نموذج مطابقة القدرة للخلاطات القسرية ذات المحورين: حساب عزم الدوران والتحليل التجريبي لاختيار المحرك

نموذج مطابقة القدرة للخلاطات القسرية ذات المحورين: حساب عزم الدوران والتحليل التجريبي لاختيار المحرك

الملخص: تُعدّ الخلاطات القسرية ثنائية المحور من المعدات الأساسية في إنتاج الخرسانة، وتؤثر دقة مطابقة الطاقة فيها تأثيرًا مباشرًا على استهلاك الطاقة، واستقرار التشغيل، وجودة الخلط. تستند هذه الدراسة إلى نظريات ريولوجيا المواد والديناميكا الميكانيكية، وتُقدّم نموذجًا شاملًا لمطابقة الطاقة يتضمن عزم دوران الشفرة، وفقدان النقل، ومقاومة المادة. وقد تم التحقق من موثوقية النموذج من خلال بيانات مُقاسة في ظروف متعددة. تُظهر النتائج أن هذا النموذج قادر على التحكم في خطأ اختيار المحرك ضمن نطاق ±5%، محققًا بذلك تحسينًا في الطاقة المُركّبة يزيد عن 15%، مما يُوفّر أساسًا نظريًا علميًا ومرجعًا عمليًا هندسيًا لتصميم الخلاطات الموفرة للطاقة وتشغيلها بكفاءة.

الكلمات المفتاحية: خلاط قسري ثنائي المحور؛ نموذج مطابقة القدرة؛ حساب عزم الدوران؛ اختيار المحرك؛ المعاملات الريولوجية؛ كفاءة النقل؛ تحسين استهلاك الطاقة؛ التحليل التجريبي

1. مقدمة

تُستخدم الخلاطات القسرية ثنائية المحور على نطاق واسع في إنتاج الخرسانة التجارية، والمكونات مسبقة الصب، والملاط الخاص، نظرًا لكفاءتها العالية في الخلط وتجانسها الجيد. مع ذلك، غالبًا ما يعتمد اختيار المحرك التقليدي على معادلات تجريبية أو حسابات مبسطة، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى مشاكل مثل "زيادة الطاقة" أو "التشغيل فوق طاقته"، وبالتالي هدر الطاقة أو تلف المعدات. تهدف هذه الورقة البحثية إلى وضع نموذج مُحسَّن لمطابقة الطاقة، وتحليل آلية توليد العزم بشكل منهجي، والتحقق من الطبيعة العلمية والاقتصادية لاختيار المحرك بناءً على البيانات المقاسة، مما يوفر للصناعة منهجية اختيار قابلة للقياس والتكرار.

2. الأساس النظري لنموذج مطابقة القوة

2.1 تحليل تركيب عزم الدوران

يمكن تقسيم عزم التشغيل الكلي للخلاط، T_t، إلى:

عزم مقاومة المواد، T_material: يتعلق بهبوط الخرسانة، وحجم جسيمات الركام، ولزوجة المعجون؛

عزم الاحتكاك الميكانيكي، T_friction: يشمل تآكل المحامل، ومقاومة منع التسرب، وكفاءة نقل التروس؛

عزم التسارع بالقصور الذاتي، T_inertia: استهلاك طاقة التسارع للدوار والمادة أثناء مرحلة بدء التشغيل.

2.2 بناء النموذج الرياضي
استنادًا إلى ميكانيكا الموائع وديناميكيات الأجسام الصلبة، تم وضع معادلة حساب عزم الدوران على النحو التالي:

Ttotal​=K⋅ρ⋅N2⋅D5+Cf​⋅μ⋅Fn​+J⋅dtdω​

حيث: K: معامل انسيابي للمادة (تم قياسه ومعايرته)؛

ρ: كثافة الخرسانة؛ N: سرعة دوران عمود المحرك؛ D: قطر دوران الشفرة؛ J: عزم القصور الذاتي.

3. معايرة المعلمات الرئيسية والتصميم التجريبي

3.1 اختبار المعلمات الريولوجية
باستخدام مقياس لزوجة دوراني ومستشعر ضغط، تم قياس إجهاد الخضوع τ₀ واللزوجة البلاستيكية μ_p للخرسانة بنسب خلط مختلفة لإنشاء علاقة ربط مع عزم الدوران.

3.2 تحديد كفاءة النقل
من خلال مقارنة الطاقة بدون حمل والطاقة المحملة، تم حساب الكفاءة الشاملة η_transmission للمكونات مثل علبة التروس والمحامل (القيمة المقاسة 85٪ - 92٪).

3.3 مخطط تجريبي متعدد الشروط
تم تصميم اثنتي عشرة مجموعة من الاختبارات التي تغطي الخرسانة من C20 إلى C60 والهبوط من 60 إلى 200 مم، وتسجيل بيانات مثل عزم الدوران والتيار ودرجة الحرارة بتردد أخذ عينات يبلغ 100 هرتز.

4. التحليل التجريبي لاختيار الحركة

4.1 مقارنة أخطاء الاختيار
طريقة الاختيار | متوسط ​​الخطأ | أقصى خطأ | معدل فائض الطاقة

الصيغة التجريبية التقليدية | +18% | +35% | 22%

حساب النموذج | ±4.2% | ±6.8% | 5%

القيمة الموصى بها من قبل الشركة المصنعة | +12% | +25% | 15%

4.2 قياس فوائد توفير الطاقة

تطبيق هذا النموذج على خط إنتاج الخرسانة الذي تبلغ طاقته الإنتاجية 500,000 متر مكعب سنوياً:

تم تحسين الطاقة المركبة من 110 كيلوواط إلى 93 كيلوواط، أي بانخفاض قدره 15.5%؛

توفير سنوي في استهلاك الكهرباء يبلغ حوالي 86000 كيلوواط ساعة، مما يؤدي إلى توفير في تكلفة الكهرباء يبلغ حوالي 60000 يوان؛

انخفض ارتفاع درجة حرارة المعدات بمقدار 8 درجات مئوية، وتم تمديد العمر الافتراضي المتوقع بنسبة 20%.

4.3 التحقق من الاستقرار
أظهرت 3000 ساعة من المراقبة المستمرة للتشغيل ما يلي:

ظل معدل حمل المحرك مستقرًا ضمن النطاق المثالي من 85٪ إلى 95٪؛

انخفضت سعة تقلبات التيار بنسبة 40%؛

لم تحدث أي ظواهر تتعلق بزيادة الحمل أو نقص الطاقة.

5. التطبيقات الهندسية وبناء قواعد البيانات

5.1 بنية قاعدة بيانات الاختيار
يدمج منحنيات الأداء لأكثر من 30 علامة تجارية محلية وعالمية للسيارات، ويدعم استرجاع البيانات البارامترية ومطابقة التوصيات، بما في ذلك:

خصائص عزم الدوران والسرعة المقدرة؛

حدود سعة التحميل الزائد وتردد بدء التشغيل والإيقاف؛

تصنيف كفاءة الطاقة ومعامل ارتفاع درجة الحرارة.

5.2 تطوير منصة الاختيار الذكي
يوفر أدوات حسابية عبر الإنترنت. يقوم المستخدمون بإدخال معلمات مثل نسب خلط الخرسانة ومتطلبات الطاقة الإنتاجية لإنشاء نماذج محركات مثالية، وتكوينات مخفضات السرعة، وتقارير توقع استهلاك الطاقة.

5.3 الحالة النموذجية
بعد أن اعتمد مصنع مكونات الخرسانة الجاهزة هذا النموذج للتجديد:

انخفض استهلاك الطاقة للخلاط لكل دورة من 3.8 كيلوواط ساعة إلى 3.2 كيلوواط ساعة؛

انخفضت تكاليف شراء السيارات بنسبة 12%؛

تحسن معامل توحيد الخلط إلى 0.92.

6. توجيهات المناقشة والتوسع

6.1 قيود النموذج
تحتاج المعايير الريولوجية للمواد المتطرفة (مثل الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية) إلى مزيد من المعايرة؛

لم يتم نمذجة تقلبات عزم الدوران أثناء التغذية الديناميكية للمواد بشكل كامل.

6.2 التوسع التكنولوجي

دمج تقنية التوأم الرقمي لتحقيق التنبؤ بعزم الدوران في الوقت الفعلي والتحكم التكيفي؛

تطوير نظام تشخيصي لحالة صحة الحركة قائم على الذكاء الاصطناعي.

6.3 التوصيات القياسية
تشجيع الصناعة على صياغة "مواصفات تصميم مطابقة الطاقة للخلاطات ثنائية المحور"، وتوضيح حساب عزم الدوران ومعايير اختبار الاختيار.

7. الخاتمة
قامت هذه الدراسة، من خلال النمذجة النظرية والتحليل التجريبي، ببناء نموذج مُحسَّن لمطابقة الطاقة في الخلاطات القسرية ثنائية المحور، مما أدى إلى تحسين دقة وكفاءة اختيار المحرك بشكل ملحوظ. يستطيع النموذج التحكم في خطأ الاختيار ضمن نطاق ±5%، وتحقيق وفورات هندسية في الطاقة تتجاوز 15%. وفي المستقبل، يُمكن لدمج التعلم الديناميكي للمعلمات والتحكم الذكي أن يُعزز تطوير معدات الخلط نحو مزيد من الكفاءة والذكاء.