طراحی و توسعه کاسه نمدها

طراحی ساختار کاسه نمدها عمدتاً بر اساس شرایط عملیاتی، شرایط مونتاژ و شرایط محیطی است. عواملی مانند عملکرد آب‌بندی، عمر مفید، مواد، فرآیند تولید و راندمان اقتصادی باید در نظر گرفته شوند. هنگام طراحی یک کاسه نمد، اولین قدم انتخاب ماده آب‌بندی مناسب است. فرمولاسیون ترکیب لاستیکی مورد استفاده باید ترکیبی منطقی از خواص را ارائه دهد که الزامات مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر روغن، مقاومت در برابر سایش و عملکرد خوب فرآیند را برآورده کند.

پارامترهای استفاده و پارامترهای طراحی کاسه نمد
 

در طراحی ساختاری، پارامترهای مورد استفاده و پارامترهای طراحی باید سازگار باشند. رابطه بین پارامترهای طراحی و پارامترهای مورد استفاده را می توان در جدول 1 نشان داد.

هنگام طراحی ساختار کاسه نمد، پارامترهای ساختاری نشان داده شده در شکل زیر باید در نظر گرفته شوند.

(1) تداخل لب (d-d1)

اگر تداخل زیاد باشد، لب بیش از حد کشیده می شود و باعث پیری و سایش می شود و عمر مفید را کوتاه می کند. اگر تداخل کم باشد، عملکرد آب‌بندی ضعیف خواهد بود. از آنجایی که تداخل با نیروی شعاعی کل لب مرتبط است، باید جامع در نظر گرفته شود. مقادیر تداخل نشان داده شده در جدول 2 فقط برای مرجع هستند.

جدول 2 تداخل قطرهای مختلف شفت

(2) مقدار "R" موقعیت فنر

این مقدار یک عرض تماس نظری در طراحی است. مقدار "R" بزرگتر، عرض تماس و اصطکاک را افزایش می دهد. مقدار "R" کوچکتر برای آب‌بندی مناسب نیست. مقادیر "R" برای موقعیت های فنر در جدول 3 فقط برای مرجع هستند.

(3) طول کمر

نیروی شعاعی ارائه شده توسط طول کمر حدود 50٪ از نیروی شعاعی لب کاسه نمد است. حفظ نیروی شعاعی کم مهم است. یک راه برای دستیابی به این هدف، افزایش طول کمر کاسه نمد است. با این حال، قطر بیرونی کاسه نمد عموماً استاندارد است. حتی فضای مونتاژ غیر استاندارد نیز این عرض را محدود می کند. بنابراین، طول مستقیم کمر محدود است. این مشکل را می توان با استخراج یک بخش منحنی از قسمت مستقیم کمر حل کرد.

(4) ضخامت مقطع کمر

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که حتی تحت فشار کم، تغییر شکل نشان داده شده در شکل (A) به راحتی می‌تواند رخ دهد. ضخیم کردن ساده کمر برای توانایی لب در پیگیری خروج از مرکز مضر است. یک کمر ضخیم‌تر، عملکرد فنر را تضعیف می‌کند و در نتیجه توانایی کمتری در پیگیری خروج از مرکز نسبت به یک کمر نازک‌تر دارد. برای حل تعارض بین تغییر شکل کمر و قابلیت پیگیری، توصیه می شود که کمر را همانطور که در شکل (B) نشان داده شده است، دوباره شکل دهید. این کار باعث افزایش استحکام کمر بدون به خطر انداختن قابلیت پیگیری خروج از مرکز می شود.

(5) طول بالای سر

برخی از نمودارهای مقطع عرضی کاسه نمد، طول بالای سر (t) را برابر با شعاع شیار فنر (r) طراحی می کنند. با این حال، در حین استفاده، فنر اغلب می افتد. برای جلوگیری از افتادن فنر، طراحی باید اطمینان حاصل کند که t بزرگتر از r است، حداقل رابطه زیر را برآورده کند: t = 4/3 r.

(6) شکل شیار فنر

بسیاری از کاسه نمدها در طراحی شیار فنر اشتباه کرده اند و شعاع شیار فنر (R) و شعاع دایره فنر (r) را مقادیر متفاوتی طراحی کرده اند. تأیید تجربی نشان داده است که برخی از لب های کاسه نمد دارای دو ناحیه تماس هستند. بنابراین، هنگامی که R=r، حالت توزیع تنش لب بهترین است، فقط یک ناحیه تماس وجود دارد. با این حال، به دلیل پردازش قالب، انقباض لاستیک و غیره، اغلب ساختن این دو کاملاً برابر در تولید دشوار است. تنها راه برای حفظ یک تفاوت کوچک بین این دو، حفظ یک تفاوت کوچک بین این دو است.

(7) طراحی قاب فلزی

عملکرد اصلی قاب فلزی، تقویت استحکام ساختاری کاسه نمد است. ضخامت و روش پیکربندی آن به شرایط کاری و شرایط مونتاژ کاسه نمد بستگی دارد.

(8) سیم پیچ فنر

دو نوع فنر در کاسه نمدها استفاده می شود: فنرهای جارتر و فنرهای برگی. فنرهای جارتر متداول ترین نوع از این دو هستند. برای محاسبات قطر فنر، طول گسترده و تعداد سیم پیچ ها، به استانداردهای مربوطه و دفترچه های طراحی مکانیکی مراجعه کنید.

(9) نیروی شعاعی

نیروی شعاعی یک پارامتر بسیار مهم است. تأثیر آن بر عملکرد کاسه نمدها به شرح زیر خلاصه می شود:

1. اگر نیروی شعاعی خیلی کم باشد، عملکرد آب‌بندی ضعیف خواهد بود. 2. اگر نیروی شعاعی خیلی زیاد باشد، سایش رخ می دهد و عمر مفید کوتاه می شود. 3. نیروی شعاعی مستقیماً بر اصطکاک و دمای ناحیه تماس تأثیر می گذارد. هنگامی که نیروی شعاعی خیلی زیاد باشد، اصطکاک گرمای زیادی تولید می کند و پیری لب را تسریع می کند. 4. سایش شفت نیز تحت تأثیر نیروی شعاعی قرار دارد. 5. هنگامی که شفت و محفظه خارج از مرکز هستند، باید نیروی شعاعی مناسب اعمال شود تا اطمینان حاصل شود که لب دارای توانایی ردیابی مناسب است. 6. نیروی شعاعی فشار کاری محیط را محدود می کند. اگر فشار محیط خیلی زیاد باشد، افزایش بیشتر نیروی شعاعی عمر کاسه نمد را کوتاه می کند.

مواد کاسه نمد

در حال حاضر، کاسه نمدها عمدتاً از لاستیک مصنوعی ساخته می شوند. از آنجایی که انتخاب و طراحی ساختاری آن عوامل کلیدی هستند که بر عملکرد آب‌بندی و عمر مفید کاسه نمدها تأثیر می گذارند، درک دقیق خواص لاستیک و انتخاب ماده مناسب بسیار مهم است. مناسب ترین ماده لاستیکی برای کاسه نمدها باید بر اساس پارامترهای مربوطه کاسه نمد تعیین شود: نیروی شعاعی روی شفت باید به اندازه کافی زیاد باشد تا از نشتی جلوگیری شود، اما به اندازه کافی کم باشد تا ضخامت فیلم روغن معینی را حفظ کند تا گرمای اصطکاکی کم بماند. آب‌بند باید دارای تداخل کافی برای غلبه بر اثرات خروج از مرکز در حین کار باشد. ناحیه لب در ناحیه تماس نیز یک عامل تعیین کننده است.

مواد کاسه نمد مستقیماً بر این سه پارامتر تأثیر می گذارد. با تغییر مواد با زمان و دما، پارامترهای کلیدی نیز بر این اساس تغییر می کنند. به عنوان مثال، با افزایش دما، مدول ماده کاهش می یابد و باعث تغییر در نیروی شعاعی می شود. انبساط حرارتی، تورم مواد ناشی از محیط آب‌بندی و سختی ترکیب لاستیکی همگی بر نیروی شعاعی و تناسب تداخل تأثیر می گذارند.

به همین دلایل، هنگام انتخاب مواد کاسه نمد باید خواص زیر را در نظر گرفت: سازگاری با محیط آب‌بندی، مقاومت در برابر تورم یا سخت شدن به دلیل محیط؛ مقاومت خوب در برابر حرارت و سایش؛ و خاصیت ارتجاعی متوسط برای انطباق با تغییرات در زبری شفت و خروج از مرکز.

با توجه به تکامل مداوم فرمولاسیون مواد لاستیکی، با ظهور مواد جدید و بهبود مداوم مواد موجود، در زیر شرح مختصری از متداول ترین مواد مورد استفاده برای کاسه نمدها ارائه شده است: لاستیک نیتریل (NBR)، لاستیک پلی اکریلات (PAR)، لاستیک سیلیکون، لاستیک فلوئور (FKM) و پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE).

لاستیک نیتریل

NBR ممکن است در مقادیر بیشتری نسبت به سایر الاستومرها در تولید آب‌بند استفاده شود. NBR یک کوپلیمر از بوتادین و پروپیلن است که محتوای پروپیلن آن از 18٪ تا 40٪ متغیر است. به عنوان محتوای پروپیلن کم، متوسط و زیاد طبقه بندی می شود. در حالی که مقاومت روغن NBR با محتوای پروپیلن افزایش می یابد، انعطاف پذیری آن در دمای پایین کاهش می یابد. برای دستیابی به عملکرد خوب در دمای پایین، اغلب مقاومت در برابر سوخت ها و روغن های با دمای بالا قربانی می شود. لاستیک نیتریل دارای خواص فیزیکی عالی است و مقاومت بهتری در برابر جریان سرد، پارگی و سایش نسبت به اکثر لاستیک های دیگر دارد. با این حال، در برابر ازن، آب و هوا و نور خورشید مقاوم نیست، اگرچه این خواص را می توان از طریق طراحی فرمولاسیون بهبود بخشید. لاستیک نیتریل برای استفاده با روغن های پایه نفتی، روغن های سوخت، آب، روغن های سیلیکون و استرهای سیلیکون و مخلوط های اتیلن گلیکول مناسب است. با این حال، برای تماس با روغن های EP، هیدروکربن های هالوژنه، نیتروکربن ها، سیالات فسفات استر، کتون ها، اسیدهای قوی و برخی از مایعات ترمز خودرو مناسب نیست.

لاستیک پلی اکریلات

لاستیک پلی اکریلات (ACM) یک دوغاب امولسیون از اکریلات های آلکیل با سایر مونومرهای غیر اشباع است. اکریلات های آلکیل که معمولاً استفاده می شوند، اتیلن اتیل اکریلات و بوتیل اکریلات هستند. عملکرد لاستیک پلی اکریلات بین لاستیک نیتریل و لاستیک فلوئور قرار دارد. از آنجایی که زنجیره اصلی آن حاوی پیوندهای دوگانه نیست، مقاومت بالایی در برابر حرارت، ازن و هوازدگی نشان می دهد. وجود گروه های عملکردی کلر (Cl) یا (CM) در زنجیره های جانبی آن، مقاومت روغن آن را بیشتر می کند و امکان استفاده در روغن های داغ در دمای بین 170 درجه سانتیگراد و 180 درجه سانتیگراد را فراهم می کند. یک ویژگی کلیدی این لاستیک مقاومت عالی آن در برابر روغن معدنی، روغن های هیپربولیک و کره در دمای 178 درجه سانتیگراد است. همچنین مقاومت عالی در برابر پیری و ترک خوردگی انعطاف پذیری نشان می دهد و آن را برای کاسه نمدها مناسب می کند. معایب اصلی آن عبارتند از فرآوری ضعیف، چسبیدن به غلتک ها در حین اختلاط، عملکرد محدود در دمای پایین، مقاومت ضعیف در برابر آب و بخار، مقاومت ضعیف در برابر اتیلن گلیکول و روغن های بسیار معطر، تنظیم فشرده سازی بالا و خوردگی قابل توجه قالب ها و شفت های فلزی. خاصیت ارتجاعی، مقاومت در برابر سایش و خواص عایق الکتریکی آن نیز نسبتاً ضعیف است. علاوه بر این، به دلیل درجه اشباع بالا، سرعت ولکانیزاسیون آن کم است. در حالی که مقاومت در برابر سایش آن را می توان با فرمولاسیون مناسب به طور قابل توجهی بهبود بخشید، اما هنوز از لاستیک نیتریل کمتر است.

لاستیک سیلیکون

لاستیک سیلیکون خواص مکانیکی خود را در یک محدوده دمایی وسیع حفظ می کند و در دمای -65 درجه سانتیگراد انعطاف پذیر باقی می ماند و قادر به کارکرد طولانی مدت در دمای 230 درجه سانتیگراد است. اگرچه خواص مکانیکی آن را می توان از طریق ترکیب ویژه افزایش داد، اما مقاومت آن، مقاومت در برابر پارگی و مقاومت در برابر سایش عموماً نسبتاً ضعیف است. مقاومت آن در برابر قلیاها، اسیدهای ضعیف و ازن عموماً خوب است، اما مقاومت روغن آن متوسط است. خواص شیمیایی را می توان با عوامل ترکیب، مانند مواردی برای بهبود مقاومت در برابر روغن و سوخت، بهبود بخشید. با این حال، لاستیک سیلیکون عموماً برای استفاده در هیدروکربن ها مانند بنزین، پارافین و روغن معدنی سبک مناسب نیست، زیرا این محیط ها باعث تورم و نرم شدن آن می شوند. مزیت اصلی لاستیک سیلیکون توانایی آن در حفظ خاصیت ارتجاعی در دماهای بسیار پایین است. علاوه بر این، می تواند دماهای بالا را برای مدت طولانی بدون سخت شدن تحمل کند و آن را برای طیف وسیع تری از آب‌بندهای با دمای بالا و پایین نسبت به سایر لاستیک ها مناسب می کند. برای آب‌بندهای دوار، دمای کار آن بالاتر از لاستیک استاندارد است. با این حال، لاستیک سیلیکون گرانتر از اکثر لاستیک های دیگر است.

لاستیک فلوئوروسیلیکون یک لاستیک گرانتر است. عملکرد آن اساساً مشابه لاستیک سیلیکون است، اما دامنه کاربرد آن محدودتر است. مزیت اصلی آن مقاومت روغن آن است که با مقاومت لاستیک نیتریل قابل مقایسه یا نزدیک است. این امر به آن اجازه می دهد تا خارج از محدودیت های دمای کار لاستیک نیتریل استفاده شود و در عین حال مقاومت روغن را که لاستیک سیلیکون فاقد آن است، ارائه دهد.

لاستیک فلوئور

لاستیک فلوئور یک پلیمر اشباع شده است که حاوی اتم های فلوئور بر روی اتم های کربن در زنجیره های اصلی یا جانبی است. دارای خواص منحصر به فرد و عالی است. با مقاومت در برابر دماهای بالا، روغن ها، خوردگی شدید، حلال ها، هوازدگی، ازن، نفوذپذیری کم گاز و خواص فیزیکی عالی مشخص می شود. می تواند به طور مداوم در دماهای بین 200 درجه سانتیگراد و 250 درجه سانتیگراد کار کند. با این حال، معایب آن عملکرد ضعیف در دمای پایین و تنظیم فشرده سازی بالا است. تحقیقات قابل توجهی در داخل و خارج از کشور برای بهبود تنظیم فشرده سازی لاستیک فلوئور انجام شده است.

پلی تترا فلوئورواتیلن

پلاستیک ها عموماً نیمه سفت هستند و به طور کلی به عنوان آب‌بند استفاده نمی شوند. پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) یک استثنا است. این یک ترکیب فلوئوروکربن با خواص منحصر به فرد است، که مهمترین آن مقاومت در برابر حمله شیمیایی در یک محدوده دمای کار وسیع است. ضریب اصطکاک کمی در برابر فلزات نشان می دهد، اما بدون تقویت کننده پرکننده، استحکام مکانیکی آن کم است. PTFE به ویژه در آب‌بندهای ساخته شده از ساختارهای کامپوزیت مفید است. به عنوان مثال، PTFE ماشینکاری شده یا قالب‌گیری شده می تواند به عنوان یک سطح با اصطکاک کم و یک پوشش مقاوم در برابر مواد شیمیایی استفاده شود.

خواص مواد کاسه نمد

دمای کار مواد کاسه نمد

دمای کار یک عامل مهم است که بر عمر مفید کاسه نمدها تأثیر می گذارد. دمای کار چندین ماده کاسه نمد که معمولاً استفاده می شوند در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4 دمای کار مواد کاسه نمد که معمولاً استفاده می شوند

تغییرات عملکرد در دماهای پایین با تغییرات در دماهای بالا تفاوت قابل توجهی دارد. با کاهش دما، تقریباً تمام الاستومرها به دلیل از دست دادن انعطاف پذیری به تدریج سخت می شوند و بازیابی آنها از تغییر شکل را کند می کنند. تبلور نیز رخ می دهد، اگرچه به آرامی. قبل از اینکه ماده به شکنندگی برسد، اگر مواد الاستومری جایگزینی وجود نداشته باشد، نیروی فنر می تواند خاصیت ارتجاعی لازم را فراهم کند. در دماهای بالا، تمام الاستومرها خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهند و تمایل به نرم شدن دارند. دمای بالا همچنین پیری مواد را تسریع می کند، که معمولاً به صورت از دست دادن خاصیت ارتجاعی و افزایش تدریجی سختی و مدول ظاهر می شود.

مقاومت در برابر سایش مواد کاسه نمد

مقاومت در برابر سایش مواد یک عامل مهم برای کاسه نمدها است. مقاومت در برابر سایش لاستیک با سختی و مقاومت در برابر پارگی آن مرتبط است. به طور کلی، مقاومت در برابر سایش با افزایش سختی بهبود می یابد. مقاومت بهتر در برابر پارگی نیز منجر به مقاومت بهتر در برابر سایش می شود. علاوه بر این، مقاومت در برابر سایش یک ماده نیز تحت تأثیر عواملی مانند ضریب اصطکاک و صافی سطح جفت شونده است.

سازگاری با محیط های آب‌بندی

با جذب مایع محیط توسط ماده، حجم آن تغییر می کند. انبساط بیش از حد می تواند خواص فیزیکی و مکانیکی ماده را تخریب کند و آن را غیر قابل قبول کند. انبساط بیش از حد همچنین می تواند باعث واکنش های شیمیایی شود، مانند انحلال، فعل و انفعالات بین اجزای خاص در داخل ماده، یا شکنندگی سطح، که منجر به ترک خوردگی می شود. در این موارد، محیط آب‌بندی و ماده ناسازگار هستند. در برخی موارد، محیط آب‌بندی ممکن است مواد افزودنی مانند نرم کننده ها و آنتی اکسیدان ها را از ترکیب لاستیکی استخراج کند و ترکیب الاستومر را تغییر دهد و حتی باعث انقباض شود و منجر به نشتی شود. برای اطلاعات در مورد سازگاری مواد کاسه نمد با محیط های خاص، لطفاً به جدول 5 مراجعه کنید.

جدول 5 سازگاری مواد کاسه نمد

از موارد فوق می توان دریافت که طراحی ساختاری کاسه نمد بسیار مهم است. حتی اگر مواد کاسه نمد بسیار خوب باشد، اگر طراحی ساختاری آن غیرمنطقی باشد، آب‌بندی موثر حاصل نمی شود.