Разходете се до която и да е мина или циментов завод и ще намерите част от въртящо се оборудване, което тежи стотици тонове, работи 24 часа в денонощието и зависи от едно масивно зъбно колело, за да продължи да се върти. Това зъбно колело е зъбният венец -, наричан също обхватно зъбно колело - и е невъзпятият работен кон на тежката промишленост. Когато един се повреди, цялата линия спира и разходите за престой могат да достигнат десетки хиляди долари на час.
Какво всъщност прави пръстеновидното зъбно колело
Зъбният пръстен е зъбно колело с голям-диаметър, завинтено около обиколката на въртящ се барабан или корпус на пещ. Той се зацепва с едно или две по-малки зъбни колела, задвижвани от електрически мотор чрез скоростна кутия. Моторът завърта зъбното колело, зъбното колело завърта зъбния венец, а зъбният венец завърта цялата обвивка - при скорости обикновено между 1 и 20 RPM.
Дизайнът е прост, но брутално ефектен. Като увиете предавката около самия барабан, вие елиминирате необходимостта от масивен централен вал и лагер, които биха били непрактични при тези размери. Зъбният пръстен разпределя задвижващата сила по цялата обиколка, което е от съществено значение, когато въртите 500-тонна топкова мелница, пълна с руда и стоманени топки.
Зъбните колела са огромни. Типичните модули варират от 20 до 50, а диаметрите могат да надхвърлят 14 метра при най-големите мелници. Те се отливат от едно парче или се разделят на два или повече сегмента за транспортиране и монтаж. Материалът почти винаги е лята стомана - ZG45, 42CrMo или подобни сплави - с топлинна обработка за постигане на точния баланс на твърдост на повърхността и издръжливост на сърцевината.
Копаене: мелници от всякакъв тип
В минното дело основната задача на зъбния венец е завъртането на мелници - машините, които раздробяват рудата до фините размери на частиците, необходими за възстановяване на минерала.
Топковите мелници са най-често срещаното приложение. Хоризонтален стоманен цилиндър, частично пълен със стоманени топки, се върти около оста си, като върти рудата и я смила чрез удар и абразия. Размерите варират от няколко метра в диаметър за малки операции до над 8 метра за големи медни и златни мини. Венецът на голяма топкова мелница може да тежи 30 тона или повече сам по себе си.
SAG мелниците (полу-автогенно смилане) и AG мелниците (автогенно смилане) правят тази крачка напред. Мелниците SAG използват самата руда като среда за смилане заедно с малък заряд от стоманени топки, докато мелниците AG разчитат изцяло на рудата. Тези мелници са дори по-големи от топковите - диаметри от 10 до 12 метра са често срещани, а зъбните колела, които ги задвижват, са съответно масивни. Натоварванията тук са екстремни: напълно натоварена SAG мелница може да тежи над 1000 тона, а венецът трябва да стартира и спира тази маса плавно, без ударно натоварване на зъбите.
Мелници с пръти, мелници с камъчета и кулови мелници допълват минните приложения. Всяка използва задвижване с венец, въпреки че размерът и профилът на натоварване се различават. Това, което всички те споделят, е сурова работна среда - постоянен прах, вибрации и частици от абразивна руда, които намират своето място във всичко. Вестовидните зъбни колела в минното дело се нуждаят от висока твърдост на повърхността, за да издържат на абразивно износване, и здрави корени на зъбите, за да се справят с умората от многократно натоварване.
Цимент: пещи, мелници и сушилни
Циментовата промишленост е другият тежък потребител на зъбни колела и изискванията тук са различни, но не по-малко тежки.
Ротационните пещи са сърцето на циментовия завод. Дълъг, леко наклонен стоманен цилиндър - обикновено с диаметър от 4 до 6 метра и дължина от 60 до 100 метра - се върти с 1 до 4 RPM, докато пламък в долния край нагрява материала до над 1400 градуса. Варовикът и глината се подават отгоре, а циментовият клинкер излиза отдолу. Зъбният пръстен, обикновено монтиран близо до изпускателния край, трябва да поддържа прецизно зацепване с пиньона, дори когато корпусът на пещта се разширява топлинно с няколко сантиметра. Това термично разширение е едно от най-големите предизвикателства при дизайна на пръстеновидните зъбни колела на циментовата пещ - зъбното колело трябва да остане подравнено в температурен диапазон, който би деформирал повечето машини.
Циментовите топкови мелници работят на същия принцип като минните топкови мелници, смилайки клинкера до фин прах, който се превръща в цимент. Тези мелници често работят в затворена верига със сепаратори, а задвижването на венец трябва да се справя с непрекъсната работа с минимални промени в скоростта. Циментовите мелници обикновено са по-малки от най-големите минни SAG мелници, но те работят с години без спиране, така че надеждността и устойчивостта на износване са от първостепенно значение.
Ротационните сушилни и охладители са третото основно приложение на цимента. Сушилните премахват влагата от суровините, преди да влязат в пещта, докато охладителите намаляват горещия клинкер до работна температура, след като напусне пещта. И двете използват задвижвания с венец, подобни на пещите, въпреки че натоварванията и температурите са по-ниски. Тук има значение консистенцията - неравномерното въртене причинява неравномерно сушене или охлаждане, което се отразява на качеството на продукта.
Съображения за дизайн и материали
Разликата между зъбно колело, което издържа 20 години, и такова, което се поврежда след 5, се свежда до дизайн, материал и качество на изработка.
Профилът на зъбите има значение. Повечето съвременни зъбни колела използват спираловидни зъби, а не прави цилиндрични зъби. Ъгълът на спиралата разпределя натоварването между множество зъбци едновременно, което намалява удара, понижава шума и позволява на зъбното колело да предава въртящ момент от мегават-клас при ниски обороти в минута без удари. Спиралните зъбни колела наистина генерират аксиална тяга, която трябва да се поеме от опорните ролки на мелницата, но компромисът си заслужава за тежки-приложения.
Изборът на материал зависи от приложението. За циментовите пещи, където топлината и топлинният цикъл са основните проблеми, сплави като 42CrMo или AISI 4140 запазват здравина при повишени температури. За минни мелници, където доминира абразивното износване, високо-въглеродните ляти стомани с повърхностно закаляване (често чрез индукционно или пламъчно закаляване) осигуряват по-дълъг живот на зъбите. Процесът на термична обработка е критичен - твърде тежък и зъбите се напукват при удар; твърде меки и се износват след няколко години.
Производствената прецизност е крайната част. Зъбите трябва да бъдат изрязани по точен профил, зъбното колело трябва да е идеално кръгло, а отворите за болтовете трябва да са подравнени точно с фланеца на барабана. Всяко отклонение или неправилно подравняване причинява неравномерно натоварване на зъбите, което ускорява износването и може да доведе до катастрофално счупване на зъбите. Качествените производители извършват ултразвуково тестване на отливки, проверяват профила на зъбите с координатни измервателни машини и правят пълен тест на мрежата с пиньона преди изпращане.
Поддръжка и експлоатационен живот
Добре-проектирано, добре-монтирано зъбно колело може да работи от 15 до 25 години, преди да има нужда от подмяна. Ключът е смазването и наблюдението.
Повечето зъбни колела използват-смазване на отворени зъбни колела - тежка грес или смес на-асфалтова основа, прилагана от автоматични системи за пръскане или ръчно от оператори. Лубрикантът трябва да остане върху зъбите под въздействието на центробежна сила, да издържа на измиване от вода и прах и да издържа на екстремен натиск. Типичната скорост на нанасяне е няколко грама в минута, пръска се върху зъбното колело, докато се върти. Недостатъчното смазване е причина номер едно за преждевременна повреда на зъбния венец - зъбите се стърчат, набиват се и се износват бързо, след като смазочният филм се разпадне.
Редовната проверка улавя проблемите, преди те да се превърнат в повреда. Екипите за поддръжка проверяват моделите на износване на зъбите, търсят хлътване или разцепване по зъбните повърхности, измерват хлабината и слушат за необичаен шум. Моделът на износване, който е съсредоточен от едната страна на зъбите, обикновено показва разминаване - или зъбното колело е извън-центъра, или зъбното колело се е преместило върху барабана. Ранното улавяне и повторно-подравняване може да добави години към живота на екипировката.
Когато венецът достигне края на живота си, подмяната е основна операция. Мелницата или пещта трябва да бъдат спрени, старото зъбно колело да се развие и отреже (често на секции за отстраняване), а новото зъбно колело да се монтира и подравни. Това може да отнеме дни до седмици планиран престой, поради което повечето заводи държат резервни зъбни колела на рафта и планират подмяната им години предварително.
заключение
Зъбните колела са сред най-големите, най-тежко натоварените механични компоненти във всяка индустриална операция. В минното дело те задвижват мелниците за смилане, които намаляват рудата до възстановим размер - топкови мелници, SAG мелници, AG мелници и прътови мелници, често надвишаващи 10 метра в диаметър и обработващи товари от над 1000 тона. В цимента те задвижват ротационните пещи, които произвеждат клинкер при 1400 градуса, топковите мелници, които го смилат на прах, и сушилните и охладителите, които поддържат процеса.
Работните условия едва ли биха могли да бъдат по-различни - добивът е свързан с абразия и ударно натоварване, циментът е свързан с топлина и термично разширение -, но изискванията се свеждат до едно и също нещо: прецизно произведено, правилно смазано, внимателно подравнено зъбно колело, което може да работи десетилетия с минимално внимание. Вземете го правилно и той ще избледнее на заден план, вършейки работата си надеждно. Сгрешите и ще стане най-скъпото преспапие в сайта.
