كيفية حساب قوة محرك الرافعة: طريقة الخطوات الأربع مع مثال

من بين الآليات الأربع الرئيسية للرافعة (الرفع، حركة الجسر، حركة العربة، الدوران)، لا تتحمل آلية السير حمولة الرفع، لكن الاختيار غير السليم لقدرة محركها يؤدي مباشرة إلى صعوبة الإقلاع، أو ضعف القدرة على تسلق الميل، أو تجاوز مسافة الكبح للحدود المسموحة. وعلى عكس محرك آلية الرفع الذي يحتاج فقط للتغلب على عمل الجاذبية، يجب على محرك آلية السير مواجهة أربعة أنواع مختلفة من عزم المقاومة في آن واحد، مما يجعل منطق الاختيار أكثر تعقيدًا والترابط بين المعاملات أوثق. يستند هذا المقال إلى البند الخاص بحساب قدرة محرك آلية السير في معيار ISO 4301 / FEM 1.001 «المواصفة التصميمية للرافعات»، مع عرض مثال هندسي تطبيقي، لشرح منهجية الحساب الرباعية خطوة بخطوة.

تنقسم آلية السير في الرافعة إلى آلية حركة الجسر (تحرك الرافعة بالكامل طوليًا على سكة مبنى المصنع) وآلية حركة العربة (تحرك العربة عرضيًا على سكة العارضة الرئيسية). منطق الحساب متطابق في الحالتين، مع فارق أن حركة الجسر تتطلب مراعاة إضافية لحمولة الرياح الخارجية والوزن الذاتي للرافعة كاملة، بينما تُهمل عادةً حمولة الرياح في حركة العربة مع وجوب مراعاة تأثير تأرجح الحمولة المرفوعة على استقرار الحركة. في المشاريع الفعلية، عند استخدام محركات متعددة لحركة الجسر بنظام الدفع المتوازي عبر محولات التردد (نمط «واحد يقود عدة»)، يجب أيضًا التحقق من مخاطر التحميل الزائد على محرك فردي بسبب عدم تكافؤ توزيع الأحمال.

بالنسبة للرافعات الحديثة التي تستخدم وحدات دفع متكاملة «ثلاثية في واحد» (محرك + مكبح + مخفض سرعة)، تكون قدرة المحرك محددة مسبقًا بنسبة سرعة المخفض وقطر العجلة، ويجب أثناء الاختيار التحقق أيضًا من شرطين مقيدين: عزم الخرج لمخفض السرعة وضغط العجلة على السكة. يستعرض هذا المقال مثالًا عمليًا لآلية حركة الجسر في رافعة جسرية ثنائية العارضة بسعة 32t، موضحًا المسار الكامل من المعاملات الأولية إلى اختيار القدرة — معاملات المثال: الوزن الذاتي للرافعة G=48t، سعة الرفع المقدرة Q=32t، سرعة حركة الجسر v=64m/min، قطر العجلة D=630mm، طراز سكة الرافعة QU100.

منهجية الحساب الرباعية لقدرة محرك آلية السير

جوهر حساب قدرة محرك آلية السير هو تحديد «القدرة المكافئة» — أي قيمة الحمل الفعلي الذي يتحمله المحرك خلال دورة العمل المقابلة لقيمة JC، معبرًا عنها بقدرة مستمرة. وفقًا للملحق G من معيار ISO 4301 / FEM 1.001، تُحسب القدرة المكافئة P_e لمحرك آلية السير بالمعادلة: P_e = (F_{الإجمالية} × v) / (1000 × η)، حيث F_{الإجمالية} هي مقاومة السير الكلية (بوحدة N)، v هي سرعة الحركة (بوحدة m/s)، η هي كفاءة النقل (تشمل مخفض السرعة والقارنة، وتُؤخذ عادةً 0.85~0.92). وتتكون F_{الإجمالية} من تراكب الأنواع الأربعة التالية من المقاومات:

①مقاومة الاحتكاك الساكن — مجموع قوة الاحتكاك الناتجة عن دحرجة العجلة على السكة وقوة احتكاك المحمل. معادلة الحساب: F_ساكنة = (G+Q)×g×μ، حيث μ هو معامل الاحتكاك المركب. عند استخدام محمل انزلاقي للعجلة تكون μ≈0.015~0.02، وعند استخدام محمل دوار تكون μ≈0.005~0.008. بالحساب بمعاملات المثال (G=48t, Q=32t, محمل دوار): F_ساكنة = (48,000+32,000)×9.81×0.006 = 4,709 N. هذا هو الحمل الأساسي الذي يجب على المحرك التغلب عليه دائمًا، ويمثل حوالي 40%~55% من المقاومة الكلية.

②مقاومة الرياح — حمولة فعلية يجب إدراجها في حساب آلية سير الرافعات الخارجية، ويمكن إهمالها للرافعات الداخلية. وفقًا للجدول 12 من معيار ISO 4301 / FEM 1.001: أقصى ضغط رياح محسوب في حالة التشغيل هو 250Pa (يقابل سرعة رياح 20m/s)، وضغط الرياح في حالة عدم التشغيل هو 800Pa. تُحسب مقاومة الرياح F_رياح = C×p×A، حيث C هو معامل القوة الهوائية (للرافعة الجسرية يُؤخذ 1.2~1.6)، p هو ضغط الرياح المحسوب (يُؤخذ 250Pa)، A هي مساحة السطح المعرض للرياح (بالتقدير لمثال الرافعة الجسرية ثنائية العارضة بسعة 32t تبلغ مساحة السطح الجانبي حوالي 28m²). نتيجة الحساب: F_رياح = 1.4×250×28 = 9,800 N. يتضح أن مقاومة الرياح تُعد أحد المصادر الرئيسية للمقاومة الكلية لآلية السير، وقد يلزم أحيانًا مراعاة حمولة الرياح في آلية حركة العربة الخارجية. تجدر الإشارة إلى أن حمولة الرياح ليست دائمًا «معاكسة للحركة» — فعند السير في اتجاه الرياح تصبح قيمتها سالبة، لكن الحساب يعتمد القيمة القصوى في الاتجاه الموجب لتغطية أسوأ ظروف الإقلاع عكس الرياح.

③مقاومة الميل — حمولة إضافية ناتجة عن ميل السكة. تشترط المواصفة ISO 4301 / FEM 1.001 أن يكون ميل سكة الرافعة ≤1‰ (أي فرق الارتفاع ≤1mm لكل متر)، وتُحسب مقاومة الميل F_ميل = (G+Q)×g×sinα، وعندما تكون الزاوية α صغيرة جدًا يكون sinα≈α. بالحساب لميل 1‰: F_ميل = (48,000+32,000)×9.81×0.001 = 785 N. قيمة مقاومة الميل صغيرة نسبيًا، لكن في مبانٍ المصانع ذات الباع الكبير (طول السكة >200m)، قد يؤدي تراكم فرق الارتفاع في السكة إلى زيادة ملحوظة في المقاومة الموضعية، لذا يجب التحكم الصارم في منسوب السكة وفرق الارتفاع عند الوصلات أثناء التركيب.

④مقاومة التسارع بالقصور الذاتي — القوة بالقصور الذاتي التي يجب التغلب عليها لتسريع الرافعة بالكامل من السكون إلى السرعة المقدرة. F_قصور = (G+Q)×a، حيث a هو تسارع الإقلاع. توصي المواصفة ISO 4301 / FEM 1.001 بأخذ تسارع إقلاع آلية حركة الجسر في نطاق 0.05~0.15m/s²، مع أخذ القيم الأصغر للسرعات المنخفضة والقيم الأكبر للسرعات العالية. بالحساب للمثال مع a=0.08m/s²: F_قصور = (48,000+32,000)×0.08 = 6,400 N. تجدر الإشارة إلى أن قوة القصور الذاتي لآلية السير تشمل جزأين: الكتلة الانتقالية وعزم القصور الذاتي للكتل الدوارة، وفي الحسابات الهندسية المبسطة يُضرب عادةً بمعامل 1.1~1.3 لمعادلة عزم القصور الذاتي الإضافي للكتل الدوارة.

حساب القدرة المكافئة وتحويل دورة التشغيل

بعد تحديد المقاومة الكلية، تُحسب القدرة على عمود المحرك كالتالي: P = F_{الإجمالية} × v / (1000 × η) = 21,694 × 1.067 / (1000 × 0.88) = 26.3 كيلوواط. هذه القيمة تمثل القدرة المستمرة، لكن آلية سير الرافعة لا تعمل بشكل متواصل — فدورة العمل الواحدة تشمل مراحل مثل السير في الاتجاه الأمامي، والتوقف، والسير في الاتجاه العكسي، ورفع وخفض الحمولة. لذلك، يلزم تحويل قيمة القدرة وفقًا لدورة التشغيل (JC) بناءً على وضع التشغيل الفعلي.

وضع التشغيل الشائع لآلية سير الرافعة هو S3 (وضع التشغيل الدوري المتقطع)، وعادةً ما تكون قيم دورة التشغيل 25% أو 40% أو 60%. وفقًا للجدول G.1 في معيار ISO 4301 / FEM 1.001 (المواصفة الأساسية لتصميم الرافعات)، عندما تكون دورة التشغيل المرجعية 40%، تُستخدم الصيغة التالية لتحويل القدرة من أي دورة تشغيل أخرى إلى الأساس 40%: P₄₀ = P_JC × √(JC/40). على سبيل المثال، إذا تم اختيار محرك بقدرة 30 كيلوواط مبدئيًا وفقًا لدورة تشغيل 60%، فإن القدرة المكافئة بعد التحويل إلى الأساس 40% تكون P₄₀ = 30 × √(60/40) = 36.7 كيلوواط — وهذا يبدو وكأن القدرة أكبر، لكن السبب هو أن وقت التشغيل عند 60% أطول، وفي فترة "الافتراضية" الأقصر البالغة 40%، يلزم إخراج قدرة أعلى لتحقيق التكافؤ. عند الاختيار الهندسي، يجب أيضًا مراعاة الارتفاع عن سطح البحر (يتطلب تقليل القدرة إذا تجاوز 1000 متر، بنسبة 1% لكل ارتفاع 100 متر) ودرجة الحرارة المحيطة (يتطلب تقليل القدرة إذا تجاوزت 40 درجة مئوية، بنسبة حوالي 3% لكل ارتفاع 5 درجات).

بالعودة إلى المثال: P = 26.3 كيلوواط (القدرة المستمرة)، وبعد التحويل وفقًا لدورة التشغيل 40% تصبح P₄₀ = 26.3 × √(100/40) = 41.6 كيلوواط. يمكن للاختيار الفعلي أن يعتمد محركين بقدرة 22 كيلوواط لكل منهما (محرك مزدوج لقيادة حركة جسر الرافعة)، بقدرة كلية 44 كيلوواط، وهامش 6%، مما يلبي متطلبات تسارع البدء والحمل الزائد قصير المدى. بعد اكتمال الاختيار، يجب أيضًا التحقق من أن عزم دوران المحرك الأقصى أكبر من 1.5 إلى 2 ضعف عزم المقاومة الكلي (مع مراعاة أسوأ الحالات الناتجة عن الاحتكاك الساكن والقصور الذاتي)، والتأكد من أن عزم الكبح للمكبح لا يقل عن 1.25 ضعف عزم الحمل الأقصى الناتج عن أحمال الرياح وانحدار المسار مجتمعة.

مرجع سريع لقدرة آلية السير لمختلف الحمولات

اختيار محرك آلية السير: ملاحظات هندسية وأخطاء شائعة ودرجة الحماية

عند اختيار محرك آلية السير، يجب مراعاة النقاط الهندسية التالية بالإضافة إلى مطابقة القدرة: أولاً، معامل عزم البدء — يتراوح عزم البدء للمحركات غير المتزامنة ذات القفص السنجابي التقليدية بين 2.0 و2.5 ضعف عزم الدوران المقنن. إذا كان عزم البدء غير كافٍ، يجب الترقية إلى محرك عالي العزم الابتدائي أو اعتماد حل بدء تشغيل ناعم عبر محول التردد لتقليل تيار البدء. ثانياً، فئة العزل — في البيئات عالية الحرارة مثل ورش الصلب والمسابك، يجب اختيار محركات بعزل من الفئة F (ارتفاع حرارة مسموح به 105K) أو الفئة H (125K)، مع درجة حماية لا تقل عن IP54.

هناك مشكلة أخرى غالباً ما يتم تجاهلها في آليات السير التي تعمل بعدة محركات على نفس العارضة الرئيسية (وهو أمر شائع في الروافع الجسرية ثنائية العارضة ذات الباع الكبير) — وهي عدم توزيع الحمولة بالتساوي بين المحركات. من الناحية المثالية، يضمن محول التردد عبر "التحكم الرئيسي-التابع" أو "التحكم المتوازي بالسرعة" أن تنتج المحركات (اثنان أو أكثر) نفس عزم الدوران، لكن في التشغيل الفعلي، ونظراً للفروق الدقيقة في قطر العجلات (تفاوت مسموح به ±0.5 مم)، وتفاوتات منسوب السكة، والاختلافات الطفيفة في كفاءة مخفضات السرعة، قد يصل الفرق في القدرة الفعلية بين الجانبين إلى 10%~15%. لتجنب بقاء محرك واحد تحت الحمل الزائد لفترات طويلة، يُنصح عند الاختيار بزيادة قدرة المحرك الواحد بنسبة 5%~8% كهامش لعدم توازن الحمولة، أو اعتماد حل محول تردد مع تغذية راجعة مستقلة للتيار (محول تردد مستقل لكل محرك) لتحقيق تعويض فوري لاختلال عزم الدوران.

ثالثاً، الاختيار بين محرك متغير التردد ومحرك تردد ثابت — عندما تتطلب آلية السير تحكماً بالسرعة عبر التردد (مثل تحديد المواقع الدقيق، مكافحة التأرجح، التنسيق بين عدة روافع)، يجب اختيار محركات مخصصة لمحولات التردد (مثل سلسلتي YZP/YGPE)، حيث أن تصميم عزلها يتحمل القمم الجهدية عالية التردد الناتجة عن محول التردد. رابعاً، مطابقة المكبح مع قدرة المحرك — يجب أن يكون عزم الكبح 1.25~1.5 ضعف عزم الدوران الساكن عند الحمولة الكاملة، ويُفضل تركيب المكبح على نفس عمود المحرك لتسهيل الصيانة. بالنسبة لآليات السير الخارجية، يجب أيضاً تزويدها بآلية تحرير يدوي لسحب الرافعة عند انقطاع التيار. بالإضافة إلى ذلك، درجة حماية صندوق توصيل المحرك — الدرجة IP44 كافية للروافع العلوية الداخلية، بينما يجب اختيار IP55 فما فوق للاستخدام الخارجي أو في الورش عالية الغبار (مثل مصانع الأسمنت). في أقسام صهر الصلب (حيث تصل درجة الحرارة المحيطة إلى 65 درجة مئوية)، حتى مع محركات العزل من الفئة F، يجب تخفيض القدرة القابلة للاستخدام بنسبة 5% لكل ارتفاع 10 درجات مئوية، وإلا فإن عمر العزل يتقلص بشكل حاد.

الأسئلة الشائعة