CC BY
36
УДК 539.375 + 622.235
ЭКСКАВАТОР С ПОВОРОТНЫМ КОВШОМ ДЛЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ВЫЕМКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Виктор Никитович Лабутин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения, тел. (960)794-95-04, е-mail: LabVN@yandex.ru
Обоснована необходимость оснащения канатных экскаваторов поворотными ковшами, позволяющими увеличить длину прямолинейного участка траектории черпания по контакту порода - продуктивный пласт. Приведены результаты графоаналитического анализа работы поворотного ковша, определены основные его преимущества по сравнению с обычными ковшами при выемке продуктивных пластов на алмазорудных и угольных карьерах.
Ключевые слова: экскаватор, ковш, горная порода, угольный пласт, безвзрывная технология.
ROTABLE-БиСКЕТ EXCAVATOR FOR BLAST-FREE MINERAL MINING
Victor N. Labutin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, tel. (960)794-95-04, е-mail: LabVN@yandex.ru
Reasonability is substantiated to equip rope shovels with rotable b^kets, enabling to increase straightline length of digging track along rock-production bed contact. Data on graphical-analytical analysis of rotable b^ket operation is reported, advantages of rotable b^kets are determined against conventional one s in excavation of production beds at diamond-ore and coal open-cut mines.
Key words: excavator, b^ket, rock, coal seam, blast-free mining process.
Эффективным и наиболее широко применяемым оборудованием для разработки наклонных и крутопадающих залежей являются карьерные одноковшовые экскаваторы, для которых не требуется прямолинейного фронта горных работ значительной протяженности. Эти машины обладают хорошей маневренностью, а траектория движения ковша позволяет осуществлять раздельную выемку. Наиболее приспособленными для селективной разработки угольных пластов с различными углами падения являются гидравлические экскаваторы, рабочее оборудование которых, благодаря особенностям кинематической схемы, способно с высокой точностью перемещаться по контакту порода-уголь.
За счет независимых приводов поворота ковша, рукояти и стрелы при работе гидроэкскаватора может быть получена практически любая траектория движения режущей кромки рабочего органа в забое. Это позволяет более эффективно наполнять ковш, производить послойную разработку уступа, селективную выемку полезного ископаемого в сложных горно-геологических условиях, качественно планировать подошву рабочей площадки. По сравнению с традиционными карьерными канатными экскаваторами гидравлические экскаваторы имеют повышенные усилия на зубьях ковша и в 1,5-2 раза меньшую удельную металлоемкость.
Однако, по прогнозному мнению специалистов [1], «... основными погрузочными машинами в перспективе останутся электрические лопаты, как более производительные, надежные, экономичные и долговечные. Гидравлические экскаваторы будут применяться в основном там, где требуется селективная выемка полезного ископаемого, где срок карьера сравнительно небольшой». Проведенные [2] сопоставления эффективности эксплуатации канатных и гидравлических экскаваторов показывают на преимущество того или иного в зависимости от условий их применения. Отсюда следует, что вопросы совершенствования электрических мехлопат по-прежнему заслуживают внимания.
Опыт эксплуатации карьерных экскаваторов с ковшом активного действия показал [3], что это оборудование может быть эффективно использовано при безвзрывной разработке сложно-структурных залежей угля с вмещающими породами прочностью до 60-70 МПа. Однако, возможности регулирования параметров траектории у этих экскаваторов невелики. В частности, прямолинейный участок В1В2 (рис. 1) траектории черпания ограничен. Поэтому послойное отделение угля от породы таким ковшом затруднено, отсюда неизбежны повышение потерь и снижение качества угля.
А А1 В
Рис. 1. Схема недобора полезного ископаемого в нижней и верхней частях забоя
Значительную часть потерь составляет недобор полезного ископаемого в нижней и верхней частях забоя, обусловленный кинематическими особенностями рабочего оборудования экскаватора с неповоротным ковшом. Величины хода ковша экскаватора по подошве уступа АВ на уровне стояния экскаватора и по контакту пласта и породы ВС ограничены положениями ковша в точках А1 и В2, в которых его передняя стенка упирается в забой. Участки пласта А1ВВ1 и В2СС1 так называемые треугольники недобора (непрочерпывания) не попадают в ковш и в дальнейшем отгружаются вместе с породой в отвал. Для снижения этих потерь необходимо увеличить ход ковша по подошве уступа на уровне стояния экскаватора и по контакту продуктивного пласта и породы. Такое увеличение хода ковша при неизменных размерах рабочего оборудования экскаватора может быть достигнуто двумя способами - перемещением оси поворота рукояти вверх и изменением угла между передней стенкой ковша и рукоятью. Второму способу соответствуют экскаваторы с поворотным ковшом.
Актуальность решения проблемы поворота ковша экскаватора была обоснована еще в 60-70-е годы прошлого века, когда были опубликованы ряд отечественных и зарубежных патентов, посвященных разнообразным конструкциям механизма поворота ковша экскаватора [4-6]. Оснащение канатных экскаваторов поворотными ковшами активного действия позволит производить селективную выемку полезного ископаемого в сложных горно-геологических условиях, снизить его потери и повысить качество.
Для анализа работы поворотного ковша в качестве примера был рассмотрен ковш экскаватора ЭКГ-5В, поворот которого можно осуществлять двумя гидродомкратами (см. рис. 2) усилием по 150-200 кН и ходом 700-800 мм, а для подвода энергоносителя к гидродомкратам можно воспользоваться оригинальной конструкцией телескопического трубопровода защищенной патентом № 2149952 [7]. Предлагаемый механизм поворота ковша экскаватора ЭКГ-5В позволяет поворачивать ковш относительно рукояти на 500.
Известно, что на эффективность процесса резания большое влияние оказывают геометрические параметры режущего инструмента [8]: угол атаки, задний угол, угол резания и угол заострения зуба. Многочисленные исследования разрушения горных пород и резания грунтов зубьями ковша экскаватора показали, что оптимальные значения угла резания, при которых достигается наибольший эффект разрушения находятся в пределах 35-450. Увеличение угла резания влечет за собой повышение лобового сопротивления перемещению ковша и, как следствие, возрастание силы резания, затрат энергии на разрушение горной породы. С другой стороны, чрезмерное уменьшение угла резания может сопровождаться значительным ростом сил трения, возникающих при взаимодействии задних граней зубьев с забоем. На практике допустимыми углами резания, при которых производится разработка горного массива экскаваторами, является углы в диапазоне 30-60°.
С целью определения эффективности использования поворотного ковша карьерного экскаватора при работе его по прямолинейной траектории с уступа при отделении породы от продуктивного пласта было проведено графоаналитическое исследование процесса черпания экскаваторами ЭКГ-5В и ЭКГ-12В оснащенными поворот-
Рис. 2. Поворотный ковш экскаватора ЭКГ-5В
ными ковшами. Сравнение поворотного ковша с обычным проводилось по следующим критериям:
- пределы изменения угла резания в процессе черпания;
- максимально возможная величина прямолинейного участка траектории черпания и получаемая при этом высота уступа;
- величина треугольников непрочерпывания.
Основные результаты исследований приведены в таблице, на основании данных которой можно сделать вывод, что поворотный ковш экскаваторов позволяет увеличить длину прямолинейного участка траектории в сравнении с обычным ковшом более, чем в 3 раза, а максимальную высоту черпания в зависимости от угла падения пласта на 50-70%.
Таблица
Сравнение параметров черпания карьерных экскаваторов с обычными поворотным ковшами
Параметры ЭКГ-5В ЭКГ -12В П П
*Длина прямолинейного ьс ЬЬ¥ ьс ЬЬу
участка траектории чер- 2.93 9.30 4.15 13.17 3,17
пания Дм 5.09 16.15 7.20 22.86
Максимальная высота Нстах НУ Н тах Нстах Ну Н тах И у
уступа с сохранением Ис
прямолинейности траек-
тории черпания Нтах,, м
при угле откоса уступа у,
град :
300 2.50 4.24 3.56 6.03 1.69
450 3.78 6.24 5.38 8.86 1.65
600 5.23 8.24 7.43 11.69 1.57
750 6.74 10.1 9.57 14.34 1.50
Ис Иу
* Величины Ьс, тах для обычного и Ьу, тах для поворотного ковшей.
В числителе - величины, полученные при минимальном вылете рукояти, в знаменателе - при максимальном ее вылете.
Сравнительный анализ площади треугольников непрочерпывания, образующихся в процессе зачистки пластов угля с различными углами падения экскаваторами ЭКГ-5В и ЭКГ-12В иллюстрирует рис. 3. Расчеты показывают, что использование экскаваторов с поворотным ковшом для крутых пластов мощностью более 2 м при толщине теряемого на контакте продуктивного пласта с породой слоя 0,1 м обеспечивает выемку его с потерями, не превышающими 10%.
Рис. 3. Объем примешиваемой породы при обработке пласта (* - поворотный ковш)
На рис. 4 показана зависимость максимальной высоты уступа, при которой потери угля не превышают 10%. Добиться максимального снижения потерь угля можно за счет снижения высоты уступа.
Рис. 4. Высота уступов, при которой потери угля не превышают 10%: 1 - ЭКГ-5В; 2 - ЭКГ-5В*; 3 - ЭКГ-12В; 4 - ЭКГ-12В*
Из графиков видно, что использование поворотного ковша, по сравнению с обычным, снижает потери полезного ископаемого при экскавации, при этом наибольший эффект достигается на пластах с углами падения 45-800. Об этом свидетельствует график представленный на рис. 5, на котором показано уменьшение объема примешиваемой породы при зачистке пласта в зависимости от угла его падения.
зо —---■ . -----1—->
20 40 60 80
Усол падения ¡итста, град
Рис. 5. Эффективность использования поворотного ковша по сравнению с обычным при высоте уступа: для ЭКГ-5В - H = 10,3м; для ЭКГ-12В - H = 15м
Таким образом, по результатам графоаналитического исследования работы экскаваторов ЭКГ-5В и ЭКГ-12В с поворотным ковшом можно сделать следующие выводы:
1. Прямолинейный участок забоя, обрабатываемый поворотным ковшом в оптимальном режиме (с углом резания 35-450) в сравнении с обычным ковшом увеличивается в зависимости от угла падения продуктивного пласта для экскаватора ЭКГ-5В в 2,8-4,5 раза, для ЭКГ-12В в 2,7-3,3 раза.
2.Длина прямолинейного участка траектории черпания по контакту порода-продуктивный пласт для поворотного ковша в 3 раза выше в сравнении с обычным ковшом и составляет в зависимости от угла падения пласта для ЭКГ-5В - 9-15м, для ЭКГ-12В - 13-20м. Такой величины достаточно для наполнения ковша экскаватора за один цикл черпания при толщине снимаемой стружки 20-25см.
3. Безвзрывная разработка угольных и алмазорудных карьеров возможна экскаваторами с ковшами активного действия при черпании по прямолинейной траектории с уступов высотой: для ЭКГ-5В до 10м, ЭКГ-12В до 15м. Наибольший эффект от применения поворотного ковша ожидается при отработке пластов с углом падения 45-800.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горное оборудование Уралмашзавода // Кллектив авторов. - Екатеринбург: Уральский рабочий. - 2003.
2. Сытенков В.Н. Сопоставительный выбор экскаваторов типа «механическая лопата» с канатным и гидравлическим перемещением рабочего органа // Горное дело. - 2014. - №1 (2). - С.14-22.
3. Маттис А.Р., Ческидов В.И., Лабутин В.Н., Зайцев Г.Д. Перспективы применения безврывных технологий в карьерах // Горный журнал. - 2006. - №6. - С. 87-91.
4. А.с. №258137 СССР. МПК6 E02F3/43. Рабочее оборудование одноковшового экскаватора /А.М. Гранитов и др.; Волгоградский проектный отдел института «Гидропроект» им. С.Я. Жука. - заявл. 02.12.1968. - №1288142/29-14. - опубл. 20.11.1969. БИ. №36.- 2с.
5. А.с. № 607894 СССР. МПК5 E02F3/40. Рабочее оборудование экскаватора./ А.В. Ка-нахович и др. Предприятие п/я Г-4781. - заявл. 02.12.1968. - №1288142. - опубл. 25.05.1978. -БИ. - № 19. - 3с.
6. А.с. № 496352 СССР. МПК5 Е02Б3/40. Рабочее оборудование одноковшового экскаватора / Б.И. Солохин и др.; Предприятие п/я Г-4781. - заявл. 03.05.1972. - №1780209/2914. - опубл. 25.12.75. - БИ. - № 47.- 3с.
7. Пат. 2149952 РФ. МПК7 Б02Б3/8, Б02Б3/30. Экскаватор с ковшом активного действия / АР. Маттис и др. ИГД СО РАН. - заявл. 24.03.1999. - №99106597/03. - опубл. 27.05.2000. - БИ. - №15. - 5с.
8. Строительные и дорожные машины и оборудование // Баловнев В.И., Ермилов А.Б., Новиков А.Н. и др.; под общ. ред. Баловнева В.И. - М.: Машиностроение, 1988. - 384 с.
© В. Н. Лабутин, 2017
