CC BY
44
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ
_ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ_
2000 СЕРИЯ ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА Вып.9
ГОРНЫЕ МАШИНЫ
УДК 622.3.002:614
А.П. Комиссаров, Н.М. Суслов
ГИДРОФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ - РЕЗЕРВ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ГОРНЫХ МАШИН
Практика развития горного машиностроения показывает, что использование гидравлического привода позволяет повысить технический уровень горных машин за счет реализации высоких технических и технологических качеств гидравлических устройств.
Важнейшие преимущества гидропривода: большая удельная (по отношению к массе)" мощность и соответственно малая металлоемкость (0,2 - 0,3 кг/кВт) и компактность; простота передачи энергии и отсутствие передаточных устройств; обеспечение больших усилий на рабочем органе в сочетании с весьма малыми скоростями рабочих движений; возможность автоматического регулирования рабочих скоростей и усилий - обусловливают применение его не только в горном машиностроении, но и в других отраслях машиностроения.
В настоящее время наблюдается широкое внедрение гидрофицированного горного оборудования как на открытых, так и на подземных горных работах. На основании анализа опыта развития открытых горных работ в мировом масштабе (кроме России и стран СНГ) сотрудниками концерна МА>П^Е8МА]^ выявлена динамика использования основного технологического оборудования: выемочно-транспортирующих машин (ВТМ), карьерных экскаваторов (ЭКГ) и гидравлических карьерных экскаваторов (ЭГ) (рис. 1). В целом, по мнению специалистов концерна, использование гидравлических экскаваторов непрерывно будет возрастать.
В статье излагаются примеры использования гидропривода в горных машинах и рассматриваются достигаемые технологические преимущества.
1950 £0 70
60 40 2000
Рис. I. Динамика использования технологического оборудования
Эффективность использования гидропривода в наибольшей степени проявляются в горных машинах большой единичной мощности: экскаваторах, буровых станках и т. д.
В мощных шагающих экскаваторах, масса которых превышает 10000 т, только применение гидропривода и гидростатического подшипника позволяет обеспечить работоспособность конструкции и, в частности работоспособность наиболее нагруженного механизма - механизма перемещения. В настоящее время эксплуатируются более 230 шагающих экскаваторов отечественного производства, имеющих гидрофицированнос ходовое оборудование. Шагающий ходовой механизм с гидроприводом характеризуется простотой и надежностью в эксплуатации, плавностью рабочего процесса. Последнее обстоятельство особенно важно для машин с большой массой, к которым относятся экскаваторы - драглайны, где большие динамические нагрузки недопустимы, так как могут привести к непоправимым последствиям. Кроме того, машины с шагающим ходом обладают высокой маневренностью, гидравлический привод обеспечивает регулировку траектории лвижения экскаватора, что приобретает первостепенное значение при передвижении по грунтам с низкой несущей способностью. Применение гидропривода позволяет также упростить конструкцию механизма перемещения. Мощные экскаваторы имеют трехопорный, а сверхмощные (при массе более 10000 т) - четырехопорный шагающий ход. При этом трехопорные механизмы оснашены двумя подъемными и двумя тяговыми гидроцилиндрами, а четырехопорные механизмы имеют четыре подъемных и два тяговых цилиндра. Разработаны технические решения по конструктивным схемам шагающего хода с сокращенным числом гидроцилиндров (для трехопорных механизмов общее число гидроцилиндров может быть доведено до одного, а в четырехопорных - установить один подъемный гидроцилиндр), (рис. 2). Здесь, наряду с упрощением кинематической схемы механизма шагания, существенно сокращается число гидроаппаратов системы управления гидроприводом, упрощается управление машиной при ее перемещении, уменьшаются потери гидравлической энергии, снижаются металлоемкость механизма шагания и машины в целом.
Одним из главных направлений технического прогресса в горном машиностроении является снижение металлоемкости машин и оборудования. Как известно, перевод горных машин на гидропривод обеспечивает существенное снижение металлоемкости. Так, например, карьерные гидравлические экскаваторы по сравнению с мехлопатами имеют в 2-3 раза меньшую массу при одинаковой вместимости ковша Достижение больших усилий на ковше обеспечивается за счет реализации пологих траекторий движения режущей кромки ковша при наличии трех степеней подвижности у механизма рабочего оборудования. При горизонтальной траектории движения зубьев ковша величина максимального усилия на ковше ограничивается силой сцепления опорной базы экскаватора с грунтом. Так, для экскаватора ЭГ-12 максимальное усилие внедрения ковша в породу составляет РВн=1200 кН, а для экскаватора ЭКГ-12,5 максимальное значение касательной
составляющей сопротивления копанию Рсл= 250 кН. Гидравлические экскаваторы обеспечивают существенное повышение "полезной" нагрузки (усилие на режущей кромке ковша): если для мехлопаты доля "полезной" нагрузки составляет примерно 40% величины внешних нагрузок, действующих на ковш (усилие на режущей кромке ковша и вес ковша с породой), а относительная величина "полезной" нагрузки по отношению к весу экскаватора составляет примерно 5-10 %, то для гидравлических экскаваторов эти показатели составляют соответственно 100 и 50 %.
В целом рабочий процесс гидравлических экскаваторов характеризуется следующими особенностями по сравнению с канатными мехлопатами:
Рис. 2. Схема механизма шагания с двумя гидроцилиндрами
большая маневренность рабочего органа;
способность селективно разрабатывать забой, возможность экскаватора реализовать максимальное напорное усилие по всей рабочей зоне, в частности при максимальных вылете и высоте ковша и при низком забое;
уменьшение минимального и увеличение максимального радиуса копания, что дает возможность уменьшить количество передвижек экскаватора и лучше зачищать подошву забоя;
повышенная надежность и ремонтопригодность за счет широкого использования стандартных деталей и узлов;
снижаются требования к качеству подготовки взорванной массы и расходы на взрывные работы; карьерные гидравлические экскаваторы эффективно работают в породах с коэффициентом крепости до 8*;
гидравлический экскаватор легко переоборудовать из прямой лопаты в обратную или выполнить с универсальным рабочим оборудованием;
гибкость и мобильность гидравлических экскаваторов ввиду их относительно малой массы, способность работать при кругых уклонах и на мягких породах.
В конечном счете гидравлические экскаваторы отличаются высокими технико-экономичсс'кими показателями.
С ростом единичной мощности экскавационного оборудования все большую актуальность приобретают вопросы совершенствования конструктивных схем машин и. главным образом конструкций рабочего оборудования, непосредственно увязанные с выбором принципа работы машин.
Наиболее наглядно взаимосвязи между характером рабочего процесса и конструктивной схемой машины видны на примере карьерных экскаваторов. Так, переход с послойного черпания (мехлопаты) на операцию внедрения ковша в горный массив или развал горной массы позволил получить существенный рост технико-экономических показателей в гидравлических карьерных экскаваторах. Однако, как показывает опыт эксплуатации гидравлических экскаваторов, в ряде случаев эффективность использования машин остается низкой. Так, при совместной работе гидроцилиндров (поступательное движение ковша) часть гидроцилиндров ввиду наличия кинематических связей между звеньями механизма рабочего оборудования работает в режиме насоса, что обусловливает рост энергозатрат на выполнение рабочих операций. При крутонаклонных траекториях движения режущей кромки рабочего органа (верхнее черпание и разборка забоя) на экскаватор будет действовать большой опрокидывающий момент, что обусловливает снижение рабочих нагрузок и, в конечном счете, производительности экскаватора.
Кардинальное решение проблемы повышения технического уровня горных машин может быть достигнуто за счет изменения силовой схемы машины. Как известно, силовая схема является рациональной, если внешние нагрузки замыкаются на минимально коротком участке элементами, работающими в основном на растяжение или сжатие.
В ряде конструкций горных машин частично реализуется принцип силового замыкания -гидравлические экскаваторы с поворотным ковшом ("выламывание" крупных кусков), грейферы и комбайны бурового действия с двумя планшайбами.
В настоящее время разработан ряд принципиально новых технических предложений по конструкциям карьерных гидравлических экскаваторов и выемочно-транспортирующих машин, в которых реализуется внутреннее силовое замыкание.
На рис. 3 показана схема рабочего оборудования экскаватора с внутренним замыканием внешних нагрузок.
Ввиду использования составной конструкции рабочего органа и непосредственного подвода энергии к нему достигается изменение силовой схемы машины - внешние нагрузки замы каются в пределах размеров рабочего органа. Благодаря уравновешиванию внешних нагрузок, действующих на рабочий орган, обеспечивается снижение нагружснности рабочего оборудования и у величение его размеров. Кроме того, при использовании рабочих органов с внутренним сило-
• Ан метра гон Ю.И. Оценка эффективности безвзрывных технологии разработки крепких горных пород на карьерах//Горный журнал. - 1997. - № 10. - С. 37-39.
вым замыканием достигается существенное увеличение удельных нагрузок на режущей кромке, что позволит повысить эффективность экскавации крепких пород. В предлагаемых конструкциях рабочего оборудования за счет интенсивного уплотнения породы в рабочем органе достигается также повышение коэффициента экскавации и, соответственно, производительности экскаватора.
Схема рабочего оборудования с внутренним силовым замыканием обеспечивает возможность последовательного выполнения (а не совмещения) рабочих движений. Реализация принципов независимости рабочих операций (технологический) и рациональности силовой схемы (конструктивный) позволит существенно повысить технический уровень экскавационного оборудования.
Внедрение гидропризода в технику' бурения привело к созданию нового поколения буровых машин, значительно расширило области применения бурового оборудования. Так, гидравлический перфоратор при равных размерах и массе по сравнению с пневматическим позволяет подвести к буровому инструменту в 2-3 раза большую мощность и в 1,5-2 раза повысить производительность бурения.
В целом, гидрофицированные бурильные установки и гидравлические буровые станки имеют следующие преимущества по сравнению с электромеханическими машинами:
обеспечивается уменьшение габаритов буровых машин и соответственно сечения выработки, что приводит к повышению темпов работ; еозможность создания сверхмалогабаритных установок (шириной до 0,8 м), позволяющих механизировать процесс бурения при отработке тонкожильных месторождений;
создание на основе блочной компоновки многоцелевых установок с различным набором устанавливаемого оборудования - бурового, погрузочного и др., что позволит сократить потребности предприятия в оборудовании одноцелевого назначения и в конечном счете уменьшить используемый парк машин,
возможность создания автоматизированных станков-роботов.
В целом низкие энергетические затраты и высокая скорость бурения позволяют гидравлическим буровым машинам успешно конкурировать с лучшими моделями альтернативного бурового оборудования.
Широкое применение в горном деле получили мощные гидроударники (гидромолоты) с энергией удара порядка 10 кДж. Они используются для дробления негабаритов, а также для проведения горных выработок в скальных породах. Так, например, гидроударник S86 фирмы RAMMER, установленный на стреле экскаватора, используется при проходке выработок сечения до 100 м\ Сменная производительность установки составляет 500 м3.
Приведенные примеры не исчерпывают весь спектр использования гидрофицированного оборудования в горном деле, но позволяют оценить возможности роста технических и эксплуатационных качеств горных машин.
Рис. 3. Схема рабочего оборудования с внутренним замыканием рабочих нагрузок (патент № 1749390)
