الخصائص وتطبيقات محركات الحزام المتعدد

الحزام متعدد الأخدود: هو حزام على شكل دائري، مزوَّد بعدد من الأخدود المثلثية الطولية التي تُثبَّت على قاعدة حزام مسطحة (انظر الشكل ١). ويتكوَّن سطحه العامل من جوانب هذه الأخدود، ما يجعله شكلاً جديداً من أحزمة النقل. وبما أنه يجمع بين المزايا المتأصلة في كلا النوعين من الأحزمة — الحزام المسطح والحزام على شكل حرف V — مع التغلب على عيوبهما، فقد ازداد انتشاره بشكلٍ متزايد في السنوات الأخيرة.

أولاً: الخصائص الفنية لمحركات الحزام المتعدد الأخدود

١. بالمقارنة مع محركات الحزام التقليدي على شكل حرف V، تتميَّز محركات الحزام المتعدد الأخدود بالمزايا التالية:

(1) تُستخدم أحزمة V المتعددة لتوزيع الضغط بالتساوي عبر جميع الأسطح المتلامسة باستخدام عدم قابلية المطاط للانضغاط السائل (انظر الشكل 2). ومستوى كفاءة التلامس على السطح المثلثي للحزام و groove البكرة يقترب من ١٠٠٪. ونتيجةً لذلك، يمكن لأحزمة V المتعددة أن تحمل حملاً يزيد بنسبة ٣٠–٥٠٪ عن أحزمة V القياسية عند نفس العرض.

 

 

(2) وبسبب رقّة الحزام المتعدد V، فإن أصغر قطر فعّال مسموح به للبكرة (demin) لا يتجاوز ثلث أو خمس قطر بكرة حزام V العادي. وبالتالي، فإن هيكله أقل ضخامةً، وتقل تكلفته (وأُشير إلى قيم demin في الجدول ٢).

(3) تتفادى محركات أحزمة V المتعددة بفعالية القيود المفروضة على محركات أحزمة V المتعددة، ومنها الاهتزاز، والتحميل غير المتكافئ، ونسب النقل غير المستقرة الناجمة عن تغير طول الحزام.

(4) أحزمة متعددة الحزام (Multi-V) تمتلك تمدداً منخفضاً ولا تزحف عند التحميل الزائد. ويكون هناك أقل قدر ممكن من الحركة النسبية بين الألسنة والأخاديد في البكرات، وبالتالي ينتج عنها حرارة أقل بسبب الاحتكاك، ما يؤدي إلى دورة حياة أطول لكلٍّ من الحزام وأسطح البكرة العاملة.

(5) أحزمة متعددة الحزام (Multi-V) مرنة للغاية وخفيفة الوزن، ولذلك لا تُهدر الطاقة في الانحناء أو القوى الطاردة المركزية أثناء نقل الحركة، مما يجعل كفاءة النقل عالية.

2. وهي تمتلك نفس درجة المرونة التي تتمتع بها أنظمة الحزام المسطّح، ما يعني أنه يمكن تركيب بكرات الشد إما على الجانب الداخلي أو الخارجي للحزام المتعدد الحزام (multi-v-belt). ومع ذلك، فهي تختلف عن الأحزمة المسطحة في أنها لا تنفلت من البكرة أثناء التشغيل. وينبغي استخدامها في نقل الحركة عالي السرعة ويمكن أن تصل سرعتها إلى 10,000 دورة/دقيقة، مع نسبة انتقال حركة تبلغ 1:10.

٣. كما أن بكرات الحزام المتعدد (V-belt) أسهل في التصنيع والتشغيل الآلي، لأنها لا تتطلب أي أدوات أو معدات خاصة، على عكس محركات الأحزمة المتزامنة (synchronous belt drives). ومتطلبات التركيب أقل من تلك المطلوبة للأحزمة المتزامنة، ما يجعلها سهلة الاعتماد عليها في العديد من المصانع. وبذلك فإن استبدال الأحزمة المتزامنة بأحزمة V متعددة يمكن أن يكون فعّالاً جداً من حيث التكلفة، شريطة أن تسمح نسب النقل الميكانيكية بالتسامحات الطفيفة.

 

ثانياً: مقدمة إلى أحزمة V المتعددة وأنظمة البكرات

١. طرازات أحزمة V المتعددة وأبعاد المقطع العرضي

تُصنَّف الأحزمة متعددة الحزام (Multi-V) وفقًا للمادة المصنوعة منها إلى أحزمة مطاطية وأحزمة بولي يوريثان. وتتميَّز أحزمة V ذات التضليع المطاطية بأنها تمتلك قدرةً أعلى على تحمل الحرارة والأحمال مقارنةً بأنواع البولي يوريثان، وهي أكثر انتشارًا في الاستخدام. وتندرج أحزمة V ذات التضليع المطاطية ضمن التصنيف PH وفقًا للمعيار الدولي ISO/DP9982-1988 كما هو مبيَّن في الجدول ١. وتُستخدَم أحزمة PH أساسًا في آلات المكاتب وأجهزة القياس والنقل، والتي تُستخدَم في المقام الأول لنقل الحركة. أما أحزمة PK فهي مخصصة لتطبيقات السيارات مثل محرك المروحة والمولِّد (المبدِّل) ومضخة الماء. وتنتشر أحزمة PJ وPL وPM على نطاق واسع في أنظمة نقل الحركة المستخدمة في الآلات الصناعية العامة. وفي بعض البلدان مثل الولايات المتحدة والمملكة المتحدة، يشمل تسمية الحزام متعدد الحزام الحروف: H وJ وK وL وM، حيث تكون أبعاد الحزام الأساسية مشابهة جدًّا لتلك المذكورة في الجدول ١. وأكثر هذه الأنواع انتشارًا هي النوعان J وL. وعلى الرغم من وجود اختلافات طفيفة في أبعاد الجوانب العرضية للأحزمة بين مختلف البلدان، فإن ذلك لا يعرقل إمكانية الاستبدال العالمي بين المنتجات. وفي حالة أحزمة Multi-V من النوع M، فإن زاوية الإسفين متماثلة في جميع البلدان، وقيمتها ٤٠ درجة، لكن المسافة بين الإسفينات تختلف. ونتيجةً لذلك، قد لا تعمل أحزمة Multi-V من النوع M الخاصة ببلدان مختلفة مع بعضها البعض دائمًا.

 

تتكوّن علامة المعيار الدولي ISO للحزام من رقم التربيع (الوتد)، ونوع مقطع الحزام العرضي وطوله الفعّال. وعلى سبيل المثال، يُسمّى حزام من النوع PM، مكوّن من 10 أوتاد وطول فعّال قدره ٣٥٥٠ مم، بالرمز «١٠PM٣٥٥٠»، بينما يُسمّى في المملكة المتحدة والولايات المتحدة بالرمز «٥٥٠M١٠».

                    

يتم قياس الطول الفعّال (L) للحزام باستخدام معدات متخصصة. ولكل طراز من أحزمة الحزام قيم محددة ترتبط به فيما يتعلق بقطر البكرة الفعّال (d) عند القياس. ومن الجدير بالذكر أن الطول الفعّال (L) الذي تستخدمه منظمة المعايير الدولية ISO يعادل في الواقع الطول المسمّى «طول الخطوة» (Pitch Length) المستخدم في دول مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة، إذ يشيران إلى نفس الطول تحديدًا، أي محيط الحزام عند قطر البكرة الفعّال d. وقد وضعت المملكة المتحدة والولايات المتحدة واليابان ودول أخرى سلاسل قياسية متطابقة لطول الخطوة، لكنها لم تُدمج في المعيار الدولي ISO/DP9982.

٢. أنواع البكرات وأبعاد المقطع العرضي

تُصنَّف بكرات الحزام المتعدد (V-belt) إلى خمسة أنواع وفقًا للمعيار ISO/DP9982، ويُبيَّن حجم المقطع العرضي لها في الشكل ٤ والجدول ٢.

 

يمكن أن يساوي القطر الخارجي (da) للبكرة — وفقًا لما حدَّده المعيار الدولي ISO — القطر الفعّال (d.) أو لا يساويه. ومع ذلك، في بلدان أخرى مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة الأمريكية واليابان، يكون القطر الخارجي للبكرة مطابقًا تمامًا للقطر التصاعدي (pitch diameter). وتجدر الإشارة إلى أن القطر الفعّال الذي يحدِّده المعيار الدولي ISO والقطر التصاعدي المستخدم في بلدان مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة الأمريكية هو في الواقع القطر نفسه. فكلا المفهومين — أي الطول الفعّال للحزام أو القطر الفعّال — مُعرَّفان تعريفًا دقيقًا وصارمًا في المواصفات القياسية الصادرة عن المنظمة الدولية لتوحيد المعايير (ISO). والسبب في ذلك هو أن القطر التصاعدي الفعلي (dp) لبكرة الحزام المتعدد (multi-V-belt) يجب أن يقع بالضبط في مستوى الطبقة المحايدة (neutral layer) للحزام بعد تركيبه على البكرة وشدِّه بشكلٍ مناسب، كما هو موضح في الشكل ٥.

 

استنادًا إلى الشكل ٥، يمكن ملاحظة أن قوة القطر التصاعدي للبكرة تُحسب باستخدام المعادلة التالية:

تشير الجدول ٢ إلى الفرق الفعّال في الخط. △رقم «هـ» في الصيغة.

تُحسب سرعة الحزام المحيطية (V) ونسبة التوصيل (i) بشكل رئيسي استنادًا إلى قطر الدائرة التصاعدية، حيث تكون المعادلة كالتالي:

حيث إن: dp1 هو قطر دائرة التصعيد للعجلة الصغيرة بوحدة المليمتر؛ وn1 هي سرعة دوران العجلة الصغيرة بوحدة الدورات في الدقيقة.

وفي المعادلة: يشير الرقمان ١ و٢ على التوالي إلى العجلة الصغيرة والعجلة الكبيرة.

             

                   

 

ولتجنب إجهاد الانحناء الزائد في الحزام أثناء التوصيل، ولتقليل عمر الحزام، حددت منظمة ISO أصغر قطر فعّال (dmln) لكل نوع من أنواع الأحزمة كما هو مبين في الجدول ٢.

 

في عمليات التشغيل الميكانيكي، لتنظيم عمق التجويف في بكرة الحزام المتعدد الـV، يجب تحديد القطر الخارجي (d₂) لمسبار القياس (أو الكرة) المُدخل في التجويف كما هو موضح في الشكل 6. وصيغة الحساب هي: dz = d + 2K.

 

حيث إن: k وdg يمثلان مسبار القياس (الكرة)، وK وdg معطاة في الجدول 2.

 

عند تصنيع البكرة بحيث يكون da = d، فإن d₂ = da + 2K. والانحراف الحدّي لـd₂ هو ±0.13 مم.

           

ثالثاً: تطبيقات أنظمة نقل الحركة بالحزام المتعدد الـV

تُستخدم محركات الحزام المتعدد (Multi-V) على نطاق واسع في العديد من الصناعات في البلدان الأجنبية، مثل صناعة السيارات والمنسوجات والكيماويات والدفاع والأجهزة المنزلية وآلات المكاتب. وتناسب محركات الأحزمة ذات التضليعين المتعددة (Multi-wedge) بشكلٍ مثالي استبدال محركات الأحزمة القياسية (V-belt) في المعدات التي تستخدم عدّة أحزمة من نوع V، والتي تتعرّض لأحمال صدمية كبيرة جدًّا. وتشمل هذه المعدات آلات قص النفايات مثل الخرق وخيوط الغزل الزائدة وأقمشة أجزاء الأحذية العلوية، وكذلك الآلات المنسوجية الثقيلة والمضخات ذات المكابس. علاوةً على ذلك، وفي أنظمة النقل التي يكون فيها محور عمود العجلة عموديًّا على سطح الأرض أو شبه متقاطع، فإن الاستبدال من محركات الأحزمة القياسية (V-belt) أو الأحزمة المسطحة (flat-belt) بمحركات الأحزمة المتعددة (multi-v-belt) يحقّق فوائد استثنائية.

 

المؤشرات التشغيلية لمحركات الأحزمة المتعددة (multi-v-belt) هي عمومًا ما يلي: السرعة الدورانية n₁ = ٢٠٠–١٠٬٠٠٠ دورة/دقيقة؛ القدرة P₁ = حوالي ٠٫٢ كيلوواط إلى ٣٠٠ كيلوواط؛ نسبة التروس i ≤ ١٠؛ وكفاءة النقل تقترب من كفاءة الأحزمة المسطحة، حيث تبلغ η ≈ ٠٫٩٧.

 

أدت محركات الحزام المتعدد (V-belt) إلى حدوث العديد من المشكلات في ما يتعلق بآفاق تطويرها في الصين. وتشكل استبدال العديد من أحزمة المحركات المتعددة (V-belt) القديمة المستوردة مشكلةً ملحةً بصفةٍ خاصة. فتصنيع هذه الأحزمة المتعددة (V-belt) المُطابِقة محليًّا لا يوفِّر للبلاد كميةً كبيرةً من العملة الأجنبية فحسب، بل يسهم أيضًا في الاعتماد الواسع النطاق لتكنولوجيا محركات الأحزمة الجديدة في مختلف الصناعات. وهذا بدوره يُسهم بشكلٍ فعّالٍ في نمو وتطور صناعة تصنيع الأحزمة في الصين.