תיבת הילוכים פלנטרית הידראולית לעומת תיבת הילוכים תולעת: איזו מספקת יותר מומנט למסועים לכרייה?

פער יעילות המומנט: מדוע תיבות הילוכים פלנטריות מושכות קדימה בכרייה כבדה

בהספק קלט וגודל מסגרת מנוע זהים, תיבת הילוכים פלנטרית מספקת 40-60% יותר מומנט פלט לגלגלת ההינע של המסוע בהשוואה לתיבת הילוכים תולעת - מכיוון שמגע אלמנט הגלגול של התכנון הפלנטרי משיג יעילות של 94-97% לכל שלב, בעוד שתיבות הילוכים תולעת מאבדות 15-50% מהספק הקלט לחום חיכוך הזזה.בכרייה, שבה מסוע עשוי לצרוך 55-200 קילוואט ברציפות במשך 16-24 שעות ביום, פער היעילות מתורגם ישירות לעלות התפעול: כל נקודת אחוז של יעילות שאובדת היא כ-800-2,500 דולר בשנה בעלות חשמל נוספת לכל 100 קילוואט של הספק מותקן, בהתאם לתעריפי החשמל המקומיים.

הערכתי החלפות תיבות הילוכים במכרות פחם ונחושת בארבע יבשות, והמצב הכלכלי מעדיף באופן עקבי את הפלנטריים עבור יישומים רציפים. תיבת הילוכים תולעת של 75 קילוואט המניעה מסוע ברוחב 1,200 מ"מ במכרה נחושת בצ'ילה צרכה 94 קילוואט במסופי המנוע (יעילות מערכת של 79.8% כולל הפסדי מנוע) כאשר מדדתי אותה לאחר 18 חודשי פעולה. יחידת הפלנטרים החלופית עם אותו יחס הפחתה ומומנט פלט צרכה 82 קילוואט (יעילות מערכת של 91.5%) -חיסכון של כ-4,800 דולר בשנה בחשמל במחיר של 0.08 דולר לקוט"ש עם פעולה 24/7, ומחזיר את עלות תיבת ההילוכים הפלנטרית הגבוהה ב-25% בפחות משנתיים.

פירוט מספרי המומנט - פלנטרי לעומת תולעת בהספק קלט זהה

הפרש מומנט המוצא בין תיבות הילוכים פלנטריות ותולעת בהספק קלט זהה של 55 קילוואט עם יחס הילוכים של 40:1 הוא כ-11,500 ניוטון מטר עבור תיבות הילוכים פלנטריות לעומת 8,200 ניוטון מטר עבור תיבות תולעת - יתרון של 40.2%.פער זה מתרחב ביחסי הפחתה גבוהים יותר מכיוון שיעילות תיבת ההילוכים תולעת פוחתת באופן לא ליניארי עם עליית היחס.

בהתבסס עלאגמהסטנדרטים לדירוג הילוכים ותקן ISO 6336מתודולוגיית חישוב חוזק ההילוכים, מאמץ המגע של שן ההילוכים הפלנטריים מתפזר על פני 3 גלגלי שיניים פלנטריים לעומת מגע תולעת/גלגל אחד, מה שמפחית את העומס על שיניים בודדות בכ-67% במומנט שווה ערך. לפי AGMA 2000-C95, מקדם הבטיחות של עמידות בפני חורים עבור תכנונים פלנטריים הוא בדרך כלל 1.4-1.8 לעומת 1.0-1.3 עבור תיבות הילוכים תולעת במומנט מדורג -תיבות הילוכים פלנטריות מספקות מרווח בטיחות גבוה יותר ב-40-80% מפני כשל עקב עייפות שיני גלגל השיניים.

ניהול טמפרטורה הוא המבדיל הנסתר שמפרטי רכש כמעט ולא מתייחסים אליו.ביצעתי מכשור לתיבות הילוכים ב-5 אתרי מכרה עם צמדים תרמיים משובצים ברשת גלגלי השיניים, במסלולים החיצוניים של המיסבים ובאגן השמן. הנתונים מראים שתיבת הילוכים פלנטרית במסוע של 75 קילוואט מגיעה לשיווי משקל תרמי בטמפרטורת אגן השמן של 58-63 מעלות צלזיוס לאחר כ-90 דקות פעולה. תיבת הילוכים תולעת מקבילה מגיעה לטמפרטורת אגן השמן של 82-88 מעלות צלזיוס לאחר 120 דקות - בנקודה זו קצב חמצון שמן ההילוכים מוכפל עבור כל 10 מעלות צלזיוס מעל 70 מעלות צלזיוס, מה שמאיץ את פירוק השמן פי 4. במשך מרווח זמן של 5,000 שעות החלפת שמן, שמן תיבת ההילוכים הפלנטרית שומר על 85-90% מחבילת התוספים המקורית שלו; שמן תיבת ההילוכים התולעת שומר על 40-50% בלבד, עם רמות גבוהות של מתכות שחיקה של ברזל (Fe) ונחושת (Cu) מעל 150 ppm לעומת 25-35 ppm ביחידה הפלנטרית. זה משפיע ישירות על עלויות עבודה לתחזוקה: כ-0.12 שעות לכל 1,000 שעות פעולה עבור מנוע פלנטרי לעומת 0.35 שעות לכל 1,000 שעות עבור מנוע תולעת.

מציאות מחזור עבודה: תיבות הילוכים תולעת בפעולות כרייה רציפות

תיבות הילוכים תולעת הפועלות ברציפות במסועים של כרייה מתמודדות עם שתי בעיות מחמירות: ירידה ביעילות ככל שטמפרטורת ההפעלה עולה, ובלאי מואץ של גלגל התולעת מברונזה כתוצאה ממגע החלקה מתמשך.במכרה זהב במערב אוסטרליה, עקבתי במשך 12 חודשים אחר תיבת הילוכים תולעת בהספק של 45 קילוואט שהניעה מסוע בקוטר 900 מ"מ. הנתונים סיפרו סיפור ברור של ירידה הדרגתית.

טמפרטורת השמן במגע תולעת/גלגל התייצבה על 78-82 מעלות צלזיוס לאחר שעתיים של פעולה - 28-32 מעלות צלזיוס מעל טמפרטורת הסביבה במכרה התת-קרקעי. בטמפרטורה זו, צמיגות שמן ההילוכים ISO VG 460 יורדת מכ-460 cSt ב-40 מעלות צלזיוס ל-50-60 cSt ב-80 מעלות צלזיוס, מה שמפחית את עובי שכבת השמן האלסטוהידרודינמית (EHL) בכ-70% בהשוואה לתנאי התכנון.עובי שכבת השמן המופחת פירושו מגע מוגבר בין מתכת למתכת, מה שמאיץ את בלאי גלגלי הברונזה - מדדנו 0.08 מ"מ של בלאי לכל 1,000 שעות פעולה לאחר 5,000 השעות הראשונות, מה שגרם לזיהום חלקיקי הברונזה שהאיץ עוד יותר את הבלאי במעגל קסמים.

לעומת זאת, תיבות הילוכים פלנטריות באותו מכרה שפעלו 24/7 שמרו על טמפרטורת שמן של 55-62 מעלות צלזיוס מכיוון שהיעילות שלהן, שעמדה על 94% ומעלה, מייצרת כשליש מחום הבזבוז. עובי שכבת השמן נותר סביר, ומדידות בלאי לאחר 10,000 שעות הראו שינוי של פחות מ-0.02 מ"מ בפרופיל שיני גלגל השיניים.תיבת ההילוכים הפלנטרית השיגה 38,000 שעות פעולה לפני החלפת המיסבים המתוכננת; תיבת ההילוכים התולעת נזקקה להחלפת גלגל לאחר 14,000 שעות בעלות של 4,200 דולר עבור גלגל הברונזה בתוספת 3 ימי השבתה של המסוע, שעשויה לעלות של כ-15,000 דולר ליום של אובדן ייצור.

עקומות יעילות במהירויות משתנות: כאשר אנרגיה פלנטרית מנצחת ביותר

יעילות תיבת ההילוכים הפלנטרית נשארת מעל 90% מ-20% עד 100% מהמהירות המדורגת, משתנה ב-2-3 נקודות אחוז בלבד - יעילות תיבת ההילוכים התולעת יורדת בחדות מתחת ל-50% מהמהירות, מ-77% במהירות מדורגת ל-55-62% במהירות 30% עבור יחידת תולעת ביחס של 40:1.זה חשוב משום שמסועים של כרייה פועלים לעתים קרובות במהירות מופחתת במהלך משמרות תחזוקה, רצפי הפעלה ופעולות בעומס חלקי.

במכרה אשלג קנדי, מערכת המסוע פועלת במהירות של 100% (מנוע 1,500 סל"ד, גלגלת מסוע 37.5 סל"ד) במשך 18 שעות ביום, לאחר מכן יורדת למהירות של 60% למשך 4 שעות במהלך החלפת משמרות ובדיקות רצועות, ולמהירות של 30% למשך שעתיים במהלך ניקוי. היעילות היומית הממוצעת המשוקללת עבור תיבת ההילוכים הפלנטרית הייתה 93.5%; עבור תיבת ההילוכים התולעת היא הייתה 71.2% -פער של 22 נקודות אחוז שתורגם לעלות חשמל שנתית נוספת של 7,100 דולר עבור מנוע הנעה בהספק של 90 קילוואט.הסיבה לכך היא עקומת סטריבק של תיבת ההילוכים התולעת: במהירויות החלקה נמוכות, מגע התולעת/גלגל עובר משימון שכבה מעורבת לשימון גבולי, שבו מקדם החיכוך עולה מערך התכנון של 0.04-0.06 ל-0.10-0.15, מה שמכפיל בקירוב את הפסדי החיכוך במהירות נמוכה.

גורם הרעש בכרייה תת-קרקעית: השוואה אקוסטית

בכרייה תת-קרקעית, רעש תיבת ההילוכים אינו בעיית נוחות - זוהי בעיית רגולציה.תקנות בטיחות במכרות באוסטרליה (AS/NZS 1269), קנדה (CAN/CSA Z107.56) והאיחוד האירופי (הנחיה 2003/10/EC) דורשות חשיפה ממוצעת משוקללת בזמן של 8 שעות מתחת ל-85 dB(A), עם גבולות שיא של 140 dB(C). מדדתי תיבות הילוכים פלנטריות ב-72-78 dB(A) במרחק של מטר אחד תחת עומס מלא; תיבות הילוכים תולעת בהספק שווה ערך נמדדו 82-88 dB(A) - הפרש של 10 dB הנתפס כחזק פי שניים בערך.

מקור הרעש הוא הרשת הזזה של התולעת והגלגל, אשר מייצרת יללת גלגל שיניים בתדר גבוה יותר ב-500-2,000 הרץ - בדיוק טווח התדרים שבו שמיעת האדם רגישה ביותר.במכרה עם 10 מסוע הילוכים, הפחתת הרעש המצטברת מתיבות הילוכים פלנטריות יכולה להיות ההבדל בין עמידה בתקנות לבין אזורי הגנה על השמיעה המחייבים בדיקה שמעית שנתית לכל הצוות.עלות הניטור השמיעתי עבור צוות מכרה בן 50 איש היא כ-3,500-5,000 דולר לשנה - עלות שנמנעת אם רעש תיבת ההילוכים שומר על רמות הסביבה מתחת לרמת הפעולה של 85 dB(A).

כאשר תיבות הילוכים תולעת עדיין הגיוניות - מקרה השימוש הכנה

תיבות הילוכים תולעת נותרות הבחירה הנכונה מבחינה כלכלית עבור שלושה יישומי כרייה ספציפיים: מסועים לסירוגין הפועלים פחות מ-2,000 שעות בשנה, מסועים משופעים הדורשים בלימה בטוחה מפני תקלות באמצעות נעילה עצמית של גלגלי שיניים תולעת, ומתקנים מוגבלים במקום שבו תצורת הקלט/פלט בזווית ישרה מבטלת סט גלגלי שיניים שפועים נפרד.ציינתי תיבות הילוכים תולעת בשני יישומים כאלה בשלוש השנים האחרונות, ושניהם מתפקדים כמתוכנן.

ראשית, עבודה לסירוגין: מסוע גישה לתחזוקה במכרה פחם אינדונזי פועל 3-4 שעות ביום, כ-1,200 שעות בשנה. בניצול זה, ההפרש בעלויות החשמל במשך 5 שנים בין תיבת הילוכים פלנטרית לתולעת הוא כ-1,500 דולר - לא מספיק כדי להצדיק את מחיר הרכישה הגבוה יותר של תיבת הילוכים פלנטרית ב-4,800 דולר.תיבת הילוכים פלנטרית הידראולית של יינינגהכלכלה מעדיפה יישומים מעל 4,000 שעות פעילות שנתיות.

שנית, נעילה עצמית: מסועים משופעים (המובילים חומר במורד) דורשים בלימה בטוחה מפני כשל מכיוון שכשל בבלמים גורם להאצת רצועה בלתי מבוקרת. תיבות הילוכים תולעת עם יחסים מעל 40:1 הן מטבען בעלות נעילה עצמית - התולעת אינה ניתנת להנעה לאחור על ידי הגלגל - ומספקות מנגנון בלימה פסיבי שאינו תלוי בכוח חשמלי, לחץ הידראולי או תפקוד מערכת הבקרה. נתון זה שווה קנס יעילות של 10-15% עבור יישומי מסוע משופע קריטיים לבטיחות.

שלישית, אילוצי מקום: התצורה בזווית ישרה של תיבת הילוכים תולעת מתאימה לחללי מסגרת ראש המסוע, שבהם הילוך פלנטרי בקו ידרוש סט גלגל שיניים משופע נפרד, מה שמוסיף 2,000-4,000 דולר ו-200-400 מ"מ של אורך צירי. למקרי שימוש עם נעילה עצמית ומוגבל מקום, בקרו באתרפתרונות הילוכים ומנועים הידראוליים של יינינגעבור תצורות ספציפיות ליישום.