فهم دور علم التريبات في عملية المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية

مقدمة

ويتوقف أداء وطول المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية على مراقبة الاحتكاك والارتداء في كل واجهة اتصال، وفي حين أن التصميم الكهربائي والمغنطيكي كثيرا ما يهيمن على الضوء، فإن التفاعلات الميكانيكية بين الأجزاء المتحركة تحدد كفاءة العالم الحقيقي والموثوقية وتكاليف الصيانة، ويفيد علم التريب في تصميم أسطح متفاعلة في الحركة النسبية المبادئ الأساسية التي يستخدمها المهندسون للتقليل من خسائر الطاقة، ويمنع الفشل في الخدمة الكهربائية، ويمتد نطاقه.

ويُعزى الخصوم إلى جزء كبير من خسائر الطاقة في الآلات التناوبية، ووفقاً لتقديرات الصناعة، فإن ما يقرب من 20 إلى 30 في المائة من الطاقة التي تستهلكها المحركات الكهربائية تُفرَّق كثافة بسبب الاحتكاك في العلامات والختم وغير ذلك من الاتصالات المتداعمة، وبالمثل، يمكن أن تؤدي الارتداءات غير المتحكم فيها إلى انخفاض في الوقت المكلَّف وإلى حدوث إخفاقات في نظم المعالجة باختلالات.

وتتوسع هذه المادة في المحتوى الأصلي لتوفير دليل شامل وعملي للتربولوجيا في المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية، وتغطي الآليات الأساسية والتطبيقات المحددة والتكنولوجيات الناشئة التي تشكل الجيل القادم من آلات الكهرباء الدوارة.

The Fundamentals of Tribology

إن التريبولوجيا مجال متعدد التخصصات يجمع بين الهندسة الميكانيكية وعلم المواد والكيمياء، وهواجسها الأساسية هي الاحتكاك واللبس والتشحيم - ثلاث ظواهر مترابطة تحكم سلوك الاتصال بالأسطح تحت الحمولة والحركة.

الاختصار في أجهزة التناوب

والثغرة هي المقاومة التي تصادفها إحدى الواجهات السطحية عند الانتقال إلى أخرى، ففي المحركات الكهربائية والمولدات، تحدث الاحتكاكات في المقام الأول في المحركات، والأختام، والاتصالات بين أجهزة التحكم بالريشة (في أجهزة العاصمة)، وأي واجهة تنهار بين الأجزاء المتحركة والمحطة، ويتوقف معامل الاحتكاك على المواد، والخصوبة السطحية، وسمكة الأفلام الشهوانية، وظروف التشغيل مثل السرعة والحمولة ودرجة الحرارة.

وهناك نوعان رئيسيان من الاحتكاكات هما:

الاحتكاك الثابت ]: القوة المطلوبة لبدء الحركة، وهي عادة أعلى من الاحتكاك الدينامي ويمكن أن تؤدي إلى مشاكل في التحكّم أثناء بدء التشغيل.
Kinetic (dynamic) friction]: المقاومة بينما السطحات قيد التنفيذ، وفي ملامح مُحكمة، يهيمن على ذلك مُسَوَّل في الفيلم المُشَحْلِق بدلاً من الاتصال المباشر بالحب.

ففهم نظام الاحتكاك - المختلط أو الهيدرودينامي - أمر حاسم لاختيار المزيج الصحيح والتنبؤ بخسائر الطاقة، مثلاً في محركات التراكب الكهربائية التي تعمل على نطاق واسع، قد تنتقل المؤثرات من التشحيم المختلط بسرعة منخفضة إلى التحلل الكامل للهيدردينامي بسرعة عالية، مما يتطلب تركيبات مصممة خصيصاً.

الآليات المغلقة التي تؤثر على الآلات الكهربائية

والملابس هي الخسارة التدريجية للمواد من سطح الاتصال، ففي المحركات والمولدات، يمكن للملابس أن يُعرّض للخطر التسامح في مجال إزالة الألغام، ويزيد من اليقظة، ويولد الملوثات، ويتسبب في نهاية المطاف في الضبط أو الفشل.

Abrasive wear]: caused by hard particles (contaminants or wear debris) that scrap or cut the surface. Common in poorly sealed bearings or where lubricants are contaminated.
Adhesive wear]: يحدث عندما يؤدي الحام البارد المحلي بين الارواح إلى نقل مادي، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة في الاتصالات ذات الأسعار المنخفضة أو الجافة، مثل حلقات الزلقة والفروم.
Fatigue wear]: repeated cyclic loading leads to subsurface cracks that propagate and cause pating or spalling. This is the dominant failure mode in rolling-element bearings under high loads.
Corrosive wear]: chemical attack of the surface, often accelerated by moisture, acids from degraded lubricants, or electrical discharge machining (EDM) from shaft currents in changing-frequency drives.

وتطالب كل آلية بوضع استراتيجيات مختلفة للتخفيف من آثارها، وتغطية المآوي من أجل الإغراق، وحزم مضافات مضافة أفضل لأجهزة التشحيم، وفولاذ أنظف للإجهاد، وقطع الفرشاة أو تركيب الأصابع للتصريف الكهربائي.

دور التطهير

ويفصل التطهير بين سطحين متحركين وبين فيلم رقيق يقلل من الاحتكاك والارتداء، وفي المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية، يجب أن يوفر أيضاً التبريد والحماية من التآكل، وكثيراً ما يُبعد عن المحملات، أما نظم التشحيم الرئيسية الثلاثة فهي:

Hydrodynamic lubrication: فيلم مستمر مسيل يفصل تماماً الأسطح، ويحدث هذا في المجلات ذات السرعة العالية بما فيه الكفاية، وهو أكثر النظم كفاءة مع الحد الأدنى من الاحتكاك والارتداء.
Elastohydrodynamic lubrication (EHL)]: في الرواسب والعتاد المتداولة، يخلق التشوه الفائق للسطح، مقترناً بسلوك الضغط والتكدس الذي يمارسه الصانعون، فيلماً رقيقاً جداً يحول دون الاتصال بالمعادن.
]Boundary lubrication: تحت السرعة المنخفضة، أو حمولات عالية، أو أفلام رقيقة، فإن الظواهر السطحية تتواصل.

ويتوقف اختيار زيت قاعدي مسببات التشحيم (الخامي أو التركيبي أو القابل للتحلل الأحيائي) والحزمة المضافة على درجة حرارة التشغيل والسرعة والحمولة والقيود البيئية، ويتزايد استخدام الزيوت التركيبية في تطبيقات عالية الأداء والمركبات الكهربائية بسبب استقرارها الحراري المتميز به وتقلبها.

علم التضاريس في المحركات الكهربائية

وتتحول السيارات الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة آلية، وتتأثر كفاءتها وموثوقيتها بشكل مباشر بالتصميم الثلاثي في المواضع والأختام، وأجهزة التبريد (في بعض التصميمات) أو حلقات الزلقة.

نظم التحكّم

فالأغلفة هي أهم العناصر الثلاثية الأبعاد في أي آلة تناوبية، وفي المحركات الكهربائية، تكون أكثر الأنواع شيوعاً هي محملات الكرة الأرضية العميقة (لحمولات نصف قطرية ومتوسطة) وعلامات الدراجات الكظرية (لحمولات الإشعاع الثقيلة) ويمكن تحديد سرعة عالية أو ظروف قصوى، أو كرات اتصال غير عادية أو ملامح سائل السائل.

وتشمل الاعتبارات الثلاثية الرئيسية للحملات النارية ما يلي:

Load rating and life]: معدّل الحياة متناسب مع تحميله على السلطة الثالثة (الحملات الكروية) أو 10/3 (الحملات) - تقلّل اختيارات الحملات الصحيحة من إرتداءات الدهون.
Clearance and preload]: والكثير من التطهير يزيد من اليقظة ويرتدي؛ ويؤدي القليل جدا إلى توليد الحرارة والفشل المبكر.
Cage material and design]: الأقفاص ترشد العناصر المتداولة وتخفض الاحتكاك، والأقسام البوليمرة (مثلا، البوليميد) شائعة في المحركات الكهربائية بسبب انخفاض الكتلة وتحسين التوافق في التشحيم، ولكن الأقفاص المعدنية تستخدم في درجات الحرارة العالية.

استراتيجيات التطهير للصيد العرضي

ومعظم المحركات الكهربائية من صغيرة إلى متوسطة مجهزة بالبضائع للبساطة والإعالة المنخفضة، وزراعة الغريزة هي مادة شبه ثابتة للتزليق تتألف من زيت الأساس وسمكين وكميات إضافة، واختيار الشحوم السليم والترددات ذات أهمية حيوية:

NLGI consistency grade]: NLGI 2 or 3 greases are typical for ball bearings; softer grades for centralized systems.
Base oil viscosity]: يجب أن يكون كافياً لتشكيل فيلم منفصل في درجة حرارة التشغيل.
Additives for electric motors]: anti-wear, rust inhibition, and oxidation stability are essential. For machines exposed to shaft currents, electrically conductive or insulating greases may be required to prevent EDM damage.

وتستخدم زيوت التشحيم في محركات أكبر أو في محركات تحمل علامات مبطأة بالزيوت، وتوفر نظم تداول النفط التشحيم والتبريد على السواء، وتتسم بحساسية الزيوت الحسنة، والزيوت الاصطناعية، والتبريد بأهمية حاسمة للحفاظ على الفيلم الهيدرودينامي.

تخفيض الصبغة في واجهات روتور - ستاتور

وفي حين أن الرواد لا يتصل ماديا بالمحرك في العمليات العادية، فإن الفجوة الجوية ليست واجهة ثلاثية الأبعاد، ولكن التأثيرات الثانوية هي:

Windage losses]: احتكاك بين سطح الدوار وسطح الهواء المحيط أو الغاز المبرد يرتفع بسرعة وسطحية، وتخفض سطح الماء الغازي المنخفض التبريد هذه الخسائر.
Seal friction]: labyrinth seals or contact seals around the shaft generate frictional losses and wear. Non-contact seals (gas seals, magnetic seals) are used in high-efficiency or high-speed machines.
Brush friction]: في محركات العاصمة ومولدات توجيه الجروح، تنزلق الفرشاة على الموصلات أو حلقات الزلقة.

مهندسو اختيار المواد وسطحها

ويمكن أن يؤدي اختيار المواد المناسبة للارتطام والاتصالات المتجددة إلى تحسين مقاومة اللبس والحد من الاحتكاك، وتشمل المواد المشتركة في الدوافع النارية الفولاذ الكرومي (ISSI 52100) للكرات والخواتم، والصلب المرفوع للحالات، أما بالنسبة للبيئات المتطرفة، فإن الكرات الخزفية (النيت السيليكونية) تستخدم بشكل متزايد في الأغلفة، والزراعة.

كما أن تقنيات الهندسة السطحية مثل التغليف والنص والعلاج الحراري تزيد من تعزيز الأداء الثلاثي:

Diamond-like carbon (DLC) coatings] on rolling elements or raceways reduce friction and improve surface hardness.
Phosphating or nitriding] of ferrous components improves wear resistance and prevents scuffing during boundary lubrication.
Surface texturing with microdimples] can act as lubricant reservoirs and entrap wear debris, extending bearing life.

علم التضاريس في المولدات

ويحول المولدات الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، وكثيرا ما تكون سريعة (آلات متزامنة) أو سريعة متغيرة (التوربينات المتأصلة) وتشبه التحديات الثلاثية الدراجات النارية، ولكنها كثيرا ما تكون أشد حدة بسبب أحجام أكبر، وارتفاع الحمولات، واستمرار التشغيل.

مولدات كبيرة الحجم

وفي المولدات الكهربائية ذات النطاق الكمالي (التركات الغازية، والتوربينات البخارية، والمولدات المائية)، يمكن للمرور أن يزن عشرات الأطنان ويدور في 3000 أو 3600 ريم بري، وتكون الملامح عادة مستعملة لحملات المجلات أو ذات أكمام ثابتة تعمل تحت التهوية الهيدرودينامية، وتشمل الجوانب الرئيسية ما يلي:

Babbitt linings: a soft white metal (tin- or lead-based) that embeds hard particles and accommodates mild misalignment. Proper babbitness and bonding are crucial to avoid fatigue failure.
Oil movie fishness and stability]: في السرعة العالية، يمكن أن يحدث سوط النفط أو نمر النفط، مما يسبب الاهتزاز.
نظام التركيـز ]: التداول القسري للنفط بمضخات عالية القدرة، ومبردات، ومصفوفات هو معياري، ويجب إبقاء النفط خاليا من الماء والجسيمات لمنع الارتداء التآكلي وقطعه.

ويجب أن تدعم المولدات الصدئة في المولدات العمودية (مثل الهيدرو) الحمولات المحورية الهائلة، وتستخدم مواصفات الدفع المجزأة أو المرصودة بالزجاجات المجزأة، وتُشحّل بإمدادات نفطية مستمرة، ويُعتبر الزرء عند البدء وإغلاقها (التركيب المختلط) من الاعتبارات الرئيسية في التصميم.

ارتديت في مقاطع شفاه وبروس

وتستخدم المولدات التي تتطلب استئصالا من الدوار (مثل المولدات المتزامنة في حقول الجروح) حلقات زلة وكراتب كربون لنقل التيار المائي إلى الهواء الميداني المتناوب، وتجرب هذه الاتصالات الكهربائية المتطايرة على اللبس الميكانيكي والكهربائي:

Mechanical wear]: from abrasive and adhesive mechanisms. The brush spring pressure must be set to maintain good contact without excessive friction. Typical brush pressure is 15 -25 kPa for natural graphite brushes.
Electrical wear]: بسبب الحلق والتأثير من التخفيف أو سوء الاتصال، وهذا يزيد من الكثافة الحالية ويمكن أن يتسبب في فقدان المواد بسرعة وتشوه سطحها.
Third-body layers]: a high surface film formed by reaction of carbon with moisture and oxygen from the air actually reduces friction. Low humidity (below 5 mg/L) can lead to rapid brush wear.

نظم الإثارة الحديثة التي لا تُشَدَّل، تزيل حلقات الزلقة، ولكنها تُدخل أجهزة استصلاح آلية ومعالجات دوارة لا تزال تعتمد على الاتصالات الثلاثية في الموصلات، وبالنسبة للآلات الموجودة، فإن التفتيش المنتظم على الفرشاة، والتجهيز السطحي، هي مهام أساسية في مجال الصيانة.

التبريد والتبريد في مولدات القوى العالية

وتولد المولدات الكبيرة حرارة كبيرة من كل من المصادر الكهربائية (الخسائر في الفلفل والحديد) والمصادر الميكانيكية (الاحتكاكات الحاد والرياح) وكثيرا ما يدمج التبريد في التشحيم:

Oil-to-water heat exchangers] cool the lubricating oil before it returns to the bearings.
Hydrogen cooling] in large turbine electricitys reduces windage losses because hydrogen has lower density than air. However, it requires special sealing systems (oil-film seals) on the shaft, which themselves are tribological components prone to wear and leakage.
يمكن للمولدات الكهربائية العاملة بالطائرات أو المزودة بالهواء أن تستخدم حملات غير مجهزة بالبضائع على آلات أصغر، ولكن تسرب النفط أو زيت الطائرات النفاثة شائع في المولدات المتوسطة الحجم.

ويجب استيعاب التوسع الحراري للسرقات والمساكن من خلال تصميم التطهير وتقديم الدعم المرن.

الأثر على الكفاءة والحياة

وتؤثر الإدارة التضاريسية تأثيرا مباشرا على كفاءة الطاقة وحياة تشغيل السيارات الكهربائية والمولدات الكهربائية، ويساعد تحديد هذه الآثار على تبرير الاستثمار في تحسين زيوت التشحيم، والمعاطف، وممارسات الصيانة.

فقدان الطاقة من الفريك

ويُعزى الاختلال في العلامات والأختام إلى جزء قابل للقياس من مجموع الخسائر، ففي محرك نموذجي يبلغ 100 كيلوواط، قد تكون خسائر الاحتكاك 0.1 إلى 0.5 في المائة من الطاقة المقومة، ولكن في محركات الهرمونات الصغيرة، يمكن أن تكون النسبة أعلى، وفي إطار الحمولات الثقيلة أو سوء التشحيم، فإن خسائر الاحتكاك قد ترتفع بدرجة كبيرة.

وفي المولدات الكهربائية، يمكن أن تهيمن الخسائر الناجمة عن الريح بسرعة عالية على الخسائر الميكانيكية، ويمكن أن يؤدي استخدام الغازات المبردة المنخفضة الكثافة أو غرف الفراغ إلى خفض هذه المولدات، وعلى سبيل المثال، تحقق المولدات المزودة بالهيدروجينات تقل سرعة الرياح عن الوحدات المجهزة بالهواء بنفس السرعة.

الصيانة والاعتماد

والفشل الضعيف هو أكثر الأسباب شيوعاً في الوقت غير المخطط له في تناوب الآلات الكهربائية، وتشير الدراسات إلى أن حالات الفشل في الحمل تمثل أكثر من 40 في المائة من الانهيارات في السيارات، وأن الممارسات التليفية الفعالة - التزليق، ومكافحة التلوث، ورصد الأوضاع - تمتد الحياة المباشرة، وتخفض فترات الصيانة، وتمنع الفشل الكارثي.

ويمكن لتقنيات الصيانة الافتراضية مثل تحليل الاهتزاز، وتحليل النفط، وعلم الحرارة أن تكشف عن علامات مبكرة على الضائقة الثلاثية، ويمكن لتحليل النفط مثلا أن يكشف عن وجود الفلزات البيردة (الريون، النحاس، القصدير) وتدهور التشحيم، مما يتيح إجراء تغييرات في النفط أو استبدال المكونات في الوقت المناسب.

الحلول الثلاثية المتقدمة

وما زالت البحوث والتطوير الجارية تدفع حدود التريبولوجيا إلى الآلات الكهربائية، التي تدفعها مطالب ارتفاع كثافة الطاقة، والحياة الأطول، وانخفاض الصيانة.

اللوبريات الصلبة والتزكية

وفي التطبيقات التي لا يمكن فيها استخدام المواد الكيميائية التقليدية - مثل بيئات الفراغ، أو درجات الحرارة القصوى، أو عمليات التشحيم التي تراعي التلوث - توفر بديلاً.

وتطبق المعاطف المتقدمة مثل المنشقين (WS₂) والكربون المشابه للماس على العناصر المتداولة والممرات العرقية، ويمكن أن تقلل المعاطف المحتوية على مركبات DLC من معامل الاحتكاك إلى أقل من 0.05 وأن تحسن بشكل كبير مقاومة الازدحام.

رصد الحالات والصيانة الافتراضية

ويمكن للمستشعرات الذكية المدمجة في نظم التحميل أو التشحيم رصد درجة الحرارة والهتزازات ونوعية النفط في الوقت الحقيقي، ويمكن لمستشعرات الحطام على الإنترنت أن تكتشف الجسيمات الحديدية التي تهبط إلى بضعة مجهرات، مما يتيح الصيانة القائمة على الظروف بدلا من فترات ثابتة، وهذا النهج له قيمة خاصة بالنسبة للمولدات الحيوية والمحركات الصناعية الكبيرة التي تكون فيها الكميات غير المرتجلة باهظة.

الاتجاهات الناشئة في علم التريبات للآلات الكهربائية

Dielectric lubricants for electric vehicles]: With high-voltage motors, the lubricant must be electrically insulating to prevent current leakage and arcing. Special synthetic base stocks with high resistanceivity and low conductivity are being developed.
Magnetic liquid seals and bearings]: ferrofluids can be used in seals to eliminate contact wear entirely.
Additive manufacturing for bearings]: 3D-printed metal and polymer bearing components with optimized internal geometries for better lubricant flow and reduced weight are in development.
Biodegradable and renewable lubricants]: الأنظمة البيئية تتجه نحو أجهزة تشحيم قائمة على أستر أو زراعية تتدهور دون إلحاق الضرر بالنظم الإيكولوجية، ولا سيما بالنسبة للمولدات المائية والمناورات الريحية الخارجية.

خاتمة

ولا يعتبر التريبولوجيا تخصصاً في مجال التخصص، بل هو نظام أساسي لتشغيل المحركات الكهربائية والمولدات بكفاءة وموثوقية، ومن الكدمات الصغيرة في محرك من طراز DC إلى محركات القوى الشرائية إلى المحركات الكبيرة التي تستخدم في الطلاءات في مسببة للاضطرابات من الدرجة الأولى، ومبادئ الاحتكاك، والارتداء، ومواد التشحيم، والأداء الذي يحكم عملية التأقلم في مجال رصد الظروف غير الدقيقة.

أفرقة هندسية تدمج الاعتبارات الثلاثية في مرحلة التصميم التي تُنقّب العلامات الصحيحة، وتحدد مواد التشحيم المناسبة، وتصمم من أجل إنشاء آلات فعالة لمراقبة التلوث تلبي متطلبات الطلب في التطبيقات الحديثة في مجالات الصناعة والنقل والطاقة، وبما أن العالم ينتقل نحو الكهربة وارتفاع كثافة الطاقة، فإن التريبولوجيا ستظل عاملاً حاسماً في التمكين من التقدم التكنولوجي المستدام.