Prévention des fuites dans les arbres de moteur pour les robots immergés


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Lors de la construction d'un bot aquatique, nous devons toujours veiller à prévenir les fuites, pour des raisons évidentes. Maintenant, les trous pour les fils peuvent être facilement étanches à l'eau - mais qu'en est-il des moteurs? Nous pouvons facilement sceller le carter en place (et combler les trous éventuels dans le carter), mais la partie où l'axe rencontre le carter n'est toujours pas protégée.

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Les fuites d’eau dans le moteur sont encore très mauvaises. Je doute qu'il y ait un moyen de sceller correctement cette zone, car tout joint solide ne laissera pas l'essieu bouger et tout joint liquide (ou quelque chose comme de la graisse) finira par s'effacer.

Je pensais mettre un deuxième carter autour du moteur, peut-être avec un orifice en caoutchouc personnalisé pour l'arbre. Quelque chose comme (pardonnez le mauvais dessin, pas habitué à GIMP):

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Cela arrêterait probablement les fuites, mais réduirait considérablement le couple / rpm par frottement.

Alors, comment empêcher les fuites d'eau dans un moteur sans affecter de manière significative les performances du moteur?

(Pour clarifier, je ne veux pas acheter un moteur sous-marin spécial, je préférerais un moyen de rendre mes propres moteurs étanches)


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Vous n'avez pas besoin d'une conception d'orifice personnalisée. Les joints d'arbre sont disponibles auprès des sociétés de roulements ainsi que des spécialistes. SKF et INA sont deux de ces fabricants.
hauptmech

Réponses:


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Je ne sais pas si un «aquabot» est un véhicule entièrement submersible ou un véhicule de surface.

S'il s'agit d'un véhicule de surface, il suffit de regarder les bateaux RC. Ils ont très bien résolu ce problème.

Arbre d'hélice de bateau

Le joint qui empêche l'eau d'entrer dans le bateau s'appelle une boîte à garniture (4 sur le diagramme). C'est simplement un tube bourré de graisse. La graisse empêche toute fuite d'eau dans le bateau entre le tube et l'arbre de transmission. Habituellement, il y a environ 1 mm d'espace entre l'axe et l'intérieur du tube, de sorte qu'il puisse contenir beaucoup de graisse. Les extrémités du tube sont équipées de bagues desserrées qui ne contribuent pratiquement pas au frottement mais empêchent la graisse de s'échapper.

Cela fonctionnera probablement bien, même pour les véhicules entièrement submersibles, à condition qu'ils ne descendent pas trop profondément. Au fur et à mesure que vous avancez plus profondément, la pression commencera à forcer l'eau dans le tube, repoussant la graisse et laissant éventuellement de l'eau entrer dans le bateau.

Une façon de lutter contre cela consiste simplement à repousser. Augmentez la pression d'air à l'autre bout de la boîte à garniture pour que les choses restent en équilibre. Une façon de procéder consiste à enfermer le moteur et l'extrémité interne du tube dans une petite boîte scellée. Utilisez une petite pompe pour pressuriser la boîte afin qu'elle corresponde à la pression de l'eau.

Sinon, pourquoi ne pas laisser l’eau faire le travail pour vous? Scellez le moteur dans une vessie en caoutchouc et placez-le à l'extérieur du bateau. La pression de l'eau comprime la vessie de sorte que la pression d'air à l'intérieur corresponde toujours parfaitement à la pression extérieure.


Ma dernière suggestion est semblable à celle de Mark Booth . Pourquoi ne pas construire un moteur capable de traverser la coque du véhicule. Placez les aimants du moteur à l'extérieur et gardez les enroulements à l'intérieur, là où il est sec. Ce que vous allez fabriquer ici est fondamentalement un moteur sans balais:

Moteur brushless

Vous pourriez peut-être intégrer cela à quelque chose comme un ventilateur gainable.

Ventilateur canalisé


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Merci pour l'attribution, mais je pensais plutôt à quelque chose comme un entraînement à couplage magnétique plutôt que de construire un moteur à partir de zéro. * 8 ')
Mark Booth

Intéressant, merci :). @ Mark Je n'y avais pas pensé non plus, mais si vous pouviez développer la réponse, ce serait probablement une bonne lecture: D
Manishearth

Hier, j'ai travaillé avec une "boîte à garniture" similaire dans un dévidoir . Cela a fonctionné étonnamment bien.
David Cary

Je supprimerais la partie de cette réponse qui suggère de pomper activement de l'air pour équilibrer la pression associée à la profondeur. La solution la meilleure et la plus élégante utilisée dans l'industrie des véhicules sous-marins consiste simplement à remplir le carter du moteur d'un liquide incompressible (généralement une sorte d'huile).
Ian

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Vous voudrez peut-être envisager un lecteur à couplage magnétique . Utilisez un moteur standard avec un couplage magnétique pour transmettre le couple à votre accessoire.

Cela permettrait à votre moteur d'être complètement scellé à l'intérieur de votre véhicule:

Entraînement à couplage magnétique

De Eric Stackpole l » article mentionné ci - dessus. Image utilisée sans permission, mais avec attribution.

Cette solution peut ou non convenir, en fonction du couple que vous devez transmettre, mais pour une utilisation en eau libre, le net avantage est qu’il est limité en couple. En d'autres termes, si votre accessoire est coincé et que vous avez sélectionné les couples de moteur et d'accouplement appropriés, l'accouplement glissera avant que votre moteur ne s'éteigne.

J'aime particulièrement la solution Erics car elle transmet simultanément le couple à l'hélice, centre l'hélice sur l'arbre et centre l'hélice le long de l'arbre. Un design élégant qui résout plusieurs problèmes simultanément.


Eh bien, c’est l’une des meilleures solutions, jusqu’à ce que les aimants perdent leur champ magnétique :)) Je pense que si le moteur n’avait pas de réduction de vitesse, un stator pourrait être fabriqué à la place des aimants de la chambre à air. Quoi qu’il en soit, ce sera comme si vous montiez un moteur sans balai, c’est un équilibre entre simplicité et efficacité. Si le moteur est équipé d’un réducteur, c’est la bonne façon de sceller la plupart des pièces.
Diego C Nascimento

@DiegoCNascimento Vous pouvez également créer une boîte de vitesses magnétique en ajoutant des pièces de fer ferromagnétiques entre l'anneau magnétique intérieur et extérieur. Le nombre de pièces de polepairs magnétiques internes (ou externes) doit être égal au nombre externe (ou interne) de paires de pôles magnétiques. Un pas de plus serait un engrenage magnétique intégré (moteur utilisant un engrenage magnétique). Les applications industrielles nécessitant un environnement étanche utilisent parfois un cylindre entre stator et rotor. Mais oui, nous ne parlons que d'applications de loisir :-).
WalyKu

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Si vous cherchez un moyen très économique de le faire (comme dans le cas d’un budget d’éducation peu coûteux), consultez le manuel de construction du Sea Perch ROV .

Divulgation complète, j’ai travaillé au laboratoire du MIT qui dirige ce programme éducatif.

À la page 9 de ce document PDF, il est expliqué comment imperméabiliser un moteur de loisir avec une cartouche de film et de la cire de cuvette de toilette. Le logement entier reste submergé et nous l'avons porté à des profondeurs de 20 ou 30 pieds dans certains cas.

Moteur de passe-temps en pot

La construction est en fait assez simple; nous aidons beaucoup de collégiens et de lycéens à les fabriquer et je ne me souviens pas d'un incident où le phoque s'est avéré peu fiable.


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Juste une remarque à ce sujet: bien qu’il s’agisse d’une conception principalement fiable et qui a fonctionné assez bien pour mon équipe jusqu’à présent, vous devrez les utiliser régulièrement, sinon ils s’en serviront. Sinon, nous avons jusqu'à présent construit environ 6 ROV (sur un total de 18 moteurs) avec cette conception et nous n'avons eu qu'une défaillance d'étanchéité deux fois.
Nate Koppenhaver Le

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Tous les joints fuient. Si vous pouvez enfermer le moteur de sorte que l’arbre soit le seul point de sortie, remplissez le moteur avec une huile non conductrice de faible viscosité telle que de l’huile minérale. Cela réduit considérablement la différence de pression à travers le joint.


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Un autre moyen de remplir le moteur avec de l'huile consiste à fixer une vessie souple (comme un ballon) remplie d'huile au moteur. Lorsque la vessie est exposée à l'eau, la pression dans le moteur s'équilibre avec la pression externe, empêchant ainsi le gradient de pression d'entraîner de l'eau dans le moteur.
brnd4n

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Prenons-le pour ce que ça vaut, j'étais à côté du stand OpenROV chez Maker Faire et leur réponse a été de «laisser couler et sécher plus tard». Ils se sont dits surpris que l'eau qui pénètre dans le moteur ne leur pose pas problème.

'Bien sûr, je n'ai pas essayé cela moi-même et je les ai peut-être mal entendus - ou peut-être que rien ne leur a encore manqué :-)

Cela peut valoir la peine de commencer avec des moteurs bon marché et de voir si votre expérience correspond à la leur ...


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Sur un de mes bateaux contrôlés à distance, j'ai utilisé cette conception ...

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Les disques bleus sont des volants. Ils sont attachés aux tiges vertes qui sont accrochées aux deux côtés d'une membrane flexible et imperméable. La membrane est fixée des deux côtés du boîtier afin de transmettre le mouvement, mais ne laisse pas passer l’eau.


J'ai aussi pensé à un entraînement à membrane (bien qu'un mouvement linéaire dans la membrane serait mieux. Mais le problème est que, avec la pression de l'eau, la membrane sera forcée à l'intérieur, le moteur n'aura quasiment aucun couple pour déplacer simplement la membrane. être petit pour réduire la force de la pression, mais si petit et il aurait un MTBF très réduit
Diego C Nascimento

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J'ai rencontré toutes les suggestions dans les autres messages. Je ne comprends pas pourquoi les gens suggèrent des solutions complexes et coûteuses qui ne sont pas réalisables.

Le joint mécanique est la solution la plus simple pour sceller le moteur ou le fabriquer en IP 68. Ce moteur peut être utilisé à une profondeur de 20 m dans l’eau de mer.

La construction est comme une fosse WET.

Ces types de moteurs sont utilisés dans les pompes immergées pour eaux usées qui fonctionnent jusqu'à 20 m de profondeur dans l'eau.

Le coût d'un tel sceau est également très faible.


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Quelles solutions ne sont pas réalisables et pourquoi (étant donné que certaines d'entre elles sont actuellement mises en œuvre et utilisées)? En quoi un joint mécanique est-il différent d'une boîte à garniture ?
Ian

Eh bien, je sais que c’est un vieux billet, mais j’ai eu cette question dans le bulletin hebdomadaire de SE Robotics, et j’ai environ 6 ans d’expérience dans le bourrage de boîtes et les joints mécaniques, j’ai donc pensé pouvoir commenter. Une boîte à garniture est un tube, de diamètre plus grand que l’arbre, à travers lequel l’arbre passe. Vous mettez ("bourrez") un scellant dans le tube, puis vous le compressez jusqu'à ce qu'il soit si serré contre la tige que vous n'obteniez aucune fuite. Le scellant est typiquement une forme de tissu imprégné de cire ou d'huile.
Chuck

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Avec la boîte à garniture, la finition de la surface et la précision avec laquelle la pièce est fabriquée ne sont pas obligatoires. L’inconvénient est que vous comprimez le matériau d’emballage jusqu’à ce qu’il comprime l’arbre de manière à ce qu’aucun fluide ne puisse passer - ceci ajoute généralement une quantité ÉNORME de couple à ce qui est normalement nécessaire pour faire tourner l’arbre. Un joint mécanique utilise des faces rectifiées (rodées) de précision pour fournir un joint d'étanchéité et un ressort pour écraser ces faces ensemble. Ce que @Deepak n’a pas mentionné, c’est que les garnitures mécaniques sont conçues pour fuir et nécessitent un fluide lubrifiant.
Chuck

Les garnitures mécaniques utilisent des pièces fabriquées avec un degré de précision extrêmement élevé. Elles exploitent donc cette précision et s'appuient sur des faces très, très plates pour éviter les fuites, par opposition aux boîtes à garniture, qui reposent sur beaucoup de pression pour éviter les fuites. Comme indiqué ci-dessus, les joints mécaniques nécessitent un courant de fluide lubrifiant pour empêcher les faces des joints de se déformer. il s’agit généralement du fluide pompé (ceux-ci sont généralement utilisés dans les pompes pour cette raison même). Vous pouvez ajouter un système d’eau de phoque, dans lequel vous pompez l’eau de l’extérieur à travers le joint mécanique, mais c’est aussi complexe.
Chuck

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Je comprends exactement ce dont vous parlez. Je développe mon propre ROV qui aura un système de piste et rampera sur le fond marin. Si je peux suggérer de placer votre moteur à un point haut de votre ROV avec l'engrenage près du bas, vous pouvez installer un système d'air sous pression qui permettra à l'air d'entrer dans la chambre lorsque le ROV va plus en profondeur. Pensez-y comme à une cuvette de toilette, sauf que cela permet à l'air d'entrer lorsque le niveau d'eau augmente. J'ai réfléchi au même problème et c'est ce que j'ai proposé. En utilisant une cartouche de CO2 provenant d'une carabine à air comprimé et une vanne de pressurisation maison (idée de la cuvette des toilettes), plus elle va en profondeur, plus l'air se compresse, ce qui permet à l'eau d'entrer dans la chambre. Lorsque la vanne est installée, elle introduit plus d’air, maintenant l’eau loin du moteur électrique.


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De simples moteurs à courant continu installés dans mon robot sous-marin fonctionnent toujours (avec un peu plus de bruit), à partir d'un an, sans TOUT sceau.

La tension de 12 V n’est pas si importante, alors même si les bornes de puissance sont plongées dans l’eau, celle-ci ne conduira pas beaucoup de courant par elle-même, sauf si elle est salée.

Au fur et à mesure que le courant passe par le chemin de moindre résistance possible, la plus grande partie du courant continue de traverser les enroulements du moteur, mais la présence d'eau provoque la formation de rouille qui endommagerait les balais du moteur et donc davantage de bruit et de frottement.


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Pour développer la réponse Tracked-ROV / WC-WC, on pourrait obtenir la même chose sans la complexité de la cartouche de pistolet à air comprimé, si le moteur est placé suffisamment haut dans la chambre: lorsque l'eau pénètre dans le réservoir, elle comprime l'air emprisonné sur la hauteur de la chambre, la profondeur du ROV (et la densité du fluide), à ​​un moment donné, les pressions s'égalisent et empêchent une nouvelle entrée du fluide.


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Je voulais créer une pompe à eau immergée dans le cadre du projet scientifique de l'école. J'ai vraiment eu du mal à fabriquer un moteur à courant continu normal et son arbre à résister à l'eau. J'ai échoué lamentablement. Plus tard je suis venu avec une idée. J'ai enlevé l'arbre et les aimants du moteur. J'ai enlevé la bobine et l'aimant attaché dans la tige. utilisez un petit morceau de tuyau en PVC et enroulez-le. conservez l’arbre dans le tuyau en PVC enroulé. Maintenant, lorsque vous transmettez du courant alternatif dans la bobine, l’arbre tourne. Alors maintenant, vous n’avez pas à imperméabiliser l’arbre en rotation mais les trous en fil de fer dans le mur, ce qui est très facile.

Maintenant, les bobines sont étanches et l’arbre n’a pas de bobine ni de circuit électrique pour faire court. juste champ magnectic sous l'eau.

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