تحسين التصميم من خلال دراسة سلوكيات ديناميكا الجسيمات في معدات التكسير والغربلة

نتيجةً لنمو المدن والمستوطنات البشرية وتجدُّدها، وتزايُد الحاجة إلى المرافق الاجتماعية إلى جانب المباني السكنية، تتطور أنشطة البناء في جميع أنحاء العالم بوتيرة متزايدة باستمرار. وبالتوازي مع هذا التطور، تزداد أيضًا الحاجة إلى المواد الأولية للبناء مثل الخرسانة والإسمنت والأسفلت والحصى المكسّر (البالاست)، وكذلك إلى المعادن. ولتلبية هذه الحاجة من حيث النوعية والكمية، ولإعادة تدوير أنقاض المباني القديمة في مشاريع التجديد، يكتسب استخدام منشآت التكسير والغربلة والمعدات ذات الصلة أهميةً متزايدة.

إن التطبيق الصحيح لعملية تصغير الحجم، التي تُعدّ المرحلة الأولى من إعداد الخام، ضمن تقنيات التكسير والغربلة يزيد من أهميته باطّراد في قطاع التعدين. فالركام والخامات، التي تخضع للعديد من العمليات المختلفة إلى أن تصبح صالحة للاستخدام كمنتج نهائي، تمرّ أثناء معالجتها بسلسلة من عمليات الإثراء مثل التكسير والطحن والتصنيف والغسل ونزع الماء.

لذلك، من الأهمية بمكان أن نكون قادرين على حساب القوى المتولّدة على الجسيمات والإجهادات التي تُحدثها هذه القوى على المعدات. وعند إجراء الحسابات في هذه العمليات، فإن التحليل العددي لسلوك الجسيمات القريب من الواقع مع المعدات التي تكون على تماس معها يتيح، من خلال تحسين أداء تلك الآلات والمعدات، خفض تكاليف التصميم والتشغيل مع تحسين الإنتاجية وجودة المنتج في العمليات الصناعية واسعة النطاق.

*تمت دراسة سلوك تكسّر الخامات خصوصًا في الكسّارة الفكية، مما يتيح تقييم القوى المتولّدة على معدات التكسير أثناء التكسّر وكذلك التوزيع الحجمي بعد التكسّر.

وفي هذا الإطار، فإن طريقة العناصر المنفصلة (DEM)، التي طوّرها Cundall وStrack4 (1971)، تُبيّن التفاعل بين الجسيمات والحدود لحساب سلوك الجسيمات الصلبة، وبذلك تؤدي دورًا حاسمًا في اكتساب فكرة عن العمليات المتعلقة بالتصميم. ومن خلال دراسات المحاكاة التي أجراها مهندسو مركز البحث والتطوير في شركة MEKA A.Ş. باستخدام برنامج Rocky DEM:

كما يُجرى، نتيجةً لدراسات المحاكاة هذه، تنبؤٌ بالتآكل قائمٌ على الحسابات، ناتجٌ عن قيم القدرة والطاقة والكفاءة وعن تعرّض عناصر الآلة لأحمال ثقيلة، وتُقدَّم مقترحات حلول تهدف إلى الأداء الأمثل.

*من أجل عملية تصنيف المادة المكسّرة بحسب أحجامها، تُدرَس أنواع الغرابيل المختلفة الموجودة ضمن مجموعة منتجات الشركة في ظل ظروف بارامترية متنوعة مثل التردد والسعة ومسار الاهتزاز وميل التشغيل.

وبذلك تُزال المشكلات التشغيلية الشائعة التي تتراوح من الانسداد إلى التراكم غير المرغوب فيه، وما ينتج عنه من تباين في توزيع الحبيبات وصولًا إلى التوزيع الحجمي غير المنتظم، مما يتيح منع التوقفات غير المخططة.

*عند نقل المواد السائبة بين السيور الناقلة، تكون من أكثر المشكلات شيوعًا في المزاريب ومزاريب النقل المستخدمة عند مخرج الكسّارات والغرابيل: الانسداد الناتج عن تراكم المادة، وتوزيع التدفق غير المتقدّم باتجاه متساوٍ، وتآكل المزاريب والبطانات، وما إلى ذلك.

في السيور الناقلة المستخدمة كنظام نقل لمناولة المواد، تُقدَّم مقترحات حلول لإزالة المشكلات المؤثرة على التصميم فيما يتعلق بسلوك المادة السائبة، وضمان نقلها بكفاءة، ومنع فقدان المادة أثناء التحميل والتفريغ. وبذلك يتحقق رفع العمر المتوقع للأصول.

وللحيلولة دون هذه المشكلات، يُوفَّر التحكم في تدفق المادة، مما يتيح إطالة عمر المعدات والوصول إلى الظروف المثلى.

*في حال كانت المادة الخام عالية الرطوبة ولزجة، فإن مغذّيات Apron & Wobbler، التي تُعدّ معدة لا غنى عنها في عملية التكسير والغربلة، تتيح الوصول إلى ظروف تشغيل مثالية للحفاظ على سعة عالية عبر حجب المشكلات مثل الانسداد الذي قد تُحدثه المواد الرطبة واللزجة سواءً على الغرابيل أو على المغذّيات.

*في تصميم دلو غسّالات الدلاء الموجودة ضمن مجموعة منتجات الغسل لدينا، وبفضل الحصول على زاوية القبض التي توفّر قيم القدرة والسعة على نحو مقترن، يتحقق الوصول إلى قيم الكفاءة المطلوبة في عمليات غسل الركام.

كما جرت في هذه المغذّيات دراسة خصائص التدفق التي يجب أن تُظهرها المادة السائبة لتغذيتها بسرعة ثابتة إلى كسّارة أو معدة أخرى، وحركة الجسيمات، وزمن المكوث على المغذّي، وتأثيرات سرعة الجسيمات، وذلك من أجل تحسين الكفاءة.

كما جرت دراسة البارامترات المؤثرة على تصميم اللولب من أجل الحصول على قيم مثلى للسعة والقدرة معًا، وأُجريت تحسينات تصميمية. وبذلك يتم الوصول إلى نتائج عند المستويات المطلوبة من حيث الأداء والاستقرار. ويتباين سلوك التماس أثناء الحركة للركام والخامات السائبة، ونظام تدفق المادة، تبعًا لنوع المادة. كما تتنوع الخصائص المعدنية لأنواع الخام التي تتشكل خصائصها الفيزيائية وتركيباتها الكيميائية تبعًا للمواقع الجغرافية المختلفة. وبناءً عليه، ونتيجة معالجة مواد ذات خصائص مختلفة في المنشآت، تظهر أيضًا تصاميم معدات خاصة بكل عملية. ووفقًا للطرائق التقليدية، يتشكل تصميم المعدات أساسًا استنادًا إلى الخبرة الداخلية، أو التجارب على مقياس المختبر، أو تغيّر بارامترات العملية أثناء التشغيل. وهذا النهج يجلب معه جملةً من المشكلات عندما يتعلق الأمر بمراعاة الشروط الحدّية غير المؤكدة والمتطلبات المتغيّرة، ويبلغ حدوده تمامًا عندما يلزم إيجاد حل أمثل على نحو منهجي. وهذا يجعل تصميم الآلة أكثر كفاءةً واتساقًا عندما يُنجَز مع مراعاة البارامترات الجيوميتالورجية للمنشأة. لذلك، وبسبب هذا التنوع، تتطلب المعدات الموجودة في دائرة التكسير والغربلة إجراء دراسات تصميم خاصة بالخام أو الركام الذي ستتفاعل معه. وإذ نتخذ العوامل المذكورة مرجعًا، يجب إجراء دراسات التصميم مع مراعاة خصائص الركام والخام، لأن معدات المنشأة لا تعمل تبعًا لمتغيّر واحد.

إن كون طريقة العناصر المنفصلة (DEM) تتيح نمذجة التدفق الحبيبي لعدد كبير من الجسيمات على نحو ملائم وكونها طريقة فعّالة في ميكانيكا الصخور2 يجعلها واحدة من أهم التطورات العلمية في صناعة التعدين. فعلى سبيل المثال، إن تصميم الغرابيل، التي تُعدّ قلب منشأة التكسير والغربلة، له تأثير مباشر على ربحية منشأة معالجة الخام من حيث كفاءة الغربلة وكمية المنتجات المستهدفة والاستهلاك الكلي للطاقة والتشغيل الفعّال للكسّارات.1 لذلك، تُحاكى في الدراسات المُنجَزة العديد من متغيّرات التصميم مسبقًا لفهم تأثير أي تغيير على العملية الإجمالية على نحو أفضل. وبناءً عليه، فإن الاستفادة، إلى جانب الخبرة، من التكنولوجيا والبرامج المطوَّرة خصيصًا تكتسب أهميةً كبيرة لتحسين المشاريع.

إن معظم المواد الصلبة، ولا سيما المعادن، تُظهر سلوكًا من نوع مختلف لأنها ليست ذات حجم موحّد. وفي هذا الصدد، ولإدخال الشروط الحدّية في دراسات محاكاة DEM، تخضع الخامات لتجارب مختبرية متنوعة. وهكذا، ومن خلال الحصول على ارتباط وثيق بين النتائج التجريبية والعددية3 لقيم بارامترات الإدخال، تُعايَر بارامترات تفاعل الجسيمات مع الأسطح. وبهذه الطريقة، ومن خلال عكس العمليات الديناميكية للجسيمات4 بما يتيح التعريف الصحيح لظروف التشغيل، يُقدَّم العون للمهندسين في اتخاذ القرار، وإلى جانب ذلك تُحسَّن معدات المنظومة. ومن بين هذه التجارب: اختبارات تكسّر الجسيم المفرد التي تتبنّى سلسلة من النماذج التجريبية تُدعى Ab-T10 ونموذج تافاريس للتكسّر7 لسلوك التكسّر تحت تأثير الصدم، واختبارات مقاومة الانضغاط أحادي المحور (UCS)، واختبارات المستوى المائل وزاوية الكومة. وبذلك يُعرَّف معامل يونغ (E) ونسبة بواسون (ν)، اللذان يُعدّان من خصائص التشوّه للخامات، ومعامل المرونة الدقيقة ونسبة الصلابة.5 ويُعالَج سلوك تآكل معدات البطانة استنادًا إلى نموذج أرشارد للتآكل. ولتحسين العمر التشغيلي للبطانات، تُحدَّد مقادير التآكل وبالتبعية أعمار المعدات.

بعد التعريف الصحيح لمُدخلات الشروط الحدّية المتضمّنة لخصائص المواد بغية الوصول إلى نتائج محاكاة دقيقة للركام والخامات، تُنفّذ شركة MEKA A.Ş. منهجية تصميم مثلى وفقًا لمبادئ عمل جميع معدات التكسير والغربلة المتفاعلة مع الجسيمات، خاصةً بمنشآت مناجم ومقالع الحجر والرمل. وبذلك يُفتَح الطريق أمام تطوير المنتجات عبر نهج جديد كليًا ومُسرَّع لتصميم العمليات وتحسينها، مع تقليص عبء العمل المبذول للاختبارات والنماذج الأولية إلى أدنى حد. وبالنظر إلى مدة إجراء التعديلات على المعدات، يمكن القول إن الوقت الضائع في التصميم قد انخفض نسبيًا بمقدار 45-50% مقارنةً بالسابق. ولضمان استمرارية الإنتاج في المنشآت، تُوضَع تنبؤات بشأن مدد الصيانة وتُقدَّم مدد تقديرية لتأمين قطع الغيار، ويُقلَّل تآكل البطانات إلى أدنى حد، ويُزاد عمر الآلة عبر الحيلولة دون انقطاعات سير العمل وتوقفات الصيانة وإزالة العوامل السلبية التي قد تُسببها أعطال الآلات. وبذلك تُقدَّم حلول للحصول على نتائج مستقرة عند القيم المطلوبة من حيث التكلفة والأداء، من خلال توفير الإنتاجية والجودة في أنسب الظروف في منشآت التكسير والغربلة. وقد تم اعتماد مركز البحث والتطوير في شركة MEKA A.Ş. اعتبارًا من عام 2021 في إطار القانون رقم 5746. ويواصل أنشطته البحثية والتطويرية بالتنسيق مع وزارة الصناعة والتكنولوجيا، وتتنامى إمكاناته الاختبارية وقدراته القياسية وإمكاناته المختبرية في هذا الإطار بحسب متطلبات المشاريع. وتُنفَّذ أنشطة البحث والتطوير داخل الشركة باستخدام البنى البرمجية ANSYS MECHANICAL وANSYS FLUENT وROCKY DEM وSAP 2000 وSOLIDWORKS وINVENTOR. أما حسابات التصميم والسعة لمنشآت التكسير والغربلة الجاهزة للتسليم (تسليم مفتاح) التي تطلبها الشركات العميلة فيُجريها مهندسون ذوو خبرة عبر برنامج AGGFLOW. ويواصل مركز البحث والتطوير في MEKA، الأقوى في تركيا في مجاله، إسهاماته في المعرفة التقنية والأكاديمية على ضوء العلم، إلى جانب تصميم منتجات ذات قيمة مضافة عالية.