تصميم الناقلات الحزامية: نصائح عملية للحساب والاختيار

ما هو الحزام الناقل؟

تُعد الناقلات الحزامية من أكثر المعدات شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة المستخدمة في النقل المستمر للمواد السائبة. وهي مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك التعدين، والموانئ، وإنتاج الأسمنت، وتوليد الطاقة، والمعالجة الكيميائية، ومناولة الحبوب، والتخزين، والتصنيع. لا يقتصر تصميم الناقل الحزامي على مجرد اختيار الحزام والمحرك. بل يتعين على المهندسين إجراء حسابات وتحققات شاملة استنادًا إلى خصائص المواد، وسعة النقل، وسرعة الحزام، وعرض الحزام، وزاوية الحوض، والعجلات الدوارة، والأسطوانات، وطرق الشد، ومتطلبات الطاقة، والملحقات المختلفة.

الجزء الأول: المكونات الأساسية والتطبيقات

1.1 المكونات الرئيسية

يتكون الناقل الحزامي عادةً من المكونات التالية: أسطوانتان أو أكثر، وحزام ناقل حلقي متواصل، وعجلات حاملة، وعجلات عودة، ووحدة تشغيل، وجهاز شد، ونقاط تحميل، ونقاط تفريغ، وملحقات التنظيف والحماية.

1.2 مبدأ العمل

يُستخدم السطح العلوي للحزام الناقل لنقل المواد، بينما يسير السطح السفلي خاليًا من الحمولة خلال مقطع العودة. ويقوم أسطوانة الدفع بدفع الحزام الناقل عن طريق الاحتكاك، مما يتيح النقل المستمر للمواد.

1.3 التطبيقات

وهي مناسبة بشكل خاص للنقل المستمر لمسافات طويلة، وبسرعات عالية، وبقدرة إنتاجية كبيرة، أو في الحالات التي يوجد فيها فرق كبير في الارتفاع. وفي ظل ظروف التشغيل المناسبة، يمكن للناقلات الحزامية الكبيرة أن تقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل مقارنة بالنقل بالشاحنات.

1.4 اعتبارات التصميم

تشمل الاعتبارات الرئيسية للتصميم ما يلي: خصائص المواد، وعرض الحزام وسرعته، وتوزيع الشد، ومتطلبات الطاقة، والمسافة بين العجلات التوجيهية، وقطر الأسطوانة، وتأثير التحميل، بالإضافة إلى التنظيف والصيانة.

الجزء الثاني: أنواع أحزمة النقل وتطبيقاتها

يجب أن يستند اختيار المطاط المستخدم في تغطية الحزام الناقل، ومواد التعزيز، والتصميم الهيكلي إلى عوامل مثل درجة حرارة المادة، ودرجة التآكل، ومحتوى الزيوت والشحوم، ومقاومة الاشتعال، ومقاومة الصدمات، وزاوية الميل، وظروف الصيانة. وترد الأنواع الشائعة في الجدول أدناه:

الجزء الثالث: الحسابات الأساسية: الحمل، الشد، والطاقة

3.1 حساب الحمل لكل وحدة طول

تتمثل الخطوة الأولى في عملية التصميم في تحويل سعة النقل (بالطن في الساعة) إلى كتلة المادة لكل متر من حزام النقل.

الصيغة التجريبية:

Q = 0.278 × Qt / v (كجم/م)

شرح المعلمات: Q = الحمل لكل وحدة طول، Qt = سعة النقل (طن/ساعة)، v = سرعة الحزام (متر/ثانية)

على سبيل المثال، بالنسبة لناقل تبلغ سعة النقل فيه 400 طن/ساعة وسرعة الحزام 1.4 متر/ثانية، فإن Q = 0.278 × 400 / 1.4 ≈ 79.4 كجم/م.

3.2 مكونات التوتر والقوة

التوتر الفعال (Te) هو القوة الإجمالية المطلوبة لتشغيل حزام النقل؛ ويتألف من عدة قوى مكونة:

الصيغة التجريبية:

Te = Tx + Ty + Tz + Tus

المكان:

Tx: الشد المطلوب لتشغيل الحزام الفارغ

Ty: الشد المطلوب للحركة الأفقية للمادة

Tz: القوة اللازمة لرفع أو إنزال المادة

Tus: المقاومة الناتجة عن الاحتكاك بين المادة ولوح الحافة

تتطلب الناقلات التي تعمل على مسافات قصيرة نسبة أعلى من الطاقة للتغلب على الاحتكاك؛ ولذلك، فإن إجراء تعديل في الطول أمر ضروري.

الصيغة التجريبية: Lc بالمتر = L + 70 مترًا

وصف المعلمة: Lc = الطول المُصحَّح، L = الطول الأفقي الفعلي

الجزء الرابع: إطار حساب نظرية التوتر وفقًا لـ CEMA

تُعد طريقة CEMA (رابطة مصنعي معدات النقل) نظامًا شائع الاستخدام لحساب الشد. وهي تأخذ في الاعتبار مقاومة البكرات، ومقاومة الانحناء للحزام والمادة، واحتكاك الحواف الجانبية، وارتفاع الرفع، والمقاومة الإضافية.

صيغة حساب قوة المحرك هي كما يلي:

الصيغة التجريبية:

النظام المتري: القدرة (CV) = Te (كجم) × v (م/ث) / 75

النظام الإمبراطوري: القوة (HP) = Te (رطل) × v (قدم/دقيقة) / 33,000

مرجع البيانات: CEMA ‘الناقلات الحزامية للمواد السائبة’

الجزء الخامس: عرض أمثلة حسابية

لنفترض أننا نحتاج إلى تصميم ناقل حزامي بالمعلمات التالية: عرض الحزام 900 مم، الطول الأفقي 250 م، ارتفاع الرأس 20 م، سعة النقل 400 طن/ساعة، سرعة الحزام 1.4 م/ث، والمادة المنقولة هي الفحم.

تُؤدي الحسابات المستندة إلى الصيغة المذكورة أعلاه إلى النتائج الرئيسية التالية:

الجزء السادس: سعة الحزام المقعر، وعرض الحزام، وسرعة الحزام

كلما زادت زاوية الحوض الخاصة بعجلات الحوض، زادت المساحة النظرية للمقطع العرضي للحمل، وزادت سعة النقل. ومع ذلك، فإن زيادة زاوية الحوض تفرض أيضًا متطلبات أعلى على المرونة الجانبية لحزام النقل.

الصيغة التجريبية:

النظام المتري: سعة النقل Qt = 3.6 × مساحة المقطع العرضي × كثافة المادة × v (طن/ساعة)

مرجع البيانات: CEMA ‘الناقلات الحزامية للمواد السائبة’

الجزء 7: العجلات العاطلة وتصنيف CEMA

تُعد العجلات الدوارة مكونات أساسية تؤثر على كفاءة الناقل وعمر الحزام واستقرار التشغيل. وهي تمثل نسبة كبيرة من تكاليف المعدات، كما أن جودتها تحدد بشكل مباشر موثوقية الماكينة بأكملها.

بكرات الحوض: تُستخدم في ‘الفرع العلوي’ الذي ينقل المواد.

بكرات العودة: تُستخدم في ‘الفرع السفلي’ من مسار العودة لحزام النقل.

عجلات التوجيه المقاومة للصدمات: تُثبَّت عند نقاط التحميل لامتصاص صدمات المواد المتساقطة؛ وعادةً ما تكون المسافة الفاصلة بينها نصف المسافة الفاصلة بين عجلات التوجيه القياسية.

عجلات التوجيه ذاتية المحاذاة: تُستخدم لتصحيح اختلال محاذاة الحزام؛ ويُوصى بتركيب مجموعة واحدة منها كل 15 مترًا تقريبًا على جانب التحميل، وكل 30 مترًا على جانب العودة.

الجزء 8: الأسطوانات، والشد، ونظام الدفع

تُعد الأسطوانات مكونات أساسية في أنظمة نقل الطاقة، وتتراوح أقطارها الشائعة بين 200 ملم و1600 ملم.

الصيغة التجريبية (الحد الأدنى لقطر الأسطوانة):

Dp > K × i

شرح المعلمات: Dp = قطر الأسطوانة (مم)، K = المعامل (يتراوح عادةً بين 125 و150، حسب عدد طبقات الحزام)، i = عدد طبقات الحزام
على سبيل المثال، بالنسبة لحزام ناقل من القماش المكون من 6 طبقات، يجب ألا يقل قطر الأسطوانة عن 125 × 6 = 750 ملم.

عادةً ما تكون بكرات الدفع مغطاة بطبقة مطاطية لزيادة معامل الاحتكاك؛ ويتراوح سمك الطبقة عادةً بين 6 و12 ملم.

الجزء التاسع: التأثير المادي، والمواد المنظفة، والملحقات

يجب أن يقلل نظام التغذية من ارتفاع سقوط المواد إلى أدنى حد ممكن لمنع القطع الكبيرة والحادة من الاصطدام المباشر بالحزام. وعادةً ما يتم تركيب بكرات عازلة أو قواعد عازلة في منطقة التفريغ.

الكاشطات الثابتة: تتميز هذه الكاشطات بتصميم بسيط، حيث تستخدم شفرات مقسمة إلى أجزاء لإزالة المواد الملتصقة مباشرةً من سطح الحزام.

الكاشطات الديناميكية: تعمل هذه الكاشطات بمحرك كهربائي، وتستلزم تكاليف رأسمالية وتكاليف تشغيل أعلى، لكنها مناسبة لعمليات التنظيف الأكثر تعقيدًا.

الجزء 10: قائمة مراجعة للتحقق من التصميم

فيما يلي الخطوات الموصى بها للتصميم الأولي:

التحقق من خصائص المواد: الكثافة الظاهرية، والحجم الأقصى للجسيمات، والقدرة على التآكل، ودرجة الحرارة، ومحتوى الرطوبة، وزاوية الاستقرار، وزاوية الاستقرار التشغيلية.

تأكيد شروط التشغيل: سعة النقل، والمسافة الأفقية، وارتفاع الرفع، وزاوية الميل، وسرعة الحزام، ومدة التشغيل، وتكرار التشغيل، والظروف البيئية.

الاختيار الأولي لعرض الحزام وزاوية الحوض: يتم التقدير باستخدام معادلات مساحة المقطع العرضي والسعة، مع مراعاة هوامش كافية.

حساب الشد: قم بتفصيله حسب الحزام الفارغ، والحمولة، ورافعة النقل، وحواف الحزام، والكاشطات، والمعدات الإضافية.

فحص المحرك: حالة الانزلاق، وزاوية الالتفاف، وبطانة الأسطوانة، وطريقة الشد، وقوة المحرك.

التحقق من الحزام: الشد الأقصى، والشد لكل وحدة عرض، وعدد الطبقات أو قوة الحبل السلكي، وقدرة الحزام على تشكيل الأخاديد، والحد الأدنى لقطر الأسطوانة.

ترتيب البكرات: جانب التحميل، جانب العودة، منطقة التحميل، البكرات ذاتية المحاذاة، وتباعد أقسام الانتقال.

الملحقات: قواديس، قنوات، كاشطات، أغطية واقية، أنظمة منع الانجراف، أنظمة منع الانسداد، أنظمة التحكم في الغبار، وفتحات الوصول للصيانة.

الخلاصة: ملخص ومصادر المعايير

يُعد تصميم الناقل الحزامي عملية هندسية منهجية. ويمكن أن تشكل المعلومات التمهيدية وصيغ الحساب الواردة في هذه المقالة مرجعًا قيّمًا للتصميم الأولي. ومع ذلك، عند الشروع في التصميم الهندسي الرسمي، من الضروري مراعاة اللوائح المحلية الخاصة بالمشروع، ومعايير CEMA، وكاتالوجات منتجات الشركات المصنعة للمعدات، والمواصفات الفنية للعميل.

مصدر البيانات

1. CEMA (رابطة مصنعي معدات النقل). الناقلات الحزامية للمواد السائبة. الطبعة السابعة.
2. ISO 5048:1989. معدات المناولة الميكانيكية المستمرة — الناقلات الحزامية — حساب القوة وقوى الشد.
3. ISO 3684:1990. أحزمة النقل — تحديد الأقطار الدنيا للبكرات.
4. ISO 14890:2013. أحزمة النقل — مواصفات أحزمة النقل المغطاة بالمطاط أو البلاستيك ذات البنية النسيجية للاستخدام العام.
5. أحزمة النقل من «دنلوب». دليل تصميم أحزمة «دنلوب».