قفل التروس الحلزونية الذاتي ليس فرملة: ما الذي تنص عليه المعايير فعليًّا

يحدّد عميلٌ علبة تروس دودية لتطبيق رفع لأن محركات التروس الدودية ذاتية القفل، وبالتالي لا يمكن للحمولة أن تنزل مرةً أخرى. ولا حاجة إلى فرامل، ما يوفّر التكلفة.

تظهر هذه الحجة في العديد من تصاميم الآلات، وهي خطرةٌ بما يكفي لتظهر كتحذير صريح في ورقة فنية صادرة عن رابطة أجهزة نقل الحركة الأمريكية (AGMA).

ملاحظة: لا ينبغي اعتبار مجموعات التروس الدودية ذاتية القفل. ففي ظل ظروف حمل معينة، قد يكون من الممكن حركة العجلة الدودية عكسياً.

ويعبّر عنها مرجع هندسي راسخ بأسلوب أكثر وضوحاً، ويسمّي التطبيق مباشرةً:

في الواقع، لا ينبغي استخدام الترس الدودي كجهاز كبح في الأنظمة المرتبطة بالسلامة، مثل الرافعات. فقد تؤدي بعض الظروف المادية وظروف التشغيل إلى انزلاق الترس الدودي عكسياً.

إذا كنتَ تصمّم رافعةً أو مصعداً أو بوابةً أو أي جهازٍ آخر يمكن أن تُسبّب سقوط حمولته إصاباتٍ للأشخاص، فعليك توفير فرامل. فهندسة الترس الدودي ليست بديلاً عنها.

وفيما يلي الأساس الهندسي لذلك.

معيار القفل الذاتي

تعتمد خاصية القفل الذاتي على العلاقة بين زاوية مَيل الدودة وزاوية الاحتكاك.

· تحدث خاصية القفل الذاتي عندما تساوي زاوية مَيل الدودة قوس الظل لمعامل الاحتكاك، وعادةً ما تكون هذه الزاوية في المدى من درجتين إلى ثماني درجات المدى

· عندما تكون زاوية المَيل أصغر من زاوية الاحتكاك، لا يمكن للعجلة الدودية أن تُحرّك الدودة عكسياً.

· الشرط المطلوب هو: زاوية المَيل < قوس الظل (معامل الاحتكاك).

وتتفق جميع المصادر الثلاثة على المعنى نفسه، وإن اختلفت طريقة التعبير عنها. ففوق زاوية مَيل معينة، يقاوم الترس الحركة العكسية.

سبب الفشل

ويستند هذا المعيار إلى معامل احتكاكٍ معيّن. فأي معامل احتكاكٍ هو المقصود؟

والقيمة المنشورة عند صفر سرعة الانزلاق هي 0.15. وهذه القيمة هي القيمة الساكنة، وهي أعلى قيمة ممكنة. وتنخفض قيمة معامل الاحتكاك فور بدء الانزلاق.

ويشير أحد المراجع إلى أن المعامل الساكن هو المعني هنا عند تحديد حد القفل الذاتي، وذلك بالضبط لأن الترس لا يمكن تشغيله من حالة السكون.

هذه هي الآلية الكامنة وراء الأعطال. فعند السكون، تكون قوة الاحتكاك عاليةً ويتماسك المحرك. أما عند إدخال الاهتزاز، فيتعرض المحرك لحركة دقيقة جدًّا. وتُحرِّك هذه الحركة الدقيقة سطح التلامس من حالة السكون نحو الحالة الديناميكية، حيث ينخفض احتكاك السطحين. وبذلك، يقل زاوية الاحتكاك المتاحة لحمل الوزن، فيبدأ الوزن بالانزلاق التدريجي.

الاهتزاز ليس ظاهرة نادرة أو استثنائية. فقد يكون ناتجًا عن آلةٍ تعمل في الجوار، أو محركٍ يبدأ تشغيله على نفس الهيكل، أو مركبةٍ تمر خارج المبنى. وكلُّ هذه العوامل قد تُفقد التثبيت الذاتي الساكن فعاليته.

لا يوجد في الأدبيات المنشورة التي تمكَّنَّا من العثور عليها عامل تخفيض كمي مُحدَّد للتأثيرات الناتجة عن الاهتزاز. وهذا الغياب نفسه يحمل معلومةً ذات دلالة: فالحل الهندسي ليس تخفيض التقييم المسموح به للتثبيت الذاتي، بل هو ألا يُعتمَد عليه أساسًا.

الكفاءة: الأرقام الفعلية

التثبيت الذاتي والكفاءة هما وجهان لِهندسة واحدة. فالمحرك الذي يقاوم الحركة العكسية هو محركٌ يستهلك طاقةً كبيرةً جدًّا أثناء الحركة التقدمية.

كفاءة محرك الديدان حسب عدد مرات التشغيل. وتنشأ سلوكية القفل الذاتي فقط في منطقة الكفاءة المنخفضة.

الصيغة الحاكمة:

η = tan(λ) / tan(λ + φ)

حيث λ هو زاوية ميل خيط الدودة، وφ هي زاوية الاحتكاك المكافئة.

مثال منشور ومُحْلَّل: لديدان أحادية البدء ذات زاوية ميل λ = ٥ درجات وزاوية احتكاك φ = ٦ درجات، تكون الكفاءة ٤٥,٠١٪.

الكفاءة حسب عدد بدايات خيط الدودة:

للمُصمَّمات عالية الكفاءة، يوصى بأن تكون زاوية التقدم ١٠ إلى ٢٠ درجة . لاحظ أن هذه القيمة تفوق بكثير نطاق القفل الذاتي الذي يتراوح بين ٢ و٨ درجات. ولا يمكن تحقيق الأمرين معًا.

يذكر أحد المراجع أن الكفاءة الكلية تتراوح بين ٩٨٪ عند أقل النسب وتنخفض إلى ٢٠٪ عند أعلى النسب. ويذكر مرجع آخر أن الكفاءة تتراوح بين ٥٠ و٩٠٪ تبعًا لزاوية التقدم وعدد بدايات الخيط ودرجة الاحتكاك.

الاختيار المتوازن أمر لا مفر منه: تستهلك القفل الذاتي أكثر من نصف طاقة الإدخال.

ما يعنيه هذا بالنسبة للمواصفات

إذا كنت بحاجة إلى سلوك القفل الذاتي:

· اقبل الخيط ذا البدء الواحد، وزاوية التقدم المنخفضة، وكفاءة تتراوح بين ٤٠ و٥٠٪

· حدد حجم المحرك وفقًا للفقدان، وليس فقط وفقًا للحمل

· حدد حجم علبة التروس وفقًا للحرارة، لأن الطاقة المفقودة تتحول إلى حرارة

·ثبّت فرامل على أي حال إذا كانت العواقب الناتجة عن الدوران العكسي تشمل الإصابة أو التلف

إذا كنت بحاجة إلى كفاءة عالية:

· خيط متعدد البدء، وزاوية تقدم تتراوح بين ١٠ و٢٠ درجة، وكفاءة تتراوح بين ٧٨ و٩٢٪

· قبول أن المحرك سيُدار عكسياً

· تركيب مكابح أو وزن مقابل أو استخدام نوع ترس مختلف

إذا احتجتَ كلا الأمرين، فإن التروس الحلزونية ليست الخيار المناسب. وينبغي النظر في وحدة تروس لولبية أو لولبية-مخروطية مزوَّدة بمكابح تثبيت مناسبة.

الحدود الحرارية

علب التروس الحلزونية تكون عادةً محدودة حرارياً أكثر مما هي محدودة ميكانيكياً . ويمكن لأسنان الترس أن تحمِل عزماً أكبر مما تستطيع العلبة تبديده على شكل حرارة.

وهذا نتيجة مباشرة لأرقام الكفاءة المذكورة أعلاه. فمحرك حلزوني ذي دورة واحدة وكفاءة ٤٥٪ يحوِّل أكثر من نصف طاقته المُدخلة إلى حرارة داخل غلاف صغير. ولذلك تدرج كتالوجات علب التروس الحلزونية تصنيفات حرارية منفصلة عن التصنيفات الميكانيكية، ولذلك تكون التصنيفات الحرارية غالباً ما تشكل العامل المقيِّد.

النتائج العملية:

· التصنيفات للتشغيل المستمر أقل بكثير من التصنيفات للتشغيل المتقطع

· درجة حرارة الجو المحيط ذات أهمية كبيرة؛ إذ تتصرف علبة مُصنَّفة في ورشة حرارتها ٢٠ درجة مئوية بشكل مختلف عن سلوكها في غرفة مصانع حرارتها ٤٠ درجة مئوية

· التبريد القسري أو استخدام صندوق أكبر غالبًا ما يكون أرخص من التعامل مع الفشل المبكر

نطاق النسبة

أغطية تروس دودية ذات تخفيض واحد من ٥:١ إلى ٧٥:١ وفقًا لمصدرٍ واحد، بينما يشير مصدر آخر إلى نطاق من ٥:١ إلى ٣٠٠:١ للتروس الدودية المستخدمة تحديدًا في حالات التخفيض الكبيرة.

إن القدرة على تحقيق نسب تخفيض عالية في مرحلة واحدة تُعَدُّ ميزة حقيقية للتروس الدودية، إلى جانب الترتيب بزاوية قائمة والتشغيل الهادئ الناتج عن التلامس المنزلق. هذه هي الأسباب التي تدفع لاختيارها. أما الخاصية الذاتية للقفل فلا ينبغي أن تُدرَج ضمن هذه الأسباب.

لزاوية ضغط طبيعية قياسية مقدارها ٢٠ درجة، يجب أن تبقى زاوية الانحناء دون 25 درجة .

المواد

تدور عجلات التروس الدودية المصنوعة من البرونز مقابل دودة فولاذية مُصلبة. والسبب هو التلامس المنزلق: إذ تنزلق التروس الدودية بدلًا من أن تتدحرج، وبالتالي فإن الزوج المكوَّن منها يحتاج إلى مواد غير متشابهة تمتلك خصائص جيدة في الانزلاق والاندماج. وتشكِّل مادة البرونز مقابل الفولاذ التركيبة الفعَّالة.

تُصْلَبُ الدودةُ وتُجْرَشُ؛ والعلبةُ هي المكوِّنُ المُقدَّمُ للتضحية. وهذا مقصودٌ عمداً. وعند اهتراء المحرك، تستبدل الجزء الأرخص والأيسر في الاستبدال.

يمكن أن تصل سرعة خط التماس إلى ٣٠ م/ث في الظروف المثالية، لكن معظم علب التروس الدودية الصناعية تعمل بكثيرٍ أقل من هذه السرعة.

الأسئلة المتكررة

هل يمكنني استخدام علبة تروس دودية لإبقاء الحمولة ثابتة دون فرامل؟

لا يجوز ذلك حيث قد يتسبب سقوط الحمولة في أذى. وتوضح الإرشادات المنشورة من رابطة مهندسي التروس الأمريكية (AGMA) والمراجع الهندسية الراسخة بوضوح أن مجموعات التروس الدودية لا ينبغي اعتبارها ذاتية القفل، وتحذّر تحديداً من استخدامها كأجهزة كبح في الرافعات.

لقد حافظت علبة التروس الدودية الخاصة بي على الحمولة لسنواتٍ دون انزلاق. أليست إذن ذاتية القفل؟

إنها ذاتية القفل سكونياً في ظل الظروف الحالية. غير زيت التشحيم، أو اترك الترس يهترئ، أو أضف اهتزازاً من معدات جديدة، أو زد الحمولة، وقد يتغير هذا الأمر. فالقفل الذاتي حالةٌ وليس خاصيةً.

لماذا تعمل علبة التروس الدودية الخاصة بي بحرارةٍ عاليةٍ جداً؟

لأن محركات الديدان غير فعّالة، والطاقة المفقودة تتحول إلى حرارة. تحقَّق مما إذا كنت ضمن التصنيف الحراري بدلًا من التصنيف الميكانيكي؛ فهما رقمان مختلفان، وعادةً ما يُحدِّد التصنيف الحراري الحد الأقصى أولًا.

هل يحل محرك الديدان ذي البدء المزدوج مشكلة كفاءتي؟

سيرفع الكفاءة من نطاق ٤٠–٥٠٪ إلى نطاق ٧٠–٧٨٪. كما أنه يلغي تمامًا سلوك القفل الذاتي. تأكَّد من أن لا شيء في الجهاز يعتمد على هذه الخاصية.

ما الكفاءة التي ينبغي أن أستخدمها لتحديد حجم المحرك؟

استخدم القيمة الخاصة بنسبتك المحددة وعدد بدايات الدوران المذكورة في بيانات الشركة المصنِّعة للعلبة التروس، وليس قيمة عامة. فالمدى المتغير لكفاءة تصاميم محركات الديدان واسعٌ جدًّا لدرجة أن الاعتماد على افتراض عام سيؤدي إلى تحديد غير دقيق لحجم المحرك.

هل البرونز هو الخيار الوحيد لعجلة الديدان؟

إنه الخيار القياسي ولسبب وجيه، لكن نوع البرونز المحدد يتغير تبعًا لطبيعة الاستخدام. حدِّد الدرجة المناسبة مع مورِّد علب التروس لديك استنادًا إلى الحمل والسرعة ودورة التشغيل.

تُصنِّع شركة تيانجين هاو رونغ شنغ يه للمعدات الكهربائية المحدودة أطقم الديدان والتروس الحلزونية، وتتكوَّن هذه الأطقم من ترس برونزي مقابل دودة فولاذية مُصلدة ومُجَلَّفة بدقة، وبتكوينات ذات دورتين أو أكثر. أخبرنا بالنسبة المطلوبة، ودورة التشغيل، وما إذا كان المحرك يجب أن يقاوم الحركة العكسية، وسنُخبِرك بصراحةٍ ما إذا كانت التروس الحلزونية هي الخيار الأمثل لحملك.