روتور کمپرسور روغنی با کمپرسور بدون روغن چه فرقی دارد؟
فکر میکنید در ایران تکنولوژی تولید کمپرسور اسکرو اویل فری موجود است؟ برای اطلاع کلیک کنید. روتورهای بدون روغن باید بدون حضور هیچ روغنی درون سیلندر یا ایرند کمپرسور کار کنند. این موضوع چندین پیامد دارد:
۱. دمای کاری بالاتر: در غیبت روغن که حرارت را جذب میکند، دمای فشردهسازی در دستگاههای بدون روغن از ۱۸۰ درجه سانتیگراد عبور کرده و در سمت خروجی کمپرسور به ۳۰۰ درجه سانتیگراد میرسد. در طراحی ماشینآلات صنعتی بار حرارتی متفاوت طراحی را از اساس تغییر خواهد داد.
۲. چرخدندههای تایمینگ: در کمپرسور اسکرو روغنی روتورهای نر و ماده کاملا با یکدیگر میچرخند. این چرخش به خاطر نعمتی به نام لایهی روغن است که میان آنها جریان دارد و حرکت را از روتور محرک به روتور متحرک منتقل میکند. روتورهای بدون روغن از این نعمت محروم بوده و به جای آن به چرخدندههای گرانقیمتی خارج از سیلندر محتاجند. این چرخدندهها تضمین میکند که هیچگاه دو روتور با یکدیگر برخورد فیزیکی نداشته باشد.
۳. قیمت کمپرسور: کمپرسور اسکرو خشک یا بدون روغن ۴ تا ۶ برابر از کمپرسور روغنی با سایز مشابه گرانتر است.
شکلدهی روتور کمپرسور اسکرو روغنی
با بکارگیری ترکیبی یکپارچه از CAD/CAM نقشهی روتور تهیه شده و ساخت فیزیکی آن آغاز میشود. شکلدهی روتور کمپرسور روشهای مختلفی دارد، رایجترین؟ ماشینکاری و فرزکاری
انتخاب روش بهینه به تیراژ تولید، جنس قطعه و مواد آن، دقت نهایی و همچنین قدرت سرمایهگذاری و تکنولوژیک تولیدکننده بستگی دارد.
الف) ماشینکاری و فرزکاری
این روش چندین مرحله دارد که عبارتند از یک Roughing دو Flank Milling و سه Finishing. رافینگ یا خشنتراشی در ابتدا مواد اضافی را برداشته و شکلی نزدیک به طرح نهایی را ایجاد میکند. در این مرحله اغلب از ماشینکاری غلتکی یا دستگاههای ماشینکاری تخصصیتر استفاده میشود. ماشینکاری این مرحله با دقتی در حد ۴ تا ۵ میلیمتر پیش میرود.
هابینگ یک فرایند ماشینکاری برای برش دنده، برش اسپلاین و برش چرخ دنده بر روی دستگاه است که نوع خاصی از دستگاه فرز است.
دندانهها یا خارهای چرخ دنده به تدریج در قطعه فلزی مسطح یا استوانه ای توسط ابزار برشی به نام Hob بریده میشوند. هابینگ در مقایسه با سایر فرآیندهای شکل دهی چرخدنده سریع و ارزان بوده و برای طیف وسیعی از قطعات و مقادیر استفاده میشود. هابینگ مخصوصاً برای ماشینکاری چرخ دندههای مارپیچ و خار متداول است.
در مرحلهی دوم فرزکاری جانبی انجام میشود. در این تکنیک دقت بسیار بالا میرود و طی آن بدنهی جانبی ابزاری مخروطی یا استوانهای برای ماشینکاری سطوح جانبی و پیچیدهی روتور استفاده میشود. تحقیق و توسعه کارخانجات بزرگ و پژوهشگران بر این مرحله بسیار تمرکز دارند. در اینجاست که الگوریتمهای پیشرفته برای یافتن بهترین مسیر ورود ابزار راهکار ارائه میدهند. سنگزنی برای دستیابی به کیفیت سطحی نهایی بخشی از این مرحله است.
در نهایت با پرداختکاری یا فینیشینگ قطعه به ابعاد نهایی خود میرسد. برای روتورهای نامتقارن و پیچیدهتر ناحیهی ماشینکاری به بخشهای مختلفی تقسیم میشود تا از ابزارهایی متناسب با ویژگیهای هر بخش بر روی دستگاه CNC چندمحوره استفاده شود. با این تقسیمات زمان ماشینکاری کاهش یافته و خطا در محدوده مجاز باقی میماند.
در تحقیقات اخیر، محدودیتهای دینامیکی دستگاه در مرحلهی طراحی با بکارگیری نرم افزار CFD یا دینامیک سیالات محاسباتی مدنظر قرار گرفته و بهینهسازی قابلیت دستگاه در حفظ نرخ پیشروی به بهبود چشمگیر در انحراف نیمرخ تا ۳۰ میکرومتر بهبود دقت انجامیده است. بهبود عملکرد بایستی بدون قربانی کردن عملکرد آیرودینامیکی حاصل شود.
ب) ماشینکاری تخلیه الکتریکی یا EDM
یکی از روشهای تولید پره در کمپرسور گریز از مرکز یا سانتریفیوژ استفاده از فناوری EDM است. الکترودی با قطبیت معکوس مواد را از دیسکی یکتا برش میدهد تا پره و حفرهها نمایان شود. مشابه با ماشینکاری CNC در این روش نیز ابتدا با خشنتراشی شروع شده و سپس مرحلهی پرداخت با ابزاری دقیقتر برای دستیابی به هندسهی نهایی و دقت بالا انجام میشود. مهمترین مزیت EDM توانایی ماشینکاری مواد بسیار سخت و ایجاد زوایایی است که ابزارهای برش سنتی به دشواری از پس آن برمیآیند.
ج) ریختهگری دقیق
برای برخی از طرحها ریختهگری دقیق نقطهی شروعی خیلی خوب و با شکلی نزدیک به قطعهی نهایی در اختیار قرار میدهد. قالبی سفالی از جنس سفال پلیمری تهیه شده و در کوره با دمای بالا پخته میشود. فلز مذاب به درون قالب تزریق شده و قطعه تدریجا سرد میشود. روتور حاصل از ریختهگری دقیق همچنان به عملیات تکمیلی بسیاری نیاز دارد. همچنان خشنتراشی، پرداخت قطر خارجی با دستگاه تراش و سنگزنی اصلاحی لازم است. ایجاد هندسهی پیچیده با این روش ریختهگری از مزایای آن است.
بالانس و پرداخت نهایی
ماشینکاری دقیق هندسی پایان کار یک روتور نیست. هرگونه ناهمگنی کوچک در توزیع جرم در سرعتهای بالا ارتعاشات مخربی ایجاد میکند و سرعت بهینهی روتور کمپرسور اسکرو در محدوده ۲ تا ۴ هزار دور بر دقیقه است. مراحل پایانی و تکمیلی بیشتر بر دستیابی به تعادل دینامیکی متمرکز میشود. این مرحله تکمیلی ماشینکاری شیمیایی نام دارد.
ماشینکاری شیمیایی برای بالانس فوق دقیق
پس از ساخت روتور و اندازهگیری عدم تعادلهای آن قطعه را در حمام اسید قرار میدهند. حمام اسیدی توانایی برداشت مواد ناهمگن را دارد. روتور درون حمام به گونهای جهتدهی میشود که نواحی نیازمند برداشت مواد برای تصحیح بالانس در معرض بخش فعالتری از اسید که سرعت قلمزنی بالاتری دارد قرار گیرد. با این روش برداشتی بسیار دقیق و تکرارپذیر از مواد در مقیاس میکرون انجام میشود.
کوتینگ یا پوششدهی روتور کمپرسور اویل فری
یکی از مهمترین وظایف روغن کمپرسور محافظت از سطوح در برابر خوردگی و زنگزدگی است.
در غیاب روغن لایهی روانکننده و محافظی در برابر خوردگی نداریم. روکش روتور کمپرسور این خلا را پر کرده و ۳ ویژگی مهم خواهد داشت:
این روکشها اصطلاحا خودروانکار هستند تا از اصطکاک و سایش جلوگیری شود.
روکش روتور اسکرو برای محافظت در مقابل رطوبت و گایزهای اسیدی موجود در هوای فشرده بهینه شده و در برابر خوردگی مقاوم است.
این روکشها ضرورتا در دماهای بالاتر از ۲۰۰ و حتی ۲۷۰ درجه پایداری خود را حفظ میکنند.
چه روکشهایی بر روی روتور کمپرسور اویل فری کار میشود؟
تفلون یا پلی تترا فلوئورو اتیلن مادهای پلیمری است که کمترین ضریب اصطکاک را دارد. این ماده به صورت تصادفی و در سال ۱۹۳۸ در شرکت دوپونت آمریکا متولد شده است.
معروفترین روکش کاربردی برای روتور کمپرسور اسکرو تفلون یا PTFE است. تفلون که شهرت آن از آشپزخانه و به عنوان روکش نچسب ماهیتابهها آمده است، اصطکاکی پایین داشته و برای روتور روکشی بسیار پرمصرف است. اما در مجموع ما چهار روکش مختلف را بررسی میکنیم. این روکشها عبارتند از تفلون، PEEK، دی سولفید مولیبدن و اولتراکوت اینگرسولرند نخست به سراغ تفلون برویم:
روکش پلی تترا فلوئورو اتیلن، PTFE یا تفلون
مزایای روکش تفلون برای روتورها در ۲ خاصیت اصلی آن، اصطکاک بسیار پایین و خودروانکاری عالی، نهفته است. روکشهایی که بر پایهی تفلون توسعه داده میشود کمترین ضریب اصطکاک را داشته و در وضعیت خشک این عدد در حدود ۰/۰۴ تا ۰/۰۴۷ محاسبه میشود.
روکش تفلون علاوه بر اصطکاک بسیار پایین، خودروانکار خوبی هم هست. ساختار مولکولی تفلون امکان حرکت سایشی نرم را فراهم آورده است. PTFE در تستهای سایش خشک از PEEK عملکرد بهتری دارد.
حُسن آن گفتیم، عیب آن نیز نپوشیم. روکشهای تفلونی اگرچه به هنگام پوششدهی عملکرد سایشی خوبی دارد، اما در حالت توده و قبل از عملیات مقاومت سایشی پایینی داشته و با موادی همچون دی سولفید مولیبدنوم یا گرافیت تقویت میشود. مشهورترین ضعف روکش تفلون دمای کاری آن است و این روکش تا حوالی ۲۵۰ درجه سانتیگراد پایداری مناسبی داشته و برای بسیاری از کمپرسورهای فشار معمولی ایدهال محسوب میشود.
روکش تفلون با چه تکنولوژیای بر روی روتور کمپرسور اعمال میشود؟ برای اجرای این روکش متداولترین روش پاشش مرطوب و با تفنگ اسپری است. پس از پاشش پخت در کوره انجام میشود و تکنولوژی آن چندان از رنگ و نقاشی پیشرفتهی خودرو سختتر نیست.
روکش پلی اتر اتر کتون یا PEEK
مقایسه روکشهای روتور کمپرسور اسکرو و ضرایب اصطکاک آن
پلی اتر اتر کتون ترموپلاستیکی مهندسی با عملکرد عالی است که استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی آن ستوده میشود. تحمل بار مکانیکی PEEK به مراتب بالاتر از PTFE است و این روکش تا دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد پایداری حرارتی خود را حفظ کرده و برای کاربردهای سنگین و دماهای بالا مناسب است.
در تستهای انجام شده روکشهایی که بر پایهی پلی اتر اتر کتون اعمال میشوند تا ۲ برابر اصطکاک بالاتری را در مقایسه با پلی تترا فلوئورو اتیلن نشان داده است که این مورد نقطهی ضعف آن در مقایسه با تفلون محسوب میشود. در تستهای مختلف اصطکاک و سایش ضریب اصطکاک برای PEEK بین ۰/۰۷۹ تا ۰/۰۹۲ محاسبه شده است و ضریب اصطکاک PTFE در حدود ۰/۰۴۵ است. تفلون در مسئله اصطکاک تقریبا سوپرمن است.
پلیاتر-اتر-کتون برخلاف تفلون در وضعیت روکش نیز پولکهای درشتتری است که در بلندمدت باعث سایش بیشتر میشود. ذرات تفلون ریز و صیقلی است. اگرچه این این ترموپلاستیک به صورت تزریقی هم تولید میشود، اما اجرای روکش PEEK بر روی روتور نیازمند اسپری حرارتی تخصصی و یا روشهای کامپوزیتی است.
روکش مولیبدنوم دی سولفید یا دی سولفید مولیبدن: MoS2
MoS2 روانکاری جامد با ساختار کریستالی ورقهای است که به راحتی برش خورده و عملکرد خوبی دارد. دی سولفید مولیبدن مشابه با گرافیت رفتار کرده و لایهای با اصطکاک کم میان سطوح ایجاد میکند.
تنش برشی عبارت است از مؤلفهای از تنش که بر سطح مقطع یک جسم اعمال میشود. تنش برشی از بردار نیروی عمود بر بردار نرمال سطح مقطع ناشی میشود. از سوی دیگر، تنش نرمال نیز از بردار نیروی موازی یا ناموازی نرمال سطح مقطع جسم به وجود میآید. تنش برشی را به اختصار با τ نمایش میدهند. ویکیپدیا
در صورتی که دی سولفید مولیبدن با روکش تفلون ترکیب شود مقاومت سایشی آن به شکلی معجزهآسا افزایش یافته و نرخ سایش آن فقط ۳۷۶ نانومتر مکعب بر نیوتنمتر و یک درجه مقاومتر از تمامی باقی گزینه هاست.
این روکش اگرچه مزایای جدی دارد، اما در صورتی که به تنهایی و به عنوان روکش استفاده شود در بلندمدت رفتار اصطکاکی ناپایدار و و افزایش دما نشان داده است. در اجرای دی سولفید مولیبدن بایستی مدنظر قرار داد که این ماده به عنوان پرکننده و افزودنی در ترکیب با روکشهای دیگر استفاده شده و اسپری اجرا میشود.
تولید روتور کمپرسور اویل فری و ماشینکاری
روکش روتور اسکرو چطور اعمال میشود؟
روکش روتور اویل فری با روشهایی اعمال میشود که پیچیدگی و پیشرفتگی بالایی دارند. ۳ دستهی اصلی این روشها عبارتند از:
۱- اسپری حرارتی: خانوادهای از فرآیندهاست که انرژی جنبشی و انرژی حرارتی را برای اعمال روکش و پوششدهی ترکیب میکند. مجموعهی این روشها مشتمل بر اسپری پلاسما، اسپری با کمک قوس الکتریکی، اسپری شعله و HVOF یا اسپری سوخت اکسیژنهی سریع است. از میان این چهار روش پاشش یا اسپری دو روش HVOF و پلاسما برای روکشدهی روتور کمپرسور مناسبتر است. در تمامی این روشها مادهی روکش حرارت داده شده و با سرعت بالا روی سطح روتور پرتاب میشود. نتیجهی اسپری حرارتی روکشی بادوام و ضخیم است. در ایران شرکت پودرافشان در پاشش پلاسما و HVOF تجربهی صنعتی و تجاری دارد.
۲. اسپری مرطوب یا Wet Paint Spray: این روش اسپری یا پاشش روشی سادهتر بوده و در دسترس است. مادهی پوشش در مایعی معلق شده و با تفنگ اسپری معمولی به روی روتور پاشیده میشود. پس از اسپری محلول روکش روتور اسکرو داخل کوره فرستاده شده و پخت میشود. اغلب روکشدهی تفلون با این روش انجام میشود.
۳. فرآیندهای تخصصی و پیشرفته: رسوبگذاری فیزیکی از فاز بخار یا PVD و رسوبگذاری شیمیایی از فاز بخار یا CVD از جمله روشهای پوششدهی است که برای ایجاد روکشهایی بسیار سخت، نازک و یکنواخت همچون کربن الماسگونه به کار میرود. این دو روش بسیار گران و پیشرفته است. در ایران این روشها تنها در پژوهشگاه پلیمر و در ابعاد آزمایشگاهی وجود دارد.
چرا تولید روتور اسکرو اویل فری از روتور روغنی دشوارتر است؟
تولید روتور کمپرسور اسکرو اویل فری به مراتب از روتور کمپرسور روغنی دشوارتر است و این دشواری یک دلیل واضح و مبرهن دارد: تلورانس مهندسی
در کمپرسور روغنی فیلمی از روغن کمپرسور فواصل را پوشانده و فرآیند ساخت با دقت پایینتر هم قابل تحمل است. در ساخت ماشینهای مدرن تلورانس مهندسی برای ساخت روتور در محدودهی مثبت و منفی ۵ میکرومتر بوده و چالش دشواری است.
ماشینکاری روتور کمپرسور اسکرو بدون روغن
برای کاهش نشتی در غیاب روغن بایستی روتور با تلورانس یا دقت مهندسی بسیار ریزی ماشینکاری شود. در طراحی پروفایل روتور نه تنها بازدهی کمپرسور، بلکه سهولت ساخت نیز مدنظر قرار میگیرد. استفاده از منحنیهای پیوسته و نرم امکان ساخت دقیقتر را فراهم میکند.
هندسه روتورهای اسکرو بایستی با لحاظ انبساط حرارتی پیچیده و ناهمگون لوبهای روتور، محفظه و شافت در دمای عملیاتی و کاری تعیین شود. کلیرانس یا لقی در دمای اتاق محاسبه، طراحی و ماشینکاری میشود. روکش روتور ضخامتی دقیق و یکنواخت در محدودهی یک تا سه دهم میلیمتر دارد. پیادهسازی و پرداخت چنین روکشی برای اسپریهای معمولی و روشهای جدید تزریق که دقتی در محدوده ۴ تا ۷ میلیمتر دارند چندان نتیجهبخش نیست.
روتور پس از روکشدهی ممکن است همچنان نیازمند سنگزنی و پرداخت یا Lapping باشد. تمامی این نکات گفته شده که در طراحی، ماشینکاری، مدیریت حرارتی و روکشدهی لحاظ میشود امور اضافه و دشواری است که قیمت کمپرسور اویل فری را تا ۵ برابر گرانتر از کمپرسور مشابه اسکرو و روغنی میرساند.
مقایسه روکشهای روتور کمپرسور اسکرو و ضرایب اصطکاک آن
