كيفية تحديد مواصفات النظام الهيدروليكي لعمليات التجريف: نطاق السعة من 120 م³/ساعة إلى 1000 م³/ساعة

لماذا تُعدّ أنظمة التجريف الهيدروليكية من بين أكثر التطبيقات الصناعية تطلبًا؟

تواجه أنظمة التجريف الهيدروليكية مزيجًا فريدًا من التشغيل المستمر عالي الطاقة، والتعرض للمواد الكاشطة، والتنسيق متعدد المحركات الذي يتجاوز تقريبًا كل تطبيق هيدروليكي صناعي آخر.تتطلب الكراكة ذات القادوس الشفطي الخلفي (TSHD) عادةً طاقة هيدروليكية تتراوح بين 500 و2000 كيلوواط موزعة على محرك مضخة الكراكة، ومحرك القاطع أو رأس السحب، والرافعات الدوارة، وأسطوانات حامل الركائز، ومضخة المياه النفاثة. يجب أن تعمل جميع هذه المكونات في وقت واحد في بيئة مياه مالحة، مع دورات تشغيل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، تستمر من أسبوعين إلى أربعة أسابيع متواصلة.

خلال 15 عامًا قضيتها في تحديد الأنظمة الهيدروليكية لمشاريع التجريف - بدءًا من جرافات الصيانة التي تعمل بقدرة 120 متر مكعب/ساعة في الممرات المائية الداخلية الصينية وصولًا إلى أنظمة التجريف الرأسمالية التي تعمل بقدرة 1000 متر مكعب/ساعة والمستخدمة في مشاريع توسيع الموانئ في جنوب شرق آسيا - حددت ثلاث خصائص تجعل التجريف عملية صعبة بشكل فريد.أولاً، الاحتكاك.يعمل الطين الذي يحتوي على تركيز مواد صلبة يتراوح بين 15 و30% عند سرعة 4.5 متر/ثانية كصنفرة سائلة على جميع الأسطح الداخلية للمضخة. تدوم المضخات الهيدروليكية القياسية التي لا تحتوي على ألواح مقاومة للتآكل ومكابس مطلية بالسيراميك من 800 إلى 1200 ساعة في الخدمة الرملية قبل أن تنخفض كفاءتها إلى أقل من 85%.ثانياً، طرد الحرارة.تقوم مضخة التجريف بقدرة 500 كيلوواط تعمل بكفاءة هيدروليكية تبلغ 82٪ برفض 90 كيلوواط من الحرارة بشكل مستمر - مما يتطلب سعة مبرد زيت تتراوح بين 35 و45 كيلوواط (يتم تبديد الباقي من خلال الأنابيب والخزان) وحجم خزان لا يقل عن 3 أضعاف معدل تدفق المضخة للحفاظ على وقت التوقف لإطلاق الهواء والتبريد.

ثالثًا، تنسيق المحركات المتعددة.يجب أن تعمل مضخة التجريف والقاطع والرافعات الدوارة في وقت واحد مع الحفاظ على نسب سرعة دقيقة. إذا انخفضت سرعة الرافعة الدوارة بنسبة 10% بينما يحافظ القاطع على طاقته الكاملة، فإن أسنان القاطع تغرز بعمق شديد، مما يؤدي إلى توقف محرك القاطع وإطالة عملية الاستعادة من 15 إلى 30 دقيقة.يتطلب هذا تحكمًا تناسبيًا حساسًا للحمل في جميع المحركات، وليس ترتيبات بسيطة للمضخات والصمامات ذات الإزاحة الثابتة.يرىأنظمة التجريف الهيدروليكية في يينينغللتكوينات المنسقة متعددة المحركات.

منطق اختيار السعة: من 120 متر مكعب/ساعة للصيانة إلى 1000 متر مكعب/ساعة للتجريف الرأسمالي

تحدد قدرة التجريف بشكل مباشر إجمالي الطاقة الهيدروليكية وقطر خط الأنابيب وبنية النظام.تتبع نطاقات السعة تدرجًا تقريبيًا لقوة العدد اثنين لأن كل مضاعفة لمعدل التدفق تتطلب ما يقرب من 3 أضعاف الطاقة الهيدروليكية (بسبب العلاقة التكعيبية بين سرعة خط الأنابيب وفقدان الاحتكاك).

قاعدة الإملاء المتعلقة بالسعة التي أستخدمها:تتطلب أعمال التجريف الدورية (إزالة الطمي المتراكم من 0.5 إلى 1.5 متر من القنوات التي تتم صيانتها) من 120 إلى 300 متر مكعب في الساعة، وذلك باستخدام محرك ديزل واحد لتشغيل مضخة رئيسية ومضختين مساعدتين عبر علبة تروس. أما أعمال التجريف الرأسمالية المتوسطة (إنشاء قنوات جديدة أو تعميق الموانئ القائمة من 2 إلى 5 أمتار) فتتطلب من 300 إلى 600 متر مكعب في الساعة، وذلك باستخدام محركين، أحدهما مخصص لمضخة التجريف، والآخر لتشغيل نظام الهيدروليك الخاص بالقاطع والرافعة. بينما تتطلب أعمال التجريف الرأسمالية الكبيرة (إنشاء أحواض الموانئ، واستصلاح الأراضي) من 600 إلى 1000 متر مكعب في الساعة أو أكثر، وذلك باستخدام نظام هيدروليكي موزع متعدد المحركات مع مضخات مخصصة لكل وظيفة ودوائر تبريد احتياطية.

للاطلاع على تصميمات أنظمة التجريف الكاملة، انظرمجموعة مضخات يينينغ الهيدروليكيةلخيارات تعويض الضغط واستشعار الحمل.

حساب ضغط المضخة وتدفقها: معادلة الطاقة الهيدروليكية لتحديد حجم نظام القيادة

معادلة الطاقة الهيدروليكية الأساسية للتجريف هي P = (Q × H × ρ × g) / (η_total × 3,600,000) حيث Q هو معدل التدفق بالمتر المكعب في الساعة، وH هو إجمالي الارتفاع الديناميكي بالأمتار، وρ هي كثافة الملاط (عادةً 1,100-1,300 كجم/م³ اعتمادًا على تركيز المواد الصلبة)، وg هي 9.81 م/ث²، وη_total هي الكفاءة المجمعة للمضخة الهيدروليكية (0.88-0.92) × النقل الميكانيكي (0.95-0.97) × دافع مضخة التجريف (0.75-0.85).

يتكون إجمالي الضغط الديناميكي (H) من أربعة مكونات:الرفع الساكن (المسافة الرأسية من سطح الماء إلى نقطة التصريف)، وفقدان الاحتكاك في خط الأنابيب (دارسي-وايزباخ: h_f = f × L/D × v²/2g حيث f ≈ 0.015-0.025 للملاط)، وضغط السرعة (v²/2g، عادةً ما يكون ضئيلاً عند 0.3-0.6 متر)، وضغط التصريف (عادةً 1-3 متر للتغلب على طاقة مخرج أنبوب التصريف). بالنسبة لخط أنابيب بطول 500 متر وقطر DN200 بسرعة 4.5 متر/ثانية مع ملاط ​​ذي كثافة نوعية 1.2: h_f ≈ 0.018 × 500/0.2 × 4.5²/(2×9.81) ≈ 46.5 متر. مع 5 أمتار رفع ساكن + 46.5 متر احتكاك + 2 متر تصريف = 53.5 متر إجمالي الارتفاع.

مثال واقعي - تجريف الرمال المتوسطة بمعدل 500 متر مكعب/ساعة:معدل التدفق (Q) = 500 م³/ساعة، الارتفاع (H) = 53.5 م، الكثافة (ρ) = 1200 كجم/م³، الكفاءة الكلية (η_total) = 0.82 (هيدروليكي) × 0.96 (ميكانيكي) × 0.80 (مضخة التجريف) = 0.63. القدرة (P) = (500 × 53.5 × 1200 × 9.81) / (0.63 × 3,600,000) = 315.4 × 10⁶ / 2.268 × 10⁶ ≈ 139 كيلوواط عند عمود خرج محرك الديزل. أضف 30 كيلوواط لمحرك القطع، و15 كيلوواط للرافعات الدوارة، و10 كيلوواط لمضخة النفث، و5 كيلوواط للتحكم والإضاءة = حوالي 199 كيلوواط إجمالي القدرة المركبة. اختر محرك ديزل بقدرة 250 كيلوواط بهامش تشغيل 25%.

نظام هيدروليكي لتشغيل آلة القطع: قوة المحرك لمقاومة التربة المختلفة

يعتمد حجم المحرك الهيدروليكي لمحرك القطع بشكل أساسي على نوع التربة وقطر رأس القطع.الصيغة التجريبية لقوة القاطع التي أستخدمها بعد 15 عامًا من مشاريع التجريف هي: P_cutter = k_c × D² × v_swing × S_u، حيث k_c هو معامل التربة (0.02-0.04 للرمل المفكك، 0.04-0.06 للطمي/الطين، 0.06-0.10 للطين الصلب، 0.10-0.20 للصخور الضعيفة، 0.20-0.35+ للصخور المتماسكة)، D هو قطر القاطع بالأمتار، v_swing هي سرعة الدوران بالمتر/ثانية، وS_u هي قوة القص غير المصرفة بالكيلوباسكال (أو ما يعادلها للتربة غير المتماسكة).

يجب أن يتحمل المحرك أيضًا عزم الدوران الناتج عن التوقف - عندما تصطدم أداة القطع بطبقة صلبة بشكل غير متوقع وتتوقف عن الدوران للحظات.أُحدد محركات القطع بقدرة عزم دوران تصل إلى 2.0-2.5 ضعف عزم الدوران المُصنّف عند التوقف، وصمام تخفيف الضغط ذي المنفذ المتقاطع مضبوط على 110% من أقصى ضغط مستمر. يسمح هذا للقاطع بالتوقف بأمان دون حدوث تلف ميكانيكي، وبعد ذلك يقوم المشغل بعكس الدوران لفترة وجيزة ثم يُعيد تشغيله.محركات مكبس هيدروليكية من شركة يينينغتوفير خصائص عزم الدوران العالي المطلوبة لمحركات قواطع التجريف.

تحديد أحجام الخراطيم وخطوط الأنابيب: تجنب فقدان الضغط الذي يؤدي إلى توقف معدل الإنتاج

يُعد قطر خط الأنابيب القرار الأكثر أهمية في تصميم النظام الهيدروليكي للتجريف لأنه يؤثر على كل من ضغط النظام (وبالتالي استهلاك الوقود) ومعدل الإنتاج (من خلال سرعة الطين).يؤدي استخدام خط أنابيب ذي قطر أصغر من اللازم إلى زيادة استهلاك الوقود، حيث أن القطر الأصغر بنسبة 10% يزيد من فقدان الاحتكاك بنسبة 46% تقريبًا (فقدان الضغط يتناسب عكسيًا مع القطر). أما استخدام خط أنابيب ذي قطر أكبر من اللازم فيزيد من التكاليف الرأسمالية ويتطلب سرعة تدفق أعلى لمنع ترسب المواد الصلبة.

السرعة الحرجة لنقل المواد اللزجةهي أدنى سرعة تدفق تُبقي المواد الصلبة معلقة. بالنسبة لجزيئات الرمل (قطرها المتوسط ​​0.2 مم)، تبلغ السرعة الحرجة V_crit حوالي 3.5-4.0 م/ث. أما بالنسبة للطمي (قطره المتوسط ​​0.02 مم)، فتبلغ V_crit حوالي 2.5-3.0 م/ث. عند تجاوز V_crit، تبدأ المواد الصلبة بالترسب في قاع الأنبوب، مما يقلل تدريجيًا من مساحة المقطع العرضي الفعال حتى ينسد الأنبوب - وهي حالة تتطلب ضخًا عكسيًا لإزالة الانسداد، مما يؤدي إلى خسارة في الإنتاج تتراوح بين ساعتين وست ساعات.

حساب فقدان الاحتكاك في خط الأنابيب لخط أنابيب بطول 500 متر وقطر داخلي 200 مم بسرعة 4.5 متر/ثانية:ΔP = f × (L/D) × (ρ×v²/2). مع العلم أن f = 0.018 (معامل احتكاك الملاط، أعلى بنسبة 15-20% من الماء بسبب تفاعل المواد الصلبة)، وL = 500 متر، وD = 0.2 متر، وρ = 1200 كجم/م³، وv = 4.5 م/ث: ΔP = 0.018 × 2500 × (1200×20.25/2) = 45 × 12150 = 546750 باسكال ≈ 5.5 بار فقدان احتكاك. يُضاف 2 بار للرفع الساكن (5 أمتار عند كثافة نوعية 1.2) و1 بار للوصلات/الصمامات = 8.5 بار ضغط التفريغ عند المضخة.هذا هو الرقم الذي يحدد قوة محرك مضخة التجريف واختيار المحرك الهيدروليكي.يزورتكوينات نظام التجريف الهيدروليكي في يينينغلجداول خسائر خطوط الأنابيب المحسوبة مسبقًا.

تكوين النظام: نظام الحلقة المفتوحة مقابل نظام الحلقة المغلقة لأعمال التجريف

إن القرار المعماري الأساسي في تصميم النظام الهيدروليكي للتجريف هو الحلقة المفتوحة مقابل الحلقة المغلقة - والإجابة الصحيحة تختلف باختلاف الوظيفة.

دائرة مفتوحة (تسحب المضخة من الخزان، ويعود السائل للتبريد):يُفضّل هذا النظام لمحركات القطع لأن القاطع يعمل بشكل متقطع (يعمل بنسبة 40-60% من زمن الدورة أثناء التأرجح، ويتحرك بحرية أثناء إعادة التموضع)، مما يسمح للخزان بتخفيف الحمل الحراري. كما يُفضّل استخدامه في الرافعات المتأرجحة التي تستخدم صمامات تحكم اتجاهية للتحكم في الحركة الأمامية/الخلفية وتعديل السرعة. مزايا الدائرة المفتوحة: ترشيح أبسط (مرشح إرجاع كامل التدفق يلتقط جزيئات التآكل قبل وصولها إلى المضخة)، تبريد أسهل (يمر سائل الإرجاع عبر مبادل حراري)، وتكلفة أقل (صمامات اتجاهية قياسية).

حلقة مغلقة (دائرة مضخة ومحرك مغلقة مع مضخة شحن):يُفضّل استخدامه لمحركات مضخات التجريف التي تعمل باستمرار عند نقطة التصميم لمدة تتراوح بين 4 و12 ساعة لكل وردية. مزايا الدائرة المغلقة: كفاءة أفضل بنسبة 5-8% (بدون فقدان في صمام التوجيه)، وخزان صغير الحجم (حجم الدائرة 1.5 ضعف فقط مقابل 3 أضعاف في الدائرة المفتوحة)، وتحكم دقيق في السرعة عن طريق زاوية لوحة التوجيه للمضخة بدلاً من خنق الصمام.إن فرق الكفاءة كبير: عند التشغيل المستمر بقدرة 500 كيلوواط، فإن زيادة الكفاءة بنسبة 7٪ = 35 كيلوواط أقل من الحرارة المطرودة = حوالي 15 لترًا/ساعة أقل من استهلاك الديزل = حوالي 4.50 دولارًا/ساعة من توفير الوقود بأسعار الديزل الصناعية.

تكويني القياسي للجرافات التي تتراوح سعتها بين 300 و600 متر مكعب في الساعة:حلقة مغلقة لمحرك مضخة التجريف (مضخة مكبس محورية متغيرة الإزاحة، 250-500 سم³/دورة، 350 بار مستمر)، حلقة مفتوحة لمحرك القاطع (مضخة ثابتة الإزاحة مع تحكم اتجاهي تناسبي، 150 بار كحد أقصى)، حلقة مفتوحة للرافعات المتأرجحة (مضخة متغيرة استشعار الحمل، 220 بار)، ومضخة تروس مخصصة لضخ المياه النفاثة والوظائف المساعدة.كتالوج مضخات يينينغ الهيدروليكيةيوفر تكوينات الحلقة المفتوحة والمغلقة لجميع نطاقات السعة.

مرجع الحالة: التكوين النموذجي لكراكة ذات قادوس شفط خلفي بسعة 500 متر مكعب/ساعة

يمثل نظام التجريف الهيدروليكي TSHD بسعة 500 متر مكعب/ساعة التكوين الأكثر شيوعًا لنظام التجريف، ويعمل كمرجع مفيد لمواصفات النظام الهيدروليكي.استنادًا إلى مشروع أنجزته لصالح شركة تشغيل موانئ في جنوب شرق آسيا عام 2024، إليكم التكوين الفعلي للنظام:

مصدر الطاقة:محرك ديزل واحد بقوة 650 كيلوواط عند 1800 دورة في الدقيقة يقوم بتشغيل علبة تروس فاصلة بثلاث وسادات PTO.محرك مضخة التجريف (حلقة مغلقة):مضخة مكبس محورية متغيرة الإزاحة بقدرة 450 كيلوواط (500 سم³/دورة عند 350 بار) تُشغل محركًا هيدروليكيًا ثابت الإزاحة (2500 سم³/دورة، 280 بار مستمر) موصولًا مباشرةً بعمود دافع مضخة التجريف. سرعة المضخة من 0 إلى 350 دورة في الدقيقة، وإنتاج الطين من 450 إلى 550 م³/ساعة في رمال متوسطة عند ارتفاع إجمالي للضغط يبلغ 45 مترًا.محرك القطع (حلقة مفتوحة):مضخة متغيرة الإزاحة بقدرة 55 كيلوواط (160 سم³/دورة، 250 بار) تُشغل محرك مكبس بقدرة 500 سم³/دورة عبر علبة تروس كوكبية بنسبة 3.5:1. سرعة القطع من 0 إلى 35 دورة في الدقيقة عند عزم دوران أقصى يبلغ 15000 نيوتن متر.الرافعات المتأرجحة (حلقة مفتوحة، استشعار الحمل):مضخة متغيرة بقدرة 75 كيلو واط تغذي محركين 315 سم مكعب/دورة مع فرامل متعددة الأقراص آمنة ضد الأعطال، مما ينتج قوة سحب خطية تبلغ 80 كيلو نيوتن بسرعة 0-25 متر/دقيقة.

تبريد:مبادل حراري أنبوبي ذو غلاف، مصمم لتبديد حرارة بقدرة 120 كيلوواط، ومبرد بمياه البحر، مزود بمصافي مزدوجة للتشغيل المستمر دون توقف للتنظيف. الخزان: سعته 2500 لتر، مزود بنظام ترشيح كامل التدفق للرجوع بدقة 60 ميكرون، ودائرة تنقية حلقية بدقة 10 ميكرون.نظام التحكم:وحدات تحكم متصلة بشبكة CANbus J1939 مع شاشة لمس للمشغل تعرض ضغوط المضخة وسرعات المحرك ودرجات الحرارة ومعدل الإنتاج المحسوب من مدخلات مقياس التدفق ومقياس الكثافة.اتصل بشركة يينينغ للهيدروليكيةللحصول على مقترحات أنظمة كاملة مصممة خصيصًا لمواصفات مشروع التجريف الخاص بك.