چرا کارابین پاراگلایدر می‌شکند؟ خستگی فلز موضوعی که نباید ساده گرفت

بررسی خستگی فلز در کارابین‌های مورد استفاده در تجهیزات پاراگلایدر

برای اینکه دهانه فنری کارابین (snap gate) بتواند به‌راحتی باز و بسته شود، لازم است مقداری فاصله یا لقی (play) بین نوک دهانه و بدنه کارابین وجود داشته باشد. این مقدار لقی در فرآیند تولید به‌طور دقیق قابل کنترل نیست، .

تا زمانی که دهانه کاملاً چفت نشده باشد (یعنی هنوز در کمی لقی قرار دارد)، کارابین مثل یک حلقه باز عمل می‌کند و تنش بیشتری روی بدنه وارد می‌شود. زمانی که فشار یا نیروی واردشده به یک حد خاص برسد، دهانه کاملاً جفت می‌شود و کارابین مثل یک حلقه بسته عمل خواهد کرد.

از آنجا که کارابین‌ها در طول پرواز تحت بارهای متغیر و نوسانی قرار دارند، این بخش به‌مرور زمان دچار پدیده‌ای به نام خستگی فلز می‌شود؛ وضعیتی که در آن فلز بر اثر استفاده طولانی‌مدت و تغییرات مکرر نیرو، مقاومت خود را از دست داده و ممکن است به‌صورت ناگهانی بشکند.

در ادامه این مقاله، ابتدا به دلایل ایجاد این مشکل می‌پردازیم و سپس توضیح می‌دهیم که چطور برخی از مدل‌های رایج کارابین مخصوص پاراگلایدر با استفاده از روش‌هایی تا حدودی استاندارد، مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. نتایج نشان می‌دهد که مقاومت این کارابین‌ها در برابر خستگی فلز، همیشه برای مدت ۵ سال تضمین‌شده نیست و طراحی‌های متنوعی برای افزایش این مقاومت وجود دارد.

در حال حاضر، تقریباً تمام اتصال‌هایی که بین خلبان و بال در پروازهای ورزشی برقرار می‌شود، به کمک همین کارابین‌های فنری انجام می‌شود. این نوع کارابین‌ها شباهت زیادی به نمونه‌های کوهنوردی دارند و به دلیل سبک بودن، خودقفل‌شدن، مقاومت بالا، ابعاد کوچک و همچنین قیمت مناسب، مورد استقبال خلبانان پاراگلایدر و هنگ‌گلایدر قرار گرفته‌اند.

با این حال، نباید فراموش کرد که کارابین‌ها تنها تحت بارهای ثابت (استاتیکی) قرار نمی‌گیرند، بلکه مدام با بارهای متغیر (دینامیکی) هم مواجه هستند. این فشارهای مداوم در طول زمان می‌تواند باعث خستگی و ضعف در ساختار فلزی آن‌ها شود. هرچند به لطف ساختار قفل فنری، معمولاً پیش از رسیدن به نقطه‌ی بحرانی، قطعه به‌خوبی در جای خود قفل می‌شود و از بروز مشکل جلوگیری می‌کند، اما این اتفاق همیشه صد درصد قابل پیشگیری نیست و خطر به‌مرور افزایش می‌یابد.

همین مسئله توضیح می‌دهد که چرا تا امروز فقط تعداد محدودی از شکست‌های ناشی از خستگی فلز در کارابین گزارش شده، در حالی که از دهه ۱۹۷۰ تاکنون، صدها هزار کارابین در ورزش‌های هوایی استفاده شده‌اند. نکته‌ی نگران‌کننده این است که شکست ناشی از خستگی فلز معمولاً بدون هیچ نشانه قبلی رخ می‌دهد.

در حوزه‌ی مهندسی، به‌ویژه صنایع هوافضا، استاندارد ایده‌آل این است که قطعات در برابر خستگی فلز مقاومت نامحدود داشته باشند. اما در مورد کارابین‌ها، به‌دلیل وجود لقی در دهانه قفل، دستیابی به چنین مقاومتی هنوز ممکن نشده است. چراکه طراحی نقطه‌ی جفت‌شدن دقیق در این قطعات بسیار دشوار است. در حال حاضر، تنها مقاومت محدودی برای دوره‌ی حداکثر ۵ سال به‌دست آمده است.

با این وجود، این نوع مقاومت محدود یک مشکل دیگر هم دارد؛ و آن اینکه نمی‌توان به راحتی تشخیص داد که یک کارابین دقیقاً چند بار تحت بار قرار گرفته است. به‌نظر می‌رسد بسیاری از خلبان‌ها نسبت به خطرات ناشی از استفاده‌ی طولانی‌مدت از کارابین آگاهی کافی ندارند. برای نمونه، در اوایل سال ۲۰۲۰، در کشور اسلواکی یک مورد شکست کارابین به‌دلیل فرسودگی ناشی از خستگی فلز گزارش شد که علت آن عبور از زمان مجاز استفاده بود.

از آنجا که تاکنون هیچ استاندارد جهانی برای آزمایش خستگی کارابین‌ها تدوین نشده، تولیدکنندگان از روش‌ها و معیارهای اختصاصی خود استفاده می‌کنند و ضریب ایمنی متفاوتی در نظر می‌گیرند. آزمایش‌هایی که روی چند نمونه از کارابین‌های رایج انجام شده، نشان می‌دهد که نتایج این روش‌ها تفاوت قابل‌توجهی دارند.

بررسی عملکرد کارابین آلومینیومی ساخت شرکت CIC تایوان

این کارابین آلومینیومی که توسط شرکت تایوانی CIC تولید شده، در حال حاضر در انواع مختلفی از هارنس‌های پروازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• وزن: ۶۰ گرم

• بار گسیختگی استاتیک: ۲۰۰۰ دکانیوتن (daN)

در آزمون‌های انجام‌شده، این کارابین موفق شد ۲۰۰۰ بار چرخه‌ی بارگذاری را با فشاری بیش از ۲۵۲ داان تحمل کند. اما پس از تحمل ۶۸٬۰۰۰ چرخه بارگذاری با فشار بیش از ۱۱۵.۴ داان، در نهایت دچار شکست مکانیکی شد.

این نتایج نشان می‌دهد که این کارابین مقاومت کافی برای استفاده‌ی ۵ ساله در شرایط پروازی معمول پاراگلایدر (با استفاده‌ی تک‌نفره) را ندارد.

نکته قابل‌توجه این است که این کارابین دارای سطح تماس نسبتاً وسیع با تسمه‌ی هارنس است. اما در عین حال، لقی زیاد در دهانه قفل باعث می‌شود که میزان تنش‌های وارد بر بدنه‌ی کارابین افزایش یابد، که این موضوع می‌تواند احتمال خستگی فلز و شکست را بیشتر کند.

بررسی عملکرد کارابین آلومینیومی CAMP

این کارابین از جنس آلومینیوم و ساخت شرکت ایتالیایی CAMP است که در حال حاضر در هارنس‌های شرکت Woody Valley مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• وزن: ۴۶ گرم

• بار گسیختگی استاتیک: ۲۰۰۰ دکانیوتن (daN)

در آزمایش‌های انجام‌شده، این کارابین توانست:

• ۲۰۰۰ چرخه بارگذاری با باری بیش از ۲۵۲ داان،

• و پس از آن ۵ میلیون چرخه بارگذاری دیگر با باری بیش از ۱۱۵.۴ داان را تحمل کند.

این مدل کارابین با وزن بسیار کم، دارای محل تماس کمربند نسبتاً پهنی است. به دلیل انعطاف‌پذیری نسبی بدنه، درِ کارابین در بارهای نسبتاً پایین به‌درستی جفت می‌شود (Form Fit حاصل می‌شود).

بر این اساس، مقاومت محدود در برابر خستگی فلز به مدت ۵ سال برای استفاده‌ی تک‌نفره در پاراگلایدر توسط این کارابین تأمین می‌شود.

بررسی عملکرد کارابین آلومینیومی Forsas ساخت شرکت Edelrid آلمان

کارابین آلومینیومی مدل Forsas که توسط شرکت آلمانی Edelrid تولید می‌شود، در حال حاضر به‌صورت پیش‌فرض روی هارنس‌های شرکت Advance نصب شده است.

• وزن: ۵۱ گرم

• بار گسیختگی استاتیک: ۲۳۰۰ دکانیوتن (daN)

در آزمون‌های انجام‌شده، این کارابین موفق شد ۲۰۰۰ چرخه بارگذاری با فشار بیش از ۲۵۲ داان را با موفقیت پشت سر بگذارد و سپس توانست ۵ میلیون چرخه‌ی دیگر را با بار بیش از ۱۱۵.۴ داان تحمل کند بدون اینکه دچار شکست شود.

در این مدل، ساختار کلی نسبتاً سفت است و در نتیجه جفت‌شدن دقیق (Form Fit) دیرتر اتفاق می‌افتد. با این حال، به‌دلیل اینکه محل تماس تسمه با بدنه‌ی کارابین بسیار باریک طراحی شده، میزان تنش‌های واردشده در این ناحیه بالاست.

بنابراین، با وجود عملکرد قابل‌قبول در تست‌ها، این کارابین نیز تنها دارای مقاومت محدود در برابر خستگی فلز است و برای استفاده‌ی تک‌نفره به مدت ۵ سال در پاراگلایدر مناسب ارزیابی می‌شود — نه بیشتر

بررسی عملکرد کارابین فولادی Supair

این کارابین که از فولاد ضدزنگ ساخته شده، محصول شرکت Supair است و همچنان در بازار موجود است.

• وزن: ۱۳۲ گرم

• بار گسیختگی استاتیک: ۲۴۰۰ دکانیوتن (daN)

آزمایش‌هایی که در سال ۲۰۰۵ بر روی این کارابین انجام شد، با بارهای نوسانی نسبتاً پایین صورت گرفت. در این آزمایش‌ها، کارابین موفق شد:

• ۱ میلیون چرخه بارگذاری را با باری بالاتر از ۴۰ داان پشت سر بگذارد،

• اما در ادامه، پس از حدود ۷۴۰ هزار چرخه دیگر با بار ۵۰ داان، شکست مکانیکی در آن رخ داد.

نقطه‌ای که در آن جفت‌شدگی دقیق (Form Fit) بین دهانه و بدنه اتفاق افتاد، ۸۱ داان اندازه‌گیری شد. در حالی‌که برای تضمین مقاومت محدود در برابر خستگی فلز به مدت ۵ سال، لازم بود این جفت‌شدگی در فشار کمتر از ۵۰ داان اتفاق بیفتد.

یکی از چالش‌های طراحی این نوع کارابین، سختی بالای فولاد نسبت به آلومینیوم است؛ چرا که فولاد حدود سه برابر سخت‌تر است و این موضوع دستیابی به جفت‌شدگی دقیق در فشارهای پایین را به‌ویژه در مدل‌های فولادی دشوار می‌کند.

حتی در دو آزمایش دیگر که در همان سال ۲۰۰۵ با دهانه بسته انجام شد، مقاومت لازم برای استفاده‌ی پنج‌ساله در پاراگلایدر برای یک نفر طبق روش آزمون شرح‌داده‌شده، تأمین نشد.

بررسی عملکرد کارابین Snaplock

کارابین Snaplock که از جنس تیتانال (آلیاژی با استحکام بالا) ساخته شده، از سال ۲۰۰۹ برای چندین شرکت تولیدکننده هارنس طراحی و تولید می‌شود.

• وزن: ۷۶ گرم

• بار گسیختگی استاتیک: ۳۰۰۰ دکانیوتن (daN)

در آزمایش‌های انجام‌شده، این کارابین توانست:

• ۲۰۰۰ چرخه بارگذاری با باری بالاتر از ۲۵۲ داان،

• و سپس ۵ میلیون چرخه بارگذاری دیگر با باری بیش از ۱۱۵.۴ داان را با دهانه باز تحمل کند.

از آنجایی که این آزمون‌ها با دهانه باز انجام شده‌اند، تأخیر در رسیدن به جفت‌شدگی دقیق (Form Fit) در عملکرد نهایی این مدل نقش تعیین‌کننده‌ای ندارد.

به‌واسطه‌ی استحکام بالای بدنه Snaplock، این کارابین موفق شده مقاومت محدود در برابر خستگی فلز به مدت ۵ سال را برای استفاده‌ی تک‌نفره در پاراگلایدر به‌طور کامل تأمین کند.

بررسی مقاومت کارابین‌ها در برابر خستگی فلز

آزمایش‌ها روی کارابین‌هایی انجام شده‌اند که هنوز استفاده نشده بودند و مطابق روشی که در ادامه توضیح داده شده، تست شدند. نتایج نشان می‌دهد که مقاومت در برابر خستگی فلز برای مدت ۵ سال همیشه تضمین‌شده نیست، اما بسته به طراحی کارابین، می‌توان با روش‌های مختلف به این هدف رسید.

چرا کارابین‌های معمولی دچار خستگی فلز می‌شوند؟

برای اینکه دهانه فنری کارابین (snap gate) بتواند به‌راحتی باز و بسته شود، لازم است مقداری فاصله یا لقی (play) بین نوک دهانه و بدنه کارابین وجود داشته باشد. این مقدار لقی به‌طور دقیق قابل کنترل نیست، چون به فرآیند تولید وابسته است.

تا زمانی که دهانه کاملاً چفت نشده باشد (یعنی هنوز در کمی لقی قرار دارد)، کارابین مثل یک حلقه باز عمل می‌کند و تنش بیشتری روی بدنه وارد می‌شود. زمانی که فشار یا نیروی واردشده به یک حد خاص برسد، دهانه کاملاً جفت می‌شود و کارابین مثل یک حلقه بسته عمل خواهد کرد.

بنابراین، دو حالت مختلف بارگذاری برای کارابین وجود دارد:

1. زمانی که دهانه هنوز جفت نشده و در لقی است (حالت “حلقه باز”)

2. زمانی که دهانه کاملاً جفت شده است (حالت “حلقه بسته”)

در حالت حلقه باز، به دلیل فاصله بیشتر محل تماس، اهرم بلندتر و تنش وارد بر بدنه تا ۲۰ تا ۳۵ برابر بیشتر از حالت بسته می‌شود. به همین دلیل، تا به حال هیچ تولیدکننده‌ای نتوانسته کارابینی با ابعاد کوچک طراحی کند که مقاومت نامحدود در برابر خستگی فلز داشته باشد.

چگونه مقاومت خستگی فلزی کارابین برای ۵ سال استفاده آزمایش می‌شود؟

برای ارزیابی مقاومت کارابین در برابر خستگی فلز، از آزمایش‌های سیکلی (چرخه‌ای) استفاده می‌شود. روش استاندارد شده‌ای که در اینجا مدنظر است، بر پایه‌ی نتایج آزمایش‌های شرکت SincoTec در سال ۲۰۰۵ و ۲۰۰۶ تهیه شده است. (این اسناد فقط به زبان آلمانی در دسترس‌اند.)

داده‌های پایه:

• در آزمایش‌هایی که با دهانه باز (حلقه باز) انجام شده، مشخص شده که مقاومت نامحدود در برابر خستگی فلز (بدون ضریب ایمنی) در کارابین‌های معمولی پاراگلایدینگ بین ۲۱ تا ۹۰ داان است.

• کارابین‌های فولادی نسبت به آلومینیومی‌ها، مقاومت خستگی بالاتری نداشتند.

• برای اینکه گفته شود کارابین مقاومت نامحدود دارد، باید بتواند:

  • ۵ میلیون بارگذاری نوسانی را برای کارابین آلومینیومی، و

  • ۲ میلیون بارگذاری نوسانی را برای کارابین فولادی تحمل کند.

در بررسی‌های انجام‌شده، نقطه‌ای که دهانه به‌صورت کامل جفت می‌شود (form fit) بین ۱۵.۵ تا ۲۱۴ داان بوده است.

بارهای واقعی در پرواز:

• در پرواز عادی با وزن کلی ۱۰۰ کیلوگرم، نیروی واردشده به کارابین حدود ۶۰ داان است.

• در مانورهای شدید، این مقدار ممکن است تا ۲۱۰ داان برسد.

• طراحی باید برای وزن پروازی ۱۲۰ کیلوگرم در استفاده تک‌نفره و ۲۵۰ کیلوگرم در پرواز دو نفره (تاندوم) انجام شود.

• طبق آمار DHV (انجمن آلمانی پاراگلایدینگ)، در هر دقیقه حدود ۳۷ تغییر بار رخ می‌دهد.

• فرض بر این است که طی ۵ سال، نهایتاً ۲۰۰۰ مانور شدید انجام شود.

روش پیشنهادی برای آزمایش مقاومت کارابین:

برای استفاده تک‌نفره (solo):

• ۲۰۰۰ چرخه بارگذاری با نیروی بالای ۲۵۲ داان

• سپس:

  • ۵ میلیون چرخه با بار بالای ۱۱۵.۴ داان برای کارابین‌های آلومینیومی

  • ۲ میلیون چرخه با همان بار برای کارابین‌های فولادی

برای استفاده تندم (دو نفره):

• ۲۰۰۰ چرخه بارگذاری با نیروی بالای ۵۲۵ داان

• سپس:

  • ۵ میلیون چرخه با بار بالای ۲۴۰.۵ داان برای آلومینیوم

  • ۲ میلیون چرخه با همان بار برای فولاد

اگر بخواهیم مقاومت نامحدود در برابر خستگی فلز را ثابت کنیم:

• کارابین باید بتواند:

  • در استفاده تک‌نفره:
    ۵ یا ۲ میلیون بارگذاری با بار بالای ۴۳۲.۸ داان

  • در استفاده تاندوم:
    بار بالای ۹۰۱.۷ داان را در همان تعداد چرخه تحمل کند.