Prečo hydraulické navijaky prekonávajú elektrické navijaky v nepretržitých ťažkých baníckych aplikáciách

Zásadný rozdiel v konštrukcii motora – čo robí hydraulické navijaky stavanými na náročné použitie

Pätnásť rokov som strávil v spoločnosti Yining Hydraulic navrhovaním navijakových systémov pre banské, námorné a stavebné aplikácie a rozdiel v inžinierskej filozofii medzi hydraulickými a elektrickými navijakmi je výrazný:Hydraulické motory sú vo svojej podstate prepracované tak, aby odolávali preťaženiu, zatiaľ čo elektromotory sú presné zariadenia, ktoré sa chránia vypnutím.Tento rozdiel nie je konštrukčnou chybou v žiadnej z technológií – je dôsledkom základnej fyziky. Hydraulické motory používajú tlakovú kvapalinu (zvyčajne 250 – 350 barov v aplikáciách banských navijakov) na pohon rotujúcej skupiny piestov alebo ozubených kolies. Samotná kvapalina slúži ako médium na prenos energie aj ako chladiace médium – keď kvapalina cirkuluje motorom, prenáša teplo do olejového chladiča systému. Ak je motor preťažený, poistný ventil systému sa otvorí pri nastavenom tlaku (zvyčajne 315 – 350 barov) a odkloní prietok, čím chráni mechanické komponenty pred poškodením preťažením bez toho, aby sa systém vypol.

Elektromotory naopak premieňajú elektrický prúd na magnetický tok, čím vytvárajú krútiaci moment. Vinutia motora – medený drôt izolovaný izoláciou triedy F (maximálne 155 stupňov Celzia) alebo triedy H (maximálne 180 stupňov Celzia) – generujú teplo úmerné druhej mocnine prúdu (straty I-kvadrát-R).V nepretržitej banskej prevádzke, kde navijak ťahá proti záťaži 30 – 60 minút, vinutia motora dosiahnu tepelnú saturáciu v priebehu 15 – 25 minút a tepelné ochranné relé alebo frekvenčný menič vypne motor, aby sa zabránilo prerušeniu izolácie.Nejde o poruchu – ide o motor, ktorý sa chráni pred trvalým poškodením – ale pre vedúceho banskej výroby, ktorý sleduje, ako sa navijak zastavuje uprostred prevádzky, je tento rozdiel akademický. PodľaISO 5001Podľa štandardov účinnosti elektromotorov vyžadujú motory s nepretržitou prevádzkou buď nútené chladenie vzduchom (motory TEFC s externými ventilátormi), alebo chladenie vodným plášťom na prevádzku nad 40 % pracovný cyklus – a aj pri nútenom chladení je tepelný limit zvyčajne 60 – 70 % pracovného cyklu pri okolitých teplotách 35 – 45 stupňov Celzia, ktoré sú bežné v austrálskych a juhoamerických povrchových baniach.

Porovnanie pracovného cyklu: Prečo sa tepelné limity elektrického navijaka stávajú problémom výroby v baníctve

Špecifikácia pracovného cyklu v technickom liste elektrického navijaka predstavuje laboratórne podmienky – okolitá teplota 25 stupňov Celzia, čistý vzduch, menovité napätie – pričom žiadne z nich sa nevzťahuje na prostredie ťažby tvrdých hornín.V skutočných banských podmienkach pri teplote okolia 40 stupňov Celzia s čiastočným upchávaním chladiacich rebier motora vzdušným prachom klesá skutočný pracovný cyklus elektrického navijaka s „40 % menovitým výkonom“ na približne 25 – 30 %. Pre baňu, ktorá pracuje v dvoch 10-hodinových zmenách, to znamená, že elektrický navijak môže pracovať iba 2,5 – 3 hodiny na smenu, kým kumulatívne nahromadenie tepla nevynúti obdobie ochladzovania – a toto obdobie ochladzovania (zvyčajne 30 – 45 minút na návrat na bezpečnú teplotu navíjania) priamo znižuje výrobnú kapacitu.

At Hydraulické systémy YiningNaše hydraulické navijaky série IYJ sú navrhnuté pre 100 % nepretržitú prevádzku s chladičom oleja hydraulickej jednotky, ktorý je dimenzovaný na maximálnu očakávanú teplotu okolia plus 15 % bezpečnostnú rezervu.Chladič oleja je komponent tepelného manažmentu, ktorý umožňuje 100 % pracovný cyklus.— prenáša teplo z hydraulickej kvapaliny do okolitého vzduchu (alebo chladiacej vody v podzemných ťažobných aplikáciách) a udržiava teplotu kvapaliny pod 65 stupňov Celzia aj pri nepretržitej prevádzke s maximálnym zaťažením. Elektromotor poháňajúci hydraulické čerpadlo je jediným elektrickým komponentom v systéme a beží s konštantnou rýchlosťou a zaťažením bez ohľadu na zaťaženie navijaka – čím sa eliminuje premenlivá tepelná cyklizácia, ktorá ničí elektrické motory navijakov.

Konzistentnosť krútiaceho momentu pri premenlivom zaťažení: Výhoda hydrauliky v mäkkom rozbehu a tlmení nárazov

Pri prevádzke banských navijakov približne 67 % všetkých ťahov zahŕňa rozbeh proti statickému zaťaženiu – kontajneru s nákladom naloženým kameňmi, zastavenému nákladnému vozidlu alebo napnutému dopravnému pásu.Rozbeh proti statickému zaťaženiu vyžaduje maximálny krútiaci moment pri nulových otáčkach a práve tu sa najvýraznejšie prejavuje základná výhoda hydraulického motora. Hydraulický motor dosahuje svoj maximálny krútiaci moment v momente otvorenia smerového regulačného ventilu – tlak v hydraulickom okruhu sa okamžite (v priebehu 50 – 100 milisekúnd) vytvorí a motor dosahuje plný zastavovací krútiaci moment pri nulových otáčkach. Nedochádza k žiadnemu zapínaciemu prúdu, žiadnemu prehrievaniu vinutia ani k oblúku v stýkači štartéra.

Elektromotor štartujúci proti statickej záťaži odoberá počas štartu prúd s blokovaným rotorom (zvyčajne 6-8-násobok prúdu pri plnom zaťažení) – zvyčajne 2-5 sekúnd pri priamom štarte alebo 5-15 sekúnd pri zvyšovaní napätia softštartérom.Každý štart so zablokovaným rotorom tepelne starne vinutia motora približne o 0,5 – 1,0 ekvivalentných prevádzkových hodín, pretože ohrev I-kvadrát-R počas zapínacieho prúdu je 36 – 64-krát vyšší ako počas normálnej prevádzky.V banskej zmene s 20 – 30 štartovacími cyklami môže kumulatívne tepelné starnutie len od štartu spotrebovať 10 – 30 ekvivalentných hodín životnosti vinutia počas jednej 10-hodinovej zmeny. PodľaAS 1418Podľa noriem pre žeriavy a zdvíhacie zariadenia sa musí frekvencia spúšťania elektrického navijaka znížiť, keď teplota okolia prekročí 35 stupňov Celzia, a faktor zníženia výkonu je zvyčajne 0,85 na každých 5 stupňov Celzia nad menovitou teplotou.

Hydraulické systémy tiež poskytujú prirodzené tlmenie nárazov vďaka stlačiteľnosti hydraulickej kvapaliny.Keď banský navijak zaznamená náhle zvýšenie zaťaženia – úlomok skaly sa zakliní pod korbu, kábel sa zasekne na nerovnom teréne – hydraulická kvapalina sa mierne stlačí (približne 0,5 % zníženie objemu na 70 barov zvýšenia tlaku v prípade minerálneho oleja) a absorbuje náraz skôr, ako dosiahne mechanické komponenty.Toto hydraulické tlmenie znižuje špičkový krútiaci moment na prevodovke o 20 – 35 % v porovnaní s elektrickým navijakom s pevnou mechanickou väzbou medzi motorom a vstupným hriadeľom prevodovky.Hydraulické systémy YiningNaše hydraulické jednotky obsahujú akumulátorové obvody špeciálne navrhnuté na zlepšenie tlmenia nárazov – 10-litrový vakový akumulátor prednaplnený dusíkom na 120 barov absorbuje tlakové špičky, ktoré by sa inak dostali k čerpadlu a motoru.

Porovnanie režimov poruchy motora: Miera vyhorenia a náklady na opravu v prostredí ťažby tvrdých hornín

Znečistenie prostredia je hlavným urýchľovačom porúch oboch typov motorov, ale spôsoby porúch a spôsoby opravy sa zásadne líšia.Pri ťažbe tvrdých hornín do prostredia patria: poletujúci kremičitý prach (veľkosť častíc 0,5 – 5 mikrónov, vysoko abrazívny), vibrácie (5 – 15 mm/s RMS na montážnej základni navijaka z blízkych drvičov a dopravníkov), veľké teplotné výkyvy (od 5 stupňov Celzia v noci do 45 stupňov Celzia cez deň v povrchových baniach) a občasné vystavenie vode alebo kalu z odvodňovacích operácií v bani.

Spôsoby poruchy elektromotorov v tomto prostredí: kontaminácia ložísk (prenikanie prachu cez tesnenia hriadeľa, čo predstavuje približne 51 % porúch elektromotorov podľa štúdií spoľahlivosti motorov IEEE), porucha izolácie vinutí (hromadenie prachu na vinutiach znižuje odvod tepla, čo spôsobuje horúce miesta, ktoré degradujú izoláciu 2 až 3-násobne rýchlejšie ako zvyčajne) a korózia svorkovnice (prenikanie vlhkosti spôsobuje zemné skraty).Miera poruchovosti elektromotorov v prostredí ťažby tvrdých hornín je približne 3 až 5-krát vyššia ako v čistom priemyselnom prostredí.A keď dôjde k poruche motora, oprava zvyčajne vyžaduje: demontáž z navijaka (1 – 2 hodiny s pomocou žeriavu), prepravu do externej opravovne motorov (2 – 5 dní logistiky), demontáž/previnutie/rekonštrukcia (5 – 10 dní) a opätovnú inštaláciu (1 – 2 hodiny). Celkový čas prestoja: 7 – 17 dní na poruchu.

Spôsoby poruchy hydraulického motora: opotrebovanie tesnenia (najčastejšia porucha, ktorá zvyčajne trvá 8 000 – 12 000 prevádzkových hodín), opotrebovanie rotačnej skupiny (piestne päty, čelná plocha bloku valcov, ventilová doska – postupné a zistiteľné monitorovaním výkonu) a ryhovanie súvisiace s kontamináciou (ktorému sa dá predísť správnou filtráciou pri absolútnej veľkosti 10 mikrónov alebo lepšej).Oprava hydraulického motora v teréne: výmena tesnenia trvá 2 – 4 hodiny so štandardným náradím a nevyžaduje demontáž motora žeriavom.Výmena rotujúcej skupiny trvá 4 – 8 hodín a môže ju vykonať hydraulický technik na mieste. Motor neopúšťa areál bane. Celková doba prestoja: 0,5 – 1 deň pre poruchu tesnenia, 1 – 2 dni pre výmenu rotujúcej skupiny. PodľaEnergetická účinnosť banských zariadení (MEET)Podľa výskumných údajov je opraviteľnosť hydraulického systému v teréne najväčšou prevádzkovou výhodou oproti elektrickým systémom vo vzdialených banských lokalitách, kde logistika opráv mimo pracoviska pridáva ku každej poruche týždne.

Celkové náklady za hodinu: 5-ročná analýza prevádzkových nákladov pre aplikácie s navijakom pre kontinuálnu ťažbu

Rozdiel v obstarávacích nákladoch – hydraulický navijak zvyčajne stojí o 30 – 50 % viac ako elektrický navijak s ekvivalentnou kapacitou – je najčastejšie uvádzaným argumentom proti hydraulickým navijakom, ale zároveň je to aj najneúplnejšia analýza.Správna analýza celkových nákladov na prevádzkovú hodinu za 5 rokov (typická doba odpisovania banského zariadenia) ukazuje, že vyššie počiatočné náklady sa vrátia v priebehu prvých 18 – 24 mesiacov vďaka skráteným prestojom a nižším nákladom na opravy.

Náklady na prestoje výroby – odhadované na 1 200 – 1 800 USD za hodinu nečinnosti navijaka v stredne veľkej bani – dominujú v rovnici celkových nákladov.100 % pracovný cyklus hydraulického navijaka eliminuje straty výroby súvisiace s tepelným vypnutím a jeho konštrukcia motora opraviteľného v teréne znižuje prestoje súvisiace s opravami približne o 85 % v porovnaní s elektrickým navijakom, ktorý vyžaduje opravu mimo pracoviska. PodľaCIPSmetodika kalkulácie nákladov na životný cyklus obstarávania, celkové náklady na vlastníctvo počas 5-ročného životného cyklu banského zariadenia musia byť základom pre rozhodnutia o obstarávaní, nie porovnanie obstarávacích cien, ktoré uprednostňujú predajcovia zariadení.

Úprimný argument proti hydraulickým navijakom: Kedy sú elektrické navijaky stále tou správnou voľbou

Hydraulické navijaky nie sú univerzálne lepšie a klientom z oblasti ťažby som odporučil elektrické navijaky v špecifických situáciách, kde výhody elektrického systému lepšie zodpovedajú prevádzkovým požiadavkám.Elektrické navijaky sú lepšou voľbou, keď: je navijak namontovaný na mobilnej plošine (banské vozidlá na batériový pohon, kde by hydraulický agregát vyžadoval samostatný dieselový motor), pracovný cyklus je skutočne prerušovaný (menej ako 15 minút nepretržitej prevádzky za hodinu, menej ako 4 hodiny celkovej dennej prevádzky), navijak sa nachádza v prostredí s kontrolovanou klímou (podzemné bane s núteným vetraním udržiavajúce teplotu 25 – 30 stupňov Celzia) a počiatočný kapitálový rozpočet je záväzným obmedzením (malé banské prevádzky, kde je rozdiel v obstarávacích nákladoch medzi hydraulickým a elektrickým systémom vo výške 30 000 – 50 000 USD neúnosný).

Pre podzemné uhoľné bane s prísnymi požiadavkami na ochranu pred výbuchom môžu byť elektrické navijaky s motormi certifikovanými Ex-d (ohňovzdorné) alebo Ex-e (zvýšená bezpečnosť) jedinou možnosťou v prípadoch, keď sú hydraulické agregáty s dieselovými motormi zakázané bezpečnostnými predpismi v baniach. V týchto prípadochHydraulické systémy Yiningponúka varianty navijakov našej série IYJ s elektrickým pohonom a certifikáciou motora v nevýbušnom prostredí podľa noriem ATEX a IECEx. Správna voľba technológie závisí od prevádzkového profilu konkrétnej bane, nie od univerzálnej preferencie jedného typu motora pred iným.Moje odporúčanie po pätnástich rokoch: ak navijak pracuje viac ako 4 hodiny denne a baňa nie je mobilná na batérie alebo nie je obmedzená na použitie v nevýbušnom prostredí, celková cenová výhoda hydraulického navijaka za 5 rokov je jednoducho príliš veľká na to, aby sa dala ignorovať.

Externé referencie: Normy pre motory ISO 5001 · MEET Mining Research · Normy obstarávania CIPS · IOM3 Banský inštitút · Štandardy CSA pre ťažbu · Certifikácia zariadení DNV · Hydraulické systémy podľa normy ISO 4413 · SAE International