نقش بابیت در ژورنال برینگ ها

مقصود از این پست، ارائه توضیحاتی در مورد نقش بابیت در ژورنال برینگ ها و طرق مختلف خرابی در ژورنال برینگ ها و تاثیر آن بر عملکرد یک تجهیز، در قالب یک مقدمه و دو مثال عملیاتی یا Case study، است.

مقدمه

همانگونه که قبلا به عرض رسیده بود، ژورنال برینگ ها معمولا در بارگذاری ها و دورهای چرخش بالا بکار می روند. بعنوان یک شاخص عمومی، معمولا در ماشین آلات با قدرت تولیدی بیش از 500 اسب بخار یا دور بیش از 3000 دور بر دقیقه از ژورنال برینگ استفاده می شود. قبلتر از این، وظیفه اصلی ژورنال برینگ ها در کاهش اصطکاک بین دو سطح با سرعت نسبی متفاوت خلاصه می شد. اما، امروزه، از ژورنال برینگ علاوه بر کاهش اصطکاک، انتظار می رود که به روند انتقال حرارت بین دو سطح نیز کمک کرده، ذرات جامد و رسوبات جمع شده در فضای مابین دو سطح را جمع آوری کرده، و در عین حال، از قطعات گرانقیمتی مانند شفت و روتور حفاظت لازم را بعمل آورد

بمنظور انجام وظایف فوق، سطح ژورنال برینگ ها با ماده ای نرم و مسطح با عنوان بابیت پوشانده می شود که از پتانسیل بسیار بالایی برای خیس شدن بوسیله مایعات نافذی مانند روغن برخوردار است. بابیت نسبت به شوک حرارتی و سوختگی موضعی مقاوم است. اما، بسیار نرمتر از فولاد بوده و براحتی خراشیده می شود. همین، عاملی بازدارنده برای جلوگیری از آسیب رسیدن به شفت و روتور، از طریق مکانیزم فدا شوندگی، محسوب می شود. عناصر تشکیل دهنده الیاژ بابیت در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: عناصر تشکیل دهنده بابیت

همانگونه که از جدول 1 پیداست، بیش از 80 درصد بابیت را قلع تشکیل می دهد. اما، با اینکه قلع در دمای 230 درجه سلسیوس ذوب می شود، اما بابیت تا دمای 315 درجه سلسیوس، همچنان در برابر ورود به فاز مایع مقاومت می کند. همین عامل، تکیه گاهی برای ماشین است تا در دورهای بالاتر و دماهای کاری بیشتر عملکرد خود را حفظ کند. در این میان نقش فیلم روغن و ضخامت آن در یک بازه دمایی خاص (که در پست های قبلی راجع به نقش ویسکوزیته در تشکیل آن صحبت شد) بسیار حیاتی است. چراکه با تشکیل فیلم روغن، بین بابیت و سطح لغزنده فولادی روی آن (معمولا شفت یا روتور)، یک سد حرارتی تشکیل شده و در عین حال، از تماس مستقیم بابیت با فولاد و ذرات جامد رسوبی جلوگیری می شود (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: نحوه حرکت ذرات جامد بدرون لایه بابیت

از دیدگاه تئوریک، تا زمانیکه تماسی بین بابیت و سطح شفت نباشد، عمر ژورنال برینگ تضمین شده است. این بدان معنی است که یک ژورنال برینگ می تواند عمر لایتناهی داشته باشد! اما، هیچوقت این اتفاق نمی افتد! چراکه فیلم روغنی تمیزی که رفتار نیوتنی از خود نشان بدهد، عملا پس از مدتی کارکرد تجهیز و ورود ذرات مختلف بدرون آن (با منشا آهنی یا...) دیگر وجود خارجی ندارد و روغن عملا پس از مدتی معین مانند یک سمباده عمل کرده و رفتاری غیرنیوتنی از خود نشان می دهد که تمایلی به انتقال حرارت صحیح نیز از خود نشان نمی دهد. پس آلودگی و فساد جریان روغن (منظور فساد شیمیایی و حرارتی است) می تواند عامل خرابی بسیاری از ژورنال برینگ ها باشد. از سوی دیگر، بابیت نسبت به بارگذاری دینامیک غیرمتقارن نیز بسیار حساس بوده (بهم خوردگی الاینمنت) و ترک های خستگی در آن ایجاد می گردد که پس از مدتی کل بابیت را از سطح برینگ می زداید (شکل 2).

شکل 2: مراحل تخریب بابیت

از سوی دیگر، ساختار بابیت بگونه ای است که بخش کوچکی از قلع آن توسط حرارت ذوب شده و توسط فیلم عبوری روغن شسته می شود. این باعث تشکیل مسیر هایی از عبور روغن در بابیت، در اطراف بخش های سختتر پر آنتیموان و مس، شده و به تدریج کانال هایی را برای عبور روغن و خنک کاری بیشتر ایجاد کند. اما، با آلوده شدن جریان روغن و پر شدن این کانال ها از ذرات جامد، عملا مکانیزم انتقال حرارت بین ژورنال برینگ و شفت بهم می خورد. پس، عملا، همانگونه که سرعت های چرخش خیلی زیاد برای برینگ خطرناک است، سرعت چرخش پایینتر از حد معمول برای یک دوره طولانی نیز مخاطره آمیز است.

اکنون به دو مورد مطالعه خرابی موردی می پردازیم:

Case Study شماره 1: خرابی پمپ تغذیه بویلر یک توربین بخار

ژورنال برینگ یک پمپ سنگین به ناگهان طی عملکرد عادی پمپ دچار خرابی می شود (شکل 3 را ببینید). سایز ژورنال 5.75 اینچ و لقی معمول برینگ ها بین 7 تا 9 میل بود.

شکل 3: تصویری از خرابی ایجاد شده در ژورنال برینگ یک پمپ سنگین

پس از شات دان، برینگ ها از پمپ جدا شده و آنچه که به سر ژورنال برینگ ها آمده بود، در شکل های 4 تا 7 نشان داده شده است.

شکل 4: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 5: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 6: تصویری از خسارت وارده به ژورنال برینگ

شکل 7: عکسبرداری SEM از خسارت وارده به ژورنال برینگ

همانگونه که در شکل 6 مشخص است، گوشه ها و مرز های بابیت روی ژورنال ذوب شده و سپس مجددا روی بخش هایی از برینگ رسوب کرده است که این ناشی از عدم الگوی مناسبی از انتقال حرارت متوازن است. عکسبرداری الکترونی (SEM) بیانگر ریزساختار سطحی بابیت است (شکل 7) که به شکل طرح های سوزنی (مس) و مکعبی شکل (آنتیموان) در بستر قلعی ظاهر شده است. در واقع، سطح شفت با قطعات سوزنی و مکعبی مس و آنتیموان تماس داشته که از سختی بیشتری نسبت به قلع برخوردار هستند و این در حالی بوده که روغن از طریق کانال هایی که در اطراف قطعات مس و آنتیموان قرار داشته اند، جاری می شده است. پرسنل کارگاه، تشکیل قوس الکتریکی را عامل خرابی پمپ می دانستند. اما، آزمایش ها نشان دادند که هیچ قوس الکتریکی عامل سوختگی ژورنال برینگ نبوده است و تنها عامل خرابی را می توان Overheating ناشی از عدم روغنرسانی به برینگ دانست.

Case Study شماره 2: خرابی برینگ فن سانتریفیوژ

یک دستگاه فن سانتریفیوژ (شکل 8) در حال کارکرد عادی خود بود که ناگهان دمای پوسته برینگ آن (اندازه گیری شده با ترمومتر) به 100 درجه سلسیوس رسید. این افزایش دما با صداهای غیرعادی و لرزش شدید فن ادامه یافت تا در نهایت منجر به دستور شات دان شد.

شکل 8: تصویری از فن مورد مطالعه

تحقیقات روشن کرد که روند این افزایش دما از پنج روز پیش از خرابی فن شروع شده است. در عین حال، اندازه گیری سطح مخزن روغن بیانگر کاهش سطح روغن تا مقدار بسیار زیادی بود. چک وضعیت پمپ روغن (شکل های 9 و 10) نشان داد که سیل (آببند) پمپ خوب کار نمی کرده و نشتی داشته است. در عین حال، وضعیت نصب تجهیز نیز بگونه ای بوده است که چکه های روغن از سیل پمپ توسط فن مکیده شده و مانع از مشاهده آنها توسط اپراتور بوده است.

شکل 9: نمایی از وضعیت خرابی فن، به سیاه شدگی های ناشی از مکش روغن (فلش) توجه کنید

شکل 10: سیل (آببند) مشکل دار پمپ روغن

از آنجا که یونیت در شرایط سخت زمستانی کار می کرد، دستور به ادامه کار داده شد تا شرایط سرمای زمستانی به پایان برسد و در طی این مدت، مخزن روغن مدام پر می شد و وضعیت تغییرات دمایی و ارتعاشی فن نیز با توجه به گذر زمان چک شده و روی نمودار می آمد (شکل 12 را ببینید). پس از گذر از شرایط سخت زمستانی، یونیت خاموش شد و برینگ ها مورد بازرسی قرار گرفتند (شکل 11)، مشخص شد که لایه بابیت درست همانطوریکه انتظار می رفت عمل کرده و در نبود روغن ذوب شده و از سطح شفت محافظت کرده است (مکانیزم فداشوندگی). اما، پس از آنکه روغن دوباره به برینگ رسیده بود، مکانیزم انتقال حرارت به جای خود بازگشته و موجب «ماسیدن» بابیت و جمع شدن نامتقارن آن در بخش های مماس با شفت شده بوده است. بدین ترتیب، با تعویض برینگ ها (عدم امکان تعمیر در محل) تجهیز قادر به ادامه کار شد.

شکل 11: تخریب لایه بابیت و محافظت آن از سطح برینگ

شکل 12: نمودار پایش وضعیت فن