CC BY
124
©Б.В. Слесарев, П. Булес, 2015
УДК 622.271.879.3 Б.В. Слесарев, П. Булес
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ И ПАРАМЕТРОВ ЭКСКАВАЦИИ МОЩНЫХ КАРЬЕРНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ
Рассмотрены условия и параметры работы мощных карьерных гидравлических экскаваторов выполняющих функции головного элемента в технологическом комплексе по добыче твердых полезных ископаемых как в России, так и за рубежом. Представлены основные факторы, характерные для эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов. Предложена формула для расчета коэффициента технического использования системы карьерных гидравлических экскаваторов, оптимизация которого положена в основу системного анализа и принятия стратегий обслуживания основных систем и механизмов. В качестве возможных предельных стратегий обслуживания рассматривались: 1) профилактика проводится через случайные моменты времени, а в случае отказа элемента в межпрофилактический период, элемент ремонтируется или заменяется, а планируемые сроки проведения профилактики остаются неизменными; 2) при отказе одного из элементов он заменяется, а вместе с ним заменяются все элементы, имеющие меньший нормативный срок эксплуатации, и проходят профилактику все остальные элементы, после этого график проведения последующих профилактик перепланируется. Доказательной основой для успешной конкурентоспособности гидравлических экскаваторов в сравнении с механическими лопатами являются основные показатели их применения в условиях предприятий России. Приводится данные, подтверждающие конкурентоспособные преимущества гидравлических экскаваторов в сравнении с механическими лопатами в ООО «СУЭК-Хакасия».
Ключевые слова: гидравлические экскаваторы, мощные, карьерные, экскавация, параметры, условия, эффективность, обслуживание.
Карьерные гидравлические экскаваторы выполняют функции головного элемента в технологическом комплексе по добыче твердых полезных ископаемых. При этом темпы и стабильность разработки месторождения определяются произ-
42
водительностью и стабильностью основных эксплуатационных показателей на протяжении всего срока службы экскаваторов.
Концентрация горного производства в экстремальных условиях разработки твердых полезных ископаемых при низких температурах окружающей среды, являющегося характерным для открытых разработок в России и СНГ, предъявляет повышенные требования к техническим и эксплуатационным параметрам карьерных гидравлических экскаваторов.
До недавнего времени в типоразмерный ряд карьерных гидравлических экскаваторов, выпускаемых заводом Komatsu Mining Germany, были включены Р0-3000 с ковшом вместимостью 16 м3, Р0-4000 с ковшом 22 м3, Р0-5500 с ковшом 26 м3 и РС-8000 с ковшом 42 м3. В 2015 году на рынок поступил новый экскаватор РС-7000 (рис. 1) с ковшом вместимостью 36 м3 прямая лопата и 34 м3 обратная лопата, усилием напора 2145 KN, усилием отрыва 1908 KN для прямой лопаты и усилием внедрения 1520 KN, усилием отрыва 1650 KN для обратной лопаты, мощности дизеля 2x1675 л.с. или мощности электропривода 2x1450 кВт, при рабочей массе 677 т и 681 т, соответственно.
Радиус и высота копания рассматриваемых моделей гидравлических экскаваторов обеспечивают безопасную разработку уступов высотой до 15—20 м с погрузкой в автосамосвалы грузоподъемностью от 90 до 280 т.
Опыт эксплуатации парка из 70 машин на открытых разработках России и СНГ достигает 15 лет по отдельным машинам и в среднем составляет 7—9 лет с наработкой до 45 тыс. ч.
Надежность функционирования гидравлических экскаваторов (с коэффициентом технической готовности до 97%) зависит от надежности и качества механических конструкций экскаватора, надежности гидравлических систем и организации технического обслуживания и плановых ремонтов машин.
Рис. 1. Карьерный гидравлический экскаватор PC-7000
43
Показательным является опыт эксплуатации гидравлических прямых лопат РС 8000 с ковшами до 42 м3 на кимберлитовом месторождении EKATI в заполярной Канаде в течение 2000-2003 гг. Было зафиксировано поддержание высокого среднего уровня коэффициента технической готовности на уровне 89% (82-97%) в течение календарного года, независимо от изменения температур окружающего воздуха. Аналогичные уровни готовности гидравлических экскаваторов были получены при их эксплуатации и в Северной Швеции на меднорудном карьере Boliden.
В экстремальных условиях высокогорных предприятий Чили (железорудных карьерах Collahuas и Quebrada Blanca), а также Колумбии (рудник Drammond) на высотах более 3000 м сохраняются высокие значения показателей надежности и произво-дительностей механических и гидравлических прямых лопат в условиях резких перепадов температуры. При этом средняя удельная часовая производительность гидравлических экскаваторов на 1 м3 вместимости ковша 52,1 м3/м3 и для механических лопат 47,6 м3/м3.
На горных предприятиях СНГ за последние 10 лет создана система подготовки высококвалифицированных специалистов, которые обеспечили эффективную эксплуатацию гидравлических экскаваторов. Так на одном из угольных разрезов Северного Кузбасса работают традиционные механические лопаты и гидравлические экскаваторы. В течение одного года сравнивались 3 гидравлических экскаватора с ковшами вместимостью 21 м3 (РС-4000 KMG), 27 и 27 м3 (6060 Cat) и 4 экскаватора типа Ижора — КАРТЭКС с ковшами 12, 12, 14 и 14 м3. Рабочая масса гидравлических экскаваторов составляет 1500 т, а механических около 3200 т, т.е. рабочая масса гидравлических в 2,13 раза меньше. Суммарная вместимость ковшей гидравлических экскаваторов составляет 75 м3, а у механических лопат 52 м3, т.е. в 1,44 раза меньше. За год эксплуатации соответственно было отгружено 17,5 млн м3 и 13,5 млн м3, т.е. производительность гидравлических была достигнута на 29% выше. Фактическая себестоимость эксплуатации гидравлических экскаваторов составила 5,87 руб/м3, а механических 6,77 руб/м3 или на 15% больше.
Практика применения гидропривода в различных отраслях доказала, что он обладает высоким уровнем надежности. Однако под надежностью понимают свойство объекта выполнять
44
заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих назначенным режимам и условиям использования, технического обслуживания и ремонтов. В случае, если режимы использования и обслуживания техники отличаются от назначенных, то следует учитывать не только надежность, но и живучесть объекта. Живучесть характеризует способность объекта сохранять работоспособное состояние при внешних воздействиях, превышающих установленные нормы.
Основными факторами, характерными для эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов, являются:
- высокий годовой фонд рабочего времени (7000 часов);
- высокие усилия и динамика (до 70 кН на 1 м3 вместимости ковша) в режиме копания рабочего оборудования в забое;
- высокая удельная мощность (до 3,7 кВт/т на 1 т рабочей массы);
- удаленность от внешних инфраструктур по ремонту гидравлических компонентов.
Высокий фонд рабочего времени, в первую очередь, предопределяет необходимость обеспечения высокого ресурса гидравлических компонентов. Высокая динамика приводит к повышению требований к высокой мощности, что должно соответствовать значительному количеству агрегатов большой единичной мощности, а также построение конструкций экскаваторов по модульному принципу. Высокая динамика и высокая мощность существенно препятствуют реализации высоких характеристик надежности.
Удаленность от сервисных инфраструктур усложняет преодоление этих факторов и делает необходимым организацию сервисных услуг на месте.
Кроме того, имеется целый ряд дополнительных факторов, снижающих надежность гидропривода на карьерных экскаваторах в условиях горных предприятий:
- высокий уровень загрязненности воздуха в рабочей зоне (до 1,2 г/л);
- экстремально низкие или высокие температуры окружающей среды, что предопределяет значительные изменения вязкости гидрожидкости: в процессе работы в 10-15 раз, а в процессе запуска в 250 раз;
45
- высокие нагрузки, возникающие при экскавации очень твердых или плохо взорванных пород, что предопределяет необходимость искусственного ограничения давления в системе для увеличения срока службы гидравлических компонентов;
- недостаточно высокий уровень технического обслуживания по причине низкой квалификации обслуживающего персонала, а также в связи с недостаточным техническим оснащением измерительными приборами и специальным инструментом.
Проведенные исследования указывают, что основными причинами возникновения отказов у гидравлических экскаваторов по сути являются загрязнение гидрожидкости и запуск гидросистем экскаваторов при экстремально низких температурах.
Загрязнение гидрожидкости различными частицами, попадающими внутрь системы, является основной проблемой функционирования гидропривода, вызывающей подавляющее большинство его неисправностей. Для различных гидросистем доля отказов из-за загрязнения жидкости составляет от 50 до 85%. В частности, для карьерного оборудования можно считать, что доля отказов вызванных загрязнениями гидрожидкости составляет около 70%. Выполненными ранее исследованиями установлены закономерности формирования факторов загрязнения гидрожидкости — механические примеси, максимальный размер частиц, содержание воды, содержание воздуха, вязкость рабочей жидкости и температуры жидкости, на эффективность гидропривода.
Доля отказов гидравлических систем, вызванных холодным запуском не велика, однако они приводят к столь катастрофическим последствиям, что вызывают весьма длительные простои и обусловливают высокую стоимость ремонта. Поэтому по значимости влияния на надежность температурный фактор, безу словно, можно поставить на второе место. Соблюдение заданных оптимальных температур в допустимых пределах является важным фактором, определяющим также КПД и ресурс гидропривода.
Основным показателем эффективности функционирования карьерных гидравлических экскаваторов является коэффициент технического использования системы:
K 1
к и =-m-*—> тах,
1 + Тпр я Пр + ^.=i Tpj Xpj
46
где Тпр _ оценка средней продолжительности профилактики; Апр _ интенсивность потока требований по профилактике; Тр1 _ оценка средней продолжительности ремонта; _ интенсивность потока требований по ремонту 1-го оборудования; т _ число логически последовательно соединенных элементов оборудования.
Оптимизация этого показателя эффективности применения гидравлического экскаватора положена в основу системного анализа и принятия стратегий обслуживания основных систем и механизмов.
В качестве возможных предельных стратегий обслуживания рассматривались две:
1. Первая стратегия заключается в том, что профилактика проводится через случайные моменты времени:
- принудительная профилактика через строго фиксированный интервал времени;
- профилактика с интервалом времени, распределенным по экспоненциальному закону.
В случае отказа элемента в межпрофилактический период, элемент ремонтируется или заменяется, а планируемые сроки проведения профилактики остаются неизменными.
2. Вторая стратегия профилактики отличается от первой тем, что при отказе одного из элементов он заменяется, а вместе с ним заменяются все элементы, имеющие меньший нормативный срок эксплуатации, и проходят профилактику все остальные элементы. После этого график проведения последующих про-филактик перепланируется.
В результате анализа установлено, что вне зависимости от законов распределения межпрофилактического периода коэффициент Ки возрастает при увеличении межпрофилактического периода, уменьшении времени проведения профилактики и суммарного времени аварийного восстановления системы.
Межпрофилактический период может быть представлен коэффициентом превентивных сервисных (ремонтных) воздействий Кпр посредством модели:
кпр =Е % к~ - п -1) -1
где Кг/ _ коэффициент готовности у-го модуля экскаватора,
47
г/
пт _ количество значимых модулей экскаватора в целом.
Принципиальным решением при выборе компонентов системы гидропривода является подбор элементов системы с меньшей нормативной наработкой на отказ, сроки замены которых должны быть кратными по срокам замены элементам с большей наработкой на отказ.
При этом при выходе из строя такого ресурсоемкого элемента (то есть элемента, время замены и стоимость которого велика, например, гидронасоса или гидромотора) производится замена всех связанных с ним в цепи элементов (рукавов высокого давления, фильтров и т.д.) с невыработанным ресурсом. При плановой замене модуля с большим ресурсом заменяются все связанные с ним элементы с меньшим ресурсным сроком.
Именно такой подход позволяет увеличить коэффициент Ки и, как следствие, увеличить эффективность применения гидравлических экскаваторов. Этот подход тем более весом, что, как правило, наработка на отказ и время устранения отказов ресурсоемких элементов существенно выше.
Зарубежный и отечественный опыт показывает, что при надлежащей эксплуатации производительность и коэффициент технической готовности не снижаются даже при длительной (более 10 лет) работе машин в сложных климатических условиях (рис. 2). Так, например, на меднорудном карьере «Атик» компании «Болиден», расположенном в Северной Швеции, этот показатель при работе двух гидравлических экскаваторов Н-485 фирмы «Демаг» (Германия) с ковшами 26 и 22 м3 в течение 12 лет (53 000 ч) находится на уровне 0,87 и при работе в течение 10 лет (45 000 ч) — на уровне 0,89 соответственно.
Эксплуатационные затраты при применении гидравлических экскаваторов динамично изменяются по годам эксплуатации. При этом даже наиболее дорогие средние ремонты не превышают двукратной величины средних затрат.
Средние эксплуатационные затраты на 1 м3 горной массы с объемной массой 2,5 т/м3 составляют для гидравлического экскаватора с ковшом емкостью 15 м3 — 0,076 Евро, а с ковшом вместимостью 20 м3 — 0,079 Евро.
При нормальном качестве обслуживания средневзвешенные затраты на эксплуатацию экскаваторов с электромеханическим приводом и соответствующие показатели для гидравлических экскаваторов находятся на сопоставимом уровне. Однако,
48
Рис.2. Показатели работы экскаватора H485S на карьере «Атик» в Северной Швеции
следует иметь в виду, что инфраструктура ремонтных цехов и численность ремонтного персонала, необходимых для обеспечения эксплуатации традиционных экскаваторов с электромеханическим приводом (имеющих коэффициент К на уровне 0,8), требуется в 10 раз больше.
Так трудозатраты на текущий ремонт и обслуживание при эксплуатации карьерного гидравлического экскаватора с ковшом вместимостью 15-20 м3 составляют 15-25 чел/ч на каждые 1000 ч работы машин.
Трудозатраты на техническое обслуживание экскаваторов с электромеханическим приводом отечественного производства с ковшами вместительностью 15 м3 для каждых 500-1000 ч работы составляют 250 чел/ч, а каждые 1500 ч работы требуют 1150 чел/ч на обслуживание и ремонт.
Для машин с ковшом 20 м3 это составляет для каждых 500-1000 ч 250 чел/ч на обслуживание и 1200 чел/ч обслуживания для каждых 1500 ч работы. Импортные экскаваторы с электромеханическим приводом должны обслуживаться каждые 500-1000 ч с затратами 570 чел/ч, при необходимости затрат 720 чел/ч на каждые 1500 ч работы машин.
Таким образом, количество привлекаемых специалистов при обслуживании традиционных экскаваторов механических лопат возрастает в 10-20 раз за равноценный срок службы.
Если принять во внимание необходимость создания ремонтной базы с более мощными грузоподъемными средствами, крупных цехов с металлообрабатывающими станками, складского хозяйства и привлечение транспортных средств для доставки запасных частей в 5-8 раз более тяжелых по сравнению с гидравлическими компонентами, то вывод получается совершенно определенный.
49
При нормальной организации сервиса предпочтение следует отдать гидравлическим экскаваторам, технологические возможности которых всегда заведомо выше со всех точек зрения по сравнению с традиционными экскаваторами, имеющими электромеханический привод.
Доказательной основой для успешной конкурентоспособности гидравлических экскаваторов в сравнении с механическими лопатами являются основные показатели их применения в условиях предприятий России.
Подтверждением являются достигнутые результаты при эксплуатации на «Черногорском угольном разрезе» ООО «СУЭК-Хакасия» экскаваторов РС-4000, одним из экскаваторов РС-4000 Е, работающих с двухсторонней погрузкой в автотранспорт было погружено 902 000 м3, а другим экскаватором PC-3000 на «Восточно-Бейском разрезе» с электрическим приводом главных насосов — 751 000 м3. Оба показателя являются мировыми рекордами, достигнутым в этом классе машин.
Таким образом, для механических лопат остается на открытых разработках ниша с ковшами вместимостью более 45 м3, которые в настоящий период являются предельными для известных моделей карьерных гидравлических экскаваторов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булес П. К вопросу о надежности мощных гидравлических экскаваторов Komatsu Mining Germany в экстремальных условиях эксплуатации / П. Булес // Маркшейдерский вестник. — 2013. — № 6. — С. 20-23.
2. Подэрни Р.Ю. Анализ современного состояния мирового рынка поставок выемочно-погрузочного карьерного оборудования (карьерные лопаты и драглайны) / Р.Ю. Подэрни // Горная промышленность. — 2013. — № 6. — С. 14-18, С. 106-111.
3. Подэрни Р.Ю. Анализ современного состояния мирового рынка поставок выемочно-погрузочного карьерного оборудования (колесных фронтальных погрузчиков и гидравлических экскаваторов) / Р.Ю. Подэрни // Горная промышленность. — 2014. — № 1. — С. 22-32.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесарев Борис Вячеславович — канд. техн. наук, заместитель генерального
директора АО «Майнинг Солюшнс»
Булес Питер — инженер, Komatsu Mining Germany
50
A
UDC 622.271.879.3
ANALYSIS OF CONDITIONS AND PARAMETERS OF OPEN PIT MINING WITH HIGH-CAPACITY HYDRAULIC EXCAVATORS
Slesarev Boris V, Candidate of Engineering Sciences, Deputy General Director, Mining Solutions
Bules Peter, Engineer, Komatsu Mining Germany
The discussion covers conditions and parameters of operation of hydraulic excavators in open pit mining as a primary element of technological system of hard mineral mining both in Russia and in the world. The main characteristic factors of operation of hydraulic excavators in open pit mines are described. A formula is proposed to calculate industrial application coefficient of a set of hydraulic excavators in open pit mining; optimization of this coefficient is the basis of the system analysis and decision-making on service policy for basic systems and mechanisms. Potential service policies considered include: (1) preventive service in random time periods; in case of failure of an element in the period between the preventive service times, repair or replacement of the element with unaltered terms of the next following preventive service; (2) in case of failure of an element, replacement of the element together with all elements having shorter normative lifespan, preventive service of all the rest elements and change of the preventive service schedule. The proof of the competitive advantage of hydraulic excavators over shoveling machines is the performance of the former in mines in Russia. The data to prove competitive abilities of hydraulic excavators as against shoveling machines are presented in terms of SUEK-Khakassia.
Key words: hydraulic excavators, high-capacity, open pit mine, excavation, parameters, conditions, efficiency, service.
References
1. Bules P. Surveyor's Bulletin, 2013, no. 6, pp. 20-23.
2. Poderni R.Yu. Mining Industry, 2013, no. 6, pp. 14-18, pp. 106-111.
3. Poderni R.Yu. Mining Industry, 2014, no. 1, pp. 22-32.
51
