کنترل ارتعاش در فن ها
ابوالقاسم قادری
شرکت مهندسی جداسازی ارتعاشات
امروز فنها جزء لاینفک خطوط تولید در صنایع معدنی، سیمان و تأسیسات میباشند. استفاده از این تجهیزات موجب افزایش راندمان تولید و کاهش هزینههای تعمیرات و آسان شدن فرآیند تولید میگردد. لرزش و سر و صدا یکی از معضلات تجهیزات دوار علیالخصوص فنها میباشد. در این مقاله سعی به معرفی انواع سیستمهای لرزهگیر و نحوه کار آنها و سپس به نحوه درست گزینش لرزهگیر برای هر فن با توجه به استانداردهای روز دنیا میپردازیم.
مقدمه
این یک حقیقت است که همه چیز در دنیا در حال ارتعاش و جنبش میباشد. برای مثال هر روز زلزله میآید اما بزرگی آن مهم است. انواع موتورآلات در حال کار میلرزند. اما موقعی مورد توجه ما هستند که نیروی ارتعاش در آنها از یک حدی بیشتر شود.
اصولاً در ماشینآلات مرتعش هر نقطه ضعفی، محل شروع تخریب و شکست خواهد شد. مهندسین باید به پایش، اندازهگیری و آنالیز ارتعاشات، طبیعت مواد و جزئیات و مکانیزمهای ارتعاش مسلط شوند تا بتوانند ماشینآلات و سازههای محکم و ضدارتعاش بسازند.
دو عامل مهم یک ماشین در ارتباط با ارتعاش عبارتاند از:
۱- جرم
۲- سختی
اگر این دو فاکتور در تمام بدنه ماشین بهدرستی پخش شده باشند، ممکن است دیگر هیچ ارتعاش نکند.
وضعیت ارتعاش
اولین و مهمترین قدم، پایش، اندازهگیری و آنالیز ارتعاشات است. پس از مشخص شدن ایرادات، قدم دوم رفع عیوب است.
عیوبی نظیر:
افزایش (بالانسی)
عدم هممحوری
لقی مکانیکی
سایر اشکالات ساختاری
وظیفه مهندس آن است که تا آنجا که مقدور میباشد میزان ارتعاشات را از سرچشمه کاهش دهد. پس از رفع موارد یادشده، اگر باز هم دامنه ارتعاشات بالاتر از حد مجاز اندازهگیری شده باشد، دستگاه به سیستم لرزهگیر نیاز دارد.
شرط لازم و کافی برای اینکه یک تجهیز دوار سالهای سال بتواند خوب کار کند، آن است که علاوه بر رفع تمامی اشکالات مهم در طراحی و ساخت لرزهگیرها و سایر قطعات صنعتی، مجهز به لرزهگیر گردد.
بایستی توجه داشت که طول عمر مفید یک دستگاه ممکن است از حداکثر یک یا دو سری لرزهگیر استفاده شود. اما وضعیت ارتعاش بهطور منظم و همیشگی ادامه خواهد داشت. (شکل ۱)
آشنایی با خواص فیزیکی لاستیک
۳-۱- خواص
با توجه به اینکه لاستیک یکی از مواد مهندسی بسیار مهم در طراحی و ساخت لرزهگیرها (و سایر قطعات صنعتی نظیر تایرها) میباشد، بهطور اجمال به معرفی خواص آن میپردازیم.
دمپینگ در الاستومرها از نوع ویسکوالاستیک میباشد و عموماً بین ۰/۰۴-۰/۲۰ در لاستیکهای مختلف متغیر میباشد.
متأسفانه میرایی هنوز در طراحیهای مکانیکی یک فاکتور تأثیری و ناشناخته است. اکثر ماشینسازان با آن آشنایی ندارند. اکثر سازهها و تجهیزات ساخته شده دارای صدای پیکری هستند. وجود صدای پیکری در یک ماشین نشانگر ضعف طراحی و نادیده گرفتن دمپرهاست.
در جدول ۱ خواص مهندسی الاستومرها ذکر شده است.
انواع شاسیها
شاسی فلزی
شاسی فلزی عمومی، مدل فریم فنها میباشد و در اکثر موارد قابل استفاده است. در صورتی که احساس شود که در اثر وزن، فریم دچار خمش و ارتعاش میشود، معمولاً با افزودن تیرکهای ضربدری فولادی، سختی سازه فوق را افزایش میدهند.
تقویت شاسی بدین روش باعث افزایش سختی و صلبیت و فرکانس طبیعی مجموعه میباشد.
شاسی بتونی
برای دستگاههای سنگین و مشکلدار از این مدل بتونی استفاده میشود.
مزایای این شاسی عبارتاند از:
الف- افزایش جرم تجهیز (کمک به ایزولاسیون بهتر)
ب- پایین آوردن مرکز ثقل دستگاه و ایجاد پایداری بهتر
ج- جلوگیری از پیچش فریم
د- استفاده در تجهیزاتی که مستقیماً به موتور کوپل میشوند.
معمولاً جرم شاسی بتونی بین ۱/۵ تا ۲ برابر وزن تجهیز در نظر گرفته میشود؛ هرچه وزن مجموعه بیشتر شود، هرچه ایزولاسیون سیستم بالاتر میرود.
نکته: در هنگام ساخت فریم دستگاه بایستی به توزیع بار در طول شاسی دقت شود، چون توزیع جرمی اکثر دستگاهها ناهمگون و نامتقارن است.
برای حل این مشکل سه راه وجود دارد:
۱- استفاده از چند نوع لرزهگیر در نقاط مختلف شاسی دستگاه
۲- تغییر بر فواصل لرزهگیر و استفاده از یک نوع لرزهگیر
۳- استفاده از یک نوع لرزهگیر به صورت متقارن و تغییر نوع فریمها
روش اول به دلیل متغیر بودن ایستایی و رایج بودن انتخاب لرزهگیر مشکل است. روش دوم نیز به محاسبات و حدس و خطا دارد. بهترین روش، توزیع منظم یک نوع لرزهگیر است. در جاهایی که وزن کمتر است با تغییر دادن المان فریم مشکل حل میشود.
انواع لرزهگیرهای ماشینآلات
۱- پد لاستیکی
۲- لرزهگیرهای لاستیکی
۳- لرزهگیرهای فنری
۴- لرزهگیرهای فنری ساده، تلسکوپی، مهاردار
۵- اسپرینگ هنگر (دمپر مرکب افقی تراست)
پدهای لاستیکی
پدهای لاستیکی در اندازههای بزرگ تولید میگردند. معمولاً مصرفکنندگان به ابعاد دلخواه برش داده و سوراخکاری میکنند.
ورقهای لاستیکی در ضخامتهای ۱۰ و ۲۰ میلیمتر در بازار موجودند.
پدها برای تجهیزاتی که فرکانس کار آنها بالاتر از ۳۰۰۰ دور میباشد مناسب میباشند. (شکل ۴)
لرزهگیرهای لاستیکی
این قطعات تنوع شکلی و ابعادی زیادی دارند. شکل عمده آنها استوانهای شکل با دو عدد پلیت فولادی است که به طرفین لاستیک چسبیدهاند.
نقش پلیتهای فولادی کمک به یکنواخت کردن توزیع بار در تمام سطح لرزهگیر میباشد.
قطعات فوق معمولاً در سختی ۳۵ الی ۸۰ شور طراحی و تولید میگردند.
راندمان در محدوده سختی ۵۵-۶۵ شور حاصل میشود. ضخامت لرزهگیرهای لاستیکی و میزان بازی متغیر میباشد.
در یک مطالعه توسط قروضر مجد و همکاران به بررسی نقش ایزولاتور لاستیکی در کاهش میزان ارتعاشات فن پرداختند.
یافتههای این مطالعه نشان میدهد که ایزولاتورهای لاستیکی در فنهای با دور موتور بالاتر از ۲۰۰۰ خوب عمل میکنند. برای نمونه سرعت ارتعاش را از … به … میکرواینچ بر ثانیه میرساند. فن مورد مطالعه دارای دور موتور ۲۵۰۰ بوده است.
لرزهگیر فنری ساده
این نوع لرزهگیرها دارای ظرفیت … بوده و در ظرفیتهای ۵۰ تا ۲ کیلوگرم تولید و عرضه میگردند.
طبق توصیه استاندارد اشری فقط در مناطق غیرزلزلهخیز قابل استفاده هستند. به دلیل اینکه نیروی افقی زلزله و وزن دستگاه، تماماً در نهایت به فنر وارد میشود و باعث شکستن فنر و واژگونی تجهیز میگردد، برای رفع این مشکل در طرفین دستگاه مهاربند زلزله نصب میشود.
لرزهگیرهای تلسکوپی
این مدل دارای بدنه فولادی بوده و طراحی بدنه به شکلی است که در مقابل نیروهای افقی زلزله مقاومت مینماید. سایر مشخصات آنها شبیه فنری ساده میباشد.
از لرزهگیرهای تلسکوپی برای فنهای سنگین در روی زمین و فنهای با وزن متوسط و سبک در طبقات استفاده میشود.
لرزهگیر مهاردار
این قطعات با نام … شناخته میشوند و شامل یک فنر ساده و فاصلهانداز و مهار در یک بدنه فولادی میباشند.
مزایای لرزهگیرهای مهاردار عبارتاند از:
۱- مقاومت در برابر نیروهای برشی و قائم زلزله
۲- قابلیت درجا برای تعویض فنر، بدون نیاز به جرثقیل و بلند کردن دستگاه
۳- قابلیت تحمل بار حداکثر تا ۱۰٬۰۰۰ کیلو و ۱۰۰ میلیمتر بازی
۴- قابلیت تنظیم ارتفاع لرزهگیر (تراز کردن دستگاه)
توصیه استاندارد اشری این است که در طبقات بالا در سازههایی که عرض دهانه بالاتر از ۶ متر دارند و نیز دستگاههای گرانقیمت و سنگین حتماً از مدل فنری مهاردار استفاده شود. (شکل ۷)
اسپرینگ هنگر
اسپرینگ هنگر جهت تعلیق خطوط لوله و داکت از دیوارهها و سقف از لرزهگیرهای آویزانی استفاده میشود. این لرزهگیرها در ظرفیت و اشکال متفاوت تولید میگردند.
دمپر افقی مهاردار
اتصالات، شکل یک المان افقی انعطافپذیر بوده و از انتقال لرزش و صدا و حرکات فن به اطراف جلوگیری میکنند.
در واقع ترکیب یک سیستم لرزهگیر متشکل از چند هنگر و لرزهگیر فنری ساده و یک دمپر لاستیکی یا پارچهای تصور میباشد. به دلیل طراحی هوشمندانهاش از انتقال حرکات و لرزش و سروصدا به اطراف جلوگیری میکند. (شکل 8)
چگونه یک لرزهگیر مناسب دستگاه را انتخاب کنیم؟
کنترل ارتعاش در فن ها
امروزه حذف صددرصدی ارتعاشات یک ماشین دیگر ایدهای … نیست.
بیات و همکاران [۳] که در زمینه آکوستیک و ارتعاش در تجهیزات دقیق کار میکنند، در یک پروژه جدید توانستند میزان ارتعاش را از ۱۶۰۰۰ میکرواینچ بر ثانیه به سطح ۸۰ تا ۱۰۰ برسانند که حدود ۵۰ درصد کمتر از کمترین حد مجاز ارتعاش توصیهشده توسط استاندارد اشری است.
ساخت ایزولاتور فنری با ارتفاع زیاد (۶۸۰ میلیمتر) به همراه کاسهاندازهای لاستیکی و یک سری تمهیدات فنی دیگر این امکان را فراهم کرده است. (شکل ۹)
هدف از نوشتن مقاله آشنایی با انواع لرزهگیر و مقایسه آنها با یکدیگر و نحوه درست کاربرد آنها در تجهیزات دوار است. به همین سبب مجموعهای کامل در قالب یک مثال کاربردی تهیه کردیم که در عین سادگی، بسیار کارآمد و مفید باشد.
جهت مشخص کردن انواع لرزهگیر بایستی مراحل زیر به ترتیب انجام گردند:
۱- وزن دستگاه
۲- تعیین فرکانس کار دستگاه
۳- انتخاب تعداد پایه مناسب برای لرزهگیر
۴- انتخاب یک درجه ایزولاسیون دلخواه مناسب (مثلاً ۹۰ درصد)
۵- سپس با استفاده از فرمولهای زیر میزان بازی و سختی لرزهگیر به دست میآید.
مثال ۱: یک دستگاه فن به وزن ۴۳۰۰ کیلوگرم و دور موتور ۲۵۰۰ دارای شش نقطه جای لرزهگیر است، با فرض نصب دستگاه در کف سالن تولید و راندمان ایزولاسیون ۹۰ درصد مطلوب است.
الف- فرکانس طبیعی سیستم
ب- میزان سختی و بازی لرزهگیر
ج- اگر جنس لرزهگیر از لاستیک بوتیل با دمپینگ … باشد، میزان انتقال در نقطه تشدید چقدر است؟
حل: ابتدا با استفاده از فرمول (۱) میزان انتقال به دست میآید.
سپس با استفاده از فرمول (۲) میزان فرکانس طبیعی سیستم تعیین میشود.
با استفاده از فرمولهای (۳) و (۴) ضریب فنریت کل سیستم به دست میآید.
از روی کاتالوگ شرکت گراب آلمان لرزهگیر مدل … برای فن مناسب میباشد.
ضریب فنریت هر لرزهگیر هم با تقسیم بر ۶ … حاصل میگردد.
میزان بازی نیز از فرمول (۴) به مقدار … به دست میآید.
از فرمول … مقدار انتقال ارتعاش حداکثر … به دست میآید. این ضریب مربوط به انتقال در جایی است که تشدید رخ میدهد.
مثال ۲: با فرض دور موتور ۷۵۰ … مسئله مثال (۱) را دوباره حل کنید.
در این صورت با استفاده از فرمولهای … موارد به دست میآید.
مثال ۳: با فرض اینکه دستگاه مثال (۲) روی پشتبام و در منطقه با پتانسیل لرزهخیزی بالا نصب شده باشد چکار باید کرد؟
حل: آیتمهای مثال (۲) بدون هیچگونه تغییری درست میباشد. فقط به دلیل وجود حرکات قائم (در مناطق زلزلهخیز نزدیک گسلها ترکیبی از حرکات قائم و افقی داریم) بهتر است از لرزهگیر مهاردار … استفاده شود تا در مقابل سقوط دستگاه مقاومت کند.
لازم به ذکر است که در سیستمهای پیچیده و با درجات آزادی بیشتر نیاز به محاسبه چندین ضریب فنریت و فرکانس طبیعی میباشد. در این گونه موارد برای تحلیل و محاسبات ارتعاشی از نرمافزارهای مهندسی استفاده میشود.
نتیجهگیری
امروزه لرزهگیرها نقش انکارناپذیری در صنعت ساختمان و کارخانجات، نظیر معادن، سیمان، نیروگاه و خودروسازی دارند.
در این مقاله به اختصار در مورد خواص فیزیکی و دینامیکی لرزهگیرها و چگونگی رفتار آنها در مقابل ارتعاشات و نحوه درست کاربرد آنها بحث شد.
خوشبختانه هماکنون دانش فنی طراحی و ساخت این قطعات در کشور ما نهادینه شده است. امید است با توجه به محدودیتهای ارزی سالهای اخیر و لزوم صرفهجویی صنعتی، استفاده از این محصولات روزبهروز در واحدهای صنعتی کشور گسترش یابد.
منابع:
۱- فرهاد د قروهر مجد، لیلا مقصودیان و سمیرا برکات، «بررسی نقش ایزولاتورهای لاستیکی در کاهش میزان ارتعاشات فن»، ۱۳۹۴.
۲- ابوالقاسم قادری، «بررسی ویژگیهای لاستیک طبیعی با میرایی بالا در جداسازهای لرزهای»، مجله مهندسی مشاوره، بهار ۱۳۹۰.
