاتاقان ژورنال با 5 پد را در نظر گرفته و از این مدل به عنوان مبنایی برای بررسی مقدار پیش­ بار و انجام محاسبات مورد نظر استفاده خواهد شد. اختلاف شعاع دایره­ی بیرینگ و شعاع شفتمقدار لقی شعاعی را نشان می­دهد. مرکز شعاع داخلی تمامی پدها بر روی دایره فرضی به شعاع e_P[1] قرار دارد. مقدار e_P از اختلاف مقدار شعاع داخلی پد با مقدار لقی و شعاع شفت بدست می­ آید.

شکل 1. ژورنال بیرینگ کفشک لولایی با 5 پد-درحالت پیش ­بار غیرصفر

      معادله (2) نسبت تغییرات شعاع داخلی پد نسبت به لقی شعاعیرا نشان می­دهد.

ΔRB/CR=Rp-Rs/CR=I+ep/CR

که در آن:

R_b = شعاع بیرینگ، R_p = شعاع داخلی پد، R_s = شعاع شفت، C_R = لقی شعاعی، R_f = شعاع بیرونی پد و e_p = مقدار خروج از مرکزیت شعاع داخلی پد می­باشد.

معادله (2) نشان دهنده مقدار پیش­بار می­باشد. این مقدار می­تواند عددی بین0.0 تا 0.7 و حتی 1.0 باشد. درحالت عمومی معمولاً این مقدار 0.3 در نظر گرفته می­شود. در حالتهای خاص مقدار پیش ­بار می­ تواند منفی نیز باشد.

m=I-CR/CR+ep

     این معادله را می­توان بصورت رابطه بین قطر شفت، قطر بیرینگ و قطر پد بازنویسی کرد. با توجه به اینکه:

R_p – R_s= C_R + e_p         ،         R_b – R_s= C_R

     پس داریم:

m=I-(Rb-Rs/Rp-Rs)

     نسبت تغییرات شعاع داخلی پد نسبت به لقی شعاعی با مقدار پیش­بار در معادله (5) مشخص شده است

ΔRb/CR=I/I-m

     مقدارخروج از مرکزیت یا e_P را نیز می­توان با داشتن مقدار پیش­بار و مقدار لقی شعاعی محاسبه کرد.

ep=m-CR/I-m

     شکل (2) نشان می­دهد که چگونه تغییرات در شعاع داخلی کفشک­ها (پدها) بر مقدار پیش­بار تاثیرگذار است.

شکل2 تفاوت شعاع داخلی پدها با مقادیر پیش بارگذاری متفاوت (الف)- نيمه پايين ياتاقان کفشک لولایی پد مونتاژ شده (ب)

• پیش­ بارگذاری صفر

     در حالتی که اندازه شعاع داخلی پد (R_P) با شعاع بیرینگ (R_b) برابر و هم مرکز بوده و لقی­ پدها در تمامی مقاطع برابر با لقی شعاعی باشد، یاتاقان در حالت پیش ­بار صفر می­باشد.

شکل 3. یاتاقان ژورنال با پیش ­بار صفر 

شکل 4. یاتاقان ژورنال با پیش بار مثبت

     همانطور که در شکل (5-الف) مشخص شده است، نزدیک شدن مقدار پیش­بار به عدد صفر و یا منفی، می­تواند باعث تغییر ضخامت فیلم روغن و حتی برخورد فیزیکی پدها به شفت اصلی (در هنگام چرخش حول محور اصلی پد) شود. همچنین شکل (5-ب) گوه­ای بودن شکل فیلم روغن در لبه­ پدها را با افزایش مقدار پیش­بار به خوبی نشان می­دهد. در این حالت حتی با چرخش پد حول پین مرکزی خود، ضخامت فیلم روغن به میزان C_R رسیده و کمتر از آن نخواهد شد.

شکل 5. فیلم روغن با پیش ­بار صفر (الف) – غیرصفر (ب)

     همانطور که در شکل (5-الف) مشخص شده است، نزدیک شدن مقدار پیش­بار به عدد صفر و یا منفی، می­تواند باعث تغییر ضخامت فیلم روغن و حتی برخورد فیزیکی پدها به شفت اصلی (در هنگام چرخش حول محور اصلی پد) شود. همچنین شکل (5-ب) گوه­ای بودن شکل فیلم روغن در لبه­ پدها را با افزایش مقدار پیش­بار به خوبی نشان می­دهد. در این حالت حتی با چرخش پد حول پین مرکزی خود، ضخامت فیلم روغن به میزان C_R رسیده و کمتر از آن نخواهد شد.

3-1-  مزایا و معایب پیش­ بارگذاری صفر

     مهمترین مزیت کاهش پیش­بار یاتاقانهای کفشک­ لولایی به صفر و یا نزدیک صفر، در شکل (6-الف) مشخص شده که عبارت از افزایش مقدار میرایی و ثابت­ ماندن مقدار سختی ودر نتیجه افزایش پایداریشفت می­باشد. برای این یاتاقان با چهار پد، با کاهش مقدار پیش­بار، میرایی یاتاقان افزایش پیدا کرده در صورتی که سختی آن تقریباً ثابت مانده است.

     شکل (6-ب) نشان­ دهنده میزان تاثیر پیش­بار، بر پایداری شفت تجهیز می­باشد. همانطور که از شکل (5-ب) مشخص است، ناپایداری محوری در مقادیر پیش­بار کمتر از -0.1 کاملاً مشهود می­باشد. در این شکل محدوده مجاز برای طراحی مقدار پیش ­بار مشخص شده است. همچنین این شکل، میزان میرایی را بر اساس میزان تاثیرگذاری پد بالایی (که کمترین میزان بار بر روی آن وارد می­ شود) و بدون در نظر گرفتن تاثیر پد بالایی نشان می ­دهد.

شکل 6. نسبت لقی و پیش بارگذاری با سختی و میرایی یاتاقان(الف)-نسبت پیش ­بارگذاری با پایداری محوری (ب)

• تاثیرعدد سامرفیلد بر پیش ­بارگذاری

     سختی دینامیکی و ضرائب میرایی یاتاقان­ها به وسیله 8 ضریب خطی (K_xx, K_yy, K_xy, K_yx, C_xx, C_yy, C_xy, C_yx) شبیه ­سازی می­شوند. سختی یاتاقان­ ها و ضرائب میرایی آنها تابعی از نوع یاتاقان، طول، قطر، لزجت، بار، سرعت، فاصله و عدد سامرفیلد است که به صورت زیر تعریف می­شود:

s=µNLD/W (R/C)²

عدد سامرفیلد، عددی بدون بعد بوده که در آن:

μ = ویسکوزیته (لزجت) سیال، N = سرعت دوران بر حسب دور بر ثانیه، L = طول پد (mm)، R = شعاع پد بر حسب میلیمتر،  W= نیروی بیرینگ برحسب نیوتن و C = لقی یاتاقان برحسب میلیمتر می­باشد.

     تغییرات ضریب سختی و میرایی در شکل (7-الف و ب) به عنوان تابعی از عدد سامرفیلد برای ژورنال بیرینگ با چهار پد و حالت بارگذاری بین پدها نشان داده شده است. این شکل نشان می­دهد که متغیرهای عدد سامرفیلد، چگونه می­تواند بر سختی و میرایی تاثیر گذارد. نیروهای زیاد و سرعت کم، عدد سامرفیلد کوچکتر و نیروهای کم و سرعت­های بالاتر، عدد سامرفیلد بیشتری را بوجود می ­آورند.

شکل 7. تغییرات میرایی (الف) و سختی (ب) بیرینگ به عنوان تابعی از عدد سامرفیلد برای پیش بارگذاری­های مختلف

     بهینه­ سازی مقدار­ پیش ­بارگذاری، راه­کاری برای افزایش کارایی و پایداری دینامیکی شفت ماشین ­آلات می­ باشد. شکل (8) نشان دهنده نسبت سرعت دوران شفت (با پیش­ بار 0.5 و 0.1) با ضریب سختی می­باشد. 

• نتیجه­ گیری

یکی از مهمترین پارامترهای طراحی یاتاقان­های ژورنال کفشک لولایی، مقدار پیش ­بارگذاری می­ باشد. این پارامتر نه تنها يك ابزار مهم طراحي مي­باشد، بلكه يك ابزار مفيد در عيب­يابي ماشين ­آلات مي­باشد. عوامل مختلفی در تعیین میزان پیش بارگذاری وجود دارد که از مهمترین آنها می­توان به شعاع داخلی پدها، قطر شفت، میزان لقی و همانطور که اشاره شده است، مقدار پیش ­بارگذاری می­تواند به صورت منفی، صفر و مثبت باشد. در این مقاله ابتدا نحوه محاسبه مقدار پیش­بارگذاری و فرمول­های مربوط به آن مورد بررسی قرار گرفت. سپس به بررسی تغییرات مقدار پیش ­بار و تاثیر آن بر سختی، میرایی و همچنین کارایی یاتاقانهای ژورنال پرداخته شد. همچنین ارتباط عدد سامرفیلد با میزان پیش ­بار مورد بررسی قرار گرفت.

     با توجه به نتایج بدست آمده می­توان گفت که افزایش مقدار پیش ­بار، باعث بهبود شرایط پایداری شفت، کاهش میرایی، افزایش نسبی سختی، بهبود تشکیل فیلم روغن و ایجاد شکل گوه­ای برای جریان روغن خواهد شد. در مقابل با کاهش مقدار پیش­ بار، می­توان مقدار میرایی را افزایش داد در حالی که مقدار سختی تقریباً ثابت می­ماند.

     در کنار تمامی مزایا و معایب کاهش و یا افزایش مقدار پیش­ بار، بایستی با توجه به نوع تجهیز دوار(کمپرسور، توربین، پمپ و …)، سرعت دوران، شرایط بارگذاری استاتیک و دینامیکی، ارتعاشات وارده، نسبت طول به قطر(L/D)، شرایط روانکاری و تشکیل فیلم روغن، قطر بیرینگ، و سایر موارد ذکر شده، مقدار بهینه­ ای برای پیش ­بار انتخاب نمود.