علل ايجاد فرسايش چرخ و ريل در جرثقيل های سقفی

ابوالحسن ایزدی

تکنیسین برق و الکترونیک،واحد بازسازی و نوسازی،کارخانه کویرتایر،بیرجند

چکیده:

در اين مقاله ضمن بررسي علل ايجاد فرسايش چرخ و ريل در جرثقيل هاي سقفي، ديناميک حرکت طولي و عرضي پل و همچنين اثر عدم تعادل گشتاور نيروهاي وارد بر پل و ايجاد حرکت چرخشي حول مرکز ثقل، با ارائه معادلات ديفرانسيل غير خطي حاکم بر حرکت پل مورد بررسي و تحليل قرار خواهد گرفت. سپس بمنظور حذف کامل فرسايش جانبي بين چرخ و ريل، يک سيستم کنترل کننده جهت درايو پل جرثقيل پيشنهاد مي گردد. اين کنترل کننده، با استفاده از دو سنسور فاصله، دو کنترل کننده PID و همچنين کنترل حلقه بسته سرعت موتورهاي طرفين پل، مي تواند حرکت اريبي پل را کنترل و محور را در حالت انطباق نسبي نگه دارد. در مرحله نهايي با استفاده از کنترل موتورهاي القايي دو طرف پل به روش برداري، امکان کنترل سريع گشتاور در سيستم فراهم شده و کارايي مجموعه درايو بهبود يافته است.

کلید واژه:جرثقیل، چرخ و ريل ، درایو، فرسايش ،پل

مقدمه:

معضل فرسایش ریل و چرخ در جرثقیل سقفی، همیشه از مشکلات حاد محسوب می گردیده است و بهنگام طراحی اینگونه قطعات به هزینه های لازم تحمیلی برای تعویض این قطعات توجه می شده است. سائیدگی چرخ و ریل در حد معقول غیر قابل اجتناب بوده و ناشی از اصطکاک غلتشی بین قطعات می باشد ولی سایش محسوس ناشی آن دو از  مشکلاتی می باشد که باید برای رفع آن با توجه به تکنولوژی امروز چاره اندیشی کرد. سایش تنها معضل چرخ و ریل نبوده و مشکلات دیگری مانند ترک خوردگی، خردشدن، پوسته شدن و خوردگی سینوسی چرخ و ریل نیز مشاهده می شود كه طراحان نسبت به شناسائی و رفع آن مشکلات اقدام می نمایند.

  ساختمان جرثقیل سقفی

  شمای کلی یک جرثقیل  سقفی در شکل ۱ نشان داده شده است در شکل (الف) نمای روبرو و در شکل( ب )نمایی از بالا ملاحظه می گردد. اجزای اصلی یک جرثقیل سقفی عبارتند از:

 الف - تنه اصلی یا پل مطابق شکل(ب) از دو طرف به وسیله حداقل چهار چرخ بر روی دو عدد ریل آهنی که در ارتفاعی از سطح زمین نصب شده‌اند قرار گرفته و قادر به حرکت در طول سالن می باشد

ب- ترولی یا کالسکه این قسمت حرکت عرضی بار را بر روی دو عدد ریل که در طول پل نصب شده‌اند امکان پذیر می سازد

ج - بالابر شامل یک قلاب و سیم فولادی و موتور الکتریکی می باشد بار مورد نظر به قلاب متصل شده به وسیله بالابر از سطح زمین بلند می شود.

شکل 1- شمای یک جرثقیل سقفی (الف) نمای روبرو (ب)نمایی از بالا

جرثقیل سقفی دارای یک پل و یا دو پل سازه ای موازی است که به حالت افقی در طول انبار یا سالن در محدوده تعریف شده حرکت می کند. و دارای شش حرکت بالا-پایین، چپ- راست و جلو عقب می باشد. عموما از جرثقیلهای سقفی در صنایع مختلف به منظور بار برداری و جابجایی محصول و ماشین آلات و یا به عنوان ابزاری جهت تعمیرات تجهیزات سنگین استفاده می شود

ریل جرثقیل

  ریل جرثقیل یکی از انواع پر مصرف ریل در صنعت می‌باشد. تولید ریل جرثقیلی معمولا با استاندارد A انجام می‌شود. ریل های فولادی با توجه به کاربردشان به سه دسته ی ریل‌ راه آهن ¹ در مصرف قطارهای بین شهری و درون شهری، ریل‌ معدنی ² که در معادن به جابجایی واگن ها کاربرد دارد و ریل جرثقیلی ³که به منظور حرکت بازوهای متحرک جرثقیل های صنعتی استفاده می‌شوند، تقسیم می‌شوند.

 اکثر ریلها از فولاد سخت و دارای کربن متوسط و یا زیاد ساخته می شوند ، جوشکاری این نوع ریلها بایستی طبق روش معین و دستورالعمل سازنده انجام شود ، در غیر این صورت امکان ترک خوردگی بر روی جوش و اطراف آن که تحت تاثیر حرارت قرار می گیرند ، در زمان جوشکاری و هنگام بهره برداری بسیار است .

در بازرسی های اولیه و حین نصب و دوره ای بایستی از این جوشها بازرسی عینی بعمل آید و در صورت نیاز به حصول اطمینان بیشتر با رنگهای نافذ و یا پودر مغناطیسی آزمایش شوند .

تراز بودن ریلها همراه با تیرآهن حمال زیر ریل و هم چنین هم تراز و موازی بودن ریلها نسبت به یکدیگر بایستی در حین نصب و بازرسی اولیه و قبل و بعد از آزمایش بار ، اندازه گیری شوند و در صورت لزوم میزان و اصلاح گردند . باید دقت کرد که پیچ بست ریلها ( حرکت طولی و عرضی ) همگی در جای خود قرار داده شده و محکم باشند

انواع ریل جرثقیل سقفی

 ریل های جرثقیل به صورت کلی در انواع تیپ چهار پهلو و یا راه آهنی و در سایز های مختلف تولید می شود و برای انواع جرثقیل سقفی ، جرثقیل دروازه ای و دیگر خطوط انتقال مواد کاربرد دارد.

چرخها ، دنده ها و چرخ دنده ها

اکثر جرثقیلهای سقفی بوسیله چرخهای فولادی بر روی ریل حرکت می کنند ، این چرخها بایستی از نظر سائیدگی مخصوصا قسمت کف و لبه ها و همچنین از نظر شکستگی ، ترک خوردگی و روان بودن بازرسی عینی گردند .

چرخها اگر دارای یاتاقانهای ساچمه ای باشند باید دقت کرد که روان بوده و کاسه ساچمه شکسته نشده باشد ، چنانچه از نوع بوش برنجی باشد لقی زیاد نداشته باشد ، برای اطمینان از روان بودن و بازرسی چرخ می توان با استفاده از جک روغنی یا بلند کردن جرثقیل ، چرخها را بالا نگه داشت و مورد بازرسی قرار داد .

کلیه دنده های چرخ و محور و دنده های رابط و محل شیار دنده های متصل به محور و کوپلینگ محور به موتور برق بایستی از نظر سائیدگی و پارگی( کوپلینگ ) مورد بازرسی عینی قرار گیرد ، دریچه جعبه دنده باید باز شود و دنده ها از لحاظ خوردگی ، زنگ زدگی ، سائیدگی و شکستگی بازدید شوند ، دریچه جعبه دنده را نباید جهت بازدید در موقع گردش و کار دنده ها باز نمود .

ضمنا باید مطمئن گردید که مقدار کافی روغن در جعبه دنده ها باشد ، پیچهای پایه  جعبه دنده به بدنه جرثقیل همگی می باید در جای خود قرار داده شده و محکم شده باشند .

چرخ و ریل در جرثقیل

چرخ ها در جرثقیل سقفی به دو دسته تقسیم می شوند:

• چرخ های کلگی
• چرخ های کالسکه (ترولی)

چرخ های کلگی : به علت میزان تحمل بار بیشتر از حجم و وزن بیشتری برخوردار می باشد .

چرخ های کالسکه: به علت تحمل بار کمتر کوچکتر ساخته می شوند. چرخ ها بر اساس نحوه کارایی به دو دسته محرک و متحرک تقسیم می شوند.

چرخ های محرک به موتور وصل می شوند و چرخ های متحرک پیرو چرخ های محرک به حرکت در می آیند.سوراخ موجود در مرکز چرخ ها بر اساس اندازه شفت موتور می باشد.

که چرخ های محرک به علت درگیر شدن با موتور یک جای خار اضافه دارد.شیار سطح جانبی چرخ ها بر اساس اندازه ریل ها می باشد و این شیارها با مقداری لقی و شیب مناسب جهت کاهش اصطکاک بوجود می آورند.حال هر دوی این گروه چرخ ها می توانند به صورت چرخ های معمولی یا چرخ های ضد انفجار باشند. چرخ های معمولی از آلیاژ فولاد و چرخ های ضد انفجار از آلیاژ فسفر و برنز ویا روکشهای مناسب هستند تا از ایجاد الکتریسیته ساکن در خلال کارکرد آنها جلوگیری بعمل آید.

پروفیل چرخ با شکل مخروطی عاملی است که باعث می شود  طی یک مسیر اگر جابجایی جانبی ناچیزی وجود داشته باشد یک نیرو به سمت مرکز بر مجموعه چرخ  و محور اعمال شود که باعث برگشت مجموعه به مکان اولیه خود و جبران جابجایی می شود ،همچنین اعمال این نیرو باعث سازگاری شعاعی بیشتر مجموعه چرخ و محور در منحنی ها خواهد شد .طبعاً این سازگاری باعث افزایش غلتش و کاهش سر خوردن و در نهایت کاهش سایش چرخ و ریل می شود. وجود فلنج چرخ در لبه داخلی مانع خروج از ریل می شود در هر مورد چه در قوس ها و چه در موارد دیگر لقی بین چرخ و ریل نمی تواند از حد مشخصی بیشتر باشد و این مقدار حد مناسبی است که با استفاده از ساز و کار بیان شده جابجایی های جانبی را در حد مطلوب محدود می کند .نقش هماهنگی پروفیلهای چرخ و ریل را در سایش در عواملی چون : تاثیر مستقیم در سطح مقطع تماس بین چرخ و ریل و در نتیجه تنش های تماسی، تاثیر مستقیم بر جهت نیروها و در نتیجه مقدار آن ،تاثیر مستقیم بر وسعت نقاط تماس بین چرخ و ریل و در نتیجه عمر خستگی چرخ و ریل، تاثیر مستقیم در ناپایداری جانبی چرخ و در نتیجه سایش ناشی از نوسانات جانبی و چرخشی، تاثیر مستقیم بر روی اختلاف شعاع بین چرخ چپ و راست و در نتیجه لغزش های نسبی بین چرخ و ریل در قوس ها و در انتها تاثیر مستقیم بر روی تعداد نقاط تماس بین چرخ و ریل و جهش های موضعی بین این دو دانست.

شکل 2-اختلاف شعاع دو چرخ یک محوردر اثر جابجایی عرضی

بررسی علل فرسایش چرخ و ریل و ارزیابی روشهای کنترلی جرثقیل های سقفی

 با بررسی علت های بوجود آمدن فرسایش چرخ و ریل در جرثقیل های سقفی، مشخص گردیده که علاوه بر فیزیک ریل ، نوع حرکت عرضی و طولی بالابر و پل نیز در صورت نداشتن عدم توازن ممان نیروهای وارده بر پل باعث بوجود آمدن حرکت چرخشی حول نقطه مرکز ثقل پل و نهایتا حرکت اریبی پل می گردد که این امر می بایست مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. یکی از راههای از بین بردن سایش جانبی بین چرخ و ریل، استفاده از مدارات کنترلی PLC جهت درایو موتور گیربکس کلگی های پل جرثقیل می باشد. این مدار با استفاده از حسگرهای الکترونیکی موجب کنترل سرعت موتور کلگی ها (END CARRIAGE) گردیده و قادر خواهد بود از حرکت مورب پل تا سرحد امکان جلوگیری کرده و باعث یکسانی محور چرخ و ریل نسبت به هم خواهد گردید که نقش شایانی در کنترل سایش ایفا می کند . ضمناً شیب بیش از حد مجاز ریلها نسبت به یکدیگر مطابق آئین نامه استاندارد ، تغییرات دهانه ریل طولی ، عدم تعادل بار ، عدم ترازی براکتها و ….از دیگر عوامل موثر بر خوردگی ریل و چرخ می باشد.

به طور کلی فرسایش بین چرخ‌ وریل را می‌توان به دو نوع فرسایش سطحی و جانبی تقسیم بندی کرد .

فرسایش سطحی ناشی از اصطکاک حرکت لغزشی چرخ بر روی ریل می باشد .فرسایش جانبی ناشی از تماس و برخورد فلانژ چرخ و دیواره ریلی می باشد.

در مشاهدات علمی که از چندین جرثقیل سقفی به عمل آمده است ملاحظه گردیده که فرسایش جانبی می تواند حتی باعث خوردگی کامل یک لبه ریل گردد (شکل3)،وجود این فرسایش دال بر وجود نیروهای جانبی و گشتاور چرخشی می باشد. نیروهای جانبی و گشتاور چرخشی به دلایل مختلفی به وجود می‌آیند .از جمله :

الف -عدم همترازی ریل ها به دلیل عدم رعایت استانداردها در موقع ساخت و نصب ریل ها و همچنین نشست فونداسیون ریل در یک طرف جرثقیل.

ب - عدم برابری سرعت چرخ های موتورهای دو طرف پل ناشی از عدم برابری گشتاور بار اعمال شده به دو موتور این مسئله ناشی از حرکت ترولی و بار متصل به آن در خارج مرکز فاصله بین دو ریل می باشد .

ج -عدم تساوی میزان لغزش مکانیکی چرخ های محرک طرفین این امر ناشی از شرایط فیزیکی غیر یکسان ریل های دوطرف و عدم تساوی بار محوری روی چرخ های محرک طرفین می‌باشد.

د - عدم تساوی قطر چرخ های محرک دو طرف پل

چنانچه درایو پل جرثقیل سقفی تحت شرایط استفاده از روش‌های مختلف کنترلی مورد بررسی قرار بگیرد با توجه به منحنی سرعت و مسافت پیموده شده توسط چرخ های طرفین ملاحظه می گردد که در شرایط تغذیه مستقیم موتور توسط ولتاژ شبکه مشکل عدم تساوی سرعت چرخش های طرفین به صورت حادّی بروز خواهد کرد با استفاده از تغییر مقاومت روتور اختلاف مسافت پیموده شده کاهش یافته و بالاخره در شرایط به کارگیری روش سلسین سرعت چرخ ها کاملاً برابر و اختلاف در مسافت پیموده شده تنها ناشی از اختلاف در لغزش مکانیکی خواهد بود لذا استفاده از سلسین بهترین روش سنتی می باشد از طرف دیگر در بررسی نتایج مربوط به کنترل اسکالر و برداری ملاحظه می گردد که با استفاده از این روش ها اگرچه مشکلات سرعت و دقت در کنترل و عملکرد مطلوب دینامیکی به نحو چشمگیری بهبود خواهد یافت ولی به هر حال اختلاف در مسافت پیموده شده توسط طرفین پل جرثقیل وجود خواهد داشت لذا این روش ها باعث بهبود مشکل فرسایش جانبی می باشد ولی قادر به حل قطعی مشکل نخواهند بود.

شکل3- خوردگی ریل

هزینه و انرژی :

با پیشنهاد ارائه شده واجرای آن بر روی جرثقیل ها نیاز به تعویض چرخ ها در مدت زمان نزدیک کاهش می یابد.حداقل به ازای  هر چرخ سالانه یک میلیون ریال که در مجموع برای یک جرثقیل که چهار چرخ جلو و عقب را دارد چهل میلیون ریال محاسبه شده است. و در کل سالن کارخانه با حدود ۱۰ جرثقیل سقفی سالانه چهارصدمیلیون ریال برآورد هزینه کاهش یافته را داریم. و از لحاظ انرژی و زمان صرف شده که در توقف های جرثقیل  که باعث کاهش تولید وعقب ماندگی دستگاه های مربوطه و پایین آمدن راندمان کار و نیز زمان تعویض و راه اندازی که توسط تیم انجام می شود  زمان زیادی را برای سازمان از لحاظ ارگونومی زمان تلف شده یا پایین آمدند و غیره را در بر خواهد داشت.

نتیجه گیری:

در این مقاله پس از توضیح نحوه کار درایوهای جرثقی سقفی علل فرسایش چرخ و ریل بررسی و روشهای کنترلی جرثقیلهای سقفی به این  لحاظ  مورد ارزیابی قرار گرفتند.با استفاده از مجموعه  درایو پل جرثقیل سقفی و عملکرد این سیستم تحت شرایط استفاده از روش‌های کنترل کلاسیک سرعت مورد بررسی قرار گرفته و ملاحظه گردید که در شرایط عدم تعادل بار مشکل حرکت اریبی پل و برخورد چرخ‌ و ریل  پیش خواهد آمد. به عنوان راه حل یک سیستم کنترل کننده شامل دو سنجشگر فاصله که در جلو و عقب پل نصب می شود و سیگنال های خروجی آن ها موقعیت محورهای منتسب به چرخ های سمت چپ را نسبت به ریل مشخص می کند. پیشنهاد شده است در این سیستم دو کنترل کننده توسط سیگنال های خطای زاویه و مسافت تغذیه و سیگنالهای سنکرون را تولید می‌کنند ، این سیستم ضمن حذف زاویه انحراف حرکت پل را در شرایط انطباق نسبی محورهای پل وریل نگه می دارد. ضمن چنانچه موتورهای طرفین پل همزمان توسط سیگنال‌های سنکرون تغذیه شوند ،پاسخ سیستم بهبود خواهد یافت. نتایج نشان می‌دهد که روش پیشنهادی قادر به عملکرد مناسب در شرایط عدم تعادل بار، عدم تساوی لغزش مکانیکی چرخ و ریل ویا عدم تساوی قطر چرخ می باشد. لذا می توان از این روش به عنوان یک ایده اولیه در کاربردهای عملی استفاده نمود.

منابع:

1-محمد ابراهیمی، حمیدرضا میرزایی، مصطفی غیور، محمد باقر بیات،فصلنامه امیرکبیر، پیاپی ۵۸ (بهار ۱۳۸۳)، ص ۳۷۰

2-جعفر سلطانی،گزارش فنی بررسی مسئله فرسایش ریل جرثقیل سقفی ،1377

3- دانشنامه آزاد ویکی پدیا