ثلاثة حلول لتعديل الهيكل الميكانيكي لمعالجة مشكلة التغذية غير المتساوية في آلات تصنيع الطوب

الملخص: يُعدّ عدم انتظام تغذية المواد عائقًا رئيسيًا يُقيّد جودة وكفاءة إنتاج آلات صناعة الطوب، ويؤدي مباشرةً إلى مشاكل مثل عدم تجانس كثافة الكتل، وتفاوت قوتها، وتآكل القوالب بشكل غير طبيعي، وزيادة استهلاك الطاقة. تقترح هذه الدراسة ثلاثة مخططات تعديل مُوجّهة من منظور تحسين البنية الميكانيكية: تعديل وحدة التغذية الحلزونية المزدوجة للتجانس القسري، وتطوير الصومعة المتكاملة ذات الغربال الاهتزازي والمخزن المؤقت، والتصميم المبتكر لموزع مواد من نوع الكاشطة المُحاكية للطبيعة. من خلال التحليل النظري والمحاكاة والتحقق على خط الإنتاج، تم التحقق بشكل منهجي من تأثير كل مخطط على تحسين انتظام تغذية المواد. أظهرت التجربة العملية إمكانية تطبيق المخططات الثلاثة بشكل فردي أو مُجتمعة، مما يُتيح التحكم في معامل تشتت قوة ضغط الكتل في حدود 5%، وزيادة عمر القوالب بنسبة 40-50%، وتقليل معدل الهدر بنسبة 60-70%، مما يُوفر حلاً قابلاً للتطوير لصناعة طوب فعّالة ومنخفضة الاستهلاك.

الكلمات المفتاحية: آلة تصنيع الطوب؛ تغذية غير منتظمة للمواد؛ هيكل ميكانيكي؛ وحدة تغذية حلزونية مزدوجة؛ غربال اهتزازي؛ مكشطة محاكاة حيوية

1. مقدمة

باعتبارها المعدات الأساسية في إنتاج مواد البناء، يؤثر استقرار نظام تغذية آلة تصنيع الطوب بشكل مباشر على جودة تشكيل القوالب. حاليًا، تعاني معظم آلات تصنيع الطوب من مشكلة شائعة تتمثل في عدم انتظام تغذية المواد، والتي تتجلى في التطبق، أو انقطاع التدفق، أو انفصال المواد الخام أثناء النقل والتوزيع والتعبئة، مما يؤدي إلى عيوب مثل تدرجات الكثافة وعدم تجانس قوة القوالب. تركز أساليب التحسين التقليدية في الغالب على ضبط معايير العملية (مثل تردد الاهتزاز وسرعة التغذية)، دون معالجة المشكلة الأساسية على مستوى الهيكل الميكانيكي. تقترح هذه الورقة البحثية ثلاثة مخططات لتعديل الهيكل الميكانيكي للحلقات الرئيسية الثلاث لنظام التغذية - النقل، والفرز، والتوزيع - بهدف تحسين انتظام تغذية المواد بشكل جذري من خلال الابتكار الهيكلي، وتعزيز تطوير معدات تصنيع الطوب نحو الدقة والذكاء.

2. أسباب ومخاطر التغذية غير المتساوية للمواد

2.1 الأسباب الرئيسية

وصلة النقل: يؤدي "تأثير الفراغ المركزي" في وحدة التغذية أحادية البرغي إلى تدفق غير مستقر للمواد؛

رابط الفرز: تفتقر الصوامع التقليدية إلى وظائف التدرج، مما يؤدي إلى خلط الركام بأحجام جسيمات مختلفة وتقلبات في قابلية التدفق؛

رابط التوزيع: يفتقر هيكل الكاشطة إلى الصلابة ولا يمكنه التكيف مع الخصائص الريولوجية للمواد اللزجة.

2.2 مظاهر الخطر

يتجاوز معامل تشتت قوة الضغط للكتل 15٪، ومعدل تأهيل المنتج أقل من 85٪؛

يصل الفرق في معدل التآكل الموضعي للقالب إلى 300%، ويتم تقصير متوسط ​​العمر الافتراضي بنسبة 40%؛

تصل نسبة هدر المواد الخام إلى 8%-12%، ويزداد استهلاك الطاقة لكل طن من المنتج بنسبة 15%-20%.

3. ثلاث خطط لتعديل الهيكل الميكانيكي

3.1 تعديل وحدة التغذية بالتجانس القسري ذات الحلزون المزدوج

يُطوّر هذا التصميم بنية الحلزون الأحادي التقليدية إلى نظام حلزوني مزدوج متناظر. تعتمد شفرات الحلزون المزدوج تصميم دوران عكسي، مما يُولّد قوة دفع شعاعية أثناء النقل المحوري، ويقضي تمامًا على الفراغات المركزية. تشمل التقنيات الرئيسية ما يلي:

تحسين المعلمات الهيكلية: تم تصميم طول اللولب وقطره بنسبة 1:2.5، وفجوة الشفرة قابلة للتعديل ديناميكيًا؛

نظام تحكم ذكي: دمج مستشعر الرطوبة ومحرك التردد المتغير، مما يحقق تحكمًا في الحلقة المغلقة بدقة معدل تدفق تبلغ ±3%؛

معالجة مقاومة للتآكل: طلاء كربيد التنجستن المغطى بالليزر على سطح الشفرة، مما يطيل عمرها الافتراضي بمقدار 3 أضعاف.

نتائج التنفيذ: زادت نسبة تجانس تعبئة المواد من 65% إلى 95%، وزادت كفاءة النقل بنسبة 25%.

3.2 شاشة اهتزازية متكاملة مطورة وصومعة تخزين

لمعالجة مشكلة اختلاف أحجام جزيئات المواد الخام، يتضمن هذا الحل نظام غربلة اهتزازية متدرجة ثلاثية المراحل داخل الصومعة. كل طبقة غربلة مزودة بمحول طاقة فوق صوتي مستقل (تردد قابل للتعديل من 25 إلى 40 كيلوهرتز) لتحقيق فرز وتصنيف ديناميكي. تم تركيب حجرة عازلة للضغط في الأسفل، مع تثبيت الضغط في الوقت الفعلي عبر وحدة تحكم PID. تشمل الابتكارات الرئيسية ما يلي:

وحدة الفرز والتصنيف: تصميم متدرج لفتحة الشاشة ثلاثية الطبقات (10 مم / 5 مم / 2 مم)، مما يحقق كفاءة تصنيف بنسبة 90٪؛

نظام تخفيف الضغط: نطاق ضغط غرفة التخفيف قابل للتعديل من 0.1 إلى 0.5 ميجا باسكال، وقت الاستجابة <0.1 ثانية؛

تصميم التنظيف الذاتي: الشاشة مزودة بجهاز نفخ عكسي لمنع الانسداد.

نتائج التنفيذ: تم تقليل معدل تذبذب سرعة تغذية المواد من ±25% إلى ±5%، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لخطوط إنتاج الركام المعاد تدويره من مخلفات البناء.

3.3 تصميم مبتكر لموزع مواد من نوع الكاشطة الحيوية

لحل مشكلة توزيع المواد اللزجة، يحاكي هذا الحل آلية نبض أوراق النبات، مطورًا نظام كاشط هيدروليكي متعدد المفاصل. يعتمد الكاشط تصميمًا تكيفيًا متغير الانحناء، وهو مزود بآلية حركة بست درجات حرية. تشمل الإنجازات التكنولوجية الرئيسية ما يلي:

التصميم الهيكلي الحيوي: تم تحسين سطح الكاشطة بناءً على منحنيات B-spline، مما يحقق ملاءمة أكبر من 95٪؛

نظام قيادة ذكي: أسطوانة مؤازرة هيدروليكية مقترنة بخوارزمية تحكم ضبابية تتيح توزيع المواد المرن ثلاثي الأبعاد؛

تقنية الطلاء المضاد للالتصاق: يتم رش طلاء مركب من البولي تترافلوروإيثيلين وكربيد السيليكون على سطح الكاشطة، مما يقلل معامل الاحتكاك بنسبة 70٪.

نتائج التنفيذ: زادت نسبة تجانس توزيع كتل الرماد المتطاير من 60% إلى 85%، وتم تقصير وقت التعبئة بنسبة 20%.

4. تحليل الفوائد

المزايا الشاملة:

تحسين الجودة: استقر معدل تأهيل المنتج عند أكثر من 98% من 86%؛

خفض التكاليف: متوسط ​​وفورات سنوية في تكاليف الصيانة بقيمة 150,000 يوان صيني لكل وحدة، وانخفاض في نفايات المواد الخام بنسبة 8٪؛

المساهمة البيئية: ارتفع محتوى الرماد المتطاير إلى 45%، وزاد معدل استخدام مخلفات النفايات بنسبة 30%.

5. النقاط الرئيسية لتنفيذ المشروع

5.1 عملية التحويل المعياري

مرحلة التشخيص: استخدام الماسح الضوئي الليزري لقياس توزيع تدفق المواد وإنشاء نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد؛

مرحلة التصميم: تحسين المعلمات الهيكلية بناءً على محاكاة ANSYS لإنشاء رسومات تحويل مخصصة؛

مرحلة التنفيذ: تحول سريع في غضون 7-15 يومًا، يدعم البناء المجزأ دون انقطاع خط الإنتاج؛

مرحلة التحقق: تثبيت نظام مراقبة عبر الإنترنت لتتبع المؤشرات الرئيسية في الوقت الفعلي.

5.2 مسار الترقية الذكي
جميع الحلول تحتفظ بواجهات إنترنت الأشياء، مما يتيح توسيع الوظائف التالية:

نظام التوأم الرقمي: رسم خرائط في الوقت الفعلي لحالة إمدادات المواد والتنبؤ بدورات الصيانة؛

خوارزمية تحسين الذكاء الاصطناعي: تقوم تلقائيًا بضبط معلمات التشغيل بناءً على البيانات التاريخية؛

منصة التشغيل والصيانة عن بعد: تتيح تشخيص الأعطال والدعم الفني عبر الإنترنت.

6. الخاتمة والتوقعات
تعمل مخططات تعديل الهيكل الميكانيكي الثلاثة المقترحة في هذه الدراسة على تحسين تجانس إمداد المواد في آلات صناعة الطوب بشكل منهجي، وذلك من خلال معالجة العيوب الهيكلية في مراحل النقل والغربلة وتوزيع المواد. ويتميز هذا الحل بالخصائص الهامة التالية:

الابتكار: إن التجانس القسري ذو الحلزون المزدوج، والفحص بالاهتزاز فوق الصوتي، وتصميم الكاشطة المحاكية للطبيعة كلها أمور جديدة في الصناعة؛

من الناحية العملية: التعديل المعياري يلغي الحاجة إلى استبدال الوحدة الرئيسية، مما يؤدي إلى فترة استرداد قصيرة للاستثمار؛

قابلية التوسع: فهي تضع الأساس المادي للتحديث الذكي لآلات صنع الطوب.

يمكن أن تركز التوجهات البحثية المستقبلية على ما يلي: ① تطوير نظام تحكم في تغذية المواد في الوقت الفعلي باستخدام تقنية الرؤية الآلية؛ ② دراسة تطبيق تقنية الطلاء النانوي في المكونات المقاومة للتآكل؛ ③ إنشاء نموذج تحسين متكامل متعدد التخصصات للتحكم الميكانيكي والهيدروليكي. من خلال الابتكار المستمر، سندفع بتطور معدات صناعة الطوب نحو جيل جديد من الأنظمة التكنولوجية الذكية عالية الدقة ومنخفضة استهلاك الطاقة.