חלקי מכונות - גלים

ר פרישמן מיכאל"ד

Steam turbine

גל

Shafts גלים

הוא חלק מכונה הנמצא בתנועה הגל

, בדרך כלל בעל חתך עגול, סיבובית

(. מומנט סיבוב)שמשמש להעברת הספק

בדרך כלל בעל , הוא חלק מכונה הסרן

רק תומך בחלקי מכונות ולא , חתך עגול

(. מומנט סיבוב)להעברת הספק

גל סרן גל

(Axeles)וסרנים (Shafts)גלים

)Shafts(מטרות תיכון גלים

קביעת צורה גיאומטרית1.

( מצמדים, מסבים, גלגלים: בהתאם לחלקים מורכבים )

קביעת מידות החתכים . 2

( בהתאם לעומס וחומר הגל )

לגל (גלגלים)בחירת אמצעי חיבור חלקים . 3

בחירת מסבים. 4

)Shafts(דרישות תיכון גלים

גל

הרכבה פירוק קל

רזוננס

קשיחות

חוזק

ייצור זול

(Shafts) שלבי תיכון גלים

קביעת צורה גאומטרית של הגל. 1

קביעת עומס חיצוני וכוחות תגובה . 2

(מתיחה, פיתול, כפיפה)בניית מהלכי עומס . 3

בחירת חומר וקביעת מאמצים גבוליים . 4

קביעת ממדי החתך הגל ובדיקת להתעייפות. 5

בדיקת גל לקשיחות . 6

בדיקת גל למהירות הקריטית. 7

(שרטוט הייצור)ביצוע שרטוט הגל . 8

קביעת צורה גיאומטרית של הגל. 1

Fa

Ft

Mt

Fr

גלגל שיניים

Bמסב Aמסב

קביעת עומס חיצוני וכוחות תגובה. 2

(מתיחה, פיתול, כפיפה)בניית מהלכי עומס . 3

בחירת חומר וקביעת מאמצים גבוליים. 4

פלדות פחמניות ומסוגסגות :חומרים

פלדת מסג -גלים עם עומס דינמי גדול

.ניקל ונדיום, ותוספת כרום 0.2-0.1% עם אחוז פחמן נמוך

ממוט פלדה ( חריטה)עיבוד שבבי : ייצור

(חישול,יצקת -למידות גדולות )

השחזה -עיבוד סופי אחרי טיפול תרמי

:שלבים 2 -ב טיפול תרמי

(נורמליזציה, ריפוי)לפני עיבוד שבבי . 1

הרפיה+ חיסוםאחרי עיבוד שבבי . 2

בעזרת זרק חשמלי בתדר גבוה טיפול תרמי לשכבה חיצונית •

".חיסום בשיטה אינדוקציה"

השרה שכבה ) צימנוט –טיפול תרמי למשטחים הדורשים קשיות • (חיצונית בפחמן

Bending fatigue fracture

100 mm diameter steel shaft

Reversed bending fatigue

fracture starting from keyway

חריץ לשגם

קביעת ממדי החתך הגל ובדיקת להתעייפות. 5

שיטה המקורבת לחישוב של קטרי הגל. א

mmn

Pd 3

min )160130(

P kW – הספק מועבר על ידי הגל

n RPM – המהירות הסיבוב של הגל

Fa

Ft

Mt

Fr

גלגל

שיניים

Bמסב Aמסב

dmin

d1

d2

d3

L1 L2

: חישוב קוטר מינימאלי :1שלב

קביעת מידות הקטרים :2שלב

חישוב מאמצים .2שלב

σt = Kf(t) * Fa / A :מתיחה

σb = Kf(b) * Mb *y / Ix = Kf(b) * Mb / Zb :כפיפה

τ tr = Kf(tr) * Mt * r / Io = Kf(tr) * Mt / Z0 :פיתול

( Von-Misesדוגמה לפי ) : מאמצים משולבים

שי להתחשב בריכוז מאמצים*

22 3)( ttbe

מקדמי ריכוז מאמצים של חריץ לשגם

(חישוב מקורב)בדיקת גל להתעייפות . 3שלב

(:מקורב) תנאי חוזק להתעייפות •

22 3maxmax tbe

S

yt

(:מקורב) מאמץ מותר להתעייפות •

S- מקדם בטיחות

ut

מאמץ מאמץ מאמץ

זמן

)*(שיטה הישירה לחישוב קטרי הגל . ב

קביעת החתכים המסוכנים :1שלב

Fa

Ft

Mt

Fr

גלגל

שיניים

Bמסב Aמסב

dmin

d1

d2

d3

L1 L2

)*(שיטה הישירה לחישוב קטרי הגל . ב

את המומנט השקול חשב :3שלב

הנקודות האופייניות של הגלבכל

22

tbe MMM

Mbמומנטים כפיפה קביעת :2שלב

בחתכים המסוכניםMt ופיתול

(לפי מהלכי מומנטים)

22

bVbHb MMM

)*(שיטה הישירה לחישוב קטרי הגל . ב

....( כוכב-גל, פין, שגם)להתחשב באמצעי חיבור חלקים לגל יש 1.

....(הברגה, מדרגה)גיאומטריות אחרות והפרעות

במקומות להרכבת מסבים לפי )יש לעגל קטרים למספרים שלמים 2.

(קוטר פנימי של המסב

קטרי הגל בחתכים המסוכניםחישוב :4שלב

3

3

*

10*32

eM

d

בדיקת גל לקשיחות. 6

f

F

β

מסב

fmax < [ f ] βmax < [ β ]

- fהשקיעה . 1

β -זווית הנטייה . 2

L תנאי קשיחות:

גל של ממסרת גלגלי שיניים :דוגמה

[ f ]=0.003 L

[ β ] = 0.001 rad

בדיקת גל למהירות הקריטית. 7

Shaft critical speed (Resonance)

Shaft critical speed (Resonance)

n < 0.7 ncr n > 1.3 ncr

Shaft critical speed (Resonance)

Steam turbine

Shaft critical speed ( Resonance )

(גורמים ודרכים לשיפור)סיכום -תכן הגל

רזוננס קשיחות חוזק

FOS > [FOS] f < [ f ]; β<[ β ] n (RPM) = ncr

,Sut , Se:גורמים

, עומס

dמידות החתך

Kfריכוז מאמצים

E ,:גורמים

עומס

dמידות החתך

L ,a מידות הגל

E , :גורמים

m מסה

dמידות החתך

L ,a מידות הגל

:דרכים לשיפור

Sut (Se)הגדלת 1.

dהגדלת קוטר 2.

הקטנת ריכוז 3.

Kfמאמצים

:דרכים לשיפור

dהגדלת קוטר 1.

Lהקטנת אורך 2.

:דרכים לשיפור

dשינוי קוטר 1.

Lשינוי אורך 2.

aשינוי מיקום 3

המלצות תיכון הגל

r

l L

C

הפחתת מאמצי כפיפה )מינימאליים l , -בין המסבים ו Lמרחקים •

(ושקיעת הגל

(הקטנת ריכוז מאמצים ) r - Filletעיגול פינות •

בקטעי הגל עם מומנט כפיפה קטן Cלמקם הפרעות גאומטריות •

(אבל ייצור יקר, הקטנת מסה יחסית של הגל)שימוש בגל חלול •

(דוגמה של שרטוט הגל )

(שרטוט הייצור)ביצוע שרטוט הגל . 8

AISI 1050 Q&T 6500C

8תרגיל דוגמה -מסבים –תיכון גל

Dגל

80

295

152 70 150

Mt

של מתקן הרמה כמתואר באיור 6עם גלגל שיניים Dגל

kW 4 .9הספק מועבר על ידי הגל :נתונים

:בתשלובת גלגלי שיניים כוחות

KN 36.5 Ft כוח משיקי

KN 14.6 Frכוח רדיאלי

KN 17.0 Faכוח צירי

RPM 16.7מהירות סיבוב של הגל

עבודה עם תנודות בינוניות

8000( שעות)אורך החיים של המתקן C 50טמפרטורת העבודה

AISI 1050 Q&T 650 Cגל עשוי פלדה

MPA 200000מודול אלסטיות של הפלדה

(עבור מתקן הרמה) 6מקדם בטיחות בגל

Fa

Ft

140

125 130 125

1mmרדיוס פינוה

Fr

דרוש

של הגל ( קטרים)תכנן מידות גיאומטריות .1

בדוק גל לחוזק וקשיחות .2

שגם/ בדוק חיבור לתוף באמצעות גל כוכב .3

6כדורי מהסדרה -בחר מסבים רדיאלי .4

Dגל

(Shafts) שלבי תיכון גלים

קביעת צורה גאומטרית של הגל. 1

קביעת עומס חיצוני וכוחות תגובה . 2

(מתיחה, פיתול, כפיפה)בניית מהלכי עומס . 3

בחירת חומר וקביעת מאמצים גבוליים . 4

קביעת ממדי החתך הגל ובדיקת להתעייפות. 5

בדיקת גל לקשיחות . 6

בדיקת גל למהירות הקריטית. 7

(שרטוט הייצור)ביצוע שרטוט הגל . 8

קביעת צורה גיאומטרית של הגל. 1

Fa

Ft

Fr

Mt

קביעת עומס חיצוני וכוחות תגובה. 2

:כוחות בתשלובת גלגלי שיניים KN 36.5 Ft כוח משיקי

KN 14.6 Frכוח רדיאלי

KN 17.0 Faכוח צירי

Mt =Ft*D/2 = 5384 Nm Fa

Ft

Fr

Mt

בניית מהלכי העומס . 3

בניית מהלכי העומס. 3

שיטה המקורבתקביעת ממדי החתך הגל לפי . 4

mmn

Pd 132107

7.16

4.9)160130()160130( 33

min

Fr

Fa

Ft

140

125 130 125 Mt

גבוליים ומותריםבחירת חומר וקביעת מאמצים . 5

Q&T 650 C AISI 1040( נתון)פלדה -חומר

σut = 634 MPa

σyt = 434 MPa

MpaS

yt62

7

434

( (Mt=0 מומנט כפיפה מרבי)חתך עמוס לכפיפה משתנה - א-א

קבועמומנט פיתול , עמוס לכפיפה משתנה - ב -ב

NmMMM bVbHb 296422

NmMMM bVbHb 174222

NmMMM tbe 565953841742 2222

NmMM be 2964

mm

Md e 800.79

62*

10*2964*32

*

*323

3

3

mm

Md e 1006.97

62*

10*5659*32

*

*323

3

3

(Spline Shafts)גלי כוכב

Shaft

Bush

Section properties of Spline Shaft

בדיקת גל לקשיחות. 6

a= 150 b= 70

L= 220

F= (Ft2 +Fr2 )0.5 = 39.3 kN

fmax < [ f ] βmax < [ β ]

322

max )(327

bLL

b

IE

Ff

6כדורי מהסדרה -בחירת מסבים רדיאלי. 7

נייח-Bמסב נייד-Aמסב

קביעת מסב נייד ונייח

6כדורי מהסדרה -בחירת מסבים רדיאלי

Fa

Ft

130 Mt

Bמסב Aמסב

80

C = P * ( L )1/a * fw * fT < C קטלוג

נייח-Bמסב נייד-Aמסב

:נתונים

n = 16.7 RPM

Lh = 8000 h

RA=19.8 kN

RB=24.9 kN

Fa=17 kN

n = 16.7 RPM > 10 RPM

fw =1.2

fT =1.0

Aבחירת מסב נייד

נייח-Bמסב נייד-Aמסב

C = P * ( L )1/a * fw * fT < C קטלוג

( מסב נייד)מסב עמוס בעומס רדיאלי בלבד •

P = FrA = RA = 25.5 kN

C = 19.8 * ( 8 )1/3 * 1.2 * 1.0 = 47.5 kN < C קטלוג

C קטלוג= ?

L = Lh *n* 60 *10-6 = 8000 *16.7* 60 *10-6 = 8 mil. rev

d = 80 mm

6016 49.4 kN

במידה ואין מסב מתאים

?מה לעשות

Bבחירת מסב נייח

נייח-Bמסב נייד-Aמסב

C = P * ( L )1/a * fw * fT < C קטלוג

מסב עמוס בכוח רדיאלי וצירי יחד•

P = x * Fr + y * Fa

•X, y , מקדמים לפי נתוני ייצרנים

6026נבחר לבדיקה מסב •

d = 130 mm

6026 Co=100kN

X ; Yבחירת מקדמים

Fa / Fr < e x = 1; y = 0

Fa / Fr = 17/24.9 = 0.68 > e = 0.33

x ;yלפי טבלה

X=0.56 Y=1.3

Fa / Co= 17/100 = 0.17

e = 0.33

L = Lh *n* 60 *10-6 = 8000 *16.7* 60 *10-6 = 8 mil. rev

C = 36.0 * ( 8 )1/3 * 1.2 * 1.0 = 86.5 kN < C קטלוג

C קטלוג = ?

מסב עמוס בכוח רדיאלי וצירי יחד•

P = x * Fr + y * Fa = 0.56*24.9 + 1.3*17 = 36.0 kN

d = 130 mm

112 kN 6026

בדיקת חיבור גלגל לגל ותוף לגל

Key באמצעות שגם. א

][2

11

st

s

ss

lbd

M

A

F

][

4

11

lct

lc

lclc

lhd

M

A

F

בדיקת שגם לגזירה בדיקה שגם למעיכה

d1=125 mmקוטר הגל

l=140 mm: מידות השגם

b=32 mm

h = 18mm

l1 =l – b = 108mm

St-50פלדה –חומר השגם

Sut=550 MPa

Syt=300 MPa Mt=5384 Nm

d1=125 mmקוטר הגל

l=140 mm: מידות השגם

b=32 mm

h = 18mm

l1 =l – b = 108mm

בדיקת חיבור גלגל לגל ותוף לגל

Spline Shaftכוכב -באמצעות גל. ב

][ s

m

ts

kzlbr

M

][

1

lc

m

tlc

rlhzk

M

בדיקת לגזירה בדיקה למעיכה

Mt=5384 Nm D = 125 mm: מידות

d1=112 mm

l =140 mm

b=18 mm

Z = 10

k = 0.75

AISI 1040פלדה -חומר

Sut = 758 MPa

Syt = 552 MPa