ما هي محامل التشحيم الذاتي؟ الأنواع والاستخدامات والاختيار

ما هي المحامل ذاتية التشحيم وكيف تعمل؟

السمة المميزة لمحمل التشحيم الذاتي هي قدرته على توليد طبقة تشحيم مستمرة من داخل مادة المحمل نفسها، دون أي مصدر خارجي. ويحدث ذلك من خلال إحدى الآليات الثلاث الأساسية:

هل محامل الأكمام ذاتية التشحيم؟

يمكن أن تكون محامل الأكمام (وتسمى أيضًا المحامل العادية أو محامل المجلة) إما مشحمة بشكل تقليدي أو ذاتية التشحيم اعتمادًا على مواد البناء الخاصة بها. التمييز مهم عند اختيار التطبيقات الخالية من الصيانة.

محامل الأكمام البرونزية الملبدة هي أكثر أنواع محامل الأكمام ذاتية التشحيم استخدامًا. يحدد معيار ISO 2795 ومعيار MPIF 35 متطلبات محتوى الزيت لهذه المكونات - تحتوي الدرجة القياسية على الحد الأدنى من 19% زيت من حيث الحجم . توجد في المحركات الكهربائية، والأجهزة المنزلية، والمعدات المكتبية، ومحركات الأقراص المساعدة للسيارات حيث يكون الوصول إلى المحامل مغلقًا أو صعبًا.

محامل الأكمام البوليمر الصلبة المصنوعة من الأسيتال (POM)، أو النايلون (PA6/PA66)، أو PEEK مع إضافات التشحيم الداخلية هي شكل آخر من أشكال الأكمام ذاتية التشحيم. تعمل هذه بدون أي زيت على الإطلاق، مما يجعلها مناسبة لتجهيز الأغذية والأجهزة الطبية والتطبيقات تحت الماء حيث يحظر التلوث بالزيت.

محامل الأكمام الهيدروديناميكية المدعومة بالفولاذ - مثل تلك المستخدمة في أعمدة الكرنك الكبيرة ومجلات التوربينات - ليست ذاتية التشحيم. إنها تتطلب إمدادًا بالزيت المضغوط في جميع الأوقات للحفاظ على الإسفين الهيدروديناميكي الذي يفصل العمود عن المحمل. يؤدي فشل إمدادات النفط إلى فشل فوري في هذه التصميمات.

هل المحامل الخزفية ذاتية التشحيم؟

كثيرًا ما يتم تسويق المحامل الخزفية بعبارة "يجف" - مما يخلق ارتباكًا حول ما إذا كانت ذاتية التشحيم حقًا. الجواب الدقيق هو: لا، المحامل الخزفية ليست ذاتية التشحيم لكن خصائصها المادية تقلل بشكل كبير من متطلبات التشحيم مقارنة بالفولاذ.

نيتريد السيليكون (Si3N4)، وهو مادة تحمل السيراميك الأكثر شيوعًا، له العديد من الخصائص التي تقلل من الاعتماد على مواد التشحيم:

• صلابة السطح 1,400-1,600 جهد عالي مقابل 700-800 فولت عالي لتحمل الفولاذ - مما يقلل من تآكل المواد اللاصقة في ظروف التشحيم الهامشية
• كثافة 3.2 جم/سم3 مقابل 7.8 جم/سم مكعب للصلب - مما يؤدي إلى توليد قوى طرد مركزي أقل على مجرى السباق بسرعة عالية، مما يسمح لأغشية التشحيم الرقيقة بالحفاظ على الانفصال
• انخفاض معامل التمدد الحراري ( 3.2 × 10⁻⁶/درجة مئوية ) - تقليل تباين الخلوص الداخلي مع تقلبات درجات الحرارة التي من شأنها أن تضغط على مادة التشحيم في محمل الفولاذ
• غير مغناطيسية وغير موصلة للكهرباء - تمنع تدهور مواد التشحيم بالتفريغ الكهروستاتيكي الذي يحدث في المحامل الفولاذية المستخدمة في تطبيقات محركات التردد المتغير

من الناحية العملية، يمكن للمحامل الخزفية الكاملة البقاء على قيد الحياة لفترات قصيرة دون تشحيم في ظروف نظيفة ومنخفضة الحمل - خاصة عند السرعات العالية جدًا حيث يكون وقت الاتصال لكل دورة قصيرًا للغاية. ولكن من أجل التشغيل المستمر، لا يزال هناك حاجة إلى مادة تشحيم - حتى لو كانت طبقة جافة بسيطة - لمنع إجهاد السطح التدريجي. تتطلب المحامل الخزفية الهجينة (الكرات الخزفية والحلقات الفولاذية) دائمًا التشحيم التقليدي.

هل تحتاج المحامل التقليدية إلى التشحيم؟

نعم - تتطلب جميع محامل العناصر المتداول التقليدية (المحامل الكروية، والمحامل الأسطوانية، والمحامل الأسطوانية المدببة، والمحامل الإبرية) التشحيم طوال فترة خدمتها. يقوم زيت التشحيم بأربع وظائف لا يمكن لأي هندسة تحمل وحدها تكرارها:

• تشكيل الفيلم الهيدروديناميكي المرن: فيلم مضغوط من 0.1 إلى 1.0 ميكرون يفصل العناصر المتداول عن مجرى السباق تحت الحمل، مما يمنع الاتصال من المعدن إلى المعدن
• تبديد الحرارة: يعمل الزيت المتداول في المحامل الكبيرة على إزالة الحرارة الناتجة عن التلامس المتدحرج وسحب القفص - وهو أمر بالغ الأهمية عند التشغيل بأكثر من 50% من الحمل الديناميكي المقدر للمحمل
• الحماية من التآكل: تعمل الشحوم والزيوت على إزاحة الرطوبة من الأسطح الملامسة؛ بدون تشحيم، يتحمل الفولاذ التآكل خلال ساعات في البيئات الرطبة
• استبعاد الملوثات: يخلق الشحم المعبأ في تجويف المحمل حاجزًا ماديًا ضد الغبار والجزيئات الكاشطة التي قد تتسبب في تآكل ثلاثة أجسام

نتيجة عدم كفاية التشحيم خطيرة: تشير الدراسات التي أجرتها SKF وNSK إلى ذلك أكثر من 36٪ من حالات فشل المحامل المتداول المبكرة تُعزى إلى مشاكل التشحيم - بما في ذلك الكمية غير الكافية، أو نوع مادة التشحيم الخاطئ، أو مادة التشحيم الملوثة، أو فترات إعادة التشحيم غير الصحيحة. للمقارنة، تمثل حالات فشل الكلال تحت التشحيم الصحيح 14% فقط من حالات الفشل الميدانية.

مقارنة أنواع محامل التشحيم الذاتي

يتطلب تحديد نوع محمل التشحيم الذاتي الصحيح مطابقة ظروف التشغيل مع القدرات المحددة للمادة. يلخص الجدول أدناه معايير الأداء الرئيسية:

حيث تتفوق المحامل ذاتية التشحيم على البدائل المشحمة

هناك بيئات تشغيل محددة يتم التبديل إليها محامل التشحيم الذاتي يوفر مزايا قابلة للقياس مقارنة بالمحامل المشحمة التقليدية:

• تطبيقات التذبذب والدوران البطيء: المحامل المشحمة تحت حركة متذبذبة بطيئة (أقل من 1 دورة في الدقيقة) لا تولد أبدًا طبقة هيدروديناميكية - فهي تعمل مشحمة في أحسن الأحوال. تتعامل محامل التشحيم الصلبة مع هذه الظروف بمعاملات احتكاك تتراوح من 0.05 إلى 0.15 مع عدم تغيير آلية التآكل عند السرعة المنخفضة.
• البيئات المغمورة والمغمورة: خطوط تصنيع الأغذية، ومعدات غسيل السيارات، والأجهزة البحرية تعرض المحامل لدخول الماء الذي يخفف الشحوم. تعمل محامل البوليمر الملبدة والبرونز الموصول بالجرافيت على القضاء على وضع الفشل هذا تمامًا.
• المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة: تتحلل الشحوم التقليدية عند درجة حرارة أعلى من 180 درجة مئوية؛ تمتد الشحوم الاصطناعية إلى حوالي 260 درجة مئوية. تعمل المحامل البرونزية الموصولة بالجرافيت بشكل مستمر عند تصل إلى 400 درجة مئوية في عجلات سيارات الفرن، وبكرات النقل، ومعدات أفران تلدين الزجاج.
• بيئات الفراغ والغرف النظيفة: تنطلق غازات الشحوم في الفراغ، مما يؤدي إلى تلويث الأجهزة البصرية ومعدات أشباه الموصلات. تعتبر محامل الأغشية الجافة المعتمدة على PTFE قياسية في آليات الأقمار الصناعية ومراحل المجهر الإلكتروني حيث يكون ضغط البخار أقل 10⁻⁸ باسكال مطلوب.
• خفض تكلفة دورة الحياة: وجدت دراسة لبرامج استبدال محامل محطات معالجة المياه البلدية أن تبديل البطانات صمام البوابة من البرونز المدهون إلى المحامل المشربة بالجرافيت يقلل من تكاليف أعمال الصيانة بنسبة 62% على مدى 10 سنوات من خلال القضاء على جولات إعادة التشحيم ربع السنوية.

معلمات التحديد الرئيسية وأخطاء التحجيم الشائعة

تعد القيمة الكهروضوئية — حاصل ضرب ضغط المحمل (P، بالميجا باسكال) وسرعة الانزلاق (V، بالمللي ثانية) — هي معلمة الاختيار الأساسية للمحامل العادية ذاتية التشحيم. تحتوي كل مادة تحمل على الحد الأقصى من تصنيف PV الذي لا يمكن الحفاظ على طبقة التشحيم فوقه وترتفع درجة حرارة سطح المحمل إلى مستويات مدمرة.

هناك ثلاثة أخطاء في الحجم تمثل غالبية حالات فشل محامل التشحيم الذاتي المبكرة في الميدان:

• تجاهل الحد الكهروضوئي في ظل ظروف الحمل القصوى: قد يكون حجم المحمل المقدر عند PV = 0.10 MPa·m/s صحيحًا للتشغيل العادي ولكنه يفشل أثناء بدء التشغيل أو التحميل الصادم إذا لم يتم تحديد PV اللحظي في تلك اللحظات. يمكن أن تكون قيم الذروة الكهروضوئية 3 إلى 5 أضعاف قيمة الحالة المستقرة في الآلات الترددية.
• مواصفات تشطيب سطح العمود غير صحيحة: محامل التشحيم الذاتي require a shaft roughness of را 0.4 إلى 0.8 ميكرون لتشكيل فيلم النقل الأمثل. لا توفر الأعمدة المصقولة تحت Ra 0.2 ميكرون نسيجًا حادًا كافيًا لتثبيت PTFE أو الجرافيت، مما يؤخر تكوين الفيلم ويزيد من التآكل المبكر. تعمل الأعمدة الأكثر خشونة من Ra (1.6 ميكرون) على كشط سطح المحمل قبل أن يتم بناء الفيلم.
• التقليل من آثار التمدد الحراري على الخلوص: تتمتع محامل البوليمر بمعاملات تمدد حراري أعلى من 5 إلى 10 مرات من العلب الفولاذية. قد يكون لمحمل نظرة خاطفة ذو خلوص قطري يبلغ 0.05 مم عند 20 درجة مئوية خلوص صفر - أو تداخل - عند 150 درجة مئوية إذا لم يتم حساب نسبة قطر المبيت إلى المحمل ومجموعة المواد بشكل صحيح في مرحلة التصميم.