Dlaczego wciągarki hydrauliczne przewyższają wciągarki elektryczne w zastosowaniach górniczych wymagających ciągłej pracy przy dużych obciążeniach

Podstawowa różnica w konstrukcji silnika — co sprawia, że ​​wciągarki hydrauliczne są przeznaczone do nadużyć

Przez piętnaście lat pracowałem w firmie Yining Hydraulic, projektując systemy wyciągarek do zastosowań górniczych, morskich i budowlanych. Różnica w filozofii inżynieryjnej między wyciągarkami hydraulicznymi i elektrycznymi jest znacząca:Silniki hydrauliczne są z natury przebudowane, aby przetrwać przeciążenia, podczas gdy silniki elektryczne to precyzyjne urządzenia, które chronią się poprzez wyłączenie.Ta różnica nie jest wadą konstrukcyjną żadnej z technologii, lecz konsekwencją leżących u jej podstaw zasad fizyki. Silniki hydrauliczne wykorzystują ciecz pod ciśnieniem (zwykle 250-350 barów w zastosowaniach w wyciągarkach górniczych) do napędzania obracającej się grupy tłoków lub przekładni. Sama ciecz działa zarówno jako medium napędowe, jak i chłodzące – krążąc w silniku, odprowadza ciepło do chłodnicy oleju układu. W przypadku przeciążenia silnika, zawór bezpieczeństwa układu otwiera się przy nastawionym ciśnieniu (zwykle 315-350 barów) i zmienia kierunek przepływu, chroniąc elementy mechaniczne przed uszkodzeniem spowodowanym przeciążeniem bez wyłączania układu.

Silniki elektryczne natomiast przekształcają prąd elektryczny w strumień magnetyczny, wytwarzając moment obrotowy. Uzwojenia silnika – przewody miedziane izolowane izolacją klasy F (maksymalnie 155 stopni Celsjusza) lub klasy H (maksymalnie 180 stopni Celsjusza) – generują ciepło proporcjonalne do kwadratu prądu (straty I-kwadrat-R).W zastosowaniach górniczych o pracy ciągłej, w których wciągarka ciągnie ładunek przez 30–60 minut, uzwojenia silnika osiągają nasycenie cieplne w ciągu 15–25 minut, a przekaźnik zabezpieczający przed przegrzaniem lub przetwornica częstotliwości wyłącza silnik, aby zapobiec przebiciu izolacji.To nie jest awaria – to silnik chroniący się przed trwałym uszkodzeniem – ale dla kierownika produkcji w kopalni, który obserwuje zatrzymanie się wciągarki w trakcie pracy, to rozróżnienie jest czysto akademickie.ISO 5001Normy dotyczące sprawności silników elektrycznych wskazują, że silniki o pracy ciągłej wymagają albo wymuszonego chłodzenia powietrzem (silniki TEFC z zewnętrznymi wentylatorami), albo chłodzenia płaszczem wodnym w przypadku pracy przy cyklu pracy przekraczającym 40% — a nawet przy wymuszonym chłodzeniu, ograniczenie termiczne wynosi zazwyczaj 60–70% cyklu pracy przy temperaturach otoczenia wynoszących 35–45 stopni Celsjusza, typowych dla australijskich i południowoamerykańskich kopalni odkrywkowych.

Porównanie współczynnika wypełnienia: dlaczego ograniczenia termiczne wciągarek elektrycznych stają się problemem produkcyjnym w górnictwie

Specyfikacja cyklu pracy podana w karcie katalogowej wyciągarki elektrycznej odnosi się do warunków laboratoryjnych — temperatury otoczenia 25 stopni Celsjusza, czystego powietrza, napięcia znamionowego — żadne z nich nie ma zastosowania w środowisku kopalnictwa skał twardych.W rzeczywistych warunkach górniczych, przy temperaturze otoczenia 40°C, z pyłem unoszącym się w powietrzu, który częściowo zatyka żebra chłodzące silnika, rzeczywisty cykl pracy wciągarki elektrycznej o „wydajności 40%” spada do około 25-30%. W kopalni pracującej na dwóch 10-godzinnych zmianach oznacza to, że wciągarka elektryczna może pracować tylko przez 2,5-3 godziny na zmianę, zanim kumulacja ciepła wymusi okres schładzania – a ten okres schładzania (zwykle 30-45 minut na powrót uzwojenia do bezpiecznej temperatury) bezpośrednio zmniejsza wydajność produkcji.

At Yining HydraulicNasze hydrauliczne wyciągarki serii IYJ są zaprojektowane do pracy ciągłej w 100%, a chłodnica oleju układu hydraulicznego jest dostosowana do maksymalnej spodziewanej temperatury otoczenia powiększonej o 15% margines bezpieczeństwa.Chłodnica oleju to element zarządzania temperaturą, który umożliwia 100% cykl pracy— przenosi ciepło z płynu hydraulicznego do powietrza otoczenia (lub wody chłodzącej w przypadku zastosowań w górnictwie podziemnym), utrzymując temperaturę płynu poniżej 65 stopni Celsjusza, nawet podczas ciągłej pracy pod maksymalnym obciążeniem. Silnik elektryczny napędzający pompę hydrauliczną jest jedynym elementem elektrycznym w systemie i pracuje ze stałą prędkością i obciążeniem, niezależnie od obciążenia wciągarki — eliminując zmienne cykle termiczne, które powodują wyłączenie silników wciągarki elektrycznej.

Stały moment obrotowy przy zmiennym obciążeniu: przewaga hydrauliki w łagodnym rozruchu i amortyzacji wstrząsów

W operacjach związanych z wyciągarką górniczą około 67% wszystkich operacji ciągnięcia wiąże się z ruszaniem pod obciążeniem statycznym — załadowanym kamieniami kontenerem, zatrzymanym wozem wydobywczym, napiętym przenośnikiem taśmowym.Rozruch pod obciążeniem statycznym wymaga maksymalnego momentu obrotowego przy zerowych obrotach na minutę i to właśnie tutaj fundamentalna zaleta silnika hydraulicznego jest najbardziej widoczna. Silnik hydrauliczny generuje maksymalny moment obrotowy w momencie otwarcia zaworu sterującego — ciśnienie w obwodzie hydraulicznym rośnie natychmiast (w ciągu 50–100 milisekund), a silnik zapewnia pełny moment obrotowy przy zerowych obrotach na minutę. Nie występuje prąd rozruchowy, skokowe nagrzewanie uzwojeń ani iskrzenie stycznika rozrusznika.

Silnik elektryczny uruchamiany przy obciążeniu statycznym pobiera prąd zablokowanego wirnika (zwykle 6–8 razy większy od prądu pełnego obciążenia) przez czas rozruchu — zwykle 2–5 sekund w przypadku rozruchu bezpośredniego lub 5–15 sekund w przypadku rozrusznika miękkiego zwiększającego napięcie.Każdy rozruch z zablokowanym wirnikiem powoduje termiczne starzenie uzwojeń silnika o około 0,5–1,0 równoważnych godzin pracy, ponieważ nagrzewanie się rezystancji I-kwadrat-R podczas prądu rozruchowego jest 36–64 razy większe niż podczas normalnej pracy.Podczas zmiany w górnictwie z 20–30 cyklami rozruchu, skumulowane starzenie cieplne wynikające z samego rozruchu może pochłonąć 10–30 godzin równoważnych żywotności uzwojeń podczas jednej 10-godzinnej zmiany. WedługAS 1418Zgodnie z normami dotyczącymi dźwigów i podnośników częstotliwość rozruchów silnika wciągarki elektrycznej musi zostać obniżona, gdy temperatura otoczenia przekroczy 35 stopni Celsjusza, a współczynnik obniżający wynosi zazwyczaj 0,85 na każde 5 stopni Celsjusza powyżej temperatury znamionowej.

Układy hydrauliczne zapewniają również naturalną amortyzację wstrząsów dzięki ściśliwości płynu hydraulicznego.Gdy wciągarka górnicza napotyka nagły wzrost obciążenia — odłamek skały zaklinowujący się pod kontenerem lub lina zaczepiająca się o nierówne podłoże — płyn hydrauliczny ulega nieznacznemu sprężeniu (około 0,5% redukcji objętości na każde 70 barów wzrostu ciśnienia w przypadku oleju mineralnego), amortyzując wstrząs, zanim dotrze on do podzespołów mechanicznych.Ta amortyzacja hydrauliczna zmniejsza moment obrotowy szczytowy na przekładni o 20–35% w porównaniu z wyciągarką elektryczną ze sztywnym sprzęgłem mechanicznym między silnikiem a wałem wejściowym przekładni.Yining HydraulicNasze agregaty hydrauliczne zawierają obwody akumulatora zaprojektowane specjalnie w celu zwiększenia amortyzacji wstrząsów — 10-litrowy akumulator pęcherzowy naładowany wstępnie azotem pod ciśnieniem 120 barów pochłania skoki ciśnienia, które w przeciwnym razie dotarłyby do pompy i silnika.

Porównanie trybów awarii silników: szybkość wypalania i koszty napraw w środowiskach wydobywczych skał twardych

Zanieczyszczenie środowiska jest głównym czynnikiem przyspieszającym awarie obu typów silników, ale tryby awarii i sposoby naprawy różnią się zasadniczo.W górnictwie twardych skał środowisko obejmuje: unoszący się w powietrzu pył ​​krzemionkowy (o rozmiarze cząsteczek 0,5–5 mikronów, silnie ścierny), wibracje (5–15 mm/s RMS przy podstawie montażowej wciągarki pochodzące od pobliskich kruszarek i przenośników), duże wahania temperatury (od 5 stopni Celsjusza w nocy do 45 stopni Celsjusza w dzień w przypadku kopalni odkrywkowych) oraz sporadyczne narażenie na działanie wody lub szlamu powstającego w wyniku odwadniania kopalni.

Typowe przyczyny awarii silników elektrycznych w tym środowisku: zanieczyszczenie łożysk (wnikanie kurzu przez uszczelnienia wału, co stanowi przyczynę około 51% awarii silników elektrycznych według badań niezawodności silników IEEE), uszkodzenie izolacji uzwojeń (gromadzenie się kurzu na uzwojeniach zmniejsza rozpraszanie ciepła, powodując powstawanie gorących punktów, które powodują degradację izolacji 2–3 razy szybciej niż zwykle) oraz korozja skrzynki zaciskowej (wnikanie wilgoci powodujące zwarcia doziemne).W środowiskach górnictwa skał twardych wskaźnik awaryjności silników elektrycznych jest około 3–5 razy wyższy niż w czystych środowiskach przemysłowych,W przypadku awarii silnika, naprawa zazwyczaj obejmuje: demontaż z wciągarki (1-2 godziny z pomocą dźwigu), transport do zewnętrznego warsztatu naprawczego silników (logistyka 2-5 dni), demontaż/przezwinięcie/remont (5-10 dni) oraz ponowną instalację (1-2 godziny). Całkowity czas przestoju: 7-17 dni na każde zdarzenie awarii.

Tryby awarii silnika hydraulicznego: zużycie uszczelnień (najczęstsza awaria, zwykle występująca po 8000–12 000 godzinach pracy), zużycie grup wirujących (ślizgi tłokowe, powierzchnia bloku cylindrów, płyta zaworowa — stopniowe i wykrywalne poprzez monitorowanie wydajności) oraz uszkodzenia związane z zanieczyszczeniem (możliwe do uniknięcia poprzez odpowiednią filtrację przy ciśnieniu bezwzględnym 10 mikronów lub większym).Naprawa silnika hydraulicznego w terenie: wymiana uszczelnienia zajmuje od 2 do 4 godzin przy użyciu standardowych narzędzi i nie wymaga demontażu silnika za pomocą dźwigu.Wymiana zespołu wirującego trwa 4-8 godzin i może zostać przeprowadzona na miejscu przez technika hydraulika. Silnik nie opuszcza terenu kopalni. Całkowity czas przestoju: 0,5-1 dzień w przypadku awarii uszczelnienia, 1-2 dni w przypadku wymiany zespołu wirującego. Zgodnie z…Efektywność energetyczna sprzętu górniczego (MEET)dane badawcze wskazują, że możliwość naprawy układów hydraulicznych w terenie jest największą pojedynczą zaletą operacyjną w porównaniu z układami elektrycznymi w odległych kopalniach, gdzie logistyka związana z naprawami poza terenem kopalni wydłuża czas naprawy o kilka tygodni w przypadku każdego zdarzenia awariowego.

Całkowity koszt na godzinę: 5-letnia analiza kosztów operacyjnych dla zastosowań wciągarki górniczej o pracy ciągłej

Różnica w kosztach zakupu — system wyciągarki hydraulicznej jest zazwyczaj o 30–50% droższy od wyciągarki elektrycznej o równoważnej ładowności — jest to najczęściej cytowany argument przeciwko wyciągarkom hydraulicznym, ale jest to również najmniej kompletna analiza.Prawidłowa analiza całkowitych kosztów na godzinę eksploatacji w okresie 5 lat (typowy okres amortyzacji sprzętu górniczego) pokazuje, że wyższy początkowy koszt zwraca się w ciągu pierwszych 18–24 miesięcy dzięki skróceniu przestojów i niższym kosztom napraw.

Koszt przestoju w produkcji — szacowany na 1200–1800 USD za godzinę przerwanej pracy wciągarki w kopalni średniej wielkości — stanowi najważniejszy składnik całkowitego równania kosztów.100% cykl pracy wciągarki hydraulicznej eliminuje straty produkcyjne związane z przegrzaniem, a konstrukcja silnika umożliwiająca naprawę w terenie skraca czas przestoju związanego z naprawą o około 85% w porównaniu z wciągarką elektryczną wymagającą naprawy w warsztacie poza zakładem.CIPSZgodnie z metodologią kalkulacji kosztów cyklu życia zaopatrzenia, podstawą decyzji o zakupie musi być całkowity koszt posiadania w ciągu 5-letniego cyklu życia sprzętu górniczego, a nie porównanie cen zakupu, które wolą przedstawiać dostawcy sprzętu.

Szczera argumentacja przeciwko hydraulice: kiedy wciągarki elektryczne są nadal właściwym wyborem

Wciągarki hydrauliczne nie są zawsze lepsze. Klientom z branży górniczej zalecałem wciągarki elektryczne w określonych sytuacjach, w których zalety układu elektrycznego lepiej odpowiadają wymogom operacyjnym.Wyciągarki elektryczne są lepszym wyborem, gdy: wciągarka jest zamontowana na platformie mobilnej (zasilane akumulatorowo pojazdy górnicze, gdzie agregat hydrauliczny wymagałby oddzielnego silnika wysokoprężnego), cykl pracy jest rzeczywiście przerywany (mniej niż 15 minut ciągłej pracy na godzinę, mniej niż 4 godziny całkowitej dziennej pracy), wciągarka znajduje się w środowisku o kontrolowanej temperaturze (kopalnie podziemne z wymuszoną wentylacją utrzymującą temperaturę 25–30 stopni Celsjusza) i początkowy budżet kapitałowy stanowi wiążące ograniczenie (niewielkie operacje górnicze, gdzie różnica w kosztach zakupu w wysokości 30 000–50 000 USD między wciągarką hydrauliczną a elektryczną jest zaporowa).

W przypadku podziemnych kopalń węgla, w których obowiązują surowe wymagania dotyczące ochrony przeciwwybuchowej, wciągarki elektryczne z silnikami z certyfikatem Ex-d (ognioszczelności) lub Ex-e (wzmocnionego bezpieczeństwa) mogą być jedyną opcją, gdy przepisy bezpieczeństwa kopalni zabraniają stosowania agregatów hydraulicznych z silnikami Diesla. W takich przypadkachYining HydraulicOferujemy wersje z napędem elektrycznym naszej serii wciągarek IYJ z silnikami przeciwwybuchowymi, certyfikowanymi zgodnie z normami ATEX i IECEx. Właściwy wybór technologii zależy od profilu operacyjnego konkretnej kopalni, a nie od preferencji co do jednego typu silnika.Moja rekomendacja po piętnastu latach: jeśli wciągarka pracuje dłużej niż 4 godziny dziennie, a kopalnia nie jest mobilna z akumulatorem lub nie ma ograniczeń dotyczących zabezpieczeń przeciwwybuchowych, całkowita przewaga kosztowa wciągarki hydraulicznej w ciągu 5 lat jest po prostu zbyt duża, aby ją zignorować.

Odnośniki zewnętrzne: Normy silnikowe ISO 5001 · MEET Mining Research · Standardy zamówień CIPS · Instytut Górnictwa IOM3 · Normy górnicze CSA · Certyfikacja sprzętu DNV · ISO 4413 Systemy hydrauliczne · SAE International