بخشی از مقاله
محاسبات هم محور سازی شفت به روش افت و شکاف برای شناور کانتینربر TEU 2200
هممحورسازی شفتهای رانشی١ در شناورهای تجاری پیشرفته به میزان بسیار زیادی به اغتشاشات کوچک در ارتفاع قرارگیری یاتاقانها حساس است. این حساسیت، محاسبات دقیقی را میطلبد. همچنین پروسه نصب نیز باید با دقت و با توجه به آنالیز انجام شود. بنابراین محاسبات هممحورسازی باید اطلاعات ضروری، دقیق و کاربردی برای انجام هر مرحله از پروسه هممحورسازی را فراهم کند.
پروسه هممحورسازی شامل مراحل تعیین خط مرجع، نصب شفتها، اعمال افت و شکاف٢ و در نهایت مرحله تایید و بازبینی میباشد. تمامی این مراحل باید با دقت بسیار زیاد صورت گیرد.
در این مقاله به معرفی مراحل مختلف هممحورسازی و انجام آنالیزهای مربوط به آن پرداخته شده است.
هممحورسازی شفت، روش افت و شکاف، استرنتیوب٣، شیب میللنگ، ارتفاع قرارگیری یاتاقان٤.
در سالهای اخیر مبحث هم محورسازی شفتهای رانشی شناورها، پس از مشاهده خرابیهای گسترده در یاتاقانهای میللنگ موتور و همچنین در بوش استرنتیوب، به طور جدی مطرح گردیده است. این خرابی ها عموما ناشی از کاهش سختی بدنه و افزایش صلبیت شفتهای سیستم رانش، در شناورهای تازه ساخت می باشند.
هممحورسازی سیستم شفت یک پروسه محاسبه، نصب و تایید و همچنین تنظیم مجدد در صورت لزوم است که از دو قسمت اصلی طراحی و آنالیز طرح، و اجرای برنامه هم محورسازی به کمک اندازهگیریهای لازم، تشکیل شده است.
در واقع، این پروسه به معنی ایجاد یک تغییر استاتیکی معین، در ارتفاع قرارگیری هرکدام از یاتاقانهای شفت میباشد. این تغییر استاتیکی را میتوان به وسیله زاویه دادن به بوش استرن تیوب، تغییر در ارتفاع و موقعیت قرارگیری یاتاقان شفت میانی، و همچنین با اعمال زاویه به بستر موتور دیزل، روی تکیهگاههای شفت اعمال کرد.
هدف اصلی از انجام محاسبات هم محورسازی، افزایش طول عمر کاری ماشین آلات دوار است که شامل شفت، میللنگ، یاتاقانهای موتور وهمچنین بوش استرن تیوب میباشد. که میتوان با حصول اطمینان از بارگذاری مناسب روی تمامی یاتاقانها وهمچنین عدم وجود تنشها و خمشهای بیش از حد، در کلیه نقاط شفت، از رسیدن به این هدف مطمئن شد.
از مزایای عمده انجام اینکار، کاهش نیروهای محوری و شعاعی روی یاتاقانها، کاهش سایش در اجزای کوپلینگها، کاهش خرابی آب بندهای استرن تیوب، و از بین بردن احتمال خرابی شفت در اثر خستگی ناشی از دوران هستند.
برای محاسبه بهترین حالت قرارگیری یاتاقانها، ابتدا خط شفت را به دقت مدل نموده و سپس آن را تحت شرایط کاری، بارگذاری میکنند. حال میتوان ارتفاع بهینه را با توجه به عکسالعملهای تکیهگاهی متقارن در بوش استرن تیوب و همچنین نیروهای برشی و ممانهای خمشی قابل قبول در میللنگ موتور، به دست آورد.
در مرحله بعد، خط شفت را در شرایط مختلف بارگذاری، از حالت بالاست تا حالت بار سنگین، تست می کنند تا عکسالعملهای تکیهگاهی و مقاومت خمشی شفتها و یاتاقانها همچنان در محدوده مجاز باشند. در این محاسبات باید دو اثر عمده تغییر شکل بدنه ناشی از نیروهای بویانسی و نوسانات دمایی سیستم را مدنظر قرار داد.
در پروسه اجرای هم محورسازی از روشهای مختلفی استفاده میشود که از مهمترین آنها می توان به روش افت و
شکاف، روش بلندکردن با جک٥، روش لیزری و همچنین روش کرنشسنجی٦ اشاره کرد. در روش افت و شکاف، شفتها را جدا از هم فرض نموده و مقادیر افت و شکاف ایجاد شده بین فلنجها را اندازه گیری میکنند. درنهایت نیز میتوان با استفاده از جک هیدرولیک، از صحت مقادیر بهدست آمده اطمینان حاصل کرد.
فشار تماسی در یاتاقان انتهایی استرنتیوب، نباید از محدوده تنش (فشار تماسی) مجاز مشخص شده توسط سازنده یاتاقان، فراتر رود. این حالت با ایجاد یک ناهمراستایی کوچک بین شفت و یاتاقان استرنتیوب، به بهترین وجه تضمین میشود. شرط ایدآل، ناهمراستایی صفر است که این شرط، وقتی که شفت در حداکثر محدوده تماس و حداقل فشار تماسی با پوسته یاتاقان باشد، حاصل میشود. ]۱[ در شرایط ایدآل، محدوده تماس به صورت متقارن بین لبه های جلو و عقب یاتاقان، توزیع شده است. زاویه کم
ناهمراستایی، محدوده بزرگتر تماس استاتیک بین شفت و یاتاقان را تضمین میکند. همچنین تنش تماسی کوچکتر وارد بر یاتاقان از جانب شفت و تسریع گسترش لایه روغن، باعث افزایش عمر یاتاقان میشود.
طبق شکل(۱) ابتدا حساسیت شفت نسبت به تغییرات ارتفاع قرارگیری یاتاقان میانی مورد بررسی قرار گرفت.
.
شکل(۱): حساسیت سیستم به تغییرات ارتفاع یاتاقان میانی
جدول(۱): ماتریس ضریب تاثیر برای سیستم با دو تکیه گاه دراسترن تیوب
سطر و ستون سوم در ماتریس ضریب تاثیر٧ ذکرشده در جدول (۱)، نشاندهنده تغییرات در عکسالعمل تکیهگاهی در تمامی یاتاقانهای سیستم است، هنگامی که ارتفاع قرارگیری یاتاقان ۳، به میزان mm۱,۰ تغییر کند. نمودار(۱) عکسالعملهای تکیهگاهی سیستم با دو تکیهگاه در استرنتیوب را نشان میدهد.
نمودار(۱): عکس العمل های تکیه گاهی سیستم با دو تکیه گاه دراسترن تیوب
با توجه به نتایج ماتریس ضرایب تاثیر و همچنین عکسالعملهای تکیهگاهی در این سیستم، نتایج زیر حاصل میشود:
مزایا:
• ناهمراستایی یاتاقان انتهایی استرنتیوب، نسبت به تنظیم یاتاقان میانی٨، بسیار حساس است.
• زاویه ناهمراستایی در یاتاقان انتهایی استرنتیوب، کمتر تحت تاثیر تغییرات در ارتفاع قرارگیری یاتاقان
میانی خواهد بود.
معایب:
• سیستم، از صلبیت بیشتری برخوردار است. بنابراین کمتر میتواند خود را با تغییر شکل بدنه، وفق دهد.
• شدت یکسان تغییر شکل بدنه، هممحورسازی را به طور بدتری تحت تاثیر قرار میدهد و انحراف عکسالعمل تکیهگاه، برای تغییر یکسان در ارتفاع بالاتر قرارگیری یاتاقان، از هنگامی که سیستم بدون
یاتاقان جلویی استرنتیوب باشد، بیشتر است.
سیستم بدون یاتاقان جلویی استرنتیوب
مانند قسمت قبل، حساسیت شفت نسبت به ارتفاع قرارگیری یاتاقان میانی در شکل (۲) مورد بررسی قرار گرفته و سپس ماتریس ضرایب تاثیر (جدول (۲)) برای تکیهگاهها محاسبه گردید. در نهایت عکسالعملهای تکیهگاهی برای این سیستم به دست آمد.
شکل(۲): حساسیت سیستم با مدل یک تکیه گاهی استرن تیوب، به تغییرات ارتفاع یاتاقان میانی
جدول(۲): ماتریس ضریب تاثیر برای سیستم با یک تکیه گاه دراسترن تیوب
سطر و ستون ۲ در جدول (۲) نشان میدهد اگر ارتفاع یاتاقان ۲ به اندازه mm۱ تغییر کند، تغییرات در عکسالعمل تکیهگاهی در همه یاتاقانهای سیستم، به چه نحو خواهد بود. عکسالعملهای تکیهگاهی برای سیستم با یک تکیهگاه در یاتاقان استرنتیوب در نمودار (۲) نشان داده شده است.
نمودار(۲): عکس العمل های تکیه گاهی سیستم با یک تکیه گاه دراسترن تیوب
مزایا:
• سیستم انعطاف بیشتری دارد، پس به تغییر شکل بدنه، کمتر حساس است.
• شدت یکسان در تغییر شکل بدنه، باعث تغییر کمتر در عکسالعمل یاتاقانها نسبت به حالتی که یاتاقان جلویی استرنتیوب وجود دارد، میشود که بی بار کردن یاتاقانها در طول خط شفت را دشوار میکند.
معایب :
• زاویه ناهمراستایی در یاتاقان انتهایی استرنتیوب، با تغییر در ارتفاع قرارگیری یاتاقان شفت میانی، بیشتر تحت تاثیر قرار میگیرد.
مدل پیشنهادی :
با توجه به نتایج به دست آمده، هنگامی که شفت در حالت دوران است، بهترین حالت مدل سازی تماس در یاتاقان استرنتیوب، مدل دو نقطهای میباشد. به همین دلیل در مدلسازی حالت دینامیک، مدل تماس دو نقطهای را در نظر گرفتیم.
همچنین با توجه به انعطاف بیشتر خط شفت نسبت به تغییر شکل بدنه، در حالت استاتیک، مدل تکنقطهای مورد استفاده قرار گرفت.
بهینه سازی مکان یاتاقان شفت میانی
موقعیت طولی یاتاقان میانی، وقتی که به سبب تغییرات در آبخور کشتی، ارتفاع در یاتاقانها تغییر کند، تاثیر شدیدی روی عکسالعمل عقبترین یاتاقان موتور خواهد داشت.
عموما موثر است که یاتاقان میانی را تا آنجا که میتوانیم دور از موتور نصب کنیم تا زمانی که تغییری در ارتفاع یاتاقانها به وجود میآید، اثر آن را روی یاتاقانهای انتهایی موتور کاهش دهیم. در سمت مقابل، به هر حال عدد تاثیر خود یاتاقان میانی، به علت نزدیکی به یاتاقان استرنتیوب، بزرگتر خواهد شد. در نتیجه نیاز به تعادل داریم. تاثیر مکان یاتاقان میانی روی عدد تاثیر برای هر یاتاقان در شکلهای (۳) و (۴) محاسبه و نتایج نشان داده شده است. ]۲[
شکل (۳): بهینه کردن مکان یاتاقان میانی
شکل (۴): عدد تاثیر یاتاقان میانی نسبت به سایر یاتاقانها
با بررسی عدد تاثیر یاتاقان میانی نسبت به خودش، R44، همان طور که در شکل نشان داده شده است، میتوان
گفت که درجه حساسیت برای مکان طراحی یاتاقان میانی، در mm۵۹۲۵۱ کمترین است.
در نتیجه برای ملاحظه میزان تاثیرگذاری همه یاتاقانها، یک شاخص حساسیت طبق معادله (۱)، توصیف شده است: ]۳[
N
٩شاخص حساسیت ∑(Rmi ) 2 = (۱)
1
Rmi: ضریب تاثیر یاتاقان میانی نسبت به یاتاقانi ام
N:تعداد کل یاتاقانهای مورد محاسبه
m:شماره یاتاقان میانی
نتیجه استفاده از معادله بالا در شکل زیر نشان میدهد که یک نقطه بهینه بر طبق حساسیت کمینه برای یاتاقان میانی وجود دارد. نقطه بهینه در طول mm۰۰۵۴۱ واقع گردیده که به اندازه mm۵۹۷ از نقطه اصلی طراحی عقبتر است.
این نقطه در شکل (۵) به خوبی نشان داده شده است.
