کاسه نمد قطعه‌ای است که در تمامی سیستم‌های هیدرولیکی از جمله پمپ‌ها، پیستون‌ها و اتصالات مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته در برخی منابع واژه «Oil Seal» که در فارسی به نام کاسه نمد ترجمه شده است، به سایر سیستم‌های آب‌بندی مانند «اورینگ» (O-ring) هم اطلاق می‌شود اما در فارسی به طور معمول به این نوع از آب‌بندها «اورینگ» می‌گویند. از کاسه نمد برای جلوگیری از روغن‌ریزی شفت‌ها و یاتاقان‌ها و همچنین محافظت این قطعات در برابر آلودگی و گرد و غبار استفاده می‌شود.
کاسه نمد به طور معمول از دو بخش تشکیل شده است: بخش فلزی و سخت خارجی و بخش انعطاف‌پذیر داخلی. کار اصلی عایق‌کاری را بخش انعطاف‌پذیر انجام می‌دهد که به بخش فلزی چسبیده است. بخش داخلی از پلاستیک سنتزی یا طبیعی تشکیل شده و با اعمال فشار مناسب بر روی محور، از روغن‌ریزی جلوگیری می‌کند.
تاریخچه کاسه نمد
برای قرن‌ها مهندسان با چالش آب‌بندی در دستگاه‌های متحرک روبرو بودند. در زمان‌های گذشته که افراد شروع به مهاجرت به سمت غرب کردند، به سیستم‌های آب‌بندی نیاز داشتند تا چرخ‌های ارابه‌ها را تا مدت‌های طولانی آب‌بندی کنند. از انواع اولیه آب‌بندها، نوارهای چرمی و نمدی بودند که چربی حیوانات را در اکسل‌های چرخ حفظ می‌کردند. با شکل‌گیری انقلاب صنعتی و تولید موتورهای درون‌سوز و جعبه‌دنده‌ها، به قطعات بهتری برای آب‌بندی نیاز بود.
در اواخر سال‌های ۱۹۲۰ بود که به کمک چرمِ مقاوم در برابر روغن و یک محفظه فلزی، کاسه نمد جدیدی ساخته شد. در انتهای جنگ جهانی دوم، توسعه کاسه نمدها بهبود پیدا کرد و لاستیک‌های مصنوعی جایگزین چرم شدند. در سال‌های ۱۹۶۰، الاستومرهایی با مقاومت دمایی بالا تولید شدند که در آن‌ها از موادی همچون سیلیکون، پلی‌اکریلات و فلوئوروکربن‌ها استفاده شده بود. سیر تحول کاسه نمدها را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
نحوه عملکرد کاسه نمد چگونه است؟
نحوه عملکرد کاسه نمد بسیار ساده است. لبه کاسه نمد بر روی بخش دوار – به طور معمول شفت – قرار می‌گیرد و جداره (قطر بیرونی) در محفظه نگهدارنده به صورت فشرده چفت می‌شود و به این ترتیب، کاسه نمد در جای خود قرار می‌گیرد. برای جلوگیری از حرارت زیاد، لبه‌های کاسه نمد باید روغن‌کاری شود.
یه عبارت بهتر، کاسه نمد از طریق عمل پمپ کردن در محل تماس لبه و سطح شفت، از نشتی جلوگیری می‌کند. جهت پمپ، نسبت مستقیمی با جهت پروفایل فشاری دارد. این پروفایل فشاری توسط طراحی هندسی لبه کنترل می‌شود که گرادیان فشاری بزرگ‌تری در بخش روغنی لبه ایجاد می‌کند. البته این گرادیان فشاری تنها یک جنبه از نحوه عملکرد کاسه نمد به شمار می‌آید.
جنبه دوم، وجود لایه‌ای از یک فیلم روغنی بین لبه کاسه‌نمد و سطح شفت است. جنبه سوم به تشکیل ناهمواری‌ها بر روی لبه کاسه‌نمد اختصاص دارد. این ناهمواری‌ها به گونه‌ای قرار می‌گیرند که سیال را به طرف بخش روغنی پمپ می‌کنند. در تصویر زیر، این پروفایل فشاری و عوامل ایجاد کننده آن‌‌را مشاهده می‌کنید.
از آن‌جایی که برای طراحی قطعاتی همچون کاسه نمد، بلبرینگ و … به آشنایی با نقشه‌کشی صنعتی نیاز داریم، «فرادس» اقدام به انتشار فیلم آموزش نقشه کشی صنعتی (رسم فنی عمومی) کرده که لینک آن در ادامه آمده است.
کاربرد کاسه نمد چیست؟
به طور کلی، از این قطعه در سیستم‌های متحرک شامل حرکات دوار، «نوسانی» (Oscillating) و رفت و برگشتی بهره می‌گیرند.
- حرکت دوار: جهت چرخش در این سیستم‌ها برای آب‌بندی بسیار مهم است. شفت ممکن است به صورت ساعت‌گرد، پادساعت‌گرد یا در هر دو جهت چرخش داشته باشد.
- حرکت نوسانی: در این نوع حرکت، شفت در یک قوس با زاویه‌ای معین نوسان می‌کند.
- حرکت رفت و برگشتی: همانطور که در تصویر هم مشاهده می‌کند، شفت به صورت رفت و برگشتی به محفظه وارد و از آن خارج می‌شود.
عوامل تاثیرگذار بر عمر کاسه نمد چه هستند؟
در ادامه به شرح عواملی می‌پردازیم که بر عمر کاسه‌نمدها تاثیرگذارند که از جمله آن‌ها می‌توان به دما و فشار اشاره کرد.
دما
سه شکل دمایی در کاسه‌نمدها وجود دارد که به دمای بیرونی، دمای «زیرلبه» (Underlip) و دمای «انباره» (Sump) تقسیم می‌شود. مجموع اثرات این دماها سبب می‌شوند تا مواد الاستومری در این قطعات، سخت شوند که در نهایت عدم انعطاف و کاهش عمر قطعه را به همراه دارد. دمای خارجی می‌تواند ناشی از هر منبع حرارتی خارجی باشد و تاثیر شدیدی بر عمر این قطعه خواهد داشت.
مشکل دیگر، زمانی است که دمای خارجی به حداقل دمای عملیاتی لبه می‌رسد. در دماهای پایین، اگر شفت دارای «لنگی» (Runout) باشد، به دلیل کاهش انعطاف‌پذیری لبه، امکان پاره‌شدن آن وجود دارد. دمای انباره نیز در عمر قطعه تاثیر دارد. در حقیقت، رابطه مستقیمی بین عمر قطعه و دمای انباره وجود دارد. در صورتی که اولولیت با عمر بیشتر قطعه باشد، دمای انباره پایین را باید مد نظر قرار داد اما در صورتیکه عمر بالا اهمیت چندانی نداشته باشد، دمای بالای انباره اثرات مثبتی بر روی سیستم خواهد داشت. با افزایش این دما، ویسکوزیته سیال و مصرف انرژی کاهش پیدا می‌کند.
دمای زیرلبه تابعی از سرعت شفت، اصطکاک مواد، زبری سطح و دماهای خارج و انباره است. با افزایش این عوامل، دمای زیرلبه نیز افزایش می‌یابد. اصطکاک مواد نیز به خواص الاستومر، بار روی لبه و روان‌کاری آن ارتباط دارد.
فشار
کاسه‌نمدهای شعاعی برای عملکرد در سیستم‌های پرفشار طراحی نشده‌اند. بخش انعطاف‌پذیر بسیار نازک است و از هیچ حمایت مستحکمی نیز بهره نمی‌برد. کمی افزایش فشار کافی است به لبه خارجی نیرو وارد کند تا این لبه برگردد که این امر نیز سبب کاهش عمر قطعه می‌شود. حد بیشینه فشار در کاربردهای صنعتی به میزان
ذکر می‌شود و زمانی که با این محدوده از فشار سروکار داریم باید سرعت شفت را نیز در نظر داشته باشیم.
درک عملکرد کاسه نمد
عملکرد کاسه نمد را به راحتی می‌توان در یک خودرو مشاهده کرد که در تصویر زیر نشان داده شده است. در این نوع از موتورها، حرکت رفت‌و‌برگشتی پیستون‌ها به حرکات دوار شفت تبدیل می‌شود و شفت نیز توسط یاتاقان‌های فلزی در بر گرفته شده است. برای روغن‌کاری یاتاقان‌ها و همچنین بخش‌هایی که فلزات با یکدیگر در تماس هستند، از روغن استفاده می‌شود. از آن‌جایی که محفظه روغن (کارتل روغن) به محفظه موتور متصل شده است، یاتاقان‌ها به یک فضای مشخصی بین موتور و شفت احتیاج دارند. در این‌جا از کاسه نمد برای جلوگیری از روغن‌ریزی ناحیه اتصال یاتاقان‌ها استفاده می‌شود.
اجزای کاسه نمد چه هستند؟
همچنین در تصویر زیر می‌توانید اجزای اصلی یک کاسه نمد را مشاهد کنید.
همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، لبه کاسه نمد به سه بخش «مرز آب‌بند» (Sealing Edge)، «لبه آب‌بند» (Seal Lip) و «لبه گردگیر» (Dust Lip) تقسیم می‌شود که در ادامه به توضیح عملکرد آن‌ها خواهیم پرداخت.
- مرز آب‌بند: همانطور که می‌بینید، این بخش، سطح مقطعی همچون یک «گوه» (Wedge) دارد و برای آب‌بندی، بر روی سطح شفت فشار وارد می‌کند.
- لبه آب‌بند: این بخش از الاستومری منعطف تشکیل شده و طراحی آن به گونه‌ای است که آب‌بندی آن حتی در صورت ارتعاشات موتور و تغییرات فشار سیال، دچار مشکل نشود. برای بهبود تماس شفت با کاسه نمد نیز از یک فنر بهره می‌گیرند.
- لبه گردگیر: این بخش همانند یک مرز آب‌بند اما بدون فنر عمل می‌کند تا از ورود گردوغبار جلوگیری شوند.
قطر خارجی کاسه نمد نیز سبب می‌شود تا این قطعه به خوبی در محل خود قرار بگیرد و سیالی نیز از آن ناحیه عبور نکند. برای استحکام بیشتر این قطعه نیز از یک جداره فلزی استفاده می‌شود.
انتخاب کاسه نمد به چه عواملی بستگی دارد؟
انتخاب کاسه نمد با طراحی و مواد بهینه به شرایط عملیاتی و کاربرد آن بستگی دارد که از میان این موارد می‌توان به عوامل زیر اشاره کرد:
- دما
- سرعت
- اختلاف فشار
- نوع روان‌کننده
- قرارگیری عمودی یا افقی
- لنگی و عدم انطباق شفت با جداره داخلی
از آن‌جایی که تاثیر یکی از شرایط عملیاتی بالا به طور معمول بر سایر فرآیندهای انتخاب این قطعه برتری دارد، در نتیجه، قانون کلی برای تعیین بهترین نوع کاسه نمد وجود ندارد. البته در ادامه، روندی کلی در انتخاب این قطعه بر اساس عملکرد و دوره تعمیر و نگهداری بیان می‌شود.
