بسمه تعالی

مقدمه
خمیدگی شفت، یکی از عیوب متداول در شفت ها و به ویژه در شفت های ماشین آلات سنگین می باشد.خمیدگی شفت علاوه بر افزایش دامنه ارتعاش باعث وارد شدن نيروي بيش از حد و آسيب ديدگي ياتاقان ها و كوپلينگ ها شده و از عمر آنها مي كاهد. بنابراين با شناسايي و رفع اين عيب، مي توان علاوه بر مرتفع نمودن مشكلات ارتعاشي، از آسيب ديدگي بقيه قسمت ها جلوگيري كرد.

خمیدگی ها در شفت

عوامل مختلفي مي توانند منجر به خميدگي در شفت هاگردند. مهمترين اين عوامل عبارتند از:
1- سایش (Rubbing) :
بين محور و تجهيزات و اجزاي ثابت مجاور آن، يك فضاي آزاد وجود دارد. در برخي از نقاط ممكن است اين فضاي آزاد به دليل چرخش نامناسب و در اثر عدم هم محوري از بين رفته و محور، در تماس با سطوح اطراف قرار گيرد. در نتيجه اين سايش بين سطوح ساكن و دوار، دماي محور به طور موضعي در محل تماس افزايش مي يابد. اين افزايش دما باعث انبساط محور در مجاورت نقطه تماس مي شود. در نتيجه محور شفت به صورت خميده در آمده و تماس بين شفت و پوشش اطراف آن افزايش مي يابد كه خود اين فرآيند را تشديد مي كند. انبساط ناحيه كوچك مجاور نقطه تماس، توسط نواحي مجاور كه سرد هستند، محدود شده و در نتيجه در محدوده منبسط شده تنش فشاري ايجاد مي شود. توده سرد مجاور نقطه تماس نيز تحت كشش قرار مي گيرد ولي با توجه به بزرگ بودن محدوده سرد در برابر ناحيه منبسط شده، مقدار تنش فشاري ايجاد شده در ناحيه گرم خيلي بيشتر از تنش كششي در ناحيه سرد مي باشد.
اگر دماي نقطه تماس از مقدار خاصي فراتر رود، تنش فشاري ايجاد شده از حد تسليم فراتر رفته و محدوده منبسط شده را دچار تغيير شكل می نمايد. پس از توقف چرخش شفت و خنك شدن آن، در صورتيكه ناحيه گرم شده تنها دچار تغيير شكل الاستيك شده باشد، شفت شكل اوليه خود را باز مي يابد و خميدگي دائمي در آن ايجاد نمی شود. اما اگر شفت علاوه بر تغيير شكل الاستيك، تغيير شكل پلاستيك هم داده باشد، پس از خنك شدن، ناحيه تحت سايش قرار گرفته كوتاه شده و شفت را در جهت عكس خم می كند.
2- شوک حرارتی (Thermal Shock) :
گراديان حرارتي شديد بين نقاط مختلف شفت، باعث انبساط و انقبا ضهاي ناهماهنگ بين نواحي داخلي و سطحي آن مي شود. انبساط و انقباض ناهماهنگ نواحي مختلف شفت مي تواند تنش هاي داخلي ايجاد نمايد كه در صورت افزایش بیش از حد، باعث خميدگي شفت مي شود.
3- غیر یکنواختی آلیاژ شفت :
با توجه به حساسيت بالاي شفت هایی كه در دماي بالا كارمي كنند، مراحل ساخت و عمليات حرارتي اين محورها با دقت زياد انجام مي گيرد. با اين وجود، در برخي از موارد غير يكنواختي درساختارميكروسكوپي نقاط مختلف آنها مشاهده مي شود. اين غير يكنواختي در دماهاي بالا دچار تغيير شكل خزشي مي شوند زيرا كرنش خزشي شديدا به ساختار متالورژيكي وابسته می باشد. اين امر تنش هاي داخلي ايجاد مي كند كه مي تواند باعث تغيير شكل پلاستيك برخي قسمت هاي شفت گردد.

تشخیص خمیدگی شفت

خميده شدن محور شفت، باعث افزايش دامنه ارتعاشات می گردد. با اين حال افزايش دامنه ارتعاشات، علاوه بر خميدگي شفت مي تواند در اثر عيوب متعددي نظير ناميزاني، عدم هم محوري، ترك شفت، لقي، سايش و بسياري از عيوب ديگر نيز ايجاد گردد. بنابراين براي تشخيص اينكه علت افزايش ارتعاشات كداميك از معايب فوق است، بايد ارتعاشات شفت را تحليل نموده و با استفاده از تكنيك هاي آناليز ارتعاشات، عيب را تشخيص داد. هر عيب، مشخصه ارتعاشي خاص خود را داشته و در تكنيك آناليز ارتعاشات با بررسي الگوي طيف فركانسي ارتعاشات، مي توان عيب را تشخيص داد. در تشخيص خميدگي شفت علاوه بر تحليل طيف فركانسي، اندازه گيري و تحليل فاز نيز اهميت ويژه اي دارد. علت اين امر ، شباهت زياد طيف فركانسي مربوط به شفت خميده با طيف فركانسي و شفت ناهم محور است. بنابراين براي تمايز بين اين دو و تشخيص درست عيب ، تحليل فاز ضروري است.

روشهاي رفع خميدگي شفت

براي رفع خميدگي شفت ها از روش هاي مختلفي استفاده مي شود كه مهمترين اين روش ها عبارتند از:
الف . رفع خميدگي شفت با استفاده از كار سرد:
در اين روش، شفت با استفاده از پرس تحت بارگذاري قرار می گيرد كه ناحيه مقعر آن تحت كشش قرار گرفته و تنش در آن از حد تسليم فراتر رود. به اين ترتيب ناحيه مقعر شفت ازدياد طول پيدا كرده و خميدگي آن برطرف مي شود از آنجا كه اين فرآيند در دماي معمولي انجام مي گيرد، به منظور ايجاد تغيير شكل پلاستيك در شفت بايد تنش زيادي به آن وارد شود كه مي تواند به آن صدمه بزند. ازطرف ديگر در مورد شفت هايي كه دچار سايش شده اند يا داراي عيوب ماكروساختاري نظير حفره يا ترك هستند و يا نقاط تغيير مقطع شديد دارند، نمي توان از اين روش استفاده كرد.
ب .رفع خميدگي با استفاده از روش باز پخت:
در اين روش ابتدا به منظور رفع تنش هاي پسماند، شفت در ناحيه خميدگي تحت عمليات بازپخت قرار مي گيرد. پارامترهاي مهم و اساسي در عمليات تنش زدايي شفت، دماي تنش زدايي، سرعت گرم و سرد كردن و مدت زمان نگهداري در دماي تنش زدايي مي باشند. حداكثر دماي تنش زدايي به جنس شفت بستگي دارد و در فولادهاي ساده كربني كمتر از فولادهاي كم آلياژ و در فولادهاي پرآلياژ بيش از ساير فولادها مي باشد. عامل مهم ديگر در عمليات بازپخت، مدت زمان نگهداري در دماي بازپخت مي باشد. براي داشتن اثر حرارتي يكسان، هرچه دماي تنش زدايي بالاتر باشد، به مدت زمان نگهداري كمتري نياز خواهد بود. پس از انجام عمليات بازپخت، بايد شفت را در نقطه خميدگي به طور موضعي و به سرعت تا دماهاي بالا گرما داد . . ماهيت اين عمل بر اساس همان پديده ايست كه به هنگام سايش شفت باعث خميده شدن آن مي شود.
ج‌. رفع خميدگي با استفاده از روش Relaxation:
در اين روش، شفت در ناحيه خميدگي حرارت داده شده و در دماي بالا به وسيله پرس تحت بارگذاري قرار مي گيرد. به منظور گرمايش عمقي شفت، معمولا از القاگر جريان گردابه اي براي حرارت دادن استفاده مي شود. جريان گردابه اي زماني كه شار مغناطيسي گذرنده از يك شفت تغيير كند، در مقطع شفت القا مي شود. بنابراين يك القاگر با تعداد مناسبي از حلقه ها در قسمت خميده شفت قرار مي گيرد و جريان الكتريكي متناوب از آن عبور داده می شود. جريان متناوب، باعث ايجاد شار مغناطيسي متغير با زمان شده و در شفت جريان گردابه اي القا مي كند. مقدار جريان القايي به جريان الكتريكي گذرنده از القاگر و فركانس برق بستگي دارد. با افزايش فركانس جريان متناوب به وسيله مبدل فركانسي مي توان جريان الكتريكي مورد نياز را كاهش داد. پس از رسيدن دماي شفت به مقدار مورد نظر، با استفاده از پرس به گونه اي بارگذاري مي شود كه ناحيه خميده شده در جهت عكس خم شود. مقدار نيروي وارده به گونه اي انتخاب می شود كه ناحيه خميده را تا يك مقدار جزئي (در حدود خميدگي شفت) وارد ناحيه پلاستيك نمايد. پس از برداشتن بار از روي شفت، تغيير شكل الاستيك آن برگشته ولي خميدگي شفت به علت تغيير شكل پلاستيك ايجاد شده كاهش مي يابد. با توجه به اينكه با افزايش دما، تنش تسليم كاهش مي يابد، در دماي بالا ايجاد تغيير شكل پلاستيك آسانتر است. سپس شفت با يك نرخ معين سرد شده و درصورتيكه ميزان خميدگي شفت زياد باشد، ممكن است نياز به چندين مرحله حرارت دهي و بارگذاري داشته باشد. اين فرآيند تا زماني انجام مي گيرد كه خميدگي شفت به كمتر از حدود ۱/۰ ميليمتر برسد. مزيت عمده اين روش بر ساير رو شهاي رفع خميدگي، مقدار كمتر تنش پسماند پس از اتمام عمليات مي باشد.