تحليل مبسط لطلاء المسحوق على دوار المحركات الدقيقة للسيارات

المؤلفان: تشو باو وي، وتشنغ تاي شان، معهد غوانغدونغ للبحوث الميكانيكية

الملخص: على الرغم من أن التلبيس الكهروستاتيكي للمساحيق هو تقنية تقليدية تعود جذورها إلى وقت مبكر، فإن استخدامها على نطاق واسع في مجال عزل دوارات المحركات الصغيرة للسيارات في الصين لا يزال في مرحلته الأولى. حالياً، تعتمد معظم شركات إنتاج المحركات الصغيرة للسيارات ذات الاستثمارات الأجنبية في الصين على هذه التقنية. وبسبب ارتفاع تكاليفها، بدأت بعض شركات إنتاج محركات السيارات الكبرى والقوية في الصين مؤخراً في استخدام هذه التقنية بشكل تدريجي. كما بدأت مصانع المعدات المتخصصة المحلية في اتباع معايير تقنيات التلبيس الألمانية لتنظيم تقنيات إنتاج المعدات، ووضعت معايير خاصة بها في هذا المجال.

 

الكلمات المفتاحية: الدوار، العزل، الطلاء الكهروستاتيكي بالمسحوق، cmk، fusa

الكلمات المفتاحية: الدوار، العزل، طلاء المسحوق الكهروستاتيكي، CMK، FUSA

0. المقدمة

في السنوات الأخيرة، شهدت صناعة السيارات في بلادنا تطورًا متسارعًا، وبلغ عدد السيارات المسجلة 130 مليون سيارة، بمعدل سيارة واحدة لكل 10 أشخاص. ووفقًا لمعيار الحياة المعتدلة الذي يقضي بامتلاك كل أسرة سيارة صغيرة واحدة، فإن عدد السيارات الحالي في بلادنا يحتاج إلى زيادة بما لا يقل عن الضعف ليصل إلى 400 مليون سيارة. ومن المتوقع أنه مع تقدم التحضر في بلادنا واتجاه السكان نحو المدن الكبرى، بالإضافة إلى جهود بناء قرى جديدة، سيستمر الطلب على السيارات في المناطق الحضرية والريفية في الارتفاع. إضافةً إلى ذلك، فإن التطور السريع في قطاعات الأجهزة المنزلية، وأجهزة الدراجات النارية، والأدوات الكهربائية، والألعاب الكهربائية، ومعدات السيارات، سيؤدي إلى تزايد الطلب على المحركات الصغيرة والدقيقة بشكل مستمر، مع ارتفاع متطلبات الجودة وتوسع نطاق استخدامها. وفي عمليات تصنيع المحركات الصغيرة والدقيقة، تُعتبر عملية عزل نهاية دوار المحرك وفتحات الأسلاك من الأعمال بالغة الأهمية. وقد أصبحت تقنيات العزل أكثر نضجًا وموثوقيةً، حيث اعتمد كبار مصنعي المحركات الصغيرة للسيارات في الداخل والخارج، مثل شركة بوش الألمانية لقطع غيار السيارات، وشركة شنغهاي بوزه لقطع غيار السيارات، وشركة شنغهاي فايريو لأنظمة كهرباء السيارات، وشركة تيانجين آسمو للمحركات الصغيرة للسيارات، تقنيات الطلاء الجديدة باستخدام مسحوق الإيبوكسي، مما أدى إلى تحسين كبير في موثوقية عزل المحركات الصغيرة وزيادة عمرها الافتراضي.

1. العوامل التي تؤثر على عمر خدمة المحرك

من المعروف أن ارتفاع درجة حرارة المحرك (الشيخوخة الحرارية) هو أحد الأسباب الرئيسية لانخفاض أداء العزل في المحرك (شيخوخة مواد العزل) وانفصال أجزاء العزل. لذلك، عند اختيار بنية العزل، لا بد من الأخذ بعين الاعتبار مقاومة مواد العزل للحرارة والتوصيل الحراري إلى جانب خصائص العزل نفسها. على سبيل المثال، مع ارتفاع درجة الحرارة، تصبح الطبقة الخارجية من العازل أكثر ليونة، مما يؤدي إلى فقدان قوتها المقاومة للقص. وفي حال تعرضت هذه الطبقة لضغط من أجسام أخرى في ظل درجات حرارة مرتفعة، قد يحدث تشوه بلاستيكي في العازل، بل وقد يفضي ذلك إلى كشف الموصلات تحت تأثير القوى الخارجية، مما يؤدي في النهاية إلى حدوث ماس كهربائي. وعندما تتجاوز درجة الحرارة بشكل مستمر الحد الأقصى لمقاومة العازل، سيؤدي ذلك إلى تدهور العزل وزيادة شدة التدهور. وتكتسب هذه النقطة أهمية خاصة بالنسبة للمحركات الصغيرة المستخدمة في السيارات، مثل محركات نوافذ السيارة، ومحركات تعزيز عجلة القيادة، ومحركات مسّاحات الزجاج، ومحركات ضبط المقاعد، وغيرها من المحركات التي تعاني من سوء ظروف التهوية والتبديد الحراري.

تتعدد أسباب ارتفاع درجة حرارة المحرك الكهربائي، إذ تحدث خسائر حديدية وخرسانية وخسائر ميكانيكية أثناء التشغيل العادي للمحرك، وتتحول هذه الخسائر في النهاية إلى طاقة حرارية تستهلك. ومن أهم مصادر التسخين في البنية العازلة للمحرك: التسخين الناتج عن مرور التيار عبر الملفات، والتسخين الناتج عن خسائر العزل، والتسخين الناتج عن خسائر الدوامات الحثية التي تنشأ بسبب التحريض الكهرومغناطيسي، والخسائر الحديدية المغناطيسية، بالإضافة إلى التسخين الناتج عن الاحتكاك والاهتزاز والضوضاء وسوء التلامس الناجم عن الانحرافات أثناء التجميع الميكانيكي، وكذلك ارتفاع درجة الحرارة الأساسية الناتج عن سوء التهوية. تؤدي جميع هذه الأسباب للتسخين إلى تقصير عمر المحرك وزيادة تكاليف الصيانة، خاصةً في المحركات المثبتة في مواقع معينة بالسيارات. لذلك، فإن اختيار مواد عازلة ذات مقاومة حرارية عالية وتطبيق عمليات تصنيع متطورة يُعدّ من الحلول الرئيسية لمعالجة هذه المشكلات.

2. المواد العازلة والعمليات الخاصة بها

في جميع أنواع تصنيع المحركات، لا تقتصر مواد العزل وبنية العزل وعمليات العزل المختارة عند تصميم عزل المحرك على اختيار المعاملات الكهربائية والأبعاد الخارجية والتصميم العام للمحرك فحسب، بل ترتبط أيضًا بموثوقية تشغيل المحرك وطول عمره الافتراضي. إنّ المؤشرات الفنية المختلفة لبنيان العزل تعكس إلى حد كبير مستوى تصميم وتصنيع المحرك. ومع التقدم العلمي والتكنولوجي ومتطلبات بيئات الاستخدام، باتت هناك متطلبات أعلى لموثوقية عزل المحركات. لذلك، من الضروري تطوير واستخدام مواد عزل جديدة، وبنى عزل أكثر منطقية، وعمليات تصنيع متطورة، ووسائل اختبار عزل علمية، وذلك بهدف تلبية أقصى قدر من المتطلبات التي يواجهها نظام العزل الكهربائي للمحرك على المدى الطويل في ظل ظروف التشغيل القاسية والصعبة، بما في ذلك التحميل الكهربائي ودرجات الحرارة المرتفعة والضغوط الميكانيكية والعوامل البيئية الأخرى.

تُستخدم المحركات الدقيقة الصغيرة في السيارات بجهد منخفض نسبيًا، لكنها تعمل في بيئات قاسية، وغالبًا ما تُستخدم في غرف مغلقة لا تتوفر فيها تهوية أو تبريد. ولتخفيض التكلفة، تُصمم الشركات المصنعة طاقة هذه المحركات بشكل أصغر، مثل محركات نوافذ الأبواب ومحركات المقاعد، والتي تعمل لفترات قصيرة فقط. وغالبًا ما تكون الطاقة اللازمة لتشغيل الأحمال أعلى بعدة أضعاف من الطاقة الناتجة عن المحرك، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير جدًا في تيار الحمل اللحظي وارتفاع سريع في درجة حرارة الجسم، وبالتالي تنشأ مجموعة من المشكلات. لذلك، لتمديد عمر الخدمة وضمان الجودة والموثوقية، من الضروري اعتماد تقنيات تصنيع جديدة في مواد العزل وعمليات العزل.

شهدت مواد العزل المستخدمة في المحركات الصغيرة تغييرًا كبيرًا بفضل الجهود المتواصلة التي بذلها الباحثون. وأدى استخدام مواد جديدة إلى إحداث ثورة في عمليات تصنيع المحركات الصغيرة. والآن، مع التحسين المستمر لتقنية الطلاء الكهروستاتيكي، بدأت شركات تصنيع المحركات الدقيقة الرئيسية في استخدام مسحوق الإيبوكسي بكميات كبيرة كمادة عازلة للدوار في المحركات، مثل المنتجات التي تُصنّعها شركات مثل أكسونو نوبل و3M الأمريكية وسوميتو كيميكال. وتتميّز هذه المادة العازلة بثبات خصائص العزل، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية، وسهولة استخدامها، كما أنّها تسمح، عبر عملية خاصة، بتحقيق التصلب العازل لجميع أسطح العزل في الدوار دفعة واحدة.

3. تكلفة عملية ورق الأخدود ومزاياها وعيوبها

حاليًا، لا تزال العديد من شركات تصنيع دوارات المحركات الصغيرة والمتوسطة تستخدم الورق العازل كمادة عازلة لفائف الدوار في فتحات الدوار. وقد استمر استخدام هذه المادة وطريقة إنتاجها لفترة طويلة جدًا. وتُعدّ مصانع المحركات الصغيرة والمتوسطة ذات الإنتاج المنخفض في الصين من بين أكبر المستخدمين لهذه الطريقة. أما الشركات العالمية الشهيرة مثل شركة بوش لقطع غيار السيارات، وشركة شنغهاي فايريو، وشركة تيانجين أسمو، فقد انتقلت تدريجيًا إلى استخدام تقنية الطلاء بالمساحيق. والسبب الرئيسي وراء عدم اعتماد مصانع المحركات الصغيرة والمتوسطة لتقنية الطلاء بالمساحيق هو انخفاض تكلفة المواد المستخدمة في طريقة الورق الفتحات، وكذلك انخفاض تكلفة المعدات اللازمة للتطبيق. إلا أن هذه الطريقة العازلة لها العديد من العيوب، منها: 1. انخفاض معدل امتلاء الفتحات: مما يؤدي إلى عدم بلوغ الطاقة الناتجة الفعلية للمحرك للمواصفات التصميمية، وفي حال زيادة الأحمال بشكل كبير، ترتفع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط. 2. ارتفاع نسبة الخردة الناتجة بعد اللف: إذ إن الورق الفتحات يتعرض لتشوهات أثناء إدخاله في الفتحات، مما يؤدي إلى دخول الأسلاك الكهرومغناطيسية خارج الورق العازل خلال عملية اللف، وبالتالي يصبح الدوار بأكمله غير صالح للاستخدام. وتُعتبر نسبة الخردة الناتجة عن هذه الظاهرة خفية، إذ إن التكلفة الفعلية للخسائر الناتجة عنها تتجاوز عدة أضعاف قيمة الدوار الواحد قبل عملية اللف. 3. عدم وجود حماية عازلة على أطراف الدوار، مما يقلل من درجة عزل الأسلاك الكهرومغناطيسية عن جسم الدوار، ويؤدي ذلك إلى وجود مخاطر عزلية في المحرك. 4. سهولة حدوث تراخي في اللفائف.

4. عملية طلاء مسحوق دوار المحرك

تتطور بسرعة كبيرة تقنية الطلاء الجديدة باستخدام مسحوق عازل لفتحات قلب حديد الدوار في المحركات الصغيرة المستخدمة في السيارات، نظرًا لما تتمتع به من مزايا مثل كميات الإنتاج الكبيرة، والكفاءة العالية، وثبات أداء العملية. ويتميز طلاء المسحوق بالكهرباء الساكنة بأنه خالٍ من الثقوب الدقيقة، كما يتمتع بقدرة جيدة على تغطية الحواف، وسطح الطلاء أملس، وقوة التصاق عالية للمسحوق، ومرونة جيدة، وتوازي بين الخصائص الميكانيكية والكهربائية مع تلك الخاصة بطلاء الغمر. ويمكن أن يصل سمك الطبقة المطبقة إلى 0.381 ملم، وهو أسمك بكثير من طلاء الغمر، مما يجعله مادة عزل مثالية نسبيًا.

تستخدم بعض الشركات العالمية، سواء المحلية أو الأجنبية، هذه التقنية بالكامل، كما أن بعض الشركات الصغيرة في الصين تجربها حاليًا. تتجاوز طريقة الطلاء الكهروستاتيكي بالمسحوق بعض عيوب تقنية ورق القناة، مثل عدم وجود حماية عازلة على أسطح نهايات الدوار، وسهولة انفصال اللفائف، وانخفاض معدل امتلاء القناة، واحتمال خروج الأسلاك من ورق القناة بسهولة. وفي ظل نفس بنية الدوار، فإن زيادة معدل امتلاء القناة يمكن أن تُحسّن بشكل فعّال قدرة الخرج للمحرك. كما أن التصميم المتكامل للعزل في الدوار والذي يتم تصنيعه دفعة واحدة يغيّر الحالة السابقة التي كانت تتطلب معالجة عزل لأسطح نهايات الدوار ضمن تقنية ورق القناة. هذا الأمر يقضي على النفايات الناتجة عن لفّ الدوار. بالإضافة إلى ذلك، وبفضل الخصائص الذاتية للمسحوق المطلي، يمكن تنفيذ عملية التثبيت الحراري لمبدل الدوار. ومع ذلك، فإن طريقة الطلاء الكهروستاتيكي بالمسحوق لها أيضًا بعض العيوب؛ إذ إن معدات الطلاء الكهروستاتيكي أغلى ثمنًا من معدات إنتاج تقنية ورق القناة، وتتطلّب بيئة تشغيل صارمة مع نظام تهوية جيد. كما أن بعض الشركات المحلية المصنّعة لمعدات الطلاء الكهروستاتيكي تعاني من ضعف في إحكام الأجهزة وعدم استقرار أدائها، بالإضافة إلى انخفاض كفاءة استخدام المسحوق، مما يحدّ من انتشار استخدام تقنية الطلاء الكهروستاتيكي على نطاق واسع.

تُقسَم معدات التغطية الكهروستاتيكية بالمسحوق المستخدمة في مصانع إنتاج المحركات الدقيقة داخل البلاد في المرحلة السابقة إلى نوعين: النوع الأول هو منتجات التغطية المنخفضة الجودة المحلية، والتي تسيطر على مصنعي المحركات الصغيرة في السوق المحلي. تتميز هذه المعدات بأسلوب تقني متخلف، ونوعية غير مستقرة لتغطية الدوارات، ومعدل استفادة منخفض من المسحوق، ومستوى عالٍ من شدة جهد العمال، كما أنها لا تتوافق مع خطوط الإنتاج المتسلسلة، لكن تكلفة المعدات منخفضة. أما النوع الثاني فهو يعتمد بشكل رئيسي على المعدات المستوردة من الخارج، وتستخدمها على نطاق واسع بعض مصانع المحركات الكبرى في الصين. تمتاز هذه المعدات بأسلوب تقني متقدم، ودرجة عالية من الأتمتة في عمليات الخطوط الإنتاجية، واستقرار أداء المعدات، ومحكمية فائقة، وتصل نسبة استفادة المسحوق فيها إلى أكثر من 90%. إلا أن سعر هذه المعدات مرتفع جدًا، ولذلك فإن العديد من مصنعي المحركات المحليين، بسبب قيود الأسعار، لم يستخدموا هذه المعدات، مما حدّ من تطور تقنية التغطية بالمسحوق من جهة أخرى.

لحل هذه المشكلة، سعت شركة بوش لقطع غيار السيارات في تشانغشا إلى توطين المعدات. وبعد التعاون مع الشركات المحلية المصنعة للمعدات، تمّ التوصل إلى مبدأ يقضي باستيراد المكونات الأساسية من الخارج، بينما يتم تصنيع المكونات الأخرى محليًا. وفي التصميم التقني، تم تقسيم المعدات إلى ثلاث مناطق عمل هي: منطقة التغطية، ومنطقة التنظيف، ومنطقة المعالجة بالتصلب.

منطقة التغطية (انظر الشكل 1) هي المنطقة المخصصة لتطبيق مسحوق الطلاء على القطعة المشغولة، وتتكون من سرير تثبيت مميع، ومولد كهروستاتيكي، وأقطاب كهربائية، حيث تتكون الأقطاب الكهربائية من لوح نحاسي وإبرة تفريغ. يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بالكاثود لمولد الكهروستاتيك. عندما يعمل مولد الكهروستاتيك، يُنتج الكاثود جهدًا كهروستاتيكيًا عاليًا يتراوح بين 55 كيلوفولت و90 كيلوفولت. في هذه اللحظة، تحدث ظاهرة الإشعاع الكهروضوئي في الهواء حول إبرة التفريغ. ويتم إدخال الهواء المضغوط المعالج جافًا ببطء من قاعدة سرير التثبيت المميع إلى منطقة التغطية، حيث يمر باستمرار عبر إبرة التفريغ مكتسبًا شحنة كهربائية. ثم يمر هذا الهواء المشحون عبر لوحة التثبيت المسامية والقابلة للتهوية داخل سرير التثبيت المميع، ويدخل إلى حوض التثبيت المميع. هناك، يلامس الغاز المشحون مسحوق راتنج الإيبوكسي الموجود في الحوض، وينقل إليه الشحنة الكهربائية، بينما يدفعه في الوقت نفسه ليتحول إلى سحابة مغلية ومستمرة، مما يؤدي إلى تعليق المسحوق داخل الحوض. أما الجزء الدوار للقطعة المشغولة، فيتم توصيله بالأنود لمولد الكهروستاتيك، مع تأريض الأنود في الوقت ذاته. وتحت تأثير المجال الكهروستاتيكي، يتحرك مسحوق الراتنج الإيبوكسي المشحون نحو الجزء الدوار للمحرك في الجزء العلوي، حيث يلتصق بسطح الدوار. ثم تعود الشحنة الكهربائية التي اكتسبها المسحوق عبر الأنود إلى مولد الكهروستاتيك، وبذلك تكتمل عملية تطبيق مسحوق الراتنج الإيبوكسي على سرير التثبيت المميع.

تحتوي منطقة التنظيف على آلية كشط المسحوق وآلية نفخ المسحوق. عندما يدور المسمار اللولبي ويُحرّك دوار القطعة إلى هذه المنطقة، تُرفع القطعة وتُدار بواسطة آلية الدفع. يتمّ كشط المسحوق الزائد عن السطح الخارجي للقطعة بواسطة شفرة مائلة في آلية الكشط، بينما يُزال المسحوق المتبقي على غلاف المحور بواسطة فرشاة هوائية من آلية النفخ أعلاه باستخدام الهواء المضغوط، وبذلك تُكتمل عملية تنظيف دوار القطعة.

تُصلَب منطقة التثبيت عن طريق تسخين الحث عالي التردد الذي يُجمّد المسحوق المطبق على دوار القطعة المشغولة. يستفيد التسخين عالي التردد من تأثير حرارة الجلد، حيث يُحدث تيارات دوامية على سطح القطعة، مما يؤدي إلى تسخين سريع لسطح القطعة. كما أن المسحوق الممتص على السطح يذوب باستمرار ويستوي ويتصلب تدريجيًا، ليشكل في النهاية طبقة عازلة صلبة متجانسة.

الدوار المشغول بواسطة آلة الطلاء:

دوار محرك نوافذ وابواب السيارة (قطر خارجي 24 مم)، دوار محرك مقعد السيارة (قطر خارجي 28 مم)،

دوار محرك مسّاحة السيارة (قطر خارجي 40 مم)، دوار محرك توجيه التحكم في السيارة (قطر خارجي 54 مم)

مكتبة بايدو - لتمكين الجميع من تحسين أنفسهم على قدم المساواة

بعد تجربة استمرت عامين كاملين، وتمّ التغلب على عدد من المشكلات مثل الاستقرار الموحد للتحميل الكهروستاتيكي ومتانة آلية كشط المسحوق على سطح الدوار، باتت دورة إنتاج هذه المعدات الآن قصيرةً، وانخفض سعرها بشكل كبير، كما أن جودتها مستقرة. بالإضافة إلى ذلك، تتجاوز نسبة استغلال مساحيق الإيبوكسي في هذه المعدات نظيراتها من المعدات الأجنبية. وقد أثبتت الاختبارات أن مؤشر القدرة طويل الأجل Cmk لهذه المعدات يبلغ ≥1.67، ونسبة الفعالية fusa تصل إلى ≥98%. حاليًا، توفر شركات صينية 80% من معدات الطلاء الكهروستاتيكي لشركة بوش لقطع غيار السيارات في تشانغشا. وفي النهاية، ستستبدل شركة بوش لقطع غيار السيارات جميع المعدات المستوردة بمعدات محلية الصنع في خطوط إنتاج الدوارات داخل الصين، وتستعد أيضًا لتصدير هذه المعدات إلى المصانع في أوروبا والولايات المتحدة.

5. الخاتمة:

تُستخدم تقنية التغطية الحرارية بالمسحوق الإيبوكسي في فرن التحويل الكهروستاتيكي لتطبيق طلاء عازل كهروستاتيكي بالمسحوق على دوارات المحركات الدقيقة للسيارات وأجزاء كهربائية أخرى في الأجهزة المنزلية، مما يحل محل عملية العزل التقليدية المكونة من أغشية البوليستر المركبة. وتتيح هذه التقنية تقليل سماكة طبقة العزل وزيادة معدل امتلاء الفتحات بنحو 10%، ما يوفر شروطًا مسبقة لإنتاج كميات كبيرة من الأجزاء المطلية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق هذه التقنية أيضًا على أجهزة الإلكترونيات الطاقة وصمامات وأنابيب وحاويات الصناعات الكيميائية. ومع التطور المستمر في التكنولوجيا، وتجديد أنواع الدهانات المسحوقة باستمرار، وتحسين معدات تقنية التغطية الحرارية بالمسحوق في فرن التحويل الكهروستاتيكي، مع دمجها بالتحكم الذكي بواسطة الحواسيب، ستلعب هذه التقنية دورًا أكبر في خطوط الإنتاج الآلية الصناعية.