شافت پمپ پمپیران چیست و چرا اهمیت دارد؟
شافت پمپ پمپیران چیست و چرا اهمیت دارد؟ (بررسی تنشهای مکانیکی و انتخاب مواد)
شافت پمپ، ستون فقرات مکانیکی سیستم انتقال قدرت است. در پمپهای پمپیران، که برای سرویسهای سنگین و طولانی مدت طراحی شدهاند، شافت باید بتواند نیروهای پیچیده هیدرولیکی و بارگذاریهای جانبی ناشی از عدم تعادل پروانه و ارتعاشات سیستم را بدون شکست تحمل کند. اهمیت شافت فراتر از انتقال صرف گشتاور است؛ این قطعه مستقیماً بر عمر یاتاقانها و عملکرد آببندی تأثیر میگذارد.
۱. انتقال گشتاور و تنشهای اعمالی
شافت تحت دو نوع اصلی تنش قرار دارد:
الف) تنش برشی (Torsional Stress):
این تنش ناشی از گشتاوری است که توسط موتور به شافت اعمال میشود تا پروانه را بچرخاند. حداکثر تنش برشی معمولاً در لحظه استارت (در شرایطی که پمپ کاملاً بسته شده باشد) و در طول کارکرد در نقطه اوج توان رخ میدهد. شافت باید به گونهای طراحی شود که تنش برشی حداکثر آن، بسیار کمتر از استحکام تسلیم (Yield Strength) ماده سازنده باشد تا از تغییر شکل پلاستیک دائمی جلوگیری شود.
ب) تنش خمش (Bending Stress):
این تنش ناشی از نیروهای شعاعی و محوری است که پروانه بر شافت وارد میکند.
نیروی شعاعی: ناشی از عدم تعادل هیدرولیکی در پروانه (به ویژه هنگامی که پمپ خارج از نقطه راندمان طراحی کار میکند). این نیرو باعث خمش شافت میشود.
نیروی محوری: ناشی از فشار سیال در قسمت ورودی پروانه که تلاش میکند پروانه را از بدنه دور کند.
ترکیب این دو تنش، به ویژه در نزدیکی محل نصب پروانه و سیل، منجر به تنشهای چرخشی مرکب (Combined Cyclic Stress) میشود که عامل اصلی شکست خستگی شافت است.
۲. انتخاب مواد: دوام در برابر خوردگی و سایش
مواد شافت در پمپیران بر اساس سیال مورد استفاده انتخاب میشوند:
فولادهای کربنی و آلیاژی (مانند فولادهای 4140 یا 4340): برای پمپهای آب معمولی و سیالات غیرخورنده، این فولادها پس از عملیات حرارتی مناسب (سختکاری) سختی و استحکام بالایی برای تحمل بار دارند.
فولادهای ضد زنگ (مانند 304 یا 316): در مواجهه با آبهای شور، مواد شیمیایی یا دمای بالا، فولادهای ضدزنگ برای مقاومت در برابر خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking) ضروری هستند.
۳. ملاحظات طراحی برای عمر طولانی
یک شافت پمپیران با کیفیت دارای ویژگیهای طراحی خاصی است:
محل استقرار مکانیکال سیل/پکینگ: این نواحی معمولاً برای نصب راحتتر و جلوگیری از سایش، دارای قطر کمتری هستند. اما این امر آنها را به نقاط تمرکز تنش تبدیل میکند. در پمپهای با کیفیت، این قسمتها سختکاری موضعی (مانند کروم کاری یا پوششهای سخت) میشوند تا در برابر سایش ناشی از آببندی مقاوم باشند.
همراستایی (Alignment): شافتها به گونهای ماشینکاری میشوند که در محل کوپلینگ (اتصال به موتور) کاملاً صاف باشند. هرگونه عدم همراستایی بیش از حد تحمل مجاز (که توسط استانداردهای ISA یا API تعیین میشود)، ارتعاشات را تشدید کرده و طول عمر یاتاقانها را به شدت کاهش میدهد و در نهایت شافت را تحت فشار قرار میدهد.
به طور خلاصه، شافت صرفاً یک میله دوار نیست؛ بلکه یک جزء مهندسی شده است که باید تعادلی ظریف بین سختی (برای جلوگیری از خمش)، استحکام (برای جلوگیری از شکست برشی) و مقاومت در برابر محیط (برای جلوگیری از خوردگی) برقرار کند.
