في عملي مع آلات الانحناءلقد أصبحتُ أُقدّر التصميم المُعقّد للنظام الهيدروليكي الذي يُشغّلها. يُعدّ النظام الهيدروليكي أساسيًا لتحقيق انحناءات دقيقة وضمان عمل الآلة بسلاسة تحت أحمال مُتغيّرة. من خلال فهم جوانب تصميم النظام الهيدروليكي لآلة الانحناء، يُمكنني تحسين الأداء واستكشاف المشكلات وإصلاحها بفعالية أكبر. في هذه المقالة، سأستكشف المكونات الرئيسية واعتبارات تصميم الأنظمة الهيدروليكية في آلات الانحناء، مشاركة الأفكار التي يمكن أن تعزز كل من الكفاءة والموثوقية في عمليات تصنيع المعادن.

ال آلة الانحناء ينتمي إلى نوع من آلات التشكيل، وله دور رئيسي في صناعة معالجة المعادن. تُستخدم منتجاته على نطاق واسع في: الصناعات الخفيفة، والطيران، والشحن، والمعادن، والأجهزة، والأجهزة الكهربائية، ومنتجات الفولاذ المقاوم للصدأ، وبناء الهياكل الفولاذية، وصناعات الديكور.

يستخدم النظام الهيدروليكي مضخة مكبس لتعويض الضغط لتزويد الزيت، مع التحكم في دواسة الوقود العائدة، مما يوفر استهلاكًا رشيدًا للطاقة. تعتمد الأسطوانة الهيدروليكية العمودية على آليات التوازن والقفل، مما يضمن عملها بأمان وموثوقية. كما تتميز الأسطوانات الهيدروليكية، كمكونات أساسية، بقوة تثبيت وقوة قص عالية. عند استخدام ألواح القص في النظام، يكون أداؤها ممتازًا.

يتضمن تصميم النظام الهيدروليكي، ونظام قص الصفائح المعدنية، ونظام محطات الضخ الهيدروليكية تصميم الدوائر وهيكل محطة الضخ، وتصميم المخطط، وتصميم بعض المكونات غير القياسية. في عملية التصميم، يتم تحقيق هيكل مدمج وتصميم منطقي وتصنيع بسيط.

نظرة عامة على النظام الهيدروليكي

يمكن استخدام أي وسيط (سائل أو غاز) يتدفق طبيعيًا أو يُجبر على التدفق لنقل الطاقة في نظام طاقة السوائل. كان الماء أول سائل مستخدم، ومن هنا جاء اسم الهيدروليكا (الهيدروليكا) ليشير إلى الأنظمة التي تستخدم السوائل. في المصطلحات الحديثة، تعني الهيدروليكا دائرة كهربائية تستخدم زيتًا معدنيًا. يوضح الشكل 1-1 وحدة طاقة أساسية لنظام هيدروليكي.

(لاحظ أن الماء يشهد عودةً قويةً في أواخر التسعينيات؛ وبعض أنظمة الطاقة الموائعية تعمل اليوم حتى بمياه البحر). السائل الشائع الآخر في دوائر الطاقة الموائعية هو الهواء المضغوط. وكما هو موضح في الشكل 1-2، فإن الهواء الجوي - بعد ضغطه من 7 إلى 10 مرات - متوفرٌ بسهولة ويتدفق بسهولة عبر الأنابيب أو الأنابيب أو الخراطيم لنقل الطاقة اللازمة لإنجاز العمل. يمكن استخدام غازات أخرى، مثل النيتروجين أو الأرجون، ولكن إنتاجها ومعالجتها مكلفان.

الطاقة هي الأقل فهمًا في الصناعة عمومًا. في معظم المصانع، يوجد عدد قليل من الأشخاص المسؤولين مباشرةً عن تصميم أو صيانة دوائر الطاقة الموائعية. غالبًا ما يقوم فنيو الميكانيكا العامة بصيانة دوائر الطاقة الموائعية التي صممها في الأصل مندوب مبيعات موزع الطاقة الموائعية. في معظم المنشآت، تُعد مسؤولية أنظمة الطاقة الموائعية جزءًا من الوصف الوظيفي للمهندسين الميكانيكيين. تكمن المشكلة في أن المهندسين الميكانيكيين عادةً ما يتلقون تدريبًا محدودًا في مجال الطاقة الموائعية في الكلية، إن وُجد، لذا فهم غير مؤهلين للقيام بهذه المهمة. مع قدر متواضع من التدريب على الطاقة الموائعية ووجود عمل أكثر من كافٍ للتعامل معه، غالبًا ما يعتمد المهندس على خبرة موزع الطاقة الموائعية. 

للحصول على طلب، يتولى مندوب مبيعات الموزع تصميم الدائرة، وغالبًا ما يساعد في التركيب والتشغيل. يعمل هذا الترتيب بكفاءة معقولة، ولكن مع تطور التقنيات الأخرى، تنخفض طاقة السوائل المستخدمة في العديد من وظائف الآلة. هناك دائمًا ميل لاستخدام المعدات التي يفهمها المشاركون بشكل أفضل.

تتميز أسطوانات ومحركات الطاقة السائلة بصغر حجمها وطاقتها العالية. فهي تناسب المساحات الصغيرة ولا تُسبب فوضى في الآلة. يمكن إيقاف هذه الأجهزة لفترات طويلة، وهي قابلة للعكس الفوري، وتتميز بسرعات متغيرة لا نهائية، وغالبًا ما تحل محل الوصلات الميكانيكية بتكلفة أقل بكثير. بفضل التصميم الجيد للدوائر، سيعمل مصدر الطاقة والصمامات والمشغلات دون صيانة تُذكر لفترات طويلة. من أهم عيوبها عدم فهم المعدات وسوء تصميم الدوائر، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها وحدوث تسريبات.

يحدث ارتفاع درجة الحرارة عندما يستهلك الجهاز طاقة أقل مما توفره وحدة الطاقة. (عادةً ما يكون من السهل تصميم دائرة كهربائية لإيقاف ارتفاع درجة الحرارة). يتم التحكم في التسريبات باستخدام وصلات حلقية دائرية مستقيمة الخيوط لتوصيل الأنابيب، أو وصلات خراطيم وشفة SAE ذات أحجام أنابيب أكبر. كما أن تصميم الدائرة الكهربائية لتقليل الصدمات والتشغيل البارد يقلل التسريبات.

القاعدة العامة لاختيار نظام هيدروليكي أو هوائي للأسطوانات هي: إذا كانت القوة المطلوبة تتطلب قطر أسطوانة هواء 4 أو 5 بوصات أو أكبر، فاختر نظامًا هيدروليكيًا. معظم الدوائر الهوائية أقل من 3 أحصنة نظرًا لانخفاض كفاءة ضغط الهواء. النظام الذي يتطلب 10 أحصنة للأنظمة الهيدروليكية سيستهلك ما يقارب 30 إلى 50 حصانًا من قوة ضاغط الهواء.

تُعدّ دوائر الهواء أقل تكلفةً في البناء نظرًا لعدم الحاجة إلى محرك رئيسي منفصل، إلا أن تكاليف التشغيل أعلى بكثير، ويمكنها تعويض انخفاض تكاليف المكونات بسرعة. في الحالات التي قد تكون فيها أسطوانة الهواء ذات القُطر 20 بوصة اقتصاديةً، يُمكن استخدامها في دورات قليلة يوميًا أو في حال استخدامها للحفاظ على الشد دون الحاجة إلى دورات. 

كلٌّ من الدوائر الهوائية والهيدروليكية قادرة على العمل في المناطق الخطرة عند استخدامها مع ضوابط هوائية منطقية أو ضوابط كهربائية مقاومة للانفجار. مع اتخاذ بعض الاحتياطات، يمكن للأسطوانات والمحركات من كلا النوعين العمل في أجواء عالية الرطوبة... أو حتى تحت الماء.

عند استخدام طاقة السوائل حول المواد الغذائية أو الإمدادات الطبية، من الأفضل توجيه عوادم الهواء خارج المنطقة النظيفة واستخدام سائل نباتي للدوائر الهيدروليكية.

تتطلب بعض التطبيقات صلابة السوائل، لذا قد يبدو من الضروري استخدام أنظمة هيدروليكية في هذه الحالات حتى مع انخفاض احتياجات الطاقة. في هذه الأنظمة، استخدم مزيجًا من الهواء لـ

مصدر الطاقة والزيت كسائل عمل لخفض التكلفة مع الحفاظ على تحكم سلس، مع خيارات للتوقف والثبات الدقيقين. من بين المكونات المتاحة أنظمة خزانات الهواء والزيت، وأنظمة الأسطوانات المترادفة، والأسطوانات المزودة بعناصر تحكم متكاملة، ومكثفات.

أفضل من شرح سبب قدرة السوائل على نقل الطاقة عند احتوائها هو رجل من القرن السابع عشر يُدعى بليز باسكال. يُعد قانون باسكال أحد القوانين الأساسية لقوة السوائل. ينص هذا القانون على أن الضغط في جسم مائع محصور يؤثر بالتساوي في جميع الاتجاهات وبزوايا قائمة على الأسطح المحتوية. بعبارة أخرى: إذا أحدثتُ ثقبًا في وعاء أو أنبوب مضغوط، فسأحصل على ضغط PSO. يُشير PSO إلى الضغط الخارج، وثقب أنبوب سائل مضغوط سيؤدي إلى البلل. يوضح الشكل 1-3 كيفية تطبيق هذا القانون في تطبيقات الأسطوانات.

يتدفق الزيت من المضخة إلى أسطوانة ترفع حمولة. تُسبب مقاومة الحمل تزايد الضغط داخل الأسطوانة حتى يبدأ الحمل بالحركة. أثناء حركة الحمل، يبقى الضغط في الدائرة بأكملها ثابتًا تقريبًا. يحاول الزيت المضغوط الخروج من المضخة والأنبوب والأسطوانة، لكن هذه الآليات قوية بما يكفي لاحتواء السائل. عندما يصبح الضغط على منطقة المكبس مرتفعًا بما يكفي للتغلب على مقاومة الحمل، يُجبر الزيت الحمل على التحرك لأعلى. يُسهّل فهم قانون باسكال فهم كيفية عمل جميع الدوائر الهيدروليكية والهوائية.

لاحظ أمرين مهمين في هذا المثال. أولاً، لم تُولّد المضخة ضغطًا، بل أنتجت تدفقًا فقط. المضخات لا تُولّد ضغطًا أبدًا، بل تُنتج تدفقًا فقط. مقاومة تدفق المضخة تُسبب الضغط. هذا أحد المبادئ الأساسية لقوة السوائل، وهو ذو أهمية بالغة في استكشاف أعطال الدوائر الهيدروليكية وإصلاحها. لنفترض أن آلةً تعمل بالمضخة، ويُظهر مقياس ضغطها ضغطًا يقارب 0 رطل/بوصة مربعة. هل يعني هذا أن المضخة معطلة؟ بدون مقياس تدفق عند مخرج المضخة، قد يُغيّر الميكانيكيون المضخة، لأن الكثير منهم يعتقدون أن المضخات تُولّد ضغطًا.

قد تكون مشكلة هذه الدائرة ببساطة صمامًا مفتوحًا يسمح بتدفق كامل المضخة مباشرةً إلى الخزان. ولأن تدفق مخرج المضخة لا يواجه أي مقاومة، فإن مقياس الضغط يُظهر ضغطًا ضئيلًا أو معدومًا. عند تركيب مقياس تدفق، سيكون من الواضح أن المضخة تعمل بشكل صحيح، ويجب تحديد أسباب أخرى، مثل مسار مفتوح إلى الخزان، ومعالجتها.

من المجالات الأخرى التي تُظهر تأثير قانون باسكال مقارنة الرفع الهيدروليكي والميكانيكي. يوضح الشكل 1-4 كيفية عمل كلا النظامين. في كلتا الحالتين، تُعوّض قوة كبيرة بقوة أصغر بكثير بسبب اختلاف طول ذراع الرافعة أو مساحة المكبس. تجدر الإشارة إلى أن الرفع الهيدروليكي لا يقتصر على مسافة أو ارتفاع أو موقع مادي معين، مثل الرفع الميكانيكي.

هذه ميزةٌ واضحةٌ للعديد من الآليات، لأن معظم التصاميم التي تستخدم طاقة السوائل تشغل مساحةً أقل ولا تُقيّدها اعتبارات الموضع. يمكن لأسطوانة، أو مشغل دوار، أو محرك سائل بقوةٍ أو عزم دورانٍ لا حدود لهما تقريبًا، دفع أو تدوير عضو الآلة مباشرةً. لا تتطلب هذه الإجراءات سوى خطوط تدفقٍ من وإلى المشغل وأجهزة تغذية راجعة للإشارة إلى الموضع. الميزة الرئيسية للتشغيل بالوصلات هي دقة الموضع والقدرة على التحكم دون تغذية راجعة.

للوهلة الأولى، قد يبدو أن الرافعة الميكانيكية أو الهيدروليكية قادرة على توفير الطاقة. على سبيل المثال: يُثبّت وزن 40,000 رطل في مكانه بواسطة وزن 10,000 رطل في الشكل 1-4. مع ذلك، لاحظ أن نسبة أذرع الرافعة إلى مساحة المكبس هي 4:1. هذا يعني أنه بإضافة قوة إضافية، مثلاً، إلى جانب 10,000 رطل، ينخفض الوزن ويرتفع جانب 40,000 رطل. عندما يتحرك الوزن 10,000 رطل لأسفل مسافة 10 بوصات، يتحرك الوزن 40,000 رطل لأعلى بمقدار 2.5 بوصة فقط.

الشغل هو قياس القوة المؤثرة عبر مسافة. (الشغل = القوة × المسافة). يُعبَّر عن الشغل عادةً بوحدة القدم-الرطل، وكما تنص الصيغة، فهو حاصل ضرب القوة بالرطل في المسافة بالقدم. عندما ترفع أسطوانة حملاً وزنه 20,000 رطل لمسافة 10 أقدام، فإنها تُنجز شغلاً مقداره 200,000 قدم-رطل. يمكن أن يحدث هذا في ثلاث ثوانٍ، أو ثلاث دقائق، أو ثلاث ساعات دون أن يتغير مقدار الشغل.

عندما يُنجز العمل في زمن معين، يُسمى قوة. {القوة = (القوة × المسافة) / الزمن.} مقياس شائع للقوة هو قوة الحصان - وهو مصطلح مأخوذ من العصور القديمة عندما كان معظم الناس يربطونه بقوة الحصان. سمح هذا للشخص العادي بتقييم وسائل جديدة للقوة، مثل المحرك البخاري. القوة هي معدل إنجاز العمل. تُعرف قوة الحصان بأنها الوزن بالرطل (القوة) الذي يمكن للحصان رفعه قدمًا واحدة (مسافة) في ثانية واحدة (زمن). بالنسبة للحصان العادي، تبين أن هذا يساوي 550 رطلاً (قدمًا واحدة) في ثانية واحدة. وبتغيير الوقت إلى 60 ثانية (دقيقة واحدة)، يُكتب عادةً 33000 قدم-رطل في الدقيقة.

لا حاجة لمراعاة قابلية الانضغاط في معظم الدوائر الهيدروليكية، إذ لا يمكن ضغط الزيت إلا بكمية ضئيلة جدًا. عادةً، تُعتبر السوائل غير قابلة للانضغاط، ولكن معظم الأنظمة الهيدروليكية تحتوي على هواء محصور بداخلها. فقاعات الهواء صغيرة جدًا لدرجة أن حتى الأشخاص ذوي البصر الجيد لا يستطيعون رؤيتها، إلا أن هذه الفقاعات تسمح بقابلية انضغاط تبلغ حوالي 0.5% لكل 1000 رطل/بوصة مربعة. 

تشمل تطبيقات الأنظمة الهيدروليكية التي تؤثر فيها قابلية الانضغاط المنخفضة سلبًا ما يلي: مُكثِّفات الهواء والزيت أحادية الشوط؛ والأنظمة التي تعمل بمعدلات دورات عالية جدًا؛ وأنظمة المؤازرة التي تحافظ على وضعيات أو ضغوط قريبة من التسامح؛ والدوائر التي تحتوي على كميات كبيرة من السوائل. في هذا الكتاب، عند عرض الدوائر التي تُمثل قابلية الانضغاط عاملًا مؤثرًا، سيتم توضيحها مع طرق تقليلها أو السماح بها.

هناك حالة أخرى تُظهر قابلية انضغاط أكبر مما ذُكر سابقًا، وهي تمدد الأنابيب والخراطيم والأسطوانات عند الضغط عليها. يتطلب هذا حجمًا أكبر من السوائل لزيادة الضغط وأداء العمل المطلوب. 

بالإضافة إلى ذلك، عندما تدفع الأسطوانات ضد الحمل، فإن أعضاء الآلة التي تقاوم هذه القوة قد تتمدد، مما يجعل من الضروري مرة أخرى دخول المزيد من السوائل إلى الأسطوانة قبل انتهاء الدورة.

كما يعلم الجميع، الغازات قابلة للانضغاط بشدة. بعض التطبيقات تستفيد من هذه الميزة. في معظم دوائر الطاقة الموائعية، لا تُعدّ قابلية الانضغاط ميزةً، بل تُعدّ عيبًا في كثير منها. هذا يعني أنه من الأفضل التخلص من أي هواء محصور في الدائرة الهيدروليكية لتسريع دورات العمل وجعل النظام أكثر صلابة.