منبع: گروه پژوهشی و صنعتی پارسیان

نویسنده: مهندس محمد مهدس دهاقین

 

مقدمه

برای آشنایی با آب بند ها بهتر است در ابتدا وظیفه آنها را با ساده ترین عبارت ممکن بیان کنیم وظیفه یک سیستم آب بند که بین دو محیط قرار میگیرد جلوگیری از نشت سیال هر محیط به محیط دیگر است. این دو سیال ممکن است هر کدام در یک شرایط فیزیکی متفاوت و یا مشابه هم قرار داشته باشند. به هر صورت کار با آب بند جلوگیری از تداخل این دو محیط سیال است. لذا به عبارتی ساده میتوان گفت خراب شدن یک آب بند یعنی عدم انجام صحیح وظیفه فوق.

موارد کاربرد آب بند ها زیاد است. از آنجا که در ادامه این متن با معمول ترین نوع آب بند ها آشنا میشویم. کاربرد آب بند ها در متن به صورت مکرر خواهد آمد و نیازی به بیان این نوع کاربرد ها در مقدمه نمی باشد بلکه به خواننده توصیه میشود در این قسمت جدای از نوع کاربرد یک آب بند به صورت کامل وظیفه آن را فراگیرد.

انواع آب بندی

آب بندی را از نظر متحرک بودن یا غیر متحرک بودن محل آب بندی به دو دسته میتوان تقسیم کرد:

• آب بندی استاتیکی
• آب بندی دینامیکی

آب بندی استاتیکی مربوط به درز ها و اتصالاتی است که سطوح آنها نسبت به هم دارای حرکت نیستند. هر چند که ممکن است کل دستگاهی که شامل این اتصال می باشد متحرک باشد. معمول ترین اتصال از این نوع اتصال فلنجی دو لوله به یکدیگر است.

شکل1 اتصال فلنجی دو لوله

در این نوع اتصالات ابتدا سطح تماس دو قطعه را با ماشین کاری صیقلی میکنند. باتوجه به محدودیت دقت ابزار تراشکاری نمیتوان اطمینان داشت که پس از جفت کردن سطوح تماس این دو سطح کاملا یکدیگر را پوشش میدهند و همه درزها پر میشوند. پس باید با به کار گرفتن یک ماده نرم تر از دو سطح تماس این درزها را در تمام سطح تماس یا حداقل در محدوده ای کوچک پر کرد.

• در روش اول با قرار دادن یک واشر که تقریبا شکل سطوح آب بند شونده را دارد بین دو سطح درز ها را پر میکنند.

شکل 2

• در روش دوم یک اورینگ از جنس لاستیک در شیار ایجاد شده روی یکی از سطوح تماس قرار داده میشود که پس از محکم کردن اتصال دهنده دو سطح در نشیمنگاه شیاری خود فشرده شده و به درون درز های ریز موجود روی سطوح فرو میرود. به این ترتیب کار آب بندی انجام میشود.

شکل3 آب بندی به کمک اورینگ

دو نمونه فوق الذکر معمول ترین آب بندی های استاتیکی هستند و البته روش های مشابه دیگری نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرند. از آنجا که هدف اصلی این متن آشنایی با آب بند های مورد استفاده در آب بندی دینامیکی است بحث آب بندی استاتیکی در همین حد متوقف شده و تنها برای آشنایی خواننده به ذکر دومورد فوق اکتفا میشود.

آب بندی دینامیکی از نظر تعدد کاربرد و تنوع آن نسبت به آب بندی استاتیکی از اهمیت بیشتری برخوردار است. تقریبا در تمامی ماشین آلاتی که دارای اعضای متحرک نسبت به هم هستند این روش آب بندی باید به کار گرفته شود. به خصوص که در این ماشین ها اختلاف فشار بین محیط ها در محدوده وسیعی تغییر میکند. آنچه اهمیت بیشتر این روش آب بندی را نسبت به روش استاتیکی نشان میدهد این است که در این روش آب بندی دو عامل آب بندی و اصطکاک مقابل هم قرار میگیرند. در ماشین های متحرک جهت کاهش اتلاف انرژی باید اصطکاک کمتر شود و این منجر به افزایش نشتی سیال در فضای بین دو قطعه متحرک خواهد شد. بنابراین آب بندی چنین ماشین هایی به مراتب پیچیده تر از روش های استاتیکی می باشد.

اساس کار آب بندی های دینامیکی اولیه بسیار به آب بندی های استاتیکی فلنجی شباهت دارد.

در حقیقت در این نوع آب بند ها باز هم از تماس دو صفحه دیسکی استفاده میشود. اما محل قرار گرفتن اورینگ ممکن است در بین دو صفحه دیسکی نباشد. به این ترتیب اصطکاک به شکل قابل ملاحظه ای بین دو سطح دیسکی وجود خواهد داشت. برای کاهش این اصطکاک نسل جدیدی از آب بند های دینامیکی به وجود آمدند که امروزه در ماشین های متحرک به وفور و با عملکرد بسیار مناسبی مورد استفاده قرار میگیرند.

اصول آب بندی در ماشین های دوار

اصول حاکم بر جریان نشتی

اصولا در ماشین آلات متحرک حرکت اجزا از یک محور دوران تامین میشود. به همین دلیل به این نوع از ماشین آلات ماشین های دوار نیز میگویند. حرکت دورانی محور ممکن است توسط مکانیزم خاصی به حرکت های دورانی دیگر حرکت های خطی رفت و برگشتی و حرکت های نوسانی خطی یا دورانی تبدیل شود.

شکل4 میل پیستون یک کمپرسور رفت و برگشتی

شکل5 بلوک آب بند بین میل پیستون و سیلندر

بین میل پیستون و بدنه سیلندر یک فضای باز وجود دارد. هنگام برگشت پیستون به سمت راست فشار گاز درون سیلندر نسبت به فشار محیط بیرون از سیلندر افزایش مییابد. این اختلاف فشار بین دو محیط باعث جریان یافتن سیال از قسمت با فشار بالاتر به سمت ناحیه با فشار کمتر میشود. در حقیقت فضای بین میل پیستون و سیلندر مثل یک لوله مجرای عبور جریان میشود و جریان از این فضا به سمت ناحیه کم فشار برقرار میشود. برای جلوگیری یا کاهش نشتی باید این فضا توسط یک بلوک آب بند پر شود.

در بسیاری از موارد دیگر به جای یک میل پیستون که حرکت رفت و برگشتی دارد یک محور دورانی از پوسته گذشته و وارد فضای درونی دستگاه میشود. در این موارد نیز فضای داخلی و خارجی دستگاه باید نسبت به هم آب بندی شوند. از آنجا که تنوع این دسته از ماشین های دوار در مقایسه نوع با نوع رفت و برگشتی ها بیشتر است بیشتر آب بند های ساخته شده برای این نوع ماشین ها طراحی و به صورت استاندارد دسته بندی شده اند. پمپ ها کمپرسورها و توربین ها نمونه های معمول این دسته از ماشین های دوار هستند. اصولا بحث آب بندی در محور های دورانی برای تمامی ماشین های دوار هستند. اصولا بحث آب بندی را در محور های دورانی برای تمامی ماشین های از این نوع مشترک می باشد. هرچند جنس آب بند و اجزای آن به شدت به نوع سیال محیط کارکرد دما و عواملی از این دست وابسته است اما شکل ظاهری آب بند در این دسته آن چنان تفاوتی ندارد. به عبارت دیگر میتوان گفت که تمامی آب بندها از نظر شکل ظاهری برای ماشین های با محور دورانی میتواند مورد استفاده قرار گیرد. ولی درمورد میل پیستون ها از هر آب بندی نمیتوان استفاده کرد. این استثنا شامل شکل ظاهری آب بند نیز میشود.

شکل6 جریان های ثانویه در گذر از یک اوریفیس

وقتی دو سطح مختلف با هم در تماس هستند بین آنها منافذ و مجراهایی برای عبور یک ماده سیال وجود دارد. شاید این منافذ با چشم غیر مسلح دیده نشوند اما باید توجه داشت که همیشه وجود دارند. مگر اینکه این منافذ توسط ماده ای که ابتدا سیال است و در مدت زمان اندکی جامد میشود پر شود. استفاده از چسب یا مواد مذاب جوشکاری نمونه هایی از این روش ها هستند البته این مواد واسطه پس از یکپپارچه کردن دو سطح اجازه حرکت نسبی بین آنها را نمیدهند.

لذا در آب بندی محورهای متحرک باید تا اندازه ممکن طول مسیر نشتی را افزایش و قطر مشخصه مسیر نشتی را کاهش داد. طول مسیر و قطر مشخصه در مسیر نشتی همان طور و قطر آب بند نیستند. در حقیقت این دو کمیت به میزان سطح تماس جریان نشتی با جداره های صلب مسیر و الگوی جریان بستگی دارند. به عنوان مثال میدانیم که عبور جریان از یک اوریفیس باعث افت فشار د جریان میشود. در این اوریفیس طول ظاهری مسیر جریان زیاد نیست اما جریان های ثانویه ایجاد شده باعث میشود که مسیر جریان از نظر مکانیک سیالات طولانی تر شود. به عبارت ساده تر میتوان گفت که مسیر اصلی عبور جریان در امتداد محور است حال اگر بنا به دلیلی بخشی از جریان در امتداد هایی به غیر از مسیر اصلی به حرکت درآیند بخشی از انرژی سیال را به خود اختصاص داده و از انرژی مفید جریان سیال میکاهند. پس در مجموع جریان های ثانویه یاعث افت انرژی و فشار سیال میشوند به نحوی که اگر تعداد این اوریفیس ها در مسیر جریان بیشتر شوند ممکن است انرژی و فشار سیال به اندازه ای کاهش پیدا کند که دبی جریان عبوری از مسیر به صفر نزدیک شود.

در یک ماشین میزان اهمیت و قیمت اجزا نسبت به هم تفاوت میکند و بر همین اساس میتوان قطعات یک ماشین را به رده های اصلی و فرعی تجزیه کرد. مثلا واضح است که در یک پمپ محور دوران و پوسته آن اجزای اصلی هستند. درحالی که پین ها و پیچ و مهره ها اجزای فرعی میباشند. اصولا قطعات فرعی به راحتی قابل تعویض می باشند. اگر دو قطعه اصلی نسبت به هم دارای حرکت باشند. احتمال ضربه خوردن و سایش بین آنها وجود دارد. این دو پدیده باعث فرسودگی قطعات اصلی خواهد شد و در مجموع کل دستگاه عمر کافی نخواهد داشت. لذا بهتر است بین دو قطعه اصلی تماس برقرار نباشد بلکه از یک قطعه یا مجموعه واسطه استفاده شود تا اولا دو قطعه اصلی حفظ شوند و ثانیا به هدف مورد نظر برسیم. به عنوان مثال رینگ های پیستون اتومبیل به علاوه بر اینکه از تماس مستقیم پیستون و سیلندر که دو قطعه اصلی موتور اتومبیل هستند جلوگیری میکند کار آب بندی فضای داخل سیلندر را نیز انجام میدهد.

آب بندی های مکانیکی همچنین وضعیتی در ماشین های دوار دارند. در حقیقت آب بند واسطه ای بین محور و پوسته است پوسته با بخشی از آب بند و بخش دیگری از آب بند با محور در تماس هستند. بنابراین آب بندها دارای بیش از یک جزء هستند زیرا بخشی که با پوسته در تماس است باید از بخشی که با محور در تماس است مجزا باشد. برحسب اینکه بخش در تماس با محور کاملا با آن حرکت گند یا نسبت به محور تماس بدون حرکت باشد آب بند ها را به دو دسته تقسیم بندی میکنند:

1. آب بند های متصل به محور
2. آب بند های منفصل از محور

چون این سیستم های آب بند یک بخش متعلق به روتور هستند عملکرد دینامیکی ماشین را تحت تاثیر قرار میدهند. لذا پارامتر های ماند و میرایی ارتعاشی روتور بر اساس هندسه و فشار آب بند تغییر میکند. پس این موارد به هنگام طراحی سیستم آب بند باید مدنظر قرار بگیرند. علاوه بر این نکات و پارامتر های دیگری از قبیل نوع سیال درجه حرارت کارکرد دستگاه هم در انتخاب و نوع آب بند مورد نیاز تاثیر گذار هستند. ممکن است هر کدام از دو نوع آب بند فوق برای یک پمپ قابل استفاده باشند اما در سرایط کارکرد متفاوت هر یک از دو نوع نسبت به دیگری دارای مزایا و معایبی باشد.

لازه به توضیح است که آب بند های متصل به محور نسبت به آب بند های منفصل از محور قدمت بیشتری دارند و چون این آب بندها خیلی پیش تر از آب بند های نوع دوم برای آب بندی به روش مکانیکی استفاده میشدند در اصطلاح به آنها آب بند های مکانیکی نیز میگویند. آب بند های منفصل از محور نیز به روش مکانیکی گار آب بندی را انجام میدهند ولی برای مشخص کردن آنها نسبت به نوع قبلی برای آنها از اصطلاح پر کن استفاده میشود.

آب بند های متصل به محور

در این آب بند ها از دو رینگ واسطه ای برای آب بندی استفاده میشود. یکی از رینگ ها به محور متصل شده و ثابت است.

شکل7 ساختمان کلی یک آب بند متصل به محور

توسط یک مکانیزم مناسب مانند یک فنر دو رینگ توصیف شده در یک سطح تماس صاف به سمت یکدیگر فسرده میشوند. برای آب بندی خوب باید این سطح تماس تا حد ممکن صیقلی باشد. ساختمان نشان داده شده نمای ساده ای از یک چنین آب بندی است و در ادامه شکل های پیچیده تری از این نوع آب بند ها معرفی میشود که هر کدام دارای کاربردهای مخصوص به خود میباشد. اما در اینجا به صورت خلاصه به چند خصوصیت مشترک این آب بند ها میتوان اشاره کرد:

• سرعت کم محور

چون در این آب بندها تماس مستقیم بین دو رینگ ثابت و متحرک وجود دارد اصطکاک در آنها زیاد است بنابراین برای کاهش حرارت ایجاد شده و دفع آن توسط سیال خنک کننده سرعت محور نمیتواند از یک حد معین بیشتر باشد. از طرف دیگر به علت خطر افزایش دامنه ارتعاشات در دوره های بالا استفاده از چنین آب بندهایی در ماشین های یا دور بالا مناسب نیست.

• پیچیدگی قطعات آب بند

تعداد و پیچیدگی قطعات در این آب بندها نسبت به نوع منفصل از محور بیشتر است. این مطلب از دو جنبه قابل بررسی است. این ویژگی باعث افزایش مسیر جریان نشتی شده و بنابراین از نظر آب بندی مطلوب است اما پیچیده شدن و تعدد قطعات چک آب بند از نظر نصب و تعمیرات نامطلوب می باشد.

• استهلاک زیاد

همانطور که گفته شد به علت اصطکاک بین دو رینگ متصل به محور و پوسته استهلاک رینگ ها در این آب بندها زیاد است و نیاز به تعمیرات و تعویض رینگ ها در این آب بندها نسبت به انواع دیگر بیشتر است. باتوجه به پیچیدگی و تعدد قطعات این آب بند ها تعمیرات و تعویض قطعات نیز زمان زیادی را در این آب بند ها به خود اختصاص میدهد. مگر اینکه کل آب بند تعویض و در فرصت مناسب تعمیر شود. لازمه این تدبیر در دسترس بودن آب بند یدکی کامل می باشد.

• وابستگی به جنس

به علت سایش شدید در رینگ ها این نوع آب بندها وابستگی زیادی به جنس قطعات درون آن دارد. در صورتی که در نوع منفصل از محور این وابستگی زیاد نیست.

• گران بودن

پیچیدگی قطعات و جنس خاص آنها باعث میشود که این آب بندها در مقایسه با آب بندهای نوع منفصل از محور گران تر باشند.

• قابلیت کم نسبت به تعمیرات

تعمیر این نوع آب بند ها مشکلات خاص خود را دارد. این مشکلات به موارد اشاره شده قبلب بر میگردد. به همین خاطر در اکثر موارد کل آب بند تعویض میشود. در حقیقت آب بند یدکی مثل هر قطعه یدکی دیگر در انبار وجود دارد. به همین دلیل آب بند های این نوع دارای ابعاد و اندازه های استانداردی هستند که محور ها بر اساس آنها درست میشوند. ویژگی بعدی این مطلب را بیان میکند.

• طبقه بندی استاندارد شده

همانطور که گفته شد این آب بند ها به صورت یک بسته تولید میشوند که بر اساس اندازه های استاندارد محور ها طبقه بندی میشوند. به عنوان مثال شرکت برگمن در کاتالوگ خود تمامی این محصولات این دسته را طبقه بندی کرده است.

آب بند های منفصل از محور

وجود برخی نقاط ضعف در آب بند های متصل به محور لزوم طراحی و استفاده ار انواع دیگر آب بند ها را نشان میدهد. از آنجا که این آب بند ها جزیی از محور دوران محسوب میشوند عملکرد دینامیکی نامطلوب آنها در سرعت های دورانی بالا افزایش می یابد. بنابراین برای چنین ماشین هایی باید آب بند های نوع دیگری که کمترین تماس را با محور دوران دارند معرفی و به کار گرفت البته باید توجه داشت که در این نوع آب بند ها هم بین محور و آب بند تماس فیزیکی بر قرار میشود. اما این تماس فیزیکی باعث به حرکت درآمدن جزیی از آب بند نمیشود لذا در این آب بند ها همه اجزای آب بند به پوسته متصل شده و نسبت به محور ساکن هستند. درواقع چون هیچ عضوی از این آب بندها با محور حرکت نمیکند به آنها نام منفصل از محور را داده ایم.

این آب بند ها قابلیت مکانیکی خوبی دارند و به صورت گسترده ای در ماشین های دوار با سرعت بالا مورد استفاده قرار میگیرند.

دو نوع آب بند منفصل از محور وجود دارد:

1. آب بند های دندانه ای
2. آب بند های حلقوی

شکل8 آب بند های دندانه ای

به صورت خلاصه به چند خصوصیت مشترک این آب بند ها اشاره میکنیم:

1. سرعت زیاد محور به علت اصطکاک کمتر نسبت به آب بند های متصل به محور و همچنین عدم تحرک اجزای آب بند سرعت دورانی محور میتواند زیاد باشد.
2. سادگی قطعات قطعات درونی این نوع آب بند ها نسبت به آب بند های متصل به محور از پیچیدگی بسیار کمتری برخوردار هستند. عدم پیچیدگی این نوع آب بند ها باز هم از دو دیدگاه قابل بررسی است.از نظر آب بندی این عدم پیچیدگی باعث کوتاه تر شدن مسیر نشتی میشود. بنابراین این آب بند ها نسبت به دسته قبلی یک مزیت محسوب میشود.
3. استهلاک کمتر به علت اصطکاک کمتر در این آب بند ها استهلاک آب بند در مقاسیه با نوع قبلی کمتر می باشد.
4. تنوع جنس جنس قسمت های آب بند کننده در این نوع آب بند ها نسبت به آب بند های قبلی تنوع بیشتری دارد. این ویژگی باعث میشود به هنگام بهینه سازی یا تعمیر آب بند آزادی عمل بیشتری در اختیار کاربر باشد.
5. ارزان بودن با توجه به ساده بودن ساختمان این آب بند ها میتوان پیش بینی کرد که قیمت تمام شده این نوع آب بند ها در مقایسه با نوع قبلی کمتر باشد.
6. قابلیت زیاد نسبت به تعمیرات به علت سادگی و تنوع جنسی زیاد این آب بند ها قابلیت های تعمیراتی آنها زیاد است. در ماشین هایی که از این نوع آب بند ها استفاده میکنند دسترسی به آب بند و باز کردن آن بسیار آسان و ساده است. لذا انجام عملیات تعمیرات و تنظیم روی آنها مشکل زیادی نخواهد داشت.
7. طراحی و ساخت سفارشی این نوع آب بند ها به همراه ماشین طراحی ساخته میشوند و مثل آب بند های نوع اول دارای ابعاد و طبقه بندی استانداردی نیستند. البته برخی انواع حلقوی آنها تحت شرایط خاصی میتواند برای چند نوع ماشین با ابعاد مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

آب بندی به روش ترکیبی

در برخی از آب بند های نوع متصل به محور برای آب بند کردن فضای درون آب بند نسبت به محیط پیرامونی دستگاه و نیز برای کمک به آب بند از یک آب بند منفصل از محور نیز استفاده میشود. در این موارد معمولا از لابیرنت در بیرون آب بند استفاده میشود.

شکل9 آب بند متصل به محور با لابیرنت بیرونی

این سیستم ترکیبی بیشتر برای محور هایی که در محیط های کثیف یا مرطوب کار میکنند استفاده میشود. باتوجه به مشکل بودن تعمیرات آب بند های متصل به محور ممکن است نفوذ گرد و غبار چربی های کثیف و رطوبت به داخل آب بند خساراتی به قطعات داخل آن به خصوص رینگ های آب بندی وارد کند که در این صورت لابیرنت بیرونی میتواند به خوبی از نفوذ این مواد به داخل آب بند جلوگیری کند.

آب بند‌های متصل به محور

ساختمان کلی آب بند

در این نوع آب بند ها یک سطح آب بندی متحرک بین دو سطح صیقلی به وجود می آید. سطح آب بندی در صفحه ای عمود بر محور دوران قرار میگیرد و نیرویی که سطوح آب بندی را در تماس یکدیگر نگه دارد باید در امتداد محور باشد. به طور کلی آب بندی در چهار منطقه انجام می شود.

1. سطح بلوک آب بند در تماس با پوسته باید آب بندی شود. این سطح تماس بین دو فلز بدون حرکت آب بندی میشود لذا از روش های آب بندی استاتیکی میتوان استفاده کرد.
2. سطح بین محور و رینگ متصل به آن باید آب بندی شود. این دو سطح نیز نسبت به هم دارای حرکت نسبی نیستند پس آنها را هم به روش های استاتیکی می توان آب بندی کرد.
3. سطح بین رینگ آب بندی ثابت و بدنه بلوک آب بند باید آب بندی شود. این دو سطح نیز نسبت به هم دارای حرکت نیستند و از روش های آب بندی استاتیکی میتوان برای آنها بهره گرفت.
4. سطح بین رینگ اب بند ثابت و رینگ آب بند متحرک که تحت تاثیر نیروی فنر قرار دارند باید آب بندی شود. این سطوح نسبت به هم حرکت دارند. بنابراین باید به روش دینامیکی آب بندی شوند. لذا سطح تماس در این منطقه باید دارای صافی سطح بسیار بالایی باشد. از آنجا که این حرکت نسبی باعث اصطکاک میشود و در اثر اصطکاک حرارت تولید میشود روانکاری این سطح از اهمیت زیادی برخوردار است.

اصولا این نوع آب بند ها شامل 4 قسمت اصلی زیر هستند:

• رینگ آب بندی دوار
• رینگ آب بندی ثابت
• عضو فنری برای فشردن دو رینگ آب بندی
• آب بند های استاتیکی

آب بند های متعادل و نامتعادل

نیروی فشارنده سطوح آب بندی از جدا شدن این دو سطح جلوگیری میکند. در صورتی که فشار درون ماشین زیاد باشد این نیروی فشارنده از همان فشار سیال میتواند تامین شود.

شکل10 نیروی ناشی از فشار سیال رینگ آب بندی متصل به محور را ثابت میفشارد

در این شکل فشار درون ماشین زیاد است و اعمال این فشار به سطح رینگ متصل به محور نیرویی در جهت محور و به سمت رینگ ثابت وارد میکند.

در صورتی که فشار درون ماشین کاهش یابد ممکن است آب بندی دچار ضعف شود. لذا به کار گرفتن یک عضو مکانیکی مثل فنر لازم به نظر میرسد تا در صورت افت فشار درون ماشین نیروی فشارنده از بین نرود. در صورتی که مقطع رینگ آب بندی پله ای باشد و سیال در دو طرف این رینگ وجود داشته باشد اختلاف مساحت سطوح در تماس با سیال یک نیروی محوری روی رینگ ایجاد میکند. این نیرو به صورت جبری با نیروی فنر جمع میشود.

شکل11 آب بند نیمه متعادل

اکثر فشار وارد بر سطوح آب بند بیشتر از حد معمول شود. اصطکاک بین سطوح بیشتر میشود. در اکثر افزایش اصطکاک آب بند داغ شده و علاوه بر صدمه دیدن قطعات راندمان ماشین نیز کاهش می یابد. بنابراین بهتر است نیروی فشارنده مقدار ثابتی باشد. برای ثابت ماندن این نیرو باید تنها نیروی ناشی از فنر باشد و نیروی ناشی از فشار سیال صفر باشد. در این صورت تغییر فشار سیال تاثیری روی نیروی فشاری وارد بر سطوح آب بند نخواهد داشت. در این شرایط اصطلاحا آب بند را متعادل می نامند. برای حذف کامل نیروی ناشی از فشار سیال دو سطح طرفین رینگ که تحت تاثیر فشار سیال است باید با هم برابر باشند.

برای متعادل بودن یک آب بند فضای لازم برای جا دادن رینگ پله ای لازم است. پس اگر یک آب بند کوچک داشته باشیم نمیتوان انتظار داشت که آب بند متعادل باشد. معمولا روی محور هم باید یک پله تراشیده شده باشد.

آب بندی که متعادل نباشد اصطلاحا آب بند نامتعادل نامیده میشود.

شکل12 آب بند کاملا متعادل

آب بند های یک مرحله ای و دو مرحله ای

یکی از اصول آب بندی که به روش دینامیکی طولانی کردن مسیر نشتی است. ساختمان یک آب بند متصل به محور نیز در بخش های گذشته تشریح شد. ساختمانی که در بخش های گذشته تشریح شد حداقل قطعات لازم برای یک آب بند از این نوع را نشان میداد و تنها دارای یک سطح آب بندی به روش دینامیکی بود. آب بند ها ممکن است شکل های پیچیده تری نیز داشته باشند اما در هر صورت چهار قسمت اصلی معرفی شده را دارا هستند. در حقیقت ممکن است هر یک از چهار قسمت توصیف شده خود به قطعات ریز تری تجزیه شوند که علت آن را از دو جنبه میتوان بررسی کرد. از یک طرف با این کار مسیر نشتی جریان طولانی تر شده و آب بندی بهتر انجام میشود. از طرف دیگر چون دو رینگ آب بندی قطعاتی هستند که در معرض سایش قرار میگیرند بهتر است تا حد امکان کوچک تر بوده و بخش کمی از فضای درون آب بند را اشغال نمایند. به این ترتیب قیمت تمام شده قطعات یکی و زمان کار تعویض آنها کاهش می یابد.

در صورتی که فشار سیال درون ماشین زیاد نباشد استفاده از یک سطح آب بندی دینامیکی کافی خواهد بود. به آب بندی که تنها در یک سطح آب بندی دینامیکی را انجام میدهد آب بند یک مرحله ای میگویند.

شکل13 ساختمان آب بند یک مرحله ای

شکل14 رینگ‌های آب بندی یک آب بند یک مرحله‌ای

اگر فشار سیال درون ماشین زیاد باشد برای آب بند کردن محور بایدفشار وارد بر دو رینگ آب بندی را زیاد کرد. این امر باعث افزایش اصطکاک و دمای آب بند میشود. افزایش این دو کمیت نه تنها راندمان ماشین را کاهش میدهد بلکه ممکن است موجب تغییر ساختار شیمیایی سیال درون ماشین شود. در هر صورت انجام چنین کاری از نظر فنی درست نیست. برای رفع این مشکل آب بندی را در دو مرحله انجام میدهند. یعنی به جای استفاده از یک جفت رینگ آب بندی همزمان از دو جفت رینگ آب بندی در ساختمان آب بند بهره گرفت. این جفت رینگ جدید درست مثل جفت رینگ اولیه عمی میکنند و ساختمانی درست مشابه آنها دارند. البته اصطکاک دو جفت رینگ از اصطکاک یک جفت رینگ بیشتر است اما چون نیروی فشارنده آنها از نیروی فشارنده حالت قبل کمتر است راندمان ماشین با این ساختار به اندازه  قبل کاهش نمی یابد. تقریبا در همه مواردی که در محصولات استاندارد شده دیده میشود. نحوه قرارگیری این دو جفت رینگ آب بندی نسبت به هم متقارن است. به چنین آب بندی آب بند دو مرحله ای میگویند.

شکل15 ساختمان اب بند دو مرحله ای

شکل16 آب بند دو مرحله‌ای برش خورده

آب بندی رینگ دوار و محور

بین رینگ دوار و محور باید به روش استاتیکی آب بندی شود. رینگ های لاستیکی به خوبی میتوانند این محل را به صورت استاتیکی آب بندی کنند. مقطع رینگ لاستیکی شکل های مختلفی دارد. معمولی ترین شکل این رینگ های لاستیکی همان اورینگ هایی هستند که در آب بندی فلنج ها مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال انواع دیگری از رینگ های لاستیکی وجود دارند که سه نوع مختلف آن در شکل 17 نشان داده شده.

دو نوع رینگ با مقطع v شکل و رینگ های گوه ای شکل هایی هستند که از یک طرف رینگ دوار بین رینگ و محور جا زده میشوند و به همین علت اگر از این دو نوع استفاده شود حرکت محور در راستای خارج شدن رینگ لاستیکی از بین رینگ دوار و محور جایز نیست.

شکل17 سه نوع رینگ لاستیکی برای آب بندی محور و رینگ دوار

روغنکاری آب بند

مثل هر عضو متحرکی در ماشین ها آب بند های متصل به محور نیز به روغنکاری نیاز دارند. به خصوص که در این نوع اب بند ها تماس مستقیم بین رینگ های دوار و ثابت وجود دارد که موجب تولید گرما در اثر اطظکاک بین این دو رینگ میشود. باید توجه داشت که در اینجا نیز مثل تمام جاهای دیگر روغن علاوه بر روانکاری سطوح نقش خنک کاری این سطوح را هم به عهده دارد. البته شرط روانکاری و خنک کاری خوب این است که روغن سرد باشد و به همین دلیل روغن باید در گردش باشد.

بین سطوح در تماس با هم فضا های بسیار کوچکی وجود دارد که جریان نشتی از میان آنها عبور میکند. عملیات انجام شده در آب بند باعث طولانی تر شدن مسیر نشتی و کوچک تر شدن قطر مشخصه آن میشود اما به هر ترتیب نمیتوانند موجب صفر شدن آن شود. بنابراین نشتی بسیار کوچکی وجود خواهد داشت. اما با تزریق روغن به داخل این فضا های کوچک علاوه بر روانکاری و خنک کاری سطوح آب بندی میتوان با لایه فیلم روغن مانعی در مسیر جریان نشتی بسیار کوچک سیال اصلی به وجود آورد.

از طرف دیگر در اثر سایش سطوح ممکن است ذرات ریز جامدی در درون آب بند ایجاد شود. همچنین ممکن است ذرات گرد و غبار  از محیط اطراف وارد قسمت هایی از آب بند شوند. جریان روغن در درون آب بند میتواند نقش شوینده را هم ایفا کند و این ذرات را با خود از مسیر مناسبی به بیرون از آب بند هدایت کند.

به طور کلی روغنی که به درون آب بند وارد میشود چهار کار مفید انجام میدهد:

1. سطوح آب بندی متحرک را روانکاری میکند.
2. با انتقال حرارت ایجاد شده در اثر اصطکاک ناشی از حرکت سطوح نسبت به هم به بیرون از آب بند موجب خنک شدن آب بند میشود.
3. با تشکیل لایه نازک فیلم روغن بین سطوح مانعی در برابر جریان نشتی سیال ایجاد میکند.
4. با حمل ذرات درون آب بند به بیرون از آب بند آن را تمیزکاری میکند. برای انجام این کار ها باید مسیرهای مناسبی برای گردش روغن به درون و خارج آب بند تعبیه شود. اصولا کار روانکاری و خنک کاری باهم انجام میشود و برای آن یک مسیر جداگانه در نظر گرفته میشود که به آن مسیر روانکاری میگویند. برای تمیز کاری هم از یک مسیر جداگانه استفاده میشود که به آن مسیر تمیزکاری میگویند. همچنین برای کمک به آب بندی در یک جریان روغن با فشار بالاتر استفاده میشود که به روغن آن روغن آب بندی میگویند. برای این جریان روغن هم یک مسیر جداگانه اختصاص یافته است.

شکل18 مسیرهای ورود و خروج روغن در یک آب بند

استفاده از گاز واسطه برای کمک به آب بندی

از یک گاز واسطه هم برای کمک به آب بندی میتوان استفاده کرد. برای این کار فشار گاز واسطه باید کمتر از فشار درون و بیشتر از فشار بیرون ماشین باشد. این گاز واسطه با اعمال فشار در خلاف جهت جریان نشتی و کمک رینگ های آب بندی از جریان پیدا کردن سیال درون ماشین به بیرون از آن جلوگیری میکند. افزایش بیش از حد فشار گاز در درون آب بند نه تنها به آب بندی کمک نمیکند بلکه ممکن است به آن خسارت وارد کند. پس مسیری هم برای خروج گاز در این شرایط باید در نظر گرفته شود.

آب بند‌های منفصل از محور

آب بند های متصل به محور دارای مزایا و معایب مختلفی هستند تا زمانی که خصوصیات سرویس دهی آب بند از قبیل محل نصب محیط کار و فشار آب بندی مشخص نشود نمیتوان درمورد کمبود یا مزیت آب بند نظر قطعی داد. اما یکی از معایب آب بندهای متصل به محور تماس زیاد دو رینگ آب بندی در آن است که باعث افت راندمان دستگاه میشود. علاوه بر این وجود قطعات متحرک در این آب بندها مشکلات خاص خود را دارد. به عنوان مثال در هنگام تعمیرات باید اکثر قطعات ماشین که در ارتباط با آب بند هستند باز شوند و در ضمن امکان تنظیم آب بند حین سرویس دهی ماشین وجود ندارد. درحالی که اگر در آب بند هیچ قطعه ای به صورت مستقیم به محور متصل نباشد این محدودیت ها مرتفع خواهند شد.

بر همین اساس رسته دیگری از آب بند ها طراحی و ساخته شدند که قابلیت های فوق را داشته باشند. در این آب بند ها هیچ قطعه ای به محور متصل نیست و بنابراین تمام قطعات ثابت هستند. البته باید توجه داشت که بین محور و قطعات آب بند تماس برقرار میشود اما این نوع تماس با شکل آن در آب بند های متصل به محور تفاوت دارد. در حقیقت در شرایط این نوع تماس با شکل آن در آب بند های متصل به محور تفاوت دارد. در حقیقت در شرایط تنظیم صحیح آب بند اصطکاک ایجاد شده در مقایشه با مقدار آن در آب بند های نوع قبل کمتر است. چون توان حرارتی ناشی از اصطکاک با سرعت دورانی محوری که با این نوع آب بند ها در دو نوع دندانه ای و سپس دو زیر مجموعه آب بند های حلقوی برسی میشوند.

آب بند‌های دندانه‌ای

آب بند های دندانه ای یا لابرینت ها ساده ترین لوازم آب بندی هستند.

شکل19 نمونه ای از یک لابرینت با دندانه های مثلثی شیبدار

شکل سمت راست مقطع لابرینت را در صفحه ای به موازات محور نشان میدهد.

شکل سمت چپ نیز نمای سه بعدی لابرینت را نشان میدهد.

لابرینت ها شامل چند دندانه متوالی هستند که یا از روی محور و یا از روی غلاف حلقوی روی محور در پوسته دستگاه به سمت بیرون و در راستای شعاعی امتداد یافته اند.

این دندانه ها یک مسیر حلقوی اریفیس گونه در امتداد محور تشکیل میدهند.

شکل20 مسیر جریان نشتی از بین دندانه ها

تشکیل جریان های چرخشی در پشت دندانه ها باعث کاهش انرژی جریان نشتی شده و مانند مانعی در مقابل عبور جریان نشتی عمل میکند. البته این مانع جریان نشتی را به صفر تقلیل نمیدهد. زیرا طبق رابطه2 تنها زمانی نشتی صفر میشود که اختلاف فشار صفر شود. اما برای صفر کردن جریان نشتی روش هایی وجود دارد که در مباحث آتی به آن پرداخت خواهد شد.

لقی بین دندانه های لابرینت و محور از لقی بین محور و قطعات آب بندهای دیگر به صورت نسبی بیشتر است. درضمن سطح تماس دندانه ها با محور نیز نسبت به آب بند های دیگر کمتر است. بنابراین مقدار اصطکاک بین محور و دندانه ها نسبت به آب بندهای دیگر کمتر خواهد بود. لذا لابرینت ها برای ماشین هایی مورد استفاده قرار میگیرند که میزان افت راندمان مجاز در آنها بسیار اندک است.

علیرغم اینکه موارد فوق الذکر برای لابرینت ها میتواند به عنوان مزیت نسبی در نظر گرفته شود قدرت آب بندی کمتر آنها در مقایسه با آب بندی های دیگر یک ضعف نسبی محسوب میشود. برای افزایش قدرت آب بندی یک لابرینت باید تعداد دندانه های آن زیاد باشد و این مستلزم آن است که در راستای محور طول زیادی به لابرینت اختصاص داده شود. مسلم است که این طول از یک حد مجاز و معقول بیشتر نمیتواند باشد. به همین دلیل برای آب بندی مناطقی که اختلاف فشار آنها خیلی زیاد و حجم در دسترس در پوسته ماشین برای نصب مجموعه آب بند کوچک هستند نمیتوان از لابرینت استفاده کرد.

در ماشین های دواری که دارای طبقات فشاری متعددی در درون خود هستند اختلاف فشار بین طبقات زیاد نیست. مثلا در یک کمپرسور گریز از چند مرحله ای عمل تراکم در چند طبقه متوالی صورت میگیرد. هر طبقه شامل یک پروانه دوار و یک پخش کننده است. این طبقات باید نسبت به هم آب بندی شوند.

شکل21 نمایی از درون این کمپرسور

بین هر طبقه اختلاف فشار زیادی وجود ندارد و از لابرینت برای آب بندی بین طبقات میتوان استفاده کرد. مضاف بر اینکه اگر مقدار جزیی نشتی بین طبقات وجود داشته باشد سیال در درون مجموعه متراکم کننده باقی میماند.

شکل22 نمایی نزدیک تر و با جزئیات بیشتر لابرینت

در این شکل آب بندهای متصل به محور نیز نشان داده میشود.

قسمت های داخلی کمپرسور که اختلاف فشار زیادی با محیط دارند توسط آب بندهای متصل به محور آب بندی شده است. پس در یک ماشین انواع آب بندها ممکن مورد استفاده قرار گیرند.

باتوجه به توضیحات فوق میتوان نتیجه گرفت که معمولا لابرینت ها برای آب بندی قسمت های درونی ماشین هایی که با گاز سر و کار دارند مورد استفاده قرار میگیرند زیرا تراکم یا کاهش فشار گاز در یک ماشین دوار بزرگ و در طی چند مرحله که باهم اختلاف فشارهای زیادی ندارند صورت میگیرد.

این به خاطر خاصیت تراکم پذیری گاز است. بنابراین کمپرسورها توربین ها و توربین های گازی معمول ترین ماشین هایی هستند که از لابرینت استفاده میکند.

در توربین های گازی بزرگ از لابرینت ها نه تنها در موارد دینامیکی بلکه در موارد استاتیکی نیز استفاده میشود. کاربرد استاتیکی آنها زمانی لازم و مشخص میشود که دو قسمت پوسته توربین گازی نباید کاملا به هم متصل شود تا در اثر انبساط حرارتی ایجاد شده لقی لازم بین این دو قسمت در محل های معینی وجود داشته باشد. آب بندی این محل ها توسط لابرینت ها انجام میشود و نشتی در این قسمت ها به حداقل میرسد. کاربرد دینامیکی لابرینت ها در توربین ها و کمپرسور ها مربوط به آب بندی فضای بین پوسته و شرود پره های توربین و کمپرسور فضای بین پیستون تعادل و پوسته و فضای موجود بین قسمت های انتهایی روتور و پوسته می باشد.

 

مهم ترین مزیت های نسبی لابرینت ها به قرار زیر هستند:

• سادگی ساختمان آنها
• قابلیت کاربرد آنها
• تحمل ورود کثافت و گرد و غبار
• تطبیق پذیری
• ایجاد کمترین افت قدرت در شقت
• انعطاف پذیری در انتخاب جنس آن
• کمترین تاثیر روی رفتار دینامیکی روتور
• کاهش انتشار خواص جریان به بالادست
• استفاده از فشار گاز در آب بندی
• نامحدود بودن فشار در عملکرد آن
• تحمل تغییرات ناشی از انبساط حرارتی

مهم ترین نواقص لابرینت ها نیز عبارت انر از:

• نشتی زیاد
• جذب ذرات ریز که منجر به از بین رفتن قطعات حیاتی مثل یاتاقان ها میشود
• امکان مسدود شدن جریان سیال به علت پایین بودن سرعت آن

ساخت لابرینت ها ساده است و آنها را از مواد معمولی میتوان ساخت. طرح اولیه لابرینت ها به شکل دندانه های نوک تیز است که بین آنها فضای خالی وجود دارد. این دندانه های بلند نازک هستند و زود از بین میرود.

لابرینت های مدرن که دارای قابلیت عملکردی بهتری هستند شامل دندانه های درشت تری هستند و فضای بین دندانه ها کوچک تر است. در حقیقت با تغییر شکل دندانه ها مسیر نشتی طولانی تر شده و عمل آب بندی بهتر صورت میگیرد.

شکل23 لابرینت ساده

چون لابرینت با محور در تماس است و محور یک قطعه اصلی ماشین می باشد در اثر اصطکاک و تماس ایجاد شده بین این دو ساییدگی به وجود می آید. در صورتی که لابرینت از جنس نرم تری نسبت به محور ساخته شود محور ماشین ساییده نشده و صدمه نمیبیند. بلکه لابرینت به مرور زمان ساییده شده و چون نرم تراز محور می باشد آن را خراش نمیدهد. قسمت های داخلی کمپرسور که اختلاف فشار زیادی با محیط دارند توسط آب بندهای متصل به محور آب بندی شده است.

معمولا فلزات نرمی مثل آلومینیوم برنز و بایت برای ساختن لابرینت مورد استفاده قرار میگیرند. این مواد دارای استحکام خوبی بوده و البته نرم تر از فولاد به کار رفته برای ساخت محور هستند.

شکل24 لابرینت نوع شیار دار

در این نوع لابرینت ها شیار هایی روی محور ایجاد میشود. به این ترتیب دندانه های لابرینت به درون شیار های روی محور امتداد پیدا میکنند و به این ترتیب مسیر نشتی با پیچ و خم های بیشتری رو به رو میشود. این امر موجب بالا رفتن قدرت آب بندی لابرینت میشود. البته با این آرایش باید مطمئن بود که محور حرکت محوری زیادی ندارد زیرا در صورت به وجود آمدن حرکت محوری به مقداری بیش از لقی محوری دندانه های لابرینت احتمال کج شدن دندانه ها وجود خواهد داشت و این اتفاق باعث اختلال در عمل آب بندی لابرینت شکستن دندانه ها و حتی خصارت به محور میشود. این محدودیت برای لابرینت های ساده بسیار کمتر از نوع شیاردار است. به طور کلی حرکت محوری برای لابرینت ها میتواند موجب کج شدن و شکستن دندانه های آنها شود که در این صورت کار آب بندی آنها با مشکل مواجه میشود.

شکل25 آب بند دندانه ای

در حقیقت روش آب بندی در این نوع لابرینت مثل لابرینت های ساده است و فقط جای دندانه ها عوض شده است. شکل غلاف سایشی بسیار ساده است و بنابراین ساخت و نصب آن آسان است. اما درصورتیکه دندانه ها که نسبت به بقیه اجزای محور ضعیف تر اند بشکنند علاوه بر اختلال در کار آب بندی محور نیز صدمه خواهد دید.

اصولا این نوع آب بندی در پوسته های کوچک که امکان نصب لابرینت هایی از نوع قبلی وجود ندارد به کار میرود.

شکل26 لابرینت های نصب شده روی محور

درصورتی که فضای کافی بین محور و پوسته وجود داشته باشد میتوان از دو غلاف دوار و ثابت استفاده کرد. در لابرینت های قبلی یکی از سطوح در تماس با دندانه ها محور بود و به همین دلیل خطراتی محور را تهدید میکرد. در این نوع لابرینت یک غلاف دندانه دار روی محور نصب شده و با آن می چرخد. یک غلاف ثابت هم در پوسته نصب شده و با دندانه های غلاف روی محور کار آب بندی را انجام میدهند. به این ترتیب نه تنها کار آب بندی انجام میشود بلکه از محور و پوسته حفاظت شده و از تمام مزیت های لابرینت های قبلی استفاده میشود. شاید به نحوی بتوان این نوع لابرینت ها را از نظر اتصال یک بخش از آب بند به محور شبیه به آب بندهای متصل به محور در نظر گرفت.اما به هر ترتیب چون از روش دندانه ای استفاده میشود و لابرینت ها زیر مجموعه ای از آب بندهای منفصل از محور هستند باید این نوع لابرینت را هم از این مجموعه دانست.

باتوجه به فضای کافی در جهت شعاعی میتوان لابرینت را شیبدار کرد. به این ترتیب در یک فاصله محور کوچک طول لابرینت بیشتر شده و قدرت آب بندی آن بیشتر میشود.

شکل27 ورود گاز واسطه به میان دندانه های لابرینت

این شکل یک لابرینت را نشان میدهد که از میانه های آن گاز واسطه وارد شده و مانند سدی در مقابل نشتی جریان به بیرون دستگاه جلوگیری میکند. استفاده از سیال واسطه برای کمک به آب بندی به روش دینامیکی در اکثر آب بند ها معمول است. چون لابرینت ها اصولا برای ماشین هایی که با گاز کار میکنند به کار میرود در اینجا از عبارت گاز واسطه استفاده میشود.

درصورتی که روی محور از یک غلاف استوانه ای استفاده شود جنس این غلاف از مواد نرم تر مثل بابیت و برنز انتخاب میشود و در عوض جنس دندانه های لابرینت از مواد سخت مانند فولاد ساخته میشود. این ترتیب مواد به هنگام جاسازی آب بند در روی محور و محل قرار گرفتن لابرینت لقی های لازم را ایجاد کرده و در اثر ارتعاشات محور دندانه های لابرینت که نقش مهمی در عمل آب بندی دارند در اثر تماس با غلاف ساییده نمیشود. در حقیقت در چنین شرایطی دندانه های لابرینت مثل تیغه در غلاف فرو میرود و آن را خراش میدهند. به این ترتیب نه تنها صدمه ای متوجه دندانه های لابرینت نمیشود بلکه عمل آب بندی نیز بهتر انجام میشود.

اما اگر روی محور از غلاف استوانه ای استفاده نشود برای جلوگیری از صدممه دیدن محور که مهم ترین عضو یک ماشین دوار است باید دندانه های لابرینت در مقایسه با جنس محور که اصولا از فولاد است نرم تر باشد. زیرا تعویض لابرینت در زمان سرویس و تعمیرات دستگاه بسیار ساده تر و به صرفه تر از تعمیر و تعویض محور است.

وجود لبه های تیز در دندانه ها لازمه آب بندی مناسب و صحیح است. از اینرو اگر بنا به دلیلی لبه های تیز دندانه ها از بین برود کار آب بندی لابرینت مختل میشود. عمده عواملی که باعث از بین رفتن این لبه های تیز میشوند عبارت اند از:

• ارتعاشات شعاعی محور و ضربه های متوالی ناشی از آن میتواند از بین رفتن این لبه های تیز شود.
• سایش بیش از حد لابرینت نیز امکان از بین رفتن لبه های تیز را بیشتر میکند.
• وجود ذرات ریز جامد در گاز عبوری از ماشین با ضربه وارد کردن به لبه های لابرینت میتواند باعث لب پریدگی آن شود. زیرا لبه های تیز محل تمرکز تنش ها در یک جسم جامد هستند.
• حرکت محوری روتور ماشین نیز باعث کج شدن و تغییر شکل لبه های تیز لابرینت و یا شکسته شدن آن میشود.

نصب حلقه های انعطاف پذیر

بین آب بند های متصل به محور و لابرینت ها از نظر قدرت آب بندی فاصله زیادی وجود دارد. اما مزایای نسبی لابرینت ها به بیان بهتر آب بند های منفصل از محور جذابیت های زیادی را برای استفاده از این نوع آب بند ها ایجاد میکند. برای رفع تقیصه ضعف قدرت آب بندی لابرینت ها و استفاده از مزایای آب بند های منفصل از محور رسته دیگری از آب بند ه طراحی شده اند که به آب بند های حلقوی معروف اند.

این آب بند ها نیز مثل لابرینت ها متصل به محور نیستند و با تنگ کردن و طولانی کردن مسیر نشتی کار آب بندی را انجام میدهند. به این ترتیب که فاصله بین محور و پوسته که شکل استوانه حلقوی دارد توسط تعدادی حلقه های متوالی که ممکن است در درون یک غلاف حلقوی جا داده شوند پر میشود.

کل مجموعه حلقه ها و غلاف دربرگیرنده آنها بلوک آب بندب را تشکیل میدهند.

شکل28 آب بند حلقوی و آب بند متصل به محور

شکل بالا پکینگ و شکل پایین آب بند مکانیکی

بر حسب حلقه هایی که در بلوک آب بندی مورد استفاده قرار میگیرند دو نوع آب بند حلقوی وجود دارد:

1. آب بند حلقوی با حلقه های انعطاف پذیر
2. آب بند حلقوی با حلقه های صلب

پکینک با حلقه های انعطاف پذیر

در این پکینگ ها حلقه های آب بندی از جنس انعطاف پذیر انتخاب میشوند. انعطاف پذیری حلقه ها مزایا و معایبی را برای آب بند به وجود می آورد. بنابراین در انتخاب آن باید دقت کرد این حلقه های انعطاف پذیر باید استحکام لازم را برای مقاومت در برابر نیرو های اعمال شده و سایش با محور داشته باشند.

در حقیقت انعطاف پذیر بودن حلقه ها به معنی نرمی بیش از حد حلقه نیست. مثلا یک اورینگ لاستیکی هم یک حلقه است اما این اورینگ استحکام لازم برای مقاومت در برابر نیروها را ندارد و با اعمال کمترین نیرو به قدری تغییر شکل میدهد که ممکن است از فاصله بین محور و جعبه آب بند بیرون بزند. پس حلقه های مورد نظر در پکینگ باید انعطاف پذیری نسبی داشته باشند و تغییر شکل اندکی را تحمل کنند.

معمولا این مواد به صورت رشته هایی با مقطع دایره یا مربع مستطیل تولید میشوند. این رشته ها یه شکل های مختلفی ساخته میشوند. در بعضی از آنها یک مغزی از جنس لاستیک فشرده و یا حتی فلز نزم وجود دارد و روی این مغزی با الیاف مختلفی بافته میشود. وجود این الیاف بافته شده علاوه بر دادن استحکام و انعطاف پذیری مناسب به علت متخلخل بودن آن منبع ذخیره روغن میشود که برای روانکاری و حتی آب بندی به کمک لایه سیال مفید است. همچنین فشرده کردن تکه های مواد نرم مثل لاستیک و تفلون نیز یکی از زوش های تولید این رشته ها است.

شکل29 انواع بافت رشته ها برای پکینگ های مختلف

نصب حلقه های انعطاف پذیر

برای نصب حلقه های انعطاف پذیر روی محور ابتدا باید آنها را از فرم رشته ای به شکل حلقه های دایره ای درآورد. برای این کار رشته را روی استوانه ای که قطر آن کمی از قطر محور اصلی کوچک تر است میپیچند. این استوانه ماندرل نامیده میشود.

شکل30 نحوه پیچیدن رشته روی ماندرل

وقتی تعداد حلقه های مارپیچ پیچیده شده روی ماندرل به اندازه تعداد حلقه های مورد نیاز شد در امتداد محور و روی یک خط راست با یک دستگاه برنده مارپیچ برش داده میشود.

سپس به روشی که نشان داده شده حلقه ها از روی ماندرل درآورده میشوند. حال تک تک حلقه ها به روشی عکس روش درآوردن آنها از روی ماندرل روی محور اصلی قرار میگیرند. پس از قرار گرفتن هر حلقه روی محور به آرامی به درون جعبه آب بند هدایت میشود به نحوی که رینگ بدون پیچش روی محور و به آرامی به درون جعبه آب بند هدایت میشود به نحوی که رینگ بدون پیچش روی محور و به سمت داخل جعبه آب بند بلغزد. همه رینگ ها به این روش به درون جعبه آب بندی هدایت میشوند.

پس از جا گرفتن تمام رینگ های آب بندی و رینگ فانوسی که برای روغنکاری در محل مناسبی نصب میشود در پوش آب بند به جعبه آب بند متصل شده و به اندازه مناسب محکم میشود. مقدار سفت شدن گلند بسیار اهمیت دارد. اگر گلند به اندازه کافی سفت نشود کار آب بندی به درستی انجام نمیشود و اگر گلند بیش از حد سفت شود رینگ ها در راستای محوری فشرده شده و به علت انعطاف پذیری در راستای شعاعی کشیدگی پیدا میکنند. به همین علت اصطکاک بین محور و رینگ ها بیشتر میشود و بلوک آب بند زود گرم و داغ میشود که موجب کاهش راندمان ماشین و از بین رفتن آب بند خواهد شد. درضمن افزایش دمای آب بند و محور ممکن است روی سیال عبوری از ماشین هم تاثیر نامطلوب بگذارد.

از آنجا که رینگ ها یکپارچه نیستند در هنگامتعمیرات نیازی به باز کردن کل مجموعه ماشین نیست. زیرا رینگ ها به راحتی به همان روشی که از روی ماندول باز میشدند از روی محور نیز درآورده میشوند و بنابراین در هنگام تعویض آنها نیازی به باز کردن کوپلیمگ محور ماشین و محرک آن نیست. این یکی از مزیت های پکینگ ها نسبت به آب بند های مکانیکی است. زیرا برای درآوردن رینگ های آب بندی مکانیکی باید محور از درون آب بند خارج شود و این امر مستلزم باز کردن پوکوپلینگ است.

روانکاری پکینگ با رینگ های انعطاف پذیر

به طور کلی تمامی مطالبی که درمورد فواید جریان روغن در آب بندهای مکانیکی گفته شد درمورد پکینگ ها نیز صدق میکند. سطح تماس رینگ ها با محور روانکاری شود تا از سایش بیش از حد رینگ ها جلوگیری شود. درضمن جریال سیال روانکار باعث خنک شدن رینگ ها هم میشود.

سیال روانکار میتواند روغن یا خود مایع عبوری از ماشین باشد. در هر صورت باید توجه داشت که روانکار مایع است. در بسیاری از پمپ ها آب از خود آب برای روانکاری و تمیزکاری بلوک آب بند استفاده میشود. برای تزریق روانکار به درون مجموعه رینگ ها از یک رینگ فانوسی استفاده میشود.

شکل31 تزریق روانکار از طریق رینگ فانوسی

رینگ فانوسی معمولا به صورت سه تکه و از جنس فلزی ساخته میشود. در جداره این رینگ سوراخ ها و حفره های متعددی وجود دارد که به واقع توزیع کننده جریان روانکار به اطراف هستند.

اگر روانکار پکینگ یک پمپ آب از آب عبوری تشکیل شود چون فشار روانکار باید بیشتر از فشار ورودی پمپ باشد باید از خروجی پمپ یک انشعاب گرفته و به درون پکینگ تزریق شود. آب عبوری از پمپ ممکن است تمیز و عاری از شن و ماسه و به طور کلی ذرات جامد معلق باشد. اگر آب دارای ذرات جامد زیادی باشد باید در مسیر انشعابی از یک صافی استفاده شود. البته این صافی نمیتواند تا حد زیادی ذرات معلق را از آب بگیرد. به همین دلیل بر حسب خلوص آب عبوری از پمپ محل نصب رینگ فانوسی و مجرای ورودی آن متفاوت خواهد بود.

به طور کلی هرچه قدر خلوص آب عبوری از پمپ کمتر باشد رینگ فانوسی به پروانه پمپ نزدیک تر خواهد بود زیرا روانکار تزریقی که از خلوص زیادی برخوردار است لایه ای در مقابل نفوذ جریان ناخالص به درون رینگ های پکینگ ایجاد میکند.

شکل32 سه حالت مختلف برای محل تزریق جریان روانکار

جنس بعضی از پکینگ ها به گونه ای است که ذاتا چرب هستند. این پکینگ ها معمولا متخلخل هستند و با ماده ای مانند گریس از چربی اشباع میشوند. اگر از چنین پکینگ هایی استفاده شود نیازی به جریان روانکار نیست و البته تا زمانی که پکینگ چرب باشد از آن میتوان استفاده کرد. به خصوص در پمپ های آب به علت اینکه آب چربی را در خود حل نمیکند از این پکینگ ها میتوان استفاده کرد. البته بعد از مدتی چربی رینگ ها کم شده و به مرور رینگ ها خشک میشوند. خشک شدن رینگ ها حجم آنها را کاهش داده و علاوه بر گرم شدن پکینگ در اثر عدم روانکاری صحیح کار آب بندی هم مختل میشود. در چنین مواردی محکم کردن گلند تا حدی مشکل آب بندی را به صورت مقطعی برطرف میکند اما از استهلاک رینگ ها جلوگیری نمیکند و با گذشت زمان اندگی پکینگ غیر قابل استفاده خواهد شد.

شکل33 نحوه خشک شدن رینگ های پکینگ

چون رینگ ها این نوع پکینگ ها نباید خشک شوند در پکینگ پمپ هایی که از آب برای روانکاری استفاده میکنند یک مقدار نشتی از درون پکینگ نه تنها مجاز بلکه لازم به نظر میرسد.

پکینگ با رینگ های صلب(کربنی)

در این پکینگ ها رینگ ها از جنس کربنی و گرافیتی ساخته میشوند و مثل رینگ های قبلی انعطاف پذیر نیستند. جنس کربنی گرافیتی این رینگ ها شکل جامد و صلبی به آنها داده است اما در هنگام سایش این رینگ ها بسیار نرم تر از محور ها محسوب میشوند و به این ترتیب خصارتی متوجه محور نخواهد شد باید توجه داشت که روانکاری سطح تماس رینگ ها و محور نیز از سایش هر دو قطعه جلوگیری خواهد کرد.

این رینگ ها نیز مثل رینگ های انعطاف پذیر قابلیت تعمیرات زیادی دارند به این ترتیب که این رینگ ها نیز یکپارچه نیستند و به صورت سه تکه ساخته میشوند. نحوه ساخت این رینگ ها به این صورت است که ابتدا رینگ یکپارچه ساخته میشود و سپس در سه نقطه که در زوایای 120 درجه روی یک دایره قرار دارند برش میخورند. اگر برش در راستای شعاعی باشد:

شکل34

رینگ را شعاعی و اگر برش در جهت محیطی باشد:

شکل35

رینگ را محیطی میگویند. اصولا رینگ های محیطی روانکار بیشتری را در مجراهای برش خود ذخیره میکنند و از این نظر بهتر از رینگ های شعاعی هستند.

پس از قرار گرفتن سه تکه رینگ روی محور باید رینگ دوباره یکپارچه شود. برای این کار از یک فنر حلقوی که روی سه تکه رینگ قرار میگیرد استفاده میشود. در سطح جانبی رینگ یک شیار تعبیه شده تا فنر در درون آن قرار گیرد.

شکل36 نمونه ای از این رینگ و فنر

لازم به یادآوری است که داشتن لبه های تیز در جداره سطح داخلی رینگ برای آب بندی مطلوب لازم است و اگر لبه های این سطح داخلی گرد شوند آب بندی مختل خواهد شد.

نصب رینگ های صلب در پکینگ

رینگ های کربنی سه تکه را به شیوه های مختلفی میتوان روی محور و درون بلوک آب بندی قرار داد. ممکن است رینگ ها مثل رینگ های انعطاف پذیر پشت سر هم روی محور قرار گرفته و توسط یک نیروی محوری به هم فشرده شوند.

شکل37 رینگ کربنی شعاعی

اگر از چنین آرایشی استفاده شود بهتر است محل برش ها مقابل هم قرار نگیرند بلکه با اختلاف زاویه نسبت به هم قرار بگیرند.

آرایش دیگر به این ترتیب است که توسط بوش های پله ای برنجی هر یک از رینگ های کربنی جداگانه در یک محفظه قرار بگیرد. بوش های برنجی با محور تماس ندارند و لقی شعاعی بین آنها با محور زیاد است. این آرایش فضای بیشتری را برای تزریق روانکار ایجاد میکند. در این آرایش اندکی لقی محوری بین رینگ کربنی و بوش برنجی ممکن است وجود داشته باشد.

شکل38 ساختمان این آرایش

این آرایش علاوه بر محور های دوار برای میل پیستون ها که حرکت رفت و برگشتی دارند نیز به کار میرود. اصولا تنها نوع آب بندی که برای میل پیستون ها میتواند استفاده شود همین نوع پکینگ ها هستند و برای چنین میل پیستون هایی از آب بندی های مکانیکی و پکینگ های با رینگ انعطاف پذیر نمیتوان استفاده کرد.

از شکل ترکیبی دو آرایش فوق نیز استفاده میشود به این ترتیب که توسط بوش های برنجی مجموعه های دو یا سه رینگی از هم مجزا میشوند. در این آرایش ترکیب سه رینگی بسیار متداول است که در آن یک رینگ محیطی در بین دو رینگ شعاعی با رعایت عدم رو به رو بودن شیار ها قرار میگیرد.

شکل 39 بلوک آب بندی

روانکاری پکینگ با رینگ های صلب

در این پکینگ ها هم مثل پکینگ های قبل از یک رینگ فانوسی بین رینگ ها کربنی استفاده میشود. همانطور که قبلا گفته شد رینگ فانوسی هم مثل رینگ های کربنی سه تکه است ولی دارای حفره هایی برای تزریق روانکار به درون مجموعه است.

البته در این نوع پکینگ ها معمولا روانکار روغن میباشد و از خود سیال برای روانکاری استفاده نمیشود. لذا مثل آب بندهای مکانیکی یک سیستم روغن جانبی برای چنین پکینگ هایی لازم میباشد. فیلم روغن تشکیل شده بین سطوح داخلی رینگ های کربنی و محور علاوه بر روانکاری محور مانعی برای عبور جریان نشتی سیال ایجاد میکند.

به این ترتیب روغن تزریقی علاوه بر روانکاری نقش روغن آب بندی را هم ایفا میکند.

در بعضی کمپرسور های رفت و برگشتی گاز متراکم شونده از ماده ای است که نمیتواند با روغن در تماس باشد. در چنین وضعیتی نمیتوان رینگ ها را روغنکاری کرد. برای چنین کمپرسور هایی رینگ ها از گرافیت چرب ساخته میشوند تا نیازی به روغنکاری نداشته باشند.

البته به این ترتیب برای بالا بردن قدرت آب بندی باید از فشار گاز و تزریق آن به میان رینگ ها استفاده کرد در غیر این صورت نشتی کاملا مهار نخواهد شد. عمر چنین پکینگ هایی خیلی زیاد نیست و به تعویض های دوره ای کوتاه مدت نیاز دارند.

پکینگ های خاص

آب بندی هایی که معرفی شدند به وفور و با ابعاد و اندازه های مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. اما آب بند های خاصی هم وجود دارند که کاربرد آنها به اندازه موارد فوق الذکر نیست. اگر کلمه پکینگ را پر کن ترجمه کنیم به نظر میرسد که باید فضای اطراف محور و پوسته به شیوه ای توسط یک ماده واسطه پر شود.

شکل40 ورق نازک و پهن که به دور یک محور پیچیده شده

این ورق نرم مثل بانداژ اطراف محور را پر کرده و درست نقش همان رینگ های انعطاف پذیر را ایفا میکند. این نوع پکینگ را میتوان پکینگ ورقه ای نامید.

امروزه در بعضی از موارد پس از نصب محور برای یاتاقان آن یک جعبه آب بند بدون رینگ در پوسته نصب میشود و سپس فضای داخل جعبه آب بند با ماده ای شبیه به فوم پر میشود. این مواد در ظروف تحت فشار شکل مایع دارند و وقتی به فشار اتمسفر تزریق میشوند مثل کف شده و حالت خمیری به خود میگیرند.

سپس به سرعت جامد میشوند و فضای داخل جعبه آب بندی را پر میکنند. به این نوع پکینگ ها پکینگ تزریقی میگویند.

میزان تزریق کاملا مشخص نیست و ممکن است آب بندی به درستی صورت نگیرد.

استفاده از این موارد تزریقی به درون پکینگ های مستعمل نیز به عنوان یک روش بهبود عملکرد آنها میتواند مفید باشد. به هر شکل قدرت آب بندی پکینگ های تزریقی هیچگاه به اندازه پکینگ های معمول نخواهد بود و بنابراین پکینگ های تزریقی برای ماشین های با فشار کم میتوانند مورد استفاده قرار گیرند.

هر دو نوع پکینگ خاص معرفی شده در این بخش از نظر روانکاری با مشکل مواجه هستند و برای روانکاری آنها از رینگ فانوسی نمیتوان استفاده کرد.

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید فیلم آموزشی مهندسی پمپ- بخش اول(Principle) که توسط مهندس کاویانی تدریس شده است را  از آکادمی کاشانه تهیه کنید.