דרך חדשה לאיזון כוחות אטמים מכניים

משאבות הן בין המשתמשים הגדולים ביותר של אטמים מכניים. כפי שהשם מרמז, אטמים מכניים הם אטמים מסוג מגע, המובחנים מאטמים אווירודינמיים או אטמים מסוג מבוך ללא מגע.אטמים מכנייםמאופיינים גם כאטם מכני מאוזן אואטם מכני לא מאוזן. זה מתייחס לאחוז, אם בכלל, של לחץ התהליך שיכול להגיע מאחורי משטח האטם הנייח. אם משטח האטם אינו נלחץ כנגד המשטח המסתובב (כמו באטם מסוג דחיפה) או שנוזל התהליך בלחץ שיש לאטום לא יוכל להגיע מאחורי משטח האטם, לחץ התהליך יפוצץ את משטח האטם לאחור ויפתח. מתכנן האטם צריך לקחת בחשבון את כל תנאי ההפעלה כדי לתכנן אטם עם כוח הסגירה הנדרש, אך לא עם כוח רב כל כך שעומס היחידה על משטח האטם הדינמי יוצר יותר מדי חום ובלאי. זהו איזון עדין שמשפיע או שובר את אמינות המשאבה.

משטחי האטם הדינמיים על ידי מתן אפשרות לכוח פתיחה במקום הדרך המקובלת של
איזון כוח הסגירה, כמתואר לעיל. זה לא מבטל את כוח הסגירה הנדרש, אלא נותן למתכנן המשאבה ולמשתמש כפתור נוסף לסובב על ידי מתן אפשרות להסרת משקל או פריקה של פני האטם, תוך שמירה על כוח הסגירה הנדרש, ובכך מפחית חום ובלאי תוך הרחבת תנאי ההפעלה האפשריים.

אטמי גז יבשים (DGS), המשמשים לעתים קרובות במדחסים, מספקים כוח פתיחה בפני האטם. כוח זה נוצר על ידי עיקרון מיסב אווירודינמי, שבו חריצי שאיבה עדינים עוזרים לעודד גז מצד התהליך בלחץ גבוה של האטם, אל תוך הפער ולרוחב פני האטם כמיסב סרט נוזל ללא מגע.

כוח פתיחת המיסב האווירודינמי של משטח אטם גז יבש. שיפוע הקו מייצג את הנוקשות בפער. שימו לב שהפער הוא במיקרונים.
אותה תופעה מתרחשת במיסבי שמן הידרודינמיים התומכים ברוב מדחסים צנטריפוגליים גדולים ורוטורי משאבות, ונראית בתרשימי האקסצנטריות הדינמיים של הרוטור המוצגים על ידי בנטלי. אפקט זה מספק עצירה אחורית יציבה והיא מרכיב חשוב בהצלחת מיסבי שמן הידרודינמיים ו-DGS. לאטמים מכניים אין חריצי שאיבה עדינים שניתן למצוא בפני DGS אווירודינמיים. ייתכן שיש דרך להשתמש בעקרונות של מיסבי גז בלחץ חיצוני כדי לפרוק את כוח הסגירה מה...אטם מכניs.

גרפים איכותיים של פרמטרים של מיסב סרט נוזלי לעומת יחס האקסצנטריות של הגירה. הנוקשות, K, והריכוך, D, הן מינימליות כאשר הגירה נמצאת במרכז המיסב. ככל שהגירה מתקרבת לפני השטח של המיסב, הנוקשות והריכוך גדלים באופן דרמטי.

מיסבי גז אירוסטטיים בלחץ חיצוני משתמשים במקור של גז בלחץ, בעוד שמיסבים דינמיים משתמשים בתנועה היחסית בין המשטחים כדי לייצר לחץ בפער. לטכנולוגיה בלחץ חיצוני יש לפחות שני יתרונות מהותיים. ראשית, ניתן להזריק את הגז בלחץ ישירות בין פני האטם בצורה מבוקרת במקום לעודד את הגז לתוך פער האטם באמצעות חריצי שאיבה רדודים הדורשים תנועה. זה מאפשר הפרדת פני האטם לפני תחילת הסיבוב. גם אם הפאות סוחטות יחד, הן ייפתחו להתחלה ועצירה ללא חיכוך כאשר מוזרק לחץ ישירות ביניהם. בנוסף, אם האטם מתחמם, ניתן באמצעות לחץ חיצוני להגביר את הלחץ על פני האטם. הפער יגדל באופן פרופורציונלי ללחץ, אך החום מהגזירה ייפול על פונקציית קובייה של הפער. זה נותן למפעיל יכולת חדשה למנף את יצירת החום.

ישנו יתרון נוסף במדחסים בכך שאין זרימה על פני הפנים כמו ב-DGS. במקום זאת, הלחץ הגבוה ביותר נמצא בין פני האטם, והלחץ החיצוני יזרום לאטמוספירה או יתפזר לצד אחד ומדחס מהצד השני. זה מגביר את האמינות על ידי שמירה על התהליך מחוץ לפער. במשאבות זה אולי לא יתרון מכיוון שייתכן שלא רצוי לדחוף גז דחיס לתוך משאבה. גזים דחיסים בתוך משאבות עלולים לגרום לבעיות קוויטציה או פטיש אוויר. עם זאת, יהיה מעניין שיהיה אטם ללא מגע או ללא חיכוך עבור משאבות ללא החיסרון של זרימת גז לתהליך המשאבה. האם ניתן יהיה ליצור מיסב גז בלחץ חיצוני עם זרימה אפס?

פיצויים
לכל המיסבים המופעלים בלחץ חיצוני יש סוג כלשהו של פיצוי. פיצוי הוא סוג של הגבלה אשר שומרת על לחץ בעתודה. צורת הפיצוי הנפוצה ביותר היא שימוש בפתחים, אך קיימות גם טכניקות פיצוי של חריצים, מדורג ונקבוביות. פיצוי מאפשר למסבים או לפנים האטם לפעול קרוב זה לזה מבלי לגעת, מכיוון שככל שהם מתקרבים זה לזה, כך לחץ הגז ביניהם עולה, מה שדוחה את הפאות זו מזו.

כדוגמה, תחת מיסב גז מפוצה עם פתח שטוח (תמונה 3), הממוצע
הלחץ בפער יהיה שווה לעומס הכולל על המיסב חלקי שטח הפנים, זהו עומס יחידה. אם לחץ גז המקור הוא 60 פאונד לאינץ' רבוע (psi) והפנים בשטח של 10 אינץ' רבוע ויש עומס של 300 פאונד, יהיה בממוצע 30 psi בפער המיסב. בדרך כלל, הפער יהיה כ-0.0003 אינץ', ומכיוון שהפער כה קטן, הזרימה תהיה רק ​​כ-0.2 רגל מעוקב סטנדרטית לדקה (scfm). מכיוון שיש מגביל פתח ממש לפני הפער ששומר על הלחץ בעתודה, אם העומס עולה ל-400 פאונד, פער המיסב מצטמצם לכ-0.0002 אינץ', מה שמגביל את הזרימה דרך הפער למטה ב-0.1 scfm. עלייה זו במגבלה השנייה נותנת למגביל הפתח מספיק זרימה כדי לאפשר ללחץ הממוצע בפער לעלות ל-40 psi ולתמוך בעומס המוגבר.

זהו מבט צדדי חתוך של מיסב אוויר טיפוסי עם פתח הנמצא במכונת מדידת קואורדינטות (CMM). אם יש להתייחס למערכת פנאומטית כ"מיסב מפוצה", עליה להיות בעלת הגבלה במעלה הזרם של הגבלת פער המיסב.
פיצוי פתח לעומת פיצוי נקבובי
פיצוי פתח הוא צורת הפיצוי הנפוצה ביותר. פתח טיפוסי עשוי להיות בעל קוטר חור של 0.010 אינץ', אך מכיוון שהוא מזין שטח של כמה אינץ' רבועים, הוא מזין שטח גדול בכמה סדרי גודל משטחו עצמו, כך שמהירות הגז יכולה להיות גבוהה. לעתים קרובות, פתחים נחתכים במדויק מאבני אודם או ספיר כדי למנוע שחיקה של גודל הפתח וכך שינויים בביצועי המיסב. בעיה נוספת היא שבפערים מתחת ל-0.0002 אינץ', האזור סביב הפתח מתחיל לחנוק את הזרימה לשאר הפנים, ובנקודה זו מתרחשת קריסה של סרט הגז. אותו הדבר קורה בהרמה, מכיוון שרק שטח הפתח וכל החריצים זמינים להתחלת הרמה. זוהי אחת הסיבות העיקריות לכך שמיסבים בלחץ חיצוני אינם נראים בתוכניות אטימה.

זה לא המקרה עבור מיסב מפוצה נקבובי, במקום זאת הנוקשות ממשיכה לעלות.
להגדיל ככל שהעומס עולה והפער מצטמצם, בדיוק כמו במקרה של DGS (תמונה 1) ו
מיסבי שמן הידרודינמיים. במקרה של מיסבים נקבוביים בלחץ חיצוני, המיסב יהיה במצב כוח מאוזן כאשר לחץ הכניסה כפול השטח שווה לעומס הכולל על המיסב. זהו מקרה טריבולוגי מעניין מכיוון שאין הרמה או פער אוויר. תהיה אפס זרימה, אך הכוח ההידרוסטטי של לחץ האוויר כנגד המשטח הנגדי מתחת לפני המיסב עדיין מוריד את משקל העומס הכולל ומביא למקדם חיכוך כמעט אפס - למרות שהפניות עדיין במגע.

לדוגמה, אם לפנים איטום גרפיט יש שטח של 10 אינץ' רבועים וכוח סגירה של 1,000 פאונד (כ-1,000 פאונד) ולגרפיט יש מקדם חיכוך של 0.1, הוא ידרוש 100 פאונד (כ-100 פאונד) של כוח כדי להתחיל תנועה. אבל עם מקור לחץ חיצוני של 100 psi המועבר דרך הגרפיט הנקבובי לפנים שלו, לא יידרש למעשה כוח כדי להתחיל תנועה. זאת למרות העובדה שעדיין יש 1,000 פאונד (כ-1,000 פאונד) של כוח סגירה שלוחץ את שני הפאות יחד ושהפנים נמצאות במגע פיזי.

סוג של חומרי מיסב פשוטים כגון: גרפיט, פחמנים וקרמיקה כגון אלומינה וסיליקון-קרבידים הידועים לתעשיות הטורבו והם נקבוביים באופן טבעי כך שניתן להשתמש בהם כמיסבים בלחץ חיצוני שהם מיסבי סרט נוזל שאינם במגע. קיימת פונקציה היברידית שבה לחץ חיצוני משמש כדי לפרוק את לחץ המגע או את כוח הסגירה של האטם מהטריבולוגיה המתרחשת בפני האטם הנמצאים במגע. זה מאפשר למפעיל המשאבה להתאים משהו מחוץ למשאבה כדי להתמודד עם יישומים בעייתיים ופעולות במהירות גבוהה יותר בעת שימוש באטמים מכניים.

עיקרון זה חל גם על מברשות, קומוטטורים, מעוררים או כל מוליך מגע שעשוי לשמש לקליטת נתונים או זרמים חשמליים על עצמים מסתובבים או מחוצה להם. ככל שהרוטורים מסתובבים מהר יותר וגוברים, קשה לשמור על התקנים אלה במגע עם הציר, ולעתים קרובות יש צורך להגביר את לחץ הקפיץ המחזיק אותם כנגד הציר. למרבה הצער, במיוחד במקרה של פעולה במהירות גבוהה, עלייה זו בכוח המגע גורמת גם ליותר חום ובלאי. אותו עיקרון היברידי המיושם על פני אטם מכני שתואר לעיל ניתן ליישם גם כאן, כאשר נדרש מגע פיזי למוליכות חשמלית בין החלקים הנייחים והמסתובבים. ניתן להשתמש בלחץ החיצוני כמו בלחץ מגליל הידראולי כדי להפחית את החיכוך בממשק הדינמי תוך הגדלת כוח הקפיץ או כוח הסגירה הנדרש כדי לשמור על המברשת או פני האטם במגע עם הציר המסתובב.