چرا وینچ‌های هیدرولیکی در کاربردهای سنگین و مداوم معدنکاری، از وینچ‌های برقی بهتر عمل می‌کنند؟

تفاوت اساسی در طراحی موتور - چه چیزی باعث می‌شود وینچ‌های هیدرولیکی برای سوءاستفاده ساخته شوند؟

من پانزده سال در شرکت ینینگ هیدرولیک مشغول به طراحی سیستم‌های وینچ برای کاربردهای معدنی، دریایی و ساختمانی بوده‌ام و تفاوت فلسفه مهندسی بین وینچ‌های هیدرولیکی و برقی کاملاً آشکار است:موتورهای هیدرولیکی ذاتاً برای بقای اضافه بار بیش از حد ساخته شده‌اند، در حالی که موتورهای الکتریکی دستگاه‌های دقیقی هستند که با خاموش شدن از خود محافظت می‌کنند.این تفاوت، نقص طراحی در هیچ یک از فناوری‌ها نیست - بلکه نتیجه‌ی فیزیک زیربنایی آنهاست. موتورهای هیدرولیک از سیال تحت فشار (معمولاً ۲۵۰ تا ۳۵۰ بار در کاربردهای وینچ معدن) برای به حرکت درآوردن یک گروه دوار از پیستون‌ها یا چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌کنند. خود سیال هم به عنوان واسطه‌ی انتقال قدرت و هم به عنوان واسطه‌ی خنک‌کننده عمل می‌کند - با گردش سیال در موتور، گرما را به خنک‌کننده‌ی روغن سیستم منتقل می‌کند. اگر موتور بیش از حد بارگذاری شود، شیر اطمینان فشار سیستم در فشار تنظیم‌شده (معمولاً ۳۱۵ تا ۳۵۰ بار) باز می‌شود و جریان را منحرف می‌کند و اجزای مکانیکی را از آسیب ناشی از بارگذاری بیش از حد، بدون خاموش کردن سیستم، محافظت می‌کند.

در مقابل، موتورهای الکتریکی جریان الکتریکی را به شار مغناطیسی تبدیل می‌کنند تا گشتاور تولید کنند. سیم‌پیچ‌های موتور - سیم مسی عایق‌بندی شده با عایق کلاس F (حداکثر ۱۵۵ درجه سانتیگراد) یا کلاس H (حداکثر ۱۸۰ درجه سانتیگراد) - گرمایی متناسب با مجذور جریان (تلفات I-مربع-R) تولید می‌کنند.در یک کاربرد معدنی با کارکرد مداوم که وینچ به مدت 30 تا 60 دقیقه بار را می‌کشد، سیم‌پیچ‌های موتور در عرض 15 تا 25 دقیقه به اشباع حرارتی می‌رسند و رله حفاظت حرارتی یا VFD موتور را برای جلوگیری از شکست عایقی تریپ می‌دهد.این یک نقص فنی نیست - این موتور است که خود را از آسیب دائمی محافظت می‌کند - اما برای یک مدیر تولید معدن که توقف وینچ را در حین کار تماشا می‌کند، تشخیص این موضوع کمی غیرعلمی است. طبق گفتهایزو ۵۰۰۱مطابق با استانداردهای راندمان موتور الکتریکی، موتورهای با کارکرد پیوسته برای کارکرد فراتر از چرخه کاری ۴۰٪ به خنک‌سازی با هوای فشرده (موتورهای TEFC با فن‌های خارجی) یا خنک‌سازی با ژاکت آبی نیاز دارند - و حتی با خنک‌سازی اجباری، حد حرارتی معمولاً چرخه کاری ۶۰ تا ۷۰ درصد در دمای محیطی ۳۵ تا ۴۵ درجه سانتیگراد رایج در معادن روباز استرالیا و آمریکای جنوبی است.

مقایسه چرخه کاری: چرا محدودیت‌های حرارتی وینچ برقی به یک مشکل تولید در معدن تبدیل می‌شود؟

مشخصات چرخه کاری در برگه اطلاعات وینچ برقی، شرایط آزمایشگاهی - دمای محیط ۲۵ درجه سانتیگراد، هوای پاک، ولتاژ نامی - را نشان می‌دهد که هیچ‌کدام از آنها برای محیط استخراج سنگ سخت کاربرد ندارند.در شرایط واقعی معدنکاری در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد و در حالی که گرد و غبار موجود در هوا تا حدی پره‌های خنک‌کننده موتور را مسدود می‌کند، چرخه کاری واقعی یک وینچ برقی با «۴۰٪ ظرفیت» تقریباً به ۲۵ تا ۳۰ درصد کاهش می‌یابد. برای معدنی که دو شیفت ۱۰ ساعته دارد، این بدان معناست که وینچ برقی می‌تواند تنها ۲.۵ تا ۳ ساعت در هر شیفت کار کند و سپس تجمع گرما باعث ایجاد یک دوره خنک‌سازی می‌شود - و آن دوره خنک‌سازی (معمولاً ۳۰ تا ۴۵ دقیقه برای بازگشت به دمای ایمن سیم‌پیچ) مستقیماً توان تولید را کاهش می‌دهد.

At ینینگ هیدرولیکوینچ‌های هیدرولیک سری IYJ ما برای کارکرد ۱۰۰٪ مداوم طراحی شده‌اند و خنک‌کننده روغن واحد هیدرولیک برای حداکثر دمای محیط مورد انتظار به علاوه ۱۵٪ حاشیه ایمنی طراحی شده است.خنک‌کننده روغن، قطعه مدیریت حرارتی است که چرخه کاری ۱۰۰٪ را ممکن می‌سازد.— این سیستم گرما را از سیال هیدرولیک به هوای محیط (یا آب خنک‌کننده، برای کاربردهای معدنکاری زیرزمینی) منتقل می‌کند و دمای سیال را حتی در شرایط کارکرد مداوم با حداکثر بار، زیر ۶۵ درجه سانتیگراد نگه می‌دارد. موتور الکتریکی که پمپ هیدرولیک را به حرکت در می‌آورد، تنها جزء الکتریکی سیستم است و صرف نظر از بار وینچ، با سرعت و بار ثابتی کار می‌کند - و چرخه‌های حرارتی متغیر که موتورهای وینچ الکتریکی را از کار می‌اندازد، از بین می‌برد.

ثبات گشتاور تحت بار متغیر: مزیت هیدرولیک در شروع نرم و جذب ضربه

در عملیات وینچ معدن، تقریباً ۶۷٪ از کل کشش‌ها شامل شروع حرکت در برابر بار استاتیک - یک بالابر پر از سنگ، یک کامیون حمل بار متوقف شده، یک تسمه نقاله تحت کشش - است.راه اندازی در برابر بار استاتیک نیاز به حداکثر گشتاور در دور موتور صفر دارد و اینجاست که مزیت اساسی موتور هیدرولیک بیشترین نمود را دارد. یک موتور هیدرولیک حداکثر گشتاور خود را در لحظه باز شدن شیر کنترل جهت تولید می‌کند - فشار به صورت آنی (در عرض ۵۰ تا ۱۰۰ میلی ثانیه) در مدار هیدرولیک ایجاد می‌شود و موتور گشتاور کامل را در دور موتور صفر ارائه می‌دهد. هیچ جریان هجومی، هیچ افزایش ناگهانی دمای سیم‌پیچ و هیچ جرقه‌ای در کنتاکتور استارت وجود ندارد.

یک موتور الکتریکی که با بار استاتیک شروع به کار می‌کند، در طول مدت زمان شروع، جریان روتور قفل شده (معمولاً ۶ تا ۸ برابر جریان بار کامل) را می‌کشد - معمولاً ۲ تا ۵ ثانیه برای شروع مستقیم یا ۵ تا ۱۵ ثانیه برای افزایش ولتاژ با استفاده از یک استارتر نرم.هر استارت قفل روتور، سیم‌پیچ‌های موتور را از نظر حرارتی تقریباً معادل ۰.۵ تا ۱.۰ ساعت کارکرد فرسوده می‌کند، زیرا گرمایش I-squared-R در طول جریان هجومی ۳۶ تا ۶۴ برابر بیشتر از حالت کارکرد عادی است.در یک شیفت کاری معدن با 20 تا 30 چرخه شروع، فرسودگی حرارتی تجمعی ناشی از شروع به کار به تنهایی می‌تواند معادل 10 تا 30 ساعت از عمر سیم‌پیچ را در یک شیفت 10 ساعته مصرف کند. طبق ...به عنوان ۱۴۱۸طبق استانداردهای جرثقیل و بالابر، فرکانس استارت موتور وینچ برقی باید زمانی که دمای محیط از 35 درجه سانتیگراد بیشتر می‌شود، کاهش یابد و ضریب کاهش سرعت معمولاً 0.85 به ازای هر 5 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای نامی است.

سیستم‌های هیدرولیک همچنین از طریق تراکم‌پذیری سیال هیدرولیک، جذب طبیعی ضربه را فراهم می‌کنند.وقتی یک وینچ معدنی با افزایش ناگهانی بار مواجه می‌شود - مثلاً گیر کردن یک تکه سنگ زیر یک میله، یا گیر کردن کابل روی زمین ناهموار - سیال هیدرولیک کمی فشرده می‌شود (تقریباً 0.5٪ کاهش حجم به ازای هر 70 بار افزایش فشار برای روغن معدنی)، و قبل از رسیدن ضربه به اجزای مکانیکی، آن را جذب می‌کند.این ضربه گیر هیدرولیکی، گشتاور اوج روی گیربکس را در مقایسه با یک وینچ برقی با کوپلینگ مکانیکی صلب بین موتور و شفت ورودی گیربکس، 20 تا 35 درصد کاهش می‌دهد.ینینگ هیدرولیکواحدهای نیروی هیدرولیک ما شامل مدارهای انباشتگر هستند که به طور خاص برای افزایش جذب ضربه طراحی شده‌اند - یک انباشتگر مثانه‌ای 10 لیتری که از قبل تا 120 بار نیتروژن شارژ شده است، افزایش ناگهانی فشار را که در غیر این صورت به پمپ و موتور می‌رسد، جذب می‌کند.

مقایسه حالت خرابی موتور: نرخ فرسودگی و هزینه تعمیر در محیط‌های معدن سنگ سخت

آلودگی محیطی عامل اصلی تسریع‌کننده خرابی برای هر دو نوع موتور است، اما حالت‌های خرابی و مسیرهای تعمیر اساساً متفاوت هستند.در استخراج سنگ سخت، محیط شامل موارد زیر است: گرد و غبار سیلیس موجود در هوا (اندازه ذرات 0.5 تا 5 میکرون، بسیار ساینده)، ارتعاش (5 تا 15 میلی‌متر بر ثانیه RMS در پایه نصب وینچ از سنگ‌شکن‌ها و نقاله‌های مجاور)، نوسانات شدید دما (5 درجه سانتیگراد در شب تا 45 درجه سانتیگراد در روز در عملیات روباز) و مواجهه گاه به گاه با آب یا دوغاب ناشی از عملیات آبگیری معدن.

حالت‌های خرابی موتور الکتریکی در این محیط: آلودگی یاتاقان (ورود گرد و غبار از طریق آب‌بندی‌های شفت، که تقریباً ۵۱٪ از خرابی‌های موتور الکتریکی را طبق مطالعات قابلیت اطمینان موتور IEEE تشکیل می‌دهد)، خرابی عایق سیم‌پیچ (انباشت گرد و غبار روی سیم‌پیچ‌ها باعث کاهش اتلاف گرما می‌شود و نقاط داغی ایجاد می‌کند که عایق را با سرعت ۲-۳ برابر بیشتر از حد معمول تخریب می‌کند) و خوردگی جعبه ترمینال (ورود رطوبت باعث ایجاد خطای زمین می‌شود).میزان خرابی موتورهای الکتریکی در محیط‌های استخراج سنگ سخت تقریباً ۳ تا ۵ برابر بیشتر از محیط‌های صنعتی پاک است،و هنگامی که یک موتور از کار می‌افتد، مسیر تعمیر معمولاً شامل موارد زیر است: جدا کردن از وینچ (۱-۲ ساعت با کمک جرثقیل)، انتقال به یک تعمیرگاه موتور خارج از محل (۲-۵ روز تدارکات)، جداسازی قطعات/سیم‌پیچی/بازسازی (۵-۱۰ روز) و نصب مجدد (۱-۲ ساعت). کل زمان از کارافتادگی: ۷-۱۷ روز به ازای هر رویداد خرابی.

حالت‌های خرابی موتور هیدرولیک: فرسودگی آب‌بند (شایع‌ترین خرابی، که معمولاً ۸۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ ساعت کارکرد طول می‌کشد)، فرسودگی گروه‌های چرخشی (کفش‌های پیستون، سطح بلوک سیلندر، صفحه سوپاپ - تدریجی و قابل تشخیص از طریق نظارت بر عملکرد) و خراش‌های مربوط به آلودگی (که از طریق فیلتراسیون مناسب با دقت مطلق ۱۰ میکرون یا بهتر قابل پیشگیری است).تعمیر موتور هیدرولیک: تعویض کاسه نمد با ابزار استاندارد ۲ تا ۴ ساعت طول می‌کشد و نیازی به برداشتن موتور با جرثقیل نیست.تعویض گروه چرخشی ۴ تا ۸ ساعت طول می‌کشد و می‌تواند توسط یک تکنسین هیدرولیک در محل انجام شود. موتور از محل معدن خارج نمی‌شود. کل زمان از کار افتادگی: ۰.۵ تا ۱ روز برای خرابی آب‌بند، ۱ تا ۲ روز برای تعویض گروه چرخشی. طبقبهره‌وری انرژی تجهیزات معدن (MEET)داده‌های تحقیقاتی نشان می‌دهد که قابلیت تعمیر میدانی سیستم هیدرولیک، بزرگترین مزیت عملیاتی نسبت به سیستم‌های الکتریکی در مکان‌های معدنی دورافتاده است، جایی که تدارکات تعمیر خارج از سایت، هفته‌ها به هر رویداد خرابی اضافه می‌کند.

هزینه کل در هر ساعت: تحلیل هزینه عملیاتی ۵ ساله برای کاربردهای وینچ معدنکاری مداوم

اختلاف هزینه خرید - یک سیستم وینچ هیدرولیکی معمولاً 30 تا 50 درصد بیشتر از یک وینچ برقی با ظرفیت معادل هزینه دارد - رایج‌ترین استدلال علیه وینچ‌های هیدرولیکی است، اما همچنین ناقص‌ترین تحلیل نیز محسوب می‌شود.یک تحلیل مناسب از هزینه کل به ازای هر ساعت کار در طول ۵ سال (دوره معمول استهلاک تجهیزات معدنی) نشان می‌دهد که هزینه اولیه بالاتر در ۱۸ تا ۲۴ ماه اول از طریق کاهش زمان از کارافتادگی و هزینه‌های تعمیر پایین‌تر جبران می‌شود.

هزینه توقف تولید - که برای یک معدن متوسط، ۱۲۰۰ تا ۱۸۰۰ دلار آمریکا به ازای هر ساعت از کار افتادن وینچ تخمین زده می‌شود - بخش عمده‌ای از معادله هزینه کل را تشکیل می‌دهد.چرخه کاری ۱۰۰٪ این وینچ هیدرولیکی، ضررهای تولید مرتبط با خاموشی حرارتی را از بین می‌برد و طراحی موتور قابل تعمیر در محل آن، زمان از کارافتادگی مربوط به تعمیر را در مقایسه با وینچ برقی که نیاز به تعمیر در کارگاه موتورسازی خارج از سایت دارد، تقریباً ۸۵٪ کاهش می‌دهد. طبق گفتهسی پی اسروش‌شناسی هزینه‌یابی چرخه عمر تدارکات، کل هزینه مالکیت در طول چرخه عمر 5 ساله تجهیزات معدنی باید مبنای تصمیمات تدارکات باشد، نه مقایسه قیمت خرید که فروشندگان تجهیزات ترجیح می‌دهند ارائه دهند.

استدلال صادقانه علیه هیدرولیک: وقتی وینچ‌های برقی هنوز انتخاب مناسبی هستند

وینچ‌های هیدرولیکی به طور کلی برتر نیستند و من وینچ‌های برقی را به مشتریان معدن در سناریوهای خاص توصیه کرده‌ام که در آن‌ها مزایای سیستم برقی با الزامات عملیاتی بهتر همسو باشد.وینچ‌های برقی در مواقع زیر انتخاب بهتری هستند: وینچ روی یک پلتفرم متحرک نصب شده باشد (وسایل نقلیه معدنی باتری‌دار که در آن یک پاورپک هیدرولیک به یک موتور دیزل جداگانه نیاز دارد)، چرخه کار واقعاً متناوب باشد (کمتر از ۱۵ دقیقه کار مداوم در ساعت، کمتر از ۴ ساعت کل کار روزانه)، وینچ در یک محیط با دمای کنترل‌شده قرار داشته باشد (معادن زیرزمینی با تهویه اجباری که دمای ۲۵ تا ۳۰ درجه سانتیگراد را حفظ می‌کند)، و بودجه اولیه سرمایه، محدودیت الزام‌آور باشد (عملیات معدنی کوچک که در آن اختلاف هزینه خرید ۳۰،۰۰۰ تا ۵۰،۰۰۰ دلار آمریکا بین هیدرولیک و برقی گزاف است).

برای معادن زغال سنگ زیرزمینی با الزامات سختگیرانه ضد انفجار، وینچ‌های برقی با موتورهای دارای گواهینامه Ex-d (ضد ​​شعله) یا Ex-e (ایمنی افزایش یافته) ممکن است تنها گزینه باشند، در مواردی که استفاده از پاورپک‌های هیدرولیک با موتورهای دیزلی توسط مقررات ایمنی معدن ممنوع است. در این موارد،ینینگ هیدرولیکانواع وینچ‌های سری IYJ با موتور الکتریکی و گواهینامه ضد انفجار مطابق با استانداردهای ATEX و IECEx ارائه می‌دهد. انتخاب فناوری صحیح به مشخصات عملیاتی معدن خاص بستگی دارد، نه به ترجیح جهانی یک نوع موتور بر نوع دیگر.توصیه من بعد از پانزده سال: اگر وینچ بیش از ۴ ساعت در روز کار می‌کند و معدن باتری‌دار یا ضد انفجار نیست، مزیت هزینه کل وینچ هیدرولیکی در طول ۵ سال به سادگی بسیار زیاد است که نمی‌توان آن را نادیده گرفت.

منابع خارجی: استانداردهای موتور ISO 5001 · تحقیقات معدن MEET · استانداردهای تدارکات CIPS · موسسه معدن IOM3 · استانداردهای معدنکاری CSA · گواهینامه تجهیزات DNV · سیستم های هیدرولیک ISO 4413 · SAE بین‌المللی