CC BY
44
|| УДК 621.879.48
11 НАПРАВЛЕНИЯ Щ ПЕРСПЕКТИВЫ
¡1 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РОТОРНЫХ
И ЭКСКАВАЦИОННЫХ МАШИН
С.НШураков
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана
Мацалада роторльщ экскавацияльщ машиналарды жет'тЫрудщ |§|| нег1зг1 багыттары мен перспективалары аньщталады.
Выявлены основные направления и перспективы совершенствования |||; роторных экскавационных машин.
Fundamental directions and trends of perfection of rotary excavators ИШ are discovered.
В последние годы значительно выросла доля земляных и открытых горных работ, выполняемых роторными экскаваторами, и эта тенденция, как показывает долгосрочное прогнозирование, сохранится в будущем.
Этому способствуют известные преимущества роторных экскаваторов -непрерывность рабочего процесса, значительно большая производительность и меньшая энергоемкость по сравнению с одноковшовыми экскаваторами. Производительность роторных экскаваторов более чем в 2 раза выше, чем у одноковшовых такого же веса, а энергоемкость составляет 0,3 - 0,5 квт*ч/м3 у одноковшовых экскаваторов. Длительность рабочего периода в общем цикле у роторного экскаватора достигает 80 - 85 %.
Непрерывность рабочего процесса роторных экскаваторов, являющаяся одним из главных преимуществ, особое значение приобретает в связи с ростом объемов строительных и горных работ, связанных с освоением богатейших природных ресурсов Республики Казахстан.
Выполнение больших объемов работ возможно только на основе внедрения поточной технологии, осуществлять которую возможно лишь с использованием комплектов оборудования непрерывного действия, головной машиной в которых является роторный экскаватор.
№4, 2005 г.
113
Роторные экскаваторы в настоящее время работают не только в горной промышленности, но стали все шире применяться для производства земляных работ в условиях строительства.
Впервые роторные экскаваторы получили значительное распространение в начале 30-х годов на открытой разработке бурого угля в Германии. Но наибольшее распространение в мировой практике роторные экскаваторы получили в послевоенные годы [1,2].
В настоящее время роторные экскаваторы выпускаются и успешно эксплуатируются на Украине, в России, Чехии, Польше, США, Японии, в ряде других стран, а также и в Республике Казахстан.
В Чехии роторные экскаваторы используют в основном на буроугольных месторождениях для разработки вскрышных пород с погрузкой в железнодорожный транспорт.
В США роторные экскаваторы верхнего копания в комплекте с отвалообра-зователями применяют на выемке плотных глин и слабых известняков с включениями крепких валунов, а также в угольных карьерах.
В России и на Украине применение роторных экскаваторов встречает некоторые затруднения из-за суровых климатических и неблагоприятных горно-геологических условий. Низкие температуры окружающего воздуха, высокая крепость и примерзание мерзлых грунтов и пород предьявляет особые требования к материалу металлоконструкции и других элементов роторных экскаваторов и их юнетрукгивно-кинема-тическим параметрам. По качеству материала металлоконструкции и конвейерных лент, по значениям усилий копания и динамическим характеристикам обычные роторные экскаваторы не соответствуют этим условиям, и поэтому эффективность их использования на отечественных карьерах значительно снижается.
В России и на Украине роторные экскаваторы впервые были применены в послевоенные годы в карьерах Семилукского завода в Воронежской области, Часов-Ярского рудоуправления в Донецкой области, Челябинского и Суворовского рудоуправлений на Урале, в карьере Кумак Оренбургской области.
В угольной промышленности нашей страны роторные экскаваторы стали применять с 1952-1954 г.г. На Украине добыча угля роторными экскаваторами осуществляется практически круглогодично, так как при промерзании бурый уголь становится хрупким и не представляет трудности для экскавации, а примерзание его к узлам экскаватора незначительно. Производство вскрышных работ в зимних условиях затрудняется из-за невозможности разработки мерзлых пород, поэтому для продления сезона применяют специальные мероприятия, из которых наиболее эффективным является предварительное рыхление поверхности уступа до промерзания и при рыхлении мерзлого слоя.
Практика применения роторных экскаваторов в зимних условиях показывает, что основными мероприятиями по увеличению рабочего сезона роторных экскаваторов являются повышение удельного усилия копания на режущих кромках, жесткости и прочности конструкций, улучшение разгрузки ковшей, установка дополнительных рыхлителей или ковшей на роторе, применение морозостойких лент.
Первые эксперименты на крепких углях были проведены МИСИ в 1961 году в Экибастузе с экскаватором РЭ-1, спроектированным Гипроуглеавтоматиза-цией на базе ЭКГ-4. В 1963 году на Ирша-Бородинском буроугольном месторождении было проведено промышленное опробование роторного экскаватора ЭРГ-350/1000-2М.
При этих испытаниях были выявлены недостаточная жесткость конструкции, значительная неустойчивость рабочего процесса и нарушение стабильности экскавации. Однако, несмотря на эти недостатки, эксперименты показали практическую возможность применения роторных экскаваторов на выемке крепких углей, и поэтому поиски в этом направлении в дальнейшем продолжались.
В 1966 году был испытан роторный экскаватор ЗРГ-400-15/1,5 с повышенным усилием копания. Коэффициент крепости угля составлял ^=3 /по М.М.Про-тодьяконову/. Было установлено, что развиваемое усилие копания недостаточно для разработки таких углей, работа экскаватора сопровождалась значительными колебаниями экскаватора и рабочего оборудования, процесс экскавации был неустойчивым.
В августе 1969 года испытывался экскаватор ЭРГ-400Д с центробежным ротором, показавший значительно лучшие результаты по сравнению с предыдущими машинами: существенно снизились нагрузки и колебания, удалось добиться требуемой кусковатости угля.
Успешно работают роторные комплексы на добыче угля Экибастузского месторождения в Республике Казахстан.
Таким образом, практика показывает возможность, целесообразность и эффективность разработки крепких углей, горных пород и мерзлоты роторными экскаваторами. Для этого необходимо осуществить ряд специальных мероприятий, и в первую очередь, повысить усилия копания на рабочем органе.
Но наряду с дальнейшим распространением в горнодобывающей промышленности, роторные экскаваторы сейчас находят широкое применение и на строительстве.
Так, на крупном гравийном карьере в Швейцарии с 1971 года применяется непрерывный метод добычи материала, оказавшийся значительно экономичнее обычного метода разработки одноковшовым экскаватором. В качестве добычной машины используется роторный экскаватор модели 100 фирмы Крупп, производительность которого достигает 300 м3/ч.
В 1971 году два роторных экскаватора С-500 и С-100 фирмы Крупп эффективно использовались в комплекте с ленточными конвейерами на разработке грунта для насыпи линии вдоль морского берега около Кобе и Токио (Япония).
Впервые в транспортном строительстве роторные экскаваторы были применены в Бельгии при сооружении Европейской автострады в 1969 году. При производстве земляных работ использовался роторный экскаватор фирмы Демаг-Лаухгам-мер (ФРГ) модели 430 с диаметром ротора 5,2 м, длиной стрелы 9,9 м. Машины этого типа были применены позднее при сооружении федеральных дорог ФРГ. На строительстве автодороги Гамбург - Фленсбург было вынуш 280000 м3 грунта и перемещено на расстояние 3,5 км с помощью 25 автопоездов грузоподъемностью 12 м3. При продолжительности рабочего дня 12,5 часов работа была выполнена за 3,5 месяца. Расчеты показали, что для выполнения этого объема работ потребовалось бы 7 гидравлических одноковшовых экскаваторов с емкостью 1,2 м3.
Имеется немалый опыт применения роторных экскаваторов и в России [13]. Малые роторные экскаваторы успешно применяются в карьерах строительных материалов. Роторный экскаватор типа ЭР-25 используется в карьерах строительных материалов на разработке песка и глины, при этом в комплекте с автосамосвалами грузоподъемностью 3,5-4,5 тн его производительность составляет до 160 м3/ ч, а коэффициент использования сменного времени в среднем равняется 0,95.
На строительстве Каховского оросительного канала глубиной до 30 м, шириной по верху 170-200 м успешно работал роторный экскаватор ЭР-100. Разработка русла канала велась блоками шириной 10-15 м, с высотой уступа до 7 м. При экскавации легких суглинков с погрузкой в автосамосвалы МАЗ-503 грузоподъемностью 7 тн экскаватор обеспечивал производительность 350 м3/ч, близкую к проектной.
Таким образом, в связи с постоянным ростом объемов земляных и открытых горных работ одним из наиболее перспективных видов машин являются роторные экскаваторы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с одноковшовыми экскаваторами.
Выводы.
В настоящее время роторные экскаваторы успешно используются:
- для разработки месторождений мягких и средней крепости углей и других полезных ископаемых;
- в карьерах огнеупорного сырья для добычи каолина и глины;
- в карьерах строительных материалов для разработки пейса, гравия, даны;
- в транспортном и ирригационном строительстве;
- на складах и в портах для погрузочно-разгрузочных операций и штабелирования сыпучих и мелко шумовых материалов;
- для выемки все более крупных углей и горных пород.
С момента появления роторных экскаваторов совершенствование их конструкций шло, главным образом, в направлении непрерывного увеличения производительности и линейных параметров.
Однако в последние годы развитие конструкций роторных экскаваторов шло не только по пути увеличения их линейных параметров. В связи с расширением области применения роторных экскаваторов на земляных работах в условиях строительства, где высота копания не является одним из основных факторов, стали разрабатывать конструкции роторных экскаваторов с малыми линейными параметрами, что дало резкое снижение их веса, сделало их более мобильными и транспортабельными [2,3]. Эти экскаваторы получили наибольшее распространение ввиду более широких возможностей их применения.
В настоящее время экскаваторы с малыми линейными параметрами выпускаются производительностью 70-5400 м3/ч, расчетным усилием резания 0,25-1,2 МГТа, высотой копания 3,5-14 м, диаметром ротора 1,9-9 м, емкостью ковша 20-1940 л, вылетом ротора 3,8-14,4 м, массой 18-600 тн и установленной мощностью 45-1050 кВт Они оснащены, в основном, бескамерным ротором, невыдвижной стрелой и конвейером обычного исполнения. Одним из преимуществ малых роторных экскаваторов является значительно меньший вес при большой производительности и высокой маневренности и транспортабельности. Характерным в конструкции роторных экскаваторов малых параметров является широкое применение гидропривода. Почти все экскаваторы, выпускаемые в последнее время, в разной степени гидрофицированы. Например, экскаватор SrS 1500/12/1,8 объединения Демаг-Ла-ухгаммер, имеющий ротор диаметром 5 м, теоретической производительностью 480 м3, массой 170 тн, гидрофицирован полностью. По-новому выполнена металлоконструкция стрелы ротора - она выполнена коробчатого сечения.
Малые модели роторных экскаваторов у нас в стране впервые были изготовлены в 1948-1949 г.г. на предприятиях огнеупорной промышленности, в частности, мастерских Часов-Ярского рудоуправления /Р-6, Р-7, РВ-1, ЭР-120/.
Затем было налажено производство роторных экскаваторов ЭРЭ-500 на Зуевс-ком литейно-механическом заводе. ВНИИЗемМашем на основе анализа конструкций роторных экскаваторов малых моделей и опыта их работы разработан типовой ряд отечественных роторных экскаваторов малых моделей, предназначенных для применения в различных областях строительства [3]. Их производительность находится в пределах 200 -1000 м3/ч, емкость ковшей 25 - 200 л, высота копания 7 -15 м; масса 23,5 - 180 тн. Этот ряд унифицирован с базовыми моделями одкоговшовых экскаваторов, в конструкции применены многие новые технические решения.
Применение роторных экскаваторов для разработки все более крепких пород и мерзлых грунтов вызвало необходимость создания экскаваторов с более высоки-
ми усилиями копания.. Первые роторные экскаваторы РЭ-1 с усилием копания до 200 кг/см были изготовлены еще в 1959-1960 г.г. Ново-Карагандинским и Коркино ким заводами. Эти машины были созданы по проекту Гипрсгутлеавгоматизации на базе экскаватора ЭКГ-4. Их испытания показали малую жесткость металлокоист-рукции, что приводило к нарушению устойчивости рабочего процесса, и ограничению работоспособности экскаватора . Несмотря на это, зш машины показали возможность создания роторных экскаваторов с повытенитда усилиями копания.
Дальнейшие работы по созданию таких экскаваторов шли по пути увеличения мощности приводных двигателей и усиления жесткости металлоконструкции.
На Донецком машиностроительном заводе работают над созданием роторных экскаваторов 'с усилием копания 200-220 кг/см на базе экскаватора ЭРГ-400.
Как показывает опыт создания и эксплуатации роторных экскаваторов с высокими усилиями копания, повышение усилий на рабочем органе вызывает прогрессирующий рост веса экскаватора и ухудшение динамических характеристик. В настоящее время принято, что создание роторных экскаваторов для разработки крепких пород без значительного у величения их веса и ухудшения работоспособности должно идти по пути уменьшения их линейных параметров. УкрНИИпроастом разработаны технико-экономические обоснования и параметрический ряд рсторньгх экскаваторов с повышенным (0,7 -1,4 МПа) и высоким (1,4 - 2,1 МПа) усилием копания.
Потребность в роторных экскаваторах малого веса и небольших линейных параметров при высокой производительности вызвала необходимость создания экскаваторов с новыми рабочими органами, позволяющими работать на высоких скоростях вращения. В этих конструкциях различными способами решается проблема интенсификации разгрузки ковшей, за счет чего повышаются скорости ротора, а, следовательно, и производительность.
Интенсивно ведутся работы в Донецком научно-исследовательском горнорудном институте (ДонНИГРИ) по созданию роторных рабочих органов с прямой принудительно-центробежной разгрузкой ковшей, позволяющих работать на скоростях вращения выше критических.
Достошйлъом их является, независимое осуществление процесса разгрузки ст скорости permpa, что позволяет выбрать оигги дальний по энергоемкости процесс отделения стружки.
Использование дравши* обрушеыш грузов в рабочих органах, землеройных машин к последнее время находит широкое применение. В институте геотехнической механики АН Украины разрайегывамЭТСя экскаваторы с. фрезерными рабочими органами, б которых используются преимущества этого способа. Созданные экскаваторы обладают большой производитеяыюстыо, низкой энергоемкостью, малым весом и другими достсякствами. Результаты работ
свидетельствуют о необходимости применять принцип обрушения срезанного грунта и в роторных экскаваторах.
Принципиально новым высокоэффективным техническим решением является конструкция роторного экскаватора с инерционным ротором нижней разгрузки (авт.свид. №214404, автор докт.техн.наук Таукелев Р.Н.) и бесковшовый ротор косого ступенчатого резания (патент РФ №1799413, автор докт.техн.наук Нураков С.Н.), над созданием которых в течение ряда лет ведутся работы в Евразийском национальном университете им. Л.Н.Гумилева [5].
Отсутствие ковшей, высокие скорости ротора, разработка забоя при вращении ротора «сверху вниз» с использованием эффекта обрушения, возможность реализации высоких усилий резания без утяжеления металлоконструкции и другие достоинства ставят этот экскаватор в ряд наиболее перспективных.
Обладая всеми достоинствами центробежного ротора с верхней разгрузкой, новый рабочий орган имеет ряд преимуществ, основными из которых являются:
1) имеется возможность работы как на малых , так и на высоких скоростях вращения, что позволяет достигать любой требуемой производительности;
2) разработка грунта осуществляется наименее энергоемким способом -чистым косым полусвободным резанием при вращении ротора «сверху вниз» с обрушением срезанного грунта, что позволяет развивать высокие усилия копания и разрабатывать прочные грунты, крепкие породы и угли;
3) малые размеры и масса ротора и разгружающее действие от реакции грунта при работе снижают нагрузки в металлоконструкции, улучшают устойчивость рабочего органа и экскаватора в целом, что позволяет при работе с нормальным усилием копания существенно снижать массу экскаватора или дает возможность увеличить длину стрелы;
4) самоочистка ножей срезаемым грунтом в процессе работы;
5) подача грунта на конвейер со значительной начальной скоростью по направлению движения ленты, что значительно снижает энергоемкость транспортирования и увеличивает угол подъема конвейера;
6) простота конструкции ротора;
7) возможность создания целой гаммы экскавационно-погрузочных машин высокой производительности, низкой металлоемкости и малых размеров и массы.
Производственные испытания промышленного образца роторного экскаватора производительностью 200 м3/ч и массой 40 тн на разработке кембрийской глины летом плотностью 48-60 и зимой плотностью 60-80 ударов динамического плотномера ДорНИЙ показали надежную работоспособность этой конструкции. высокую производительность и высокие усилия копания при малой массе машины и низкой энергоемкости рабочего процесса.
На основании этих результатов были созданы опытные образцы нескольких типов экскавационно-погрузочных машин различного назначения: рогорно-транс-портная машина, фреза для асфальта и ледяных образований, роторно-транс-портный комплекс, роторный погрузчик и некоторые другие:
- роторный экскаватор малой модели ЭРЭ-200ИК производительностью 250 м3/ч массой 40 тн на кембрийской глине прочностью С =48-60 ударов плотномера ДорНИИ и в зимних условиях при промерзании той же глины при С=60-80 ударов. Экономический эффект составил 1380560 тт.;
- рогорио-трансг юршая машина РТМ-1 для строительства дорог на глине 4 категории производительностью 3620 м3/ч. Экономический эффект составляет 9355500 -гг.;
- два варианта рабочего органа для разрушения снежно-ледяных образований с асфальтобетонных покрытий к снегоочистителю КО-707 и автогрейдеру производительностью 2290 м3/ч в зимних условиях г.Астаны. Экономический эффект составил 53516 тг.
Эти испытания показали их высокую эффективность и преимущества по сравнению с существующими базовыми машинами [5]:
1) повышение производительности таких машин в 2-20 раз по сравнению с существующими конструкциями;
2) снижение энергоемкости разработки грунтов на 15-40%;
3) повышение удельных усилий копания без нарушения устойчивости работы экскавационных машин;
4) снижение в 2-4,5 раза удельной металлоемкости новых конструкций;
5) малые масса и размеры машин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляков Ю.И., Владимиров В.М. Рабочие органы роторных экскаваторов. - М.: Машиностроение, 1967. - С. 182
2. Владимиров В.И. Роторные экскаваторы с малыми параметрами. ЦНИИ-ТЭСтройМаш. Сб. «Экскаваторы и стреловые краны». - М.: Вып. 1,-1968.- С.72
3. Гарбузов З.Е. Землеройные машины непрерывного действия. - М.: Машиностроение, 1965,-С.271.
4. Домбровский Н.Г. и др. Многоковшовые экскаваторы. - М.: Машиностроение, 1972. - С.364.
5. Нураков С. Экскавационно-иогрузочные машины с инерционным ротором нижней разгрузки. - Алматы: Гылым, 1995. - С.212.
