دليل فحص قطر عجلة الرافعة وحمل العجلة وإجهاد التلامس

تُعد عجلة الرافعة المكوّن الوحيد في آلية السير الذي يتلامس مباشرة مع السكة، إذ تتحمل العجلة في آنٍ واحد كامل الحمولة الرأسية للوزن الذاتي للرافعة والحمولة المرفوعة، وتدور على السكة عشرات الآلاف من المرات يوميًا، مما يجعلها من أسرع الأجزاء المستهلكة اهتراءً والأكثر تكرارًا في الاستبدال بين آلات الرفع. وفقًا لمتطلبات الملحق M من معيار ISO 4301 / FEM 1.001 «المواصفة التصميمية للرافعات»، يجب التحقق من إجهاد تلامس Hertz بدقة بناءً على الحمولة القصوى للعجلة لكلٍّ من قطر العجلة وعرض سطح السير، كما يجب تقييم صلادة سطح السير وعمق طبقة التصلب لضمان ألا يقل عمر خدمة الكلال عن المعيار التصميمي.

في الممارسة الهندسية، تظهر ثلاثة مفاهيم خاطئة شائعة في اختيار العجلات:

①زيادة القطر عند زيادة الحمولة — هذا الأسلوب التجريبي يتجاهل قيد مطابقة طراز السكة (QU70/QU80/QU100) لعرض سطح سير العجلة؛

②عدم التمييز بين عجلة القيادة والعجلة التابعة — معدل اهتراء عجلة القيادة عادةً ما يكون 1.3~1.5 ضعف معدل اهتراء العجلة التابعة (بسبب الانزلاق والانزلاق المتزايد أثناء بدء التشغيل والكبح)، لذا يجب اختيار درجة صلادة أعلى بدرجة واحدة؛

③إهمال تأثير شكل سطح السير — الفرق بين سطح السير الأسطواني وسطح السير المخروطي في خطر قضم السكة كبير، وقد يؤدي اختيار شكل سطح سير خاطئ مباشرةً إلى انحراف في السير واهتراء غير طبيعي.

حساب الحمولة القصوى للعجلة وتحليل توزيعها

الخطوة الأولى في اختيار العجلة هي الحساب الدقيق للحمولة القصوى التي تتحملها كل عجلة. بالنسبة للرافعة الجسرية ثنائية العارضة، تحتوي آلية حركة الرافعة عادةً على 4 أو 8 عجلات (2 أو 4 على كل جانب من العربة الطرفية). تظهر الحمولة القصوى للعجلة عندما تتحرك العربة المحمّلة بالكامل إلى الموضع الأقصى على ذلك الجانب من العربة الطرفية — حيث يتركز المحصلة الرئيسية للوزن الذاتي للعربة والحمولة المرفوعة على مجموعة العجلات أسفل سكة العارضة الرئيسية في ذلك الجانب. على سبيل المثال، رافعة جسرية ثنائية العارضة بسعة رفع 50t (باع L=22.5m، الوزن الذاتي الكلي G=75t، الوزن الذاتي للعربة G_العربة=15t، سعة الرفع Q=50t)، وفقًا لطريقة توزيع حمولة العجلة في الملحق B.1 من معيار ISO 4301 / FEM 1.001: الحمولة القصوى للعجلة P_max≈144kN(14.7t)، والحمولة الدنيا للعجلة P_min≈34kN(3.5t).

تؤثر دقة حساب حمولة العجلة مباشرةً على عمليات التحقق اللاحقة — فالتقدير الأقل من الواقع يؤدي إلى تجاوز إجهاد التلامس الفعلي للحد المسموح، مما يسبب تنقّرًا وتقشّرًا مبكرًا للعجلة؛ بينما يؤدي التقدير المبالغ فيه إلى تضخم قطر العجلة بشكل مفرط، مما يزيد الارتفاع الكلي للرافعة وتكلفة التصنيع. العوامل الرئيسية المؤثرة في توزيع حمولة العجلة هي:

①معامل الصدم — معامل الصدم عند رفع الحمولة φ₂=1.1~1.3 (وفقًا للجدول 3 من معيار ISO 4301 / FEM 1.001)؛

②معامل الحمولة اللامركزية — معامل الحمولة اللامركزية عند وجود العربة في الموضع الأقصى، حيث يُؤخذ معامل عدم توازن حمولة عجلات الجسر عادةً 0.55~0.65، أي أن عجلات أحد الجانبين تتحمل 55%~65% من إجمالي حمولة العجلات؛

③التأثير الديناميكي — عند الكبح الطارئ للرافعة، تزداد الحمولة اللحظية للعجلات الأمامية بنحو 15%~20% بسبب قوة القصور الذاتي، ويجب تضمين ذلك في تحقق الكلال.

عند اعتماد مخطط 8 عجلات (4 عجلات على كل جانب)، تقوم العجلات الأربع أسفل العربة الطرفية على كل جانب بتوزيع الحمولة بالتساوي عبر عارضة التوازن (وتُعرف أيضًا باسم «عربة التوازن»). تعمل عارضة التوازن على توزيع حمولة عجلات الرافعة بالكامل من 4 مواضع إلى 8 مواضع، مما يخفض الحمولة القصوى للعجلة الواحدة إلى نحو 55%~60% من مخطط 4 عجلات — وهذا يتيح اختيار قطر عجلة أصغر أو طراز سكة بدرجة أقل تحت نفس الحمولة، لكنه يزيد من تعقيد هيكل العربة الطرفية وتكلفة التصنيع. هندسيًا، تعتمد الرافعات الجسرية من فئة 50t~100t عادةً مخطط 8 عجلات، بينما تعتمد الرافعات الأقل من 50t مخطط 4 عجلات.

تجدر الإشارة إلى أن عارضة التوازن ليست حلًا شاملًا — فقدرتها على التوازن محدودة بشرطين: الأول، يجب أن تكون صلابة الانحناء الذاتية لعارضة التوازن كافية (الانحناء < L/800، حيث L هي المسافة بين نقطتي ارتكاز عارضة التوازن)، وإلا فإن التشوه المرن لعارضة التوازن نفسها يؤدي إلى استمرار عدم انتظام توزيع الحمولة؛ الثاني، يجب أن يكون ارتفاع السكة أسفل العجلتين عند طرفي عارضة التوازن متطابقًا (فرق الارتفاع ≤1mm)، وإلا فإن العجلة على الجانب «المرتفع» تتحمل حمولة أكبر، مما يضعف تأثير التوازن. في المصانع الجديدة ذات السكك الفولاذية، يسهل تحقيق الشروط المذكورة أعلاه؛ أما في مشاريع تجديد المصانع القديمة، فقد يؤدي الهبوط طويل الأمد للأرضية الخرسانية إلى عدم تطابق ارتفاعات السكك — وفي هذه الحالة، حتى مع وجود عارضة التوازن، يجب إجراء وزن ميداني للحمولة الفعلية لكل عجلة (باستخدام ميزان وزن العجلة أو الرافعة الهيدروليكية مع مقياس الضغط) للتأكد من أن تأثير التوازن يطابق الافتراضات التصميمية.

التحقق من إجهاد تلامس هيرتز وتحديد قطر العجلة

معادلة التحقق الأساسية لقطر العجلة هي معادلة إجهاد تلامس الخط لهيرتز. وفقًا للملحق M من معيار ISO 4301 / FEM 1.001 "الأحكام الأساسية لمواصفة تصميم الرافعات"، فإن إجهاد التلامس σ_H لعجلة ذات مداس أسطواني على سكة ذات سطح علوي مسطح (مثل النوع QU) يُحسب بالعلاقة σ_H=(F_n×E/(π×b×R))^0.5، حيث F_n هي حمولة العجلة العمودية (نيوتن)، وE هو معامل المرونة المكافئ (للفولاذ مع الفولاذ يُؤخذ 2.06×10⁵ ميجاباسكال)، وb هو عرض التلامس الفعّال لمداس العجلة (مم)، وR هو نصف قطر العجلة (مم). يعتمد إجهاد التلامس المسموح [σ_H] على صلادة مداس العجلة — للفولاذ المصبوب ZG340-640 (300HBW) يُؤخذ [σ_H]=5.6 نيوتن/مم²، وللفولاذ المطروق CL60 (320HBW) يُؤخذ 6.0 نيوتن/مم²، وللفولاذ المطروق CL65 (360HBW) يُؤخذ 6.8 نيوتن/مم².

كمثال تطبيقي (P_max=144 كيلونيوتن، سكة QU100 بعرض مداس b=100مم، مادة العجلة ZG340-640) لحساب الحد الأدنى لقطر العجلة: بتعويض σ_H≤[σ_H]=5.6 نيوتن/مم² في المعادلة، نجد R_min≥144,000×2.06×10⁵/(π×100×5.6²×10⁶)=302مم، أي أن الحد الأدنى للقطر D_min=605مم، ويُؤخذ القطر القياسي 630مم. للتحقق الإضافي من إجهاد التلامس الفعلي: σ_H,فعلي=(144,000×2.06×10⁵/(π×100×315))^0.5=5.33 نيوتن/مم² < 5.6 نيوتن/مم²، وهو ما يحقق متطلبات التصميم بهامش أمان يبلغ حوالي 4.8%. أما إذا تم استخدام الفولاذ المطروق CL65 ([σ_H]=6.8 نيوتن/مم²)، فيمكن خفض الحد الأدنى للقطر إلى D_min=412مم، ويُؤخذ القطر القياسي 500مم — أي انخفاض قطر العجلة بنسبة 21% وتخفيف الوزن الذاتي بحوالي 40%، لكن تكلفة شراء العجلات من الفولاذ المطروق تبلغ حوالي 2.5 إلى 3 أضعاف تكلفة الفولاذ المصبوب.

ملاحظة مهمة: التحقق من إجهاد تلامس هيرتز أعلاه ينطبق فقط على حالة "ما قبل التشغيل" للعجلة والسكة الجديدتين. في الواقع، بعد اهتراء العجلة وتشغيلها، يتشكل سطح تلامس مقوس دقيق بين مداس العجلة والسطح العلوي للسكة (نصف قطر انحناء السكة R_{أعلى السكة} يتراوح بين 300~500مم)، ويتحول التلامس الخطي الفعلي إلى نمط تلامس مختلط أقرب إلى "نقطة + خط"، وقد يكون إجهاد التلامس الموضعي أعلى بنسبة 20%~30% من القيمة المحسوبة بالمعادلة. لذلك، بالنسبة لآلية السير في وضع التشغيل الثقيل (M7~M8)، توصي الممارسات الهندسية بإضافة هامش أمان إضافي بنسبة 15% فوق التحقق من إجهاد هيرتز — أي اشتراط أن يكون σ_H,فعلي ≤ 0.85×[σ_H].

مادة مداس العجلة وتقنية التصلب السطحي

تحدد صلادة مداس العجلة وعمق الطبقة المتصلبة بشكل مباشر مقاومتها للتنقر والاهتراء. تُصنف مواد العجلات الشائعة إلى ثلاث درجات:

①الفولاذ المصبوب ZG340-640 — معالجة حرارية كاملة (تعديل) + تبريد فوري باللهب لسطح السير، بصلادة 300~340HBW، وعمق طبقة متصلبة ≥5مم، وهو خيار اقتصادي مناسب لآلية السير من الدرجة M3~M5، بسعر يتراوح حوالي 1,500~3,000 درهم/للقطعة (مقاس φ630)؛

②الفولاذ المطروق CL60 — معالجة حرارية كاملة (تعديل) + تبريد فوري بالحث لسطح السير، بصلادة 320~360HBW، وعمق طبقة متصلبة ≥8مم، وهو الخيار القياسي المناسب للدرجة M5~M6، بسعر يتراوح حوالي 3,500~6,000 درهم/للقطعة؛

③الفولاذ المطروق CL65 — معالجة حرارية كاملة (تعديل) + تبريد فوري بالحث العميق لسطح السير، بصلادة 360~400HBW، وعمق طبقة متصلبة ≥12مم، وهو الخيار المناسب للأحمال الثقيلة من الدرجة M7~M8 والبيئات عالية الحرارة مثل المسابك وأفران الصهر، بسعر يتراوح حوالي 6,000~10,000 درهم/للقطعة.

تكمن الأهمية الهندسية لعمق الطبقة المصلّدة على سطح السير في أن تشغيل العجلة لحوالي 2×10⁵ دورة يبدأ معه ظهور شرخ دقيق على سطح السير (بعمق 0.5~1.5 مم)، وإذا كان عمق الطبقة المصلّدة 3~4 مم فقط، فقد تخترق هذه الشروخ الدقيقة الطبقة المصلّدة بعد 5×10⁵ دورة لتصل إلى الجسم الأكثر ليونة — مما يؤدي إلى تقشّر واسع النطاق (نمط الفشل النموذجي "تقشّر الإجهاد"). لذلك، بالنسبة للعجلات التي يتطلب عمرها الافتراضي 5×10⁶ دورة، يجب ألا يقل عمق الطبقة المصلّدة عن عمق الاهتراء المتوقع (حوالي 3~4 مم) + عمق الأمان لانتشار الشروخ (حوالي 2 مم) = 6 مم. ولهذا السبب شدّد الملحق M من معيار ISO 4301 / FEM 1.001 على القاعدة التجريبية التي تنص على أنه "بالنسبة للعجلات التي تتجاوز حمولة العجلة فيها 100 كيلو نيوتن، يجب ألا يقل عمق الطبقة المصلّدة عن 1% من قطر العجلة".

كما أن اختيار عملية تصلد العجلة يؤثر بشكل مباشر على الموثوقية النهائية: التصلد باللهب (التسخين السريع لسطح السير بلهب الأكسجين-الأسيتيلين ثم التبريد الفوري بالماء) هو الأقل تكلفة (¥80~150/قطعة)، لكن تجانس عمق الطبقة المصلّدة يكون أقل دقة (تقلب ±1.5 مم)، وهو مناسب للعجلات الصغيرة والمتوسطة التي يقل قطرها عن φ500 ولظروف التشغيل الخفيفة من M3 إلى M4. أما التصلد بالحثّ (التسخين بالحثّ متوسط التردد + التبريد الفوري بالرش) فهو المعيار للمستوى المتوسط والراقي — حيث يكون عمق الطبقة المصلّدة قابلاً للتحكم (دقة ±0.5 مم)، وتجانس صلادة سطح السير مرتفع (±15HBW)، وهو مناسب للعجلات المتوسطة والكبيرة التي يزيد قطرها عن φ500 ولظروف التشغيل من M5 إلى M6. أما بالنسبة للعجلات الثقيلة من M7 إلى M8 (مثل رافعات المعادن)، فيُوصى باعتماد عملية مركّبة من التصلد الكامل + التقسية + التصلد بالحثّ العميق لسطح السير — حيث يتم الحصول على متانة جوهرية متجانسة (لمنع الكسر الهش)، وسطح سير بدرجة صلادة عميقة تتراوح بين 12~15 مم، مما يضمن تحقيق عمر كلال يصل إلى 5×10⁶ دورة حتى في أقسى ظروف التشغيل. عادةً ما تستخدم العلامات التجارية المستوردة (مثل Demag وKonecranes) فولاذ سبائكي من نوع Cr-Mo (مثل 42CrMo4) مع عملية التصلد بالحثّ العميق، حيث تصل صلادة سطح السير إلى 42~48HRC (ما يعادل 400~470HBW)، وعمق الطبقة المصلّدة ≥15 مم، وتكون تكلفة الشراء حوالي 3~4 أضعاف تكلفة العجلات المحلية المصنوعة من فولاذ CL60.

الأسئلة الشائعة