كل محرك صناعي يعاني من نفس عدم التوافق. يدور المحرك بسرعة 1,450 أو 1,750 دورة في الدقيقة مع عزم دوران يبلغ بضعة نيوتن متر؛ بينما يحتاج الناقل أو الكسارة أو الفرن إلى سرعة منخفضة وعزم دوران عالٍ.
يعمل مخفض السرعة على سد هذه الفجوة. ويعتمد اختياره الصحيح على عزم الدوران، ومعامل الخدمة، وطريقة التركيب، والبيئة - بهذا الترتيب، وليس على المظهر الجمالي للنوع الفرعي.
ما هو مخفض السرعة (يسمى أيضًا علبة التروس أو مخفض التروس)
مخفض السرعة هو جهاز ميكانيكي ذو نسبة تحويل - عبارة عن تروس متشابكة داخل غلاف محكم الإغلاق - يحول خرج المحرك عالي السرعة ومنخفض العزم إلى خرج منخفض السرعة وعالي العزم تحتاجه الآلة الصناعية. يتصل عمود الإدخال بالمحرك، بينما يقوم عمود الإخراج بتحريك الحمل.
تُستخدم مصطلحات مُخفِّض السرعة، ومُخفِّض التروس، وعلبة التروس بشكلٍ مُتبادل في المواصفات الصناعية. قد تتضمن علبة التروس مُعزِّزات السرعة من الناحية الفنية، ولكن بالنسبة لناقلات الحركة، أو المطاحن، أو محركات المضخات، تُعامل المصطلحات الثلاثة على أنها مُرادفات.
استخدم مصطلحات المخفض مقابل علبة التروس يتناول المقال هذا التمييز بمزيد من التفصيل، و تداخل المصطلحات بين علب التروس ومخفضات السرعة استخدام كتالوج خرائط القطع.
كيف يعمل مخفض السرعة: آلية النسبة
صيغة النسبة بسيطة: i = N_out / N_in، حيث N هو عدد الأسنان. ترس صغير ذو 10 أسنان يدير ترسًا كبيرًا ذو 100 سن ينتج عنه i = 10:1. عند سرعة دوران دخل تبلغ 1,450 دورة في الدقيقة، يدور الخرج بسرعة 145 دورة في الدقيقة.
يتحرك عزم الدوران في الاتجاه المعاكس: T_out = T_in × i × η، حيث η هي الكفاءة. يقوم مخفض سرعة بنسبة 10:1 بكفاءة 95% بتحويل عزم دوران المحرك البالغ 10 نيوتن متر إلى 95 نيوتن متر عند المخرج، وهو ما تستخدمه الآلة التي تليها.
تتضاعف نسب النقل في المراحل المتعددة. فمثلاً، ينتج عن مرحلة بنسبة 2:1 مقترنة بمرحلة بنسبة 3:1 نسبة إجمالية قدرها 6:1، وليس 5:1. أما محرك ناقل بنسبة 20:1 - محرك بسرعة 1,800 دورة في الدقيقة، وبكرة رأس بسرعة 90 دورة في الدقيقة - فيتكون عادةً من مرحلتين.
هذه هي الطريقة التي تصميم علبة تروس ثنائية المراحل وأثقل تكوينات الاختزال المزدوج الوصول إلى نسب صناعية مفيدة دون استخدام أحجام تروس غير عملية.
تتضاعف الكفاءة بنفس الطريقة، ولكن ضدك. تفقد كل مرحلة حلزونية حوالي 5%، لذا فإن مرحلتين حلزونيتين تُنتجان 0.95 × 0.95 = 0.9025 - أي حوالي 90% إجمالاً، وليس 95%. أما المراحل الدودية فتفقد المزيد من الكفاءة: إذ تبلغ 60% عند زوايا الميل المنخفضة، ولا تصل إلى 90% إلا عند زاوية ميل قريبة من 15 درجة.
تبقى مراحل الكواكب قريبة من 97% لكل مرحلة. أما بالنسبة للأرقام المتعلقة بمحرك محدد، فـ حساب عدد دورات المحرك في الدقيقة لعلبة التروس تقوم الأداة بإجراء العمليات الحسابية.
مكونات مخفض السرعة: التروس، الأعمدة، المحامل، الغلاف، موانع التسرب
خمسة مكونات تقوم بالعمل، ولكل منها نمط فشل رئيسي واحد يجب على المصمم معرفته.
| مكون | الوظيفة | وضع الفشل الشائع |
|---|---|---|
| التروس | اضبط النسبة، وانقل عزم الدوران | تآكل الأسنان، خدوش، إجهاد الجذر |
| مهاوي | نقل عزم الدوران للداخل والخارج | كسر الإجهاد عند مجاري المفاتيح ونصف قطر الحافة |
| اتجاهات | أعمدة الدعم، تحديد الموضع المحوري | التقشر، والتآكل، وتلف مواد التشحيم |
| السكن | يحتوي على مواد تشحيم، ويحافظ على محاذاة تجاويف المحامل | تشوه التجويف، تشقق القاعدة |
| الأختام | احتفظ بالزيت، واستبعد الماء والملوثات. | تقوية الشفاه، وتجويف عمود الكتابة |
تُحدد فئة دقة التروس عمرَها الافتراضي أكثر من أي عامل آخر. وفقًا لمعيار AGMA 6113-B16، الذي يُنظم المحركات الحلزونية المغلقة، تُحدد درجة جودة التروس بالإضافة إلى المواد والمعالجة الحرارية الحملَ المُقدَّر. يُغطي معيار AGMA 6034 التروس الدودية؛ بينما يُحدد معيار ISO 6336 حسابَ عمر الخدمة.
تبدأ معظم الأعطال التي يمكن تجنبها من عملية التشحيم. فوجود 1,000 جزء في المليون فقط من الماء في الزيت يقلل من عمر محامل العناصر الدوارة بنسبة 75%، ولهذا السبب فإن حالة مانع التسرب وموضع فتحة التهوية لا يقلان أهمية عن نوع الزيت.
عادةً ما يحين موعد تغيير الزيت الأول بعد 500 إلى 1,000 ساعة من استخدام الزيت المعدني. وهذا هو الوضع الصحيح. قم بتفريغ الزيت وإعادة تعبئته يحافظ هذا الإجراء على هامش التحمل بنسبة 75%. المكونات الرئيسية لعلبة التروس تغطي القطعة كل مجموعة فرعية.
أنواع مخفضات السرعة (أنواع التروس الصناعية الأساسية)
تغطي خمسة أنواع من التروس المحركات الصناعية. تنتمي تصميمات التروس الحلقية والتوافقية وRV إلى فئات الروبوتات والفضاء، وليس إلى مواصفات السيور الناقلة أو مطاحن الأسمنت.
مخفضات سرعة التروس الحلزونية (خطية، متوازية المحاور، حلزونية مخروطية)
تعتبر المخفضات الحلزونية هي الأداة الصناعية الأساسية. تتعشق الأسنان المائلة تدريجياً بدلاً من أن تنغلق فجأة مثل الأسنان المستقيمة، مما ينتج عنه كفاءة تتراوح بين 95 و98% لكل مرحلة، وضوضاء أقل، وقدرة تحمل أعلى.
تتراوح نسب المرحلة الواحدة من 1:1 إلى 1:7؛ وتصل نسب المجموعات ثلاثية المراحل إلى 1:200. وتغطي المخفضات الحلزونية القياسية في سلسلة R وF وK وS نطاقًا من 0.12 إلى 200 كيلوواط عبر تكوينات خطية ومتوازية المحاور وحلزونية مشطوفة وحلزونية دودية - وهو النطاق الذي يتعامل مع معظم محركات التعدين والأسمنت والصلب ومعالجة مياه الصرف الصحي.
مخفضات سرعة التروس الدودية (NMRV / زاوية قائمة)
توفر مخفضات السرعة الدودية نسبًا أحادية المرحلة تتراوح من 5:1 إلى 100:1 في تصميم صغير الحجم بزاوية قائمة. ويكمن المقابل في الكفاءة: من 60% إلى 90% حسب زاوية التوجيه، مع انخفاض حاد عند زاوية 15 درجة تقريبًا حيث يبدأ القفل الذاتي.
خاصية القفل الذاتي ميزة أساسية في محركات الرفع والتحريك، وليست عيبًا. تُستخدم مخفضات السرعة الدودية من سلسلة NMRV في الخلاطات ذات القدرة المنخفضة إلى المتوسطة، والناقلات الصغيرة، ومحركات التعبئة والتغليف. ويحدد معيار AGMA 6034 معدلات التآكل والقوة.
مخفضات سرعة التروس الكوكبية
توزع التصاميم الكوكبية الحمل على ثلاثة إلى خمسة تروس كوكبية تتشابك مع ترس حلقي، مما يوفر كثافة عزم دوران عالية في هيكل محوري صغير الحجم. تصل كفاءة المرحلة الواحدة إلى 98%، بينما تحافظ المجموعات ثلاثية المراحل على 94%. استخدم التصميم الكوكبي حيث يكون عزم الدوران بالنسبة للحجم عاملاً مهماً - مثل المحركات الصغيرة، وتطبيقات المؤازرة عالية التخفيض، أو المواقع التي لا تتسع فيها علبة التروس التقليدية.
مخفضات سرعة التروس المخروطية الحلزونية (سلسلة Z)
تُغيّر مُخفّضات السرعة الحلزونية المائلة اتجاه الدوران بمقدار 90 درجة بكفاءة تصل إلى 98%. وهي مناسبة لمحركات الزاوية القائمة عالية السرعة حيث يؤدي فقدان كفاءة التروس الدودية إلى استهلاك طاقة كبير. وتُعدّ وحدات سلسلة Z شائعة الاستخدام في الخلاطات، ومحركات أفران الأسمنت، والمُحرّكات.
مخفضات سرعة التروس المحفزة
تستخدم مخفضات السرعة ذات التروس المستقيمة أسنانًا مستقيمة القطع موازية للمحور. تبلغ كفاءتها 96-98%، لكن الضوضاء والصدمات الناتجة عن تعشيق الأسنان تجعلها خيارًا غير مناسب عند السرعات العالية. مع ذلك، تظل مفيدة في التطبيقات التي تتطلب سرعات منخفضة وأحمالًا عالية، مثل الرافعات الصغيرة والمعدات الاقتصادية.
مخفض السرعة مقابل ناقل الحركة: ما هو الفرق الحقيقي؟
يُحافظ المُخفِّض على نسبة ثابتة واحدة لكل مرحلة ويعمل باستمرار عند نقطة تشغيل واحدة. أما ناقل الحركة فيُغيّر بين نسب متعددة تحت الحمل عبر قابض أو مُزامِن، وهو أقل كفاءة بسبب تغيير التروس وانزلاق القابض.
إذا كانت الآلة المُدارة تعمل بسرعة ثابتة، فهي تحتاج إلى مُخفِّض سرعة. أما إذا قام المُشغِّل بتغيير نسب السرعة تحت الحمل أثناء التشغيل العادي، فهذا يتطلب ناقل حركة. وقد حلت محركات التردد المتغير محل معظم نواقل الحركة الصغيرة ذات السرعة المتغيرة، لذا أصبح مُخفِّض السرعة ذو النسبة الثابتة بالإضافة إلى محرك التردد المتغير هو المعيار الآن لمحركات السرعة القابلة للتعديل.
كيفية اختيار مخفض السرعة: عزم الدوران، عامل الخدمة، التركيب، البيئة
تتم عملية الاختيار على أربع خطوات بالترتيب. إذا تم تخطي إحداها، فإما أن تتعطل الوحدة تحت الحمل أو أن تكون كبيرة الحجم وباهظة الثمن.
متطلبات عزم الدوران والسرعة
ابدأ بالآلة المُدارة، وليس بالمحرك. احسب عزم الدوران المطلوب عند الحمل الكامل وسرعة الخرج اللازمة للعملية. ثم احسب النسبة عكسيًا: i = N_motor / N_output.
تحقق من قدرة المحرك باستخدام المعادلة T_out = T_motor × i × η عند الكفاءة المركبة. يجب أن يشمل حساب عزم الدوران ذروة عزم بدء التشغيل، وليس فقط عزم الدوران أثناء التشغيل، حيث أن الأحمال الزائدة المتكررة عند بدء التشغيل هي السبب الأكثر شيوعًا لإجهاد أسنان التروس وتلف المحامل في محركات السيور الناقلة.
عامل الخدمة: تحديد المقاسات المناسبة للاستخدام في العالم الحقيقي
عامل الخدمة ليس مجرد إضافة اختيارية. وفقًا لمعايير AGMA، فإن قدرة المحرك التصميمية هي قدرة المحرك الرئيسي مضروبة في عامل الخدمة، وتعتمد الفئة على طبيعة الاستخدام، وليس على الممارسات المحافظة.
| فئة AGMA | عامل خدمة | مثال على الواجب |
|---|---|---|
| الصف الأول | 1.0 | حمل منتظم - مروحة صغيرة، محرك تقليب خفيف |
| الدرجة الثانية | 1.4 | متوسط - ناقل لولبي لمدة 3-10 ساعات/يوم |
| الدرجة الثالثة | 2.0 | صدمة قوية - مدحلة، كسارة صخور، مطحنة كروية |
في مصنع أسمنت تابع لشركة TKF في إيران، كان محرك الطحن من طراز Flender B3SH20 يُسبب تكسرًا متكررًا في العمود الوسيط. ولم تُجدِ عمليات الصيانة الشاملة للتروس والمحامل والأختام نفعًا. والسبب الرئيسي هو عدم كفاية عامل التشغيل لتحمل أحمال الصدمات.
كان الحل هو الترقية إلى مقاس أكبر بدرجة واحدة من طراز B3SH21، وقد أفاد المهندس بعد أربع سنوات: "منذ ذلك الحين، تم حل المشكلة تمامًا". وقد تبين أن حادثة مماثلة في شركة أسمنت القصيم السعودية تعود إلى نفس فجوة المقاسات.
تشير استطلاعات الرأي في القطاع إلى أن 54% من المهندسين ما زالوا يختارون محركات أكبر من اللازم بشكل افتراضي، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة المحرك بشكل حاد إلى أقل من 50% من الحمل. والحل ليس في مبدأ "الأكبر هو الأكثر أمانًا"، بل في معايرة عامل الأمان المرتبطة بفئة التشغيل. دليل استخدام مخفض السرعة 3 يشرح بالتفصيل عملية حساب عزم الدوران وقوة المجال المغناطيسي.
خيارات التركيب: قاعدة، شفة، تركيب على عمود، ذراع عزم الدوران
تحدد طريقة التركيب كيفية تثبيت المخفض وكيفية التعامل مع عزم رد الفعل.
- قاعدة تثبيتمثبتة بمسامير على إطار فرعي؛ تحتاج إلى محاذاة وصلة
- تركيب شفة: تُثبّت بمسامير على شفة محرك أو آلة متوافقة؛ صغيرة الحجم، ذاتية المحاذاة
- تركيب على العمودينزلق عمود الإخراج المجوف على العمود المُدار؛ يمتص ذراع عزم الدوران رد الفعل؛ وهو معيار لبكرات رأس الناقل.
- ذراع عزم الدوران / عمود مجوف: مقترن بتركيب عمودي لناقلات المواد السائبة، والمحركات، والخلاطات
العوامل البيئية: درجة الحرارة، تصنيف الحماية من دخول الماء والغبار، التشحيم
يوجد تصنيفان على لوحة بيانات مخفض السرعة - القدرة الميكانيكية والقدرة الحرارية - وهما لا يتناسبان مع بعضهما البعض. أدى تحديث ناقل يعمل بمعدل إنتاجية أعلى بنسبة 50% باستخدام نفس مخفض السرعة بقدرة 5 أحصنة إلى ارتفاع درجة حرارة الزيت في غضون أسابيع، لأن القدرة المنقولة تجاوزت التصنيف الحراري على الرغم من أن التصنيف الميكانيكي بدا جيدًا.
وثّق رينولد سيوتشي من مجموعة بروك هانسن درايفز هذا الخلل في مجلة تصميم الآلات: تتناسب القدرات الميكانيكية طرديًا مع السرعة، بينما لا تتناسب القدرات الحرارية معها. لذا، يجب التحقق من كليهما بمقارنتهما مع القدرة الحصانية المكافئة المحسوبة عند زيادة السرعة، أو ارتفاع درجات الحرارة المحيطة، أو التركيبات المغلقة ذات تدفق الهواء المنخفض.
تطبيقات مخفضات السرعة في مختلف القطاعات الصناعية
تحدد القطاعات الصناعية فئة الخدمة ونوع المعدات والنطاق البيئي قبل بدء عملية تحديد المواصفات.
- التعدين والتجميعتعمل الكسارات الفكية والمخروطية، ومحركات الغربال، والناقلات طويلة المدى في ظروف تشغيل من الفئة الثانية والثالثة مع صدمات شديدة. تحمل وحدات المحور المتوازي الحلزوني ووحدات الشطف الحلزوني المحركات الرئيسية.
- أسمنتتعمل محركات الأفران، ومحركات مطاحن الكرات، ومحركات مراوح التسخين المسبق بشكل مستمر ضمن الفئة الثانية والثالثة مع أحمال حرارية عالية. وتسيطر الوحدات الحلزونية الكبيرة والوحدات الحلزونية المائلة.
- معالجة زيت النخيلتتميز معاصر الحبوب، والمكابس اللولبية، وأجهزة الفصل بعزم دوران ابتدائي عالٍ مع حمولة ألياف متغيرة. وتتعامل مخفضات السرعة من سلسلة M، سواءً كانت حلزونية أو دودية، مع نطاق نسب التشغيل.
- معالجة مياه الصرف الصحيتعمل أجهزة التهوية، ومحركات أجهزة الترسيب، وخلاطات الحمأة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع في بيئات شديدة التآكل. وتُعد وحدات التروس الحلزونية المخروطية ووحدات التروس الدودية المثبتة على العمود مع موانع تسرب مُحسّنة وهياكل IP-65 من الأنواع الشائعة.
- مناولة المواد السائبةتتراوح نسب التروس في الخلاطات والمحركات والمصاعد الدلوية في مصانع الصلب والكيماويات والأغذية بين 10:1 و200:1. وتُستخدم التروس الحلزونية بشكل أساسي عند قدرة تزيد عن 30 كيلوواط، بينما تُستخدم التروس الدودية عند قدرة أقل.
تبدأ المواصفات من فئة الخدمة والظروف المحيطة، وليس من علامة تجارية مفضلة أو نوع معدات معين.
خطواتك التالية لتحديد مُخفِّض السرعة
تتحول السقالات الموجودة أعلاه إلى وحدة بمستوى لوحة الاسم في ثلاث خطوات.
أولاً، حدد حجم المحرك المناسب - قم بإجراء حساب عزم الدوران باستخدام فئة التشغيل الفعلية وخصائص الصدمات، وليس باستخدام عامل الخدمة الافتراضي 1.5. ثانياً، تحقق من نسبة عزم الدوران وسرعة دوران المحرك (RPM) مقارنةً بالعملية المُشغَّلة قبل تثبيت المحرك. ثالثاً، تأكد من أن كلاً من المواصفات الميكانيكية والحرارية تتجاوز القدرة الحصانية المكافئة المحسوبة في ظل الظروف المحيطة الفعلية.
إذا رتبت هذه الأمور الثلاثة بشكل صحيح، فعادةً ما يتم حل قرار نوع المعدات من تلقاء نفسه.
