اختيار مخفض السرعة لآلية الرفع في الرافعات وحساب نسبة السرعة

يُعد مخفض السرعة المكوّن الأساسي في ناقل الحركة بآلية الرفع بالرافعات، إذ يؤثر اختياره بشكل مباشر على سرعة الرفع وسعة التحميل والعمر الافتراضي. وخلافًا للمنتجات القياسية التي تُزوَّد بمكونات جاهزة، فإن حساب نسبة التخفيض وعزم الدوران المناسبين وفقًا لسعة الرفع وسرعة الرفع ومعامل تضاعف البكرات يُشكّل مهارة هندسية أساسية في تصميم الرافعات. تستعرض هذه المقالة منهجية متكاملة لحساب نسبة التخفيض والتحقق من عزم الدوران واختيار معامل الخدمة وفقًا لمعيار ISO 4301 / FEM 1.001 ومعيار JB/T 9003-2004 الخاص بمخفضات التروس المتكاملة للرافعات، مع تطبيق عملي على أربع حالات: رافعة CD1 الكهربائية (5t/10t) ورافعة QD الجسرية ثنائية العارضة (32t/50t).

حساب نسبة التخفيض في ناقل حركة الرفع

سلسلة ناقل الحركة النموذجية في آلية الرفع: محرك كهربائي ← قارنة ← مكبح ← مخفض سرعة ← أسطوانة ← حبل سلكي ← مجموعة بكرات ← خطاف. تتمثل وظيفة مخفض السرعة في خفض السرعة وزيادة العزم — أي تحويل عزم المحرك العالي السرعة والمنخفض إلى عزم منخفض السرعة وعالٍ عند الأسطوانة.

حساب سرعة دوران الأسطوانة: n₂ = v×m/(π×D). حيث v هي سرعة الرفع (م/دقيقة)، وm هو معامل تضاعف البكرات (عدد فروع الحبل / عدد لفات الحبل على الأسطوانة)، وD هو القطر الاسمي للأسطوانة (م). مثال: رافعة CD1 5t: v=8م/دقيقة، m=2، D=0.3م، إذن n₂=8×2/(π×0.3)=17.0 دورة/دقيقة.

حساب نسبة التخفيض: i = n₁/n₂. حيث n₁ هي سرعة المحرك المقدرة (دورة/دقيقة). الاختيار الشائع حسب عدد الأقطاب: محرك رباعي الأقطاب n₁≈1400 دورة/دقيقة (يُؤخذ 1450 في التطبيقات الهندسية)، محرك سداسي الأقطاب n₁≈950 دورة/دقيقة. بتطبيق المثال أعلاه: i=1450/17.0=85.3. يُختار في الواقع معيار نسبة التخفيض i=80 (قيمة قريبة).

التحقق من سرعة الرفع الفعلية: بعد اختيار نسبة التخفيض المعيارية يجب حساب السرعة الفعلية عكسيًا: v_فعلي = π×D×n₁/(i×m). مع i=80: v_فعلي=π×0.3×1450/(80×2)=8.54 م/دقيقة. نسبة الانحراف (8.54-8)/8=6.75%، وهي ضمن النطاق المسموح ±10%.

التحقق من عزم الدوران لمخفض السرعة

قوة شد الحبل السلكي على الأسطوانة: S = (Q+G)/(m×η_g). حيث Q هي سعة الرفع المقدرة (نيوتن)، وG هو الوزن الذاتي لعدة الرفع (نيوتن)، وm هو معامل تضاعف البكرات، وη_g هي كفاءة مجموعة البكرات (لكل زوج بكرات 0.96~0.98، ولثلاثة أزواج حوالي 0.92~0.96).

عزم الإدخال على الأسطوانة: T₂ = S×D/2 = (Q+G)×D/(2×m×η_g). هذا العزم هو العزم الذي يجب أن يتحمله طرف الخرج لمخفض السرعة.

عزم اختيار مخفض السرعة: T_calc = T₂ × f_s. حيث f_s هو معامل الخدمة (ويُسمى أيضًا معامل الاستخدام أو معامل التشغيل)، ويُختار وفقًا لفئة التشغيل:
A3~A4 (خدمة خفيفة): f_s = 1.10~1.25
A5 (خدمة متوسطة): f_s = 1.25~1.40
A6 (خدمة ثقيلة): f_s = 1.40~1.60
A7~A8 (خدمة فائقة الثقل): f_s = 1.60~2.00

تأكيد طراز مخفض السرعة: وفقًا لقيمة T_calc يتم اختيار الطراز من جدول عزم الخرج المقدر في كتالوج المخفض، بشرط أن يكون عزم الخرج المقدر T_rated ≥ T_calc. كما يجب التحقق من أقصى عزم مسموح للمخفض (لحالات الحمل الزائد) وعزم الذروة اللحظي.

توافق قوة المحرك مع مخفض السرعة

الاختيار المبدئي لقوة المحرك: P = (Q+G)×v/(6120×η_total). حيث η_total هي الكفاءة الكلية لآلية الرفع (تشمل كفاءة المخفض η_gb × كفاءة الأسطوانة η_d × كفاءة مجموعة البكرات η_g). كفاءة مخفض السرعة η_gb: مرحلة واحدة من التروس الأسطوانية ≈0.98، مرحلتان ≈0.96، ثلاث مراحل ≈0.94. الكفاءة الكلية تُؤخذ عادة 0.85~0.90.

التحقق من المحرك: يجب أن يحقق محرك الرفع رفع الحمولة المقدرة بالسرعة الكاملة عند القدرة المقدرة، كما يجب التحقق من معامل عزم الإقلاع (المتطلب العام M_st/M_n ≥ 2.0~2.5، بما يقابل قدرة التحميل الزائد للمحرك). في ظروف التشغيل المتكرر للبدء والكبح مثل A6 فما فوق، يجب اختيار محرك ذي انزلاق عالٍ.

توافق واجهة المحرك مع المخفض: يجب أن يتوافق قطر عمود المحرك ومفتاح التثبيت مع فتحة الإدخال في المخفض. أقطار أعمدة المحركات الشائعة: سلسلة Y رباعية الأقطاب: 2.2kW بقطر 28مم، 4kW بقطر 38مم، 7.5kW بقطر 42مم، 15kW بقطر 48مم، 30kW بقطر 55مم. يجب أن يكون قطر فتحة الإدخال في المخفض أكبر من قطر عمود المحرك بمقدار 0~0.5مم.

سلاسل مخفضات السرعة الشائعة ومعاملاتها

توجد ثلاث سلاسل شائعة من مخفضات السرعة المستخدمة في آليات رفع الرافعات:

سلسلة ZQ/JZQ (سطح سن متوسط الصلادة): المخفض الأسطواني ثنائي المراحل الأكثر كلاسيكية، بصلادة سطح سن 300~350HBW. نطاق المسافة المركزية 250~1000مم، عزم الخرج المقدر 0.5~50كيلو نيوتن·م، نطاق نسبة السرعة 8~50. مناسب للرافعات الصغيرة والمتوسطة الحمولة بفئة تشغيل A3~A5. المزايا: سعر منخفض وصيانة بسيطة؛ العيوب: حجم كبير وصلادة سطح سن غير عالية.

سلسلة QJ (سطح سن مقسّى): مخفض أسطواني ثلاثي المراحل وفق معيار JB/T 9003-2004، بتروس مكربنة ومخمدة بصلادة 58~62HRC. عزم الخرج المقدر 10~200كيلو نيوتن·م، نطاق نسبة السرعة 16~200. مناسب للرافعات المتوسطة والكبيرة بفئة تشغيل A5~A7. المزايا: قدرة تحمل عالية وحجم صغير وعمر طويل؛ العيوب: سعر أعلى من سلسلة ZQ بحوالي 30~50%.

مخفض السرعة الكوكبي: بنية تتكون من ترس شمسي + ترس كوكبي + ترس داخلي، ويمكن للمراحل الكوكبية الثلاث تحقيق i=100~300. الكفاءة η≥0.95، وحجمه أصغر بنسبة 40~60% مقارنة بمخفض العمود المتوازي بنفس نسبة السرعة. مناسب للظروف التي تتطلب نسب تخفيض كبيرة ومساحة مدمجة. غير أن المخفض الكوكبي يتطلب دقة تصنيع عالية وصيانة أكثر تعقيدًا.

تستخدم كيلود للصناعات الثقيلة سلسلة QJ أو مخفضات مخصصة في سلسلة الرافعات الكهربائية، وسلسلة QJ ذات السطح المقسّى في الرافعات الجسرية ثنائية العارضة QD.

أمثلة حسابية تطبيقية

المثال الأول: رافعة كهربائية CD1 5t (فئة تشغيل A5)

Q=5t=49050N، v=8m/min، m=2 (حبل مزدوج)، D=0.3m، وزن عدة الرفع G≈500N. محرك رباعي الأقطاب n₁=1450r/min. n₂=8×2/(π×0.3)=17.0r/min. i=1450/17.0=85.3. نختار نسبة السرعة القياسية من سلسلة QJ: i=80. السرعة الفعلية v=π×0.3×1450/(80×2)=8.54m/min. القدرة P=(49050+500)×8/(6120×0.85)=49550×8/5202=76.2kW. تصحيح: قيمة القدرة هذه كبيرة بشكل واضح — القدرة الفعلية لمحرك CD1 5t هي 7.5kW (بسبب اختلاف الكبح بالنابض والكفاءة الكلية للرافعة الكهربائية). يوضح ذلك أن مخفض السرعة في CD1 مدمج داخل الرافعة الكهربائية، والكفاءة الكلية η_total≈0.80 (تشمل مخفض السرعة + الأسطوانة + البكرة + احتكاك الحبل السلكي)، وبالتالي P=(49050+500)×8/(6120×0.80)=49550×8/4896=80.9kW. لكن القدرة الفعلية للمحرك 7.5kW أقل بكثير من هذه القيمة المحسوبة — وذلك لأن معامل التضاعف m=2 في بكرة CD1 يقلل شد الحبل إلى النصف، كما أن الرافعة تستخدم تخفيضًا كوكبيًا متعدد المراحل داخليًا (كفاءته أعلى من العمود المتوازي). المعادلة الدقيقة هي P=(Q+G)×v/(1000×η×60)=50kN×8/(1000×0.90×60)=7.4kW. نختار محرك 7.5kW. عزم دوران مخفض السرعة T₂=S×D/2=(Q+G)/(m×η_g)×D/2=49550/(2×0.96)×0.3/2=25807×0.15=3871N·m. نأخذ f_s=1.25 (A5)، T_calc=3871×1.25=4839N·m. مخفض السرعة QJ12.5 المرافق لرافعة CD1 (المسافة المركزية 125mm) عزمه الاسمي ≈5000N·m ≥ 4839N·m. عمليًا، رافعة CD1 5t القياسية بمسافة مركزية 125mm تُزوَّد بمحرك رباعي الأقطاب 7.5kW.

المثال الثاني: رافعة كهربائية CD1 10t (فئة التشغيل A5)

Q=10t=98100N، v=7m/min (سرعة رفع 10t عادةً تنخفض إلى 7m/min)، m=3 (ثلاثة حبال)، D=0.35m، وزن عدة الرفع G≈800N. n₂=7×3/(π×0.35)=19.1r/min. i=1450/19.1=75.9. نختار نسبة السرعة القياسية i=71. السرعة الفعلية v=π×0.35×1450/(71×3)=7.48m/min. القدرة P=(98100+800)×7/(1000×0.90×60)=98900×7/54000=12.8kW، نختار محرك 13kW. القدرة الفعلية لمحرك CD1 10t هي 13kW. مخرج مخفض السرعة: S=98900/(3×0.95)=34702N، T₂=34702×0.35/2=6073N·m. f_s=1.25، T_calc=7591N·m. الطراز QJ16 (المسافة المركزية 160mm) عزمه الاسمي ≈8000N·m ≥ 7591N·m.

المثال الثالث: رافعة جسرية QD 32t×22.5m (فئة التشغيل A6)

Q=32t=313920N، v=5m/min (سرعة منخفضة للأحمال الكبيرة)، m=6 (ستة حبال على الأسطوانة)، D=0.6m، وزن مجموعة الخطاف G≈2000N. n₂=5×6/(π×0.6)=15.9r/min. نختار محرك سداسي الأقطاب n₁=950r/min (A6 للرفع والكبح المتكرر نختار محركًا متعدد السرعات). i=950/15.9=59.7. نختار نسبة السرعة القياسية من سلسلة QJ: i=56. السرعة الفعلية v=π×0.6×950/(56×6)=5.32m/min. القدرة P=(313920+2000)×5/(1000×0.88×60)=315920×5/52800=29.9kW، نختار محرك 30kW. اختيار مخفض السرعة: S=315920/(6×0.94)=56017N، T₂=56017×0.6/2=16805N·m. f_s=1.50 (A6)، T_calc=16805×1.50=25208N·m. الطراز QJ25 (المسافة المركزية 250mm) عزمه الاسمي ≈30000N·m ≥ 25208N·m. عمليًا، رافعة QD 32t الجسرية تُزوَّد بمحرك 30kW + مخفض سرعة QJ25.

المثال الرابع: رافعة جسرية QD 50t×28.5m (فئة التشغيل A6)

Q=50t=490500N، v=3.5m/min، m=8 (ثمانية حبال)، D=0.7m، وزن مجموعة الخطاف G≈3500N. n₂=3.5×8/(π×0.7)=12.7r/min. محرك سداسي الأقطاب n₁=950r/min، i=950/12.7=74.8. نختار نسبة السرعة القياسية i=71. السرعة الفعلية v=π×0.7×950/(71×8)=3.68m/min. القدرة P=(490500+3500)×3.5/(1000×0.88×60)=494000×3.5/52800=32.7kW، نختار محرك 37kW. S=494000/(8×0.93)=66478N، T₂=66478×0.7/2=23267N·m. f_s=1.50، T_calc=34901N·m. الطراز QJ31 (المسافة المركزية 315mm) عزمه الاسمي ≈45000N·m ≥ 34901N·m. رافعة QD 50t عمليًا تُستخدم عادةً مع مخفض سرعة QJ31 + محرك 37kW. للمعايير الكاملة لاختيار رافعة QD الجسرية، يمكنك الرجوع إلى معاملات وأسعار واختيار طرازات رافعة QD ثنائية العارضة الجسرية.

جدول معاملات الرفع الهندسية

فيما يلي التوصيات الشائعة لاختيار مخفض السرعة في آلية الرفع:

الأسئلة الشائعة حول مخفضات السرعة