افزایش قابلیت اطمینان ضربه گیرهای هیدرولیک با بکارگیری سیالات غیرنیوتنی

امروزه میراگرها جزئی جدایی ناپذیر از صنایع مختلف هستند که باعث کاهش استهلاک و افزایش بازده سیستم و پیشگیری از بروز خرابی در بخش‌های مختلف تجهیزات یا سازه‌ها می‌شوند. استفاده از ضربه گیر مناسب و متناسب با نوع تجهیز همواره مورد توجه صاحبان صنایع بوده است.

تاثیر سیالات غیر نیوتنی بر قابلیت اطمینان ضربه‌گیرهای هیدرولیک

به منظور دستیابی به شرایطی که در حین بروز حادثه و یا برخورد اجسام، کمترین خرابی و خسارت ایجاد شود و همچنین امکان کنترل شدت ضربه میسر شود به گونه‌ای که با حفظ حدود مجاز استانداردی بهترین عملکرد ضربه گیر را داشته باشیم، لازم و ضروری است که پارامترهای مرتبط به عملکرد ضربه گیر بصورت دقیق مدل سازی شده تا با بهینه کردن پارامترهای تاثیرگذار در عملکرد ضربه گیر، قابلیت اطمینان مورد نظر حاصل شود. یکی از پارامترهای موثر در افزایش قابلیت اطمینان ضربه گیرهای هیدرولیک، استفاده از سیالات غیر نیوتنی است.

این تحقیق روی ضربه گیرهای هیدرولیک (مستهلک کننده انرژی) مورد استفاده در صنعت آسانسور تمرکز داشته که نتایج آن می‌تواند ایمنی مسافران آسانسور را افزایش و همچنین محدودیت فضاهای کاری در چاه آسانسور را برطرف نماید.

دمپر ویسکوالاستیک چیست؟

دمپر ویسکوالاستیک به ضربه گیری گفته می‌شود که از نوع مستهلک کننده انرژی بوده و در آن از سیال ویسکوالاستیک جهت کاهش ارتعاشات و از بین بردن ضربه ناشی از برخورد اجسام به سر ضربه گیر استفاده می‌شود. مکانیزم عملکرد آن به گونه‌ای است که انرژی جنبشی ناشی از برخورد جسم را به حرارت و همینطور انرژی پتانسیل ناشی از کاهش سطح که مساوی با جابجایی ضربه گیر است، تبدیل می‌کند.

فرضیه‌های بکار گرفته شده شامل استفاده از سیال غیرنیوتنی تراکم ناپذیر جهت افزایش قابلیت اطمینان ضربه گیرهای هیدرولیک، عدم وجود نشتی سیال در زمان برخورد، وجود نیروی یکنواخت در سر ضربه گیر در زمان برخورد و برخی ساده سازی در حل معادلات حاکم هستند.

انواع ضربه گیرها

ضربه گیرها از متداول‌ترین انواع میراگرها هستند که بصورت کلی به دو نوع تقسیم می‌شوند و در ادامه به معرفی آن‌ها پرداخته می‌شود.

۱- نوع جمع کننده انرژی (Accumulation type)

۲- نوع مستهلک کننده انرژی (Dissipation type)

ضربه گیر نوع جمع کننده انرژی با یا بدون حرکت برگشتی می‌تواند برای سرعت‌های تا ۱ و یا تا 1/6 متر بر ثانیه به ترتیب بکار گرفته شود. کورس نهایی ممکن نباید کمتر از دو برابر فاصله توقف تحت جاذبه زمین با سرعت ۱۱۵درصد سرعت اسمی باشد و در هر حالتی کمتر از ۶۵ میلی‌متر نباشد.

در این تحقیق تمرکز روی ضربه گیر هیدرولیک و سیال مورد استفاده در آن است. ضربه گیر نوع مستهلک کننده انرژی صرف نظر از سرعت اسمی آسانسور می‌تواند بکار گرفته شود. کورس نهایی ممکن، باید حداقل مساوی با فاصله توقف تحت جاذبه زمین و با سرعت ۱۱۵ درصد سرعت اسمی یا به عبارت دیگر v2 0674/0 باشد.

حال با دانستن فیزیک و ساختار ضربه گیر هیدرولیک و بدست آوردن فرمول‌های مربوط به شتاب توقف و نیروی بازدارنده، می‌توان به تحلیل رفتار ضربه گیر در زمان اصابت جسم برخوردکننده پرداخت و سپس با بررسی عوامل موثر بر عملکرد ضربه گیر، رفتار آن را بهینه سازی نمود.

عوامل موثر بر عملکرد ضربه گیر هیدرولیک

موارد زیر از جمله عوامل موثر با عملکرد ضربه گیر هیدرولیک هستند.

الف) عوامل فیزیکی و ظاهری ضربه گیر

ب) نوع سیال استفاده شده در ضربه گیر

بررسی عوامل فیزیکی و ظاهری ضربه گیر

عوامل فیزیکی و ظاهری ضربه گیر شامل موارد زیر است.

• مساحت پیستون
• مجموع مساحت‌های عبوری روغن
• سرعت برخورد جسم بر پیستون
• وزن اعمال شده بر سر پیستون

پارامترهای مربوط به نوع سیال استفاده شده در ضربه گیر شامل موارد زیر است:

• دانسیته یا چگالی سیال
• ویسکوزیته سیال
• الاستیسیته سیال

بیشتر بخوانید:

• مبانی اصول سیال در هیدرولیک و خصوصیات شلنگ هیدرولیکی
• مبانی آسانسورهای هیدرولیکی

عموماً در ضربه گیرها از روغن هیدرولیک با ویسکوزیته ثابت (حدود 68 سانتی استوک) استفاده می‌شود. به منظور بررسی تاثیر ویسکوزیته سیال عامل در عملکرد ضربه گیرها، در این تحقیق از سیالات مشابه با درجه ویسکوزیته متفاوت استفاده شده است و تاثیر آن بر روی حرکت ضربه گیر در هنگام توقف مورد بررسی قرار گرفته است.

لازم به ذکر است یکی از پارامترهای حائز اهمیت در قابلیت اطمینان ضربه گیرهای هیدرولیک، شتاب کاهنده توقف است که در واقع میزان شوک به ضربه وارده به سر ضربه گیر را بیان می‌کند. طبق استانداردهای مرتبط، حداکثر شتاب متوسط توقف برای ضربه گیرهای استفاده شده در صنعت آسانسور برابر با شتاب جاذبه زمین(9/81 متر بر مجذور ثانیه) است و شتاب منفی بیش از 2/5 برابر جاذبه زمین، نباید بیش از 0/40 ثانیه طول بکشد.

همچنین با توجه به استفاده از فنر در ضربه گیرهای هیدرولیک به منظور بوجود آمدن خاصیت برگشت پیستون به حالت اولیه پس از اعمال ضربه و همچنین ایجاد خاصیت میرایی بیشتر بدلیل ذخیره انرژی ناشی از ضربه، از خاصیت الاستیک می‌توان به عنوان پارامتری موثر در ضربه گیرها یاد کرد.

لذا در صورت استفاده از سیال عامل ویسکوالاستیک (سیال غیرنیوتنی) به جای روغن هیدرولیک که توامان خاصیت ویسکوز و الاستیک را دارا هستند، می‌توان در بهبود خاصیت میرایی ضربه گیرها گام مهمی برداشت.

استانداردسازی شتاب توقف در ضربه گیرهای هیدرولیک

با توجه به توضیحات ارائه شده فوق، مطابق با استاندارد حداکثر شتاب مجاز توقف که بیانگر شوک حرکتی می‌باشد برابر با شتاب جاذبه زمین (g) می‌باشد. لذا برای اینکه کمترین مسافت توقف حاصل شود، ضروری است میانگین شتاب توقف از ابتدای برخورد تا انتهای حرکت و لحظه توقف برابر یا نزدیک به شتاب جاذبه زمین (حد مجاز استانداردی) باشد.

در چنین شرایطی امکان ساخت ضربه گیر با حداقل ابعاد و حداکثر کارایی وجود خواهد داشت. در واقع در صورت یافتن سیال هوشمندی که با استفاده از آن در ضربه گیر هیدرولیک، امکان ایجاد شتاب میانگین نزدیک به شتاب جاذبه زمین فراهم شود، می‌توان بهره وری سیستم ضربه گیر را بطور چشم گیری افزایش داد.

برای این منظور ابتدا لازم است که میزان ویسکوزیته سیال که بیانگر میزان سفتی و نرمی آن است به منظور دستیابی به شتاب میانگین توقف مورد نظر در هر لحظه مشخص گردد. لازم به ذکر است که عوامل مختلفی مانند جرم و سرعت جسم برخورد کننده به ضربه گیر و ساختار فیزیکی ضربه گیر در دستیابی به میزان ویسکوزیته مورد نیاز موثر می‌باشد.

لذا می‌بایست کلیه عوامل تاثیرگذار را همزمان مورد بررسی قرار داد تا نتایج بدست آمده نزدیک به واقعیت باشد.

نوآوری در ضربه گیرها

با توجه به نحوه عملکرد ضربه گیر، استفاده از سیال ویسکوالاستیک رقیق شونده (Shear thining) امکان ایجاد توقف یکنواخت را فراهم می‌کند. بدین صورت که در ابتدا و پس از برخورد جسم به سر ضربه گیر و بدلیل افزایش نرخ برش در اثر شدت ضربه، ویسکوزیته سیال کاهش یافته و رقیق می‌شود که مانع از شوک در لحظه برخورد شده و به مرور زمان با کاهش نرخ برش، ویسکوزیته سیال افزایش یافته و سیال سفت تر شده و منجربه ایجاد یک منحنی حرکت توقف ملایم با شتاب ثابت نزدیک به حد مجاز می‌شود. لذا می‌توان با بدست آوردن میزان شتاب توقف بر اساس شرایط فیزیکی ضربه گیر، جرم و سرعت جسم برخوردکننده، ویژگی سیال مورد نظر را یافته و سپس به ساخت آن اقدام گردد.

تحقیق و توسعه در ضربه گیرهای هیدرولیک

این فرآیند با توجه به گسترده بودن اقدامات پژوهشی مربوط به ساخت ضربه گیر، استفاده از روش‌های سیستم کنترل فازی، ساخت سیال عامل ویسکوالاستیک و درنهایت تست آزمایشگاهی جهت کنترل صحت نتایج بدست آمده، می‌توان گفت که برای اولین بار در فضای علم رئولوژی در دنیا انجام شده است.

در ادامه نسبت به ساخت روغن (سیال عامل ویسکوالاستیک) و انجام تست ضربه گیرهای هیدرولیک در محیط آزمایشگاه جهت کنترل صحت نتایج بدست آمده و اعتبار سنجی آن‌ها پرداخته شده است.

در شکل 1 تصاویر مربوط به برج تست آسانسور جهت شبیه سازی برخورد جسم به ضربه گیر نشان داده شده است. سنسورهای دقیق و کاملا کالیبره جهت ثبت مکان، سرعت و شتاب جسم برخوردکننده در هر لحظه، در محل مناسب تعبیه شده است تا نتایج مورد نیاز ثبت گردند.

شکل 1. برج تست آسانسور شرکت بازرسی ISQI واقع در کردان کرج

پس از انجام تست‌های مربوط به جرم‌های مختلف جسم برخورد کننده (500، 1000 و 1500 کیلوگرم) که با سرعت‌های مختلف (1 و 1/5 متر بر ثانیه) به ضربه گیر برخورد می‌نماید، نتایج حاصل از استفاده از سیال ویسکوالاستیک در مقایسه با سیال هیدرولیک با ویسکوزیته ثابت مورد مقایسه قرار گرفته است.

برای بررسی دقیق تر نتایج بدست آمده، در ادامه نمودارهای مقایسه ای مربوط به حداکثر شتاب، شتاب متوسط، مسافت توقف و حداکثر سرعت نشان داده شده است.

مقایسه حداکثر شتاب توقف:

مقایسه شتاب متوسط توقف:

مقایسه مسافت توقف:

مقایسه حداکثر سرعت:

نتیجه گیری

در این مقاله به بررسی میزان اثربخشی و افزایش بهره وری ضربه گیرها در حضور سیال ویسکوالاستیک به جای روغن با ویسکوزیته ثابت پرداخته شده است. همانطور که از نتایج آزمایشگاهی مشخص شده است، استفاده از سیال عامل ویسکوالاستیک رقیق شونده باعث می‌شود که در زمان برخورد جسم با ضربه گیر، در پی کاهش ویسکوزیته سیال، شوک اولیه نیز کاهش یافته و بتدریج با افزایش ویسکوزیته سیال عامل، شتاب توقف نزدیک به حداکثر مجاز (شتاب g) حفظ شود.

این فرآیند باعث می‌شود تا ضمن کاهش شوک اولیه، مسافت طی شده تا توقف جسم برخوردکننده کاهش یافته و منجربه بهینه سازی عملکرد ضربه گیر گردد.