Снижайте затраты на ременные передачи

В настоящий момент в нашей стране до сих пор складывается плачевная ситуация для инженера-машиностроителя, а также для тех, кто так или иначе связан с промышленным оборудованием. Многие справочники и учебники содержат по многим вопросам устаревшую информацию и практически не развиваются. Некоторые разработки и технологии, ставшие стандартом за рубежом, в нашей стране, как правило, мало изучены и не внедряются. В технических ВУЗах ряд дисциплин преподается по учебникам 80-х, а то и 60-х годов, согласно утвержденной программе. Молодой специалист, который идет работать по специальности, обладает уже заведомо устаревшей информацией и ему приходится изучать все с нуля методом проб и ошибок. В результате оборудование, которое произведено по устаревшим рекомендациям, не обладает конкурентными преимуществами на рынке. Не обошла стороной эта проблема и вопросы, касающиеся ременных передач.

Большинство имеющейся в справочниках и учебниках информации трудно применить к действительности. Клиновые и зубчатые ремни были изобретены за рубежом и все это время активно развивались. С момента изобретения первого клинового ремня был запатентован не один десяток разработок в области ременных передач, были найдены оптимальные характеристики привода для обеспечения долговечности работы. Цена импортных ремней, а особенно ремней премиум класса, может показаться слишком высокой на первый взгляд. Но так ли это на самом деле? Дело в том, что рассматривать каждый конкретный компонент оборудования – ошибочно. Здесь необходим комплексный подход и нужно рассматривать всю систему в целом. Возьмем, например, такую распространенную в промышленности область применения ременных передач, как системы вентиляции и кондиционирования. Мощность вентиляционных установок может достигать сотен киловатт. Большинство установок комплектуется изначально клиноременными передачами, что позволило производителю значительно снизить начальную стоимость оборудования. Однако на практике такая изначальная экономия себя не оправдывает. Давайте попробуем разобрать в качестве примера, привод вытяжного промышленного вентилятора.

 

Коэффициент полезного действия передачи

Передача мощности от двигателя потребителю сопряжена, как правило, с некоторыми потерями. Потери мощности происходят в самом двигателе, на подшипниках и на ременной передаче. Любая потеря мощности – это потеря денег. Снижая эти потери можно очень серьезно снизить затраты, связанные с работой привода. В Европе и США давно уже умеют считать такие «побочные» затраты. К сожалению в нашей стране энергосберегающие технологии (то есть технологии позволяющие максимально снизить потери при преобразовании одного вида энергии в другой) до сих пор малораспространены. В Европе, к тому же, предприятия работают с оглядкой на Киотский протокол, поэтому там все большее и большее распространение получают электродвигатели с повышенным КПД. Однако все преимущества таких двигателей могут быть сведены на нет неподходящим типом ременной передачи, что уж тут говорить об обычных электродвигателях. В настоящее время, когда стоимость электроэнергии продолжает постоянно расти, повышение КПД ременной передачи позволит сэкономить значительную сумму денег.

В случае с нашим вентилятором крутящий момент передается через клиноременную передачу от вала асинхронного двигателя на вал вентилятора.

КПД такой передачи:

Как видно из данной формулы, потери мощности в ременных передачах разделяются на две категории: потери крутящего момента и потери скорости. Потери крутящего момента возникают за счет потерь энергии на изгиб ремня вокруг шкива. Соответственно чем большее требуется усилие для изгиба ремня, тем больше будут потери мощности. На рис. 1 изображены сечения клинового и зубчатого ремней, которые передают одинаковую мощность. Как видно из рисунка,потери на изгиб у клинового ремня будут больше, так как сечение имеет большую высоту.

Потери скорости – это результат проскальзывания ремня. Соответственно чем выше коэффициент трения между клиновым ремнем и шкивом, тем меньше потери мощности. Зубчатые же ремни не могут проскальзывать по определению. При недостаточном начальном натяжении клиновых ремней, а также в случае сильной изношенности шкивов возникает чрезмерное проскальзывание. Часть энергии при работе клиновых ремней уходит на нагрев вследствие проскальзывания, что тоже приводит к снижению крутящего момента на выходе. Проскальзывание ремня выражается разницей между вращением самого ремня и вращением шкивов. Однако некорректным будет не упомянуть передачи, где как раз необходима способность клиновых ремней проскальзывать. В данном случае клиновой ремень предохраняет двигатель и оборудование от резких пиковых нагрузок. Однако для нашего вентилятора, а также в большинстве случаев, ремню не нужно выполнять предохранительную функцию.

Около 0.5% потерь приходится на так называемое «набегание» ремня – упругую деформацию ремня, возникающую из-за неравномерности натяжения ремня в процессе работы. Каждый участок ремня растягивается по-разному, так как проходит то нагруженную ветвь передачи, то ослабленную. Обычно клиновые ремни, при правильной установке с обязательным контролем натяжения инструментальными средствами показывают КПД в районе 95-98% (в зависимости от исполнения ремней: ремни в тканевой оплетке имеют самый низкий КПД, ремни без тканевой оплетки - наивысший). Однако даже в этом случае за время работы это значение падает обычно на 5% (для ремней Gates Quad-Power® III КПД выше и более стабилен, т.к. используются более современные материалы и корд с высоким модулем упругости).

А КПД ременных передач, которые не обслуживается должным образом и натяжение которых контролируется редко и «на глазок» (самый распространенный случай на предприятиях нашей страны), падает уже на 10% от первоначального значения. В нашем случае с вытяжным вентилятором такие потери влекут за собой не только потери электроэнергии, но и снижение величины воздушного потока. В большинстве случаях такие вентиляторы обеспечивают какой-либо технологический процесс, и снижение величины воздушного потока приведет к росту брака. Согласитесь, это куда более серьезная статья расходов. Как правило, рост брака ведет за собой останов линии и повторную проверку натяжения ремней и их повторное натяжение. Такой простой влечет за собой потери в качестве невыпущенной продукции. Для сравнения зубчатоременная передача имеет постоянный КПД более 98%. Как видно из рис.2 КПД остается постоянным в большом диапазоне нагрузок.

 

Расходы на обслуживание

Как мы уже разобрали выше, для того, чтобы обеспечить максимально эффективную работу нашего вентилятора с клиноременной передачей, клиновые ремни нужно регулярно подтягивать (в нашем случае: каждые 3 месяца). В зубчатых ремнях обычно используется корд с высоким модулем упругости, который обладает минимальной растяжимостью. Сравните: для обычного клинового ремня длиной 2.5 метра требуется обеспечить возможность увеличения межосевого расстояния на величину до 40-65 мм для компенсации вытяжки за весь срок службы; для зубчатого ремня эта величина равна всего 1мм. Соответственно зубчатые ремни практически не требуют обслуживания. Их устанавливают один раз и не трогают до окончания их срока службы (зависит от привода, но обычно 3 года при круглосуточной эксплуатации). Это позволяет не только снизить затраты на обслуживание, но и сократить время вынужденных простоев во время повторных натяжений ремней.

 

Пример расчета общих затрат

Цены, которые будут приведены в данном примере, могут не соответствовать действительности, и взяты достаточно условно. Стоимость изделий компании Gates уточняйте у ближайшего дистрибьютора.

Итак, имеем текущий привод вытяжного вентилятора:

  • Двигатель: асинхронный, 30 кВт;
  • Ремни: 5Сx1180;
  • Диаметр ведущего шкива: 224мм;
  • Диаметр ведомого шкива: 315мм;
  • Теоретическая частота вращения вала вентилятора: 1256 об/мин;
  • Общая стоимость компонентов привода: 265 евро;

В Европе стоимость обслуживания составляет 40 евро в час на одного квалифицированного механика. Обычно процедура обслуживания требует 2-х человек. Как клиновые, так и зубчатые ремни требуют около 2-х часов на установку.

Итого:

Затраты на установку ремней
= 160 евро (40 евро/час x 2 человека x 2 часа);
Для клиновых ремней необходимо осуществлять обкатку
в течение 24 часов и затем произвести повторное натяжение.

Затраты на обкатку
= 80 евро (40 евро/час x 2 человека x 1 час);
За 1 год проверка натяжения и повторное натяжение
(по необходимости) будет произведена 4 раза:

Периодическая проверка натяжения
= 4 x 80 евро = 320 евро в год;

Стоимость электроэнергии (Европа) за один год:
29 260,14 евро;

Теперь рассмотрим зубчатоременную передачу, как наиболее экономичный вариант ременного привода

  • Двигатель: ассинхронный, 30 кВт;
  • Ремни: Gates PowerGrip® GT3 3048-8MGT-30
  • Ведущий шкив: P80-8MGT-30
  • Ведомый шкив: P112-8MGT-30
  • Частота вращения вала вентилятора: 1250 об/мин;
  • Общая стоимость компонентов привода: 342 евро;

Затраты на установку ремней = 160 евро (40 евро/час x 2 человека x 2 часа);
Для зубчатых повторных натяжений и обкатки не требуется!
Затраты на обкатку = 0 евро;
Периодическая проверка натяжения = 0 евро;
Стоимость электроэнергии за один год: 27 825 евро;
Сведем эти значения в таблицу и рассчитаем величину экономии для двух лет эксплуатации:

 

  Клиновые ремни Зубчатые ремни
Общая стоимость компонентов привода 265 евро 342 евро
Затраты на установку ремней 160 евро 160 евро
Затраты на обкатку 80 евро 0 евро
Периодическая проверка натяжения 320 x 2 = 640 евро 0 евро
Стоимость электроэнергии 58520,28 евро 55650 евро
Итого: 59665,28 евро 56152 евро
Величина экономии - 3513,28 евро

 

В данной таблице учтены только затраты, связанные непосредственно с самой ременной передачей. Обычно в столбец для клиновых ремней нужно добавлять затраты, связанные с простоем, вызванным остановкой данного привода. Тогда величина экономии будет еще выше.

Как правило, реальная ситуация на наших предприятиях такова: реальный срок службы клиновых ремней редко превышает 1 год, натяжение ремней производится без использования инструментальных средств, периодические проверки натяжения в отдельных случаях могут проводиться 1 раз в неделю (постоянно растет процент брака из-за вытяжки ремней), а могут не проводиться вообще. Если внести эти расходы в таблицу, то величина экономии будет значительно выше. Поэтому в нашей стране первоначальные инвестиции в модернизацию ременных передач и приобретение инструментов для контроля натяжения и выверки шкивов очень быстро себя смогут окупить.

Итак, мы рассмотрели основной принцип расчета общих затрат на ременную передачу и знаем из чего складываются основные затраты. Точно такой же подход Вы сможете использовать при выборе между различными исполнениями клиновых ремней или между различными марками. Теперь, когда встанет вопрос разработки ременного привода, либо о его модернизации, Вы легко сможете выбрать наиболее оптимальное и экономичное решение, составляя подобную таблицу.

Мы не передаем Вашу персональную информацию третьим лицам