فيزياء التقطيع: عزم الدوران، الأسنان، الشاشات

لا تُعدّ آلات التقطيع الصناعية مجرد كسارات عشوائية، بل هي آلات مصممة بدقة عالية تستغل الخصائص الميكانيكية للمواد لإحداث التلف. وسواءً أكانت تعالج أغشية البولي إيثيلين منخفض الكثافة بسمك 100 ميكرون أو صفائح فولاذية بسمك 20 مم، فإن المبادئ الفيزيائية الأساسية تبقى كما هي. تجاوز إجهاد القص قوة المادة. يستكشف هذا الدليل مبادئ الهندسة الميكانيكية الكامنة وراء تصغير الحجم.

المعدات ذات الصلة: آلة تمزيق ذات عمود واحد.

1. ميكانيكا فشل المواد

تستخدم آلات التقطيع بشكل أساسي قص على الرغم من أن القوى الشد و انضغاطي تؤدي القوات أدوارًا داعمة.

القص مقابل التمزق

• فشل القص: يحدث ذلك عندما تمر شفرتان متقابلتان بجانب بعضهما البعض دون أي خلوص، على غرار المقص.
  • معادلة: $\tau = F / A$ حيث $\tau$ هو إجهاد القص، و$F$ هي القوة، و$A$ هي مساحة المقطع العرضي.
  • طلبالإطارات، المعادن، البلاستيك الصلب.
• الفشل الناتج عن الشد (التمزق)يحدث ذلك عندما يمسك الخطاف بالمادة ويسحبها ضد سكين أو شبكة، مما يؤدي إلى شدها حتى تنقطع.
  • طلب: المنسوجات، السجاد، الحقائب الكبيرة.

2. حساب عزم الدوران وقوة القطع

نادراً ما تُقاس "قوة" آلة التقطيع بالكيلوواط؛ بل تُقاس بحوالي عزم الدوران ($T$).

$$T = (P × 9550) / n$$

أين:
* $T$ = عزم الدوران (نيوتن متر)
* $P$ = القدرة (كيلوواط)
* $n$ = سرعة الدوران (RPM)

رؤية هندسيةينتج محرك بقدرة 100 كيلوواط يعمل بسرعة 1500 دورة في الدقيقة (للمُحَبِّب) عزم دوران يبلغ حوالي 636 نيوتن متر. وينتج عن تشغيل نفس المحرك بقدرة 100 كيلوواط بسرعة 80 دورة في الدقيقة (للمُفَرِّق) عبر علبة تروس بنسبة 20:1 عزم دوران يبلغ حوالي 636 نيوتن متر. 11937 نيوتن متر عزم الدوران. لهذا السبب تستطيع آلات التقطيع قطع إطارات السيارات، بينما تتوقف آلات التحبيب فوراً.

3. هندسة القطع: "العض"‘

تتحدد كفاءة آلة التقطيع من خلال زاوية الميل و شكل الخطاف.

نسبة الربح الإيجابية مقابل نسبة الربح السلبية

• زاوية ميل موجبةيميل وجه النصل داخل القطع.
  • تأثير: قطع أكثر دقة، استهلاك أقل للطاقة.
  • مخاطرةحافة هشة، عرضة للتشقق على المعدن.
• زاوية ميل سالبةيميل وجه النصل بعيد من القطع.
  • تأثيرقوة حافة عالية (قوة غير حادة)، استخدام طاقة أعلى.
  • الأفضل لـ: خردة المعادن، الإلكترونيات.

تأثير "القضم".

يتم ترتيب شفرات الدوار بطريقة محددة نمط حلزوني (شفرات على شكل حرف V) على طول العمود. يضمن هذا أن شفرة واحدة أو اثنتين فقط تقطعان في أي جزء من الألف من الثانية. إذا اصطدمت جميع الشفرات بالمادة في وقت واحد، فإن "حمل الصدمة" سيتسبب في توقف المحرك. يخلق الحلزون حركة قطع مستمرة وسلسة، مما يؤدي إلى استقرار سحب التيار.

4. ديناميكيات الشاشة

تحدد الشاشة حجم الإخراج ولكنها تعمل كعائق رئيسي.

• نسبة المساحة المفتوحة (OAR)نسبة الثقوب إلى المعدن الصلب.
  • معيار: 35-45% منطقة مفتوحة.
  • قاعدة الإنتاجيةتتناسب السعة طرديًا مع نسبة مساحة الفتحة. فالشاشة ذات الثقوب بقطر 50 مم تتمتع بنسبة مساحة فتحات أعلى بكثير من تلك ذات الثقوب بقطر 20 مم، وغالبًا ما تؤدي إلى مضاعفة الإنتاجية.
• إعادة التدويرالمواد التي لا تمر عبر الغربال تُعاد إلى أعلى بواسطة الدوار ("المواد المتبقية") لإعادة تقطيعها. يؤدي التدوير المفرط إلى توليد الحرارة والغبار (الجسيمات الدقيقة)، مما يقلل من الكفاءة.

5. أنظمة الدفع: الهيدروليكية مقابل الكهربائية

• مبادئ القيادة الهيدروليكية:
  • يستخدم مضخة إزاحة متغيرة.
  • ميزةيُمكنه توليد عزم دوران عالٍ جدًا عند سرعات دوران منخفضة دون ارتفاع درجة الحرارة. مفيد في حالات الانحشار "غير القابلة للتفتيت" حيث تكون هناك حاجة إلى عكس تلقائي سريع.
• محرك كهربائي (VFD):
  • يستخدم محول تردد للتحكم في تردد التيار المتردد.
  • ميزةكفاءة أعلى في استهلاك الطاقة (95% مقابل 75% للأنظمة الهيدروليكية). صيانة أقل (لا تسرب للزيت).

خاتمة

يتطلب اختيار آلة التقطيع موازنة هذه القيود الفيزيائية. فالآلة المصممة لمعالجة القص العالي (كالإطارات) ستفشل في معالجة الألياف عالية الشد (كالحبال) بسبب الالتفاف. ويُعدّ فهم آلية فشل المادة الخطوة الأولى في تصميم الآلة.

مراجع

[1] "ميكانيكا المواد"،“ هيبيلر. ميكانيكا المواد
[2] "تصميم معدات التقطيع"،“ مجلة إدارة النفايات. تصميم معدات التقطيع