Зайдите на любую шахту или цементный завод, и вы обнаружите вращающееся оборудование, которое весит сотни тонн, работает 24 часа в сутки и постоянно вращается от одной массивной шестерни. Это зубчатое колесо -, также называемое венцовым колесом -, и это невоспетая рабочая лошадка тяжелой промышленности. Когда один из них выходит из строя, останавливается вся линия, а стоимость простоя может достигать десятков тысяч долларов в час.
Что на самом деле делает кольцевая шестерня
Кольцевая шестерня – это шестерня большого-диаметра, прикрепленная болтами по окружности вращающегося барабана или корпуса печи. Он находится в зацеплении с одной или двумя шестернями меньшего размера, приводимыми в движение электродвигателем через коробку передач. Двигатель вращает шестерню, шестерня вращает коронную шестерню, а коронная шестерня вращает весь корпус - со скоростью обычно от 1 до 20 об/мин.
Дизайн простой, но невероятно эффективный. Обертывая шестерню вокруг самого барабана, вы устраняете необходимость в массивном центральном валу и подшипнике, которые были бы непрактичны при таких размерах. Кольцевая шестерня распределяет движущую силу по всей окружности, что очень важно при вращении 500-тонной шаровой мельницы, наполненной рудой и стальными шарами.
Кольцевые шестерни огромны. Типичное количество модулей варьируется от 20 до 50, а диаметр на крупнейших мельницах может превышать 14 метров. Они отлиты целиком или разделены на два или более сегментов для транспортировки и установки. Материалом почти всегда является литая сталь - ZG45, 42CrMo или аналогичные сплавы -, прошедшие термическую обработку для достижения правильного баланса твердости поверхности и ударной вязкости сердцевины.
Горное дело: мельницы любого типа
В горнодобывающей промышленности основная задача зубчатого колеса — превращать мельницы - в машины, которые измельчают руду до мелких частиц, необходимых для извлечения полезных ископаемых.
Шаровые мельницы являются наиболее распространенным применением. Горизонтальный стальной цилиндр, частично заполненный стальными шариками, вращается вокруг своей оси, переворачивая руду и измельчая ее за счет ударов и истирания. Размеры варьируются от нескольких метров в диаметре для небольших предприятий до более 8 метров для крупных медных и золотых рудников. Кольцевая шестерня большой шаровой мельницы сама по себе может весить 30 тонн и более.
Мельницы SAG (полу-автогенное измельчение) и мельницы AG (автогенное измельчение) идут еще дальше. Мельницы СИ используют в качестве мелющей среды саму руду вместе с небольшой загрузкой стальных шаров, тогда как мельницы СИ полностью полагаются на руду. Эти мельницы даже крупнее шаровых -, их диаметр обычно составляет от 10 до 12 метров, а коронные шестерни, приводящие их в движение, соответственно массивны. Нагрузки здесь экстремальные: полностью загруженная мельница ПСИ может весить более 1000 тонн, а зубчатый венец должен плавно запускать и останавливать эту массу, не нагружая зубья ударной нагрузкой.
Стержневые мельницы, галечные мельницы и башенные мельницы дополняют сферу применения в горнодобывающей промышленности. В каждом из них используется зубчатый венец, хотя размер и профиль нагрузки различаются. Всех их объединяет суровая рабочая среда - постоянная пыль, вибрация и абразивные частицы руды, которые проникают во все. Кольцевые шестерни в горнодобывающей промышленности нуждаются в высокой твердости поверхности, чтобы противостоять абразивному износу, и в прочных основаниях зубьев, чтобы выдерживать усталость от повторяющихся нагрузок.
Цемент: печи, мельницы и сушилки
Еще одним активным пользователем зубчатых колес является цементная промышленность, и требования здесь иные, но не менее жесткие.
Вращающиеся печи – это сердце цементного завода. Длинный, слегка наклоненный стальной цилиндр -, обычно диаметром от 4 до 6 метров и длиной от 60 до 100 метров - вращается со скоростью от 1 до 4 об/мин, в то время как пламя на нижнем конце нагревает материал до температуры более 1400 градусов. Известняк и глина подаются сверху, а цементный клинкер выходит снизу. Кольцевая шестерня, обычно устанавливаемая рядом с разгрузочным концом, должна сохранять точное зацепление с шестерней даже при термическом расширении корпуса печи на несколько сантиметров. Это тепловое расширение является одной из самых больших проблем при проектировании кольцевых шестерен цементных печей - шестерня должна оставаться выровненной в температурном диапазоне, который может привести к деформации большинства машин.
Цементные шаровые мельницы работают по тому же принципу, что и горные шаровые мельницы, измельчая клинкер до мелкого порошка, который становится цементом. Эти мельницы часто работают по замкнутому циклу с сепараторами, а привод зубчатого венца должен обеспечивать непрерывную работу с минимальным изменением скорости. Цементные мельницы, как правило, меньше крупнейших горнодобывающих мельниц ПСИ, но они работают годами без остановки, поэтому надежность и износостойкость имеют первостепенное значение.
Ротационные сушилки и охладители являются третьим основным применением цемента. Сушилки удаляют влагу из сырья перед тем, как оно попадает в печь, а охладители доводят горячий клинкер до температуры обработки после того, как он покидает печь. В обоих используются зубчатые передачи, аналогичные печам, но нагрузки и температуры ниже. Здесь важна консистенция -. Неравномерное вращение приводит к неравномерной сушке или охлаждению, что влияет на качество продукта.
Рекомендации по проектированию и материалам
Разница между зубчатым венцом, который прослужит 20 лет, и тем, который выйдет из строя через 5 лет, сводится к конструкции, материалу и качеству изготовления.
Профиль зуба имеет значение. В большинстве современных зубчатых венцов используются винтовые зубья, а не прямые прямозубые зубья. Угол спирали распределяет нагрузку на несколько зубьев одновременно, что уменьшает удары, снижает шум и позволяет шестерне передавать крутящий момент мегаваттного-класса на низких оборотах без ударов. Косозубые шестерни создают осевую тягу, которую приходится поглощать опорным роликам мельницы, но для тяжелых-применений этот компромисс того стоит.
Выбор материала зависит от применения. Для цементных печей, где основными проблемами являются нагрев и термоциклирование, такие сплавы, как 42CrMo или AISI 4140, сохраняют прочность при повышенных температурах. На горнодобывающих предприятиях, где преобладает абразивный износ, литые стали с более высоким-углеродом и поверхностной закалкой (часто индукционной или пламенной закалкой) обеспечивают более длительный срок службы зубьев. Процесс термообработки имеет решающее значение - слишком жесткий, и зубья трескаются при ударе; слишком мягкие и через несколько лет изнашиваются.
Точность изготовления – это последний этап. Зубья должны иметь точный профиль, шестерня должна быть идеально круглой, а отверстия для болтов должны точно совпадать с фланцем барабана. Любое биение или несоосность вызывает неравномерную нагрузку на зубья, что ускоряет их износ и может привести к катастрофической поломке зубьев. Качественные производители проводят ультразвуковой контроль отливок, проверяют профиль зуба с помощью координатно-измерительных машин и перед отправкой проводят проверку полного зацепления шестерни.
Техническое обслуживание и срок службы
Хорошо-спроектированная и хорошо-установленная коронная шестерня может прослужить от 15 до 25 лет, прежде чем потребуется замена. Главное — смазка и контроль.
В большинстве зубчатых колес используется открытая-смазка зубчатых передач - густой консистентной смазкой или составом на основе асфальта-, наносимая автоматическими распылительными системами или операторами вручную. Смазка должна удерживаться на зубах под действием центробежной силы, противостоять вымыванию водой и пылью, выдерживать экстремальное давление. Типичная норма внесения составляет несколько граммов в минуту и распыляется на шестерню при ее вращении. Недостаточная смазка является основной причиной преждевременного выхода из строя зубчатого венца - зубья истираются, задираются и быстро изнашиваются после разрушения смазочной пленки.
Регулярные проверки выявляют проблемы до того, как они перерастут в неисправности. Бригады технического обслуживания проверяют характер износа зубьев, ищут точечную коррозию или сколы на поверхности зубьев, измеряют люфт и прислушиваются к необычному шуму. Рисунок износа, сосредоточенный на одной стороне зубьев, обычно указывает на несоосность - либо шестерня смещена- от центра, либо шестерня сместилась на барабане. Обнаружив это на ранней стадии и перенастроив-можно продлить срок службы оборудования на несколько лет.
Когда срок службы зубчатого венца подходит к концу, его замена является серьезной операцией. Мельницу или печь необходимо остановить, старую шестерню отвинтить и разрезать (часто частями для снятия), а новую шестерню установить и выровнять. Это может занять дни или недели планового простоя, поэтому большинство заводов держат запасной зубчатый венец на полке и планируют замену на несколько лет вперед.
заключение
Кольцевые шестерни являются одними из самых крупных и наиболее нагруженных механических компонентов в любой промышленной операции. В горнодобывающей промышленности они приводят в действие мельницы, которые измельчают руду до извлекаемого размера - шаровые мельницы, мельницы ПСИ, мельницы АГ и стержневые мельницы, часто превышающие 10 метров в диаметре и обрабатывающие грузы более 1000 тонн. При производстве цемента они приводят в движение вращающиеся печи, производящие клинкер при температуре 1400 градусов, шаровые мельницы, измельчающие его в порошок, а также сушилки и охладители, поддерживающие процесс.
Условия эксплуатации вряд ли могут быть более разными - в горнодобывающей промышленности используются абразивные и ударные нагрузки, в цементной промышленности – тепло и тепловое расширение -, но требования сходятся в одном: точно изготовленная, правильно смазанная, тщательно выровненная зубчатая передача, которая может работать десятилетиями при минимальном уходе. Сделайте это правильно, и он отойдет на второй план, надежно выполняя свою работу. Если ошибетесь, то оно станет самым дорогим пресс-папье на строительной площадке.
