شکستن شفت الکتروموتور و عوامل آن

اگر پروانه یا روتور نامتعادل باشد، زمانی که موتور الکتریکی در حال کار است، شفت نامتعادل می شود. در واقع تعداد چرخه های خمش در یک بازه زمانی مشخص کاهش می یابد، اما دامنه جابجایی به دلیل عدم تعادل در سرعت بالاتر ایجاد شده و باعث آسیب به شفت می شود.

سرعت متغیر

گردش و سرعت به طور معکوس متناسب هستند یعنی با کاهش سرعت موتور الکتریکی، حرکت شفت افزایش می یابد و اگر این سرعت متغیر باشد، باعث نوسان سرعت چرخش شفت شده و در نهایت به شفت الکتروموتور آسیب می زند.

آسیب در اثر خستگی

خرابی ناشی از خستگی در تنش‌های چرخه‌ای مکرر رخ می‌دهد، که می‌تواند کمتر از استحکام جنس شفت باشد. خستگی، با ایجاد ترک شروع می‌شود و با پیشرفت ترک‌های خستگی سطح مقطع شفت کم شده تا جایی که شفت دیگر تحمل بار‌های اعمالی را نداشته باشد.

در سطح مقطع شکست ناشی از خستگی علائمی دیده می‌شود که به عنوان علائم ساحلی شناخته می‌شود، زیرا شبیه علائمی هستند که امواج در ساحل از خود به جای می‌گذارند. یکی از محل‌های شروع ترک خستگی در شفت محل جای خار است، ایجاد جای خار برای اطمینان از استقرار بدون لغزش پولی، چرخ دنده و غیره الزامی است.

• بیشتر بخوانید شفت الکتروموتور

آنالیز خرابی‌های شفت در اثر تنش های مختلف

همانطور که توضیح دادیم، اکثر خرابی‌های شفت به دلیل ترکیبی از تنش‌های مختلف است که بر مجموعه روتور اعمال می‌شود. اگر این تنش‌ها با طراحی و نصب صحیح و رعایت استانداردهای لازم حفظ شوند، خرابی شفت نباید رخ دهد. این تنش‌ها را می‌توان به گروه‌های زیر تقسیم کرد:

• دینامیک/مکانیکی (Dynamic/Mechanical): اضافه بار‌ها از جمله بار‌های در اثر شوک ناگهانی، بار‌های در اثر خستگی، بار اضافه و خمش، بار پیچشی و بار محوری
• محیطی (Environmental): خوردگی، رطوبت، فرسایش، سایش
• حرارتی (Thermal): دمای زیاد و خم شدن روتور در اثر حرارت
• باقیمانده (Residual): فرآیند‌های تولید و فرآیند‌های تعمیر
• الکترومغناطیسی (Electromagnetic): بارگذاری جانبی و بسته شدن مجدد خارج از فاز

بررسی تنش‌های اعمال شده بر شفت‌

تنش‌های اعمال شده بر شفت‌ به سه گروه زیر تقسیم می‌شوند:

1. تنش‌های برشی ناشی از انتقال گشتاور (یعنی در اثر بار پیچشی)
2. تنش‌های خمشی (کششی یا فشاری) ناشی از نیرو‌های وارد بر اجزاء ماشین مانند: چرخ دنده، پولی و غیره و همچنین به دلیل وزن خود شفت
3. تنش‌های ناشی از بار‌های پیچشی و خمشی ترکیبی

بررسی تنش های اعمال شده به شفت الکتروموتور

1- تنش‌های دینامیکی و مکانیکی

تنش‌های دینامیکی و مکانیکی، در اثر حرکت شفت به آن وارد می‌شوند و شامل موارد زیر هستند:

• اضافه بار‌ها، از جمله بار‌های شوک ناگهانی
• بار‌های چرخه‌ای یا خستگی
• بار‌های چرخشی خمشی
• بار‌های پیچشی
• بار‌های محوری

اضافه بار: هر شفت برای تحمل مقدار معینی از تنش طراحی شده است و‌ اگر تنش از حد مجاز تجاوز کند سبب تخریب آن خواهد شد. شکست در اثر اضافه بار هم می‌تواند شکل‌پذیر یا ترد باشد. ظاهر یک شکست، چه شکل‌پذیر یا ترد، به عوامل مختلفی از جمله جنس شفت، نوع و بزرگی بار، و دمای شفت در هنگام خرابی بستگی دارد.

بار‌های چرخه‌ای یا خستگی: هر چرخه بارگذاری نیرو سبب اعمال بار‌های چرخه‌ایی و یا خستگی شفت می‌شود.

بار‌های چرخشی خمشی: بار‌های چرخشی خمشی مانند تنشی که یک پولی بزرگ بر روی شفت اعمال می‌کند و سبب اعمال خمش و چرخش هم زمان می‌شود.

بار‌های پیچشی: در اثر چرخش شفت به آن وارد می‌شود.

بار‌های محوری: بار‌های محوری بیشتر بر روی بیرینگ‌های شافت (بلبرینگ و رولبرینگ) اعمال می‌شوند و سبب ایجاد تخریب رینگ داخلی آن می‌شوند.

تنش‌های محیطی، مجموعه عواملی هستند که باعث خوردگی، سایش شفت می‌شوند و شامل موارد زیر هستند:

• رطوبت
• فرسایش
• خوردگی
• کاویتاسیون

خرابی در اثر رطوبت: نصب موتور در محیط هایی که رطوبت دارند، باعث آسیب به تجهیزات موتور الکتریکی و از جمله شفت الکتروموتور می شود.

خرابی در اثر فرسایش: پدیده‌ی فرتینگ (Shaft Fretting) می‌تواند آسیب جدی به شفت وارد کند, علت این پدیده حرکت بین دو قسمت مونتاژ شده و وجود اکسیژن در هوا است که باعث فرسایش قطعات می شود. زمانی که قسمت مونتاژ شده به شفت مانند بلبرینگ‌ها، کوپلینگ‌ها و غیره دارای کمی لغزش باشند قسمتی از فلز سائیده می‌شود و در مجاورت در هوا اکسید می‌شوند. این ذرات اکسید به عنوان یک ساینده عمل می‌کنند و به سرعت سطح شفت را دچار سایش می‌کنند.

خرابی در اثر خوردگی: علت اصلی این مشکل یک واکنش الکتروشیمیایی است که سبب از بین رفتن قسمتی از فلز شفت و در نتیجه باعث ایجاد حفره بر روی آن می‌شود. خوردگی می‌تواند خرابی در اثر خستگی را تسریع ببخشد و هم می‌تواند با از دست رفتن قسمتی از شفت باعث شکست شفت در بارگذاری‌های کمتر شود.

کاویتاسیون: در کاربرد‌های پمپاژ جریان مایع، که مایع متلاطم از روی شفت عبور می‌کند، پدیده‌ای به نام کاویتاسیون (Cavitation) می‌تواند رخ دهد. پدیده کاویتاسیون سبب فرسایش سطح شافت می‌شود.

3-تنش‌های حرارتی

هنگامی که یک موتور در حال کار است، معمولاً تحت تاثیر تنش حرارتی قرار دارد. تنش حرارتی می‌تواند سبب بروز مشکلاتی مانند: اضافه بار، خرابی بلبرینگ و از دست دادن تلرانس‌ها و انطباقات شود.

4-تنش‌های باقیمانده

تنش‌های باقیمانده، در واقع تنش باقیمانده(پسماند) و مستقل از بار خارجی روی شفت است. عدم رعایت اصول طراحی و ساخت و تعمیر می‌تواند تنش پسماند را در شفت ایجاد کند که ممکن است خرابی را تسریع کند. عامل به وجود آوردن این تنش‌ها می توانند مکانیکی یا حرارتی باشند که برخی از آن‌ها شامل ماشین کاری و یا عملیات حرارتی است، اما تمام تنش‌های پسماند برای شفت مضر نیستند. اگر تنش موازی با تنش بار و در جهت مخالف باشد، ممکن است مفید باشد.

5-تنش‌های الکترومغناطیسی

تنش‌های الکترومغناطیسی، باعث بروز دو مشکل می‌شوند:

اعمال بار شعاعی بیش از حد: که ناشی از قرار‌گیری شفت در وضعیت خارج از مرکز روتور به علت نیرو‌های الکترومغناطیس است و می‌تواند در صورت بلند بودن شفت، نیروی زیاد شعاعی و خمشی به شفت وارد کند و خرابی بیرینگ‌های شفت را سرعت ببخشد.

بسته شدن خارج از فاز: اعمال ولتاژ بیشتر از مقدار تعریف شده می‌تواند مقدار زیادی گشتاور روی شفت ایجاد کند و مقدار زیاد گشتاور می‌تواند با اعمال تنش پیچشی بیشتر سبب خرابی شفت شود.

ابزار‌های تجزیه و تحلیل شکستن شفت الکتروموتور

از آنجاییکه بررسی و تجزیه و تحلیل شکستن شفت موتور الکتریکی بسیار مهم هستند، ابزار‌های رایجی برای این کار در دسترس هستند که عبارتند از مواردی که در ادامه نام برده می شود. با این حال تعداد قابل توجهی از شکست‌ها با داشتن دانش اساسی در مورد آنالیز خرابی‌های شفت الکتروموتور و بازرسی بصری توسط متخصصین قابل تشخیص هستند.

1. چشمی (Visual)
2. میکروسکوپ نوری (Optical microscope)
3. میکروسکوپ الکترونی اسکن (Scanning electron microscope)
4. میکروسکوپ الکترونی تراگذر (Transmission electron microscope)
5. آنالیز متالورژیکی (Metallurgical analysis)

بررسی جنس شفت الکتروموتور و شکل آن‌ها

برای اکثر کاربرد‌های الکتروموتور، فولاد کربنی نورد گرم مناسبترین انتخاب است. هنگامی که بار‌های بیشتری وجود دارد، فولاد آلیاژی مانند کروم-مولیبدن اغلب استفاده می‌شود. برای کاربرد‌هایی که دارای خوردگی شدید یا محیط تهاجمی مانند صنایع نفت و گاز و پتروشیمی هستند، فولاد‌های زنگ نزن مورد نیاز است. و برای کاربرد عمومی در موتورهای الکتریکی کوچک از فولاد با کشش سرد استفاده می شود.