تصميم واختيار آلية الرفع والعجلات في الرافعات الجسرية: تحليل شامل لمواد مجموعات البكرات ومجموعات العجلات
يُعد آلية الرفع (Hoisting Mechanism) في الرافعة الجسرية النظام التنفيذي الأساسي الذي يتيح للرافعة أداء وظيفة الرفع، وتتألف من مجموعة البكرات، ومجموعة العجلات، ومخفف السرعة، والمكابح. أما مجموعة العجلات فهي الأساس الحامل الذي يتيح للرافعة الجسرية أداء وظيفة الحركة. تتناول هذه الورقة، بالاستناد إلى المعيار GB/T 3811-2024، تحليلاً منهجياً لحساب قطر الأسطوانة والتحقق من سماكة جدارها، واختيار أنواع البكرات ومعايير تآكلها، ومواد العجلات وعمليات المعالجة الحرارية، وتقدم معلمات تصميم وبيانات هندسية كاملة.
أولاً: تصميم مجموعة الأسطوانات
الأسطوانة (Drum) هي الجزء الدوار الأساسي في آلية الرفع الذي يتم لفه بالحبل الفولاذي ويقوم بنقل قوة الدفع. يُحسب قطر الأسطوانة وفقًا للصيغة الواردة في المعيار GB/T 3811-2024 على النحو التالي: D ≥ (h₁×h₂)×d، حيث h₁ هو معامل مرتبط بفئة التشغيل (16 لفئة A5، و20 لفئة A7)، و h₂ هو معامل مرتبط بهيكل الحبل الفولاذي (يُتخذ 1.0 للحبل المُلفوف بشكل متبادل)، و d هو قطر الحبل الفولاذي. كلما زاد قطر الأسطوانة، قلت إجهادات الانحناء في الحبل الفولاذي وزاد عمره التشغيلي، ولكن حجم الأسطوانة ووزنها يزدادان أيضًا. وعادةً ما يتم في التطبيقات الهندسية اختيار القيم الأصغر، شريطة استيفاء المعاملات، لتخفيف الوزن الذاتي للرافعة.
| المستوى الوظيفي | معامل h₁ | نوصي بنسبة D/d |
|---|---|---|
| A3~A4 (مستوى خفيف) | 14 | ≥14×d |
| A5 (المستوى المتوسط) | 16 | ≥16×d |
| A6 (الوزن الثقيل) | 18 | ≥18×d |
| A7~A8 (الفئة فائقة الثقل) | 20 | ≥20×d |
فيما يلي جدول الاختيار السريع للبكرات وفقًا لأقطار الحبال الفولاذية المختلفة، ويتضمن التوصيات المتعلقة بسماكة الجدار:
| قطر الحبل الفولاذي | قطر بكرة A5 | قطر بكرة A7 | سماكة جدران الحديد الزهر | سماكة جدار الفولاذ المصبوب |
|---|---|---|---|---|
| ∅14 مم | ∅224 مم | ∅280 مم | 16 ملم | 12 ملم |
| ∅18 مم | ∅280 مم | ∅355 مم | 18 ملم | 14 ملم |
| ∅22 مم | ∅355 مم | ∅450 مم | 22 ملم | 16 ملم |
| ∅28 مم | ∅450 مم | ∅560 مم | 28 ملم | 20 ملم |
| ∅32 مم | ∅500 مم | ∅630 مم | 32 ملم | 24 ملم |
| ∅36 مم | ∅560 مم | ∅710 مم | 36 ملم | 26 ملم |
يتم التحقق من متانة البكرة باستخدام إجهاد ضغط الجدار كمؤشر تحكم رئيسي. على سبيل المثال، بالنسبة لرافعة سقفية سعة 50 طنًا (حبل فولاذي بقطر ∅28 مم، بكرة بقطر ∅560 مم، سماكة الجدار 20 مم، المادة ZG270-500، والشد الأقصى 130 كيلو نيوتن)، يبلغ إجهاد الضغط على الجدار حوالي 92.5 ميجا باسكال، والإجهاد المسموح به 125 ميجا باسكال (معامل الأمان 4)، وهامش الأمان 26%. يتم تحديد معلمات أخدود الحبل وفقًا لمعيار GB/T 3811: نصف قطر قاع الأخدود R = (0.53~0.56) × d، وعمق الأخدود h ≥ 0.35 × d، والمسافة بين العقد s = d + (2~4) مم.
ثانياً: تصميم مجموعة البكرات
يجب أن يكون قطر البكرة D_sheave ≥ (h₃×h₂)×d، حيث المعامل h₃ هو: 16 للفئات A3~A4، و18 للفئة A5، و20 للفئة A6، و22.4 للفئتين A7~A8. أمثلة على الاختيار السريع: حبل بقطر ∅14 مم مع بكرة بقطر ∅280 مم (الفئة A5)، وحبل بقطر ∅28 مم مع بكرة بقطر ∅560 مم، وحبل بقطر ∅32 مم مع بكرة بقطر ∅630 مم.
المواد الموصى بها للعجلات: بالنسبة للدرجة A5 وما دونها، يُنصح باستخدام الحديد الزهر HT200 (تكلفة منخفضة)؛ أما بالنسبة للدرجة A6 وما فوقها، فيُنصح باستخدام الفولاذ المصبوب ZG270-500 (قوة عالية ومقاومة للصدمات)؛ ويمكن استخدام العجلات المصنوعة من الفولاذ المدلفن (خفيفة الوزن) في الرافعات ذات السرعة العالية. يُوصى باستخدام محامل بكرات ذاتية التوجيه للعجلات، حيث تتميز بوظيفة التوجيه التلقائي التي تتيح مقاومة الأحمال غير المتوازنة، ويجب تشحيمها مرة واحدة شهريًا، ويبلغ عمرها التشغيلي 5000~10000 ساعة. معايير تآكل أخدود الحبل في البكرة: يجب استبدال البكرة إذا تجاوز تآكل نصف قطر قاع الأخدود 20% من الحجم الأصلي أو تجاوز تآكل سماكة جدار الأخدود 20%، أما إذا تجاوز التذبذب الشعاعي لأخدود الحبل 1 مم فيمكن إصلاحه بالخراطة.
ثالثاً: تصميم مجموعة العجلات والمواد المستخدمة
تتكون مجموعة عجلات الرافعة الجوية من العجلة، وعلبة المحمل الزاوية، والمحور. ويؤثر اختيار مادة العجلة بشكل مباشر على قدرة التحمل وعمر الخدمة، وتعد عملية المعالجة الحرارية عاملاً أساسياً لضمان مقاومة العجلة للتآكل.
| القطع | المواد الموصى بها | طرق المعالجة الحرارية | متطلبات الصلابة | عمق الطبقة المتصلبة |
|---|---|---|---|---|
| سطح العجلة | ZG50Mn2/ZG50MnMo | التصلب السطحي (التردد المتوسط/اللهب) | HB 350~450 | 10~20 ملم |
| حافة العجلة | ZG50Mn2/ZG50MnMo | التصلب السطحي | HB 300~380 | 8~15 ملم |
| سطح سن الترس | 40Cr/42CrMo | تصلب/تكربن سطح الأسنان | HRC 50~58 | 1~2 مم |
| لب الترس | 40Cr/42CrMo | التقسية والتليين | HB 250~300 | بالكامل |
| بكرة | ZG270-500 | التصلب باللهب + التبريد | HB 160~220 | بالكامل |
| البكرة | HT200/ZG270-500 | التلدين لإزالة التوتر | — | — |
يتم تقسية سطح العجلة بالتردد المتوسط لتحقيق صلابة تتراوح بين HB 350 و450، مع عمق طبقة التقسية الذي يتراوح بين 10 و20 مم، مما يجعلها قادرة على تحمل إجهاد التلامس بين العجلة والسكك الحديدية. تبلغ صلابة حافة العجلة HB 300~380، وهي أقل قليلاً من صلابة السطح لتقليل مخاطر انتشار الشقوق عند التآكل. أما سطح أسنان التروس، فيتم تقويته بالتكربن والتصلب لتحقيق صلابة عالية تتراوح بين HRC 50 و58، بينما يتم تقسية قلب الترس إلى صلابة تتراوح بين HB 250 و300 للحفاظ على المرونة. ويمكن الرجوع إلى الخبرة المكتسبة من تقنية الفحص المباشر للحبال الفولاذية للرافعات الجسرية عند فحص تآكل العجلات (للمزيد من التفاصيل، انظرتقنية فحص الحبال الفولاذية للرافعات الجسرية）。
رابعاً: تكوين مكابح آلية الرفع
يُعد الفرامل الآمنة لآلية الرفع أحد المتطلبات الإلزامية للمعيار GB/T 3811-2024. يجب أن تكون آلية الرفع مزودة بفراملين مستقلين — أحدهما على المحور عالي السرعة (جانب محور المحرك)، والآخر على المحور منخفض السرعة (جانب البكرة). يُستخدم مكابح المحور عالي السرعة للفرملة أثناء التشغيل العادي، بينما يُستخدم مكابح المحور منخفض السرعة كخط دفاع ثانٍ للفرملة الطارئة ومنع سقوط الحمولة. يُوصى باستخدام مكابح هيدروليكية ذات ذراع دفع في آليات الرفع من الفئة A6 فما فوق، على أن يُصمم عزم الفرملة بواقع 1.5 ضعف الحمولة المقدرة.
يمكن إجراء الفحص والصيانة الدورية لأجهزة الكبح من خلال منصة المراقبة الرقمية عن بُعد للرافعات، وذلك للمراقبة في الوقت الفعلي (للمزيد من التفاصيل، انظرحل المراقبة الرقمية عن بُعد للرافعات الجسرية)، وتحقيق الصيانة الاستباقية من خلال مراقبة معلمات مثل عدد مرات تشغيل المكابح، ووقت الكبح، وارتفاع درجة الحرارة أثناء الكبح، وغيرها.
خامساً: حلول قطع غيار الآلات الثقيلة من شركة «كرويد»
تشمل قطع غيار آلات الرافعات من شركة «كرويد للصناعات الثقيلة» مجموعات البكرات (بكرات ملحومة من طراز HT200/ZG270-500/Q345B)، ومجموعات البكرات الدوارة (من طراز HT200/ZG270-500/بكرات دوارة من الفولاذ المدلفن) ، ومجموعات العجلات (ZG50Mn2/ZG50MnMo المعالجة بالصلب السطحي)، ومخفضات السرعة، وأجهزة التوصيل، والمكابح. تتوافق جميع المكونات مع معايير GB/T 3811-2024 و GB/T 10051، وتُرفق بها تقارير حسابية كاملة للتحقق من القوة ووثائق عمليات المعالجة الحرارية. توفر شركة كرود للصناعات الثقيلة استشارات فنية مجانية وخدمات اختيار المكونات المناسبة.
الأسئلة الشائعة
问：天车起升机构卷筒组如何选型？
A：卷筒直径一般取钢丝绳直径的20~30倍，卷筒长度根据起升高度和钢丝绳倍率计算。常用卷筒材料为Q235B或Q355B，大吨位卷筒采用ZG270-500铸钢。卷筒壁厚需按GB/T 3811进行强度校核。
问：天车轮组材料如何选择？
A：车轮常用材料为ZG340-640、ZG35CrMo或42CrMo。工作级别A5以下推荐ZG340-640，A6以上推荐ZG35CrMo调质处理。车轮踏面硬度需达到HB300~380，以保证耐磨性。
问：起升机构设计执行哪些标准？
A：设计按GB/T 3811《起重机设计规范》，卷筒按JB/T 9005.1，滑轮按JB/T 9005.2，车轮按JB/T 6392执行。
