مبانی مهندسی: راهنمای جامع بلبرینگ ها (بخش اول)
۲. طراحی و کاربرد یاتاقان‌های ساده
همان‌طور که قبلاً گفته شد، دو نوع اصلی از ساختار یاتاقان وجود دارد: یاتاقان‌های ساده و یاتاقان‌های غلتشی (Rolling-element bearings). بیایید ببینیم برای هر یک از این دسته‌ها چه زیرگروه‌های رایجی وجود دارد و تفاوت آن‌ها از نظر طراحی، جنس مواد و کاربرد در چیست.
یاتاقان‌های ساده
یاتاقان‌های ساده از یک سطح تکی یاتاقان ساخته شده‌اند و هیچ بخش غلتانی ندارند. طراحی آن‌ها بستگی به نوع حرکت مورد نیاز و باری دارد که یاتاقان باید تحمل کند. این قطعات ماشینی در مقایسه با یاتاقان‌های غلتشی صدای کمتری در حین کار دارند، هزینه‌ی ساخت پایین‌تری دارند و فضای کمتری اشغال می‌کنند.
از طرف دیگر، اصطکاک میان سطوح در این نوع یاتاقان‌ها بیشتر است که می‌تواند منجر به افزایش مصرف توان در دستگاه شود، و اگر ناخالصی‌ها وارد روان‌کننده شوند، احتمال آسیب دیدن یاتاقان بیشتر خواهد بود.
یاتاقان‌های ساده می‌توانند از مواد مختلفی ساخته شوند، اما این مواد باید بادوام، کم‌سایش، کم‌اصطکاک، مقاوم در برابر دما و خوردگی باشند. اغلب، سطوح یاتاقان از دست‌کم دو جزء تشکیل شده‌اند که یکی نرم‌تر و دیگری سخت‌تر است. مواد رایج در ساخت شامل بابیت (Babbitt)، ترکیبی از فلز و سطح پلاستیکی، چدن، برنز، گرافیت، سرامیک و پلاستیک هستند.
اگرچه یاتاقان‌های ساده معمولاً به روانکاری نیاز دارند، اما – حداقل از نظر تئوری – قادر به کارکرد نامحدود هستند. بنابراین می‌توان از آن‌ها در کاربردهایی استفاده کرد که خرابی یاتاقان می‌تواند پیامدهای سنگینی داشته باشد؛ برای مثال توربین‌های بزرگ صنعتی مانند توربین بخار نیروگاه‌ها، کمپرسورهای حساس، موتورهای خودرو، و کاربردهای دریایی.
از نظر ساختاری، یاتاقان‌های ساده را می‌توان به سه دسته‌ی اصلی تقسیم کرد:
- آستین‌ها یا بوش‌ها (Sleeves/Bushings)
- یاتاقان‌های یکپارچه (Integral Bearings)
- یاتاقان‌های ساده دو تکه (Two-piece Plain Bearings)
دسته‌بندی دیگر، آن‌ها را به یاتاقان‌های هیدرودینامیکی (Hydrodynamic) و یاتاقان‌های هیدرواستاتیکی (Hydrostatic) تقسیم می‌کند.
یاتاقان‌های کروی ساده (Spherical Plain Bearings)
یاتاقان‌های کروی ساده دارای یک حلقه داخلی با سطح بیرونی محدب و یک حلقه بیرونی با سطح داخلی مقعر هستند. این دو حلقه در کنار هم نصب می‌شوند و هیچ عنصر غلتانی بین آن‌ها وجود ندارد. با این حال، بسته به مواد استفاده‌شده برای حلقه‌ها، ممکن است لایه‌ای از پوشش برای کاهش سایش روی آن‌ها اعمال شود.
در یاتاقان‌هایی که هر دو حلقه از فولاد ساخته شده‌اند، نگهداری الزامی است، زیرا سطح تماس لغزشی هر دو حلقه سخت شده است. این سطوح معمولاً با موادی مانند دیسولفید مولیبدن، کروم سخت یا فسفات پوشش داده می‌شوند تا مقاومت در برابر سایش و خوردگی افزایش یابد. برای تسهیل روانکاری مجدد، این یاتاقان‌ها دارای سوراخ‌های روانکاری و شیار حلقوی هستند.
یاتاقان‌های کروی ساده‌ای که به نگهداری نیاز دارند (فولاد روی فولاد)، برای کاربردهایی مناسب هستند که در آن‌ها بارهای سنگین با جهت متناوب، بارهای ایستا یا ضربه‌ای سنگین وجود دارد.
یاتاقان‌های کروی ساده بدون نیاز به نگهداری (Maintenance-free) برای مواردی طراحی شده‌اند که عمر طولانی و بدون نیاز به روانکاری مجدد مورد نظر است؛ مانند ماشین‌ها و مجموعه‌هایی که روانکاری مجدد در آن‌ها دشوار است. این یاتاقان‌ها معمولاً از موادی مانند فولاد و کامپوزیت PTFE، پارچه PTFE یا آلیاژ مس ساخته می‌شوند. این نوع یاتاقان‌ها توانایی تحمل بارهای دینامیکی بالاتری نسبت به نوع فولاد-روی-فولاد دارند و به دلیل جنس مواد، اصطکاک کمتری دارند.
بسته به مواد، حلقه بیرونی ممکن است به دور حلقه داخلی پرس شود یا دارای شکاف شعاعی باشد که توسط پیچ‌ها در کنار هم نگه داشته می‌شوند. سطوح تماس می‌توانند با کروم، PTFE یا فسفات پوشش داده شوند تا مقاومت در برابر سایش و خوردگی افزایش یابد. در برخی طراحی‌ها، آب‌بند (Seal) اضافه می‌شود تا آلودگی را کاهش داده و عمر یاتاقان را افزایش دهد.
یاتاقان‌های کروی ساده برای کاربردهایی مناسب هستند که حرکات ترازکننده بین محور و پوسته (Housing) باید امکان‌پذیر باشد. هنگامی که قادر به تحمل بارها و شوک‌های سنگین باشند، به آن‌ها یاتاقان‌های کروی سنگین‌کار (Heavy-duty spherical plain bearings) گفته می‌شود.
سر اتصال یا روداند (Rod Ends)
یاتاقان‌های سر اتصال، که با نام‌های Rose Joint یا Heim Joint نیز شناخته می‌شوند، از یک سر حلقه‌ای شکل با ساقه‌ی یکپارچه تشکیل شده‌اند که به عنوان پوسته برای یک یاتاقان کروی ساده استفاده می‌شود. رزوه داخلی معمولاً ماده‌ی چپ‌گرد یا راست‌گرد است و رزوه خارجی نرینه است.
یاتاقان درون پوسته ثابت می‌شود، بنابراین برخلاف یاتاقان‌های کروی ساده، که قابلیت تنظیم زاویه دارند، روداندها این ویژگی را ندارند. با این حال، نصب آن‌ها آسان است، طراحی فشرده و سبک دارند و جایگزین مناسبی برای پوسته‌های سنتی هستند. یاتاقان‌های روداند معمولاً در میله‌های کنترلی، مکانیزم‌ها و اتصالات متحرک استفاده می‌شوند، زیرا به‌راحتی در انواع کاربردها قابل‌جاسازی‌اند.
مانند یاتاقان‌های کروی ساده، روداندها نیز می‌توانند بدون نگهداری یا نیازمند نگهداری باشند.
انواع فولاد روی فولاد یا فولاد روی برنز دارای سطوح لغزشی مقاوم در برابر سایش‌اند اما به روانکاری منظم نیاز دارند و برای کاربردهایی با بارهای متناوب سنگین مناسب‌اند.
در مورد روداندهای بدون نیاز به نگهداری، این یاتاقان‌ها معمولاً از موادی مانند فولاد و کامپوزیت PTFE یا فولاد و پارچه PTFE ساخته می‌شوند و در نتیجه نیروی اصطکاک در آن‌ها بسیار کمتر است. این یاتاقان‌ها مناسب کاربردهایی هستند که عمر طولانی، روانکاری دشوار و بارهای با جهت ثابت دارند.
بوش‌ها (Bushings)
رایج‌ترین نوع یاتاقان ساده، بوش یا آستین (Bushing) است که عنصری مستقل بوده و درون پوسته نصب می‌شود تا سطحی پشتیبان ایجاد کند. شکل آن معمولاً استوانه‌ای است و پیکربندی‌های استاندارد آن شامل یاتاقان استوانه‌ای (Sleeve Bearing) و یاتاقان فلنج‌دار (Flanged Bearing) می‌باشد.
یاتاقان‌های استوانه‌ای دارای سطوح داخلی و خارجی صاف با قطرهای برابرند، در حالی‌که نوع فلنج‌دار در یک سمت دارای لبه یا فلنج است که برای موقعیت‌دهی عنصر در مجموعه و گاهی برای پوشش سوراخ‌های نصب و تثبیت یاتاقان به کار می‌رود.
علاوه بر این، یاتاقان‌های ساده ممکن است دارای پوشش داخلی متفاوت باشند، به‌طوری که مواد سطح داخلی و خارجی با هم متفاوت‌اند. بوش‌ها برای حرکات خطی، نوسانی و چرخشی استفاده می‌شوند؛ نوع استوانه‌ای برای بارهای شعاعی مناسب است و نوع فلنج‌دار قادر است بارهای شعاعی و محوری در یک جهت را تحمل کند.
برخلاف یاتاقان‌های غلتشی، یاتاقان‌های ساده – از جمله بوش‌ها – از طریق حرکت لغزشی عمل می‌کنند. ساختار آن‌ها می‌تواند تک‌لایه یا چندلایه باشد، بسته به استحکام موردنیاز. بسیاری از یاتاقان‌های ساده از مواد خودروانکار (Self-lubricating) ساخته می‌شوند که باعث عملکرد نرم‌تر و دوام بیشتر می‌گردد.
مواد رایج برای ساخت بوش‌ها شامل فلزات ریخته‌گری و ماشین‌کاری‌شده، سرامیک، کامپوزیت‌های الیافی، پلیمرهای تقویت‌شده و ترکیباتی از این مواد است. در زمینه روانکارها، می‌توان از روانکارهای جامد یا مایع استفاده کرد، ولی روانکارهای جامد معمولاً در دماهای بالاتر از روانکارهای روغنی یا گریسی کار می‌کنند. در برخی کاربردها، بوش‌ها بدون روانکاری اضافی (خشک) کار می‌کنند.
ساختار بوش‌ها می‌تواند یک‌تکه، شکاف‌دار (Split) یا دارای بست (Clenched) باشد. تفاوت بوش یک‌تکه و شکاف‌دار در این است که نوع شکاف‌دار دارای برش در امتداد طول خود برای نصب آسان‌تر است. نوع Clenched مشابه نوع شکاف‌دار است اما دارای بستی در امتداد برش است که دو بخش را به هم متصل می‌کند.
به طور کلی، بوش‌های خطی در پوسته فشرده نمی‌شوند، بلکه با استفاده از حلقه‌های نگهدارنده یا حلقه‌هایی که در قطر خارجی قالب‌گیری شده‌اند ثابت می‌شوند. وقتی بوش‌ها عملکردی مشابه واشر دارند، به آن‌ها واشر رانش (Thrust Washer) گفته می‌شود، اما برخلاف واشرهای معمولی، واشرهای رانش باید بار را تحمل کرده و در طول زمان ساییده نشوند.
بوش‌های خودروانکار (Self-lubricating Bushings)
نوع خاصی از بوش‌ها، بوش‌های خودروانکار هستند که در آن‌ها یک فیلم روانکاری جامد از طریق انتقال مقدار کمی از ماده سطحی در داخل یاتاقان تشکیل می‌شود. این فرآیند در دوره راه‌اندازی اولیه یاتاقان رخ می‌دهد، اما مقدار ماده منتقل‌شده به حدی کم است که در عملکرد و ظرفیت تحمل بار یاتاقان اختلالی ایجاد نمی‌کند.
این فیلم با تمام بخش‌های متحرک در تماس بوده و آن‌ها را روان و محافظت می‌کند، در نتیجه باعث افزایش عمر مفید یاتاقان می‌شود. این ویژگی نیاز به روانکاری اضافی را از بین می‌برد و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد. بوش‌های خودروانکار سبک‌تر هستند (به دلیل دیواره‌های نازک‌تر) و مقاومت عالی در برابر سایش دارند. آن‌ها قادر به تحمل بارهای سنگین بوده و طراحی ساده‌تری دارند که باعث صرفه‌جویی اقتصادی در بلندمدت می‌شود.
یاتاقان‌های ساده دو تکه (Two-piece Plain Bearings)
که با نام یاتاقان‌های کامل (Full Bearings) نیز شناخته می‌شوند، در ماشین‌آلات صنعتی‌ای استفاده می‌شوند که در آن‌ها قطرهای بزرگ‌تر مورد نیاز است، مانند یاتاقان‌های میل‌لنگ. این یاتاقان‌ها از دو بخش تشکیل شده‌اند که پوسته (Shell) نام دارند و با استفاده از سازوکارهای مختلف در جای خود نگه داشته می‌شوند.
اگر پوسته‌ها بزرگ و ضخیم باشند، برای موقعیت‌دهی آن‌ها از دکمه توقف (Button Stop) یا پین موقعیت‌دهنده (Dowel Pin) استفاده می‌شود. دکمه توقف روی پوسته پیچ می‌شود و پین موقعیت‌دهنده دو پوسته را به هم متصل می‌کند. روش دیگر این است که زبانه‌ای در لبه خط جدایش تعبیه شود که با شکافی در پوسته (Housing) درگیر گردد تا از حرکت پوسته‌ها پس از نصب جلوگیری کند.
مبانی مهندسی: راهنمای جامع بلبرینگ ها (سوم)