Porucha přenašeče tlaku

Membránové první stupně automatik se suchou komoru přenáší tlak okolní vody na pracovní membránu nepřímo. Přenašeč tlaku a membrány jsou jediné součásti, které zatěžuje rostoucí tlak v hloubce. V extrémním případě není vyloučena porucha.

Na konferenci Scuba-cz uvedl Jiří Štětina hlášení krizové situace: "Při sestupu uslyšel potápěč v hloubce 87 m silnou ránu a hlavní automatika přestala dávat plyn. Obě (hlavní i záložní) automatiky byly membránové se suchou komorou uvnitř s plastovým výliskem, který zlepšuje přenos tlaku okolí na pracovní membránu. Značku automatiky znám, ale nechci ji uvádět."

Logickým i když pouze hypotetickým vysvětlením by byla porucha přenašeče tlaku (angl. load transmiter).

Používám převážně automatiky značky Apeks. Zajímalo mne, jakému namáhání je u nich přenašeč tlaku vystaven a zda není pro potápění do velkých hloubek poddimenzován.

Na přenašeč tlaku působí prostřednictvím vnější membrány hydrostatický tlak. Membrána je bez charakteristiky, tj. pouze odděluje vnější a vnitřní prostředí, ale sama svojí tuhosti neklade téměř žádný odpor.

Hydrostatický tlak působí na plochu přenašeče. Počítejme namáhání pro hloubku 100 m, ve které je hydrostatický tlak P = 1 MPa. Rozměry viz obrázek.

Síla:
F = P×PI×D²/4 = 1×PI×29.6²/4 = 688 N (zaokrouhleno)

V místě potenciálního lomu A je materiál přenašeče tlaku namáhán převážně na smyk (střih).

Plocha smyku:
S_A = PI×D×h = PI×5.6×2.3 = 40.5 mm² (zaokrouhleno)

Napětí ve smyku:
Tau = F/S_A=688/40.5 = 17 MPa (zaokrouhleno)

Nevím z jakého materiálu je vyroben přenašeč tlaku v prvních stupních Apeks, ale smykové napětí 17 MPa by měl bez větších potíží vydržet každý kvalitnější konstrukční plast.

V místě potenciálního lomu B je materiál přenašeče tlaku namáhán převážně na tlak, který vzhledem ke štíhlosti vzpěry bude hraničit s nepružným vzpěrem.

Namáhaná plocha:
S_B = PI×D²/4 = PI×4.65²/4 = 17 mm² (zaokrouhleno)

Napětí v tlaku:
Sigma = F/S_B = 688/17 = 40.5 MPa (zaokrouhleno)

Namáhání tlakem je poměrně vysoké. I velmi kvalitní konstrukční plasty dlouhodobě bez podstatné deformace odolnají tlaku kolem 65 MPa (krátkodobě asi dvojnásobek), což je jen velmi malá rezerva, která bude vyčerpána v hloubce kolem 150 m. Vzpěra navíc dosedá na podložku, která nemá horní plochu dokonale rovnou a ani její kolmost na vzpěru není zaručena. Při zatížení mimo osu by se k namáhání tlakem připojilo namáhání ohybem, což by mohlo podstatně snížit celkovou odolnost automatiky proti tlaku okolní vody.

Závěr

Přenašeč tlaku je součástka, které se obyčejně při servisu nevěnuje téměř žádná pozornost. Zasloužil by si alespoň prohlídku pod hodinářskou lupou, která by mohla odhalit počínající únavový lom.

Pro otestování, jakou hloubku Apeksy snesou, by bylo vhodné podrobit přenašeč tlaku pevnostní zkoušce. Tu by mělo zvládnout každé pracoviště vybavené běžným trhacím strojem. Jestli čte tento článěk někdo ochotný pomoci, nechť kontaktuje autora. Jestli se podaří test uspořádat, tak bude tento článek aktualizován s konkrétními výsledky.

V případě, že pevnost nebude dostatečná, by měl být plastový výlisek přenašeče tlaku nahrazen buď přenašečem vyrobeným z kvalitnějšího plastu, nebo přenašečem kovovým. Další variantou by bylo odstranit přenašeč a prostor pružiny zaplnit vhodnou nemrznoucí směsí.

Zhroucení přenašeče lze řešit přímo pod vodou, stačí nožem proříznout vnější membránu. Tlak okolní vody se tak dostane přímo k pracovní membráně i bez přenašeče. Apeks prodává první stupně bez vnější membrány a přenašeče, například US4 je de facto totožný s DS4 právě až na přenašeč a vnější membránu. Po zaplavení suché komory se ale automatika stane mnohem náchylnější k zamrznutí.

Poznámky:

Výpočty jsou zjednodušené. V místě potenciálního lomu A bude ve skutečnosti trojosé namáhání, kromě smykového napětí zde působí napětí vyvolané plošným zatížením horní části přenašeče tlaku. Přesnější výpočet by byl možný pouze na počítači pomocí metody konečných prvků (FEM). I proto jsem se dopustil ve výpočtu smykového napětí zjednodušení - síla bude o trochu menší, protože tlak působící na plochu průřezu vzpěry by se neměl započítávat (tj. plocha by měla být nikoli kruh, ale mezikruží). Zatímco namáhání kruhové desky přenašeče napětí zvyšuje, zanedbání plochy vzpěry zase snižuje. Ve výsledku ale ani jeden z faktorů nezpůsobí tak podstatné zvýšení napětí, aby při zvýšené zátěži nastala destrukce právě v místě A.

Dalším zjednodušením je zanedbání stlačování vzduchu v suché komoře v důsledku deformace membrán. Nárůst může dosahovat asi 20 %, z 1 bar tlak naroste na 1.2 bar. Rozdíl odpovídá hydrostatickému tlaku 2 m vysokého sloupce vody. Rozdíl mezi hloubkou 98 a 100 m je pro naše účely zanedbatelný.

Konečně vnější membrána nebude přenášet vnější tlak na celou plochu, ale u okrajů bude odlehčena vlastní tuhostí. I toto odlehčení bude pouze v řádu jednotek procent a můžeme ho proto zanedbat.