عوامل تصميم محمل كروي ذو أخدود عميق عالي السرعة

مع التطور السريع للسيارات الهجينة والكهربائية، تتطلب المتطلبات البيئية أن تكون المحركات الكهربائية أصغر حجماً وأخف وزناً. ومن شأن المحركات الكهربائية الأصغر حجماً أن تقلل من طاقة الخرج، ولكن لضمان أن يكون لها نفس طاقة الخرج أو أعلى من المحركات الحالية، يلزم زيادة سرعات المحركات. تقوم هذه المقالة بتحليل وتحسين محامل كريات الأخدود العميق تُستخدم في المحركات الكهربائية لتحمل سرعات تتجاوز 30,000 دورة في الدقيقة، وهو ما يعادل 1.5 ضعف السرعة القصوى الحالية للمحامل.

تحليل العوامل المؤثرة:

1) التشحيم

يستخدم التشحيم بالزيت لضمان التشحيم الكافي للأجزاء الداخلية للمحامل. ومع ذلك، وبسبب الدوران عالي السرعة للعناصر الدوارة والقفص، فإن كمية كبيرة من زيت التشحيم سوف تتحرك نحو اتجاه القطر الخارجي للمحمل تحت تأثير قوة الطرد المركزي، وقد لا يكون التزييت بين الحلقة الداخلية والعناصر الدوارة أو بين العناصر الدوارة والقفص غير كافٍ. يمكن أن يتسبب التزييت غير الكافي في التصاق الأجزاء الداخلية للمحمل والتسبب في تشنج المحمل. ستؤدي زيادة كمية زيت التشحيم إلى زيادة المقاومة الناتجة عن تحريك زيت التشحيم، مما يؤدي إلى زيادة عزم الدوران.

الحالة الداخلية للمحامل تحت التشغيل عالي السرعة:

2) الاحتكاك

الاحتكاك بين الكرة وسطح المجرى المائي
عندما يدور المحمل الكروي ذو الأخدود العميق، فإن الاحتكاك المنزلق بين الكرة وسطح المجرى المائي يتناسب مع سرعة المحمل. في ظل ظروف السرعة العادية، يمكن تجاهل تأثير الاحتكاك المنزلق. ومع ذلك ، فإن التحكم في الاحتكاك بين الكرة وسطح مجرى السباق مهم جدًا في ظل ظروف السرعة الفائقة ، لأن الزيادة المفاجئة في قوة الاحتكاك يمكن أن تسبب زيادة في توليد الحرارة للمحمل.

الاحتكاك بين الكرة والقفص
تُستخدم المحامل الكروية ذات الأخدود العميق بشكل شائع مع أقفاص فولاذية مختومة على شكل موجة وأقفاص بلاستيكية على شكل تاج. يُصنع القفص الفولاذي المختوم عن طريق تثبيت نصف قفصين على شكل موجة مع هيكل جيب كروي. القفص البلاستيكي على شكل تاج مصنوع من راتنج النايلون المقوى بالألياف الزجاجية، وكلا القفصين يحتويان على جيوب على شكل كرة مع أخاديد قفل. يمكن تجاهل قوة الاحتكاك المتولدة بين الكرة وجيب القفص في ظروف السرعة العادية، حيث تكون القوة المؤثرة على الكرة والقفص صغيرة للغاية. ومع ذلك، في ظل ظروف السرعة الفائقة التي تصل إلى 30,000 دورة في الدقيقة، يمكن أن تصل السرعة المحيطية للكرة إلى 40 م/ث أو أعلى، وسيزداد الضغط النقطي بين الكرة والقفص. يتميز القفص البلاستيكي بخصائص التشحيم الذاتي وهو أخف وزنًا، مما يجعله أكثر ملاءمة للتشغيل عالي السرعة. في ظل التشغيل فائق السرعة، إذا كان التشحيم غير كافٍ، ستزداد قوة الاحتكاك بين الكرة وجيب القفص، مما يتسبب في تآكل سطح الجيب وحتى إمكانية خروج القفص من المحمل.

3) قوة القفص

تُستخدم الأقفاص البلاستيكية على شكل تاج لتحمل الدوران عالي السرعة. تحت تأثير قوة الطرد المركزي أثناء الدوران عالي السرعة، فإن السطح الخارجي للقفص سوف يتشوه ويتلامس مع الحلقة الخارجية للمحمل. عندما يلامس القفص الحلقة الخارجية للمحمل، ستزداد درجة حرارة المحمل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن ينكسر القفص ذو التشوه الكبير بسبب الضغط المفرط على السطح المحيطي لجيب القفص. لذلك، يلزم وجود هيكل قفص محسّن لمقاومة التشوه والضرر الناجم عن قوة الطرد المركزي. يمكن أن تؤدي زيادة سُمك جدار القفص إلى تحسين قوة القفص، ولكن لا يمكن زيادة عرض المحمل.

تدابير التحسين:

1) تركيب حاجز للتحكم في معدل تدفق الزيت

يمكن أن يؤدي تركيب حاجز إلى منع زيت التشحيم من التدفق الزائد على الوجه النهائي للمحمل، مما يضمن التشحيم الداخلي الكافي للمحمل وحل مشكلة عدم كفاية التشحيم في ظل التشغيل بسرعة فائقة.

2) تقليل الاحتكاك
يمكن أن يؤدي تحسين حجم قطر الأخدود وقطر الكرة إلى تقليل الانزلاق بين الكرة ومسار المحمل. يمكن أن يؤدي تحسين تزييت سطح الجيب وتقليل قوة التصادم بين الكرة والقفص إلى تجنب التآكل على سطح الجيب بشكل فعال. يمكن أن يؤدي تركيب حاجز إلى زيادة معدل تدفق زيت التشحيم، ويمكن أن يؤدي تعديل الخلوص بين الكرة وجيب القفص والخلوص بين القطر الخارجي للحلقة الداخلية والقطر الداخلي للقفص إلى تقليل قوة الصدم والتآكل بين الكرة والقفص.

3) زيادة قوة القفص

يمكن أن تؤدي زيادة سماكة جدار القفص إلى زيادة صلابته، وتقليل تشوه القفص تحت الدوران فائق السرعة، وتجنب الإجهاد المفرط على السطح المحيطي لجيب القفص، ومنع الكسر. يمكن لتصميم المحمل المحسّن أن يفي بمتطلبات التشغيل فائق السرعة بسرعة فائقة تصل إلى 30,000 دورة في الدقيقة من خلال اختبارات ارتفاع درجة الحرارة واختبارات المتانة عالية السرعة.