آببندهای محوری: این آببندها برای آببندی در جهت محوری موثرند و برای هر دو نوع محرک و ثابت بهکار میروند؛ مانند آببندهایی که در پیستون و سیلندر در یک تشدیدکننده یا کمپرسور بهکار میروند یا آببندهای بهکار رفته در دربهای یک مخزن فشار بالا.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
آببندهای شعاعی: در شکل ۲‑۱۳ نمونههایی از آببندهای در جهت شعاعی نشان داده شده است؛ مانند آببندهای بهکار رفته در دربهای یک مخزن فشار بالا.
شکل ۲‑۱۳- آببندهای شعاعی [۱۱]
در شکل ۲‑۱۳ دیده می شود که سطح آببندی کوچکتر از سطحی است که تحت فشار قرار دارد، بنابراین نیروی ناشی از فشار داخلی با یک سطح تماس کوچک تحمل می شود. در نتیجه فشار در ناحیهی آببندی بیش از فشار داخلی است و اثر آببندی افزایش مییابد. اگر فشار داخلی خیلی بالا رود، تغییر شکل پکینگ[۱۴] از حد الاستیک تجاوز می کند و هر بار که دربها برداشته میشوند پکینگ باید تعویض شود [۱۱].
شکل ۲‑۱۴ نوعی آببند دینامیکی برای فشار بسیار قوی را نشان میدهد که بر اساس طرح بریجمن کار می کند. در این آببند سطح تاج دایرهای واشر داخلی (واشر تحت فشار زیاد)، بزرگتر از سطح پکینگ لاستیکی است که نیروی ایجاد شده را تحمل می کند. اختلاف این دو سطح به اندازه سطح پینهای pegs است که روی واشر داخلی نصب شده اند. در واقع سطح تحملکننده فشار پکینگ برابر است با سطح تاج دایرهای واشر داخلی منهای مجموع سطح مقطع پینها. در این صورت روی سطح جبران نشده فشاری وجود دارد که موجب می شود فشار ایجاد شده در پکینگ بیش از فشار سیال تحت فشار باشد، در نتیجه عمل آببندی به خوبی اجرا می شود. در این طرح تعداد پینها ۶ عدد میباشد. دور پینها و در گوشهها، رینگهای گوشه نصب می شود تا از تزریق پکینگ به داخل لقیها جلوگیری شود و عمر آببند افزایش یابد. جنس پکینگ و انطباقات اجزا، نقش مهمی در نحوه عملکرد آببند دارند که باید نوع و مقدار مناسب آنها را از طریق تجربه تعیین کرد. جنس واشر داخلی و پینها از نوع فولاد با استحکام بالا و جنس واشر خارجی[۱۵] از نوع آلومینیوم-برنز میباشد. این نوع آببندها در عمل تا فشار bar3800 به خوبی عمل می کنند و حتی در کارهای پژوهشی تا فشار bar5900 نیز مورد استفاده قرار میگیرد. در صورتی که عمر طولانی مورد نظر باشد فشار کارکرد مناسب، bar3500 میباشد.
شکل ۲‑۱۴- نوعی آببند پیندار برای فشار بسیار قوی [۱۴]
شکل ۲‑۱۵ نوع دیگری از آببندهای دینامیکی فشار بسیار قوی را که بر اساس طرح بریجمن کار می کند، نشان میدهد. با سفت کردن مهرهی سفتکننده، فشار اولیه در پکینگ لاستیکی ایجاد می شود درنتیجه، موجب فشرده شدن بوش آببند روی میله می شود و آببندی اولیه را ایجاد می کند. با افزایش فشار درون سیلندر، فشار موجود در پکینگ لاستیکی زیادتر می شود. از طرفی به دلیل وجود سطح جبران نشدهی فشار، فشار ایجاد شده در پکینگ لاستیکی خیلی بیشتر از فشار داخلی سیلندر است، بنابراین آببندی سیال را تضمین می کند. جنس بوش آببند از آلومینیوم-برنز است. وجود رینگهای گوشه از تزریق پکینگ لاستیک به درون لقی جلوگیری می کند و سبب می شود عمر آببند افزایش یابد. فشار تماسی بین بوش آببند و میله از سمت داخل به خارج از قسمت فشار قوی، از فشار عملکرد سیستم تا صفر تغییر می کند و فشار خارجی بوش تا انتهای پکینگ لاستیکی بیش از فشار سیستم است که با انتخاب سطح جبران نشدهی فشار، مقدار آن را میتوان کنترل کرد. با مقدار بهینه برای ابعاد بوش و پکینگ که از طریق تجربه تعیین می شود، میتوان کمترین مقدار نشتی و اصطکاک را حاصل کرد. به طور کلی با کم کردن میزان نشتی، اصطکاک زیادتر می شود. این نوع آببندها برای آببندی تا فشار حدود bar3000 مناسب هستند.
شکل ۲‑۱۵- نوعی آببند بوشی برای فشار بسیار قوی [۱۴]
در شکل ۲‑۱۶ یک آببند دینامیک برای فشار بسیار قوی، بر اساس طرح بریجمن، مشاهده می شود. در این طرح، آببند از یک رینگ پیشانی ۷، پکینگ ۶، رینگ تکیهگاه ۴ و مهرهی سفتکننده ۲ تشکیل شده است که، روی میله ۱ و در محفظه ۳ قرار گرفتهاند. وجود فضای خالی ۵ سبب ایجاد سطح جبران نشدهی فشار می شود. با سفت کردن مهرهی سفتکننده، آببندی اولیه ایجاد می شود و سپس با اعمال فشار سیال، فشار درون پکینگ به بیش از فشار داخلی میرسد. در نتیجه عمل آببندی در فشار بالا نیز کامل می شود. جنس مواد پکینگ از فلوئوروپلاستیک، فلوئورون، گرافیلن و یا پلی کلراین- وینیل انتخاب می شود و رینگهای پیشانی و تکیه گاه و مهرهی سفتکننده از فولادهای آبکاری شده با استحکام بالا ساخته می شود. از این آببندها میتوان برای آببندی تا فشار bar20000 نیز بهره برد.
شکل ۲‑۱۷ نوعی از آببندهای دینامیک میله را که بر اساس طرح بریجمن کار می کند، نشان میدهد که برای فشار قوی مناسب میباشد. در این آببند یک رینگ فولادی ۶ وجود دارد که رینگهای داخلی و خارجی ۲، ۳، ۴، ۵ روی آن سوار میشوند. رینگهای داخلی و خارجی ۲ فولادی، رینگهای ۳ و ۵ مسی و رینگهای داخلی و خارجی ۴ از جنس مواد فلوئوروپلاستیک و نظایر آن ساخته میشوند. مجموعه رینگها در محفظهی آببند ۷ روی میله ۸ قرار میگیرند و با مهرهی سفتکننده، سفت میشوند. وجود فضای خالی بین رینگهای داخلی و خارجی ۲، سطح جبران نشدهی فشار را ایجاد می کند. با سفت کردن اولیه مهره، آببندی اولیه حاصل می شود و با افزایش فشار سیال، فشاری بیش از فشار سیال در آببند ایجاد می شود که سبب می شود آببندی کامل شود. آببند پس از مدتی کار کردن دچار سایش می شود و لازم می شود که مهره مجدداً سفت شود.
شکل ۲‑۱۶- نوعی آببند رینگی برای فشار بسیار قوی [۱۴]
شکل ۲‑۱۷- نوعی آببند رینگی برای فشار بسیار قوی [۱۴]
شکل ۲‑۱۸ نوعی آببند دینامیک میله، برای فشار بسیار قوی را نشان میدهد که بر اساس طرح بریجمن کار می کند. این آببند در انتهای پیستون نصب می شود. میله ۳ و واشر ۴ از فولاد بسیار سخت ساخته شده اند. زاویهی مخروطی واشر ۴ حدود °۱۵۰-°۱۴۰ درجه میباشد. فشار هیدرولیک روی میله اعمال می شود، نیروی حاصل از این فشار را سطح پکینگهای ۵ و ۶ که سطح آنها کوچکتر از سطح سر میله است، تحمل می کنند در نتیجه عمل آببندی به خوبی صورت میگیرد. با پیچاندن میله ۳ و مهره ۲ میتوان آببندی اولیه را ایجاد کرد.
شکل ۲‑۱۹ نوع دیگری از آببندهای دینامیک میله را برای فشار بسیار قوی نشان میدهد، که بر اساس طرح بریجمن کار می کند.
شکل ۲‑۱۸- نوعی آببند پیستون مخروطی برای فشار بسیار قوی [۱۴]
شکل ۲‑۱۹- نوعی آببند پیستون رینگی برای فشار بسیار قوی [۱۴]
در اینجا لازم است به نکتهای در مورد آببندهای پیستون که بر اساس طرح بریجمن کار می کنند، اشاره کرد. چون در این آببندها فشار ایجادشده در پکینگ به میزان درخور توجهی بیش از فشار سیال است و همین فشار به سیلندر فشارقوی وارد می شود، در صورت طراحی نادرست ممکن است فشار تماسی به حدی برسد که موجب تسلیم جدارهی داخل سیلندر شود (حتی در مورد سیلندرهای فولادی با استحکام بسیار بالا)، بنابراین سطح دقیق و پولیش شده داخل سیلندر بعد از اولین بارگذاری دچار ازدیاد قطر می شود و در نتیجه آببندی مختل می شود. در این صورت یک سری عملیات اصلاحی مجدد باید روی سطح داخلی سیلندر اجرا شود تا آمادهی بهره‌برداری شود [۱۴].
فصل سوم
پلیمرها و خواص مکانیکی آنها
مقدمه
پلیمرها مولکولهای مصنوعی بلندی هستند که از اتصال و به هم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی، موسوم به منومر[۱۶] تشکیل شده اند. روش اتصال مولکولها به یکدیگر را پلیمره شدن[۱۷] مینامند و تعداد این واحدهای کوچک مولکولی در زنجیر دراز به درجه پلیمر شدن[۱۸] موسوم است. با تغییر اندازه مولکول، ویژگیهای پلیمر هم تغییر می‌کند. نقطهی ذوب، استحکام و خصوصیات فیزیکی دیگر پلیمر، تابع اندازه و ابعاد مولکول (طول زنجیر) میباشد. نامگذاری بسیاری از پلیمرها تنها با افزودن پسوند پلی[۱۹] به نام منومر مربوط به دست می آید. به عنوان مثال، پلیمرهای پلیپروپیلن[۲۰] و پلیاستایرن[۲۱] به ترتیب از منومرهای پروپیلن و استایرن به دست آمده است.
ساختمان پلیمرها با مولکولهای بسیار دراز زنجیرگونه با ساختمان فلزات کاملاً متفاوت است. مواد طبیعی مانند ابریشم، قیر طبیعی، کشسانها و سلولز دارای چنین ساختمان مولکولی هستند. البته تا قرن نوزدهم میلادی که، کوششهایی برای تهیه مواد پلیمری مصنوعی آغاز و منجر به ساخت سلولز شد، کار مهمی انجام نشده بود. این ماده پلیمری جدید به نام مخترعش، الکساندر پارکس[۲۲]، پارکساین[۲۳] نامیده شد و گر چه قابل ارائه به بازار مصرف نبود اما بعد از مدتی به ساخت سلولویید[۲۴] منتهی شد. در اوایل قرن بیستم میلادی توجه زیادی به مواد پلیمری مصنوعی جدید معطوف شد. در سال ۱۹۰۹ میلادی فنل فرم آلدیید[۲۵] موسوم به باکلیت[۲۶] ساخته شد؛ طی جنگ جهانی دوم، موادی مثل نایلون[۲۷]، پلیاتیلن[۲۸] و اکریلیک[۲۹] موسوم به پرسپکس[۳۰] به دنیا عرضه شد.
به طور کلی میتوان مواد پلیمری را به صورت زیر دستهبندی کرد (شکل ۳‑۱):
شکل ۳‑۱- دستهبندی مواد پلیمری
در ادامه توضیحاتی در مورد الاستومرها و پلاستیکها ارائه می شود [۱۵].
الاستومرها[۳۱]
کشسانهای رایج یکی دیگر از اعضای خانوادهی پلیمرها هستند زیرا از مولکولهای دراز زنجیرگونه تشکیل شده اند. این زنجیرها به صورتی نامنظم، پیچ خورده و به هم تابیده هستند. از این رو، انعطافپذیری بالایی را به ماده داده و امکان تغییر شکل زیادی را فراهم می کنند. کشسانها در حالت خام و پخت نشده[۳۲]، پس از تغییر شکل زیاد قابلیت برگشت به حالت اولیه را به طور کامل ندارند؛ زیرا مولکولها از میان یکدیگر به صورتی غیر قابل بازگشت میلغزند. برای جلوگیری از این لغزش مولکولی، آنها را به روش ویژهای موسوم به گوگردی کردن[۳۳] پخت[۳۴] می کنند. بدین ترتیب، مولکولها با پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل شده، به صورت شبکه در میآیند. این پیوندهای عرضی هیچ تاثیری بر بینظمی اولیه موجود در ساختمان مولکولی کشسان، اعم از گلولهای شکل بودن یا پیچ و تابهای موجود در آن ندارند و هنگامی که کشسان را تحت تغییر شکل قرار دهیم، مولکولها کشیده شده و گسترده و باز میشوند اما روی یکدیگر نمیلغزند. لذا وقتی نیروی اعمال شده برای ایجاد تغییر شکل را بر میداریم، کشسان فوراً به حالت اولیه خود باز میگردد. کشسانها به عملیات آرام و دقیق و همچنین انرژی زیاد برای پخت و قالبگیری نیازمندند.
خاصیت مهم الاستومرها، رفتار الاستیکی آنها بعد از تغییر شکل در مقابل فشار[۳۵] یا کشش[۳۶] میباشد. برای مثال ممکن است یک الاستومر ۱۰ برابر طول اولیه خود کشیده شود اما بعد از حذف کشش، تحت شرایط محیطی ایدهآل، به شکل و طول اولیه خود باز خواهد گشت. علاوه بر این، الاستومرها با ویژگیهایی نظیر استحکام و سفتی بالا[۳۷] تحت تنشهای دینامیکی یا استاتیکی، مقاومت بسیار خوب در برابر سایش، انعطافپذیری حتی در درجه حرارتهای کم، نفوذ ناپذیری در مقابل هوا و آب و در بعضی موارد، مقاومت بالا در برابر تورم در حلالها و مقاوم بودن در برابر مواد شیمیایی مشخص میشوند. این خواص در دمای اتاق و دماهای بالاتر نمایش داده میشوند و در شرایط آب و هوایی حاد و در جو دارای ازون غنی، این خواص حفظ میشوند.
الاستومرها همچنین قابلیت چسبندگی به منسوجات و فلزات را دارند. الاستومرها در ترکیب با موادی مانند ریون، پلی آمید، پلی استر یا شیشه با توجه به خواص این عناصر تقویتکننده، قدرت کششی قابل ملاحظهای پیدا می کنند. در حالی که قدرت افزایش طول آنها کاهش مییابد. این قابلیت، محدوده کاربردهای کائوچوها را به طور قابل ملاحظهای افزایش میدهد. برای مثال، در اتصال الاستومرها به فلزات محصولی با ترکیبی از الاستیسیتهی الاستومر و سختی فلزات حاصل می شود.
لاستیکها دارای محدوده گذر یا انتقال به حالت پلاستیک نیستند، زیرا آنها به شبکه های سه بعدی تبدیل شده اند که از حرکت ماکرو مولکولهای زنجیرهی مولکولی جلوگیری می کنند. بنابراین، این مواد فقط بعد از متحمل شدن بعضی تغییرات ساختاری فیزیکی یا شیمیایی ناشی از فرسودگی، تجزیه، تغییر آرایش مولکولی و یا بعد از ایجاد شکاف فیزیکی یا شیمیایی در اتصالهای عرضی میتوانند به صورت پلاستیکی تغییر شکل یابند.
ماده اولیه برای تولید الاستومرها، کائوچو میباشد. حدود از کل کائوچوهای مصرفی جهان، کائوچوی طبیعی (NR) میباشد و آن به صورت مصنوعی تولید می شود. ماده خام برای تولید کائوچوی مصنوعی، نفت میباشد. محدوده خواصی که با الاستومرها بهدست می آید در اصل به انتخاب نوع کائوچو، آمیزهکاری، فرایند تولید و شکل و طرح محصول بستگی دارد. خواص نهایی محصولات لاستیکی که کیفیت حقیقی الاستومرها را نشان میدهد فقط به واسطه آمیزهکاری مناسب با مواد شیمیایی و دیگر افزودنیها و مواد و سیستم ولکانیزاسیون به دست می آید. با توجه به نوع و مقدار کائوچو و مواد افزودنی و شیمیایی در یک آمیزه و با توجه به درجه ولکانیزاسیون، لاستیک پخت شده با خواص مختلف از جمله سختی، الاستیسیته یا استحکام به دست می آید. اما خواص ویژهی الاستومرها مثل مقاومت آنها در برابر روغن، بنزین و فرسودگی در آمیزههای پخت شده مختلف بدون تغییر باقی میماند [١۵] و [١۶].
رفتار مواد الاستیک
معیار مهمی که رفتار مواد الاستیک را مشخص می کند میزان تراکمپذیری آنهاست. این معیار در لاستیکها با نسبت مدول بالک به مدول برشی بیان می شود. هر چه این نسبت بالاتر رود ضریب پواسون بالا رفته در نتیجه تغییر در حجم لاستیک به ازای اعمال فشارهای بالا کمتر می شود تا جایی که میتوان با تقریب خوبی از تغییر حجم صرف نظر کرد. حداکثر مقدار ضریب پواسون برای یک ماده ایدهآل ۵/۰ است. معادلات ۳‑۱ و ۳‑۲ به ترتیب، رابطه بین وضریب پواسون و رابطه بین مدول الاستیسیتهی خطی با مدول حجمی () و مدول برشی () را نشان می دهند. و به ترتیب نمایانگر مدول حجمی اولیه و مدول برشی اولیه هستند.
| ۳‑۱ | |
| ۳‑۲ |
برای مواد تراکم ناپذیر مدول الاستیسیتهی خطی تقریباً ۳ برابر مدول برشی ماده است.
نمی توان گفت که هر چه مدول حجمی یک ماده بیشتر باشد میزان تراکمپذیری ماده کمتر می شود، عاملی که تعیینکننده تراکمپذیر بودن ماده است نسبت مدول حجمی به مدول برشی ماده است. هر چه این نسبت بیشتر باشد تراکمپذیری ماده کمتر می شود.
رفتار تنش-کرنش مواد الاستیک
رابطه ۳‑۲ که مدول الاستیسیته را تعیین می کند فقط برای کرنشهای بسیار کوچک (کمتر از %۵) صادق است و نمی توان از این مدول برای کرنشهای بالاتر استفاده کرد. به عبارت دیگر نمی توان از رابطه خطی هوک برای بیان رفتار لاستیکها استفاده کرد. چرا که نتایج نشان میدهد لاستیکها در منطقه تغییر شکل الاستیک به صورت غیرخطی عمل می کنند. برای بیان رفتار لاستیکها از معادلات انرژی کرنشی استفاده می شود. مدلی که رفتار مکانیکی مواد الاستومر را تعیین می کند یکتا نبوده و تاکنون مدلهای مختلفی از رفتار آنها ارائه شده است. نکتهای که در تمام مدلهای انرژی کرنشی مشاهده می شود، بیان آنها بر حسب نامتغیرهای اصلی است (معادله ۳‑۳). انرژی کرنشی کمیتی اسکالر و نسبت به چرخش جز ماده، تغییرناپذیر است.
