Hydraulische planetaire tandwielkast versus wormwielkast: welke levert meer koppel voor transportbanden in de mijnbouw?

Het verschil in koppelrendement: waarom planetaire tandwielkasten de overhand hebben in zware mijnbouwtoepassingen

Bij een gelijk ingangsvermogen en dezelfde afmetingen van de motor levert een planetaire tandwielkast 40-60% meer uitgangskoppel aan de aandrijfpoelie van de transportband dan een wormwielkast. Dit komt doordat het contact tussen de rollende elementen van de planetaire tandwielkast een rendement van 94-97% per trap behaalt, terwijl wormwielkasten 15-50% van het ingangsvermogen verliezen door wrijvingswarmte.In de mijnbouw, waar een transportbandaandrijving continu 55-200 kW kan verbruiken gedurende 16-24 uur per dag, vertaalt het efficiëntieverschil zich direct in operationele kosten: elk procentpunt aan verloren efficiëntie betekent ongeveer $800-2.500 per jaar aan extra elektriciteitskosten per 100 kW geïnstalleerd vermogen, afhankelijk van de lokale elektriciteitstarieven.

Ik heb de vervanging van tandwielkasten in kolen- en kopermijnen op vier continenten geëvalueerd, en de economische voordelen van planetaire tandwielkasten zijn voor continu gebruik consistent. Een wormwielkast van 75 kW die een transportband van 1200 mm breed aandreef in een Chileense kopermijn verbruikte 94 kW aan de motoraansluitingen (79,8% systeemrendement inclusief motorverliezen) toen ik deze na 18 maanden bedrijf mat. De vervangende planetaire unit met dezelfde overbrengingsverhouding en uitgangskoppel verbruikte 82 kW (91,5% systeemrendement).Dit levert een besparing op van ongeveer $4.800 per jaar aan elektriciteitskosten bij een tarief van $0,08/kWh en continu bedrijf, waardoor de 25% hogere kosten van de planetaire tandwielkast in minder dan 2 jaar worden terugverdiend.

Analyse van de koppelwaarden: planetaire versus wormwieloverbrenging bij identiek ingangsvermogen.

Het verschil in uitgangskoppel tussen planetaire en wormwieloverbrengingen bij een identiek ingangsvermogen van 55 kW en een overbrengingsverhouding van 40:1 bedraagt ​​ongeveer 11.500 Nm voor planetaire overbrengingen versus 8.200 Nm voor wormwieloverbrengingen – een voordeel van 40,2%.Deze kloof wordt groter bij hogere overbrengingsverhoudingen, omdat het rendement van de wormwieloverbrenging niet-lineair afneemt naarmate de verhouding toeneemt.

Gebaseerd opAGMAnormen voor de classificatie van uitrusting enISO 6336Bij de berekening van de tandwielsterkte wordt bij planetaire tandwieloverbrengingen de contactspanning tussen de tanden verdeeld over 3 planeetwielen, in tegenstelling tot 1 contact tussen wormwiel en tandwiel. Hierdoor wordt de belasting op elke tand met ongeveer 67% verminderd bij een gelijk koppel. Volgens AGMA 2000-C95 bedraagt ​​de veiligheidsfactor voor putcorrosie bij planetaire tandwieloverbrengingen doorgaans 1,4-1,8, tegenover 1,0-1,3 voor wormwieloverbrengingen bij het nominale koppel.Planetaire tandwielkasten bieden een 40-80% hogere veiligheidsmarge tegen vermoeiingsbreuk van de tandwielen.

Temperatuurbeheer is de verborgen onderscheidende factor die zelden in inkoopspecificaties wordt genoemd.Ik heb tandwielkasten op 5 mijnlocaties uitgerust met ingebouwde thermokoppels bij de tandwieloverbrenging, de buitenringen van de lagers en het oliecarter. De gegevens tonen aan dat een planetaire tandwielkast in een transportbandaandrijving van 75 kW thermisch evenwicht bereikt bij een cartertemperatuur van 58-63 graden Celsius na ongeveer 90 minuten bedrijf. Een vergelijkbare wormwielkast bereikt een cartertemperatuur van 82-88 graden Celsius na 120 minuten. Op dat moment verdubbelt de oxidatiesnelheid van de tandwielolie voor elke 10 graden Celsius boven de 70 graden Celsius, waardoor de olie vier keer zo snel degradeert. Gedurende een olieverversingsinterval van 5000 uur behoudt de olie in de planetaire tandwielkast 85-90% van het oorspronkelijke additievenpakket; de olie in de wormwielkast behoudt slechts 40-50%, met verhoogde ijzer- (Fe) en koper- (Cu) slijtagemetalen van meer dan 150 ppm, tegenover 25-35 ppm in de planetaire unit. Dit heeft directe gevolgen voor de arbeidskosten van het onderhoud: ongeveer 0,12 uur per 1.000 bedrijfsuren voor een planetaire overbrenging versus 0,35 uur per 1.000 uur voor een wormwieloverbrenging.

De realiteit van de werkcyclus: wormwieloverbrengingen in continue mijnbouwprocessen

Wormwieloverbrengingen die continu in mijnbouwtransportbanden werken, kampen met twee elkaar versterkende problemen: een afname van het rendement naarmate de bedrijfstemperatuur stijgt, en versnelde slijtage van het bronzen wormwiel door aanhoudend glijdend contact.In een goudmijn in West-Australië heb ik gedurende 12 maanden een wormwieloverbrenging van 45 kW gevolgd die een transportband van 900 mm aandreef. De gegevens lieten een duidelijk beeld zien van een geleidelijke achteruitgang.

De olietemperatuur bij het contact tussen wormwiel en tandwiel stabiliseerde zich na 2 uur bedrijf op 78-82 graden Celsius, 28-32 graden Celsius boven de omgevingstemperatuur in de ondergrondse mijn. Bij deze temperatuur daalt de viscositeit van ISO VG 460 tandwielolie van ongeveer 460 cSt bij 40 graden Celsius naar 50-60 cSt bij 80 graden Celsius, waardoor de dikte van de elastohydrodynamische (EHL) oliefilm met ongeveer 70% afneemt ten opzichte van de ontwerpcondities.Een dunnere oliefilm betekent meer metaal-op-metaalcontact, wat de slijtage van de bronzen wielen versnelt. We maten een slijtage van 0,08 mm per 1000 bedrijfsuren na de eerste 5000 uur, wat leidde tot verontreiniging met bronsdeeltjes die de slijtage verder versnelden in een vicieuze cirkel.

Daarentegen handhaafden planetaire tandwielkasten in dezelfde mijn, die 24/7 in bedrijf waren, een olietemperatuur van 55-62 graden Celsius, omdat hun rendement van meer dan 94% ongeveer een derde van de restwarmte genereert. De oliefilmdikte bleef voldoende en slijtagemetingen na 10.000 uur lieten een verandering in het tandprofiel van minder dan 0,02 mm zien.De planetaire tandwielkast draaide 38.000 bedrijfsuren voordat de lagers volgens schema vervangen moesten worden; de wormwielkast had na 14.000 uur een nieuw wormwiel nodig, wat $4.200 kostte voor het bronzen wiel, plus 3 dagen stilstand van de transportband, wat neerkomt op ongeveer $15.000 per dag aan verloren productie.

Rendementscurves bij variabele snelheden: wanneer planetaire aandrijving met een grotere marge wint

Het rendement van een planetaire tandwielkast blijft boven de 90% tussen 20% en 100% van het nominale toerental, met een variatie van slechts 2-3 procentpunten. Het rendement van een wormwielkast daalt daarentegen sterk onder de 50% van het nominale toerental, van 77% bij het nominale toerental naar 55-62% bij 30% van het toerental voor een wormwielkast met een overbrengingsverhouding van 40:1.Dit is belangrijk omdat transportbanden in de mijnbouw tijdens onderhoudsdiensten, opstartprocedures en deellastwerkzaamheden vaak op een lagere snelheid draaien.

In een Canadese potasmijn draait het transportsysteem 18 uur per dag op 100% snelheid (motor 1500 tpm, transportbandrol 37,5 tpm), waarna de snelheid gedurende 4 uur daalt naar 60% tijdens ploegwisselingen en bandinspecties, en gedurende 2 uur naar 30% tijdens reiniging. Het gewogen gemiddelde dagelijkse rendement voor de planetaire tandwielkast was 93,5%; voor de wormwielkast was dit 71,2%.een verschil van 22 procentpunten, wat zich vertaalde in $7.100 extra jaarlijkse elektriciteitskosten voor een aandrijfmotor van 90 kW.De oorzaak is de Stribeck-curve van de wormwieloverbrenging: bij lage glijsnelheden verandert het contact tussen worm en wiel van gemengde smeerfilm naar grenslaagsmering, waarbij de wrijvingscoëfficiënt toeneemt van de ontwerpwaarde van 0,04-0,06 naar 0,10-0,15, waardoor de wrijvingsverliezen bij lage snelheden ongeveer verdubbelen.

De geluidsfactor in de ondergrondse mijnbouw: akoestische vergelijking

In de ondergrondse mijnbouw is het geluid van de versnellingsbak geen kwestie van comfort, maar van regelgeving.De veiligheidsvoorschriften voor mijnen in Australië (AS/NZS 1269), Canada (CAN/CSA Z107.56) en de EU (Richtlijn 2003/10/EC) vereisen een tijdgewogen gemiddelde geluidsbelasting van 85 dB(A) over een periode van 8 uur, met een pieklimiet van 140 dB(C). Ik heb planetaire tandwielkasten gemeten op 72-78 dB(A) op een afstand van 1 meter onder volledige belasting; wormwielkasten met een gelijk vermogen maten 82-88 dB(A) — een verschil van 10 dB dat als ongeveer twee keer zo luid wordt ervaren.

De geluidsbron is het glijdende contact tussen de worm en het tandwiel, wat een hoogfrequent gezoem van de tandwielen produceert tussen de 500 en 2000 Hz – precies het frequentiebereik waarin het menselijk gehoor het meest gevoelig is.In een mijn met 10 transportbandaandrijvingen kan de cumulatieve geluidsreductie van planetaire tandwielkasten het verschil maken tussen naleving van de voorschriften en verplichte gehoorbeschermingszones waar jaarlijks een audiometrisch onderzoek voor al het personeel vereist is.De kosten voor audiologische monitoring van een mijnploeg van 50 personen bedragen ongeveer $3.500-5.000 per jaar. Deze kosten worden vermeden als het geluid van de versnellingsbak het omgevingsgeluid onder de actiegrens van 85 dB(A) houdt.

Wanneer wormwieloverbrengingen nog steeds zinvol zijn: een eerlijk voorbeeld van het gebruik ervan.

Wormwieloverbrengingen blijven de economisch juiste keuze voor drie specifieke toepassingen in de mijnbouw: transportbanden met intermitterend gebruik die minder dan 2000 uur per jaar draaien, hellende transportbanden die een faalveilige remwerking vereisen via zelfvergrendelende wormwieloverbrengingen, en installaties met beperkte ruimte waar de haakse in- en uitgang een aparte kegelwieloverbrenging overbodig maakt.Ik heb de afgelopen 3 jaar in twee van dergelijke toepassingen wormwieloverbrengingen gespecificeerd, en beide functioneren zoals bedoeld.

Ten eerste, intermitterend gebruik: een transportband voor onderhoud in een Indonesische kolenmijn is 3-4 uur per dag in bedrijf, ongeveer 1200 uur per jaar. Bij dit gebruik bedraagt ​​het verschil in elektriciteitskosten over 5 jaar tussen een planetaire en een wormwieloverbrenging ongeveer $ 1500 – onvoldoende om de $ 4800 hogere aanschafprijs van de planetaire overbrenging te rechtvaardigen.Yining hydraulische planetaire tandwielkastEconomisch gezien zijn toepassingen met meer dan 4.000 bedrijfsuren per jaar aantrekkelijker.

Ten tweede, zelfvergrendelend: hellende transportbanden (die materiaal bergafwaarts transporteren) vereisen een faalveilige remwerking, omdat een remstoring ongecontroleerde bandversnelling veroorzaakt. Wormwieloverbrengingen met een overbrengingsverhouding van meer dan 40:1 zijn inherent zelfvergrendelend – de worm kan niet door het wiel worden teruggedreven – en bieden een passief remmechanisme dat niet afhankelijk is van elektrische voeding, hydraulische druk of de werking van het besturingssysteem. Dit is de moeite waard, ondanks een efficiëntieverlies van 10-15%, voor veiligheidskritische hellende transportbandtoepassingen.

Ten derde, ruimtebeperkingen: de haakse configuratie van een wormwieloverbrenging past in de beperkte ruimte van de kopconstructie van een transportband, terwijl een planetaire overbrenging in lijn een aparte kegeltandwielset zou vereisen, wat $2.000-$4.000 extra zou kosten en 200-400 mm extra axiale lengte zou opleveren. Voor zelfvergrendelende toepassingen en toepassingen met beperkte ruimte, zieYining Hydraulische tandwielkast- en motoroplossingenvoor toepassingsspecifieke configuraties.