عمود الیاف کربون

يُعدّ عمود الیاف کربون ، أو ما يُعرف بعمود الإدارة المركّب (Composite Drive Shaft) أو عمود الكردان المركّب، أحد أنواع اقترانات الأقراص، ويتم تصنيعه من ألياف الكربون مع الراتنجات باستخدام تقنية لفّ الألياف.
تقوم شركة توان محور بإنتاج عمود الیاف کربون  بتقنية helical filament winding، بينما يتم تصنيع الوصلات النهائية بعمليات تشغيل ميكانيكي دقيقة لضمان أعلى مستويات الجودة والدقة الهندسية.

يُستخدم عمود الیاف کربون  على نطاق واسع في أبراج التبريد لنقل عزم الدوران والقدرة بين المحركات وعلب التروس (Gearboxes). ومن أبرز مزاياه:

  • وزن منخفض جداً، إذ يساهم استخدامه مقارنة بالعمود الفولاذي في خفض وزن النظام بنسبة تزيد عن 75%.
  • معامل تمدد حراري منخفض للغاية، مما يجعله مناسباً للعمل في درجات حرارة مرتفعة.
  • مقاومة عالية للإجهادات المتكررة (حدّ الكلال – Endurance Limit) وللتآكل، وهو ما يشكل ميزة مهمة في الأنظمة الدوّارة والبيئات الرطبة أو ذات المواد المسببة للتآكل.
  • مرونة مناسبة تعزز قدرة النظام على تحمّل عدم الاستقامة (المحورية والزاوية).
  • سهولة وسرعة في التركيب.

تُعدّ شركة توان محور آذين صنعت شيراز، بخبرة تزيد عن عشر سنوات في تصنيع عمود الیاف کربون ، من الشركات الرائدة في هذا المجال داخل إيران.

وفقاً لتعليمات التركيب المعتمدة في شركة توان محور، فإن الحدّ الأقصى المسموح به لعدم الاستقامة الجانبية هو 0.9 مم، ولعدم الاستقامة الزاوية هو 0.5 درجة. ونظراً للطبيعة المركّبة لهذه البنية، لا توجد قيود تشغيلية خاصة أخرى. كما يتم احتساب الصلابة الالتوائية والصلابة الانحنائية لعمود الیاف کربون درایو شفت فیبركربن وفقاً للمعايير القياسية المعتمدة.

تحليل الإجهادات

في هذا التقرير، تم إجراء تحليل الإجهادات للمقطع الوسطي لأعمدة الكردان بمقاسين مختلفين وتحت حالتين تشغيليتين. وترد المواصفات التصميمية لكل مقاس في الجدول (1).

تم تنفيذ تحليل إجهاد ديناميكي لكل مقاس بافتراض سرعة ثابتة تعادل السرعة التشغيلية القصوى لذلك المقاس، ولمدة زمنية قدرها ثانيتان، وذلك بهدف احتساب أقصى إجهاد عند لحظة بدء التشغيل (Start-up). كما تم تحليل الإجهادات الناتجة عن عزم الدوران المطبق، وتقييم سلوك العمود تحت ظروف التحميل المختلفة لضمان مطابقة الأداء للمتطلبات التصميمية ومعايير الأمان الصناعية.

ظروف العمل الأبعاد (مم)
الوزن السرعة القدرة السماكة الطول القطر الحجم
7.95 Kg 1200-1700 rpm 600 hp (488 KW) 5.3 1760 150 1
30.2 Kg 1400-1600 rpm 900 hp (672 KW) 3.7 5312 250 2

تم حساب العزم الالتوائي لكل حجم عبر النمذجة في برنامج Abaqus

أولاً، يتم حساب عزم الالتواء التصميمي (بالنيوتن متر) في النظام:

على سبيل المثال، لمحور درايف شفت من الحجم 1، باستخدام القدرة 488 كيلووات والسرعة 1200 دورة في الدقيقة كحد أدنى للسرعة، يكون عزم التصميم 3883 نيوتن متر. وفقًا للمعيار AGMA922-A96 [2]، يتم اختيار معامل الخدمة (SF) المناسب للتطبيق المطلوب. وبناءً على ظروف التشغيل للنظام، يتم تحديد معامل صدمة التحميل (SFL) ومعامل الخدمة الكلي للتطبيق.

Typical service factor Load classification Application
Fans
1.5 U Forced draft
2 M Induced draft without damper control

بالنظر إلى فئة الحمل المتوسطة، مع اعتبار معامل نوع الحمل 1.8 ومعامل الخدمة 2، يتم الحصول على معامل الخدمة الكلي:

السبب في تعريف معامل الحمل ومعامل الخدمة بشكل منفصل في المعيار هو أن تأثير نوع الحمل يختلف في الاقترانات المستخدمة في تطبيقات متنوعة. كما أنه لا يمكن دائمًا تحديد معامل نوع الحمل بدقة في العديد من الاقترانات؛ حيث يوجد معامل 1.5 لكل من الحمل الموحد والمتوسط، ومعامل 2.5 لكل من الحمل المتوسط والحمل الشديد. يتم اختيار قيمة معامل الخدمة ضمن النطاق المذكور في المعيار بناءً على مستوى الاعتمادية المتوقع بالنسبة لتطبيق الاقتران [2].

هدف التحليل: تحديد عدد الطبقات المطلوبة ووزن وسماكة درايف شفت لضمان معامل أمان مقبول في التحليل. نظرًا لطول الوقت اللازم لإجراء التحليل الديناميكي في Abaqus، تم تقديم بعض نماذج التحليل كنموذج أولي تقريبي في هذا التقرير.

في التحليلات المنفذة، تم أخذ الخصائص الميكانيكية وفقًا لورقة بيانات المواد المرفقة. كما تم حساب الخصائص الفعّالة في المواد المركبة وفق المراجع [3,4,5] باستخدام العلاقات المناسبة. القيم المستخدمة للخصائص الفعّالة في التحليل مبينة في الجدول (4).

بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار ترتيب الطبقات واتجاهها وفق المراجع [6] وبناءً على الخبرة العملية لشركة توان محور في الوضع الأمثل.

الخصائص الميكانيكية لمحور درايف شفت الكربون المركب

الخاصية القيمة الوحدة
نسبة الحجم للألياف 60% –
معامل يونغ في الاتجاه 1 135 GPa
معامل يونغ في الاتجاه 2 و3 10 GPa
معامل القص في الاتجاه 12 و13 5 GPa
معامل القص في الاتجاه 23 – GPa
معامل بواسون في الاتجاه 12 و13 0.3 –
معامل بواسون في الاتجاه 23 – –
–
  1. الحجم 1 – التحليل الديناميكي لمحور درايف شفت الكربون المركبفي هذا التحليل الديناميكي:
    • أقصى سرعة: 1700 دورة في الدقيقة.
    • مدة التحليل: أول 2 ثانية من التشغيل تم تقسيمها إلى 20 إطار (Frame).
    • توزيع إجهاد فون ميزيس: تم عرض التوزيع في عدة إطارات كمثال، وأظهرت النتائج أن أقصى إجهاد عند الثانية 1.9 كان 131 ميجا باسكال (MPa).

    يمكن الاستفادة من هذه النتائج لتقييم قدرة التحمل للمحور الكربوني وضمان التصميم الآمن للاستخدام الصناعي في ظروف التشغيل القصوى.

درایو شفت

الشكل (1): توزيع إجهاد فون ميزيس عند t = 0.1 ثانية بسرعة دوران 1700 rpm.

درایو شفت فیبر کربن

الشكل (2): توزيع إجهاد فون ميزيس عند t = 1.8 ثانية بسرعة دوران 1700 rpm.

درایو شفت فیبر کربنی چیست

الشكل (3): توزيع إجهاد فون ميزيس عند t = 1.9 ثانية بسرعة دوران 1700 rpm.

فروش درایو شفت

الشكل (4): توزيع إجهاد فون ميزيس عند t = 2 ثانية بسرعة دوران 1700 rpm.

2- العزم الالتوائي (Torque):

  • تم استخدام الحد الأدنى للسرعة 1200 دورة في الدقيقة لتحليل العزم القصوى المؤثرة على درايف شفت الكربون المركب، حيث بلغ العزم الأقصى 13,978 نيوتن-متر.

  • أقصى إجهاد فون ميزيس وأقصى الإجهاد في الاتجاهات المختلفة موضحة في:

مقاله درایو شفت

الشكل (5): توزيع إجهاد فون ميزيس تحت العزم الالتوائي.

انواع درایو شفت

الشكل (6): توزيع الإجهاد في الاتجاه 11 تحت العزم الالتوائي.

انواع درایو شفت فیبر کربن

الشكل (7): توزيع الإجهاد في الاتجاه 22 تحت العزم الالتوائي.

درایو شفت فیبر کربن

الشكل (8): توزيع الإجهاد في الاتجاه 12 تحت العزم الالتوائي.

الحجم 2 – تحليل ديناميكي لمحور درايف شفت الكربون المركب

1- التحليل الديناميكي:

    • أقصى سرعة دوران: 1600 دورة في الدقيقة.

    • مدة التحليل: أول ثانيتين مقسمة إلى 20 إطارًا.

    • توزيع إجهاد فون ميزيس في عدة إطارات كمثال، وأقصى إجهاد وصل إلى 277 ميجا باسكال (MPa).

خرید درایو شفت

الشكل (9): توزيع إجهاد فون ميزيس عند t = 0.1 ثانية بسرعة دوران 1600 rpm.

2- العزم الالتوائي (Torque):

  • الحد الأدنى للسرعة: 1400 دورة في الدقيقة لحساب العزم الأقصى المؤثر على درايف شفت الكربون المركب.

  • باستخدام العلاقات الحسابية (1) و(2)، تم الحصول على العزم التصميمي 16,505 نيوتن-متر للحجم 2.

  • أقصى إجهاد فون ميزيس وأقصى الإجهاد في الاتجاهات المختلفة موضح في:

نتائج تحليل السلامة:

  • وفقًا للجدول (5)، تم حساب معامل الأمان (Safety Factor) لكل حجم في التحليلين الديناميكي والالتوائي.

  • كما هو موضح باللون الأحمر في الجدول، بالنسبة للحجم 2، سمك وعدد طبقات درايف شفت الحالي غير كافٍ في التحليل الديناميكي، ويجب زيادة السمك وعدد الطبقات وفق طلب العميل.

  • في جميع التحليلات الديناميكية، تم اعتبار أقصى سرعة تشغيل ثابتة لضمان الدقة في التقييم.

الجدول (5): يُظهر قيم معامل الأمان لكل حجم وفقًا للإجهادات المحسوبة بواسطة برنامج Abaqus.

Safety

Factor

(Size 2)

 الحجم 2 Safety

Factor

(Size 1)

 الحجم 1 Ultimate

Strength1

 تحلیل
277 Mpa 131 Mpa ون میسز دینامیکی
11.9 239 Mpa
21.83206
131 Mpa 2860 Mpa در جهت 11
0.66 121 Mpa 2.25 36 Mpa 81 Mpa در جهت 22
1.41 96 Mpa 4.25 32 Mpa 136 Mpa در جهت 12
162 Mpa 296 Mpa ون میسز التوائي
8.84 -164 Mpa 4.865772 -298 Mpa -1450 Mpa در جهت 11
9.61 -26 Mpa 6.944444 -36 Mpa -250 Mpa در جهت 22
6.47 21 Mpa 5.037037 27 Mpa 136 Mpa در جهت 12

 

مراجع:

  1. “ANSI/AGMA9004–B08: American Gear National Standard: Flexible Couplings- Mass Elastic Properties and Other Characteristics.” (2014).
  2. “AGMA 922-A96 – LOAD CLASSIFICATION AND SERVICE FACTORS FOR FLEXIBLE COUPLING.”
  3. Jones, R. M. (1998). Mechanics of composite materials, CRC press.
  4. Lee, S. M. (1992). Handbook of composite reinforcements, John Wiley & Sons.
  5. Amsc, N. and A. A. CMPS (2002). “Composite materials handbook.” Polymer matrix composites materials usage, design, and analysis.
  6. Sulaiman, S., et al. (2013). Finite element analysis of filament-wound composite pressure vessel under internal pressure. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing.