Prevención de fugas en los ejes del motor para robots submarinos


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Siempre que construimos un bot acuático, siempre tenemos que tener cuidado para evitar fugas, por razones obvias. Ahora, los agujeros para cables se pueden hacer herméticos fácilmente, pero ¿qué pasa con los motores? Podemos sellar fácilmente la carcasa en su lugar (y rellenar cualquier agujero en la carcasa), pero la parte donde el eje se encuentra con la carcasa aún queda sin protección.

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El agua que se escapa al motor sigue siendo bastante mala. Dudo que haya alguna forma de sellar esta área correctamente, ya que cualquier sello sólido no permitirá que el eje se mueva, y eventualmente cualquier sello líquido (o algo parecido a la grasa) se eliminará.

Estaba pensando en poner una segunda carcasa alrededor del motor, tal vez con un orificio de goma personalizado para el eje. Algo así como (perdona el mal dibujo, no está acostumbrado a GIMP):

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Esto probablemente detendría las fugas, pero reduciría significativamente el par / rpm a través de la fricción.

Entonces, ¿cómo se evita que el agua se filtre en un motor sin afectar significativamente el rendimiento del motor?

(Para aclarar, no quiero comprar un motor submarino especial, preferiría una forma de hacer mis propios motores estancos)


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No necesita un diseño de orificio personalizado. Los sellos del eje están disponibles tanto en compañías de rodamientos como en especialistas. SKF e INA son dos de estos fabricantes.
hauptmech

Respuestas:


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No estoy seguro de si un 'aquabot' es un vehículo totalmente sumergible o de superficie.

Si se trata de un vehículo de superficie, solo necesita mirar los barcos RC. Lo han resuelto bastante bien.

Eje de hélice para barco

El sello que impide que el agua ingrese al bote se llama caja de relleno (4 en el diagrama). Es simplemente un tubo relleno de grasa. La grasa evita que se filtre agua en la embarcación entre el tubo y el eje de la hélice. Por lo general, hay un espacio de aproximadamente 1 mm entre el eje y el interior del tubo, para que pueda contener mucha grasa. Los extremos del tubo tienen casquillos sueltos instalados que apenas contribuyen a la fricción, pero evitan que la grasa se escape.

Esto probablemente funcionará bien incluso para vehículos totalmente sumergibles, siempre que no sean demasiado profundos. A medida que profundiza, la presión comenzará a forzar el agua hacia arriba del tubo, empujando la grasa hacia afuera y eventualmente dejando entrar agua en el bote.

Una forma de combatir esto es simplemente retroceder. Aumente la presión de aire en el otro extremo de la caja de relleno para que las cosas se mantengan equilibradas. Una forma de hacerlo es encerrar el motor y el extremo interior del tubo dentro de una pequeña caja sellada. Use una pequeña bomba para presurizar la caja para que coincida con la presión del agua.

Alternativamente, ¿por qué no dejar que el agua haga el trabajo por usted? Selle el motor dentro de una vejiga de goma y guárdelo fuera del bote. La presión del agua comprimirá la vejiga para que la presión del aire en el interior siempre coincida perfectamente con la presión del exterior.


Mi sugerencia final es similar a la de Mark Booth . ¿Por qué no construir un motor que pueda cruzar el casco del vehículo? Coloque los imanes del motor afuera y mantenga los devanados adentro donde esté seco. Lo que harás aquí es básicamente un motor sin escobillas:

Motor sin escobillas

Tal vez podrías convertir esto en algo así como un ventilador con conductos.

Ventilador canalizado


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Gracias por la atribución, pero estaba pensando más en algo así como una unidad acoplada magnéticamente en lugar de construir un motor desde cero. * 8 ')
Mark Booth

Interesante, gracias :). @ Mark No había pensado en eso tampoco, pero si pudieras ampliarlo en una respuesta, probablemente sería una buena lectura: D
Manishearth

Ayer trabajé con una "caja de relleno" similar dentro de un carrete de manguera . Funcionó sorprendentemente bien.
David Cary

Quitaría la parte de esta respuesta que sugiere bombear aire activamente para equilibrar la presión que viene con la profundidad. La solución mejor y más elegante utilizada en la industria del vehículo submarino es simplemente llenar la carcasa del motor con un líquido incompresible (generalmente algún tipo de aceite).
Ian

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Es posible que desee considerar una unidad de acoplamiento magnético . Use un motor estándar con un acoplamiento magnético para transmitir el par a su apoyo.

Esto permitiría que su motor esté completamente sellado dentro de su vehículo:

Unidad acoplada magnéticamente

De Eric Stackpole 's artículo mencionado anteriormente. Imagen utilizada sin permiso, pero con atribución.

Sin embargo, esta solución puede o no ser adecuada, dependiendo del par que necesita transmitir, pero para uso en aguas abiertas tiene la clara ventaja de que tiene un par limitado. En otras palabras, si su puntal se atasca y ha seleccionado el motor y los pares de acoplamiento adecuados, el acoplamiento se deslizará antes de que el motor se queme.

Particularmente me gusta la solución Erics, ya que transmite simultáneamente torque al puntal, centra el puntal en el eje y centra el puntal a lo largo del eje. Una elegante pieza de diseño que resuelve varios problemas simultáneamente.


Bueno, esta es una de las mejores soluciones, hasta que los magnéticos pierdan su campo magnético :)) Creo que si el motor no tiene reducción de engranajes, se podría hacer un estator en lugar de los imanes del tubo interior. De todos modos, esto será como montar un motor sin escobillas, por lo que es un equilibrio entre simplicidad y eficiencia. Si el motor tiene un engranaje reductor, esta es la forma de colocar la mayoría de las piezas de forma sellada.
Diego C Nascimento

@DiegoCNascimento Bueno, también puede crear una caja de cambios magnética, agregando piezas de hierro ferromagnético entre el anillo magnético interno y externo. El número de piezas de pares de postes de imán internos (o externos) debe ser igual al número externo (o interno) de pares de postes de imanes. Un paso más allá sería un engranaje magnético integrado (motor que emplea engranaje magnético). Las aplicaciones industriales que requieren un entorno sellado a veces emplean también un cilindro entre el estator y el rotor. Pero sí, solo estamos hablando de aplicaciones de hobby :-).
WalyKu

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Si está buscando una forma muy barata de hacerlo (como en, presupuesto educativo barato), consulte el manual de construcción del Sea Perch ROV .

Revelación completa, solía trabajar en el laboratorio del MIT que dirige este programa educativo.

En la página 9 de ese PDF, comienza a hablar sobre cómo impermeabilizar un motor de pasatiempo con un recipiente de película y cera para inodoro. Toda la carcasa permanece sumergida y, en algunos casos, la hemos llevado a profundidades de 20 o 30 pies.

Motor de hobby en maceta

La construcción es realmente bastante sencilla; ayudamos a muchos niños de secundaria y preparatoria a hacer esto y no recuerdo un incidente en el que el sello resultó ser poco confiable.


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Solo una nota sobre esto: si bien es un diseño principalmente confiable y ha funcionado bastante bien para mi equipo hasta ahora, deberá usarlos regularmente o se colapsarán. De lo contrario, hemos construido alrededor de 6 ROV hasta ahora (un total de 18 motores) con este diseño y solo hemos fallado un sello dos veces.
Nate Koppenhaver

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Todos los sellos de fugas. Si puede encerrar el motor de modo que el eje sea el único punto de salida, llene el motor con un aceite no conductor de baja viscosidad, como el aceite mineral. Esto reduce en gran medida la diferencia de presión a través del sello.


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Una adición al llenado del motor con aceite es unir una vejiga flexible (como un globo) llena de aceite al motor. Cuando la vejiga está expuesta al agua, permitirá que la presión en el motor se equilibre con la presión externa, evitando el gradiente de presión que de otro modo conduciría el agua al motor.
brnd4n

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Tómelo por lo que vale, estaba al lado del stand de OpenROV en Maker Faire y su respuesta fue 'déjalo gotear y séquelo más tarde'. Dijeron que estaban sorprendidos de que el agua que ingresaba al motor no les causara problemas.

Por supuesto, no lo he intentado yo mismo y puede que los haya escuchado mal, o tal vez nada les haya fallado todavía :-)

Sin embargo, puede valer la pena comenzar con motores baratos y ver si su experiencia coincide con la de ellos ...


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En uno de mis barcos controlados a distancia, utilicé este diseño ...

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Los discos azules son volantes. Se unen a las varillas verdes que se enganchan a ambos lados de una membrana flexible e impermeable. La membrana está fijada a ambos lados de la carcasa, por lo que transmitirá el movimiento, pero no dejará pasar el agua.


También he pensado en un accionamiento de membrana (aunque un movimiento lineal en la membrana sería mejor. Pero el problema es que, con la presión del agua, la membrana se verá forzada hacia adentro haciendo que el motor no tenga casi un par de torsión solo para mover la membrana. Podría ser pequeño para reducir la fuerza de la presión, pero tan pequeño y tendría un MTBF muy reducido.
Diego C Nascimento

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He encontrado todas las sugerencias en las otras publicaciones. No entiendo por qué la gente sugiere soluciones complejas y costosas que tampoco son factibles.

Un sello mecánico es la respuesta más simple para sellar el motor o fabricarlo con IP 68. Podemos usar este motor a una profundidad de 20 m en agua de mar.

La construcción es como un pozo mojado.

Estos tipos de motores se utilizan en bombas sumergibles de aguas residuales que funcionan a una profundidad de 20 m en el agua.

El costo de tal sello también es muy bajo.


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¿Qué soluciones no son factibles y por qué (dado que algunas de ellas están actualmente implementadas y en uso)? ¿De qué manera un sello mecánico es diferente de una caja de relleno ?
Ian

Bueno, sé que esta es una publicación antigua, pero recibí esta pregunta en el boletín semanal de SE Robotics, y tengo alrededor de 6 años de experiencia con cajas de empaque y sellos mecánicos, así que pensé en comentar. Una caja de relleno es un tubo, de mayor diámetro que el eje, a través del cual pasa el eje. Pones ("cosas") un sellador en el tubo, luego lo comprimes hasta que esté tan apretado contra el eje que no tengas fugas. El sellador es típicamente alguna forma de tela impregnada de cera o aceite.
Chuck

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Con la caja de relleno, no se requiere acabado superficial o precisión con la que se hace la pieza. La desventaja es que comprime el material de empaque hasta que aprieta el eje con tanta fuerza que no puede pasar fluido; esto generalmente agrega una GRAN cantidad de torque a lo que normalmente se requiere para girar el eje. Un sello mecánico utiliza caras rectificadas (lapeadas) de precisión para proporcionar un sello y un resorte para unir esas caras. Lo que @Deepak no mencionó es que los sellos mecánicos están diseñados para tener fugas y requieren un fluido lubricante.
Chuck

Los sellos mecánicos usan piezas fabricadas con un grado de precisión extremadamente alto, por lo que aprovechan esa precisión y confían en las caras muy planas para evitar fugas, a diferencia de las cajas de relleno, que dependen de mucha presión para evitar fugas. Como se indicó anteriormente, los sellos mecánicos requieren una corriente de fluido lubricante para evitar que las caras del sello se rompan; Esto suele ser el fluido que se bombea (por lo general, se usa en las bombas). Puede agregar un sistema de agua de sellado, donde bombea agua desde el exterior a través del sello mecánico, pero eso también es complejo.
Chuck

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Entiendo exactamente de lo que estás hablando. Estoy desarrollando mi propio ROV que tendrá un sistema de seguimiento y se arrastrará en el fondo del mar. Si puedo sugerirle que coloque su motor en un punto alto de su ROV con la transmisión por engranajes cerca del fondo, puede instalar un sistema de aire a presión que permita que entre aire en la cámara a medida que el ROV se profundiza. Piense en ello como una taza del inodoro, excepto que permite que entre aire a medida que aumenta el nivel del agua. He pensado en este mismo problema y esto es lo que se me ocurrió. Usando un cartucho de CO2 de una pistola de aire y una válvula de presurización casera (idea de la taza del inodoro) cuanto más profundo es, más compresas de aire permiten que el agua ingrese a la cámara. Con la válvula instalada, introduce más aire, manteniendo el agua lejos del motor eléctrico.


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Los motores de CC simples instalados en mi Robot submarino siguen funcionando (con un poco más de ruido), desde un año, sin NINGÚN sello.

El voltaje de 12V no es tanto, por lo que incluso si los terminales de alimentación se sumergen en agua, el agua no conducirá mucha corriente a través de sí misma, a menos que sea salada.

A medida que la corriente fluye a través del camino de menor resistencia posible, la mayor parte de la corriente seguirá atravesando los devanados del motor, sin embargo, la presencia de agua provoca oxidación que dañará los cepillos del motor y, por lo tanto, más ruido y fricción.


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Para ampliar la respuesta del ROV con seguimiento / inodoro, se podría lograr lo mismo sin la complejidad del cartucho de pistola de aire, si el motor se coloca lo suficientemente alto en la cámara: a medida que el agua entra, comprime el aire atrapado arriba, dependiendo En la altura de la cámara, la profundidad del ROV (y la densidad del fluido), en algún momento las presiones se igualarán y evitarán la entrada de fluido.


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Quería crear una bomba de agua sumergida como parte del proyecto de ciencias de la escuela. Realmente me costó mucho hacer un motor DC normal y su eje a prueba de agua. Fallé miserablemente. Más tarde llegué con una idea. Quité el eje y los imanes del motor. Quité la bobina y el imán adjunto en el eje. use una pequeña pieza de tubo de pvc y enrósquelo. mantenga el eje dentro del tubo de pvc en espiral. Ahora, cuando pase corriente CA en la bobina, el eje girará. Así que ahora no tiene que impermeabilizar el eje giratorio, sino los agujeros de alambre hechos en la pared, lo cual es muy fácil.

Ahora las bobinas son a prueba de agua y el eje no tiene ninguna bobina y circuito eléctrico para acortar. solo campo magnético bajo el agua.