از بین انواع مختلف پیکربندی چرخدنده، سیستمهای چرخدنده حلزونی (Worm drive) یکی از مشکل‌سازترین‌ها در نظر گرفته میشود زیرا به دلیل طراحی متمایز خود چالش‌های روانکاری منحصر به فردی به دنبال دارد. برای غلبه بر این چالش‌ها، نه تنها باید پیچیدگی‌های چرخدندههای حلزونی را درک کنید، بلکه باید به هنگام انتخاب روانکننده دنده حلزونی به ویژگی‌های خاصی توجه کنید. با ما همراه باشید تا به روش صحیح روانکاری چرخدندههای حلزونی بپردازیم.
طرح‌های چرخدنده حلزونی
چرخدنده حلزونی یک طرح محور غیر موازی و غیر متقاطع است که عمدتاً از دو عنصر چرخ دنده تشکیل شده است: کرم (WORM)حلزون که چرخدنده محرک به شکل مارپیچ یا پیچ است و دنده حلزونی یا چرخ حلزونی که موتور محرکه است. از نظر فنی، حلزون همیشه چرخ حلزون را می راند. در این طراحی زاویه مارپیچ بسیار زیاد و نزدیک به 90 درجه است.
سه دسته از طرح‌های درایو کرم وجود دارد که درجه مشبک شدن چرخ دنده‌ها را به هم توصیف می‌کنند: غیر گلوگی یا non-throated (غیر پوششی)، تک گلویی (تک پوششی) و دو گلویی (دو روپوش یا کروی).
بدون گلو یا بدون پوشش ابتدایی‌ترین طرحی است که در آن کرم و چرخ کرم هر دو به شکل استوانه‌ای هستند. در این طراحی منطقه تماس محدود یک نقطه روی یک یا دو دندانه چرخدنده میتواند مشکل‌ساز شود. در طرح‌های تک گلو یا تک پوششی، یکی از عناصر چرخدنده (معمولاً چرخ کرم) دارای دندانه‌های مارپیچ مقعر برای پوشاندن دندانه‌های چرخدنده بر روی کرم است. این ویژگی باعث میشود منطقه تماس به یک خط افزایش یابد.
طرح‌های دو گلویی (دو پوششی) یا گلوبوئیدی نه تنها دارای دندانه‌های مارپیچ مقعر بر روی چرخ کرم هستند، بلکه شکل کرم یا حلزون نیز مانند ساعت شنی است بنابراین دو عنصر چرخدنده در حین حرکت به دور یکدیگر می‌پیچند. این ویژگی منجر به به هشت برابر شدن ناحیه تماس (به شکل نوار شعاعی) با سه یا چند دندان میشود. با افزایش سطح تماس، ظرفیت گشتاور، توانایی نگهداری بار (مقاومت در برابر ضربه) و دوام بهبود می‌یابد. طرح دندههای پوششی نیز در نتیجه توزیع بار، نرخ سایش پیش‌بینی‌شده کمتری دارند. سازندگان درایو حلزون سعی می‌کنند رابطه تماس بین دو عنصر چرخدنده را برای اطمینان بهبود یافته در عملکرد بهینه کنند.
سایر مزایای قابل توجه درایوهای حلزون نسبت به جایگزین‌های بالقوه سیستم دنده عبارتند از:
- نسبت دنده بالا و پیکربندی دو عنصر دنده امکان طراحی جمع و جور را فراهم میکند و درایو کرم را به گزینه‌ای عالی برای مناطقی با فضای محدود تبدیل می‌سازد. علاوه بر این، تعداد قطعات متحرک کاهش می‌یابد که احتمال کاهش خرابی را به دنبال دارد.
- بسیاری از دندههای حلزونی با نسبت‌های بالاتر تحت شرایط خاص ممکن است خاصیت قفل‌شوندگی نشان دهند (در حالی که آنهایی که نسبت دندههای پایین‌تری دارند، آزادانه جهت قدرت را معکوس می‌کنند). به عبارت دیگر، چرخ کرم نمی‌تواند به راحتی به طور مستقل بچرخد تا حرکت را بر روی کرم تحمیل کند. این قابلیت خود قفل شدن استاتیک ممکن است تنها زمانی امکان‌پذیر باشد که زاویه سرب کرم کمتر از زاویه اصطکاک استاتیک مواد جفت‌شونده باشد. با این وجود، در حالی که این ویژگی میتواند سودمند باشد اما نیاز به پشتیبان یا ترمز برای جلوگیری از چرخش غیرمنتظره معکوس همچنان بسیار مهم است.
- با حرکت دقیق درایوهای کرم، به ویژه در طرح‌های دولایه، می‌توان تا حد زیادی واکنش متقابل (بازی بین دندانه‌های چرخدنده) را به حداقل رساند. این مورد در برخی از برنامه‌های کاربردی مانند رباتیک، ویژگی بسیار مهمی محسوب میشود.
- صدای کم و ارتعاش ناشی از اجزای متحرک حداقل در درایوهای کرم در مقایسه با طرح‌های دنده جایگزین از مزیت‌های دیگر این سیستم گیربکس است.
چالش‌های روانکاری
طرح‌های درایو کرم یک اشکال عمده دارند: حرکت نسبی بین دندان‌های دو عنصر تقریباً به طور کامل کشویی است. این یک چالش مهم است زیرا روانکننده به طور مداوم کنار گذاشته میشود. تلفات اصطکاک لغزشی منجر به افزایش دما و توسعه فشار هیدرودینامیکی ناکافی میشود. در نتیجه، تولید زباله‌های سایش میتواند افزایش یابد. در بسیاری از موارد، قبل از رسیدن به محدودیت‌های بارگذاری، دمای بالاتر عامل محدود‌کننده درایو کرم خواهد بود. توزیع بار طرح‌های دندههای پوششی میتواند این مشکل را کاهش دهد، اما چالش همچنان پابرجا است. همچنین به دلیل ماهیت لغزنده درایو کرم، معمولاً از فلزاتی با ضریب اصطکاک پایین استفاده میشود. چرخ کرم معمولاً حاوی فلزات زرد رنگ است، در حالی که کرم معمولاً از فولاد ساخته شده است. این منجر به ویژگی‌های سایش مطلوب‌تر، توانایی بارگذاری بهتر و تولید گرمای کمتری میشود که در سایر ترکیبات فلزی یافت نمی‌شود.اما فلزات زرد رنگی مانند برنز که روی چرخ کرم استفاده میشود می‌توانند چالش‌های روانکاری منحصر به فردی را هنگام انتخاب یک بسته افزودنی سازگار ایجاد کنند.
راه‌حل‌های روغنکاری
طرح‌ها و مواد چرخدنده در طول سال‌ها برای دستیابی به قابلیت حمل بار بهتر، تبدیل گشتاور بالاتر و طول عمر بهبود یافته مدرن شده‌اند. پلتفرم‌های پیچیده آزمایش و روش‌های کامپیوتری، درک بهتری از حالت‌های خرابی درایو کرم و سرنخ‌هایی برای بهینه‌سازی راه‌حل‌ها ارائه کرده‌اند. روان‌کننده‌ها نیز از این پیشرفت‌ها مستثنی نیستند. به طور کلی، یک روانکننده درایو با کیفیت بالا دارای اصطکاک کم، مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون، محافظت خوب در برابر سایش و شاخص ویسکوزیته بالا خواهد بود.
روغن پایه مناسب
در حالی که استفاده از روانکنندههای فرموله شده با روغن معدنی در درایوهای کرم کاملاً رایج است اما استفاده از روغن‌های پایه مصنوعی به طور کلی منجر به بهبود راندمان دنده و دمای عملیاتی پایین‌تر میشود. این نکته را فراموش نکنید که به ازای هر افزایش 10 درجه سانتی‌گراد در دمای متوسط روغن، واکنش‌های شیمیایی دو برابر میشود.
راندمان انتقال انرژی ورودی و خروجی سیستم دنده را می‌توان به طور قابل توجهی تحت تأثیر روانکار انتخابی قرار داد. پلی آلکیلن گلیکول (PAGs) اگر چه انتخاب مناسبی به شمار می‌روند اما دارای معایبی هستند که مهمترین آنها هزینه بالاتر است. آنها همچنین با برخی از مواد مهر و موم، پلاستیک و پوشش‌های رنگ سازگار نیستند، بنابراین همیشه هنگام تغییر به PAG سازگاری را تأیید کنید.
افزودنیهای مناسب
یکی از مهمترین وظایف یک افزودنی روغن دنده، ایجاد یک مانع محافظ بین سطوح تماس است. یک بسته افزودنی برای روانکننده در یک کرم درایو باید با دقت انتخاب شود، زیرا فلزات زرد رنگی که اغلب در چرخ‌های کرم وجود دارند می‌توانند تحت تأثیر خوردگی ناشی از گوگرد فعال در افزودنی فشار شدید (EP) قرار گیرند، به ویژه در حضور حرارت. با این وجود، پیشرفت در تشکیل مواد افزودنی با گوگرد غیرفعال به کاهش یا حذف این حملات خورنده کمک کرده است.
درایوهای کرم می‌توانند یک چالش روانکاری مرزی منحصر به فرد را ارائه دهند. در این کاربردها می‌توان از نوع خاصی از روانکننده بر پایه مواد معدنی ترکیبی استفاده کرد. این روانکننده با حداکثر 10 درصد اسید چرب (روغن طبیعی) یا پیه (چربی حیوانی) بدون اسید همراه با بازدارنده‌های زنگ‌زدگی و اکسیداسیون و سایر مواد افزودنی فرموله شده است. این فرمولاسیون منجر به بهبود روانکاری، کاهش اصطکاک و کاهش سایش لغزشی میشود.
ویسکوزیته مناسب
جدا از دمای محیط و عملکرد، ویسکوزیته صحیح به چندین متغیر نهایی، از جمله سرعت خط، فاصله مرکز و دور در دقیقه بستگی دارد. دما تأثیر قابل توجهی بر روانکاری موثر دارد. نه تنها روانکار و طول عمر دستگاه به طور منفی تحت تأثیر دماهای بالاتر قرار می‌گیرند، بلکه به ویژه درایوهای کرم با افزایش دما مشکل دارند. در نتیجه، اگر دمای بالاتری انتظار می‌رود، باید جایگزین‌های موثرتری برای روغن‌های پایه و افزودنی‌ها انتخاب شود. روغن‌های مصنوعی مانند PAO و PAG به دلیل مقاومت طبیعی بالاتر در برابر تخریب حرارتی، عملکرد بهتری نسبت به روغن‌های معدنی دارند.
سطح روغن مناسب
مانند بسیاری از سیستمهای دنده روغنکاری شده، سطح روغن در یک درایو کرم برای حفظ دقت ضروری است. بسته به موقعیت کرم نسبت به چرخ، افت کوچک در سطح روغن میتواند تفاوت بین روغنکاری ایده‌آل و عدم روغنکاری مناسب باشد. هنگام نظارت بر سطح روغن توصیههای سازنده را رعایت کنید، که اغلب مطابق با استانداردهای عمق غوطه‌وری روغن است. هنگامی که سرعت خط حرکت عناصر کرم از 10 متر در ثانیه فراتر رود، به ویژه با درایوهای کرم دوپوش، یک سیستم روانکاری تغذیه اجباری برای اسپری کردن کل کرم توصیه میشود.
بازرسی‌های بصری صحیح
علاوه بر نظارت بر سطح روغن، یک شیشه دید باید به عنوان پنجره‌ای به وضعیت روغن در نظر گرفته شود. شیشه دید به بررسی‌های بصری برای تیره شدن غیرمعمول روغن (نشانه ای از اکسیداسیون)، لجن قابل مشاهده، ذرات جامد و رطوبت کمک میکند. این بازرسی‌ها زمانی که شیشه دید از محفظه چرخدنده خارج میشود، می‌توانند کارآمدتر انجام شوند تا نور بتواند از آن عبور کند. در صورت امکان، باید از یک کاسه آب و رسوب زیرین (bottom sediment and water bowl ) نیز استفاده شود. این نکته به جذب ذرات جامد یا مایعات سنگین‌تر از روغن کمک میکند و یک نقطه بازرسی بصری روزانه را فراهم می‌آورد.
کلام آخر
هدف هر روانکار انتخابی باید محافظت از محرک کرم در برابر سطوح نامطلوب اصطکاک، اثرات خطرناک خوردگی و عملکرد ناکارآمد باشد. ارزیابی و دستیابی به حالت بهینه برای هر سبک از درایو کرم مطابق با شرایط عملیاتی و محیطی آن به یک چیز ختم می شود: توجیه هزینه‌های روش‌های روانکاری برای به حداقل رساندن خطر و عواقب احتمالی خرابی.
بهبود روش‌های روانکاری برای درایوهای کرم نباید پرهزینه باشد. همانطور که درایوهای کرم برخی از ساده‌ترین و مفیدترین طراحی‌های دنده هستند، روش‌های روغنکاری مورد نیاز آنها نیز به همان اندازه منحصربه‌فرد و ضروری هستند.
منبع
Fitch, B. (2016) The right way to lubricate worm gears. https://www.machinerylubrication.com/Read/30388/lubricate-worm-gears
سوالات متداول
روانکاری اصطکاک و سایش بین کرم و چرخدنده را کاهش و گرما را دفع میکند، از خوردگی محافظت و به درزگیری آلایندهها کمک میکند. روانکاری مناسب برای کارایی و افزایش عمر مجموعه چرخدنده حلزونی بسیار مهم است.
چرخدندههای حلزونی معمولاً به روانکنندههایی با ظرفیت حمل بار بالا و خاصیت چسبندگی خوب نیاز دارند. روانکنندههای مصنوعی، مانند پلیآلفائولفین (PAO) یا پلیآلکیلن گلیکول (PAG)، به دلیل پایداری، محدوده دمایی وسیع اغلب توصیه میشوند. انتخاب خاص به کاربرد، شرایط عملیاتی و توصیههای سازنده بستگی دارد.
ترکیب مواد کرم و چرخدنده (معمولاً برنز برای چرخدنده و فولاد سخت شده برای کرم) به روانکنندههایی نیاز دارد که بتواند از خوردگی برنز جلوگیری کند و در عین حال روانکاری کافی را برای کرم فولادی فراهم کند. روانکنندههایی با افزودنیهای گوگرد-فسفر معمولاً به دلیل خواص ضدسایش و فشار شدید استفاده میشود، اما فرمول خاص باید با آلیاژ برنز سازگار باشد تا از خوردگی شیمیایی جلوگیری کند.
فرکانس به شرایط عملیاتی مانند بار، سرعت، دما و محیط و همچنین نوع روانکار مورد استفاده بستگی دارد. به طور کلی، یک برنامه بازرسی و نگهداری منظم باید با تغییرات روانکار توسط سازنده توصیه شده یا توسط تجزیه و تحلیل روانکننده تعیین شود. برای بسیاری از کاربردها، بررسی روانکاری هر چند ماه یکبار و تغییر سالانه آن نقطه شروع خوبی است.
علائم شامل افزایش دما، صدای غیرعادی، لرزش یا کاهش محسوس کارایی است. بازرسی بصری ممکن است تغییر رنگ ناشی از گرمای بیش از حد، الگوهای سایش یا خوردگی را نشان دهد.
روش استفاده بسته به طراحی دنده و تنظیم سیستم متفاوت است. برخی از مجموعه‌های چرخدنده حلزونی ممکن است با غوطه‌وری روانکاری شوند (چرخدنده تا حدی در روانکننده غوطه‌ور شود)، در حالی که برخی دیگر ممکن است از روغنکاری پاشیده، سیستمهای گردشی یا کاربرد دستی استفاده کنند. برای اطمینان از پوشش و حجم مناسب، دستورالعمل‌های سازنده را دنبال کنید.
بله، جهتگیری میتواند بر نحوه توزیع روانکننده در سطوح تماس کرم و چرخدنده تأثیر بگذارد. جهتگیریهای عمودی ممکن است به استراتژیهای روانکاری متفاوتی مانند سیستمهای روانکاری اجباری نیاز داشته باشند تا اطمینان حاصل شود که روانکننده کافی به تمام سطوح لازم میرسد.
عوامل محیطی مانند دما، رطوبت، گرد و غبار و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی می‌توانند بر انتخاب روانکار و فرکانس نگهداری تأثیر بگذارند. دمای بالا ممکن است نیاز به تغییرات مکرر یا استفاده از روان‌‌‌کارهایی با پایداری حرارتی بالاتر داشته باشد. محیط‌هایی با گرد و غبار زیاد یا بخارات شیمیایی ممکن است به سیستمهای آب‌بندی و فیلتراسیون قوی‌تری نیاز داشته باشند.
