أسطوانات أحادية وثنائية الفعل

في الهندسة الميكانيكية ، غالبًا ما يتم تصنيف أسطوانات المحركات الترددية حسب ما إذا كانت أحادية الفعل أو مزدوجة الفعل، اعتمادًا على كيفية عمل سائل التشغيل على المكبس .

الأسطوانة أحادية الفعل في المحرك الترددي هي أسطوانة يؤثر فيها سائل التشغيل على جانب واحد فقط من المكبس . وتعتمد هذه الأسطوانة على الحمل، أو النوابض، أو أسطوانات أخرى، أو زخم دولاب الموازنة ، لدفع المكبس في الاتجاه المعاكس. توجد الأسطوانات أحادية الفعل في معظم أنواع المحركات الترددية، وهي شائعة الاستخدام في محركات الاحتراق الداخلي (مثل محركات البنزين والديزل )، كما تُستخدم في العديد من محركات الاحتراق الخارجي مثل محركات ستيرلينغ وبعض المحركات البخارية . وتوجد أيضًا في المضخات والمكابس الهيدروليكية .

الأسطوانة ثنائية الفعل هي أسطوانة يعمل فيها سائل التشغيل بالتناوب على جانبي المكبس. ولتوصيل المكبس في هذه الأسطوانة بآلية خارجية، مثل عمود المرفق ، يجب توفير فتحة في أحد طرفي الأسطوانة لقضيب المكبس، وتُزود هذه الفتحة بحلقة مانعة للتسرب لمنع تسرب سائل التشغيل. تُعد الأسطوانات ثنائية الفعل شائعة في محركات البخار ، ولكنها غير شائعة في أنواع المحركات الأخرى. تستخدمها العديد من الأسطوانات الهيدروليكية والهوائية عند الحاجة إلى توليد قوة في كلا الاتجاهين. تحتوي الأسطوانة الهيدروليكية ثنائية الفعل على منفذ في كل طرف، يُزود بسائل هيدروليكي لسحب المكبس ومدّه. تُستخدم هذه الأسطوانة عندما لا تتوفر قوة خارجية لسحب المكبس، أو عندما تكون هناك حاجة إلى قوة عالية في كلا اتجاهي الحركة.

تستخدم محركات البخار عادةً أسطوانات مزدوجة الفعل. مع ذلك، كانت محركات البخار المبكرة، مثل المحركات الجوية وبعض محركات العارضة ، أحادية الفعل. وكانت هذه المحركات تنقل قوتها عبر العارضة بواسطة سلاسل و"رأس مقوس"، إذ لم يكن مطلوبًا سوى شد في اتجاه واحد.

في حين استُخدمت هذه المحركات لضخ المياه من مناجم الفحم، وكان عليها فقط مقاومة الحمل في اتجاه واحد، ظلت التصاميم أحادية الفعل مستخدمة لسنوات عديدة. وجاء الدافع الرئيسي نحو الأسطوانات ثنائية الفعل عندما كان جيمس وات يحاول تطوير محرك ذي عارضة دوارة ، يمكن استخدامه لتشغيل الآلات عبر عمود إخراج. ^{[ 1 ]} وبالمقارنة مع المحرك أحادي الأسطوانة، وفرت الأسطوانة ثنائية الفعل طاقة خرج أكثر سلاسة. واستخدم محرك الضغط العالي، ^{[ i ]} الذي طوره ريتشارد تريفيتيك ، مكابس ثنائية الفعل، وأصبح نموذجًا لمعظم محركات البخار فيما بعد.

استخدمت بعض محركات البخار اللاحقة، وتحديدًا محركات البخار عالية السرعة ، مكابس أحادية الفعل بتصميم جديد. أصبح رأس المكبس جزءًا لا يتجزأ منه، ^{[ ii ]} ولم يعد هناك قضيب مكبس. كان ذلك لأسباب مشابهة لتلك التي ظهرت في محركات الاحتراق الداخلي، حيث أن الاستغناء عن قضيب المكبس وأختامه سمح بنظام تزييت أكثر فعالية لعلبة المرافق .

غالباً ما تستخدم النماذج الصغيرة والألعاب أسطوانات أحادية الفعل للسبب المذكور أعلاه، ولكن أيضاً لتقليل تكاليف التصنيع.

وعلى النقيض من محركات البخار، استخدمت جميع محركات الاحتراق الداخلي تقريباً أسطوانات أحادية الفعل.

عادةً ما تكون مكابسها من النوع ذي الجذع ، حيث يكون مفصل دبوس التوصيل الخاص بذراع التوصيل داخل المكبس نفسه. هذا التصميم يُغني عن استخدام رأس المكبس وذراع التوصيل وحلقته المانعة للتسرب، ولكنه يجعل استخدام مكبس أحادي الفعل شبه ضروري. وهذا بدوره يُتيح سهولة الوصول إلى أسفل المكبس لتزييته بالزيت، الذي يؤدي أيضًا وظيفة تبريد مهمة. وهذا يمنع ارتفاع درجة حرارة المكبس والحلقات بشكل موضعي.

محركات الاحتراق الداخلي مزدوجة الفعل

كانت بعض محركات الغاز المبكرة ، مثل محركات لينوار الأصلية، التي تعود إلى حوالي عام 1860، مزدوجة الفعل واتبعت محركات البخار في تصميمها.

سرعان ما تحولت محركات الاحتراق الداخلي إلى استخدام أسطوانات أحادية الفعل. ويعود ذلك لسببين: أولهما، كما هو الحال في محرك البخار عالي السرعة، أن القوة العالية المؤثرة على كل مكبس وذراع توصيله كانت كبيرة لدرجة أنها فرضت ضغطًا كبيرًا على المحامل. أما المكبس أحادي الفعل، حيث يكون اتجاه القوى ضاغطًا باستمرار على طول ذراع التوصيل، فقد سمح بفجوات محامل أضيق. ^{[ 2 ]} ثانيًا، الحاجة إلى مساحات صمامات كبيرة لتوفير تدفق غاز جيد، مع ضرورة صغر حجم غرفة الاحتراق لتوفير ضغط جيد ، استهلكت المساحة المتاحة في رأس الأسطوانة . لم تكن أسطوانة لينوار، المشتقة من محرك البخار، مناسبة لمحرك البنزين ، لذا ظهر تصميم جديد يعتمد على صمامات دوارة ومكبس جذعي أحادي الفعل .

صُممت محركات غازية ضخمة للغاية كمحركات نفخ لأفران الصهر ، مزودة بأسطوانة أو اثنتين ضخمتين للغاية، وتعمل بحرق غاز الفرن . هذه المحركات، وخاصة تلك التي صنعتها شركة كورتينغ ، استخدمت أسطوانات مزدوجة الفعل. تتطلب المحركات الغازية ضغطًا ضئيلاً أو معدومًا لشحنتها، مقارنةً بمحركات البنزين أو محركات الاحتراق بالضغط ، ولذلك كانت تصاميم الأسطوانات مزدوجة الفعل كافية، على الرغم من ممراتها الضيقة والملتوية.

لم تُستخدم الأسطوانات مزدوجة الفعل بشكل متكرر في محركات الاحتراق الداخلي منذ ذلك الحين، على الرغم من أن شركة Burmeister & Wain صنعت محركات ديزل مزدوجة الفعل ذات دورة ثنائية الأشواط (2-SCDA) للدفع البحري قبل عام 1930.  تم تركيب أول محرك منها، بقوة 7000 حصان، في السفينة البريطانية MV Amerika (شركة United Baltic) في عام 1929. ^{[ 3 ] [ 4 ]} أنتج محركا B&W SCDA اللذان تم تركيبهما في السفينة MV Stirling Castle  في عام 1937 قوة 24000 حصان لكل منهما.

يو إس إس بومبانو

في عام 1935، طُلب بناء الغواصة الأمريكية يو إس إس بومبانو ضمن فئة بيرش . ^{[ iii ]} بُنيت ست غواصات، بثلاثة تصاميم مختلفة لمحركات الديزل من شركات مصنعة مختلفة. زُوّدت بومبانو بمحركات هوفن-أوينز-رينتشلر (HOR ) ثمانية الأسطوانات مزدوجة الفعل، وهي نسخة مُرخصة من محركات مان المساعدة للطراد لايبزيغ . [ ^{5 ] نظرًا} للمساحة المحدودة المتاحة داخل الغواصات، فُضّلت المحركات ذات المكابس المتقابلة ، أو في هذه الحالة، المحركات مزدوجة الفعل، لكونها أكثر إحكامًا. فشلت محركات بومبانو فشلًا ذريعًا، وتحطمت أثناء التجارب قبل حتى مغادرتها حوض بناء السفن التابع للبحرية في جزيرة مار . رُكنت بومبانو لمدة ثمانية أشهر حتى عام 1938 لاستبدال محركاتها. ^{[ 5 ]} حتى ذلك الحين، اعتُبرت المحركات غير مُرضية، واستُبدلت بمحركات فيربانكس-مورس عام 1942. ^{[ 5 ]} أثناء بناء غواصة بومبانو ، طُلب بناء غواصات من فئة سالمون . بُنيت ثلاث منها بواسطة شركة إلكتريك بوت ، بمحرك HOR مُطوّر ذي 9 أسطوانات. ^{[ 6 ]} على الرغم من أن هذا الإصدار لم يكن فاشلاً كفشل محركات بومبانو ، إلا أنه كان لا يزال يُسبب مشاكل، وأُعيد تزويد الغواصات لاحقًا بنفس محركات جنرال موتورز 16-248 V16 أحادية الفعل المستخدمة في غواصات الفئة الشقيقة. [ ^{6 ] بُنيت} غواصات أخرى من فئتي سارجو وسي دراغون ، بالإضافة إلى الدفعات الأولى من فئة جاتو ، بواسطة شركة إلكتريك بوت، باستخدام محركات HOR ذات 9 أسطوانات، ولكن أُعيد تزويدها بها لاحقًا. ^{[ 7 ]}

الأسطوانة الهيدروليكية عبارة عن مشغل ميكانيكي يعمل بسائل مضغوط، عادةً ما يكون زيتًا. ولها تطبيقات عديدة، لا سيما في معدات البناء ( المركبات الهندسية )، وآلات التصنيع ، والهندسة المدنية.