کوپلینگ و انواع روش های کوپله کردن موتور و ژنراتور

مقدمه:

در دنیای صنعت تمامی دستگاه ها و ابزار ها از اتصال مجموعه های مختلفی با یکدیگر بصورت یک سیستم واحد یا چندگانه ساخته می شوند. مثلا برای ساخت یک موتور احتراقی هزاران قطعه با مکانیزمی از پیش طراحی شده و آزمایش شده، در کنار هم مونتاژ و ایفای نقش می کنند. همچنین برای اتصال یک موتور به گیربکس، اجزاء و واسطه هایی بعنوان مجموعه دیسک و صفحه کلاچ مورد استفاده قرار می گیرند تا انتقال دور و گشتاور به راحتی و با کیفیت مناسب صورت بگیرد. در رابطه با موتور برق یا اصلاحا ژن-ست  (GENSET) یکی از مهمترین اجزاء جهت انتقال نیرو، مجموعه کوپلینگ بین موتور و ژنراتور است. این اجزاء از تخصصی ترین و مهمترین بخش ها در ساخت و تولید موتور برق ها بشمار می روند. در این مطلب ما سعی داریم انواع کوپلینگ ژنراتور ها را مورد نقد و بررسی قرار دهیم.

تعریف کوپلینگ:

همانطور که از نامش پیداست ترجمه انگلیسی کلمه Coupling به معنای اتصال مکانیکی دو شافت رو در رو و هم راستا یا غیر هم راستا توسط اتصالات مخصوص مانند تسمه و پولی، چهارشاخ  است.

انواع کوپلینگ:

در صنعت طیف وسیعی از انواع کوپلینگ وجود دارد که بسته به شرایط و نوع طراحی سیستم مورد استفاده قرار میگیرند. در زیر تعدادی از انواع کوپلینگ را شرح خواهیم داد:

كوپلينگهاي تماس مكانيكي    (Mechanical contact coupling)

كوپلينگ هايي هستند كه جهت انتقال گشتاور به صورت تماس مستقيم بين دو قطعه ي مجاور ، تصحيح نا هم محوري و اجتناب از حركت نسبي محوري دو قطعه در اثر تكان يا لغزش، طراحي مي شوند.  قطعات مجاور از جنس فلزي يا از جنس غير فلزي خود روغن كاري شونده ساخته مي شوند.

كوپلينگهاي دنده اي     (  Gear coupling)

نوعي از كوپلينگ هاي تماس مكانيكي هستند كه جهت انتقال گشتاور ، تصحيح نا هم محوري و اجتناب از حركت نسبي محوري بخش هاي داخلي و خارجي پروفيل هاي دنده اي در اثر تكان يا لغزش ، طراحي مي شوند.

كوپلينگ هاي انعطاف پذير فلزي    (Metalic flexible‐element coupling)

كوپلينگ هايي هستند كه دليل انعطاف پذيري آنها، خم شدن ديسك ها، ديافراگم ها يا جفت هاي نازك فلزي آنهاست.

كوپلينگ ديافراگم فلزي    (Metalic Diaphragm coupling)

نوعي از كوپلينگ هاي انعطاف پذير فلزي است كه متشكل از يك يا چند قطعه ي انعطاف پذير به شكل صفحات دايروي هستند.اين صفحات در ناحيه ي قطر خارجي كوپلينگ به يك قطعه و در ناحيه ي قطر داخلي آن به قطعه ي ديگر متصل هستند

كوپلينگ ديسك فلزي     ( Metalic Disc coupling)

نوعي از كوپلينگ هاي انعطاف پذير فلزي است كه متشكل از يك يا چند قطعه ي انعطاف پذير مي باشند. اين قطعات انعطاف پذير در دو ناحيه ي هم فاصله نسبت به محور كوپلينگ، به آن متصل مي شوند.

كوپلينگهاي انعطاف پذير الاستومري  (Elastomeric flexible‐element coupling)

كوپلينگ هاي هستند كه در آنها گشتاور به وسيله يك يا چند قطعه ي الاستومري منتقل مي شود.

كوپلينگهاي الاستومري برشي    (Elastomeric shear coupling)

نوعي از كوپلينگ هاي انعطاف پذير الاستومري است كه گشتاور را به وسيله ي يك قطعه ي الاستومري كه به صورت برشي بارگذاري شده است، منتقل مي كند. اين قطعه ي الاستومري مي تواند تاير، آكاردئوني (با بيش از يك خم) يا يك ديافراگم باشد. به وسيله ي چنين قطعات الاستومري اي مي توان نا هم محوري را تصحيح كرد و از حركت نسبي محوري و آفست اجتناب كرد.

كوپلينگهاي الاستومري تراكمي   (Elastomeric compression coupling)

نوعي از كوپلينگ هاي انعطاف پذير الاستومري است كه قطعه ي الاستومري بين دو قسمت راننده و رانده ي كوپلينگ جاسازي ميشود. بارگذاري اين قطعات معمولا به صورت تراكمي است. اين قطعات به صورت بوش يا گوه هستند و توانايي محدودي در تصحيح نا هم محوري و آفست و حركت نسبي دارند.

كوپلينگهاي دوسر درگير   (Double‐engagement coupling)

كوپلينگ هايي با دو صفحه ي خمش را كوپلينگ هاي دو سر درگير مي نامند. اين آرايش در بعضي از انواع خاص كوپلينگ هامانند كوپلينگ هاي انعطاف پذير فلزي و كوپلينگ هاي دنده اي به كار مي رود و باعث مي شود كه نقص عدم توانايي در تصحيح آفست جانبي بر طرف شود.

 كوپلينگهاي شافت-قلمي   (Quill‐shaft coupling)

كوپلينگ هايي هستند كه در شافت هاي باريك و بلند، جهت تصحيح نا هم محوري زاويه اي طراحي، آفست جانبي و ارتعاشات پيچشي ناشي از تغيير شكل الاستيك طراح مي شوند. اين نوع كوپلينگ ها توانايي كنترل جابجايي محوري نسبي دو قطعه را ندارند.

كوپلينگهای يك سردرگير   (Single‐engagement coupling)

كوپلينگ هايي با يك صفحه ي خمش را كوپلينگ هاي يك سر درگير مي نامند. اين آرايش در بعضي از انواع خاص كوپلينگ ها مانند كوپلينگ هاي انعطاف پذير فلزي و كوپلينگ هاي دنده اي باعث عدم توانايي در تصحيح آفست جانبي مي شود.

كوپلينگهاي فنرپيچشي    (Torsionally resilient coupling)

كوپلينگ هاي انعطاف پذيري هستند كه در آنها قابليت ميرايي پيچشي و در نتيجه انعطاف پذيري پيچشي افزايش يافته است. اين نوع از كوپلينگ ها در دو مدل موجودندكه در يكي از آنها توانايي تصحيح نا هم محوري و يا جابجايي محوري وجود دارد و در ديگري وجود ندارد.

ملاحظات انتخاب كوپلينگ:

در زمان انتخاب نوع کوپلینگ، مهندسین کلیه جنبه های عملکرد دستگاه را مد نظر قرار می دهند. مهندسین فنی سیستم طی فرآیند تهیه دستگاه باید با شرکت تولید کننده دستگاه دیزل ژنراتور مشاوره نمایند و ویژگی های زیر را مورد بررسی قرار دهند تا کلیه قابلیت های فنی موتور و ژنراتور به طور مطلوب در فرآیند کوپله سازی مد نظر قرار بگیرند. آن موارد به شرح زیر می باشند:

• قدرت موتور دستگاه باید با توان و بار وارده بر روتور ژنراتور کاملا متناسب باشد.
• دهانه خروجی فلایویل موتور دستگاه (از نظر ابعاد و ساختار) باید با استحکام و مقاومت بدنه بلوک سیلندر دستگاه متناسب باشد.
• توان تولید نیروی دورانی خروجی از موتور و ژنراتور باید به گونه ای آنالیز شود که مجموعه دستگاه کوپل شده به بهترین سطح از قابلیت عملکرد فنی برسد.
• ساختار کلی دستگاه کوپل شده باید به طور کامل از سوی شاسی دستگاه با دقت جانمایی شود و الزامات جانمایی AVM باید در آن مد نظر قرار بگیرد.

استاندارد ارائه شده از سوی (SAE)  یک راهنمای مناسب برای مهندسین شرکت تولید کننده دستگاه می باشد تا به واسطه آن حدود ابعاد، اتصالات و کوپلینگ ها را تعیین نمایند. این روش ابعاد گذاری اتصالات و کوپلینگ ها به طور مستمر از سوی شرکت های فعال در صنایع کوپله استفاده می شوند. سازمان جهانی  SAE جامعه مهندسین خودرو در کشور ایالات متحده آمریکا در سال 1905 توسط هنری فورد و اندرو ریکر تاسیس شد. هدف این سازمان ایجاد یک چتر حمایتی و ایجاد وحدت استانداردی بین جامعه سازندگان خودرو و ماشین آلات در کشور بود که رفته رفته بزرگتر شد و امروزه جهان شمول می باشد.

بسیاری از مشخصات ابعادی از جمله قطر، طول، عرض و تلرانس لقی های هوزینگ و فلایویل مورد استفاده در خط انتقال قدرت در استانداردهای SAE و همچنین اطلاعات ابعادی کوپلینگ بر اساس مشخصات ژنراتورها در استاندارهای SAE00 تا SAE6 ذکر می شود و ابعاد متداول صفحه اتصال در کوپلینگ برحسب نوع ژنراتور در استانداردهای SAE24 تا SAE6.5 بیان شده است.

با پیروی از استاندارد SEA می توان ثبات عملکرد دستگاه تولید شده را تضمین نمود تا از نظر استحکام ساختاری مطابق با استانداردهای لازم باشد. در کلیه الزامات مندرج در استاندارد SAE مربوط به مجموعه دستگاه دیزل ژنراتور مشخصات موتور دستگاه مبنای اصلی محاسبات قرار می گیرد.

مشخصه هایكوپلينگ:

 شاخص  عملكرد (Application Factor)

فاكتوري است كه ضرب در گشتاور نامي ماشين مي شود تا تاثير اين واقعيت كه گشتاور انتقالي قابل انتقال با ماشين مورد نظر همواره ثابت نبوده و به صورت سيكلي تغيير مي كند. نمونه اي از اين نوع ماشين ها، موتورهاي پيستوني يا كمپرسورها هستند.

شاخص تجربی (Experience Factor)

با توجه به دو نكته ي وجود نامعيني ها در محاسبه ي گشتاور نامي ماشين و امكان تغيير كاربرد در آينده، فاكتور تجربه تعريف شده است كه به وسيله ي آن گشتاور نامي ماشين كاهش مي يابد.

سرعت نامي ماشين (Machine Rated Speed)

ماكزيمم سرعت دوراني كه در آن گشتاور نامي ماشين توسظ كوپلينگ به صورت پيوسته منتقل مي شود

گشتاور نامي ماشين (Tm)Machine Rated Torque

بيشترين گشتاور متوسط مورد نياز جهت انتقال به صورت پيوسته توسط كوپلينگ. شايان ذكر است كه گشتاور متوسط ميانگين گشتاور بعد از چند دور است و شامل نوسانات سيكلي مانند آنچه در ماشين هاي رفت و برگشتي وجود دارد، نمي شود.

حداکثرسرعت پيوسته (Maximum Continuous Speed)

ماكزيمم سرعت دوراني كه كوپلينگ به صورت پيوسته كار مي کند ( در تعريف هيچ الزامي به كاركرد در گشتاور نامي ماشين نمي باشد) بيشتر مواقع ماكزيمم سرعت پيوسته و سرعت مجاز ماشين يكسان مي باشند.

حداکثردماي پيوسته (Maximum Continuous Temperature)

ماكزيمم دماي محيط در مجاورت كه كوپلينگ قادر به انتقال گشتاور پيوسته  نامي تحت نا هم محوري و سرعت معين مي باشد.

حداقل سرعت پيوسته (Minimum Continuous Speed)

كمترين سرعتي كه كوپلينگ طي آن مي تواند به صورت پيوسته كار كند.

حداقل دماي كاركرد (Minimum Operating Temperature)

كمترين دماي محيط در مجاورت كه كوپلينگ قادر به انتقال گشتاور پيوسته  نامي تحت نا هم محوري و سرعت معين مي باشد.

سرعت تريپ (Trip Speed)

سرعت دوراني كوپلينگ كه طي آن دستگاه مستقل سرعت بالاي اضطراري، يدككشسرعتمتغيرراخاموشميكند. هنگامي كه اين اصطلاح براي ماشين هاي تحريكشدهتوسطيكموتورالكتريكي سرعت ثابت جريان متناوب به كار مي رود منظور سرعت كوپلينگ در لحظه اي است كه موتور سرعت همزمان با بيشترين فركانس را دارد.

انواع روش های کوپله کردن موتور- ژنراتور:

به طور کلی اتصال وکوپلینگ ماشین محرک و متحرک به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم انجام میگیرد. که این امر به شافت های خروجی موتور و ژنراتور بستگی دارد.

کوپل مستقیم:

همانطور که از نام آن پیداست اتصال شافت موتور به شافت ورودی ژنراتور در یک راستا با کوپلینگ مستقیم یا صلب است. کوپل مستقیم خود به دو نوع شافتی و دیسکی تقسیم میشود.

 کوپل شافتی :

در گذشته اغلب ژنراتور ها به صورت جفت بیرینگ، و محور ورودی ژنراتور بصورت یک شافت بود. در این صورت اتصال شافت ژنراتور به موتور نیازمند ساخت یک قطعه واسطه بین شافت ژنراتور و موتور است. ساخت کوپلینگ مورد نظر در گذشته با عملیات تراشکاری صورت میگرفت در نتیجه می توانست کیفیت های متفاوتی داشته باشد که تاثیر مستقیم در کارکرد مجموعه ژنراتور میگذاشت.

کوپل دیسکی:

 با گذشت زمان ژنراتور های جفت بیرینگ جای خود را به ژنراتور های تک بیرینگ دادند، بدین معنی که ژنراتور به جای اینکه توسط شافت و قطعه واسطه کوپلینگ به موتور متصل شود، به وسیله صفحه ژنراتور و صفحه موتور متصل می شوند. (شبیه دیسک و صفحه در کلاچ خودرو) این امر باعث می گردید که بحث کیفیت ساخت قطعه واسطه ، بالانس و هم محور نبودنن تا حدی از بین برود.

مزایا و معایب کوپل مستقیم:

مزایا:

 1- کاهش تلفات دور

 2- اشغال فضای کمتر

 3- هزینه متوسط

4- برای انتقال گشتاور نیاز به کشش اولیه ندارند

معایب:

 1- انتقال ارتعاشات و لرزش به سیستم

2- سرو صدای بیشتر

 3- نصب و تعویض دشوار

 4-  استهلاک اجزاء

 5- نیاز به تنظیم دقیق و قرارگیری دو شافت در راستای یکدیگر

همانطور که می دانید هم محور قرار دادن دو شافت کاری بسیار دشوار و گاه غیر ممکن است و کوپلینگ موتور صلب نمی تواند در این صورت به درستی عمل نماید. آنچه در این بین اتفاق می افتد وجود ضربات متوالی به دلیل هم هم محوری می باشد. با این شرایط استفاده از کوپلینگ موتور ثابت رواج کمتری داشته و از سایر انواع کوپلینگ انعطاف پذیر، بیشتر استفاده می شود.

کوپل غیر مستقیم (پولی و تسمه):

زمانی که موتور و ژنراتور در یک راستا نباشد از کوپل غیر مستقیم برای انتقال نیرو استفاده می شود، در این روش میتوان از مکانیزم تسمه و پولی و یا چرخ دنده برای انتقال دور استفاده کرد، که در ژنراتورها معمولا از سیستم پولی و تسمه استفاده میشود. این روش معمولا در توان های پایین تا متوسط ژنراتور مورد استفاده قرار میگیرد.

مزایا و معایب کوپل غیرمستقیم :

مزایا:

1- به علت کشسانی تمسه ارتعاشات پولی ها به یکدیگر منتقل نمی شود

2- سرو صدای کم و محدود

3- درصورت ایجاد خرابی در یک پولی مشکل به پولی دیگر منتقل نمی شود

4- درصورت نیاز میتوان با تغییر نسبت قطر پولی ها به دور و گشتاورهای دلخواه دست یافت

5- به راحتی قابل نصب و تعویض و تنظیم هستند

6- هزینه پایین

معایب:

1- به علت وجود لغزش بین تسمه و پولی حرکت دو پولی همزمان نمی باشد به عبارتی انتقال حرکت مثبت ندارند

2- برای انتقال گشتاور، نیاز به کشش اولیه دارند که باعث ایجاد نیروهای جانبی روی یاتاقان ها می شود

3- اتلاف انرژی ( بیشتر از نوع کوپل مستقیم)

4- محدودیت دمای کاری بین 35 الی 85 درجه سانتیگراد

5- در بعضی موارد وجود پولی هرزگرد برای جلوگیری از شل شدن تسمه لازم است.