Почему гидравлические лебедки превосходят электрические лебедки в условиях непрерывной тяжелой горнодобывающей промышленности?

Принципиальное различие в конструкции двигателя — что делает гидравлические лебедки приспособленными для работы в экстремальных условиях?

Я пятнадцать лет проработал в компании Yining Hydraulic, занимаясь проектированием лебедочных систем для горнодобывающей, морской и строительной отраслей, и разница в инженерной философии между гидравлическими и электрическими лебедками очевидна:Гидравлические двигатели по своей конструкции имеют запас прочности для работы в условиях перегрузок, в то время как электродвигатели — это прецизионные устройства, которые защищают себя, отключаясь.Это различие не является конструктивным недостатком ни одной из технологий — это следствие лежащих в их основе физических принципов. Гидравлические двигатели используют жидкость под давлением (обычно 250-350 бар в горнодобывающих лебедках) для привода вращающейся группы поршней или шестерен. Сама жидкость выступает одновременно в качестве среды для передачи мощности и охлаждающей среды — циркулируя через двигатель, она отводит тепло к маслоохладителю системы. При перегрузке двигателя предохранительный клапан системы открывается при заданном давлении (обычно 315-350 бар) и перенаправляет поток, защищая механические компоненты от повреждений, вызванных перегрузкой, без остановки системы.

Электродвигатели, напротив, преобразуют электрический ток в магнитный поток для создания крутящего момента. Обмотки двигателя — медная проволока, изолированная изоляцией класса F (максимальная температура 155 градусов Цельсия) или класса H (максимальная температура 180 градусов Цельсия) — выделяют тепло, пропорциональное квадрату тока (потери I² = R²).В условиях непрерывной работы в горнодобывающей промышленности, когда лебедка тянет груз в течение 30-60 минут, обмотки двигателя достигают теплового насыщения в течение 15-25 минут, и реле тепловой защиты или частотно-регулируемый привод отключают двигатель, чтобы предотвратить пробой изоляции.Это не неисправность — двигатель защищает себя от необратимых повреждений, — но для руководителя горнодобывающего производства, наблюдающего за остановкой лебедки в середине работы, разница носит чисто теоретический характер.ISO 5001В соответствии со стандартами КПД электродвигателей, двигатели непрерывного действия требуют либо принудительного воздушного охлаждения (двигатели TEFC с внешними вентиляторами), либо охлаждения водяной рубашкой для работы при коэффициенте заполнения свыше 40% — и даже при принудительном охлаждении температурный предел обычно составляет 60-70% при температуре окружающей среды 35-45 градусов Цельсия, характерной для открытых рудников Австралии и Южной Америки.

Сравнение рабочих циклов: почему тепловые ограничения электрических лебедок становятся производственной проблемой в горнодобывающей промышленности.

Указанный в техническом описании электрической лебедки рабочий цикл соответствует лабораторным условиям — температура окружающей среды 25 градусов Цельсия, чистый воздух, номинальное напряжение — ни одно из которых не применимо к условиям добычи твердых пород.В реальных условиях добычи полезных ископаемых при температуре окружающей среды 40 градусов Цельсия и наличии пыли, частично забивающей охлаждающие ребра двигателя, реальный рабочий цикл электрической лебедки с «40% номинальной мощностью» снижается примерно до 25-30%. Для шахты, работающей в две 10-часовые смены, это означает, что электрическая лебедка может работать только 2,5-3 часа за смену, прежде чем накопление тепла потребует периода охлаждения, а этот период охлаждения (обычно 30-45 минут для возвращения к безопасной температуре намотки) напрямую снижает производительность.

At Инин ГидравлическийНаши гидравлические лебедки серии IYJ рассчитаны на 100% непрерывную работу, при этом маслоохладитель гидравлического силового агрегата рассчитан на максимально ожидаемую температуру окружающей среды плюс 15% запас прочности.Масляный радиатор — это компонент системы терморегулирования, обеспечивающий возможность работы в режиме 100% загрузки.— Он передает тепло от гидравлической жидкости к окружающему воздуху (или охлаждающей воде, в случае подземной добычи полезных ископаемых), поддерживая температуру жидкости ниже 65 градусов Цельсия даже при непрерывной работе с максимальной нагрузкой. Электродвигатель, приводящий в действие гидравлический насос, является единственным электрическим компонентом в системе и работает с постоянной скоростью и нагрузкой независимо от нагрузки лебедки, что исключает переменные температурные циклы, которые выводят из строя электродвигатели лебедок.

Стабильность крутящего момента при переменной нагрузке: преимущество гидравлики в плавном пуске и амортизации ударов.

В горнодобывающей промышленности при работе с лебедками примерно 67% всех тяговых усилий приходится на запуск с использованием статической нагрузки — груженого камнями скипа, заглохшего самосвала или натянутой конвейерной ленты.Для запуска с использованием статической нагрузки требуется максимальный крутящий момент при нулевой частоте вращения, и именно здесь наиболее ярко проявляется принципиальное преимущество гидравлического двигателя. Гидравлический двигатель развивает максимальный крутящий момент в момент открытия распределительного клапана — давление в гидравлической цепи мгновенно (в течение 50-100 миллисекунд) нарастает, и двигатель обеспечивает полный крутящий момент при нулевой частоте вращения. При этом отсутствуют пусковой ток, скачки нагрева обмоток и искрение контактора пускового устройства.

При запуске электродвигателя от статической нагрузки в течение всего процесса пуска потребляется ток, равный току при полной нагрузке (обычно в 6-8 раз превышающий ток полной нагрузки) — как правило, 2-5 секунд при прямом пуске от сети или 5-15 секунд при плавном пуске с помощью устройства, постепенно повышающего напряжение.Каждый запуск с заблокированным ротором приводит к термическому старению обмоток двигателя примерно на 0,5-1,0 эквивалентного часа работы, поскольку тепловое напряжение I²R при пусковом токе в 36-64 раза выше, чем при нормальной работе.В горнодобывающей смене с 20-30 циклами запуска суммарное термическое старение только от запуска может привести к потере 10-30 эквивалентных часов ресурса подъемной техники за одну 10-часовую смену.АС 1418В соответствии со стандартами для кранов и подъемников, частота запуска электродвигателя лебедки должна быть снижена при температуре окружающей среды выше 35 градусов Цельсия, при этом коэффициент снижения обычно составляет 0,85 на каждые 5 градусов Цельсия выше номинальной температуры.

Гидравлические системы также обеспечивают естественное поглощение ударов за счет сжимаемости гидравлической жидкости.Когда в горнодобывающей лебедке происходит внезапное увеличение нагрузки — например, обломок породы застревает под отвалом, кабель зацепляется за неровную поверхность, — гидравлическая жидкость слегка сжимается (примерно на 0,5% уменьшается в объеме на каждые 70 бар увеличения давления для минерального масла), поглощая удар до того, как он достигнет механических компонентов.Эта гидравлическая система амортизации снижает пиковый крутящий момент на редукторе на 20-35% по сравнению с электрической лебедкой с жесткой механической муфтой между двигателем и входным валом редуктора.Инин ГидравлическийВ наших гидравлических силовых установках используются специальные контуры аккумуляторов, предназначенные для повышения амортизации ударов — 10-литровый мембранный аккумулятор, предварительно заполненный азотом под давлением 120 бар, поглощает скачки давления, которые в противном случае достигли бы насоса и двигателя.

Сравнение режимов отказов двигателей: скорость перегорания и стоимость ремонта в условиях добычи твердых пород.

Загрязнение окружающей среды является основной причиной выхода из строя обоих типов двигателей, однако режимы отказов и пути ремонта принципиально различаются.При добыче твердых пород окружающая среда включает в себя: пыль диоксида кремния в воздухе (размер частиц 0,5-5 микрон, высокая абразивность), вибрацию (5-15 мм/с среднеквадратичного значения у основания крепления лебедки от расположенных рядом дробилок и конвейеров), значительные перепады температуры (от 5 градусов Цельсия ночью до 45 градусов Цельсия днем ​​при разработке карьеров), а также периодическое воздействие воды или пульпы в результате работ по водоотведению.

В данной среде отказы электродвигателей обусловлены следующими факторами: загрязнение подшипников (попадание пыли через уплотнения вала, на которое приходится приблизительно 51% отказов электродвигателей согласно исследованиям надежности двигателей IEEE), пробой изоляции обмоток (накопление пыли на обмотках снижает теплоотвод, вызывая перегрев, который приводит к деградации изоляции в 2-3 раза быстрее, чем обычно) и коррозией клеммной коробки (попадание влаги, вызывающее замыкания на землю).Частота отказов электродвигателей в условиях добычи твердых пород примерно в 3-5 раз выше, чем в чистых промышленных условиях.В случае выхода двигателя из строя, ремонт обычно включает в себя: демонтаж с лебедки (1-2 часа с помощью крана), транспортировку в стороннюю ремонтную мастерскую (2-5 дней логистики), разборку/перемотку/сборку (5-10 дней) и повторную установку (1-2 часа). Общее время простоя: 7-17 дней на один случай отказа.

Типы отказов гидравлических двигателей: износ уплотнений (наиболее распространенный отказ, обычно находящийся в процессе 8000-12000 часов работы), износ вращающихся элементов (поршневые башмачки, поверхность блока цилиндров, клапанная пластина — постепенный и обнаруживаемый при мониторинге производительности) и образование царапин, связанных с загрязнениями (предотвратимое путем надлежащей фильтрации с абсолютным размером пор 10 микрон или лучше).Ремонт гидравлических двигателей в полевых условиях: замена уплотнений занимает 2-4 часа при использовании стандартных инструментов и не требует демонтажа двигателя с помощью крана.Замена вращающегося узла занимает 4-8 часов и может быть выполнена на месте специалистом по гидравлике. Двигатель не покидает территорию шахты. Общее время простоя: 0,5-1 день при выходе из строя уплотнения, 1-2 дня при замене вращающегося узла. Согласно данным...Энергоэффективность горнодобывающего оборудования (MEET)Согласно результатам исследований, ремонтопригодность гидравлических систем в полевых условиях является самым большим эксплуатационным преимуществом по сравнению с электрическими системами в удаленных районах добычи полезных ископаемых, где логистика ремонта вне объекта увеличивает продолжительность каждого отказа на несколько недель.

Общая стоимость часа работы: анализ эксплуатационных расходов за 5 лет для лебедок непрерывного горного производства.

Разница в стоимости приобретения — гидравлическая лебедка обычно стоит на 30-50% дороже, чем электрическая лебедка аналогичной грузоподъемности — является наиболее часто приводимым аргументом против гидравлических лебедок, но это также и наиболее неполный анализ.Тщательный анализ общей стоимости одного часа работы за 5 лет (типичный период амортизации горнодобывающего оборудования) показывает, что более высокая первоначальная стоимость окупается в течение первых 18-24 месяцев за счет сокращения времени простоя и снижения затрат на ремонт.

Затраты, связанные с простоем производства, — оцениваемые в 1200–1800 долларов США за час простоя лебедки на шахте среднего размера — составляют основную часть общих затрат.100%-ный рабочий цикл гидравлической лебедки исключает производственные потери, связанные с перегревом, а конструкция двигателя, допускающая ремонт в полевых условиях, сокращает время простоя, связанное с ремонтом, примерно на 85% по сравнению с электрической лебедкой, требующей ремонта в сторонней мастерской.CIPSВ соответствии с методологией расчета стоимости жизненного цикла закупок, основой для принятия решений о закупках должна быть общая стоимость владения горнодобывающим оборудованием в течение 5-летнего жизненного цикла, а не сравнение цен приобретения, которое предпочитают представлять поставщики оборудования.

Честные доводы против гидравлических лебедок: когда электрические лебедки все еще являются правильным выбором.

Гидравлические лебедки не всегда превосходят электрические, и я рекомендовал их клиентам из горнодобывающей отрасли в тех случаях, когда преимущества электрической системы лучше соответствуют эксплуатационным требованиям.Электрические лебедки являются лучшим выбором в следующих случаях: лебедка установлена ​​на мобильной платформе (горнодобывающие машины с аккумуляторным питанием, где для гидравлического силового агрегата потребовался бы отдельный дизельный двигатель), рабочий цикл действительно прерывистый (менее 15 минут непрерывной работы в час, менее 4 часов общей суточной работы), лебедка находится в помещении с контролируемым климатом (подземные шахты с принудительной вентиляцией, поддерживающей температуру 25-30 градусов Цельсия), и первоначальный капитальный бюджет является ограничивающим фактором (небольшие горнодобывающие предприятия, где разница в стоимости приобретения гидравлической и электрической лебедки в размере 30 000–50 000 долларов США является непомерно высокой).

Для подземных угольных шахт со строгими требованиями к взрывозащите единственным вариантом могут быть электрические лебедки с двигателями, сертифицированными по стандарту Ex-d (взрывозащищенные) или Ex-e (повышенная безопасность), в тех случаях, когда гидравлические силовые установки с дизельными двигателями запрещены правилами техники безопасности шахт. В таких случаяхИнин ГидравлическийМы предлагаем варианты лебедок серии IYJ с электроприводом и взрывозащищенными двигателями, сертифицированными по стандартам ATEX и IECEx. Правильный выбор технологии зависит от конкретного профиля эксплуатации шахты, а не от всеобщего предпочтения одного типа двигателя другому.Моя рекомендация после пятнадцати лет: если лебедка работает более 4 часов в день, и шахта не имеет ограничений по использованию аккумуляторных батарей или взрывозащищенности, то общая экономическая выгода от гидравлической лебедки за 5 лет слишком велика, чтобы ее игнорировать.

Внешние ссылки: Стандарты ISO 5001 для электродвигателей · Встречайте Mining Research · Стандарты закупок CIPS · Институт горного дела IOM3 · Стандарты горнодобывающей промышленности CSA · Сертификация оборудования DNV · ISO 4413 Гидравлические системы · SAE International