كيف تتحمل مشابك التعليق الاهتزاز؟

تحدي الاهتزاز: لماذا يجب أن تقاوم مشابك التعليق الأحمال الاهتزازية الدقيقة والحركية

آليات الاهتزازات الأويليان وتأثيرها على واجهات الموصل-المثبت

عندما تهب رياحٌ ثابتة بسرعة تتراوح بين نحو ٥ و٢٥ كيلومترًا في الساعة فوق خطوط النقل الكهربائي، فإنها تُحدث ما يُعرف بالاهتزاز الأيوني. ويحدث هذا لأن الرياح تشكّل أنماطًا دوّارة حول الأسلاك، مما يؤدي إلى اهتزازها ذهابًا وإيابًا بتواترات تتراوح تقريبًا بين ٣ و١٥٠ هرتز. والاهتزاز ليس كبيرًا جدًّا، لكنه سريعٌ بما يكفي ليُسبب إجهادًا متكررًا في النقاط التي تلتقي فيها الأسلاك مع مشابك التثبيت، وخاصةً عند طرفي هذه المشابك. وبمرور الوقت، يؤدي ذلك إلى ما يسمّيه المهندسون «إجهاد التآكل». فإذا لم تُتخذ أي إجراءات لمعالجته، فإن الاحتكاك المستمر يُضعف الأسطح ويُسبّب شقوقًا دقيقة قد تتفاقم لتصبح مشاكل أكبر. وتُظهر الدراسات أنه في المناطق ذات الرياح القوية، قد تؤدي هذه النوعية من التلف فعليًّا إلى فشل خيوط الموصل بنسبة تصل إلى ٤٠٪ أكثر من المعتاد، وفقًا لبحث نشرته مجموعة أبحاث نظم النقل (Transmission Research Group) العام الماضي. ولحسن الحظ، فإن أنواع المشابك المُعلَّقة الحديثة المصممة خصيصًا لمقاومة الاهتزازات تواجه هذه المشكلة باستخدام ثلاث ميزات تصميم رئيسية:

• دمج المطاطيات ، وتحويل الطاقة الحركية إلى حرارة عبر امتصاص الاهتزازات بالاحتكاك الداخلي
• هندسة فكّ مُحسَّنة ، وتوزيع الإجهاد بعيدًا عن الحواف الحادة التي تميل إلى بدء التعب الميكانيكي
• تكوينات أسلاك ملتوية مسبقًا ، وتعطيل الرنين التوافقي ومنع التضخيم المحلي للإجهاد

النتائج الواقعية: التعب الميكانيكي، والانزلاق الجزئي الدقيق، والفشل المبكر

يؤدي التحكم غير الكافي في الاهتزازات إلى ثلاث حالات فشل مترابطة تُضعف موثوقية النظام وطول عمره:

يُعزى نحو واحد من أصل خمسة أعطال غير مخطط لها في أنظمة النقل الكهربائي القديمة فعليًّا إلى هذه الآليات المحددة. وعندما ننظر تحديدًا إلى ظاهرة الانزياح الميكروي، فهي بالفعل آلية ضارة جدًّا. ففي المناطق التي تكثر فيها الاهتزازات، يمكن أن تُقصِّر هذه الحركة الصغيرة جدًّا عمر المشابك من ١٥ إلى ٢٠ سنة. وهذا يعني إنفاقَ مبالغ كبيرة على عمليات تفتيش لا يرغب أحدٌ حقًّا في إجرائها، بالإضافة إلى استبدال القطع قبل أوانها. أما مشابك التعليق الأحدث فهي تعالج هذه المشكلة بطريقة مختلفة: فهي لا تحاول إيقاف كل الحركة تمامًا — وهو أمرٌ مستحيلٌ أصلًا — بل تعمل بذكاء أكبر، من خلال التحكم في كيفية انتقال الطاقة عبر النظام وتوزيع نقاط الإجهاد بين السلك والتجهيز نفسه.

استراتيجيات التخفيف الأساسية من الاهتزازات في تصميم مشابك التعليق الحديثة

دمج المطاط الصناعي: امتصاص الطاقة عبر الهستيرسيس وضبط الصلابة الديناميكية

تلعب أجزاء المطاط دورًا حيويًّا في تقليل الاهتزازات اليوم، لكنها لم تعد مجرد مواد واقية بسيطة. فقد تحوَّلت هذه المكونات إلى عناصر ديناميكية متطوِّرة بفضل ما يُعرف باسم «الامتصاص الهستيريسي». فما يحدث هو أن هذه الأجزاء تمتص الاهتزازات عالية التردد الناتجة عن الرياح ومصادر أخرى، ثم تحوِّلها إلى طاقة حرارية. وبذلك تمنع تراكمات الرنين الخطرة عند ترددات الموصلات المحددة التي قد تؤدي إلى مشكلات. والخبر الجيد حقًّا للمهندسين هو أن المواد المطاطية الحديثة تحتفظ بقوتها ومرونتها حتى عند تقلُّب درجات الحرارة من سالب ٤٠ درجة مئوية وحتى موجب ٨٠ درجة مئوية. وهذا يعني أنها قادرة على التكيُّف بكفاءة مع أنماط الاهتزاز المختلفة على مر الزمن. وتُظهر الاختبارات الميدانية أن حلول المطاط هذه تقلِّل سعة الاهتزازات بنسبة تقارب ٦٠٪ مقارنةً بالمشابك المعدنية التقليدية. وهذه ليست مجرد نظريات فحسب، بل إنها تمنع فعليًّا تشكُّل الشقوق الدقيقة وتمنع تآكل الخيوط قبل أوانه، وكل ذلك مع الحفاظ على شد الموصل وانحنائه (Sag) بدقة عند القيم المطلوبة لضمان التشغيل السليم.

هندسة الأسلاك الملتويّة مسبقًا والأسطح المتلامسة المُحسّنة لتوزيع الإجهاد

تمثل هندسة السلك الملتوي مسبقًا نهجًا ذكيًّا لإدارة الإجهادات في الموصلات. وبلف الأسلاك على شكل لولبي، يتم توزيع قوة التثبيت بشكل متساوٍ على طول الطول الكلي بدلًا من تركيز الضغط عند نقاط محددة. ويساعد هذا في تجنُّب تلك الزيادات المفاجئة في الشد التي تحدث عادةً عند نقاط التلامس، حيث تبدأ شقوق التعب في التكوُّن أولًا. أما الميزة الرئيسية الأخرى فهي تأتي من عملية التشغيل بالتحكم العددي الحاسوبي (CNC) المستخدمة في حفر الأخاديد التلامسية. فهذه الأخاديد تمتلك حوافًا مستديرة ترفع فعليًّا مساحة سطح التماس بنسبة تبلغ نحو ٤٠٪ مقارنةً بالتصاميم التقليدية، مع خفضٍ في التآكل الناتج عن الاحتكاك في الوقت نفسه. وعند دمج هذه الأخاديد مع طبقات حماية خاصة لمكافحة الاهتزاز التآكلي (anti-fretting)، فإن البيانات الصادرة عن اتحاد موثوقية خطوط النقل العلوية (Overhead Transmission Reliability Consortium) عام ٢٠٢٢ تشير إلى انخفاض عدد مشاكل الانزلاقات المجهرية بما يقارب ٧٠ حالة. لكن ما يثير الإعجاب حقًّا هو مدى ثبات النظام ككل حتى أثناء حدوث ظواهر الاهتزاز العنيفة (galloping) الشديدة عند ترددات تزيد عن ١٥ هرتز. إذ يظهر النظام متانةً استثنائيةً تفوق بكثير ما كان يُتوقع عادةً في ظل ظروف الرياح الأيونية (Aeolian) القياسية.

الأداء المُوثَّق: الأدلة الميدانية وتحسين عمر الخدمة باستخدام مشابك التعليق المتقدمة

يؤكِّد التحقق من الأداء في الظروف الواقعية أن تخفيف الاهتزاز المدمج يحقِّق مكاسب ملموسة في البنية التحتية — لا سيما في الحالات التي تتضافر فيها العوامل البيئية المؤثِّرة مع الإجهاد الميكانيكي التعبوي.

دراسة حالة: انخفاض بنسبة ٧٢٪ في حالات الفشل التعبوي على خطوط التوتر العالي المعلَّقة الساحلية بجهد ٢٣٠ كيلوفولت

أُجريت تجربة ميدانية استمرت ٣٤ شهرًا على خطوط التوتر العالي المعلَّقة الساحلية بجهد ٢٣٠ كيلوفولت، وقورنت فيها مشابك التعليق التقليدية بمشابك متقدمة مزودة بinterfaces مطاطية ممتصة للاهتزاز وسبيكة مقاومة للتآكل. وأظهرت النتائج ما يلي:

• انخفاض بنسبة ٧٢٪ في حالات فشل الموصل الناتجة عن التعب
• انخفاض بنسبة ٦٨٪ في حوادث الانزلاق الميكروي
• تمديد فترات الصيانة بمقدار ٢٢ شهرًا

وقد نتج النجاح عن إعادة توزيع إجهادات تآزرية ممكّنة من خلال الشكل الهندسي الملتوي مسبقًا، وزيادة امتصاص الطاقة عند واجهة الموصل-الأسلاك. وتتماشى هذه النتائج مع الاستنتاجات الأوسع في القطاع: يمكن للابتكارات في المواد والتصميم الخاصة بعتاد التعليق أن تمدد عمر خطوط النقل العلوية بأكثر من 15 عامًا في البيئات ذات التآكل العالي والاهتزازات العالية.

تكامل التصميم: تحقيق التوازن بين مقاومة الاهتزازات والمتانة البيئية وقدرة التحمل

يتطلب تصميم مشبك تعليق جيد تحقيق توازنٍ بين ثلاثة عوامل رئيسية: تقليل الاهتزازات، والقدرة على التحمل في البيئات القاسية، والتعامل السليم مع الأحمال الإنشائية. وتتمثل التحديات في ضمان قدرة المشبك على مقاومة الاهتزازات دون أن ينهار عند التعرُّض لظروفٍ قصوى. فكِّر في الحالات التي يتراكم فيها الجليد على خطوط الطاقة، أو عندما تؤدي الأعطال الكهربائية المفاجئة إلى توليد قوى تتجاوز ١٥ كيلونيوتن. وللتغلب على هذه المشكلات، يلجأ المهندسون عادةً إلى طبقات مطاطية خاصة للامتصاص، مقترنةً بأجزاء ملتوية في تصميم المشبك. ويتطلب تقييم هذه المكونات إخضاعها لاختباراتٍ دقيقة باستخدام المحاكاة الحاسوبية للتحقق من احتمال ظهور نقاط ضعف أو مناطق حرجة عند التعرُّض لرياح شديدة أو تلك الحركات الاهتزازية المزعجة أحيانًا (المعروفة باسم «الحركة المتذبذبة») التي قد تحدث في الخطوط الهوائية.

يُعَدُّ اختيار المواد المناسبة أمراً بالغ الأهمية، تمامًا مثل أي عنصر آخر في هذه العملية. ويجب أن تحتفظ المركبات الكيميائية بخواصها المتعلقة بالاحتكاك المتبقي (الهستيرسيس) حتى بعد خضوعها لتغيرات درجات الحرارة القصوى، بدءاً من سالب ٤٠ درجة مئوية ووصولاً إلى موجب ٨٠ درجة مئوية. كما يجب أن تقاوم هذه المركبات التلف الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية والهشاشة المرتبطة بالملح، لا سيما في المناطق المحيطة بتوصيلات مشابك الموصلات، حيث تبدأ عادةً ظاهرة الإجهاد التآكلي الناتج عن التآكل. وعند إجراء اختبارات العمر الافتراضي المُسرَّعة على هذه المواد، نجد أن الأنظمة المصممة بشكل أفضل تنجح فعلاً في منع انتشار تلك الشقوق الصغيرة عند نقاط التلامس، ما يؤدي إلى تمديد فترات الصيانة بنسبة تقارب النصف. أما بالنسبة للحلول الموثوقة حقاً، فإن المصنِّعين يخضعونها عادةً لغرف اهتزاز بيئية متخصصة تحاكي الظروف التي تتعرَّض لها المعدات على طول السواحل على مدى سنوات عديدة، لكن ضمن فترة زمنية مُختصرة لا تتجاوز بضعة أسابيع. وتبيِّن هذه الاختبارات الشاملة بوضوحٍ كبير أن الشركات التي تركِّز على تقليل الاهتزازات مع الحفاظ في الوقت نفسه على المتانة والقوة تحت الأحمال، تحقِّق وفورات تبلغ نحو ٣٤٪ في تكاليف الاستبدال على المدى الطويل، وفقاً لبحث نشرته إدارة البحث والتطوير في مجال نظم النقل (Transmission R&D) عام ٢٠٢٣.

الأسئلة الشائعة

ما هي الاهتزازات الهوائية؟

تحدث الاهتزازات الهوائية عندما تخلق الرياح المستقرة أنماطًا دوامية حول خطوط الطاقة، مما يؤدي إلى اهتزازها عند ترددات معينة، وقد يسبب ذلك إجهادًا في وصلات المشابك.

كيف تساعد مشابك التعليق الحديثة في تقليل المشكلات المرتبطة بالاهتزازات؟

تستخدم مشابك التعليق الحديثة دمج المطاط المرن، وهندسة فك مُحسّنة، وتراكيب أسلاك ملتوية مسبقًا لتعطيل الرنين التوافقي وتقليل الإجهاد المحلي إلى أدنى حد.

ما الدور الذي يلعبه دمج المطاط المرن في تخفيف الاهتزازات؟

يساعد دمج المطاط المرن في تحويل طاقة الاهتزاز إلى حرارة، مما يقلل من السعة ويمنع تكوّن شقوق التعب.

ما مدى كفاءة مشابك التعليق المتقدمة مقارنةً بالمشابك التقليدية؟

تشير التجارب الميدانية إلى أن مشابك التعليق المتقدمة يمكن أن تقلل حالات الفشل الناتجة عن التعب بنسبة 72٪ وحالات الانزلاق الصغيرة بنسبة 68٪، ما يُطيل فترات الصيانة بشكل كبير.