بخشی از مقاله
چکیده
یاتاقان های هوایی کروی جدید در سیستمهای اندازه گیری خواص جرمی مورد استفاده قرار می گیرند. در این ابزارها سیال روان کننده هوا است که به وسیلهی یک منبع تغذیه از طریق اریفیسها وارد لقی بین روتور و استاتور شده و با تجمع سیال هوا و ایجاد فیلم هوا شرح سیستم صنعتی یاتاقانهای هوایی کروی نوع جدید - 2درجه آزادی - در دستگاه اندازهگیری مماناینرسی، مورد استفاده قرار میگیرند. شکل 1 نشان دهنده ی مقطع عرضی دستگاه ممان اینرسی مورد مطالعه بوده که قسمت فوقانی آن محل قرارگیری یاتاقان هوایی است.
موجب بالا رفتن روتور و جدا شدن آن از سطح استاتور می شود. این یاتاقانها از دقیقترین عناصر سیستمهای اندازهگیری دوار به شمار رفته و عموما برای شرایط خاص طراحی میشوند. در طراحی آنها به بررسی شرایط هندسی و نیز شرایط ورودی و خروجی پرداخته شده و اثرات تغییرات و محدوده های طراحی استخراج می شوند. از جمله پارامترهای طراحی موثر در ساخت میتوان به ظرفیت و سفتی استاتیکی یاتاقان اشاره نمود.
در اینجا منظور از ظرفیت، مقدار وزنی است که یاتاقان می تواند بدون مشکل تحمل نماید. سفتی استاتیکی نیز نقشی اساسی در پایداری یاتاقان و کاهش ارتعاشات پنوماتیکی مخرب ایفا می کند. در این پژوهش یک نمونه یاتاقان هوایی کروی جدید جهت استفاده در دستگاه اندازه گیری ممان اینرسی با ظرفیت معین مورد تحلیل و طراحی قرار گرفته است.، برای این منظور ابتدا بر اساس یک طرح اولیه از یاتاقان، میدان جریان هوا مدلسازی و مورد تحلیل قرار گرفته و سپس با اصلاح طرح و کسب عملکرد مورد نظر، طراحی دقیق این سیستم انجام گرفته و نهایتاً ساخته شده است.
تغییر تعداد، قطر و طول اریفیسهای مورد استفاده ، جانمایی و چیدمان مختلف اریفیس ها در سطح ثابت یاتاقان ، تغییرات عمق یاتاقان و همچنین تغییرات فشار ورودی به سیستم مورد تحلیل قرار گرفته و محدوده های تغییرات در ذیل نمودار هایی ارائه شده اند که طراحی نهایی یک یاتاقان با در نظر گرفتن این نتایج صورت می پذیرد. در حالی که تغییر طول اریفیس تاثیر چندانی ندارد، با افزایش قطر و تعداد اریفیس ها، میزان دبی جرمی افزایش یافته و به تبع آن ظرفیت یاتاقان افزایش می یابد. با افزایش عمق یاتاقان نیز بر ظرفیت آن افزوده می شود. نمودار سفتی استاتیکی در موارد بررسی شده معمولا دارای یک نقطه بیشینه است و در طول تغییرات دیگر پارامترها رفتارهای نسبتا نامشخصی دارد.
شکل :1 مقطع عرضی دستگاه اندازه گیری ممان اینرسی
یاتاقان هوایی کروی از سه قسمت عمده شامل روتور، استاتور و مجرای ورود هوا یا اریفیس تشکیل یافته است. شعاع روتور و استاتور یکسان بوده و هوا از ورودی اریفیسی تامین می شود. هوا که توسط یک کمپرسور خارج از سیستم تامین میشود، ابتدا در انبارههای پشت اریفیس تجمع یافته و فشار پشت اریفیس را با فشار منبع تغذیه برابر میکند.
شکل :2 مراحل تراشکاری استاتور
سپس این تجمع باعث بالا رفتن مقدار ناچیز روتور و جدا شدن آن از سطح استاتور میشود. این امر موجب جریان یافتن هوا بین دو سطح شده و یک گرادیان فشار ایجاد میکند که با نزدیک شدن به خروجیها فشار داخل به فشار جو میرسد. لقی ایجاد شده بین روتور و استاتور باعث تشکیل فیلم فشردهای از هوا می شود. عامل اصلی در بالا رفتن روتور فشار متوسط ایجاد شده در فیلم هوا است. ابعاد این لقی بسیار ناچیز بوده و در اندازههای میکرونی است. هر اندازه مقدار این لقی بیشتر باشد سیال تجمع یافته کمتر شده و فشار متوسط به تبع آن کاهش مییابد، از آنجا که نیروی ایجاد شده به طور تقریبی برابر است با حاصلضرب فشار در مساحت سطح، لذا با کاهش فشار نیروی ایجاد شده به سمت بالا کاهش مییابد
شکل 3 نمودار تغییرات ظرفیت یاتاقان بر حسب اندازه لقی برای یاتاقان مورد استفاده در این تحقیق را نشان میدهد.
شکل :3 نمودار تغییرات اندازه نیرو با تغییرات لقی یا ضخامت فیلم هوا
اهمیت موضوع زمانی آشکار می شود که بدانیم برای رسیدن به ضخامت فیلم کوچکتر مستلزم ساخت بسیار دقیق یاتاقان هستیم. پرواضح است که برای دستیابی به عملکرد بهتر تولرانسهای ساخت باید درمحدودهی میکرومتر باشند. این دقت در ساخت نه تنها در قسمت سطوح روتور و استاتور باید مورد نظر قرار بگیرند بلکه در جانمایی اریفیسها و در ساخت آنها نیز بسیار مهم هستند. در طراحی یاتاقانها معمولا چندین اریفیس با چینشها و قطر های مختلف در نظر گرفته میشوند و معمولا به صورت متقارن قرار میگیرند. کوچکترین تغییر مکانی در حد دهم میلی متر باعث به هم خوردن تعادل فشار تجمع یافته در هر بخش از فیلم هوا که مابین اریفیسها قرار دارند میشود که این امر موجب ارتعاشات در سیستم شده و با بارگذاری ممکن است دچار ناپایداری شدید شده و یا حتی دستگاه از کار بیافتد.
البته برای به دست آوردن نیروی بیشتر میتوان در سطح استاتور شیارهایی در امتداد سطح و در محل اریفیس ها ایجاد کرد که بدین ترتیب با افزایش فشار متوسط در زیر روتور مواجه می شویم، اما آنچه که در این صورت مهم خواهد بود ساخت هرچه دقیقتر سیستم است، چرا که در صورت داشتن سطوح نامتقارن و ناصاف سیستم وارد ناپایداری شده و دچار پدیدهی چکش نیوماتیکی1 میشود.
شکل :4 سطح سیقلی استاتور بعد از تراش
یاتاقان هوایی وسیله ای است که در مهندسی ابزار دقیق کاربرد فراوانی دارد، اصطکاک ناچیز و همینطور سفتی استاتیکی بالای آن، این امکان را می دهد که در تجهیزات ابزار دقیق نقش ویژه ای را ایفا کند. علاوه بر این ویژگی مهم از دیگر خواص یک یاتاقان هوایی توان تحمل وزنهای بالا در حد چندین تن و ایجاد حالت بی وزنی است. یاتاقان های هوایی که با نام یاتاقانهای گازی نیز شناخته میشوند، به طراحان امکان فعالیت در کاربرد های دقیق و سرعت بالا را میدهند. اصطکاک استاتیکی بسیار ناچیز یاتاقان های هوایی سبب میشود که این یاتاقانها را در ساخت دستگاههای اندازه گیری گشتاور، دستگاه های بالانس دینامیکی، سیستم های موقعیت یابی نیمه رسانا، شبیه ساز خط سیر میکروگرانشی یا گرانش صفر و بسیاری از ابزار های لازم که در شرایط شبه استاتیک کار می کنند مورد استفاده قرار دهند. متوسط دقت بسیار بالای یاتاقانهای هوایی با جزئیات تمام، توسط شرکت اسپیشیالیتی کامپوننتس2 که یکی از سازنده های یاتاقانهوایی در آمریکا است مطرح شده است.
شکل :5 استاتور بعد از نصب اریفیسها و هارد آنودایزد
بنابراین میتوان در دستگاه های اندازه گیری به خوبی از آنان استفاده کرد و انتظار داشت که خروجیهای بسیار دقیقی به دست آید.
شکل :6 سطح زیرین روتور پس از هارد آنودایزد
از یاتاقانهای هوایی در صنایع هوافضا به علت اهمیت دقت، بیشترین استفاده صورت میپذیرد. از خواص ایجاد حالت بیوزنی توسط یاتاقان هوایی کروی در تست ماهوارهها در میزهای کنترل وضعیت استفاده میشود. در حالت عادی برای انجام چنین تستی ماهواره را از ارتفاعی رها می کنند و تراستر ها را قبل از آنکه به سطح زمین برسد روشن می کنند.
در این روش تنها چند ثانیه فرصت است تا آزمایش های لازم انجام شود، لذا دقت بسیار پایینی برای داده های به دست آمده خواهد بود. روش بهتر که یکی از کاربردهای یاتاقان های هوایی نیز هست، استفاده از یاتاقان هوایی کروی است به گونه ای که ماهواره را بر روی سطح یاتاقان نصب میکنند. در این روش ما شاهد یک چرخش بدون اصطکاک با سه درجه آزادی خواهیم بود.
همچنین امروزه از یاتاقانهای هوایی کروی که به نوع کروی جدید معروف هستند در دستگاههای اندازه گیری ممان اینرسی استفاده میشوند. این دستگاهها - شکل1و - 8 بر اساس اندازهگیری دقیق پریود نوسانات پیچشی یک آونگ وارون عمل می نماین د و به همین دلیل اصطکاک عناصر متحرک در آن باید حداقل باشد زیرا در غیر اینصورت اندازهگیریها از دقت و صحت قابل قبول برخوردار نخواهند بود .
دقت در اندازهگیری خواص جرمی و از جمله مماناینرسی بدون تردید نقشی بسیار حیاتی در توسعهی وسائل نقلیهی هوافضایی از جمله ماهوارهها، موشکها و پهپادها دارد. یاتاقانهای هوایی یکی از بهترین گزینهها برای رسیدن به این عملکرد میباشند چراکه هوا کمترین ضریب اصطکاک را در میان کلیهی روانسازها دارا میباشد.
طرح مسئله و موضوع پژوهشی در تحقیق حاضر به تحلیل سیالاتی حالتهای مختلف طراحی یک
یاتاقان هوایی کروی نوع جدید پرداخته شده است و نهایتا با استفاده از نمودارها و خروجیهای حاصل از این تحلیل به طراحی و نهایتا ساخت یک نمونه از یاتاقان هوایی مورد نظر پرداخته شده است.
به طور کلی طراحی یک یاتاقان هوایی کروی به دو قسمت مجزا تقسیم میشود:
-1 روتور و استاتور
- 2 اریفیس تحلیل و طراحی و حتی در برخی موارد ساخت هر یک از دو گروه
بالا مستقل از هم هستند. در هر صورتی روتور و استاتور به تنهایی عامل رخ دادن اتفاق خاصی نبوده و فیلم هوای ایجاد شده به واسطهی وجود هر دوی آنهاست که منجر به بالا رفتن روتور میشود. در تحلیل قسمت اول به بررسی تغییرات عمق یاتاقان و اثرات آن بر ظرفیت و سفتی یاتاقان پرداخته شده است. در این مرحله نتایج نشان میدهد که با افزایش عمق، سفتی و ظرفیت یاتاقان بالا میرود.
در طراحی اریفیس ها مواردی باید مورد توجه قرار میگرفت که از آن جمله میتوان به تغییرات قطر و طول اریفیسها، نحوهی چینش اریفیسها، جانمایی اریفیسها در امتداد سطح استاتور و تعداد آنها اشاره کرد. تحلیلهای عددی نشان میدهد که با افزایش قطر بر میزان دبی جرمی افزوده شده و به واسطهی آن با افزایش فشار ظرفیت یاتاقان افزایش پیدا میکند.
این در صورتی است که سفتی در این افزایش قطر کاهش پیدا میکند و دارای یک مقدار بیشینه است. تغییرات طول اریفیس اثرات چندانی بر سیستم نداشت، حال آنکه با نزدیک شدن اریفیسها به دیواره ها از ظرفیت یاتاقان کاسته شده و سفتی استاتیکی نیز به همان صورت کاهش پیدا میکرد. با افزایش تعداد اریفیسها نیز ظرفیتها افزایش پیدا می کردند، این در حالی بود که با افزایش تعداد اریفیسها سفتی تنها در یک محدوده از تعداد اریفیس ها دارای بیشینه مقدار بود. با توجه به استخراج این نتایج به طراحی یک نمونه یاتاقان هوایی کروی پرداخته شد.
پارامتر اصلی که در طراحی یاتاقان هوایی کروی به عنوان هدف طراحی در نظر گرفته می شود ظرفیت آن است. در بروشورهای شرکتهای سازنده ی جهانی نیز این یاتاقانها را با ظرفیتشان و بر حسب کیلوگرم و یا تُن نامگذاری میکنند. لذا در ابتدا و در هدفگذاری، ظرفیت لحاظ می شود. ظرفیتی که در طراحی یاتاقان هوایی کروی مورد استفاده در دستگاه اندازه گیری ممان اینرسی و در این تحقیق هدف قرار گرفته است یک بار به جرم 1000 کیلوگرم است. اما از آنجا که المان های زیادی در ساخت یک دستگاه خواص جرمی به کار گرفته میشوند لذا باید وزن آنها را به هدف اضافه کرد. نهایتا با در توجه به دیگر المان ها، در نظر گرفتن مقدار 1500 کیلوگرم به عنوان هدف طراحی قابل قبول است. پارامترهای طراحی
که برای ساخت یک یاتاقان هوایی کروی با ظرفیت 1500 کیلوگرم و مورد استفاده در دستگاه اندازه گیری ممان اینرسی جرمی انتخاب شدهاند، در جدول 1 بیان شده است.
شکل :7 مقطع عرضی استاتور طراحی شده
