میل‌لنگ (Crankshaft) قلب مکانیکی هر موتور احتراق داخلی است؛ این قطعه مسئول تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون‌ها به حرکت دورانی چرخشی است. به دلیل ماهیت این فرآیند که شامل تغییرات ناگهانی و مکرر در جهت نیروها است، میل‌لنگ هرگز یک جسم کاملاً متقارن از نظر توزیع جرم نیست. عدم تعادل جرمی در میل‌لنگ، که به عنوان نیروی عدم بالانس (Unbalance Force) شناخته می‌شود، مستقیماً به سلامت کل موتور، به ویژه اجزای حساس و پرسرعت، آسیب می‌زند. در موتورهای صنعتی و دیزلی که در دورهای بالا و تحت بارهای سنگین کار می‌کنند، بالانس دقیق میل‌لنگ یک ضرورت حیاتی برای عملکرد پایدار است.
مقدمه: ماهیت عدم بالانس در میل‌لنگ
میل‌لنگ یک جسم نامتقارن است؛ شکل هندسی آن شامل پین‌های لنگر (Crankpins)، بازوهای لنگر (Crank Webs) و وزنه تعادل (Counterweights) است. این عدم تقارن جرمی باعث می‌شود که با چرخش میل‌لنگ، مرکز جرم آن از محور دوران اصلی منحرف شود.
انواع عدم بالانس
عدم بالانس در میل‌لنگ به دو صورت اصلی خود را نشان می‌دهد که هر دو برای سلامت موتور مضر هستند:
- عدم بالانس استاتیک (Static Unbalance): عدم تعادل در یک صفحه واحد. این امر باعث ایجاد یک نیروی شعاعی خالص در مرکز جرم می‌شود که تمایل به هل دادن میل‌لنگ به یک سمت دارد.
- عدم بالانس دینامیکی (Dynamic Unbalance): عدم تعادل در دو یا چند صفحه که یک نیروی چرخشی یا لنگر (Couple Unbalance) ایجاد می‌کند. این حالت منجر به ارتعاشات پیچشی در طول شفت می‌شود.
تأثیرات مخرب عدم بالانس بر اجزای موتور
نیروهای ناشی از عدم بالانس، به ویژه در دورهای بالا، به سرعت افزایش یافته و منجر به خرابی‌های زنجیره‌ای می‌شوند.
۱. آسیب به یاتاقان‌ها (Bearings)
این مهم‌ترین تأثیر عدم بالانس است. نیروی گریز از مرکز ناشی از عدم تعادل، به صورت یک نیروی شعاعی متناوب بر روی یاتاقان‌های اصلی میل‌لنگ (Main Bearings) و یاتاقان‌های شاتون (Rod Bearings) اعمال می‌شود.
- افزایش تنش نقطه‌ای: این نیرو، بار عملیاتی موتور را به طور لحظه‌ای افزایش می‌دهد و باعث می‌شود فیلم روغن روانکاری در نقاط خاصی از یاتاقان شکسته شود (Boundary Lubrication).
- سایش و خستگی: شکستن فیلم روغن منجر به سایش سریع، ایجاد حرارت موضعی و در نهایت ذوب شدن یا خرد شدن لایه‌های یاتاقان می‌شود. خرابی یاتاقان‌های اصلی نیز می‌تواند به میل‌لنگ آسیب دائمی وارد کند.
۲. تنش‌های خستگی بر روی شفت میل‌لنگ
عدم بالانس دینامیکی باعث ایجاد ارتعاشات پیچشی (Torsional Vibrations) در طول شفت می‌شود. این ارتعاشات، علاوه بر نیروی شعاعی، نیروی چرخشی متناوبی بر شفت وارد می‌کنند که منجر به خستگی در مناطق تمرکز تنش (مانند شعاع اتصال پین‌ها به بازوها) می‌شود. این امر احتمال شکست ناگهانی میل‌لنگ را افزایش می‌دهد.
۳. تأثیر بر اجزای زمان‌بندی (Timing Components)
نیروهای لرزشی ناشی از میل‌لنگ نامتوازن مستقیماً به سیستم انتقال قدرت سوپاپ‌ها (زنجیر/تسمه تایم، چرخ‌دنده‌ها و میل‌سوپاپ) منتقل می‌شود. این امر باعث افزایش تنش بر روی زنجیر تایم، سایش زودرس چرخ‌دنده‌ها و حتی خرابی در میل‌سوپاپ و تایپت‌ها می‌گردد.
۴. کاهش راندمان و افزایش لرزش کلی موتور
انرژی‌ای که صرف غلبه بر نیروهای اینرسی و لرزش ناشی از عدم بالانس می‌شود، مستقیماً از توان خروجی موتور کاسته و مصرف سوخت را افزایش می‌دهد. همچنین، لرزش‌های شدید می‌تواند به پایه‌های موتور (Engine Mounts) و سایر اجزای متصل آسیب برساند.
روش‌های حرفه‌ای بالانسینگ میل‌لنگ
بالانسینگ میل‌لنگ‌های صنعتی یک فرآیند دقیق است که باید در مراحل مختلف تعمیرات انجام شود.
مراحل بالانسینگ
- تست اولیه (پس از بازسازی): پس از انجام سنگ‌زنی پین‌ها و اصلاح شعاع‌ها، میل‌لنگ باید در دستگاه بالانسر نصب شود.
- بالانس دینامیکی (Dynamic Balancing): این فرآیند برای حذف همزمان عدم بالانس استاتیک و لنگر (Couple) انجام می‌شود. دستگاه بالانسر (که مجهز به سنسورهای ارتعاشی است) میل‌لنگ را در سرعت‌های مختلف می‌چرخاند و میزان عدم تعادل را در دو صفحه مرجع محاسبه می‌کند.
- تصحیح عدم تعادل: تصحیح معمولاً با سوراخ‌کاری دقیق (Drilling) در مناطقی از وزنه‌های تعادل (Counterweights) یا با افزودن وزنه‌های متوازن (Correction Weights) در محل‌های محاسبه شده انجام می‌شود تا نیروهای گریز از مرکز حذف شوند.
اهمیت بالانس در موتورهای دیزلی سنگین
در موتورهای دیزلی، که دارای دور آرام پایین و گشتاور پیک بسیار بالا هستند، نیروهای اینرسی در دورهای پایین‌تر نیز قابل توجه است. بالانس دقیق تضمین می‌کند که نیروهای چرخشی بزرگ در اثر احتراق، با نیروهای ضد گریز از مرکز ناشی از عدم بالانس جرم خنثی شوند تا سیستم پایدار بماند.
نتیجه‌گیری
بالانس میل‌لنگ نقشی حیاتی در سلامت و طول عمر موتورهای صنعتی ایفا می‌کند. عدم بالانس، به ویژه در دورهای بالا، منجر به ایجاد نیروهای گریز از مرکز مخرب می‌شود که مهم‌ترین آسیب را به یاتاقان‌های اصلی و شاتون وارد می‌کند و می‌تواند با ایجاد لرزش‌های پیچشی، منجر به شکست خود میل‌لنگ شود. بنابراین، هرگونه تعمیر یا بازسازی میل‌لنگ بدون انجام فرآیند بالانس دینامیکی دقیق، ناقص و پرخطر تلقی می‌شود.