كيف يؤثر تصميم الهيكل السفلي في استقرار الآلة على المنحدرات

توزيع ضغط الأرض واستقرار المنحدرات

إن توزيع الوزن بشكلٍ صحيح يُعد أمرًا بالغ الأهمية لتشغيل الماكينة بأمان على المنحدرات. فعندما لا تكون ضغوط الأرض متساوية، تنشأ مشكلات عدم الاستقرار التي تتفاقم كلما زادت درجة الانحدار. ويعرف معظم الناس أن هذا يحدث عادةً عندما تكون البكرات غير مُحاذاة أو عندما تظهر علامات التآكل على نقاط الدوران نتيجة الاستخدام المستمر. ونتيجةً لذلك، ينتج اختلال في توزيع الوزن على الماكينة، ما يؤدي فعليًّا إلى خفض قوة الاحتكاك بين الأسطح. وتُظهر الاختبارات التي أُجريت على منصات الميل أن هذا قد يرفع احتمال الانزلاق الجانبي بنسبة تزيد عن ٤٠٪. وفي الوقت نفسه، تزداد احتمالية انقلاب الماكينة بسبب انتقال مركز ثقلها بشكلٍ غير متوقع. وللتغلب على هذه المشكلات، تعتمد شركات تصنيع المعدات الكبيرة أنظمة خاصة لضبط شد السلاسل، بالإضافة إلى وضع بكرات التوجيه (Idlers) بدقة في مختلف أجزاء الهيكل. وهذه التعديلات تساعد في الحفاظ على توازن الضغط عبر جميع نقاط التلامس تحت الماكينة، مما يجعلها أكثر كفاءةً في التعامل مع الظروف الصعبة للتضاريس.

كيف يؤدي عدم تساوي ضغط الأرض إلى زيادة احتمال الانزلاق الجانبي وخطر الانقلاب على المنحدرات

يمكن أن تؤدي مشاكل الضغط على المنحدرات إلى عدم استقرارٍ جسيمٍ بطريقتين رئيسيتين: الأولى عندما ينهار التربة محليًّا، والثانية عندما يتحول الوزن بشكل غير متساوٍ عبر الآلة. وتتفاقم هذه المشكلة عندما تُطبَّق مناطق ثقيلة ضغطًا أشدّ مما تستطيع التربة تحمله، لا سيما في ظروف الطين الرطب أو الصخور المفكَّكة. وهذا يؤدي إلى تشكُّل مناطق ضعيفة مباشرةً تحت الأماكن التي يتركَّز فيها معظم الضغط. وفي الوقت نفسه، تميل المناطق ذات الضغط الأقل إلى الانزلاق أكثر، فتؤدي دور نقاط الدوران التي تسبِّب انقلاب الآلات بشكل غير متوقَّع. ووفقاً للاختبارات المنصوص عليها في المعيار الدولي ISO 5010 لعام 2021، فإن حتى الفروقات الصغيرة في الضغط تكتسب أهمية كبيرة. ففقط وجود فرقٍ نسبته ١٥٪ في الضغط على منحدر بزاوية تبلغ نحو ٢٠ درجة يجعل احتمال الانقلاب أعلى بستة أضعاف. وللمواجهة هذه المشكلات، بدأ مصنعو المعدات باستخدام عناصر مثل قضبان الموازنة المتأرجحة والوسادات القابلة للتعديل على السلاسل (المسارات). وهذه المكوِّنات تساعد في توزيع القوة عبر أجزاء مختلفة من الآلة أثناء حركتها، وهي ميزة تبيَّن أنها بالغة الأهمية للحفاظ على استقرار الحفَّارات بغض النظر عن حجمها أو عن عرض إعداداتها.

فوائد الطفو الناتجة عن عرض المسار المُحسَّن: بيانات اختبار ISO 10266 المتعلقة بقدرة الاحتفاظ على المنحدرات

تُحسِّن الملفات العريضة للمسار الأداء على المنحدرات من خلال فيزياء الطفو. وبتوسيع مساحة التماس مع سطح الأرض، تقلِّل التصاميم المُحسَّنة ضغط الأرض بنسبة تصل إلى ٣٥٪ مقارنةً بالتصاميم القياسية. ويؤدي هذا إلى إحداث تأثير شفط يُعادل قوى الانزلاق الجاذبية — وهي مبدأ تم التحقق منه في الاختبارات الاعتمادية وفق المعيار ISO 10266:2023:

تعكس البيانات ظروف التربة وفق معيار ASTM F1637 عند محتوى رطوبة ٣٠٪

يساعد اتساع القاعدة الأعرض في توزيع العزم بشكل أفضل عبر نظام الهيكل السفلي بالكامل، ويحافظ على استقرار الآلة أثناء الحركة. وفعليًّا، يمنع هذا من أن يصبح سطح الأرض مُكثَّفًا جدًّا في نقطة واحدة أثناء المنعطفات، وهي ميزةٌ بالغة الأهمية للحفاظ على المسار أثناء العمل على المنحدرات التي تزيد درجة ميلها عن ٣٠ درجة. وخصوصًا في الأجواء الرطبة، فإن الآلات المزودة بمسارات ضيقة تتعرَّض للانزلاق بنسبة تصل إلى ٧٠٪ أكثر من غيرها. وفي الوقت الراهن، تستفيد المعدات المصمَّمة للمنحدرات الوعرة استفادةً جيدةً من العلاقة بين العرض والضغط لتجاوز التحديات الصعبة في التضاريس التي قد توقف آلات أخرى تمامًا.

سحب المواد وتفاعل السطح على المنحدرات الزلقة

المقارنة بين معامل الجر للمسارات الفولاذية والمطاطية (معيار ASTM F1809) في ظروف المنحدرات الرطبة والوحلية والجليدية

عندما يتعلق الأمر بالمنحدرات الجافة، فإن السلاسل الفولاذية توفر في الواقع قوة جرٍّ أفضل بنسبة تبلغ حوالي ١٨٪ مقارنةً بالمطاط، حيث تشير الأرقام إلى معامل جرٍّ قدره ٠,٤٢ للصلب مقابل ٠,٣٥ للمطاط وفقًا لمعايير ASTM F1809-22. لكن الأمور تتغير بشكلٍ كبيرٍ عند النظر إلى ظروف الطين الرطب. فالمطاط يتفوق حقًّا هنا، مُحقِّقًا أداءً أفضل من الصلب بنسبة تقارب ٢٧٪ بفضل قدرته الفائقة على التكيُّف والالتصاق بالسطح. أما على المنحدرات الجليدية ذات الميل ٢٥ درجة، فإن المطاط المُ Vulcanized لا يزال قادرًا على الالتصاق بالأرض بشكلٍ جيدٍ نسبيًّا، إذ يبلغ معامل جرِّه نحو ٠,٢٨ بسبب تشوهه الطفيف على المستوى المجهرى. أما الصلب فلا يحظى بنفس الحظ، إذ ينخفض معامل جرِّه إلى ٠,١٩ فقط في ظل الظروف نفسها. وتكتسب هذه الفروق أهمية كبيرةً في تصميم الهيكل السفلي واستقرار الآلة ككل. فالمرونة التي يتمتع بها المطاط تساعد في تقليل مشكلات الانزلاق أثناء حالات الانزلاق المائي (Hydroplaning)، بينما تميل الآلات المزودة بسلاسل فولاذية إلى الانزلاق بسهولةٍ أكبر على تلك الأسطح المتجمدة التي يكون فيها الالتصاق محدودًا أصلاً.

فقدان الاستقرار الناتج عن التآكل: منحنيات تدهور قوة الجر للمسارات المطاطية على المنحدرات التي تزيد ميلها عن ٣٠°

تبدأ المسارات المطاطية في فقدان قوة جرها بشكل ملحوظ بعد حوالي ٢٠٠٠ ساعة من التشغيل، وبخاصة عند صعود التلال ذات الانحدار الأكبر من ٣٠ درجة. وتنخفض عامل الجر انخفاضًا حادًّا من حوالي ٠٫٣٨ إلى ٠٫٢٣ فقط في الظروف الطينية، ما يجعل الآلات أكثر عُرضةً للانقلاب بشكل كبير. فما السبب في ذلك؟ يكمن السبب الرئيسي في أن النتوءات (الأسنان) تتعرض للانضغاط تدريجيًّا مع مرور الوقت، وتتشكل شقوق دقيقة على السطح المطاطي، مما يؤدي إلى عدم قدرتها على إزالة الطين بكفاءة كافية في التربة الغنية بالطين. وفي الواقع، تنزلق الآلات العاملة بهذه المسارات المستهلكة مرتين أكثر من نظيراتها الجديدة تمامًا عند التشغيل على المنحدرات التي تزيد ميلها عن ٣٥ درجة. وللتصدي لهذه المشكلة، يصمِّم معظم مصنِّعي المعدات مساراتهم بحيث تكون الكتل موزَّعة بشكل متداخل (غير متساوٍ)، مع الحفاظ على مسافات كافية بينها لتلبية المتطلبات الأساسية للأمان أثناء العمل على الأراضي شديدة الانحدار وفقًا للمعايير الصناعية.

الهندسة الحركية والتحكم في انتقال الوزن

تكوين المحرك النهائي (القيادة المنخفضة/العالية) وتأثيره على توجيه العزم وانزياح مركز الثقل أثناء الصعود/النزول

مكان تركيب محرك القيادة النهائية يُحدث فرقًا كبيرًا في الحفاظ على استقرار الآلات أثناء تحركها عبر المنحدرات. ففي الترتيبات ذات القيادة المنخفضة، يقع ترس القيادة تحت إطار السير، ما يؤدي فعليًّا إلى خفض مركز الثقل (CoG) بنسبة تتراوح بين ١٢ و١٨٪ مقارنةً بالترتيبات ذات القيادة العالية. ويُسهم هذا الترتيب في تقليل حركات الانحناء المزعجة عند تسلُّق التلال، لأن عزم الدوران يتوزَّع بشكل متساوٍ على طول الهيكل السفلي بدلًا من أن يتجمع في نقطة واحدة. وهذا يعني عدم حدوث انزياحات مفاجئة في توزيع الوزن قد تؤدي إلى انقلاب الآلة للخلف على المنحدرات التي يتجاوز ميلها نحو ٢٥ درجة. وعند النزول من المنحدرات، تستخدم هذه الأنظمة تروسًا كوكبيةً خاصةً للحفاظ على ثبات شد السير، وبالتالي تنخفض احتمالات انزلاق الآلة بشكل غير خاضع للسيطرة. كما تُظهر الاختبارات الميدانية نتائج مذهلةً حقًّا: فالآلات المزودة بأنظمة القيادة المنخفضة تنزلق جانبيًّا بنسبة أقل بنحو ٤٠٪ على المنحدرات الصخرية الصلبة (Shale slopes). وتتمكَّن من تحقيق ذلك عن طريق مقاومة القوى الطاردة المركزية باستخدام مبادئ الرافعة الميكانيكية الأساسية، ما يجعلها أكثر أمانًا وقابليةً للتنبؤ في الظروف التضاريسية الصعبة.

مفصل الدوران والوصلة: تحقيق التوازن بين مطابقة التضاريس والصلابة الهيكلية لتشغيل المنحدرات الحادة

تتيح المفاصل المحورية في الأنظمة المفصصة للآلات الانحناء والمرونة أثناء الحركة على الأراضي الوعرة دون أن تنفصل أجزاؤها. وعادةً ما تتضمّن هذه المفاصل أذرعاً ذات محامل كروية كروية تسمح بحركة عمودية تبلغ حوالي ١٥ درجة لكل عجلة من عجلات العربة. وهذا يساعد المسارات (السلاسل) على البقاء في اتصال مع سطح الأرض دون التواء الإطار. لكن هناك تنازلاً هنا أيضاً: فالكثير من المرونة قد يؤدي فعلياً إلى عدم الاستقرار. ووفقاً لمعايير الاختبار، فإن الآلات المُصنَّعة بأنظمة مفصصة جامدة تميل إلى الانقلاب بنسبة أقل بـ ٢٨٪ على المنحدرات التي تبلغ زاويتها ٣٠ درجة. ويجد المهندسون الأذكياء حلاً وسطاً باستخدام محامل أسطوانية مدببة، والتي تتعامل مع القوى الجانبية بكفاءة أكبر مع الحفاظ في الوقت نفسه على الحركة الزاوية ضمن الحدود المسموح بها. وتضمن التصاميم الجيدة أن يبقى تشوه الإطار أقل من خمسة ملليمترات حتى عند الخضوع لأقصى الأحمال الجانبية، مما يضمن توزيع الوزن بشكلٍ سليم بين المسارات وسطح الأرض — وهو أمرٌ بالغ الأهمية للحفاظ على استقرار الآلة على المنحدرات الشديدة.

الأنظمة المزودة بمسارات مقابل الأنظمة المزودة بعجلات: لماذا؟ الهيكل السفلي يحدد التصميم أداء المركبة على المنحدرات

ما يُميِّز الآلات المزوَّدة بالسلاسل حقًّا عن نظيراتها ذات العجلات يعود في الأساس إلى الطريقة التي توزِّع بها وزنها على سطح الأرض، وهي عاملٌ حاسمٌ عند العمل على المنحدرات. فباستخدام السلاسل، ينتشر وزن الآلة على مساحة سطحية أكبر بكثير، وبالتالي فإن الضغط الواقع على سطح الأرض يكون أقلَّ بكثيرٍ مما عليه في حالة العجلات. كما أن هذا الترتيب يجعل ارتفاع الآلة من سطح الأرض أقلَّ، ويزيد من قدرتها على الإمساك بالأرض بفضل الجاذبية، ما يقلِّل احتمال انزلاقها جانبيًّا على التلال. أما العجلات فهي تروي قصة مختلفة: فهي تحمل كل الوزن على بضع نقاط صغيرة جدًّا، ما قد يؤدي إلى غمرها في التربة الرخوة وصعوبة الحفاظ على وضعها الثابت بمجرد تجاوز ميل المنحدر نحو ١٥ درجة. وقد لاحظ خبراء القطاع أن الآلات المزوَّدة بالسلاسل تبقى على اتصالٍ مع سطح الأرض لمدة أطول بنسبة تصل إلى ٤٠٪ تقريبًا عند المنحدرات التي تبلغ زواياها ٣٠ درجة، وهو ما يساهم بطبيعة الحال في استقرار التشغيل على تلك المنحدرات الجانبية الصعبة. وعند التعامل مع التضاريس شديدة الانحدار، حيث يشكِّل خطر الانقلاب مصدر قلقٍ رئيسيٍّ، يصبح اختيار الهيكل السفلي المناسب أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلامة العاملين.

الأسئلة الشائعة

ما هي المخاطر الرئيسية المرتبطة بضغط الأرض غير المتساوي على المنحدرات؟

يزيد الضغط غير المتساوي للأرض على المنحدرات من خطر الانزلاق الجانبي والانقلاب. ويمكن أن تؤدي النقاط الثقيلة إلى انهيار محلي في سطح الأرض، بينما قد يؤدي التوزيع غير المتوازن للوزن إلى انقلاب مفاجئ وفقدان الاستقرار.

كيف تعالج شركات تصنيع المعدات مشكلات استقرار المنحدرات؟

تستخدم الشركات أنظمة شد السلاسل، والعوارض الموازنة، والوسادات القابلة للتعديل للسلاسل، وملفات السلاسل الأوسع لضمان توزيع متوازن لضغط الأرض وتعزيز استقرار المنحدرات.

ما الفوائد المترتبة على استخدام السلاسل المطاطية بدلًا من السلاسل الفولاذية على مختلف التضاريس؟

توفر السلاسل المطاطية قبضة أفضل في الظروف الرطبة والوحلية بفضل قدرتها على التكيف مع سطح الأرض، في حين توفر السلاسل الفولاذية قبضة أعلى على الأسطح الجافة. كما تقلل السلاسل المطاطية من الانزلاق على الأسطح الجليدية.

كيف يؤثر تصميم المحرك النهائي (Final Drive) على استقرار الآلة على المنحدرات؟

تُخفض إعدادات القيادة المنخفضة مركز الثقل، مما يقلل من حركات الانحناء وانزياحات توزيع الوزن، وبالتالي يحسّن الاستقرار على المنحدرات الصاعدة والنازلة على حدٍّ سواء.