شکست مکرر شفت پمپ در محل شیار خار
در ایستگاه پمپاژ یک تصفیه‌خانه آب در اصفهان، سه پمپ سانتریفیوژ افقی ۲۲ kW با دور ۱۴۵۰ rpm به‌صورت شبانه‌روزی کار می‌کنند. شفت پمپ از فولاد AISI 1045 نرماله با قطر ۴۵ mm ساخته شده است؛ شیار خار ۱۴×۹ mm دارد و شعاع گوشه شانه شفت ۱٫۵ mm ماشین‌کاری شده است. در دو سال گذشته شفت دو بار در گوشه شیار خار ترک خورده و پس از حدود هشت ماه کارکرد شکسته است. سطح شکست نشانه‌های خستگی (fatigue) با منشأ گوشه شیار دارد. تعمیرکار پیشنهاد می‌کند قطر شفت به ۵۵ mm افزایش یابد و همان نقشه دوباره ساخته شود. بهره‌بردار می‌گوید دبی و فشار خروجی مطابق پلاک است، اما ارتعاش یاتاقان سمت کوپلینگ در ماه‌های اخیر حدود ۷ mm/s RMS اندازه‌گیری شده و پیچ‌های پایه شل شده‌اند؛ رانش محوری پمپ نیز بازرسی نشده است. دمای آب پمپاژشده ۳۵ درجه سلسیوس و آب حاوی ذرات معلق است.
1. با محاسبه تنش اسمی پیچشی و مقایسه آن با حد دوام فولاد، آیا می‌توان شکست خستگی را تنها با گشتاور نامی توضیح داد؟
Read the worked answer
۱) گشتاور: T = 9550·P/n = 9550×22/1450 ≈ ۱۴۵ N·m = ۱۴۵٬۰۰۰ N·mm.
۲) تنش اسمی: Wp = πd³/16 = π(45)³/16 ≈ ۱۷٬۹۰۰ mm³ → τ = T/Wp ≈ ۸٫۱ MPa.
۳) اثر تمرکز تنش: برای شیار خار در پیچش Kt ≈ ۱٫۶ تا ۲٫۰؛ با حساسیت شیار q ≈ ۰٫۸۵ → Kf ≈ ۱٫۵ تا ۱٫۸۵ → τmax ≈ ۱۲ تا ۱۵ MPa.
۴) مقایسه با حد دوام: Se′ = 0.5·Sut ≈ ۳۰۰ MPa؛ با ضرایب سطح ۰٫۹، اندازه ۰٫۸۵ و قابلیت اطمینان ۰٫۸۱۴ → Se ≈ ۱۸۷ MPa. حد دوام پیچشی معادل طبق فون‌میزس ≈ ۰٫۵۷۷·Se ≈ ۱۰۸ MPa؛ با ضریب اطمینان ۲، تنش مجاز ≈ ۵۴ MPa، یعنی حدود چهار برابر تنش محاسبه‌شده.
نتیجه: بارگذاری نامی به‌تنهایی شکست را توضیح نمی‌دهد. باید به دنبال بار خمشی پیش‌بینی‌نشده (ناهم‌محوری کوپلینگ، شلی پایه، کرنش لوله‌ها)، تشدید، فریتینگ/خوردگی زیر خار یا مغایرت جنس و عملیات حرارتی بود. بزرگ‌کردن قطر شفت بدون رفع علت، عمر را فقط اندکی بالا می‌برد و ممکن است نشیمن یاتاقان و آب‌بند را نیز تحت تأثیر قرار دهد.
2. دو اقدام فنی با اولویت و یک دلیل برای رد پیشنهاد تعمیرکار بنویسید.
Read the worked answer
اقدام ۱ – رفع ناهم‌محوری و شلی: هم‌محوری کوپلینگ با گیج یا لیزر در حالت گرم و سرد اندازه‌گیری و اصلاح شود؛ پیچ‌های پایه با گروت اپوکسی و torquing صحیح محکم شوند. ارتعاش ۷ mm/s RMS در سمت کوپلینگ معمولاً نشانه ۱X بالای حد یا مشکل هم‌محوری/شلی است و دقیقاً بار خمشی پیش‌بینی‌نشده‌ای می‌سازد که در محاسبه نیامده است.
اقدام ۲ – بهبود جزئیات شفت: شیار خار از نوع sled-runner با گوشه‌های گرد، افزایش شعاع شانه به حداقل ۳ mm (کاهش Kt)، سنگ‌زنی ساچمه‌ای (shot peening) و در صورت امکان سخت‌کاری سطحی موضعی؛ همراه با تأییدیه جنس و سختی شفت‌های پیشین.
دلیل رد پیشنهاد تعمیرکار: افزایش قطر ۴۵ به ۵۵ mm فقط تنش اسمی را که همین حالا حاشیه چهاربرابری دارد کم می‌کند، اما منبع بار خمشی و ارتعاش را حذف نمی‌کند؛ همچنین نشیمن یاتاقان، آب‌بند و قطر نشیمن پروانه را تغییر می‌دهد و هزینه و زمان تعمیر را بدون اثبات بهبود عمر بالا می‌برد.
3. پیش از تصمیم نهایی چه داده‌هایی باید جمع‌آوری شود؟
Read the worked answer
- طیف ارتعاش و فاز: برای تفکیک ۱X (ناهم‌محوری/نامیزانی)، ۲X (شلی)، فرکانس پره و فرکانس یاتاقان.
- پرونده هم‌محوری و نصب: مقادیر ثبت‌شده alignment، گشتاور پیچ‌های پایه، وضعیت گروت و رشد حرارتی در حالت کارکرد.
- مشخصات واقعی مواد: گواهی جنس، سختی و ریزساختار شفت‌های شکسته؛ مقایسه با نقشه.
- بارهای واقعی: فشار خروجی، رانش محوری، جریان و دما در دوره‌های مختلف، وضعیت یاتاقان و سایش آب‌بند.
- هندسه و تلورانس‌ها: نسبت D/d شانه، شعاع واقعی گوشه، تلورانس شیار خار و آج‌زنی.
- سابقه بهره‌برداری: تعداد دفعات خاموش/روشن، دوره‌های خشک‌کاری و کیفیت آب (برای خوردگی/فرسایش).