ซีลน้ำมันแบบโครงสำหรับระบบเพลาหุ่นยนต์สามารถชดเชยการรบกวนของริมฝีปากภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำได้อย่างไร?

ในงานใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ เช่น ระบบเพลาหุ่นยนต์ ซีลน้ำมันแบบโครง (radial shaft seal) มักประสบปัญหารั่วของน้ำมัน การสึกหรอเพิ่มขึ้นในช่วงเริ่มต้นและหยุดทำงาน และประสิทธิภาพการปิดผนึกที่ไม่เสถียร ประสบการณ์จริงแสดงให้เห็นว่า ความล้มเหลวเหล่านี้มักไม่ได้เกิดจากการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม แต่เกิดจากสูญเสียความสามารถในการชดเชยการรั่วของริมฝีปากอย่างมีประสิทธิภาพเมื่ออุณหภูมิต่ำ

บทความนี้วิเคราะห์ผลกระทบของอุณหภูมิต่ำต่อการรั่วของริมฝีปาก และเสนอแนวทางการออกแบบเชิงปฏิบัติเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการปิดผนึกภายใต้สภาวะการทำงานเย็น

ผลกระทบของอุณหภูมิต่ำต่อการรั่วของริมฝีปาก

ซีลน้ำมันแบบโครงพึ่งพาแรงดันสัมผัสที่คงที่ระหว่างริมฝีปากปิดผนึกกับพื้นผิวเพลา เพื่อป้องกันการรั่วไหล ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ ผลกระทบที่เกิดร่วมกันหลายประการนำไปสู่การเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพการปิดผนึกอย่างเป็นระบบ

ยางแข็งตัว

เมื่ออุณหภูมิลดลง โมดูลัสความยืดหยุ่นของอีลาสโตเมอร์จะเพิ่มขึ้น และความสามารถในการยืดตัวของวัสดุจะลดลง ส่งผลให้ริมฝีปากซีลไม่สามารถปรับตัวเข้ากับพื้นผิวเพลาได้ดีเท่าที่ควร

ความไม่ตรงกันของการขยายตัวทางความร้อน

อีลาสโตเมอร์ ปลอกโลหะ และเพลามีอัตราการหดตัวจากความร้อนที่แตกต่างกัน การไม่สอดคล้องกันนี้ทำให้ค่าแรงอัดแน่น (interference) และความดันการสัมผัสที่แท้จริงเปลี่ยนแปลงไปในอุณหภูมิต่ำ

การเสื่อมสภาพของสารหล่อลื่น

ความหนืดของสารหล่อลื่นที่เพิ่มขึ้นทำให้การเกิดฟิล์มน้ำมันล่าช้าในช่วงเริ่มต้นทำงาน ส่งผลให้จุดต่อประสานของซีลเข้าสู่สภาวะแรงเสียดทานแบบขอบเขตหรือแรงเสียดทานแบบผสม ซึ่งเร่งการสึกหรอ

ดังนั้น ปัญหาหลักจึงไม่ใช่แค่แรงอัดแน่นไม่เพียงพอ แต่เป็นความสามารถของริมฝีปากซีลที่ไม่สามารถสร้างความดันการสัมผัสอย่างมีประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่องในอุณหภูมิต่ำ

การกำหนดค่าแรงอัดแน่นอย่างมีเหตุผล

แรงอัดแน่นของริมฝีปากซีลจะต้องถูกปรับให้เหมาะสมตามเงื่อนไขการใช้งาน (ความดัน ความเร็ว) คุณสมบัติของวัสดุ และเส้นผ่านศูนย์กลางเพลา

ค่าที่แนะนำโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.35–0.55 มม. ในขณะที่บางการใช้งานที่มีภาระหนักอาจต้องการสูงถึง 0.8 มม.

อย่างไรก็ตาม ไม่แนะนำให้เพิ่มแรงต้านทานอย่างไม่มีข้อจำกัด การเพิ่มแรงต้านทานมากเกินไปอาจทำให้แรงบิดจากความเสียดทานสูงขึ้น สึกหรอเร็วขึ้น และเพิ่มการเกิดความร้อน ค่าสุดท้ายควรได้รับการตรวจสอบยืนยันเสมอผ่านการจำลองและการทดสอบตรวจสอบ

การเลือกวัสดุ: เน้นความทนทานต่ออุณหภูมิต่ำ

การคงแรงปิดผนึกได้ที่อุณหภูมิต่ำนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการฟื้นตัวเชิงยืดหยุ่นและความเหนียวของวัสดุเป็นหลัก มากกว่าแค่คุณสมบัติ "ทนต่อความเย็น" เพียงอย่างเดียว

FVMQ

เหมาะสำหรับอุณหภูมิต่ำอย่างยิ่ง ให้ความยืดหยุ่นที่ดีควบคู่ไปกับความต้านทานน้ำมัน มักใช้ในหุ่นยนต์ทำงานร่วม (collaborative robots) และระบบที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง

FKM ที่ปรับสูตรสำหรับอุณหภูมิต่ำ

สร้างสมดุลระหว่างความต้านทานน้ำมัน ความต้านทานการเสื่อมสภาพ และการฟื้นตัวที่อุณหภูมิต่ำที่ดีขึ้น เหมาะสำหรับระบบปิดผนึกที่ใช้งานในอุณหภูมิปานกลางถึงต่ำ

เอชเอ็นบีอาร์

ให้จุดสมดุลระหว่างความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำและความแข็งแรงเชิงกล โดยทั่วไปใช้กับอุปกรณ์กลางแจ้งและเครื่องจักรวิศวกรรม

เกณฑ์สำคัญคือวัสดุนั้นสามารถคงความสามารถในการคืนตัวอย่างยืดหยุ่นได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ ไม่ใช่เพียงแค่ทนต่อสภาพอากาศเย็น

ระบบสปริง: กลไกชดเชยที่สำคัญ

เมื่อความแข็งของยางเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ สปริงจะกลายเป็นแหล่งหลักของการชดเชยแรงสัมผัส

ระยะเคลื่อนที่ที่เพียงพอและแรงสปริงที่คงที่ในอุณหภูมิต่ำ

การแบ่งรับแรงร่วมกันอย่างสอดคล้องระหว่างสปริงและรูปร่างของใบปัด

สำหรับสภาพแวดล้อมที่หนาวจัด แนะนำให้ใช้การออกแบบใบปัดที่มีสปริงก้านรัศมี (radial garter springs) เป็นอย่างยิ่ง

ระบบสปริงที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมสามารถปรับปรุงความเสถียรของการปิดผนึกได้อย่างมาก เมื่อความสามารถในการยืดหยุ่นของอีลาสโตเมอร์ลดลง

การปรับแต่งโครงสร้างเพื่อความเหมาะสมกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

แทนการเพิ่มแรงกดแน่น การปรับแต่งโครงสร้างมักมีประสิทธิภาพมากกว่าในการเพิ่มสมรรถนะที่อุณหภูมิต่ำ

ลดขนาดหน้าตัดของใบปัดเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่น

ขยายความยาวของแขนยืดหยุ่นเพื่อเพิ่มความสามารถในการติดตาม

ปรับมุมสัมผัสให้เหมาะสมเพื่อให้เกิดการกระจายแรงดันอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น และลดการสึกหรอที่ขอบ

เป้าหมายของการออกแบบคือทำให้ริมปิดผนึกสามารถตอบสนองได้อย่างพลวัต แทนที่จะทนต่อการสูญเสียประสิทธิภาพแบบพาสซีฟ

สภาพพื้นผิวเพลา: ปัจจัยสำคัญที่อุณหภูมิต่ำ

เนื่องจากการก่อตัวของฟิล์มน้ำมันทำได้ยากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ คุณภาพพื้นผิวเพลาจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ:

ควบคุมความหยาบของพื้นผิวภายในช่วง Ra 0.2–0.4 μm เพื่อสร้างสมดุลระหว่างการเก็บน้ำมันและการเข้ากันได้

การนำไมโครเท็กซ์เจอร์ (เช่น ลวดลายไขว้) มาใช้เพื่อปรับปรุงการหล่อลื่นในช่วงเริ่มต้นทำงาน

หลีกเลี่ยงข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่อาจก่อให้เกิดการสึกหรอของริมปิดผนึกตั้งแต่ระยะแรก

การเตรียมพื้นผิวเพลาอย่างเหมาะสมเป็นส่วนสำคัญของการปิดผนึกที่เชื่อถือได้ในอุณหภูมิต่ำ

การประสานงานในระดับระบบ: การจับคู่ทางความร้อนและการควบคุมค่าความคลาดเคลื่อน

การปิดผนึกที่อุณหภูมิต่ำอย่างมั่นคงต้องอาศัยแนวทางในระดับระบบ:

การหดตัวจากความร้อนที่สอดคล้องกันระหว่างชิ้นส่วน

การพิจารณาค่าความคลาดเคลื่อนในการประกอบภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ

การเลือกใช้น้ำหล่อลื่นที่มีคุณสมบัติการไหลและการยึดเกาะที่เหมาะสมในอุณหภูมิต่ำ

เฉพาะการประสานงานกันระหว่างระบบทางความร้อนและกลศาสตร์เท่านั้น ที่จะทำให้ขอบปิดผนึกสามารถรักษากดดันการสัมผัสได้อย่างสม่ำเสมอตลอดการดำเนินงาน

กุญแจสำคัญของการปิดผนึกที่อุณหภูมิต่ำที่ประสบความสำเร็จไม่ใช่การบีบรัดเกินขนาด แต่เป็นการสร้างระบบปิดผนึกที่มีความสามารถในการปรับตัวตามอุณหภูมิในตัวเอง

ด้วยการรวมวัสดุที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม รูปร่างขอบปิดผนึก ระบบสปริง การออกแบบผิวเพลา และการจับคู่ทางความร้อนในระดับระบบเข้าด้วยกัน จึงสามารถบรรลุสมรรถนะการปิดผนึกที่เชื่อถือได้และยืดอายุการใช้งานออกไปได้ แม้ในสภาวะอุณหภูมิต่ำที่มีความต้องการสูง