خلاصة

في محاولة للتخفيف من مشكلة نقص المعدات في مختبراتنا في معظم مؤسساتنا العليا، تم تركيب جهاز وزنه 30 طنًا مكبس هيدروليكي صُممت وبُنيت واختُبرت باستخدام مواد محلية. وشملت المعايير الرئيسية للتصميم أقصى حمل (300 كيلو نيوتن)، ومسافة مقاومة الحمل (شوط المكبس: 150 مم)، وضغط النظام، ومساحة الأسطوانة (قطر المكبس: 100 مم)، ومعدل التدفق الحجمي لسائل العمل. تشمل المكونات الرئيسية للمكبس المُصمم ترتيب الأسطوانة والمكبس، والإطار، والدائرة الهيدروليكية.

تم اختبار الآلة من حيث الأداء مع حمل 10 كيلو نيوتن مقدم بواسطة زنبركي ضغط ثابت 9 نيوتن / مم لكل منهما متوازيين بين الأسطوانة العلوية والسفلية وتبين أنها مرضية. يتم تعريض مسمار فولاذي مثبت في اللوحة السفلية لمكبس هيدروليكي لقوى تأثير عالية. يبلغ القطر الرئيسي لهذا المسمار 14 مم وخطوة 2 مم.

يبلغ طوله 300 مم ويحمل الصامولة طاقة تأثير تبلغ 4500 نيوتن-مم. يظهر البرغي المستخدم في الشكل 1ب. يتم قطع الخيط لقطر كامل يبلغ 14 مم. باستخدام مبادئ DFM، قم بتصميم برغي أفضل يمكنه تقليل إجهاد منطقة الجذر إلى 245 ميجا باسكال من إجهاد منطقة الجذر القياسي البالغ 290 ميجا باسكال. أظهر الحسابات.

1. المقدمة 

لقد ركّز تطور الهندسة على مر السنين على إيجاد وسائل أكثر فعالية وسهولة للدفع والسحب والتدوير والدفع والتحكم في الأحمال، التي تتراوح أوزانها بين بضعة كيلوغرامات وآلاف الأطنان. وتُستخدم المكابس على نطاق واسع لتحقيق ذلك. 

المكابس، كما عرّفها لانج، هي أدوات آلية تمارس الضغط. ويمكن تصنيفها إلى ثلاث فئات رئيسية: المكابس الهيدروليكية التي تعمل وفقًا لمبادئ الضغط الهيدروستاتيكي، والمكابس اللولبية التي تستخدم براغي آلية لنقل الطاقة، والمكابس الميكانيكية التي تستخدم الربط الحركي للعناصر لنقل الطاقة.

في المكابس الهيدروليكية، يتم توليد القوة ونقلها وتضخيمها باستخدام سائل تحت ضغط. يتميز نظام السائل بخصائص المادة الصلبة، ويوفر وسطًا قويًا ومتينًا لنقل الطاقة وتضخيمها. في التطبيقات البسيطة، ينقل مكبس أصغر سائلًا تحت ضغط عالٍ إلى أسطوانة ذات مساحة مكبس أكبر، مما يؤدي إلى تضخيم القوة. يُسهّل هذا النظام نقل كميات كبيرة من الطاقة مع تضخيم قوة غير محدود تقريبًا. كما يتميز بتأثير قصور ذاتي منخفض جدًا.

تتكون المكبس الهيدروليكي النموذجي من مضخة توفر الطاقة المحركة للسائل، والسائل نفسه وهو وسيلة نقل الطاقة عبر الأنابيب والموصلات الهيدروليكية، وأجهزة التحكم والمحرك الهيدروليكي الذي يحول الطاقة الهيدروليكية إلى عمل مفيد عند نقطة مقاومة الحمل.

من أهم مزايا المكابس الهيدروليكية مقارنةً بأنواع المكابس الأخرى أنها توفر استجابةً أفضل لتغيرات ضغط الإدخال، ويمكن التحكم بدقة في القوة والضغط، وتكون القيمة الكاملة للقوة متاحةً خلال شوط العمل الكامل لحركة الكبش. تُفضل المكابس الهيدروليكية عند الحاجة إلى قوة اسمية كبيرة جدًا.

تُعدّ المكبس الهيدروليكي من المعدات القيّمة في الورش والمختبرات، خاصةً لعمليات تجهيز المكبس ولتشويه المواد، مثل عمليات تشكيل المعادن واختبار متانة المواد. وبالنظر إلى ورشة العمل في نيجيريا، يتضح أن جميع هذه الآلات مستوردة إلى البلاد. لذلك، يهدف هذا المشروع إلى تصميم وتصنيع مكبس منخفض التكلفة، يعمل هيدروليكيًا باستخدام مواد محلية. وهذا لن يُسهم فقط في استعادة الأموال المفقودة من العملات الأجنبية، بل سيُحسّن أيضًا من مستوى تقنيتنا المحلية في استغلال نقل الطاقة بالسوائل الهيدروليكية.

2. منهجية التصميم

تُصمَّم أنظمة الطاقة السائلة وفقًا لأهداف محددة. وتتمثل المشكلة الرئيسية التي يجب حلها عند تصميم النظام في تحويل الأداء المطلوب للنظام إلى ضغط هيدروليكي.

الشكل 1. مخطط تخطيطي للضغط الهيدروليكي. معدل تدفق الحجم ومطابقة هذه الخصائص مع المدخلات المتاحة للنظام للحفاظ على التشغيل.

شملت المعايير الرئيسية للتصميم أقصى حمل (300 كيلو نيوتن)، ومسافة مقاومة الحمل (شوط المكبس: 150 مم)، وضغط النظام، ومساحة الأسطوانة (قطر المكبس: 100 مم)، ومعدل التدفق الحجمي لسائل العمل. أما المكونات الأساسية التي تتطلب التصميم، فتشمل الأسطوانة الهيدروليكية، والإطار، والدائرة الهيدروليكية (الشكل 1).

2.1. تصميم المكونات

● الأسطوانة الهيدروليكية:

الأسطوانات الهيدروليكية أنبوبية الشكل، ينزلق فيها مكبس عند دخول السائل الهيدروليكي إليها. تتضمن متطلبات التصميم الحد الأدنى لسمك جدار الأسطوانة، وغطاء النهاية، وسمك الحافة، ومواصفات واختيار عدد وأحجام البراغي. تُحدد قوة الخرج المطلوبة من الأسطوانة الهيدروليكية والضغط الهيدروليكي المتاح لهذا الغرض مساحة الأسطوانة وقطرها، والحد الأدنى لسمك جدارها.

● لوحة غطاء نهاية الأسطوانة: 

يتم إعطاء السُمك T، للوحة غطاء النهاية، والتي تدعمها البراغي عند المحيط وتخضع لضغط داخلي موزع بالتساوي على المنطقة، بواسطة المعادلة (2) من Khurmi و Gupta (1997)، على النحو التالي: T = KD (P / δt) 1/2، (2) حيث: D = قطر لوحة غطاء النهاية (م)، 0.1؛ K = معامل يعتمد على مادة اللوحة، 0.4، من Khurmi و Gupta (1997)؛ P = ضغط السائل الداخلي (نيوتن / م 2)، 38.2؛ δt = الإجهاد التصميمي المسموح به لمادة لوحة الغطاء، 480 نيوتن / م 2؛ والتي تم الحصول منها على سمك اللوحة ليكون 0.0118 م.

● الترباس:

يمكن تثبيت غطاء الأسطوانة باستخدام مسامير أو دبابيس. يوضح الشكل 2 الترتيب المُحتمل لتثبيت الغطاء بالمسامير. ولتحديد الحجم والعدد الصحيحين للمسامير، n، المُستخدمة، استُخدمت المعادلة (3) التالية المُقتبسة من Khurmi وGupta (1997): (πDi 2 / 4)P = (πdc 2 / 4)δtbn، (3) حيث: P = ضغط السائل الداخلي (نيوتن/م²)؛ Di = القطر الداخلي للأسطوانة (م)؛ dc = قطر قلب البرغي (م)، 16 × 10-3 م؛ δtb = قوة الشد المسموح بها للبرغي.

إذا كان حجم البرغي معلومًا، يُمكن حساب عدد البراغي، والعكس صحيح. أما إذا كانت قيمة n كما تم الحصول عليها أعلاه فردية أو كسرية، فيُعتمد العدد الزوجي الأعلى التالي. حُسب عدد البراغي ليكون 3.108، ولذلك تم اختيار أربعة براغي. يعتمد إحكام الوصلة بين الأسطوانة ولوحة الغطاء الطرفي على الميل المحيطي، Dp، للبرغي، والذي تم الحصول عليه عند 0.0191 متر من المعادلة (4): Dp = Di + 2t + 3Dc، (4) حيث: t = سُمك جدار الأسطوانة (م)، 17 × 10-3.

● شفة الأسطوانة: 

يهدف تصميم شفة الأسطوانة أساسًا إلى الحصول على الحد الأدنى لسمك الشفة (tf)، والذي يُمكن تحديده بناءً على عوامل الانحناء. هناك قوتان مؤثرتان هنا، إحداهما ناتجة عن ضغط السوائل، والأخرى تميل إلى فصل الشفة بسبب الختم الذي يجب مقاومته بواسطة الإجهاد الناتج عن البراغي. حُسبت القوة التي تحاول فصل الشفة لتكون 58.72 كيلو نيوتن من المعادلة (5): F = (π/4)D1 2 P، (5) حيث: D1 = القطر الخارجي للختم، 134 × 10-3 متر.

● تحديد سمك الشفة: 

يمكن الحصول على سمك الحافة (tf) باعتبار انحناء الحافة حول المقطع AA هو المقطع الذي تكون فيه الحافة أضعف انحناء (الشكل 3). يحدث هذا الانحناء نتيجةً للقوة المؤثرة في مسمارين وضغط السائل داخل الأسطوانة.

لذلك، أعطت المعادلة (6) سمك الحافة 0.0528 م: tf = (6M)/(bδf)، (6) حيث: b = عرض الحافة عند المقطع AA، 22.2×10-3 م؛ δf = إجهاد القص لمادة الحافة، 480 نيوتن/م2؛ M = عزم الانحناء الناتج، 5144.78 نيوتن متر.

● المكبس: 

يتأثر حجم عمود قضيب المكبس المطلوب لتحمل الحمل المطبق والذي يتماشى مع الخط المركزي لقطر الأسطوانة بقوة مادة القضيب، والقوة المطبقة على عمود القضيب في الضغط، وموقف تركيب الأسطوانة نفسها والشوط الذي سيتم تطبيق الحمل عليه.

تم حساب حجم عمود قضيب المكبس وأطوال الأسطوانات في ظروف الدفع النهائي باستخدام الإجراء الذي اقترحه سوليفان. وبناءً على ذلك، اعتُبر حجم قضيب المكبس، الذي لا يقل قطره عن 0.09 متر، مناسبًا للتصميم.

● اختيار الأختام: 

تُستخدم الأختام لمنع التسربات الداخلية والخارجية في النظام تحت ظروف تشغيل متفاوتة من الضغط والسرعة. يعتمد اختيار مانع التسرب الثابت على مبدأ الأخدود والحلقة. يُحسب بُعد الأخدود بحيث يكون قطر الحلقة الدائرية (Oring) المختارة مضغوطًا بمقدار 15-30% في اتجاه واحد، ويساوي 70-80% من قطر المقطع العرضي الحر. تكمن الصعوبة في اختيار مانع التسرب الثابت في تحديد الأخدود بحيث يمكن ضغط الحلقة الدائرية (Oring) في اتجاه واحد وتوسيعها في اتجاه آخر، لذلك، تم تحديد بُعد أخدود للمانع يبلغ 4 مم × 3 مم. 

2.2. تصميم الإطار 

يوفر الإطار نقاط تثبيت، ويحافظ على المواضع النسبية المناسبة للوحدات والأجزاء المركبة عليه طوال فترة الخدمة في جميع ظروف العمل المحددة. كما يوفر صلابة عامة للآلة (Acherkan 1973). ويعتمد التصميم على الشد المباشر المطبق على الأعمدة. وتتعرض عناصر الإطار الأخرى، مثل الألواح (كما في حالتنا)، لإجهادات انحناء بسيطة. 

● الأسطوانة: 

تُشكّل الصفيحتان العلوية والسفلية نقطة تلامس مباشر مع الجسم المُضغَط. وبالتالي، فهما مُعرَّضتان لإجهاد انحناء خالص نتيجةً لثنائيّ انحناء متساوٍ ومعاكس يعملان في نفس المستوى الطولي. يُركّز التصميم أساسًا على الانحناء، ويتمثّل في تحديد أكبر قيمة لعزم الانحناء (M) وقوة القص (V) المُتولّدة في العارضة، والتي وُجِد أنها 45 كيلو نيوتن/متر و150 كيلو نيوتن، على التوالي. وقد حُسِبَت هذه القيم باستخدام الإجراء المُتّبع. 

● معامل القسم: 

تُسهّل قيمتا V وM المُحصّلتان حساب معامل مقطع الصفائح. يُعطي هذا أدنى عمق (سمك) d، وقد حُسب ليكون 0.048 متر من المعادلة (7): d = [(6M)/(δb)]½، (7) حيث: M = أقصى عزم انحناء، 45 كيلو نيوتن/متر؛ b = 600 × 10-3 متر؛ δ = 480 × 106 نيوتن/متر². 

2.3. المضخة 

المعامل الأولي في التصميم هو تقدير أقصى ضغط تصريف سائل مطلوب عند الأسطوانة، ثم يُضاف عامل لحساب الفقد الاحتكاكي في النظام. وقد تم التوصل إلى قيمة 47.16 × 106 نيوتن/متر مربع.  

يتم تشغيل آلية الضخ بواسطة نظام رافعة. حُسب الطول الفعلي للرافعة بـ 0.8 متر. تم حساب ذلك بافتراض أقصى جهد نظري، مع أخذ عزم الدوران حول نقطة الارتكاز. 

3. تفاصيل إجراءات التصنيع 

تم الحصول على مقطع فولاذي على شكل حرف U بأبعاد ٢٠٠ مم × ٧٠ مم من مورد الفولاذ الهيكلي محليًا، بالإضافة إلى لوحين فولاذيين بأبعاد ٢٠٠ × ٤٠٠ × ٤٠ مم من ساحة خردة في مدينة بنين، نيجيريا. بعد تحديد الأبعاد الرئيسية للأقسام الحرجة من التصميم، تم قطع قسمين من الفولاذ بقياس ٢٨٠٠ مم باستخدام منشار كهربائي في الورشة التي صُنع منها الإطار.

تم الحصول أيضًا على أنبوب بقطر Φ150 مم وقطر داخلي Φ90 مم من ساحة الخردة، وتم ثقبه وتشكيله على المخرطة حتى Φ100 مم. كما تم الحصول على أنبوب فولاذي صلب أنبوبي بسمك Φ70 مم و15 مم، وتم لف أحد طرفيه حتى Φ60 مم لوضع مانع التسرب وغلافه.

تم تجميع المكبس والأسطوانة وتركيبهما على قاعدة الإطار باستخدام مسامير ملحومة مسبقًا. كما تم توفير قضيب توجيه مصنوع من أنبوب فولاذي لتمكين الحركة الرأسية المستقيمة للقرص. صُنعت الأقراص من الصفيحة الفولاذية، وحُفر ثقبان بقطر Φ20 مم في كلا الطرفين لمرور قضيب التوجيه. رُكّب القرص السفلي أعلى المكبس، وثُبّت في مكانه بواسطة تجويف مُشَكَّل عليه. كما صُنعت حلقة معايرة من صفيحة فولاذية صلبة بسمك 10 مم، ووُضعت بين القرص العلوي وقضيب الضغط المستعرض كما هو موضح في الشكل 1.

3.1. نتيجة اختبار الأداء 

من الممارسات الشائعة إخضاع المنتجات الهندسية للاختبارات بعد التصنيع. تُعد هذه خطوةً مهمةً في عملية التصنيع. خلال هذه الاختبارات، يُفحص المنتج للتحقق من استيفاء المتطلبات الوظيفية، وتحديد مشاكل التصنيع، والتأكد من الجدوى الاقتصادية، وما إلى ذلك. 

لذلك، يُستخدم الاختبار لإثبات فعالية المنتج. بالنسبة للمكبس الهيدروليكي، يُعدّ اختبار التسريبات الاختبار الأهم. بدأ الاختبار بتحضير المضخة، ثم ضُخّ السائل. أُجري هذا في وضعية عدم التحميل. تُركت الآلة في هذا الوضع لمدة ساعتين. 

بعد ذلك، عُرضت الآلة لحمل قدره 10 كيلو نيوتن بواسطة زنبركي ضغط، كل منهما ثابت 9 نيوتن/مم، مُرتبين بالتوازي بين الأسطوانات. ثم ضُغط الزنبركان محوريًا بطول 100 مم. تُرك هذا الوضع لمدة ساعتين، وتم رصد أي تسريبات. لم يُلاحظ أي تسريب في النظام، لأن الأسطوانة السفلية لم تنزل من موضعها الأصلي. 

4.الخاتمة 

تم تصميم وتصنيع ومعايرة مكبس هيدروليكي بوزن 30 طنًا. وخضعت الآلة للاختبار لضمان توافقها مع أهداف التصميم وصلاحيتها للصيانة. وقد أظهرت الآلة أداءً مُرضيًا عند حمل اختباري قدره 10 كيلو نيوتن. ولم تُجرَ بعدُ اختبارات إضافية على الحمل التصميمي.

5. تحليل الفشل

5.1 نظرة عامة

لتحليل فشل الأسطوانة الرئيسية للضغط الهيدروليكي رباعي الأعمدة، تستحق القضايا التالية الاهتمام:

●تحليل متعمق لمخطط النظام الهيدروليكي، جنبًا إلى جنب مع جدول عمل المغناطيس الكهربائي ذي الصلة ومخططات الدوائر ذات الصلة، ووضع آلية العمل الكاملة للدائرة، وفي الوقت نفسه، فهم صحيح لنية تصميم الدائرة والأفكار، والتدابير الفنية المتخذة، والخلفية ذات الصلة.

يتوافق الرسم التخطيطي مع مبدأ عمل المكبس الهيدروليكي والهدف الفعلي، ولتكوين انطباع محدد، غالبًا ما يختلف الرسم التخطيطي اختلافًا كبيرًا عن الهدف الفعلي. وضح، إن أمكن، العلاقة بين تداخل فتحات الصمامات على صفيحة الصمام ومقاومة الحاجز. ترتبط هذه العوامل ارتباطًا وثيقًا بفحص الدائرة.

●الرجوع إلى الكتب والمواد ذات الصلة للعثور على الأساس للحكم على خصائص الأجهزة الهيدروليكية، ثم الحكم عليها.

●وفقًا لصفحات الويب والكتب ودليل تعليمات المعدات ذات الصلة، استكشف آلية الفشل وطرق الاختبار التحليلية ذات الصلة.

●تحليل عدم وجود ضغط احتجاز في الأسطوانة الرئيسية

كما هو موضح في الشكل، تستخدم الأسطوانة الرئيسية للآلة الهيدروليكية رباعية الأعمدة صمام تعبئة سائل لتحقيق حركة هبوطية سريعة. غالبًا ما لا تحافظ الأسطوانة الرئيسية على الضغط. تتطلب هذه الآلة الحفاظ على الضغط، وعادةً ما تتطلب انخفاضًا في الضغط يتراوح بين 2 و3 ميجا باسكال خلال 10 دقائق.

تحليل: إذا لم تحافظ الأسطوانة الرئيسية على الضغط، فلا بد أن يكون هناك تسرب زيت ضغط. بناءً على التحليل التخطيطي، يرتبط الأمر بدائرة الزيت، ولا يوجد أكثر من خمسة مكونات تسبب التسرب.

● الأنابيب والمفاصل: الإجهاد، اللحام السيئ، الشقوق، وما إلى ذلك؛

● صمام فحص ضغط الإمساك: إحكام غلق رديء؛

● جسم صمام التعبئة: ختم ضعيف أو مقعد صمام فضفاض؛

●قضيب دفع زيت التحكم في صمام التعبئة: أطول قليلاً، ارفع وأفرغ البكرة الصغيرة

●مكبس الأسطوانة الرئيسية (جلبة التوجيه): حلقة الختم تالفة.

طريقة الاستبعاد: وفقًا لنتائج التحليل، يتم التحقق والاستبعاد من البسيط إلى المعقد، ومن الخارج إلى الداخل.

أولاً، افحص الأنابيب والوصلات (من البسيط إلى المعقد، ومن الخارج إلى الداخل)، وقم باللحام الأولي للتأكد من عدم وجود أي لحام رديء أو شقوق. يُفضل إزالة حلقات الختم الدائرية (O-ring seals) عند الوصلات، وتسخين الانحناءات بلحام الأكسجين حتى تتحول إلى اللون الأحمر. ثبّت الصمولة برفق، وانتظر حتى تبرد وتتماسك قبل التجميع.

إذا لم تكن هناك عيوب في الأنابيب والمفاصل، قم بفحص صمام الفحص للحفاظ على الضغط (من الخارج والداخل)، قم بإزالة سدادة صمام الفحص، وقم بتلميع خط الختم الخاص به، وطحنه بمقعد الصمام، ثم قم بتنظيفه وتجميعه.

بعد فحص صمام الفحص، إذا كانت الأسطوانة الرئيسية لا تزال غير قادرة على الحفاظ على الضغط، فتحقق من صمام التحكم في صمام التعبئة (من الداخل والخارج)، ثم أزل قضيب التحكم وسد زيت التحكم للتحقق من الحفاظ على الضغط. إذا تعذر الحفاظ على الضغط، فتأكد من طول المضرب، وقم بصنفرة طرفه. بعد فحص قضيب الدفع، لا يمكن الحفاظ على الضغط. يجب فحص صمام التعبئة. الغرض الرئيسي هو التحقق من ارتخاء خط الختم وحلقة المقعد. تلميع أو صقل أو إعادة تركيب حلقة المقعد. 

بعد فحص صمام التعبئة، لا يمكن الحفاظ على الضغط، ويمكن تحديد أن حلقة ختم الأسطوانة الرئيسية تالفة، ويمكن إزالتها واستبدالها.

عرض فيديو توضيحي