Чому гідравлічні лебідки перевершують електричні у безперервних важких гірничих роботах

Фундаментальна різниця в конструкції двигуна — що робить гідравлічні лебідки створеними для зносу

Я провів п'ятнадцять років у Yining Hydraulic, розробляючи лебідкові системи для гірничодобувної промисловості, морського транспорту та будівництва, і різниця в інженерній філософії між гідравлічними та електричними лебідками є разючою:Гідравлічні двигуни за своєю суттю мають перебудовану конструкцію для виживання при перевантаженні, тоді як електродвигуни є точними пристроями, які захищають себе шляхом вимикання.Ця різниця не є конструктивним недоліком жодної з технологій — вона є наслідком базової фізики. Гідравлічні двигуни використовують рідину під тиском (зазвичай 250-350 бар у гірничодобувних лебідках) для приводу обертової групи поршнів або шестерень. Сама рідина діє як як середовище передачі енергії, так і як охолоджувальне середовище — циркулюючи через двигун, рідина передає тепло до масляного охолоджувача системи. Якщо двигун перевантажений, запобіжний клапан тиску системи відкривається при встановленому тиску (зазвичай 315-350 бар) і перенаправляє потік, захищаючи механічні компоненти від пошкодження внаслідок перевантаження, не вимикаючи систему.

Електродвигуни, навпаки, перетворюють електричний струм на магнітний потік для створення крутного моменту. Обмотки двигуна — мідний дріт, ізольований ізоляцією класу F (максимум 155 градусів Цельсія) або класу H (максимум 180 градусів Цельсія) — генерують тепло, пропорційне квадрату струму (втрати I-квадрат-R).У гірничодобувних роботах безперервного режиму, коли лебідка працює проти навантаження протягом 30-60 хвилин, обмотки двигуна досягають теплового насичення протягом 15-25 хвилин, і реле теплового захисту або частотний перетворювач відключає двигун, щоб запобігти пробою ізоляції.Це не несправність — це двигун, який захищає себе від незворотного пошкодження, — але для керівника виробництва шахти, який спостерігає за зупинкою лебідки посеред роботи, ця різниця є лише академічною. Згідно зISO 5001Згідно зі стандартами ефективності електродвигунів, двигуни безперервного режиму роботи потребують або примусового повітряного охолодження (двигуни TEFC із зовнішніми вентиляторами), або водяного охолодження для роботи понад 40% робочого циклу, і навіть за умови примусового охолодження теплова межа зазвичай становить 60-70% робочого циклу за температури навколишнього середовища 35-45 градусів Цельсія, що є типовою для австралійських та південноамериканських кар'єрів.

Порівняння робочого циклу: чому теплові обмеження електричної лебідки стають виробничою проблемою в гірничодобувній промисловості

Специфікація робочого циклу в технічному паспорті електричної лебідки відповідає лабораторним умовам — температура навколишнього середовища 25 градусів Цельсія, чисте повітря, номінальна напруга — жоден з яких не стосується середовища видобутку твердих порід.У реальних умовах гірничої справи за температури навколишнього середовища 40 градусів Цельсія з частковим засміченням ребер охолодження двигуна пилом у повітрі, реальний робочий цикл електричної лебідки з номінальним навантаженням "40%" падає приблизно до 25-30%. Для шахти, яка працює дві 10-годинні зміни, це означає, що електрична лебідка може працювати лише 2,5-3 години на зміну, перш ніж накопичене теплове накопичення змушує проводити період охолодження, і цей період охолодження (зазвичай 30-45 хвилин для повернення до безпечної температури обмотки) безпосередньо знижує продуктивність.

At Гідравлічний центр ІнінНаші гідравлічні лебідки серії IYJ розроблені для 100% безперервної роботи, а масляний охолоджувач гідравлічного агрегату розрахований на максимальну очікувану температуру навколишнього середовища плюс 15% запас міцності.Масляний охолоджувач – це компонент терморегуляції, який забезпечує 100% робочий цикл.— він передає тепло від гідравлічної рідини до навколишнього повітря (або охолоджувальної води, для підземних гірничих робіт), підтримуючи температуру рідини нижче 65 градусів Цельсія навіть за умови безперервної роботи з максимальним навантаженням. Електродвигун, що приводить в дію гідравлічний насос, є єдиним електричним компонентом у системі, і він працює з постійною швидкістю та навантаженням незалежно від навантаження лебідки, що усуває змінні теплові цикли, які вбивають електродвигуни лебідки.

Стабільність крутного моменту при змінному навантаженні: перевага гідравліки в м'якому запуску та амортизації

У гірничодобувних операціях з лебідками приблизно 67% усіх тяг пов'язані з запуском від статичного навантаження — скіпа, завантаженого породою, заглохлого самоскида, натягнутої конвеєрної стрічки.Пуск проти статичного навантаження вимагає максимального крутного моменту при нульових обертах, і саме тут фундаментальна перевага гідродвигуна найбільше проявляється. Гідродвигун створює свій максимальний крутний момент у момент відкриття розподільного клапана — тиск у гідравлічному контурі миттєво наростає (протягом 50-100 мілісекунд), і двигун забезпечує повний крутний момент зупинки при нульових обертах. Немає пускового струму, піків нагрівання обмотки та іскріння контактора стартера.

Електродвигун, що запускається проти статичного навантаження, споживає струм заблокованого ротора (зазвичай у 6-8 разів перевищує струм повного навантаження) протягом усього періоду запуску — зазвичай 2-5 секунд для прямого запуску або 5-15 секунд для плавного пускача, який нарощує напругу.Кожен пуск із заблокованим ротором призводить до термічного старіння обмоток двигуна приблизно на 0,5-1,0 еквівалентних годин роботи, оскільки нагрівання I-квадрат-R під час пускового струму в 36-64 рази вище, ніж під час нормальної роботи.У гірничодобувній зміні з 20-30 циклами запуску, сукупне теплове старіння від самого лише запуску може зайняти 10-30 еквівалентних годин терміну служби обмотки за одну 10-годинну зміну. ​​Згідно зАС 1418Згідно зі стандартами для кранів та підйомників, частоту запуску електролебідки необхідно знижувати, коли температура навколишнього середовища перевищує 35 градусів Цельсія, а коефіцієнт зниження зазвичай становить 0,85 на кожні 5 градусів Цельсія вище номінальної температури.

Гідравлічні системи також забезпечують природне поглинання ударів завдяки стисливості гідравлічної рідини.Коли гірничодобувна лебідка стикається з раптовим збільшенням навантаження — заклинюванням уламка породи під скіпом, зачіпанням троса на нерівній поверхні — гідравлічна рідина трохи стискається (приблизно на 0,5% зменшення об'єму на кожні 70 бар збільшення тиску для мінеральної оливи), поглинаючи удар, перш ніж він досягне механічних компонентів.Це гідравлічне амортизування зменшує піковий крутний момент на коробці передач на 20-35% порівняно з електричною лебідкою з жорстким механічним з'єднанням між двигуном та вхідним валом коробки передач.Гідравлічний центр ІнінНаші гідравлічні агрегати оснащені гідроакумуляторними контурами, спеціально розробленими для покращення амортизації — 10-літровий гідроакумулятор, попередньо заряджений азотом під тиском 120 бар, поглинає стрибки тиску, які в іншому випадку досягли б насоса та двигуна.

Порівняння режимів відмови двигуна: швидкість вигорання та вартість ремонту в умовах видобутку твердих порід

Забруднення навколишнього середовища є основним фактором, що прискорює вихід з ладу обох типів двигунів, але режими відмови та шляхи ремонту принципово відрізняються.Під час видобутку твердих порід навколишнє середовище включає: повітряний кремнеземний пил (розмір частинок 0,5-5 мікрон, високоабразивний), вібрацію (5-15 мм/с RMS на основі кріплення лебідки від сусідніх дробарок та конвеєрів), значні перепади температур (від 5 градусів Цельсія вночі до 45 градусів Цельсія вдень у кар'єрах), а також періодичний вплив води або шламу внаслідок операцій з зневоднення шахти.

Режими відмов електродвигунів у цьому середовищі: забруднення підшипників (попадання пилу повз ущільнення вала, що становить приблизно 51% відмов електродвигунів згідно з дослідженнями надійності двигунів IEEE), пробою ізоляції обмоток (накопичення пилу на обмотках зменшує тепловіддачу, спричиняючи утворення гарячих точок, які погіршують ізоляцію в 2-3 рази швидше за норму) та корозія клемної коробки (попадання вологи спричиняє замикання на землю).Рівень відмов електродвигунів у середовищах видобутку твердих порід приблизно в 3-5 разів вищий, ніж у чистих промислових середовищах.а коли двигун виходить з ладу, шлях ремонту зазвичай вимагає: зняття з лебідки (1-2 години за допомогою крана), транспортування до позамайстерні з ремонту двигунів (2-5 днів логістики), розбирання/перемотування/відновлення (5-10 днів) та повторне встановлення (1-2 години). Загальний час простою: 7-17 днів на кожну поломку.

Види несправностей гідродвигуна: знос ущільнень (найпоширеніша несправність, яка зазвичай виникає через 8000-12 000 годин роботи), знос обертової групи (поршневі башмаки, поверхня блоку циліндрів, клапанна тарілка — поступовий та виявлений за допомогою моніторингу продуктивності) та забруднення (чим можна запобігти завдяки належній фільтрації з абсолютним розміром 10 мікрон або краще).Ремонт гідродвигуна в польових умовах: заміна ущільнення займає 2-4 години за допомогою стандартних інструментів і не вимагає зняття двигуна краном.Заміна обертової групи займає 4-8 годин і може бути виконана на місці техніком-гідравліком. Двигун не залишає шахтний майданчик. Загальний час простою: 0,5-1 день через пошкодження ущільнення, 1-2 дні для заміни обертової групи. Згідно зЕнергоефективність гірничодобувного обладнання (MEET)Згідно з дослідницькими даними, ремонтопридатність гідравлічної системи в польових умовах є найбільшою експлуатаційною перевагою над електричними системами у віддалених місцях видобутку корисних копалин, де логістика ремонту поза майданчиком додає тижні до кожної відмови.

Загальна вартість години: 5-річний аналіз експлуатаційних витрат для застосування лебідок безперервної гірничої промисловості

Різниця у вартості придбання — гідравлічна лебідка зазвичай коштує на 30-50% дорожче, ніж електрична лебідка еквівалентної потужності — є найпоширенішим аргументом проти гідравлічних лебідок, але це також найнеповніший аналіз.Правильний аналіз загальних витрат на експлуатаційну годину протягом 5 років (типовий період амортизації гірничодобувного обладнання) показує, що вища початкова вартість окуповується протягом перших 18-24 місяців завдяки скороченню простоїв та нижчим витратам на ремонт.

Вартість простою виробництва, яка оцінюється в 1200-1800 доларів США за годину втрати роботи лебідки для шахти середнього розміру, домінує в рівнянні загальних витрат.100% робочий цикл гідравлічної лебідки усуває виробничі втрати, пов'язані з тепловим відключенням, а її конструкція двигуна, що ремонтується в польових умовах, скорочує час простою, пов'язаний з ремонтом, приблизно на 85% порівняно з електричною лебідкою, яка потребує ремонту поза межами автомайстерні. Згідно зCIPSЗгідно з методологією розрахунку вартості життєвого циклу закупівель, загальна вартість володіння протягом 5-річного життєвого циклу гірничодобувного обладнання має бути основою для рішень щодо закупівель, а не порівняння цін придбання, яке воліють представляти постачальники обладнання.

Чесний аргумент проти гідравлічних лебідок: коли електричні лебідки все ще є правильним вибором

Гідравлічні лебідки не є універсально кращими, і я рекомендував електричні лебідки клієнтам з гірничодобувної промисловості в конкретних сценаріях, коли переваги електричної системи краще відповідають експлуатаційним вимогам.Електричні лебідки є кращим вибором, коли: лебідка встановлена ​​на мобільній платформі (гірничодобувні машини з живленням від акумуляторів, де для гідравлічного агрегату потрібен окремий дизельний двигун), робочий цикл є справді переривчастим (менше 15 хвилин безперервної роботи на годину, менше 4 годин загальної щоденної роботи), лебідка знаходиться в кліматично контрольованому середовищі (підземні шахти з примусовою вентиляцією, що підтримує температуру 25-30 градусів Цельсія), а початковий капітальний бюджет є обов'язковим обмеженням (невеликі гірничодобувні підприємства, де різниця у вартості придбання гідравлічної та електричної лебідок у 30 000-50 000 доларів США є непомірною).

Для підземних вугільних шахт із суворими вимогами до вибухозахисту електричні лебідки з двигунами, сертифікованими як Ex-d (вогнестійкий) або Ex-e (підвищена безпека), можуть бути єдиним варіантом там, де гідравлічні силові установки з дизельними двигунами заборонені правилами безпеки шахт. У цих випадкахГідравлічний центр Інінпропонує варіанти лебідок серії IYJ з електроприводом та сертифікацією вибухобезпечного двигуна відповідно до стандартів ATEX та IECEx. Правильний вибір технології залежить від конкретного експлуатаційного профілю шахти, а не від універсальної переваги одного типу двигуна над іншим.Моя рекомендація після п'ятнадцяти років: якщо лебідка працює більше 4 годин на день, а шахта не є мобільною на акумуляторах або не має обмежень у вибухозахисті, загальна перевага гідравлічної лебідки у вартості протягом 5 років просто занадто велика, щоб її ігнорувати.

Зовнішні посилання: Стандарти ISO 5001 для двигунів · Дослідження гірничої справи MEET · Стандарти закупівель CIPS · Гірничий інститут IOM3 · Стандарти CSA для гірничодобувної промисловості · Сертифікація обладнання DNV · Гідравлічні системи ISO 4413 · SAE International