Как выбрать редуктор для скребковых конвейеров в горнодобыче и золоудалении

Скребковые конвейеры являются тяжёлой рабочей техникой в подземной добыче угля, добыче твёрдых пород, системах золоудаления на электростанциях и транспортировке цементного клинкера. Они перемещают руду, уголь, шлак, золу-унос и клинкер вдоль закрытого жёлоба с помощью цепей с прикреплёнными скребками, которые волочат материал от одного конца к другому. Привод воспринимает суммарное сопротивление каждого килограмма материала в жёлобе плюс массу цепи и скребков, и этот профиль нагрузки принципиально отличается от ленточного конвейера. Для OEM-производителей оборудования, системных интеграторов и зарубежных инженеров по закупкам именно этап выбора редуктора превращает режим эксплуатации в типоразмер, схему монтажа и план запасных частей.

Два фактора, свойственные семейству конвейеров, определяют спецификацию редуктора. Во-первых, натяжение цепи задаётся длиной конвейера, массой цепи на погонный метр, профилем скребков, насыпной плотностью материала, коэффициентом трения жёлоба и углом наклона. Тяговые усилия цепи 25–200 кН на ветвь являются нормальными для угольных и рудных скребковых конвейеров; на более крупных машинах они достигают 250–500 кН на ветвь. Во-вторых, схема привода редко сводится к одному двигателю на головном валу. На скребковых конвейерах длиной более 80–100 м натяжения цепи требуют промежуточных приводных станций в нескольких точках по длине конвейера; каждая приводная станция воспринимает долю от общего тягового усилия, однако редуктор на каждой станции по-прежнему воспринимает полное натяжение цепи на своём нижестоящем участке. Выбор редуктора должен замкнуть оба фактора вместе — натяжение цепи на выходной стороне, крутящий момент двигателя на входной стороне — до применения диапазона коэффициента эксплуатации.

В настоящей методической записке в качестве типичного OEM-диапазона для угольных, рудных, шлаковых, золо-уноса и клинкерных скребковых конвейеров приняты: мощность двигателя от 7,5 до 250 кВт, диапазон передаточных чисел от 12,5:1 до 80:1, тяговое усилие цепи 25–500 кН на ветвь и длина конвейера от 30 м до 600 м. За пределами этого диапазона логика выбора остаётся той же, однако правильным решением становятся промышленные редукторы с угловой компоновкой DCY, циклоидальные мотор-редукторы или двухпиновые тяжёлые промышленные редукторы; это обобщено в итоговом перечне данных для запроса.

Типы скребковых конвейеров и условия эксплуатации

В запросах OEM доминируют три архитектуры скребковых конвейеров. Горизонтальный или малонаклонный (0°–15°) скребковый конвейер является наиболее распространённым, применяется в подземной добыче угля, в системах золоудаления на электростанциях и в транспортировке цементного клинкера, с тяговым усилием цепи 25–200 кН на ветвь и мощностью двигателя 7,5–132 кВт на приводную станцию. Наклонный скребковый конвейер (15°–30°) перемещает тот же материал вверх по уклону и увеличивает тяговое усилие цепи на 5–25 процентов из-за гравитационной составляющей. Конвейер в массе или вертикальный поднимает материал под углом 30°–90°, как правило, с малой скоростью цепи и очень высоким тяговым усилием, и использует полностью закрытый корпус. Для всех трёх типов шаг цепи обычно составляет 100–250 мм, высота скребков 80–300 мм, ширина жёлоба 400–1200 мм, а длина жёлоба может достигать 600 м и более на длинных магистральных конвейерах.

Подземные угольные и рудные шахты добавляют требование взрывозащиты (ATEX / IECEx M2 для условий с присутствием метана, M1 для непрерывной работы в режиме добычи). Электростанции и цементные заводы добавляют высокую температуру окружающей среды (до 50 °C летом) и высокую запылённость (зола-унос, пыль клинкера, пыль известняка). Морские порты и складские площадки добавляют воздействие соляного тумана на конвейерах, идущих от штабеля к судопогрузчику. Спецификация корпуса редуктора должна соответствовать фактическим условиям, а не обобщённой отметке для помещений, и диапазон коэффициента эксплуатации должен быть увеличен на одну ступень выше эквивалентного диапазона для горизонтального конвейера из-за более высокой ударной нагрузки при захвате цепи и при попадании посторонних металлических предметов.

Натяжение цепи, крутящий момент на приводном валу и коэффициент эксплуатации

Натяжение цепи рассчитывается исходя из режима работы конвейера и параметров материала: натяжение равно произведению массы на погонный метр, длины, коэффициента трения и коэффициента запаса, просуммированному по наклонному участку. Для горизонтального угольного скребкового конвейера длиной 80 м с насыпной плотностью 0,85 т/м³, массой цепи 25 кг/м и коэффициентом трения 0,4 установившееся натяжение цепи находится в диапазоне 30–50 кН. Крутящий момент на приводном валу затем равен произведению натяжения цепи на радиус делительной окружности звёздочки. Для звёздочки с диаметром делительной окружности 600 мм на одноветвевом конвейере это даёт пиковый крутящий момент 4,5–7,5 кН·м при полной нагрузке, до наложения пусковых пиков и пиков от попадания посторонних металлических предметов.

Коэффициент эксплуатации (КЭ) на скребковых конвейерах выше, чем на ленточных, из-за пика при захвате цепи, событий попадания посторонних металлических предметов и динамики растяжения цепи. В качестве рабочего правила для выбора OEM на горизонтальных скребковых конвейерах: КЭ 1,5 для лёгких конвейеров золы и известняка; КЭ 1,75 для стабильных угольных и рудных конвейеров с ограниченными пусками-остановами; КЭ 2,0 для наклонных угольных скребков выше 15° и тяжёлых конвейеров шлака или клинкера; КЭ 2,5 для вертикальных конвейеров в массе и конвейеров, работающих с рудой, склонной к попаданию посторонних металлических предметов, с регулярными событиями останова. Применяйте КЭ к механической характеристике редуктора, а не к паспортным данным двигателя, и проверяйте характеристику как по тепловой мощности (непрерывный режим на длинных конвейерах), так и по пиковому крутящему моменту (пуск и события попадания посторонних металлических предметов). Полная логика КЭ и то, как она изменяет типоразмер, подробно описана в статье «Как коэффициент эксплуатации влияет на выбор редуктора»; перечень исходных данных на этапе запроса приведён в статье «Входные данные для выбора промышленного редуктора».

Схемы привода с одним и двумя пинами

Привод с одним пином является стандартной схемой на скребковых конвейерах длиной до примерно 100 м и двигателем 132 кВт, с одной приводной станцией на головном валу. Редуктор монтируется на головном валу через полый вал со стяжной втулкой либо устанавливается на опорной плите рядом с головным валом через муфту. Привод с двумя пинами использует два редуктора, смонтированных бок о бок на головном валу, каждый из которых воспринимает половину общего натяжения цепи, при этом оба двигателя рассчитаны на полную нагрузку конвейера по отдельности, так что второй привод выступает резервным запасом по перегрузке. Двухпиновый привод является стандартом для длинных магистральных скребковых конвейеров длиной более 100 м, для тяжёлых рудных скребков с тяговым усилием цепи свыше 200 кН и для конвейеров, где OEM хочет иметь мгновенный запас по перегрузке. Передаточные числа двух редукторов должны быть согласованы в пределах 0,5 процента, а двигатели должны управляться как спаренный частотно-регулируемый привод или плавно запускаться синхронно, чтобы натяжение цепи распределялось равномерно.

Промежуточные приводные станции располагаются вдоль длинных конвейеров и разбивают натяжение цепи на управляемые участки. Конвейер длиной 200 м может иметь один головной привод и два промежуточных привода на отметках 50 м и 100 м; каждая приводная станция имеет собственный двигатель и редуктор, рассчитанные на натяжение цепи в данной точке. Редукторы промежуточных станций, как правило, имеют меньший типоразмер и меньшее передаточное число, чем редуктор головной станции, однако все они несут ту же полосу КЭ, поскольку каждый из них является критическим узлом цепной системы. Синхронизация между приводами обычно электронная (спаренный частотно-регулируемый привод), а не механическая (посредством трансмиссионного вала), поскольку сама цепь поглощает любое небольшое рассогласование скоростей цепи между приводами.

Режим низкой скорости и высокого крутящего момента и циклоидальные варианты

Скребковые конвейеры являются машинами с низкой скоростью и высоким крутящим моментом. Типичны выходные скорости 8–30 об/мин, мощности двигателя 7,5–250 кВт и выходные крутящие моменты 1,0–30 кН·м на приводную станцию. Модульный ряд мотор-редукторов R/F/K/S покрывает нижний край мощности (примерно до 30 кВт) и меньшие передаточные числа (ниже 30:1); выше этого правильным решением является промышленный редуктор низкой скорости и высокого крутящего момента семейства HB, DCY или циклоидальный. Угловые редукторы DCY являются стандартом для тяжёлых наклонных скребков, поскольку угловая компоновка соответствует геометрии головной станции, а ряд DCY покрывает диапазон 22–250 кВт с передаточными числами до 80:1. Промышленные редукторы HB являются соосной альтернативой там, где компоновка головной станции соосная, а не угловая; они покрывают диапазон 22–630 кВт с передаточными числами до 100:1 в две ступени.

Циклоидальные мотор-редукторы становятся правильным решением, когда выходная скорость конвейера падает ниже 8 об/мин, а выходной крутящий момент превышает механический предел ряда мотор-редукторов. Одноступенчатые циклоидальные передачи с передаточными числами 30:1–90:1 дают очень компактный пакет головной станции с очень высокой устойчивостью к ударным нагрузкам. Компромиссом является потеря КПД на 5–10 процентов по сравнению с коническо-цилиндрической схемой, что означает несколько больший двигатель и несколько более высокое требование к охлаждению. Для длинных конвейеров с пиковыми натяжениями цепи при пуске и при попадании посторонних металлических предметов ударная стойкость циклоидальной схемы часто оправдывает потерю КПД. Геометрия циклоидальных мотор-редукторов подробно описана в статье «Циклоидальный vs цилиндрический редуктор серии R»; логика применения для тихоходных тяжёлых конвейеров состоит в том, что циклоидальный редуктор становится первым выбором при выходной скорости ниже 8 об/мин и пиковом крутящем моменте свыше 15 кН·м.

Подземные / влажные / агрессивные среды

Скребковые конвейеры в подземных угольных и рудных шахтах работают в условиях запылённости, водяных брызг и присутствия метана. Сертификация ATEX / IECEx Группа I, Категория M2 или M1 обязательна для двигателя и, для полностью сертифицированных конвейеров, также для корпуса редуктора. Корпус редуктора для подземной службы, как правило, имеет степень защиты IP65 с герметичной клеммной коробкой на двигателе, дыхательным клапаном с силикагелем, пылезащитными манжетами на входном и выходном валах, магнитными сливными пробками с уплотнительными шайбами и непрерывной прокладкой на смотровой крышке. Система покрытия поверхности — двухкомпонентная эпоксидная грунтовка плюс верхний слой полиуретана или полисилоксана, общая толщина сухой плёнки 200–280 мкм. Цепь тормоз-муфта через редуктор может потребовать снижения номинала в условиях присутствия метана из-за ограничения по превышению температуры; редуктор обычно поставляется с взрывонепроницаемой (Ex d) клеммной коробкой для двигателя и неискрящим корпусом самого редуктора.

Влажные и агрессивные среды добавляют требования к выбору материалов. Для моечных операций на пищевых или химических предприятиях корпус редуктора поставляется с крепежом из нержавеющей стали или оцинкованным, табличкой из нержавеющей стали, верхним слоем полиуретана, стойким к химическому воздействию, и синтетической смазкой пищевого класса. Для морской службы или воздействия соляного тумана на портовых и складских конвейерах требуется стандартная система покрытия ISO 12944 C5-M. Для цементных и удобрительных заводов дыхательный клапан заменяется на осушительный, масляные уплотнения заменяются на FKM при температуре редуктора свыше 60 °C, а смотровая крышка уплотняется непрерывной прокладкой. Полные правила защиты поверхности в этих средах подробно изложены в «Контрольном перечне по монтажу, смазке и первому пуску промышленного редуктора».

Стопор обратного хода и защита от перегрузки

Наклонные скребковые конвейеры с углом более 15° требуют стопора обратного хода, удерживающего нагруженную цепь при обесточенном приводе. Стандартной схемой является встроенный в выходной вал редуктора стопор обратного хода со стопорным элементом типа «sprag» бесконтактного типа, выбранный на полный выходной крутящий момент с тем же КЭ, что и редуктор, и подтверждённый на возможность обратного проворота толчковым двигателем для технического обслуживания без повреждений. Двухпиновые приводы требуют по одному стопору на каждый редуктор или одного комбинированного стопора в цепной системе; комбинированная схема более надёжна, поскольку не допускает обратного проворота при отказе одного редуктора. Храповой стопор обратного хода допустим на лёгких конвейерах мощностью до 30 кВт, но не является предпочтительным для тяжёлых двухпиновых приводов.

Защита от перегрузки на стороне входа обеспечивается гидромуфтой, муфтой ограничения крутящего момента или срезной штифтовой втулкой. Гидромуфта снижает пусковой крутящий момент редуктора приблизительно до 1,5–2,0 от рабочего крутящего момента и защищает редуктор от событий останова ленты, ценой рабочего скольжения 5–15 процентов, которое увеличивает потребляемую мощность двигателя и добавляет требование к отводу тепла. Муфта ограничения крутящего момента задаёт калиброванный максимальный крутящий момент и отсоединяет двигатель от редуктора при блокировке цепи; после каждого события требуется повторное включение. Срезная штифтовая втулка является простейшей защитой и применяется на лёгких конвейерах мощностью до 30 кВт. Электронная защита от перегрузки в частотно-регулируемом приводе или устройстве плавного пуска является стандартом для современных установок скребковых конвейеров, поскольку она допускает точную настройку без ложных срабатываний, передаёт сигнал неисправности в ПЛК и устраняет рабочие потери гидромуфты. Полная логика защиты по семействам конвейеров приведена в статье «Как коэффициент эксплуатации влияет на выбор редуктора».

Требования OEM к корпусу и особенности кастомизации

OEM-заказчики, выпускающие скребковые конвейеры, обычно нуждаются в чём-то большем, чем каталожный редуктор. Распространённые доработки: нестандартный диаметр отверстия выходного вала или посадка стяжной втулки под конкретный диаметр вала звёздочки; встроенный стопор обратного хода типа «sprag» с документированным удерживающим моментом; встроенный гидравлический дисковый тормоз или монтажный фланец под внешний тормоз; нестандартное монтажное положение за пределами стандартного набора M1–M6; специальное низкоскоростное передаточное число для очень длинных конвейеров; специфические для OEM цвет окраски, этикетка и табличка с серийным номером; комплект документации по сертификации ATEX / IECEx для подземной службы; пакет документации, включающий протокол испытаний, чертёж монтажа, карту смазки и перечень запасных частей.

Защита поверхности для рудничных скребков является стандартным требованием. Система покрытия: цинконаполненная грунтовка 60–80 мкм, промежуточный эпоксидный слой 100–150 мкм, верхний полиуретановый слой 40–60 мкм; общая толщина сухой плёнки 200–280 мкм. Для тропической или морской службы верхний полиуретановый слой заменяется на полисилоксан или фторполимер; для подземной службы верхний слой заменяется на антистатическое покрытие, рассчитанное на взрывозащиту Группы I. Дыхательный клапан герметизирован, пробки контроля уровня и слива масла магнитные с уплотнительными шайбами, смотровая крышка уплотнена непрерывной прокладкой. Экспортная упаковка — фумигированный деревянный ящик с плёнкой VCI и пакетами силикагеля для морской перевозки.

Документация для OEM-поставок скребковых конвейеров, как правило, включает декларации CE / ISO 9001 / EAC в зависимости от страны назначения, досье соответствия ATEX / IECEx для подземной службы, протоколы испытаний, сертификаты на материалы, отчёты о размерном контроле, монтажные чертежи, карты смазки и перечни запасных частей. Запрос OE должен указывать страну назначения, зону ATEX / IECEx (если применимо), количество часов работы в смену и принятую OEM философию обеспечения запасными частями. Подробный перечень данных для запроса приведён в статье «Входные данные для выбора промышленного редуктора».

Перечень данных для запроса по скребковым конвейерам

Для получения чистой коммерческой оценки направьте следующие данные на sales@chinfar.com. (1) Тип конвейера — горизонтальный скребковый, наклонный скребковый, вертикальный в массе, тяжёлый двухпиновый или промежуточный привод. (2) Длина жёлоба, ширина жёлоба, высота жёлоба, угол наклона. (3) Тип цепи, шаг цепи, масса цепи на погонный метр, профиль скребков. (4) Транспортируемый материал и насыпная плотность в т/м³. (5) Расчётное натяжение цепи на ветвь в кН и расчётный крутящий момент на приводном валу в кН·м. (6) Мощность двигателя на приводную станцию, частота вращения двигателя, типоразмер (IEC или NEMA) и напряжение / частота питания. (7) Количество приводных станций, положение по длине жёлоба и номинальное натяжение цепи на каждой станции. (8) Выходная скорость, выходной крутящий момент, диапазон передаточного числа. (9) Коэффициент эксплуатации, применяемый OEM, или подтверждение того, что стандартный диапазон 1,5–2,5 для скребковых конвейеров приемлем. (10) Интерфейс на стороне выхода — полый вал со стяжной втулкой, шпоночный полый вал, сплошной вал с муфтой. (11) Тип плавного пуска — прямой пуск, гидромуфта, электронное устройство плавного пуска, частотно-регулируемый привод или асинхронный двигатель с фазным ротором. (12) Требования к тормозу и стопору обратного хода — отсутствуют, встроенный sprag, гидравлический дисковый тормоз или комбинированный. (13) Часы работы в сутки, температура окружающей среды, уровень запылённости, воздействие воды или химикатов, зона ATEX / IECEx, если применимо. (14) Защита поверхности, цвет и этикетка OEM, страна назначения для сертификации.

По возможности приложите компоновочные чертежи приводной станции и схемы расположения звёздочки; один эскиз с высотой оси двигателя, положением монтажа редуктора, компоновкой выходного вала, диаметром вала звёздочки и интерфейсом тормоза / стопора обратного хода позволяет сэкономить как минимум один цикл подбора редуктора. Для проектов замены укажите оригинальный чертёж или монтажные размеры и существующую компоновку двигателя и муфты.