تويت
جر في مركبات
Traction in the vehicle - Traction dans le véhicule
الجر في المركبات
المركبات هي الآليات التي تقوم بنقل الركاب والبضائع والثروات وغيرها. تسير المركبات على الطرق البرية المختلفة وعلى الخطوط الحديدية. وتسير على سطح الأرض، وفي أنفاق تحت الأرض. تستخدم المركبات المختلفة أنواعاً مختلفة من القدرة: الطاقة الحرارية الناتجة من احتراق المشتقات النفطية، الطاقة الكهربائية، طاقة البخار وغيرها.
الجر في السيارات Traction in cars
تستخدم السيارات المختلفة مشتقات النفط (البنزين، وقود الديزل) أساساً كمصدر للطاقة الحرارية في محركات حرارية heat engine وغالباً محركات الاحتراق الداخلي internal combustion engine، وظهرت في العقود الأخيرة محركات تعمل على الوقود الغازي بنوعيه الحر والمميّع.
المحرك الحراري في السيارات هو مصدر الطاقة، يحول طاقة الوقود الكامنة إلى طاقة محركة وحرارة، ثم إلى طاقة ميكانيكية (عمل ميكانيكي)، وتنقل الطاقة الميكانيكية الناتجة من المحرك إلى مستهلك الطاقة (العجلات) بمساعدة تجهيزات ميكانيكية متسلسلة: الفاصل الواصل (يفصل علبة السرعة عن المحرك)، علبة السرعة (تحتوي على عدة سرعات أمامية وسرعة خلفية واحدة)، جملة ميكانيكية أخرى من عمود نقل الحركة (التربيعات والمفاصل cardan) وجملة المسننات التفاضلية ومحاور نقل الحركة وغيرها.
وتتولد قوة الجر traction force أو عزم الجر traction torque نتيجة التماسك الحاصل بين العجلات المطاطية للسيارة وسطح الطريق. وتساوي قيمة قوة الجر (الشد) جداء القوة الناظمية المؤثرة في نقطة ارتكاز العجلة على الخط في معامل التماسك الحاصل بينهما.
وتولد قوة الجر عزماً مساوياً لجداء القوة في نصف قطر العجلة.
الجر في قاطرات الخطوط الحديدية traction in locomotive
تستخدم قاطرات الخطوط الحديدية طرائق كثيرة في الجر: الجر البخاري، الجر الحراري، الجر الكهربائي وغيرها.
- الجر البخاري: (القاطرة البخارية) steam traction
تعتمد القاطرة البخارية على المجموعة البخارية في عملية الجر. وتتألف المجموعة البخارية من المرجل (مولد البخار) والمحرك البخاري الذي يحول طاقة البخار إلى عمل ميكانيكي (طاقة ميكانيكية) ينتقل إلى العجلات مباشرة بمساعدة تجهيزات ميكانيكية خاصة.
تستخدم في القاطرة البخارية مصادر الطاقة الحرارية المختلفة: الفحم الحجري والفحوم الأخرى، المشتقات النفطية وغيرها.
أدت القاطرة البخارية دوراً محورياً في مجال النقل والمواصلات في العالم طوال القرن التاسع عشر عندما لم تكن السيارات قد ظهرت بعد. وانحسر دورها في القرن العشرين وانتهى تقريباً في النصف الثاني منه، وذلك بظهور الجر الكهربائي والجر بقاطرات الديزل. وهناك محاولات للعودة للجر البخاري على القاطرات بوساطة مفاعل ذري صغير الحجم.
- الجر الحراري: (قاطرات الديزل) heat traction
استبدل بالمجموعة البخارية في هذه القاطرات محرك ديزل، وازدادت بذلك الاستطاعة في القاطرات كثيراً (تتجاوز استطاعة القاطرة الحديثة 3000 كيلوواط)، وارتفع مردودها. وتتطلب قاطرة الديزل مواصفات استثمارية معينة أهمها أن تكون العلاقة بين قوة الجر (عزم الجر) وسرعة الحركة انسيابية: تتناسب قوة الجر عكساً مع سرعة الحركة، وتنطبق مع منحني القطع الزائد. وتتناسب استطاعة الديزل طرداً مع عدد دوراته، في الوقت الذي يفضّل أن تبقى استطاعة القاطرة (من استطاعة الديزل) ثابتة في أعلى قيمة لها (خلال الاستثمار) مهما تغيرت سرعة الحركة، لذلك لابد من إدخال حلقة وسيطة بين الديزل والعجلات (منظومة نقل وتحويل الطاقة) وفي هذا المجال تستخدم ثلاث منظومات مختلفة:
1 - منظومة النقل الميكانيكي المباشر (قاطرة ديزل ميكانيكية).
2 - منظومة النقل الكهربائي (قاطرة ديزل كهربائية).
3 - منظومة النقل الهدروليكي (قاطرة ديزل هدروليكية).
يتم تغيير سرعة القاطرات بثلاث طرائق: التأثير على استطاعة محرك الديزل بالتأثير على تغذيته بالوقود وهذه طريقة شاملة. أو بتغيير مخطط ربط محركات الجر الكهربائية بالمنوِّبة الرئيسية (تتغير قيم الجهد والتيار الكهربائيين). أو من تغيير سرعة القاطرة بالتأثير على تيار التحريض في محرك الجر، إذ تزداد سرعة دورانه بانخفاض تيار التحريض والعكس بالعكس. وتوجد قاطرات تعمل على العنفات التوربينية بدلاً من محرك الديزل ولا تختلف في عملها عن قاطرة الديزل سوى في مصدر الطاقة (العنفة).
- الجر الكهربائي electrical traction
تستخدم بعض أنواع المركبات في المدن (الحافلة الكهربائية ـ الترولي باص) وبعض القاطرات (مترو سطح ومترو الأنفاق) وبعض قاطرات الخطوط الحديدية على المسافات الطويلة، الجر الكهربائي باستخدام محركات كهربائية electrical engine، وتستمد الطاقة الكهربائية من الشبكة العامة مباشرة، من أعلى المركبة أو من الأسفل. تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ثم تنقل مباشرة إلى العجلات وتتولد قوى الجر وعزوم الجر كما في المركبات العادية تماماً.
- الجر في المركبات العصرية
مركبات الوسادة الهوائية والوسادة المغنطيسية: تعمل مركبات الوسادة الهوائية على وسادة من الهواء المضغوط كائنة في أسفل المركبة، تولدها مراوح تعمل على القوة الطاردة المركزية توضع في أسفل المركبة. تستطيع الوسادة حمل المركبة في حالة الحركة وفي حالة الوقوف على ارتفاع محدود عن سطح الطريق.
وتعمل مركبات الوسادة المغنطيسية على وسادة تتولد وفق مبدأ التنافر المغنطيسي المعروف بين قطبين مغنطيسيين متماثلين. يعمل جسم المركبة قطباً أولاً وسطح الطريق قطباً ثانياً وتحتاج الوسادة المغنطيسية إلى تيارات كهربائية مرتفعة جداً تسري في وشائع مركبة في أسفل المركبة وأخرى ثابتة مركبة على سطح الطريق.
تسبح هذه المركبات فوق الأرض ولا تلامسها (تنعدم عملية الاحتكاك بين المركبة والطريق). وتبلغ سرعة هذه المركبات العصرية 400كم/سا أو أكثر. وتعد منافساً قوياً للطائرات. تَستخدم مركبات الوسادة الهوائية المحركات الحرارية العادية بما فيها المحرك التوربيني النفاث engine- jet-turbo.
وتستخدم مركبات الوسادة المغنطيسسية المحركات الكهربائية الخطية. ولا تحتوي هذه المحركات على القلب الدوّار (الروتر) كالمحركات الكهربائية العادية، ويؤدي الطريق دور الثابت في المحرك. وتتميز هذه المحركات بمواصفات عالية، وتستطيع تطوير سرعات عالية جداً، لكنها عالية الكلفة.
تختلف عملية الجر في المركبات العصرية هذه عن المركبات التقليدية، إذ لا تتشكل فيها عزوم للجر بل قوى للجر وتدفع المركبة بالاتجاه المطلوب. ولا تسير على العجلات ولا تحتاج إليها إلا لحظة الإقلاع والوقوف وتطوى العجلات في أسفل جسم المركبة بعد الإقلاع تماماً كما في الطائرات.
وتحتاج مركبات الوسادة المغنطيسية إلى نظام تحكم متكامل فائق الحساسية والفاعلية للمحافظة بدقة على توجه المركبة وارتفاعها عن سطح الطريق، ومنع الانحراف الجانبي للمركبة. وقد دخلت هذه المركبة في الاستثمار في كثير من البلدان الصناعية المتقدمة.
مركبات الطاقة الشمسية: تعمل هذه المركبات على الطاقة الشمسية وتسير على العجلات كما في السيارات العادية. تستمد الطاقة الشمسية وتحولها إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية الكثيرة التي تغطي جسم المركبة في الأعلى، وتتحول الطاقة الكهربائية المتولدة إلى طاقة ميكانيكية بمساعدة المحركات الكهربائية الموجودة على محاور الحركة في المركبة. وتتولد قوى الجر وعزوم الجر في هذه المركبات كما في السيارات تماماً. ومازالت هذه المركبات في طور البحث والتطوير في الدول المتقدمة.
علي صبح
Traction in the vehicle - Traction dans le véhicule
الجر في المركبات
المركبات هي الآليات التي تقوم بنقل الركاب والبضائع والثروات وغيرها. تسير المركبات على الطرق البرية المختلفة وعلى الخطوط الحديدية. وتسير على سطح الأرض، وفي أنفاق تحت الأرض. تستخدم المركبات المختلفة أنواعاً مختلفة من القدرة: الطاقة الحرارية الناتجة من احتراق المشتقات النفطية، الطاقة الكهربائية، طاقة البخار وغيرها.
الجر في السيارات Traction in cars
تستخدم السيارات المختلفة مشتقات النفط (البنزين، وقود الديزل) أساساً كمصدر للطاقة الحرارية في محركات حرارية heat engine وغالباً محركات الاحتراق الداخلي internal combustion engine، وظهرت في العقود الأخيرة محركات تعمل على الوقود الغازي بنوعيه الحر والمميّع.
المحرك الحراري في السيارات هو مصدر الطاقة، يحول طاقة الوقود الكامنة إلى طاقة محركة وحرارة، ثم إلى طاقة ميكانيكية (عمل ميكانيكي)، وتنقل الطاقة الميكانيكية الناتجة من المحرك إلى مستهلك الطاقة (العجلات) بمساعدة تجهيزات ميكانيكية متسلسلة: الفاصل الواصل (يفصل علبة السرعة عن المحرك)، علبة السرعة (تحتوي على عدة سرعات أمامية وسرعة خلفية واحدة)، جملة ميكانيكية أخرى من عمود نقل الحركة (التربيعات والمفاصل cardan) وجملة المسننات التفاضلية ومحاور نقل الحركة وغيرها.
وتتولد قوة الجر traction force أو عزم الجر traction torque نتيجة التماسك الحاصل بين العجلات المطاطية للسيارة وسطح الطريق. وتساوي قيمة قوة الجر (الشد) جداء القوة الناظمية المؤثرة في نقطة ارتكاز العجلة على الخط في معامل التماسك الحاصل بينهما.
وتولد قوة الجر عزماً مساوياً لجداء القوة في نصف قطر العجلة.
الجر في قاطرات الخطوط الحديدية traction in locomotive
تستخدم قاطرات الخطوط الحديدية طرائق كثيرة في الجر: الجر البخاري، الجر الحراري، الجر الكهربائي وغيرها.
- الجر البخاري: (القاطرة البخارية) steam traction
تعتمد القاطرة البخارية على المجموعة البخارية في عملية الجر. وتتألف المجموعة البخارية من المرجل (مولد البخار) والمحرك البخاري الذي يحول طاقة البخار إلى عمل ميكانيكي (طاقة ميكانيكية) ينتقل إلى العجلات مباشرة بمساعدة تجهيزات ميكانيكية خاصة.
تستخدم في القاطرة البخارية مصادر الطاقة الحرارية المختلفة: الفحم الحجري والفحوم الأخرى، المشتقات النفطية وغيرها.
أدت القاطرة البخارية دوراً محورياً في مجال النقل والمواصلات في العالم طوال القرن التاسع عشر عندما لم تكن السيارات قد ظهرت بعد. وانحسر دورها في القرن العشرين وانتهى تقريباً في النصف الثاني منه، وذلك بظهور الجر الكهربائي والجر بقاطرات الديزل. وهناك محاولات للعودة للجر البخاري على القاطرات بوساطة مفاعل ذري صغير الحجم.
- الجر الحراري: (قاطرات الديزل) heat traction
استبدل بالمجموعة البخارية في هذه القاطرات محرك ديزل، وازدادت بذلك الاستطاعة في القاطرات كثيراً (تتجاوز استطاعة القاطرة الحديثة 3000 كيلوواط)، وارتفع مردودها. وتتطلب قاطرة الديزل مواصفات استثمارية معينة أهمها أن تكون العلاقة بين قوة الجر (عزم الجر) وسرعة الحركة انسيابية: تتناسب قوة الجر عكساً مع سرعة الحركة، وتنطبق مع منحني القطع الزائد. وتتناسب استطاعة الديزل طرداً مع عدد دوراته، في الوقت الذي يفضّل أن تبقى استطاعة القاطرة (من استطاعة الديزل) ثابتة في أعلى قيمة لها (خلال الاستثمار) مهما تغيرت سرعة الحركة، لذلك لابد من إدخال حلقة وسيطة بين الديزل والعجلات (منظومة نقل وتحويل الطاقة) وفي هذا المجال تستخدم ثلاث منظومات مختلفة:
1 - منظومة النقل الميكانيكي المباشر (قاطرة ديزل ميكانيكية).
2 - منظومة النقل الكهربائي (قاطرة ديزل كهربائية).
3 - منظومة النقل الهدروليكي (قاطرة ديزل هدروليكية).
يتم تغيير سرعة القاطرات بثلاث طرائق: التأثير على استطاعة محرك الديزل بالتأثير على تغذيته بالوقود وهذه طريقة شاملة. أو بتغيير مخطط ربط محركات الجر الكهربائية بالمنوِّبة الرئيسية (تتغير قيم الجهد والتيار الكهربائيين). أو من تغيير سرعة القاطرة بالتأثير على تيار التحريض في محرك الجر، إذ تزداد سرعة دورانه بانخفاض تيار التحريض والعكس بالعكس. وتوجد قاطرات تعمل على العنفات التوربينية بدلاً من محرك الديزل ولا تختلف في عملها عن قاطرة الديزل سوى في مصدر الطاقة (العنفة).
- الجر الكهربائي electrical traction
تستخدم بعض أنواع المركبات في المدن (الحافلة الكهربائية ـ الترولي باص) وبعض القاطرات (مترو سطح ومترو الأنفاق) وبعض قاطرات الخطوط الحديدية على المسافات الطويلة، الجر الكهربائي باستخدام محركات كهربائية electrical engine، وتستمد الطاقة الكهربائية من الشبكة العامة مباشرة، من أعلى المركبة أو من الأسفل. تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ثم تنقل مباشرة إلى العجلات وتتولد قوى الجر وعزوم الجر كما في المركبات العادية تماماً.
- الجر في المركبات العصرية
مركبات الوسادة الهوائية والوسادة المغنطيسية: تعمل مركبات الوسادة الهوائية على وسادة من الهواء المضغوط كائنة في أسفل المركبة، تولدها مراوح تعمل على القوة الطاردة المركزية توضع في أسفل المركبة. تستطيع الوسادة حمل المركبة في حالة الحركة وفي حالة الوقوف على ارتفاع محدود عن سطح الطريق.
وتعمل مركبات الوسادة المغنطيسية على وسادة تتولد وفق مبدأ التنافر المغنطيسي المعروف بين قطبين مغنطيسيين متماثلين. يعمل جسم المركبة قطباً أولاً وسطح الطريق قطباً ثانياً وتحتاج الوسادة المغنطيسية إلى تيارات كهربائية مرتفعة جداً تسري في وشائع مركبة في أسفل المركبة وأخرى ثابتة مركبة على سطح الطريق.
تسبح هذه المركبات فوق الأرض ولا تلامسها (تنعدم عملية الاحتكاك بين المركبة والطريق). وتبلغ سرعة هذه المركبات العصرية 400كم/سا أو أكثر. وتعد منافساً قوياً للطائرات. تَستخدم مركبات الوسادة الهوائية المحركات الحرارية العادية بما فيها المحرك التوربيني النفاث engine- jet-turbo.
وتستخدم مركبات الوسادة المغنطيسسية المحركات الكهربائية الخطية. ولا تحتوي هذه المحركات على القلب الدوّار (الروتر) كالمحركات الكهربائية العادية، ويؤدي الطريق دور الثابت في المحرك. وتتميز هذه المحركات بمواصفات عالية، وتستطيع تطوير سرعات عالية جداً، لكنها عالية الكلفة.
تختلف عملية الجر في المركبات العصرية هذه عن المركبات التقليدية، إذ لا تتشكل فيها عزوم للجر بل قوى للجر وتدفع المركبة بالاتجاه المطلوب. ولا تسير على العجلات ولا تحتاج إليها إلا لحظة الإقلاع والوقوف وتطوى العجلات في أسفل جسم المركبة بعد الإقلاع تماماً كما في الطائرات.
وتحتاج مركبات الوسادة المغنطيسية إلى نظام تحكم متكامل فائق الحساسية والفاعلية للمحافظة بدقة على توجه المركبة وارتفاعها عن سطح الطريق، ومنع الانحراف الجانبي للمركبة. وقد دخلت هذه المركبة في الاستثمار في كثير من البلدان الصناعية المتقدمة.
مركبات الطاقة الشمسية: تعمل هذه المركبات على الطاقة الشمسية وتسير على العجلات كما في السيارات العادية. تستمد الطاقة الشمسية وتحولها إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية الكثيرة التي تغطي جسم المركبة في الأعلى، وتتحول الطاقة الكهربائية المتولدة إلى طاقة ميكانيكية بمساعدة المحركات الكهربائية الموجودة على محاور الحركة في المركبة. وتتولد قوى الجر وعزوم الجر في هذه المركبات كما في السيارات تماماً. ومازالت هذه المركبات في طور البحث والتطوير في الدول المتقدمة.
علي صبح