لماذا توجد الجرافات ذات العجلات؟ - ميزة السرعة على الجرافات المجنزرة
تستخدم معظم الجرافات مسارات. لكن الجرافات ذات العجلات (الجرافات ذات الإطارات المطاطية) تهيمن على ثلاثة تطبيقات محددة: إدارة مخزون الفحم، وضغط نفايات المدافن البلدية، وأعمال الحفر واسعة النطاق حيث تُعد سرعة التنقل بين مواقع العمل أهم من قوة الجر القصوى. تتحرك الجرافة ذات العجلات بسرعة تتراوح بين 15 و35 كم/ساعة بين مواقع العمل - أي أسرع من الجرافة ذات المسارات من 3 إلى 5 مرات - مما يجعلها أكثر إنتاجية بكثير في المواقع التي تتجاوز فيها مسافة الجر 100 إلى 200 متر.
ال علبة تروس كوكبية ذات دفع بالعجلات يجب أن تتعامل الجرافة ذات العجلات مع نطاق سرعة لا تواجهه أي آلة مجنزرة: من سرعة تجريف تتراوح بين 2 و5 كم/ساعة (أقصى قوة دفع للشفرة، أدنى سرعة للعجلات) إلى سرعة عبور تبلغ 35 كم/ساعة (أدنى قوة دفع، أقصى سرعة للعجلات) - أي بنسبة سرعة تتراوح بين 7:1 و17:1 من خلال نظام نقل حركة هيدروستاتيكي أو ناقل حركة أوتوماتيكي. يتطلب وضع التجريف أقصى عزم دوران عند أدنى سرعة، بينما يتطلب وضع العبور أدنى عزم دوران عند أقصى سرعة. يجب أن ينتقل صندوق التروس بين هذين الحدين بسلاسة وسرعة، لأن الجرافة تتناوب بين التجريف وإعادة التموضع كل 30 إلى 90 ثانية أثناء أعمال التخزين.
تتميز دورة عمل الجرافة بفرادتها بين الآلات ذات العجلات. ففي دورة نموذجية مدتها 60 ثانية، تقضي الجرافة من 30 إلى 45 ثانية في دفع المواد بسرعة تتراوح بين 2 و5 كم/ساعة (أقصى عزم دوران، ترس أمامي)، ثم من 10 إلى 15 ثانية في الرجوع للخلف بسرعة تتراوح بين 5 و10 كم/ساعة (عزم دوران متوسط، ترس خلفي)، ومن 5 إلى 10 ثوانٍ في إعادة التموضع بسرعة تتراوح بين 10 و20 كم/ساعة (عزم دوران منخفض، ترس أمامي). ينتج عن هذه الدورة السريعة من الأمام والخلف إلى الأمام ما بين 40 و60 تغييرًا في الاتجاه في الساعة، كل منها يُحدث صدمة انعكاس عزم الدوران على أسنان تروس علبة التروس ومحاملها. على مدار 4000 ساعة عمل سنوية، يصل إجمالي عدد عمليات عكس الاتجاه إلى 160000 إلى 240000 مرة في السنة - وهو حمل إجهاد أعلى بمقدار 10 إلى 100 مرة من أي حصادة أو معدات بناء ذات محرك عجلات، ويأتي في المرتبة الثانية بعد دورة بدء وإيقاف برج الري (WD-08) من حيث إجمالي عدد الدورات.
لا يكون انعكاس عزم الدوران عند كل تغيير في الاتجاه تدريجيًا - إذ ينتقل المشغل من الدفع الأمامي الكامل إلى الدفع العكسي الكامل في غضون ثانية إلى ثانيتين من خلال نظام نقل الحركة الآلي أو النظام الهيدروستاتيكي. علبة تروس كوكبية ذات دفع بالعجلات يجب أن يتحمل هذا الانعكاس دون تأثير ارتداد أسنان التروس. إذا كان تعشيق التروس يحتوي على ارتداد يتراوح بين 0.05 و0.10 مم (وهو التفاوت المسموح به في التصنيع)، فإن كل تغيير في الاتجاه يُحدث تأثيرًا لحظيًا من حالة عدم التحميل إلى حالة التحميل على سطح السن، مما يُولد ذروة إجهاد تتراوح بين 1.5 و2.5 ضعف حمل السن في حالة الاستقرار. مع أكثر من 200,000 انعكاس سنويًا، يمكن أن يؤدي إجهاد الارتداد هذا إلى بدء تشققات في جذر السن في التروس الصناعية القياسية في غضون 3,000 إلى 5,000 ساعة. يجب تصميم التروس المُخصصة لجرافات العجلات لتحمل حالة إجهاد الارتداد الناتج عن الارتداد، وليس فقط حالة عزم الدوران الثابت أثناء الجر.
| فصل | الوزن (طن) | القدرة (حصان) | دفع الشفرة | عبور |
|---|---|---|---|---|
| متوسط (20-30 طن) | 20-30 | 200–350 | 150–250 كيلو نيوتن | 25-30 كم/ساعة |
| كبير (35-55 طن) | 35–55 | 350–550 | 250–400 كيلو نيوتن | 30-35 كم/ساعة |
| التعدين (55-75 طن) | 55–75 | 550–850 | 350–550 كيلو نيوتن | 25-35 كم/ساعة |
يُحدد حدّ قوة الجرّ في الجرافة ذات العجلات بوزن الآلة ومعامل الاحتكاك بين الإطار والأرض. على المواد الجافة والمتماسكة (مثل سطح أكوام الفحم أو غطاء مكبّات النفايات)، يتراوح المعامل بين 0.5 و0.7، ما يعني أن جرافة وزنها 50 طنًا يمكنها توليد قوة جرّ تتراوح بين 245 و343 كيلو نيوتن. أما على المواد الرطبة أو المفككة، فينخفض المعامل إلى ما بين 0.3 و0.5، ما يقلل قوة الجرّ المتاحة بمقدار يتراوح بين 30 و50 كيلو نيوتن. يجب ألا يتجاوز عزم دوران نظام الدفع بالعجلات حدّ قوة الجرّ، لأن دوران الإطار على سطح أكوام الفحم أو مكبّات النفايات يُتلف الطبقة السطحية ويُحدث أخاديد تعيق المرور اللاحق.
يُعدّ قفل الترس التفاضلي (أو الترس التفاضلي محدود الانزلاق) ضروريًا في الجرافات ذات العجلات. أثناء التجريف المائل (دفع المواد بزاوية تتراوح بين 20 و45 درجة بالنسبة لاتجاه الحركة)، تدفع قوة رد فعل الشفرة الآلة جانبيًا، مما يُخفف الحمل عن العجلات الداخلية ويُحمّل العجلات الخارجية فوق طاقتها. بدون قفل الترس التفاضلي، تدور العجلات الداخلية (ذات الحمل المنخفض وبالتالي قوة الجر المنخفضة) بحرية، مما يُهدر طاقة الدفع ويسمح للآلة بالانزلاق جانبيًا بدلًا من التقدم للأمام. مع قفل الترس التفاضلي، يتوزع عزم الدوران بالتساوي على جميع العجلات بغض النظر عن توزيع الحمل، مما يحافظ على قوة الدفع الأمامية حتى أثناء التجريف المائل. يجب أن يسمح نظام دفع العجلات بتشغيل وإيقاف قفل الترس التفاضلي بسلاسة، إذ أن التشغيل المفاجئ للقفل تحت الحمل يُنتج ارتفاعًا مفاجئًا في عزم الدوران عند العجلة التي كانت تنزلق سابقًا، مما قد يؤدي إلى كسر نصف العمود أو تلف محمل خرج نظام دفع العجلات إذا لم يكن نظام الدفع مصممًا لتحمل هذه الصدمة.
بيئات التطبيق - الفحم، ومدافن النفايات، وتربة المناجم
تُعدّ إدارة مخزون الفحم الاستخدام الأكثر شيوعًا للجرافات ذات العجلات. تقوم الجرافة بدفع الفحم المُورّد حديثًا إلى شكل كومة، وتشكيلها لتسهيل تصريف المياه، ثم استخراج الفحم منها لتحميله على السيور الناقلة. قد تصل درجة حرارة سطح الفحم إلى ما بين 50 و80 درجة مئوية نتيجة التسخين الذاتي (الأكسدة) في الأكوام الكبيرة، وتعمل إطارات الجرافة وعجلاتها على هذا السطح الساخن لمدة تتراوح بين 8 و16 ساعة يوميًا. يتميز غبار الفحم بنعومته (من 10 إلى 100 ميكرون)، وقدرته على الكشط بشكل طفيف (من 1 إلى 2 على مقياس موس)، ويتغلغل في جميع موانع التسرب ووصلات الهيكل. يؤدي اجتماع الحرارة وغبار الفحم إلى تسريع تآكل موانع التسرب بمعدل يتراوح بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف معدل التآكل في مواقع البناء العادية. بالإضافة إلى ذلك، تُشكل أكوام الفحم خطرًا حقيقيًا للاشتعال التلقائي، وقد يؤدي تشغيل جرافة ذات عجلات على جزء محترق أو متوهج من الكومة إلى تعريض نظام الدفع لدرجات حرارة سطحية تتجاوز 100 درجة مئوية، مع وصول بعض النقاط الساخنة الموضعية إلى 200 درجة مئوية أو أكثر. يتلف مطاط الإطارات ويتدهور عند درجات حرارة أعلى من 80 درجة مئوية، وتتعرض موانع تسرب نظام الدفع، حتى تلك المصنفة بـ FKM، للإجهاد نتيجة انتقال الحرارة من الإطار عبر الحافة إلى المحور ومحمل الإخراج. يُعد رصد درجة حرارة غلاف نظام الدفع شرطًا أساسيًا للسلامة في جرافات أكوام الفحم، لأن ارتفاع درجة الحرارة بشكل مستمر قد يتسبب في تلف الإطار (انفجاره نتيجة تراكم الضغط الداخلي) بالإضافة إلى تلف علبة التروس.
يُعدّ ضغط النفايات في مكبّات القمامة من أكثر التطبيقات قسوةً. إذ تجوب الجرافة النفايات البلدية التي تحتوي على قضبان تسليح فولاذية، وزجاج، وأسلاك، ومسامير، ونفايات طبية، وحاويات كيميائية، وغيرها من المواد التي يتخلص منها المجتمع الحديث. وتتعرض أختام الإطارات والعجلات باستمرار لهجمات من أجسام حادة تثقبها وتقطعها وتخدشها. كما أن طبيعة النفايات الكيميائية غير قابلة للتنبؤ، إذ تتراوح درجة حموضة العصارة (السائل المتسرب من النفايات المتحللة) بين 4 و9، وتحتوي على معادن مذابة، وأحماض عضوية، وملوثات بيولوجية تُهاجم مواد الأختام والهياكل القياسية.
تُشغّل الجرافة في مناولة التربة السطحية في المناجم في ظروف قاسية للغاية. تحتوي هذه التربة (الصخور والتربة التي تُزال لكشف جسم الخام) على شظايا صخرية حادة الزوايا يتراوح حجمها بين 5 و300 ملم، تدفعها الجرافة وتتسلقها وتخترقها. تتعرض موانع التسرب في نظام الدفع للعجلات لجزيئات صخرية أصلب من فولاذ العمود، مما يُنتج نفس مشكلة قطع موانع التسرب وفقًا لمقياس موس، والموصوفة في كسارات الحجارة (WD-07). تشمل بيئة المنجم أيضًا الغبار وسخام الديزل، وفي بعض المواقع مياه الصرف الحمضية أو القلوية، مما يزيد من التآكل الكيميائي إلى جانب التآكل الفيزيائي.
يُعدّ معدل استخدام الجرافات ذات العجلات من بين أعلى المعدلات لأي معدات متنقلة: من 3000 إلى 5000 ساعة سنويًا في مستودعات الفحم، ومن 2000 إلى 4000 ساعة في مكبات النفايات، ومن 2500 إلى 4000 ساعة في المناجم. هذه المعدلات مماثلة لحصادات قصب السكر (WD-05)، وتؤدي إلى النتيجة نفسها: يجب تصميم مكونات نظام الدفع بالعجلات لتدوم من 8000 إلى 12000 ساعة عمل، وذلك لمواءمة فترة الاستبدال مع فترة التوقف السنوية. علبة التروس التي تدوم 4000 ساعة في آلة تعمل 4000 ساعة سنويًا تتطلب الاستبدال خلال موسم التشغيل، وهو توقف غير مخطط له يُكلّف من 5000 إلى 15000 دولار أمريكي خسائر في الإنتاج، بالإضافة إلى 3000 إلى 10000 دولار أمريكي لعلبة التروس وأجور العمالة. وبالتالي فإن التكلفة الإجمالية لمواصفات علبة التروس غير المناسبة تتراوح من 8000 إلى 25000 دولار أمريكي لكل حالة فشل - وهو ما يتجاوز بكثير علاوة السعر للوحدة المصنفة بشكل صحيح.
ثلاثة أنماط أعطال خاصة بمحركات الجرافات ذات العجلات
أثناء عمليات التجريف الثقيلة، تصطدم الشفرة بمواد متراكمة أو عائق ثابت. يُبقي المشغل دواسة الوقود مفتوحة بالكامل، فيُنتج نظام الدفع بالعجلات أقصى عزم دوران عند سرعة دوران شبه معدومة (حالة التوقف) لمدة تتراوح بين 5 و30 ثانية. عند التوقف، يُولّد نظام الدفع بالعجلات أقصى حرارة مع انعدام تدفق الهواء للتبريد. في جرافة وزنها 50 طنًا وقوة دفع 400 كيلوواط، يُبدد التوقف لمدة 30 ثانية ما يقارب 12 ميجا جول من الحرارة عبر نظام الدفع بالعجلات، مما يرفع درجة حرارة الزيت بمقدار 30 إلى 50 درجة مئوية. عند العمل في أكوام الفحم، حيث تتراوح درجة حرارة الزيت الأساسية بين 80 و95 درجة مئوية (من سطح الفحم الساخن)، يُمكن أن يدفع التوقف درجة الحرارة إلى ما بين 120 و145 درجة مئوية، متجاوزًا الحد الحراري للزيت المعدني، ومُسرّعًا من تآكل المحامل والتروس. تُؤدي حالات التوقف المتعددة في الساعة (الشائعة أثناء عمليات التجريف أو الضغط الثقيلة) إلى تلف حراري تراكمي لا يُمكن إصلاحه بتغيير الزيت. يمكن الكشف عن علامات التلف الحراري من خلال تحليل الزيت: تشير المستويات المرتفعة من جزيئات الحديد والنحاس إلى أن أسطح المحامل والتروس قد تجاوزت عتبة التصلب الحراري، مما يؤدي إلى إطلاق مواد منها. يستطيع برنامج تحليل الزيت، الذي يُجرى على فترات أخذ عينات كل 250 ساعة، الكشف عن بداية التلف الحراري قبل 500 إلى 1000 ساعة من تعطل علبة التروس، مما يتيح الوقت الكافي لجدولة استبدالها خلال فترة توقف مُخطط لها، بدلاً من مواجهة عطل غير مُخطط له خلال ذروة الإنتاج.
تحتوي نفايات مدافن النفايات البلدية على أسلاك فولاذية، وبقايا حديد التسليح، وشظايا زجاجية، وقطع بلاستيكية حادة تصطدم بهيكل محرك العجلات وتلتف حول عمود الإخراج - على غرار غلاف نفايات قصب السكر على حصادات السكر، ولكن بمواد أكثر صلابة وحِدّة. يمكن لسلك فولاذي ملتف حول العمود أن يقطع مانع تسرب قياسي خلال وردية عمل واحدة مدتها 8 ساعات. تعمل الشظايا الزجاجية المدمجة في النفايات كمادة قاطعة عند انحشارها بين حافة مانع التسرب والعمود. يهاجم السائل الكيميائي المتسرب (درجة حموضته من 4 إلى 9، ويحتوي على معادن مذابة وأحماض عضوية) كلاً من مادة مانع التسرب وطلاء الهيكل. هذا الهجوم الفيزيائي والكيميائي مجتمعًا يجعل بيئة مدافن النفايات الأكثر تدميرًا لمانعات تسرب محرك العجلات من بين جميع التطبيقات في هذه السلسلة.
عندما تسير جرافة ذات عجلات فوق صخرة مدفونة أو كتلة خرسانية أو عارضة فولاذية بسرعة انتقالية (من 15 إلى 30 كم/ساعة)، ينقل الإطار صدمة رأسية وطولية إلى محمل خرج نظام الدفع ومجموعة التروس. يعتمد مقدار الصدمة على حجم الجسم وسرعة الانتقال وصلابة الإطار، وقد يصل إلى 3 إلى 8 أضعاف قوة الجاذبية الأرضية عند شفة تثبيت نظام الدفع. عند سرعة 30 كم/ساعة، يكون أمام نظام الدفع من 0.05 إلى 0.10 ثانية لامتصاص الصدمة، وهي مدة قصيرة جدًا بحيث لا يستطيع النظام الهيدروليكي الاستجابة، وقليلة جدًا بحيث لا يستطيع المشغل التفاعل. تُنتج هذه الصدمات الناتجة عن السرعة الانتقالية تآكلًا في المحمل وذروات إجهاد في جذور أسنان التروس، مما يؤدي إلى تراكم أضرار الإجهاد بمعدل يتراوح بين 5 إلى 10 أضعاف معدل عملية التجريف في حالة الاستقرار، مما يجعل القيادة بسرعة انتقالية على أسطح غير مستوية أكثر ضررًا لنظام الدفع من عملية التجريف نفسها ذات عزم الدوران العالي. تؤكد بيانات تحليل أعطال المحامل من أساطيل الجرافات الرئيسية هذه النتيجة غير البديهية (أن النقل أكثر ضررًا من التجريف): إذ تُظهر أعطال محامل الإخراج، التي تتراوح بين 55 و65%، علامات إجهاد ناتجة عن الصدمات (التشقق السطحي، والتصدع تحت السطحي) بدلاً من علامات إجهاد الحمل المستمر (التقشر، والتنقر الدقيق) التي تشير إلى أعطال ناتجة عن عزم التجريف. والنتيجة واضحة: إن الحفاظ على طرق نقل ممهدة والحد من سرعة النقل على الأسطح غير المُجهزة يُطيل عمر محامل دفع العجلات بمقدار يتراوح بين 40 و60%، وهي ممارسة صيانة لا تُكلف شيئًا ولكنها تُطيل عمر علبة التروس بشكل ملحوظ.
الأسئلة الشائعة
توفر شركة Korea Ever-Power محركات الجرافات ذات العجلات من 15000 إلى 80000 نيوتن متر مع قدرة حرارية مستدامة لعزم الدوران عند التوقف، ومانع تسرب من الدرجة المستخدمة في مدافن النفايات، ومقاومة للصدمات بسرعة النقل.
المحرر: Cxm
