Гидравлический планетарный редуктор против червячного редуктора: какой обеспечивает больший крутящий момент для горнодобывающих конвейеров?

Разница между крутящим моментом и эффективностью: почему планетарные редукторы выигрывают в тяжелой горнодобывающей промышленности.

При одинаковой входной мощности и габаритах двигателя планетарный редуктор передает на приводной шкив конвейера на 40-60% больший крутящий момент, чем червячный редуктор — потому что контакт катящихся элементов в планетарной конструкции обеспечивает КПД 94-97% на ступень, в то время как червячные редукторы теряют 15-50% входной мощности из-за тепла, выделяемого при трении скольжения.В горнодобывающей промышленности, где привод конвейера может потреблять от 55 до 200 кВт непрерывно в течение 16-24 часов в сутки, потеря эффективности напрямую влияет на эксплуатационные расходы: каждый процентный пункт потери эффективности означает примерно от 800 до 2500 долларов в год дополнительных затрат на электроэнергию на каждые 100 кВт установленной мощности, в зависимости от местных тарифов на электроэнергию.

Я провел оценку вариантов замены редукторов на угольных и медных шахтах на четырех континентах, и экономические показатели неизменно свидетельствуют в пользу планетарных редукторов для применений непрерывного действия. Червячный редуктор мощностью 75 кВт, приводящий в движение конвейер шириной 1200 мм на медном руднике в Чили, потреблял 94 кВт на клеммах двигателя (79,8% КПД системы, включая потери в двигателе) после 18 месяцев эксплуатации. Замененный планетарный редуктор с тем же передаточным отношением и выходным крутящим моментом потреблял 82 кВт (91,5% КПД системы).Экономия электроэнергии составляет приблизительно 4800 долларов в год при цене 0,08 доллара за кВт⋅ч при круглосуточной работе, что позволяет окупить стоимость планетарного редуктора, которая на 25% выше, менее чем за 2 года.

Разбор значений крутящего момента — планетарный и червячный редукторы при одинаковой входной мощности.

Разница в выходном крутящем моменте между планетарным и червячным редукторами при одинаковой входной мощности 55 кВт и передаточном отношении 40:1 составляет приблизительно 11 500 Нм для планетарного редуктора и 8 200 Нм для червячного — преимущество в 40,2%.Этот разрыв увеличивается при более высоких передаточных числах, поскольку КПД червячного редуктора нелинейно снижается с увеличением передаточного числа.

На основеАГМАстандарты рейтинга передач иISO 6336Согласно методологии расчета прочности зубчатых передач, контактное напряжение зубьев планетарной передачи распределяется между тремя планетарными шестернями, а не между одним червячным колесом, что снижает нагрузку на каждый зуб примерно на 67% при эквивалентном крутящем моменте. По стандарту AGMA 2000-C95, коэффициент запаса прочности по стойкости к питтинговой коррозии для планетарных передач обычно составляет 1,4-1,8 по сравнению с 1,0-1,3 для червячных передач при номинальном крутящем моменте.Планетарные редукторы обеспечивают запас прочности на 40-80% выше по сравнению с обычными редукторами, предотвращая усталостное разрушение зубьев шестерен.

Регулирование температуры — это скрытое конкурентное преимущество, которое редко учитывается в технических условиях закупок.Я установил термопары в редукторах на 5 горнодобывающих предприятиях, в местах зацепления шестерен, наружных обоймах подшипников и масляном поддоне. Данные показывают, что планетарный редуктор в конвейерном приводе мощностью 75 кВт достигает теплового равновесия при температуре в поддоне 58-63 °C примерно через 90 минут работы. Эквивалентный червячный редуктор достигает температуры в поддоне 82-88 °C через 120 минут — при этом скорость окисления редукторного масла удваивается на каждые 10 °C выше 70 °C, ускоряя деградацию масла в 4 раза. За интервал замены масла в 5000 часов масло планетарного редуктора сохраняет 85-90% своего первоначального пакета присадок; масло червячного редуктора сохраняет только 40-50%, при этом содержание железа (Fe) и меди (Cu) в нем превышает 150 ppm по сравнению с 25-35 ppm в планетарном редукторе. Это напрямую влияет на затраты на техническое обслуживание: примерно 0,12 часа на 1000 часов работы для планетарных редукторов по сравнению с 0,35 часа на 1000 часов для червячных редукторов.

Реалии рабочего цикла: червячные редукторы в непрерывном горнодобывающем производстве.

Червячные редукторы, непрерывно работающие в горнодобывающих конвейерах, сталкиваются с двумя взаимосвязанными проблемами: снижением эффективности по мере повышения рабочей температуры и ускоренным износом бронзового червячного колеса из-за длительного скользящего контакта.На золотодобывающем руднике в Западной Австралии я в течение 12 месяцев отслеживал работу червячного редуктора мощностью 45 кВт, приводящего в движение конвейерную ленту диаметром 900 мм. Полученные данные наглядно показали постепенное снижение добычи.

Температура масла в месте контакта червяка и колеса стабилизировалась на уровне 78-82 °C после 2 часов работы — на 28-32 °C выше температуры окружающей среды в подземной шахте. При этой температуре вязкость трансмиссионного масла ISO VG 460 снижается примерно с 460 сСт при 40 °C до 50-60 сСт при 80 °C, уменьшая толщину эластогидродинамической (ЭГД) масляной пленки примерно на 70% по сравнению с расчетными условиями.Уменьшение толщины масляной пленки означает увеличение контакта металла с металлом, что ускоряет износ бронзовых колес — мы измерили износ в 0,08 мм на 1000 часов работы после первых 5000 часов, что привело к загрязнению частицами бронзы, еще больше ускорив износ в порочном круге.

В отличие от этого, планетарные редукторы на том же руднике, работающие круглосуточно, поддерживали температуру масла на уровне 55-62 градусов Цельсия, поскольку их КПД более 94% генерирует примерно треть меньше отработанного тепла. Толщина масляной пленки оставалась достаточной, а измерения износа через 10 000 часов показали изменение профиля зубьев шестерни менее чем на 0,02 мм.Планетарный редуктор отработал 38 000 часов до плановой замены подшипников; червячный редуктор потребовал замены колеса через 14 000 часов, что обошлось в 4200 долларов за бронзовое колесо плюс 3 дня простоя конвейера, что составляет приблизительно 15 000 долларов в день потерянной производительности.

Кривые эффективности при переменных скоростях: когда планетарный подход выигрывает с большим отрывом.

КПД планетарного редуктора остается выше 90% в диапазоне от 20% до 100% номинальной скорости, изменяясь всего на 2-3 процентных пункта — КПД червячного редуктора резко падает ниже 50% скорости, снижаясь с 77% при номинальной скорости до 55-62% при 30% скорости для червячного редуктора с передаточным отношением 40:1.Это важно, потому что во время технического обслуживания, запуска и частичной загрузки горнодобывающие конвейеры часто работают на пониженной скорости.

На канадском калийном руднике конвейерная система работает на 100% скорости (двигатель 1500 об/мин, шкив конвейера 37,5 об/мин) в течение 18 часов в сутки, затем скорость снижается до 60% на 4 часа во время смены и проверки ленты, и до 30% на 2 часа во время очистки. Средневзвешенная суточная эффективность планетарного редуктора составила 93,5%; червячного редуктора — 71,2%.Разница в 22 процентных пункта привела к дополнительным ежегодным затратам на электроэнергию в размере 7100 долларов для приводного двигателя мощностью 90 кВт.Причиной является кривая Стрибека червячного редуктора: при низких скоростях скольжения контакт червяка с колесом переходит от смешанной смазки к граничной, где коэффициент трения увеличивается с расчетного значения 0,04-0,06 до 0,10-0,15, что примерно вдвое увеличивает потери на трение при низких скоростях.

Шум в подземной добыче полезных ископаемых: акустическое сравнение.

В подземной добыче полезных ископаемых шум от редукторов — это не проблема комфорта, а вопрос регулирования.В соответствии с правилами техники безопасности на шахтах в Австралии (AS/NZS 1269), Канаде (CAN/CSA Z107.56) и ЕС (Директива 2003/10/EC) средневзвешенный уровень шума за 8 часов должен быть ниже 85 дБ(А), а пиковые значения — 140 дБ(С). Я измерил уровень шума планетарных редукторов на расстоянии 1 метра под полной нагрузкой — 72-78 дБ(А); уровень шума червячных редукторов при эквивалентной мощности составил 82-88 дБ(А) — разница в 10 дБ, которая воспринимается как примерно вдвое больший уровень шума.

Источником шума является скользящее зацепление червяка и колеса, которое производит высокочастотный свист шестерни в диапазоне 500-2000 Гц — именно в том диапазоне частот, где человеческий слух наиболее чувствителен.В шахте с 10 конвейерными приводами суммарное снижение уровня шума от планетарных редукторов может стать решающим фактором между соответствием нормативам и обязательными зонами защиты слуха, требующими ежегодного аудиометрического обследования всего персонала.Затраты на аудиологический мониторинг для бригады из 50 человек на шахте составляют приблизительно 3500-5000 долларов в год — этих затрат можно избежать, если уровень шума от редуктора будет оставаться ниже порогового значения в 85 дБ(А).

Когда червячные редукторы по-прежнему актуальны — честный пример их применения

Червячные редукторы остаются экономически оптимальным выбором для трех конкретных областей применения в горнодобывающей промышленности: конвейеры с прерывистым режимом работы (менее 2000 часов в год), наклонные конвейеры, требующие надежного торможения с помощью самоблокировки червячной передачи, и установки с ограниченным пространством, где угловая конфигурация входа/выхода исключает необходимость в отдельном комплекте конических зубчатых передач.За последние 3 года я использовал червячные редукторы в двух подобных проектах, и оба работают в соответствии с проектными характеристиками.

Во-первых, периодическая эксплуатация: конвейер для технического обслуживания на угольной шахте в Индонезии работает 3-4 часа в день, примерно 1200 часов в год. При такой нагрузке разница в стоимости электроэнергии за 5 лет между планетарным и червячным редукторами составляет приблизительно 1500 долларов — этого недостаточно, чтобы оправдать более высокую цену покупки планетарного редуктора на 4800 долларов.Гидравлический планетарный редуктор ИньинЭкономические факторы благоприятствуют применению технологий с годовым объемом эксплуатации более 4000 часов.

Во-вторых, самоблокировка: конвейеры с наклонной платформой (транспортирующие материал вниз по склону) требуют отказоустойчивого торможения, поскольку отказ тормоза приводит к неконтролируемому ускорению ленты. Червячные редукторы с передаточным отношением выше 40:1 по своей природе являются самоблокирующимися — червяк не может быть приведен в движение колесом — обеспечивая пассивный тормозной механизм, не зависящий от электроэнергии, гидравлического давления или работы системы управления. Это оправдывает снижение эффективности на 10-15% в критически важных с точки зрения безопасности приложениях с наклонными конвейерами.

Во-третьих, ограничения по пространству: угловая конфигурация червячной передачи помещается в пространство головной рамы конвейера, тогда как для планетарной передачи, установленной в линию, потребовался бы отдельный комплект конических зубчатых передач, что добавило бы 2000–4000 долларов и 200–400 мм осевой длины. Для самоблокирующихся и используемых в условиях ограниченного пространства см.Решения Yining в области гидравлических редукторов и электродвигателейдля конфигураций, специфичных для конкретного приложения.