روغن کمپرسور اسکرو نقشهای متعددی را در بهینهسازی عملیاتی آن ایفا میکند. در کمپرسور اویل فری جای خالی این نقشها، که از جملهی آنها آببندی، خنککنندگی و روانکاری است، باید پر شود. طراحی روتور کمپرسور اویل فری و روکش روی آن بخش بزرگی از این وظیفه را بر دوش میکشد.
روتور کمپرسور روغنی با کمپرسور بدون روغن چه فرقی دارد؟
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.
کلیرانس چیست؟
در طراحی ماشینآلات صنعتی از فلزات استفاده میکنیم و این فلزات با یکدیگر فاصله دارند. گاه چرخدندهای در نزدیکی سیلندری میچرخد، گاه شافتی از کنار بلبرینگی میگذرد و فواصلی میان این قطعات وجود دارد. هرجا این فواصل یا در حقیقت ریز فواصل از اهمیت برخوردار باشد و بر عملکرد ماشین موثر باشد آن را کلیرانس مینامیم. کلیرانس به فاصلهی بسیار کوچک میان دو قطعه فلزی گفته میشود. در فارسی به این فاصله «لقی» گفته میشود.
در کمپرسور اسکرو چند لقی حائز اهمیت داریم و در صورتی که لقی از حد مجاز تجاوز کند، نشتی و هدررفت هوای فشرده یکی از مهمترین آسیبها خواهد بود. هرچه هوای فشرده تولیدی هدر برود، زحمت شما و کمپرسور هدر رفته است و ترجمهی آن بهرهوری پایینتر کمپرسور و طراحی ضعیف آن است. یکی از مهمترین این فواصل فاصلهی دو روتور نر و مادهی کمپرسور با یکدیگر است. در جدول بالا ردیف سوم، جانب روتور تا جانبی روتور مقابل به این فاصله اشاره دارد.
در میان کمپرسورهای اویل فری و روغنی، لقی کدامیک بیشتر است؟
پاسخ بستگی دارد. سوال جالبی است و پاسخ آن به زمان اندازهگیری لقی بستگی دارد. در دمای اتاق و مطابق با جدولی که در بالا آمده فاصلهی روتورهای بدون روغن از فاصلهی روتورهای روغنی بیشتر است. در مقایسهی دمای اتاق با دمای عملیاتی کمپرسور پدیدهای به نام انبساط حرارتی تفاوت را ایجاد میکند.
کمپرسور اسکرو روغنی تغییر شکل حرارتی کمی را در حین کار تجربه میکند. دمای عملیاتی کمپرسور روغنی حتی در مدلهای فشار قوی ماکسیمم ۵۰ درجه سانتیگراد افزایش دارد و فاصلهی میان دو روتور را میتوان در محدودهی ۳۰ میکرومتر یا کمتر حفظ نمود. اما دمای تخلیه در کمپرسور بدون روغن به ۱۸۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد میرسد که منجر به انبساط حرارتی قابل توجه روتورها و همچنین سیلندر میشود.
طراحی این کمپرسورها در اینجا پیچیده میشود. روتور سرد با لقی یا فاصلهی بیشتری طراحی میشود و به هنگامی که کمپرسور زیر بار میرود و به دمای عملیاتی خود میرسد قطعا منبسط شده و فاصلهی بهینه شکل خواهد گرفت. با انبساط حرارتی هر دو روتور و سیلندر این فاصله به حداقل کاهش یافته و پروفایل عملکرد کمپرسور و هدررفت هوای فشرده بهینهسازی میشود.
فاصلهی روتورهای کمپرسور بدون روغن در حالت سرد و حالت عملیاتی حدود ۵۰ درصد تفاوت داشته و کمتر میشود و در صورتی که از ابتدا فاصلهی آنها کم میبود در نتیجهی انبساط حرارتی برخورد و قفلشدگی رخ میداد.
کوتینگ یا پوششدهی روتور کمپرسور اویل فری
در جدولی که ابتدای متن آمد 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؟
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.
شاید بپرسید ۰/۰۴ یعنی چه؟ ضریب اصطکاک پارامتری بدون بُعد و واحد است. ضریب اصطکاک که با علامت μ (خوانده میشود مو) نیز نمایش داده میشود از تقسیم F بر N حاصل میشود. در این معادله F نیروی مورد نیاز برای لغزش دو سطح و N نیروی عمودی وزن است. ۰/۰۴ یعنی نیروی اصطکاک ۴ درصد نیروی وزن دو سطح بوده و بسیار کوچک است. برای درک بهتر ضریب اصطکاک ناچیز تفلون، ارقام جدول زیر را مشاهده کنید.
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
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.
اولتراکوت از اینگرسولرند
این مورد به عنوان نمونهای از روکشهای انحصاری و دارای فرمولاسیون اختصاصی برندهای سازنده کمپرسور اویل فری معرفی میشود. اولتراکوت با نوشتار لاتین UltraCoat مادهای عمومی و در دسترس همچون تلفون یا PEEK نبوده و روکشی پیشرفته و اختصاصی از شرکت اینگرسولرند است. در صنعت بسیاری از روکشها فرمولاسیون اختصاصی و مخفی دارند و اولتراکوت یکی از آنهاست.
مراکز تحقیقاتی از سال ۱۹۹۵ این روکش را برای روکش روتور کمپرسور اسکرو بدون روغن ارتقا داده و آن را با عنوان قلهی این تکنولوژی تبلیغ کردهاند. اینگرسولرند بازده و ویژگی حفاظتی این روکش در برابر خوردگی را استثنایی گزارش کرده است. همچنین اینگرسولرند مدعی کیفیت بالا در دمای ۲۷۰ درجه سانتیگراد است.
نکتهی جالب این روکش سایش اولیه و فداکارانه است. اینگرسولرند اولتراکوت را به گونهای طراحی کرده است که در اولین مرحله از عملیات به شکل فداکارانه لایهای سایش داشته باشد تا پرداخت نهایی و در حین کار انجام شود. پرداخت این چنین صیقلی خاصی بر روی روکش ایجاد میکند که در پرداخت با ماشین کمتر قابل دستیابی است. راهحل گفته شده روشی هوشمندانه و مهندسی برای ارتقای کیفیت ساخت روتور اویل فری، با حذف نقاط برجستهی ریز و دستیابی به کوچکترین کلیرانس ممکن است.
روش اجرای این روکش در دسترس عموم نیست و احتمالا با فرآیندی کنترلشده شامل چندین روش پوششدهی همچون اسپری حرارتی انجام 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.
آوریل ۱۹۳۸ میلادی در ازمایشگاه جکسون ایالت نیوجرسی محل تولد تفلون است. روی جی پلانکت
شیمیدان جوان شرکت دوپونت مشغول آزمایش بر روی گازهای مُبرّد بود که متوجه شد گاز تترا فلوئورو اتیلن از سیلندر خارج نشده و پودری سفید، مومی و لیز شکل داده است.
خواص این ماده که بعدها پلیمری با نام پلی تترا فلوئورو اتیلن یا PTFE نامگذاری شد شگفتانگیز بود. پلانکت همان روز متوجه مقاومت استثنایی آن در برابر حرارت، مواد شیمیایی و اصطکاک شد. تفلون را روانکنندهی جامد مینامند.
حق امتیاز این پلیمر در سال ۱۹۴۱ به نام دوپونت خورد و در سال ۱۹۴۴ نام تفلون برای آن انتخاب شد. نخستین کاربرد تفلون کجا بود؟ در پروژهی منهتن برای ساخت بمب اتم.
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.
کدام روش اجرای روکش گرانتر است؟
گرانترین روشهای روکش یا پوششدهی متریال بر روی روتور کمپرسور روش انحصاری اولتراکوت اینگرسولرند، CVD، PVD و پوششدهی کامپوزیتی است. این روشها نیازمند فرآیندی تخصصی و پیچیده و تجهیزات گرانقیمت است. اسپری حرارتی و پوششدهی کامپوزیتی PEEL نیز پیچیده و نیازمند تجهیزات ارزشمندی هستند که اپراتوری ماهر آنها را هدایت میکند، اما در مقایسه با دو روش رسوبگذاری PVD و CVD آسانتر است.
اسپری مرطوب تفلون و دی سولفید مولیبدن همراه با پخت در کوره روشهای اقتصادیتری بوده و مواد آن نیز ارزانتر و در دسترس است.
کدام روش اجرای روکش آسانتر است؟
سهولت یا دشواری اجرای یک روش، در کنار هزینهی تهیه و نگهداری تجهیزات، از جمله پارامترهای موثر بر قیمت آن است. از این رو کم و بیش رتبهبندی قیمت و دشواری با یکدیگر تطابق دارد.
اسپری مرطوب تفلون و دی سولفید مولیبدن آسانترین روش است. در این روش اعمال روکش سطح را با چربیزدایی و سندبلاست آماده کرده و سپس با تفنگ اسپری معمولی متریال بر روی آن پاشیده میشود. پس از پاشش در دمای کنترلشده پخت داخل کوره انجام میشود.
اسپری حرارتی نه فقط به تجهیزات گرانقیمتی همچون سیستمهای پلاسما و HVOF نیاز دارد، بلکه اجرای آن نیز سختتر است. کنترل دقیق ذرات مذاب و نیمهمذاب با سرعت فراصوت نیازمند تخصص بالا بوده و تضمین یکپارچگی و چسبندگی روکش از مهمترین پارامترهای کیفیت آن است.
رسوبگذاری با روشهای شیمیایی و فیزیکی که CVD و PVD نام دارد فرآیندهایی مبتنی بر خلأ و نیازمند استانداردهای بالای کنترل محیطی است. روکشهای بسیار نازک و تخصصی همچون DLC با بکارگیری این روشها اجرا میشود. دی ال سی مخفف عبارت Diamond-Like Carbon پوششهای کربنی با ساختار شبهالماسی را گویند. این روکشها اصطکاک پایین و مقاومت سایشی بالا داشته و بر روی قطعات فولادی و سیلیکونی اعمال میشود تا خواص مکانیکی سختی، مقاومت در برابر سایش و همچنین طول عمر قطعه را بهبود بخشند.
