هدف دستگاه جاذب انرژی توقف بار متحرک با حداقل بازگشت بار، با حداقل ضربه به بار و حداقل ضربه به تجهیزات اطراف است.
کنترل حرکت اغلب مستلزم توقف یکنواخت بار در حال حرکت است. یک اسنابر لاستیکی، یک فنر فشاری و یک داشپات همگی میتوانند این کار را با جذب انرژی انجام دهند. اسنابر و فنر انرژی را ذخیره میکنند و پس از فشرده شدن آن را آزاد میکنند و در نتیجه برگشت میکنند.
داشپات یک سیلندر پر از مایع با دهانهای است که سیال ممکن است به صورت کنترل شده از آن خارج شود. هر نیرویی که بر روی پیستون در سیلندر وارد شود، در ابتدای حرکت با مقاومت بالایی از سیال مواجه میشود، سپس با جمع شدن پیستون بسیار کمتر میشود.
با این حال، هیچ یک از این سه مورد انرژی را به طور یکنواخت هدر نمیدهند. ضربه یک بار متحرک در برابر یک نیروی مقاوم باعث ایجاد نیروهای اوج میشود که به تجهیزات کارخانه یا خود بار منتقل میشود. برای اتلاف یکنواخت انرژی، استفاده از ضربه گیر الزامی است.
شکل ۱. مساحت زیر هر منحنی برابر است، بنابراین انرژی تلف شده برای هر چهار روش جذب انرژی یکسان است.
شکل ۱ نمودارهای نیرو در مقابل ضربه را برای بار یکسان نشان میدهد که با همان سرعت حرکت میکند و به یک اسنابر لاستیکی، یک فنر، یک داشبورد و یک ضربه گیر برخورد میکند. انرژی جنبشی قابل جذب در هر مورد یکسان است، اما با سرعتهای متفاوتی تلف میشود. نرخ خطی کاهش سرعت کارآمدترین ترکیب نیرو، فضا و زمان است که میتواند برای متوقف کردن یک جسم متحرک استفاده شود. نرخ ایدهآل یک منحنی تقریباً مربعی است، که در آن یک نیروی ثابت در برابر بار مقاومت میکند تا زمانی که تا حد توقف کند شود.
کمک فنرها کاهش سرعت خطی را ایجاد میکنند
کمک فنرها انرژی جنبشی یک بار را به گرما تبدیل میکنند که در جو پخش میشود. آنها یک بار متحرک را بدون برگشت و بدون انتقال شوکهای بالقوه آسیب رسان به تجهیزات متوقف میکنند که تمامی این مباحث در دورههای آموزش تعمیر کمک فنر به علاقهمندان گفته میشود.
در کلیترین شکل آن، کمک فنر شامل موارد زیر می باشد:
- یک استوانه دو جداره با فاصله بین دیوارههای داخلی و خارجی متحدالمرکز
- یک پیستون
- برخی از وسایل برگشت مکانیکی برای پیستون
- یک صفحه نصب
پیستون معمولاً توسط یک فنر به موقعیت اولیه خود باز میگردد که میتواند به صورت خارجی در اطراف میله پیستون یا به صورت داخلی در داخل بدنه سیلندر نصب شود.
یک سری روزنه در دیواره سیلندر داخلی در فواصل نمایی حفر میشود. دلیل فاصله نمایی از معادله انرژی جنبشی بدست میآید: KE= ½ mv2. سیلندر پر از مایع است و تمام هوا از سیال خارج میشود زیرا حبابهای هوا با ایجاد عملکرد اسفنجی یا نامنظم کارایی کمک فنرها را کاهش میدهند.
هنگامی که یک بار متحرک با میله پیستون تماس میگیرد، پیستون را به سمت داخل حرکت میدهد و سیال را از طریق روزنههای دیواره داخلی سیلندر عبور میدهد. سیال از طریق گذرگاههای برگشت روغن به فضای پشت سر پیستون منتقل میشود. با جمع شدن پیستون، روزنههای پشت خود را میبندد و ناحیه اندازه گیری موثر را کاهش میدهد و با از دست دادن انرژی بار، نیروی کاهش سرعت یکنواخت را حفظ میکند.
فشار سیال در کمک فنر ثابت است و مقاومت ثابتی در برابر بار ایجاد میکند. با نزدیک شدن انرژی جنبشی به صفر، بار کاهش مییابد تا متوقف شود. هیچ بازگشتی رخ نمیدهد زیرا کمک فنر انرژی ذخیره نمیکند. برای این که پیستون به حالت کشیده خود بازگردد باید چندین اتفاق بیفتد. ابتدا باید بار برداشته شود. سپس فنر پیستون را به بیرون هل میدهد و یک سوپاپ باز میکند که به سیال اجازه میدهد از پشت پیستون به فضایی که پیستون در موقعیت جمع شده خود قرار داشت جریان یابد. کمک فنرهای کوچکتر (مسورههای کمتر از ۳ اینچ) دارای یک سوپاپ چک توپ برای کنترل جریان سیال هستند. مدلهای بزرگتر از شیر برگشتی حلقه پیستون استفاده میکنند.
شکل ۲. کمک فنر قابل تنظیم لوله اندازه گیری را در اطراف ناحیه روزنه نشان میدهد. این منافذ ناحیه را برای کنترل میزان کاهش سرعت تغییر میدهد.
دو دسته از کمک فنرها متداول هستند: آنهایی که دارای دهانه ثابت هستند و آنهایی که دارای دهانه قابل تنظیم هستند. نوع ثابت، که گاهی اوقات به عنوان غیر قابل تنظیم نامیده میشود، دارای روزنههایی است که در امتداد دیواره داخلی سیلندر در فواصل تعیین شده توسط سازنده سوراخ شده است. در حالی که به طور کلی ارزانتر هستند، آنها برای محدوده بار یک برنامه خاص طراحی شدهاند و نمیتوان آنها را برای برآورده کردن نیازهای سایر برنامهها تغییر داد. آنها در برنامههای با حجم بالا که پارامترهای عملیاتی دقیق به طور قابل توجهی در طول زمان تغییر نمیکنند مقرون به صرفهتر هستند.
کمک فنرهای با منافذ قابل تنظیم میتوانند طیف وسیعی از بارها را تحمل کنند.
به اندازه ۳۰ برابر محدوده یک نوع غیر قابل تنظیم. آنها با حرکت یک صفحه مدرج در قسمت بیرونی کمک فنر تنظیم میشوند. این یک حلقه را در اطراف روزنهها حرکت میدهد تا اندازه دهانهها را کنترل کند. چرخش ۹۰ درجه یا ۱۸۰ درجه میچرخد و در مقیاس ۱ تا ۱۰ درجهبندی میشود. معمولاً هرچه این عدد بیشتر باشد مقاومت در برابر ضربه بیشتر میشود. تنظیم به طور کلی با مشاهده جذب انرژی در تنظیمات مختلف انجام میشود. مقاومت ثابت در برابر بار باید در تمام طول ضربه کمک فنر مشهود باشد.
طراحی روزنه
طراحی روزنه برای عملکرد a کمک فنر بسیار مهم است. یک سوراخ دایرهای که در دیواره داخلی سیلندر حفر میشود به سیال اجازه میدهد تا به قسمت بیرونی سیلندر جریان یابد، اما باعث افت فشار یا تغییر در ویسکوزیته سیال به دلیل تغییر دمای سیال میشود. یک سوراخ ساده جریان سیال آرام را تولید میکند که در اتلاف انرژی کارایی کمتری دارد و اغلب نمیتوان آن را به طور دقیق کنترل کرد. همانطور که یک کمک فنر بیشتر و بیشتر میچرخد و اگر نسبت زیادی از جریان آرام از طریق دهانه وجود داشته باشد، دمای کار افزایش مییابد و تغییر در ویسکوزیته سیال به تنظیم مجدد ثابت کمک فنر نیاز دارد. یک روزنه لبه چاقو در مقایسه با ضخامت دیواره داخلی سیلندر بسیار کوتاه است، شکل ۳. اینها جریان غیر لایهای تولید میکنند که به تغییرات ویسکوزیته سیال حساس نیست و به راحتی قابل کنترل است. همه کمک فنرها پر از مایع نیستند.
شکل ۳. دهانه لبه چاقو که اندازه نسبی دهانه را در مقایسه با ضخامت دیواره سیلندر نشان میدهد. جریان سیال تحت تأثیر تغییرات ویسکوزیته با این نوع روزنه قرار نمیگیرد.
یک طرح از گلولههای الاستومری برای جذب انرژی استفاده میکند. در هنگام ضربه، پیستون گلولهها را فشرده میکند. انحنای و طول هر گلوله ویژگیهای جذب انرژی کمک فنر را تعیین میکند. نرخ بازگشت توسط گلولهها کاهش مییابد. آنها انرژی را ذخیره میکنند و با سرعت کمتری نسبت به جذب آن آزاد میکنند. رها کردن، پیستون را برای ضربان بعدی بدون هیچ گونه بازگشتی تغییر مکان میدهد.
انتخاب ضربهگیر
هنگام انتخاب ضربهگیر، مهمترین عاملی که باید در نظر گرفته شود، نوع باری است که باید متوقف شود. انواع اصلی بارهایی که در کاربردهای کمک فنر با آن مواجه میشوند عبارتند از: اینرسی خالص، سقوط آزاد، چرخشی و بارهایی که تحت نیروی محرکه اضافی قرار دارند. وزن بار و سرعت دو عامل مهم بعدی در اندازه گیری کمک فنر هستند. علاوه بر این، ضربه احتمالی به تجهیزات، تعداد ضربه در واحد زمان و شرایط محیطی باید در نظر گرفته شود تا ضربه گیر به درستی انتخاب شود.
شرایط کاربرد شامل دماهای شدید، شتاب بار، حداکثر نیروی محرکه اعمال شده به بار و محدودیتهای زمانی اعمال شده بر تجهیزات است. محدودیتهای زمانی شامل حداقل و حداکثر زمان چرخه و زمان مورد نیاز برای بازگشت کمک فنر به موقعیت طولانی بین ضربات است. نرخ چرخه یکی دیگر از ملاحظات مهم است. اگر کمک فنر باید در مدت زمان معین ضربههای زیادی را تحمل کند، بیش از حد گرم میشود و در نتیجه عملکرد ضعیف و خرابی زود هنگام ایجاد میشود. دوچرخه سواری سریع ممکن است سیال را گرم کند و توانایی آن در اتلاف انرژی را کاهش دهد.
به عنوان یک ویژگی ایمنی، اکثر سازندگان توصیه میکنند که کمک فنرها در اندازه ۵۰ تا ۶۰ درصد ظرفیت باشند. از آنجا که میزان ضربهای که کمک فنر میتواند وارد کند با طول ضربه آن نسبت معکوس دارد. دوبرابر کردن طول ضربه، تاثیر بار را به نصف کاهش میدهد.
نصب
کمک فنرها باید به طور صلب به یک ساختار نصب غیر منعطف متصل شوند. نوعی توقف خارجی برای ایجاد یک نقطه استقرار محکم و جلوگیری از پایین آمدن پیستون کمک فنر در انتهای حرکت کاهش سرعت مورد نیاز است. اکثر سازندگان استفاده از یک توقف خارجی را برای جلوگیری از آسیب هم به محصول خود و هم به تجهیزات کاربر توصیه میکنند. نصب را میتوان از طریق یک سوراخ حفر شده به دست آورد و با یک یقه توقف نصب، در پشت در یک سوراخ کور سوراخ شده و ضربه خورده نصب شده و توسط یک مهره مربا یا از طریق فلنج نصب خود محکم شد.
برنامههای کاربردی
کمک فنرها را میتوان در مکانهای بیشماری استفاده کرد. کاربردها شامل عملکردهای خط مستقیم و همچنین حرکات چرخشی، سقوط آزاد، غلتشی و لغزشی است. فرقی نمیکند که عمل به صورت مکانیکی، هیدرولیکی یا پنوماتیکی هدایت شود. یکی از موقعیتهای رایج برای کمک فنرها، ماشینهای اتوماسیون با چرخه بالا است که از حرکات چرخشی برای صرفه جویی در زمان و فضا استفاده میکنند. در این مثال، کمک فنرها باید در نزدیکی نقطه محوری قرار گیرند تا فضای بیشتری برای محل کار فراهم شود. با این حال، این قرارگیری کمک فنرها را به دلیل سرعت کم، در شرایط وزن موثر بالا قرار میدهد. بیشتر انرژی جنبشی درگیر از نیروی محرکه ناشی میشود نه از اینرسی. برای چنین کاربردهایی، کمک فنرهایی را مشخص کنید که در محدوده سرعتی از ¼ تا ۲ فوت بر ثانیه طراحی شدهاند.