درایوشفت های فیبرکربن

درایو شفت فیبر کربن  یا درایو شفت کامپوزیت که به آن محور کامپوزیتی یا محور گاردان کامپوزیتی، درایو شفت فیبر کربن نیز گفته می شود ، یکی از انواع دیسک کوپلینگ ها می باشد که از الیاف کربن و رزین و به روش پیچش الیاف ساخته میشود . درایوشفت های فیبر کربن تولید شرکت توان محور با روش helical filament winding و اتصالات نیز با روش ماشین کاری ساخته میشوند.

درایو شفت فیبرکربن یا درایو شفت کامپوزیتی، اغلب در برج های خنک کننده برای انتقال گشتاور و نیرو بین موتورها و گیربکس ها استفاده می شود. از امتیازهای درایوشفت فایبرکربن میتوان موارد زیر را نام برد:

1. وزن بسیار کم (استفاده از درایو شفت کامپوزیتی در مقایسه با درایو شفت فولادی باعث کم شدن وزن سیستم بیشتر از 75 درصد میشود.)
2. ضریب انبساط حرارتی بسیار کم که درایوشفت کامپوزیتی را به کاندیدای مناسبی برای استفاده در دماهای بالاتر تبدیل میکند.
3. مقاومت بالا دربرابر خستگی (endurance limit) و خوردگی که یک مزیت در سیستم های دوار و همچنین محیط های مرطوب و یا دارای مواد خورنده، محسوب میشود.
4. انعطاف پذیری مناسب که قابلیت تحمل نامیزانی در سیستم را افزایش میدهد.
5. نصب آسان و سریع

شرکت توان محور آذین صنعت شیراز با بیش از 10 سال سابقه در زمینه تولید درایوشفت های فیبرکربن ، از پیشگامان تولید درایوشفت های فیبرکربن در ایران میباشد.

مطابق دستورالعمل های نصب درایوشفت در شرکت توان محور، حداکثر میزان مجاز نامیزانی جانبی 0.9 میلی متر و حداکثر میزان مجاز نامیزانی زاویه ای 0.5 درجه میباشد. با توجه به جنس کامپوزیت در این سازه محدودیت عملیاتی و اجرایی خاص دیگری وجود ندارد. همچنین، محاسبه سختی های پیچشی و خمشی در درایوشفت نیز مطابق استاندارد[1] انجام میشود.

تحلیل تنش:

در این گزارش، تحلیل تنش برای سکشن مرکزی گاردان ها در دو سایز و دو حالت انجام شده است. مشخصات طراحی برای هر سایز در جدول (1) آمده است. تحلیل تنش دینامیکی برای هر سایز با در نظر گرفتن سرعت ثابت و برابر با حداکثر سرعت کاری در هر سایز، برای مدت زمانی 2 ثانیه به منظور محاسبه حداکثر تنش در استارت انجام شده است. همچنین، تنش ناشی از گشتاور

جدول (1)

	شرایط کاری		ابعاد (mm)
وزن	سرعت	توان	ضخامت	طول	قطر	سایز
7.95 Kg	1200-1700 rpm	600 hp (488 KW)	5.3	1760	150	1
30.2 Kg	1400-1600 rpm	900 hp (672 KW)	3.7	5312	250	2

پیچشی در هر سایز از طریق مدلسازی در آباکوس محاسبه شده است. ابتدا، گشتاور پیچشی طراحی^[1] (بر حسب N.m) در سیستم با استفاده از رابطه (1) محاسبه شود:

(1)

در رابطه (1)، گشتاور پیچشی بر حسب N.m است. KW توان مورد نیاز موتور است و rpm سرعت بر حسب دور بر دقیقه است. برای مثال، برای درایوشفت سایز 1، با استفاده از توان 488 کیلووات و سرعت 1200 دور بر دقیقه به عنوان حداقل سرعت، گشتاور طراحی برابر با 3883 نیوتن در متر به دست میاید. مطابق استاندارد AGMA922-A96 [2]، ضریب سرویس^[2] (SF) مناسب برای کاربرد مورد نظر ، مطابق جداول (2) و (3)، انتخاب میشود. بنابراین، با توجه به شرایط کاری سیستم، ضریب شوک بارگذاری (SF_L)، و ضریب سرویس کل برای کاربرد مورد نظر به دست میاید.

جدول (2). ضریب سرویس برای فن مورد نظر مطابق استاندارد [2]

Typical service factor	Load classification	Application
		Fans
1.5	U	Forced draft
2	M	Induced draft without damper control

جدول (3). ضریب سرویس برای کلاس های مختلف بارگذاری مطابق استاندارد [2]

با توجه به کلاس متوسط برای بارگذاری، با در نظر گرفتن ضریب نوع بارگذاری برابر با 1.8 و سرویس فاکتور برابر با 2 ، سرویس فاکتور کل به دست می آید:

(2)

مطابق رابطه (2)، حداقل ظرفیت گشتاور طراحی لازم برای کوپلینگ برابر است با:

در واقع دلیل تعریف ضریب بارگذاری و ضریب سرویس به شکل جداگانه در استاندارد آن است که اثر نوع بارگذاری در کوپلینگ های با کاربردهای مختلف، متفاوت است. همچنین، تعریف دقیق ضریب نوع بارگذاری در بسیاری از کوپلینگ ها امکان پذیر نیست؛ همانطور که ضریب 1.5 در هر دو دسته بارگذاری یکنواخت و بارگذاری متوسط و ضریب 2.5 در هر دو دسته بارگذاری متوسط و بارگذاری شدید وجود دارد. انتخاب مقدار ضریب سرویس در محدوده ذکر شده در استاندارد، بر اساس میزان قابلیت اطمینان مورد انتظار با توجه به کاربرد کوپلینگ انجام میشود [2].

هدف از این تحلیل، تعیین تعداد لایه های لازم و وزن و ضخامت درایوشفت به منظور داشتن ضریب اطمینان قابل قبول در تحلیل میباشد. با توجه به زمان بر بودن اجرای تحلیل دینامیکی در نرم افزار آباکوس، چند نمونه تحلیل به عنوان یک نمونه و تقریب اولیه در این گزارش ارائه شده است.

در تحلیل های انجام شده، خواص مکانیکی مطابق دیتاشیت مواد که در پیوست آمده است، در نظر گرفته شده است. محاسبه خواص موثر در کامپوزیت نیز مطابق مراجع [3,4,5] از روابط مربوطه انجام شده است. مقدار خواص موثر مورد استفاده در تحلیل در جدول (4) آمده است. همچنین، چیدمان لایه ها و جهت گیری آنها، مطابق مراجع [6] و بر اساس تجربه کاری شرکت توان محور در حالت بهینه انتخاب شده است.

جدول (4). خواص مکانیکی کامپوزیت فیبرکربن اپوکسی

خواص	مقدار	واحد
کسر حجمی فیبر	60%	–
مدول الاستیک در جهت 1	135	Gpa
مدول الاستیک در جهت 2 و 3	10	Gpa
مدول برشی در جهت 12 و 13	5	Gpa
مدول برشی در جهت 23		Gpa
ضریب پواسون در جهت 12 و 13	0.3	–
ضریب پواسون در جهت 23		–

1. سایز 1
   1. تحلیل دینامیکی:

حداکثر سرعت 1700 دور بر دقیقه در این تحلیل در نظر گرفته شده است. در تحلیل دینامیکی، مدت زمان 2 ثانیه اول به 20 فریم تقسیم شده است و توزیع تنش ون میسز در لوله در چند فریم برای نمونه نشان داده شده است که حداکثر میزان تنش در زمان 1.9 و برابر 131 Mpa به دست آمده است.

شکل (1). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 1 در t=0.1 sec با سرعت چرخش 1700 rpm.

شکل (2). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 1 در t=1.8 sec با سرعت چرخش 1700 rpm.

شکل (3). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 1 در t=1.9 sec با سرعت چرخش 1700 rpm.

شکل (4). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 1 در t=2 sec با سرعت چرخش 1700 rpm.

2-1- گشتاور پیچشی:

حداقل سرعت 1200 دور بر دقیقه (در تحلیل پیچشی) برای محاسبه بیشترین گشتاور وارده بر درایوشفت که برابر 13978 نیوتن-متر میباشد، در نظر گرفته شده است. حداکثر میزان تنش ون میسز و همچنین، حداکثر میزان تنش در جهت های مختلف در شکل های (5) تا (8) نشان داده شده است.

شکل (5). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 1 تحت گشتاور پیچشی.

شکل (6). توزیع تنش در جهت 11 در درایو شفت سایز 1 تحت گشتاور پیچشی.

شکل (7). توزیع تنش در جهت 22 در درایو شفت سایز 1 تحت گشتاور پیچشی.

شکل (8). توزیع تنش در جهت 12 در درایو شفت سایز 1 تحت گشتاور پیچشی.

1. سایز 2:

1-2- تحلیل دینامیکی:

حداکثر سرعت 1600 دور بر دقیقه در این تحلیل در نظر گرفته شده است. در تحلیل دینامیکی، مدت زمان 2 ثانیه اول به 20 فریم تقسیم شده است و توزیع تنش ون میسز در درایوشفت سایز 2 در چند فریم برای نمونه نشان داده شده است که حداکثر میزان تنش در این حالت برابر 277 Mpa به دست آمده است.

شکل (9). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 2 در t=0.1 sec با سرعت چرخش 1600 rpm.

شکل (10). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 2 در t=1.1 sec با سرعت چرخش 1600 rpm.

شکل (11). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 2 در t=1.2 sec با سرعت چرخش 1600 rpm.

شکل (12). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 2 در t=1.3 sec با سرعت چرخش 1600 rpm.

شکل (13). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 2 در t=1.9 sec با سرعت چرخش 1600 rpm.

شکل (14). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت سایز 2 در t=2 sec با سرعت چرخش 1600 rpm.

2-2- گشتاور پیچشی:

حداقل سرعت 1400 دور بر دقیقه (در تحلیل پیچشی) برای محاسبه بیشترین گشتاور وارده بر درایوشفت کامپوزیتی در نظر گرفته شده است. با استفاده از روابط (1) و (2)، میزان گشتاور طراحی برای سایز 2 برابر با 16505 نیوتن-متر به دست میاید. حداکثر میزان تنش ون میسز و همچنین، حداکثر میزان تنش در جهت های مختلف در شکل های (15) تا (18) نشان داده شده است.

شکل (15). توزیع تنش ون میسز در درایو شفت فیبر کربن سایز2 تحت گشتاور پیچشی.

شکل (16). توزیع تنش در جهت 11 در گاردان کامپوزیتی سایز2 تحت گشتاور پیچشی.

شکل (17). توزیع تنش در جهت 22 در درایو شفت سایز2 تحت گشتاور پیچشی.

شکل (18). توزیع تنش در جهت 12 در درایو شفت سایز2 تحت گشتاور پیچشی.

نتایج:

مطابق جدول (5)، ضریب اطمینان برای هر سایز در دو تحلیل دینامیکی و پیچشی محاسبه میشود. همانطور که در جدول با رنگ قرمز نشان داده شده است، برای سایز 2، ضخامت و تعداد لایه های در نظر گرفته شده در تحلیل دینامیکی جوابگو نیست و باید تعداد لایه ها و ضخامت بیشتری در نظر گرفته شود که بنابر درخواست کارفرمای محترم، تحلیل انجام خواهد شد. همچنین، در هر یک از این تحلیل های دینامیکی، حداکثر میزان سرعت کاری با مقدار ثابتی در نظر گرفته شده است.

جدول 5. مقدار ضریب اطمینان برای هر سایز با توجه به مقدار تنش های محاسبه شده در نرم افزار آباکوس.

Safety Factor (Size 2)	سایز 2	Safety Factor (Size 1)	سایز 1	Ultimate Strength1		تحلیل
	277 Mpa		131 Mpa		ون میسز	دینامیکی
11.9	239 Mpa	21.83206	131 Mpa	2860 Mpa	در جهت 11
0.66	121 Mpa	2.25	36 Mpa	81 Mpa	در جهت 22
1.41	96 Mpa	4.25	32 Mpa	136 Mpa	در جهت 12
	162 Mpa		296 Mpa		ون میسز	پیچشی
8.84	-164 Mpa	4.865772	-298 Mpa	-1450 Mpa	در جهت 11
9.61	-26 Mpa	6.944444	-36 Mpa	-250 Mpa	در جهت 22
6.47	21 Mpa	5.037037	27 Mpa	136 Mpa	در جهت 12

1. مطابق دیتاشیت در پیوست.

مراجع:

1. “ANSI/AGMA9004–B08: American Gear National Standard: Flexible Couplings- Mass Elastic Properties and Other Characteristics.” (2014).
2. “AGMA 922-A96 – LOAD CLASSIFICATION AND SERVICE FACTORS FOR FLEXIBLE COUPLING.”
3. Jones, R. M. (1998). Mechanics of composite materials, CRC press.
4. Lee, S. M. (1992). Handbook of composite reinforcements, John Wiley & Sons.
5. Amsc, N. and A. A. CMPS (2002). “Composite materials handbook.” Polymer matrix composites materials usage, design, and analysis.
6. Sulaiman, S., et al. (2013). Finite element analysis of filament-wound composite pressure vessel under internal pressure. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing.

پیوست ها

Data Sheet for Fiber Carbon Composite material

1. Rated torque ↑
2. Service Factor (SF) ↑