في التصميم الميكانيكي للخدمة الشاقة وصيانة المعدات الصناعية، يتم حساب سعة الحمولة بدقة التوجه محامل أسطوانية هو جوهر ضمان موثوقية النظام. هذه المحامل مشهورة بقدرتها الاستثنائية على حمل الحمولة المحورية والصلابة العالية، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في منصات التنقيب عن النفط، والبثق الثقيل، وعلب التروس الصناعية. لزيادة عمر خدمة المحمل إلى أقصى حد وتجنب الأعطال الكارثية للمعدات، يجب على المهندسين إتقان طرق الحساب الدقيقة لكل من تقييمات الحمل الديناميكي وتقييمات الحمل الثابتة.
1. أساسيات سعة الحمولة المحورية وهندسة المحمل
لفهم سعة الحمولة للمحامل الأسطوانية الدفعية، يجب على المرء أولاً التمييز بين الاختلافات الهيكلية عن المحامل الكروية. توفر بكرات أسطوانية اتصال الخط بدلا من نقطة الاتصال وجدت في محامل الكرات. تسمح هذه الخاصية الهندسية لمحامل الدفع الأسطوانية بمقاومة الدفع المحوري الضخم في مساحة صغيرة جدًا. ومع ذلك، فإنه يتطلب أيضًا دقة أعلى فيما يتعلق بالتحكم في الاهتزاز والمحاذاة.
1.1 أهمية إجهاد الاتصال الخطي
في عملية الحساب، يعني اتصال الخط أن الضغط يتم توزيعه عبر طول الأسطوانة بالكامل. وفقًا لنظرية إجهاد التلامس الهرتزية، فإن حساب سعة الحمولة يجب أن يأخذ في الاعتبار الطول الفعال للبكرات. إذا تم تركيب المحمل بشكل غير صحيح، مما يؤدي إلى الإمالة، فسوف يتركز الحمل على حواف البكرات، مما يؤدي إلى "إجهاد الحافة". وهذا يمكن أن يقلل من سعة التحميل النظرية بأكثر من 50 بالمائة. ولذلك، في عمليات البحث عالية التكرار، يظل "خطأ المحاذاة" كلمة رئيسية طويلة الأمد وبالغة الأهمية تتعلق بحسابات التحميل.
1.2 تقييمات التحميل الديناميكية الأساسية مقابل التحميل الثابت
- تصنيف الحمل الديناميكي الأساسي (كاليفورنيا): يشير هذا إلى الحمل المحوري الثابت الذي يمكن أن يتحمله المحمل أثناء الدوران للوصول إلى عمر افتراضي قدره مليون دورة. هذا هو المقياس الرئيسي لتقييم العمر التشغيلي للمعدات.
- تصنيف الحمل الثابت الأساسي (C0a): يشير هذا إلى الحمل الحدي الذي يحدث عنده تشوه دائم عند نقطة مركز الاتصال بينما يكون المحمل ثابتًا أو يدور بسرعات بطيئة جدًا. إنه يحدد سلامة المحمل تحت أحمال الصدمات أو أثناء لحظة بدء التشغيل. إن إتقان الفرق بين هاتين القيمتين هو الخطوة الأولى في اختيار المحامل.
2. حساب معدل الحمل الديناميكي الأساسي (Ca) باستخدام ايزو 281
إن حساب تصنيف الحمل الديناميكي هو الأساس للتنبؤ بحياة تعب التحمل. بالنسبة للمحامل الأسطوانية الدفعية، فإن المعيار المعترف به عالميًا هو ISO 281 . لا تأخذ هذه الصيغة في الاعتبار الأبعاد المادية فحسب، بل تأخذ أيضًا في الاعتبار تأثير تكنولوجيا المواد ودقة المعالجة على سعة الحمولة.
2.1 الصيغة القياسية ISO 281
بالنسبة للمحامل الأسطوانية ذات الدفع الأحادي الصف، يتم حساب تصنيف الحمل المحوري الديناميكي الأساسي Ca (المقاس بالنيوتن) باستخدام المتغيرات التالية:
Ca = fc * (Lw * cos alpha) ^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 التعريفات المتغيرة وتأثيرها
- FC (العامل الهندسي): معامل يعتمد على الهندسة المحددة وفئة التسامح وجودة المادة للمحمل. عادةً ما يكون للفولاذ المحمل عالي الجودة (مثل GCr15) قيمة FC أعلى.
- Lw (طول الأسطوانة الفعال): الطول الفعال للأسطوانة. تؤدي زيادة طول الأسطوانة إلى تحسين قدرة الحمولة بشكل مباشر، لكن البكرات الطويلة جدًا تولد احتكاكًا انزلاقيًا كبيرًا أثناء الدوران؛ وبالتالي، يجب على المصممين تحقيق التوازن بين نسبة العرض إلى الارتفاع.
- Z (عدد البكرات): كلما زاد عدد البكرات، قلت القوة التي تحملها كل بكرة على حدة، مما يزيد من التصنيف الإجمالي.
- دو (قطر الأسطوانة): قطر الأسطوانة له تأثير هائل على سعة الحمولة وهو المتغير الأكثر حساسية في التصميم.
2.3 حساب عمر التصنيف (L10)
بعد الحصول على Ca، يحتاج المهندسون إلى حساب تصنيف الحياة (L10) . بالنسبة لمحامل الدفع، صيغة الحساب هي:
L10 = (الكالسيوم / باسكال) ^ 10/3
يعكس الأس 10/3 (حوالي 3.33) حقيقة أن المحامل الأسطوانية تكون أكثر متانة قبل فشل التعب مقارنة بالمحامل الكروية (التي تستخدم الأس 3). على موقع الويب الخاص بالشركة، يؤدي عرض هذا التنبؤ الدقيق للحياة إلى تعزيز ثقة العملاء في المنتج بشكل كبير.
3. سعة التحميل الثابتة (C0a) وعوامل السلامة
في العديد من التطبيقات، لا تكون المحامل دائمًا في حالة تشغيل عالية السرعة. على سبيل المثال، عند فتح صمام ثقيل أو في اللحظة التي ترفع فيها الرافعة حمولة، يتعرض المحمل لضغط هائل أثناء ثباته. وفي مثل هذه الحالات يجب أن نعتمد على ايزو 76 معيار لحساب قدرة الحمولة الثابتة.
3.1 منع التشوه الدائم (برينلينج)
يتم تعريف سعة الحمولة الثابتة على أنها الحمولة التي تؤدي إلى تشوه دائم كلي في مركز الاتصال للأسطوانة الأكثر تحميلًا ومجرى السباق، بما لا يتجاوز 0.0001 من قطر الأسطوانة. إذا تم تجاوز هذه القيمة، فسوف يولد المحمل اهتزازًا شديدًا وضوضاء أثناء الدوران اللاحق. يُشار إلى هذا عادةً في عمليات البحث الصناعية باسم "تأثير برينلينغ".
3.2 صيغة الحساب الثابت
يتم التعبير عن الصيغة العامة لتصنيف الحمل المحوري الثابت C0a على النحو التالي:
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * siن alpha
الثابت 220 يمثل مستوى أداء الفولاذ المحمل المتصلب القياسي تحت مستويات ضغط اتصال محددة.
- عامل الأمان (S0): في الهندسة العملية، نقدم عامل أمان ثابت S0 = C0a / P0a. بالنسبة للمعدات ذات الأحمال الصدمية، يوصى باستخدام S0 بقيمة 3 أو أعلى؛ بالنسبة للمعدات الدقيقة، يجب أن يكون S0 أعلى لضمان عدم تأثير تشوه البلاستيك على الدقة.
4. المقارنة التشغيلية: عوامل تعديل الحمل
ظروف العمل الفعلية أكثر تعقيدًا بكثير من ظروف المختبر. تعمل كل من التشحيم ودرجة الحرارة ودقة التثبيت بمثابة "عوامل تصحيح" تؤثر بشكل مباشر على قدرة التحميل الفعالة للمحمل.
| عوامل التأثير | متغير | التأثير على القدرات | التوصيات |
|---|---|---|---|
| درجة حرارة التشغيل | قدم | انخفاض كبير فوق 120 درجة مئوية | استخدم الفولاذ المستقر بالحرارة |
| شروط التشحيم | كابا | يؤدي التشحيم السيئ إلى ملامسة المعدن | تأكد من أن نسبة اللزوجة كابا> 1.5 |
| أخطاء المحاذاة | بيتا | زوايا الميل الصغيرة تسبب تركيز الحمل | استخدم غسالات كروية أو مقاعد ذاتية المحاذاة |
| نقاء المادة | ISO | الشوائب تؤدي إلى التشظي المبكر | اختر الفولاذ المفرغ من الغاز أو الفولاذ ESR |
| سرعة التشغيل | n | قوة الطرد المركزي تزيد من التوتر | التحقق من مواصفات الحد من السرعة |
5. الأسئلة المتداولة (الأسئلة الشائعة)
Q1: هل يمكن للمحامل الأسطوانية الدفعية التعامل مع الأحمال الشعاعية؟
لا. تم تصميم هذه المحامل بشكل صارم للأحمال المحورية. نظرًا لأن البكرات مرتبة بشكل عمودي على محور العمود، فإن القوى الشعاعية تسبب احتكاكًا شديدًا مع القفص أو يمكن أن تؤدي حتى إلى انهيار المجموعة. في حالة وجود قوى شعاعية، يرجى استخدام محمل أسطواني إبرة معًا.
س2: لماذا يختلف عمر الحياة L10 عن المحامل الكروية؟
هذا بسبب الاختلاف في ميكانيكا الاتصال. تستخدم المحامل الكروية نقطة الاتصال، مما يؤدي إلى تركيز إجهاد أعلى وأس 3. تستخدم المحامل الأسطوانية اتصال الخط، الذي يوزع الضغط بشكل متساوٍ، وبالتالي استخدام الأس الأعلى 10/3.
س 3: كيف تؤثر لزوجة التشحيم على الحمل الفعال؟
يحدد سمك طبقة زيت التشحيم ما إذا كانت قمم خشونة الأسطح الملامسة ستصطدم أم لا. حتى لو كان تصنيف الحمل النظري مرتفعًا، وإذا كانت لزوجة الزيت منخفضة جدًا، فقد يكون عمر الخدمة الفعلي أقل من 10 بالمائة من القيمة المحسوبة.
6. المراجع والمعايير الفنية
- آيزو 281:2007 : المحامل الدوارة - تقييمات الحمل الديناميكي وعمر التقييم.
- ايزو 76:2006 : المحامل الدوارة – تقييمات الأحمال الثابتة.
- معيار ANSI/ABMA 11 : تقييمات الحمل وعمر التعب للمحامل الأسطوانية.
- هاريس، T. A. وكوتزالاس، M. N. : تحليل المحامل المتداول، المجلد 1 و 2 ، الصحافة اتفاقية حقوق الطفل. (الكتاب المدرسي القياسي لتحليل المحامل).
