Терморегулирование планетарных редукторов для горнодобывающей промышленности в Арктике: когда охлаждения окружающим воздухом становится недостаточно.

Арктический тепловой парадокс: как может перегреться коробка передач при температуре -40 градусов Цельсия

За пятнадцать лет работы в компании Yining Hydraulic я разработал планетарные редукторы для горнодобывающего оборудования, работающего в температурном диапазоне от -45 градусов Цельсия (сибирские алмазные рудники) до +55 градусов Цельсия (австралийские железорудные рудники).Наиболее парадоксальная проблема управления температурным режимом возникает не в пустыне, а в Арктике, где планетарные редукторы постоянно перегреваются, несмотря на температуру окружающего воздуха -40 градусов Цельсия.Механизм: при температуре -40 градусов Цельсия стандартное трансмиссионное масло (ISO VG 220, используемое в 90% промышленных планетарных редукторов) имеет кинематическую вязкость приблизительно 150 000 сантистокс (сСт) — примерно консистенцию холодного меда. Когда редуктор начинает вращаться, шестерни должны вращаться в этом полутвердом смазочном материале. Момент вращения — механическая энергия, необходимая для перемещения зубьев шестерни через вязкое масло, — пропорционален вязкости масла, умноженной на квадрат скорости вращения вершины шестерни. При температуре -40 градусов Цельсия с маслом VG 220 момент вращения на 300-500% выше, чем при нормальной рабочей температуре 60-70 градусов Цельсия, где то же масло имеет вязкость приблизительно 20 сСт.

Увеличение крутящего момента приводит к выделению тепла — на 300-500% больше, чем при нормальной рабочей температуре, — и это тепло должно рассеиваться корпусом редуктора в окружающий воздух при температуре -40 градусов Цельсия.Парадокс: редуктор генерирует тепло в 3-5 раз быстрее, чем обычно, но площадь поверхности корпуса фиксирована. Скорость теплопередачи (q = h × A × ΔT, где h — коэффициент конвекции, A — площадь поверхности, а ΔT — разница температур корпуса и воздуха) ограничена площадью корпуса A, которая не изменяется с температурой окружающей среды. Для типичного планетарного редуктора с оребренной поверхностью корпуса площадью 0,5 квадратных метра, коэффициентом конвекции 15 Вт/м²·К (принудительная подача воздуха от вентилятора или движения транспортного средства) и температурой корпуса 80 градусов Цельсия (максимальная безопасная температура для трансмиссионного масла до начала ускоренной термической деградации) при температуре окружающей среды -40 градусов Цельсия: q = 15 × 0,5 × (80 - (-40)) = 900 Вт теплоотдачи. Однако коробка передач выделяет 1500-2500 ватт интенсивного тепла, что на 67-178% превышает теплоотдачу корпуса. В результате температура корпуса коробки передач поднимается до 110-130 градусов Цельсия, превышая предел термостойкости масла, и масло начинает окисляться и терять смазывающие свойства в течение первых 100 часов работы.АГМАСтандарты 9005 по тепловому режиму для закрытых редукторов и коробок передач, работающих при температуре окружающей среды ниже -20 градусов Цельсия, требуют принятия мер по управлению тепловым режимом, выходящих за рамки охлаждения окружающим воздухом.

Выбор смазки: почему стандартное трансмиссионное масло не подходит под спецификации Arctic.

Смазочный материал является наиболее важной характеристикой для планетарного редуктора в арктических условиях, и правильная спецификация требует баланса трех противоречащих друг другу требований: прокачиваемости при низких температурах (масло должно течь при температурах холодного пуска), прочности масляной пленки при высоких температурах (масло должно поддерживать достаточную смазку при нормальных рабочих температурах 60-80 градусов Цельсия) и устойчивости к сдвигу (масло не должно терять вязкость навсегда из-за механического сдвига в зацеплении шестерен).Стандартные минеральные трансмиссионные масла (ISO VG 150–VG 320) не могут одновременно соответствовать всем трем требованиям, поскольку их индекс вязкости (скорость изменения вязкости с температурой) слишком низок — обычно 95–105. Минеральное масло, достаточно жидкое для перекачивания при -40 градусах Цельсия (менее 150 000 сСт), будет слишком жидким, чтобы обеспечить достаточную прочность масляной пленки при рабочей температуре 80 градусов Цельсия.

Решение: синтетические полиальфаолефиновые (ПАО) базовые масла с пакетом присадок, улучшающих индекс вязкости, обеспечивающие индекс вязкости 160-180.Трансмиссионное масло на основе полиальфаолефинов (PAO) ISO VG 46 имеет кинематическую вязкость приблизительно 46 сСт при 40 градусах Цельсия и 8 сСт при 100 градусах Цельсия, температуру застывания -54 градуса Цельсия и вязкость при холодном запуске менее 5000 сСт при -40 градусах Цельсия. Оно хорошо перекачивается при арктических температурах холодного запуска, сохраняя при этом достаточную прочность масляной пленки при нормальных рабочих температурах. Недостаток: синтетические трансмиссионные масла на основе PAO стоят в 3-5 раз дороже минеральных масел (25-40 долларов США за литр против 8-12 долларов США за литр), а некоторые составы PAO несовместимы с определенными материалами уплотнений (уплотнения из нитрида каучука (NBR), используемые в 80% промышленных редукторов, набухают в масле PAO, что потенциально может привести к выдавливанию уплотнений).Проблема совместимости уплотнений: в редукторах, предназначенных для работы с маслом полиальфаолефинов (PAO), необходимо использовать уплотнения из фторкаучука (Viton), что увеличивает стоимость редуктора на 150-300 долларов США. At Инин ГидравлическийНаши планетарные редукторы арктического класса стандартно заправляются на заводе синтетическим редукторным маслом PAO ISO VG 46 с уплотнениями FKM для работы при температурах ниже -30 градусов Цельсия. Для получения дополнительной информации о материалах уплотнений и экологической совместимости см. нашу статью.стандарты герметизации поворотных приводов и требования к степени защиты IP..

Проектирование системы отопления: энергетический баланс для защиты коробки передач при холодном пуске

Система подогрева редуктора является наиболее экономически эффективной стратегией терморегулирования для арктических планетарных редукторов, поскольку она устраняет первопричину проблемы — высокую вязкость смазки при холодном пуске — вместо того, чтобы пытаться справиться с симптомами после начала перегрева.Система нагрева состоит из силиконовых резиновых нагревательных элементов, приклеенных к внешней поверхности корпуса редуктора и питающихся от электросистемы оборудования (24 В постоянного тока для мобильной горнодобывающей техники) или от отдельной цепи переменного тока 110/220 В для стационарного оборудования (редукторы конвейерных приводов). Нагреватели управляются термостатом, установленным на +5 градусов Цельсия — температура редуктора поддерживается чуть выше нуля, при которой вязкость масла PAO VG 46 составляет приблизительно 2000 сСт (что позволяет перекачивать масло с минимальными потерями на перемешивание).

Расчет мощности нагревателя: необходимо рассчитать теплопотери от корпуса редуктора в окружающий воздух, чтобы определить мощность нагревателя, необходимую для поддержания заданной температуры +5 градусов Цельсия.Для корпуса редуктора с площадью поверхности 0,5 квадратных метра, изолированного 25 мм пенополиуретана с закрытыми ячейками (теплопроводность 0,04 Вт/м·К), при температуре окружающей среды -40 градусов Цельсия: теплопотери = площадь поверхности × дельта-Т / (толщина изоляции / теплопроводность) = 0,5 × (5 - (-40)) / (0,025/0,04) = 36 Вт. С учетом 50% запаса прочности на ветровое охлаждение (принудительная конвекция увеличивает эффективный коэффициент теплопередачи): 54 Вт. С каждой стороны редуктора установлен силиконовый нагревательный элемент мощностью 100 Вт (всего 200 Вт), обеспечивающий достаточную мощность нагрева с запасом. Энергопотребление нагревателя: 200 Вт × 24 часа в сутки = 4,8 кВт·ч в сутки, что при цене 0,10 долл. США/кВт·ч составляет 0,48 долл. США в сутки — или 175 долл. США в год. По сравнению с капитальным ремонтом коробки передач (8000-15000 долларов США) после 500-800 часов работы с перебоями, вызванными холодным запуском, система отопления окупается в течение первого года.

Логика управления термостатом должна включать две функции безопасности: отключение при высокой температуре +30 градусов Цельсия (предотвращающее перегрев масла выше предела его термической стабильности из-за разгона нагревателя) и блокировку «требуется предварительный нагрев», которая предотвращает работу коробки передач до тех пор, пока температура масла не достигнет минимум -20 градусов Цельсия.Блокировка предварительного нагрева использует термопару в масляном поддоне редуктора — ПЛК оборудования считывает температуру масла и отключает цепь запуска лебедки или конвейера до достижения минимальной температуры. Время предварительного нагрева от -40 до -20 градусов Цельсия с помощью нагревательной системы мощностью 200 Вт: приблизительно 45-60 минут.Инин ГидравлическийВ наши комплекты подогревателей редукторов для арктических условий входят силиконовые нагревательные элементы, пенополиуретановая изоляция с закрытыми порами, термостат с высокотемпературным отключением, термопара для измерения температуры масла и интеграция с ПЛК для блокировки предварительного подогрева — все это устанавливается и тестируется на заводе перед отгрузкой.

Парадокс системы охлаждения: активное охлаждение коробок передач Arctic — действительно ли оно необходимо?

Да — как ни парадоксально, арктические редукторы часто требуют активного охлаждения, потому что, как только редуктор достигает рабочей температуры 70-80 градусов Цельсия, окружающий воздух при температуре -40 градусов Цельсия обеспечивает чрезмерное охлаждение, вызывая термический шок и неравномерное тепловое расширение между шестернями, подшипниками и корпусом.Проблема термического шока: редуктор нагревается с -40 градусов Цельсия до +80 градусов Цельсия за 45-60 минут работы — повышение температуры на 120 градусов Цельсия. Зубья шестерни (сталь, коэффициент теплового расширения приблизительно 12 x 10^-6 на градус Цельсия) расширяются больше, чем чугунный корпус (КТР приблизительно 10 x 10^-6), примерно на 0,0024 мм на миллиметр диаметра шестерни на каждые 120 градусов Цельсия. Для шестерни диаметром 200 мм: разница в расширении между шестерней и корпусом составляет 0,48 мм. Зазор между зубьями шестерни (обычно 0,15-0,30 мм для планетарного редуктора) полностью компенсируется этим тепловым расширением, и зубья начинают зацепляться с нулевым или отрицательным зазором, что приводит к задирам, царапинам и ускоренному износу боковых поверхностей зубьев.

Решение: система охлаждения с термостатическим управлением (воздушно-масляный теплообменник с термостатическим перепускным клапаном), которая поддерживает температуру масла в коробке передач в узком диапазоне (60-80 градусов Цельсия) независимо от температуры окружающей среды.Когда масло холодное, термостатический клапан обходит охладитель и рециркулирует масло непосредственно в коробку передач. Когда температура масла достигает 60 градусов Цельсия, клапан начинает перенаправлять поток в охладитель. Когда температура масла достигает 80 градусов Цельсия, клапан полностью открывается в сторону охладителя. Вентилятор охладителя также имеет термостатическое управление — он запускается при 70 градусах Цельсия и достигает максимальной скорости при 85 градусах Цельсия. Эта система поддерживает температуру масла в пределах 20 градусов Цельсия от холодного запуска в арктических условиях до непрерывной работы при полной нагрузке, устраняя проблему термического удара и дифференциального расширения.Инин ГидравлическийВ стандартную комплектацию наших арктических планетарных редукторов входит термостатическая система охлаждения, при этом размеры воздушно-масляного охладителя рассчитываются исходя из тепловых потерь редуктора при непрерывной работе.AGMA 6011.

Внешние ссылки: Термостатический рейтинг AGMA 9005 · AGMA 6011 · ISO 4413 · Классификация DNV · ISO 5001 · Вязкость по стандарту ASTM D341 · SAE International · Материалы IOM3

Итог пятнадцати лет работы над проектированием редукторов для арктических условий: если вашему планетарному редуктору необходимо запускаться при температуре -40 градусов Цельсия, заложите в бюджет 3500-5500 долларов США на полный комплект систем терморегулирования для арктических условий — в противном случае, редуктор выйдет из строя в течение 1000 часов работы, а ремонт обойдется в 2-3 раза дороже.