Обоснование и разработка параметров дорожно-строительных машин для открытых горных разработок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.684:625.86.08

ВС. Торов

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРОВ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК

Механизация дорожных работ на карьерах осуществляется в настоящее время с применением серийно выпускаемых дорожно-строительных и землеройно-транспортных машин. Как показал проведенный анализ, ширина захвата большинства дорожно-строительных машин соизмерима в основном с шириной одной полосы движения автомобильных дорог общего пользования 1 и 2 категорий, равной 3,75 м. Ширина одной полосы движения карьерных автодорог может с-оставлять от 7,0 до 10,0м для автосамосвалов БелАЗ-549, от 9,0до 12,Ом — для БелАЗ-7519 и от 10,0 до 15,0 м — для БелАЗ-7521. И на перспективу типажи дорожно-строительных машин не содержат разработок, отвечающих требованиям практики ведения дорожных работ на карьерах, поэтому обоснование и разработка параметров специализированных дорожно-строительных машин для карьеров являются актуальными.

Основными н наиболее трудоемкими операциями при ведении дорожных работ являются подготовка земляного полотна, доставка щебня и формирование конструктивных слоев дорожных одежд. В обеспечении требуемой прочности и необходимой долговечности дорожных одежд и земляного полотна особо важная роль отводится уплотнению.

Указанные операции традиционно выполняются с помощью бульдозеров, автогрейдеров и дорожных катков. Доставка горной массы для исправления продольного и поперечного профилей земляного полотна и щебня для формирования дорожной одежды производится автосамосвалами и скреперами. Преимущество скреперов заключается в возможности распределения доставляемых к месту работ каменных материалов слоем заданной толщины.

Применение бульдозеров в дорожном строительстве на карьерах ограничено тяжелыми нарезными и планировочными работами при подготовке земляного полотна, в частности, при устройстве автомобильных съездов. Серийно выпускаемые бульдозеры ДЭ-34С на базе трактора ДЭТ-250 и ДЗ-94С на базе трактора Т-330 в полной мере обеспечивают выполнение этих работ.

«Узким местом» дорожных работ в карьерах на сегодняшний день остаются планировочные работы и уплотнение при формировании дорожных одежд. Доставка щебня и других каменных материалов к месту работ и их послойное распределение наиболее целесообразны при помощи автоскреперов. Окончательная отделка поверхности проезжей части автодороги требует применения автогрейдеров и дорожных катков.

Особенно неблагополучная ситуация в дорожном строительстве на карьерах сложилась из-за отсутствия дорожных катков, отчасти из-за недостаточного их производства промышленностью и малой ширины захвата (до 1700—2200 мм) и в большей степени из-за недооценки важности выполнения уплотнения ввиду низкой технологической культуры ведения дорожных работ.

Дорожная служба на карьерах, за редким исключением, не укомплектована дорожно-строительной техникой, не имеет производственной базы по изготовлению щебня стандартных фракций. По этим причинам качество карьерных автодорог технологического назначения остается на низком уровне, а их состояние, особенно в межсезонные периоды

года, становится нередко неуправляемым, вызывая длительную остановку работы большегрузного автотранспорта.

В соответствии с основными технологическими операциями к дальнейшему рассмотрению приняты автоскреперы, автогрейдеры и дорожные катки.

Наиболее массовым, особенно на крупных карьерах, на ближайшую перспективу является автосамосвал БелАЗ-7519. Исходя из этого, при

Таблица 1

Показатели производительности дорожно-строительных машин

Автогрейдеры - Дорожные катки Автоскрепсры-щебнераспредслителн

Ь. м Р. М*/Ч Ь. м Р. м'/ч Ч. м3 Ь, м Р. м»/1

2,3* 1780 1,8 768 4,5* 2,43 86

3,7* 3136 2,0 864 15* 2,86 255

4.5 3914 2.2 960 16,2 3,02 270

5 4399 3 1344 25 4 392

6 5369 4 1824 40 5 571

7 6339 5 2304 50 6 666

6 2784 60 7 774

7 3264

• Выпускаемые машины.

назначении главного параметра специализированных карьерных дорожно-строительных машин — ширины захвата — за основу принимается его габаритная ширина 6100 мм.

Дальнейшее развитие вопроса и конструкторский поиск позволят создать типажи специализированных дорожно-строительных машин широкозахватного исполнения, оптимальные комплекты которых обеспечат наиболее эффективное ведение работ по строительству автомобильных дорог для всех перспективных моделей карьерных автосамосвалов.

Основной предпосылкой создания специализированных дорожно-строительных машин является необходимость насыщения открытых горных разработок оборудованием большой единичной мощности с увеличенными параметрами рабочих органов, обеспечивающими высокую эффективность ведения дорожных работ.

В общем виде производительность дорожно-строительных машин Р может быть представлена как функция от величины параметров рабочих органов и ряда технических показателей (м2/ч):

Я=/(<7, Ь, V, <„„.),

где ч — вместимость кузова (для автоскрепера-щебнераспределителя}, м3; Ь — ширина захвата (полосы уплотнения, отсыпки щебня, планировки за один проход машины), м; V — скорость движения (транспортная или рабочая), м/с; t„oъ — затраты времени на повороты и маневры, с.

Произведенные расчеты позволили установить зависимости производительности разрабатываемых машин от величины параметров рабочих органов (табл. 1). Установлено, что на производительность автогрейдеров и дорожных катков преобладающее влияние оказывает ширина захвата. Скорость движения и время маневров в пределах их рабочих значений имеют меньшее влияние. Так, с увеличением длины отвала с 2,3 до 7 м производительность автогрейдеров увеличивается я 3,5 раза Производительность дорожных катков с увеличением ширины, уплотняемой за 1 проход полосы с 1,8 до 7 м, увеличивается в 4,2 раза.

Применительно к автоскреперам, использование которых предусматривается на доставке и распределении щебня, к основным технологическим параметрам следует отнести вместимость кузова и транспортную скорость. Ширина разгрузочной щели, зависящая конструктивно от вместимости кузова и влияющая на продолжительность разгрузки, имеет меньшую значимость.

У серийно выпускаемых моделей предусмотрена быстрая разгрузка кузова, что должно быть обеспечено и для перспективных машин.

Из организационных факторов определенную значимость имеет дальность транспортирования щебня.

Таким образом, при выборе длины отвала автогрейдеров и ширины самоходного катка (уплотняемой за 1 проход полосы) целесообразно руководствоваться как установленными выше закономерностями, так и параметрами самого объекта воздействия — карьерных автодорог.

В соответствии с требованиями «Строительных норм и правил 2.05.07-85. Промышленный транспорт» средняя величина ширины проезжей части карьерных автодорог для автосамосвала БелАЗ-7519 составляет 18 м. С учетом необходимости перекрытия смежных проходов машин при ведении дорожных работ ширина захвата должна составлять от 6000 до 7000 мм. Эти показатели удовлетворяют и условию кратности перекрытия проезжей части автодороги в поперечном сечении, равной в данном случае 3, а с учетом обочин или по ширине земляного полотна—4.

При разработке конструкций дорожных машин широкозахватного исполнения необходимо обеспечить удельные показатели, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к машинам соответствующего класса серийного изготовления типажами и ГОСТ. Так, например, разрабатываемый широкозахватный дорожный каток должен иметь необходимые и достаточные показатели по величине уплотняющего воздействия на грунт земляного полотна и насыпные материалы (щебень, гравий) слоев дорожной одежды, вместе с тем должен оснащаться силовой установкой, обеспечивающей достаточную скорость движения и соответствующую производительность.

Ниже рассмотрены назначение разрабатываемых машин и их характерные параметры.

Автогрейдер

Широкозахватный автогрейдер предназначен для окончательной отделки поверхности земляного полотна и конструктивных слоев щебеночных дорожных одежд. Применение автогрейдера на отделке откосов, отрывке кюветов, возведении насыпей и других тяжелых нарезных работах не предусматривается. Может использоваться на патрульной очистке площадок и автодорог от просыпей горной массы, щебня «катуна» и снега, на профилировании грунтовых дорог. Силовая установка автогрейдера должна обеспечивать длительную работу на продольных уклонах автодорог до 10%. Удельная мощность автогрейдера должна быть не менее 5 кВт на 1 тонну массы автогрейдера. При ориентировочной массе автогрейдера 15—18 т мощность двигателя составит 75—90 кВт. Скорости движения автогрейдера регламентированы ГОСТ 9420-79.

Предполагается применение основной колесной формулы 1X2X3.

Дорожный каток

Широкозахватный дорожный каток предназначен для уплотнения грунтов земляного полотна и щебеночных слоев одежд карьерных автодорог.

Предполагается традиционное двухосное трехвальцовое исполнение катка комбинированного (статического и вибрационного) действия. Ориентировочные размеры вальцов: ширина 2100—2200 мм, диаметр 1800—2000 мм. Для обеспечения линейного удельного давления 55— 60 кН/м расчетная масса должна составлять 35—40 т. С применением вибровозбудителей масса катка может быть уменьшена в несколько раз с сохранением уплотняющего эффекта.

Расчетная мощность двигателя катка 250 кВт, скорость движения до 12 км/ч.

Силовая установка катка должна обеспечивать устойчивую длительную работу катка на .продольных уклонах до 10 %.

Автоскрепер-щебнераспределитель

Широкозахватный автоскрепер-щебнераспределитель предназначен для доставки и распределения слоем заданной толщины мелкодробленой горной массы и щебня к месту работ при строительстве и ремонте карьерных автодорог. Поэтому главной отличительной особенностью создаваемого автоскрепера является его использование только на доставке и распределении материала, в то время как одним из основных назначений собственно скреперов является разработка грунтов и транспортирование к месту складирования (отвалы, насыпи и т. п.). При этом основными параметрами скреперов являются глубина и ширина резания, что не является определяющим при их использовании в качестве щебнераспределителей. Имеющийся самоходный распределитель дорожно-строительных материалов ДС-54 (изготовитель — Николаевский завод «Дормашина») явно не пригоден для дорожных работ в карьерах ввиду малой вместимости бункера (4,5 м3).

Ориентировочная вместимость ковша разрабатываемого автоскре-пера-щебнераспределителя принята равной 50 м3, соответственно удельный показатель мощности рекомендуется в пределах 11,5—12,0 кВт/м3, т. е. мощность двигателя составит 575—600 кВт.

Конструктивная масса скрепера составит ориентировочно 115 т.

Одним из возможных решений полной автономности работы создаваемой машины является ее оснащение скребковым элеватором, обеспечивающим самозагрузку ковша на щебеночном складе. При этом повышается эффективность использования за счет снижения эксплуатационных и капитальных затрат.

Прогрессивным решением при создании машины следует считать использование дизель-электрического привода с обмоторенными ведущими колесами. Ближайшим прототипом является силовое оборудование автосамосвала БелАЗ-7519.

Конструктивно создаваемый скрепер должен быть в трехосном исполнении на базе 2-осного тягача.

В табл. 2 приведены сравнительные показатели разрабатываемых машин и их зарубежных аналогов. По основным показателям разрабатываемые машины не уступают зарубежным аналогам, а по ряду показателей (меньшей энерго- и металлоемкости) ожидаются экономичнее.

Экологическая оценка разрабатываемых машин, произведенная путем расчета объемов вредных выбросов в атмосферу при работе «новой» и «старой» техники, показала сокращение вредных выбросов при применении всех трех создаваемых машин в размере 163,3 условных тонн в год.

Определение потребности в дорожно-строительной технике широкозахватного исполнения:

устанавливаются объемы работ, в том числе по строительству, ремонту и содержанию автодорог;

3 Заказ 253

33

5 £

се а

- ¡5

- л

- о. а о я о

2 X

X £

2 3

1 2

3 >>

о о. &. я

I- «

и и

X и 3 х

га 2 ш —

2

я

га

2 и с. =

ч

о О

£ =

« "

е. *

= £ « X

х га

х О Ек х

3

йЯ —

со

Л

5 §

«В*

¡с--®«

03 О

2 о ь = о

3 ^

а

е ¡-5 -о„

О «5 Д О СЗ Л —

с. те и —

5 §

о з® « С!

О ю

О)

см сч

ОС тг —. г— сс

о ".ю-т

СО (М 00 00 Ю О —

о" о

оо о | о т

I «о

о О

о о

ОС <м

(О <о

* ечг от о о

<м о

о со ю

§} | |

£

«О ] я

00

СТ) 1--

N О С ^ С

О СО

о сч ^

1 со *оОи со ■ — с; спо со о о

о' о

V

X

¡2 Я г

Й 1 - I Н в

Ч * га 5 „Г "

н га £ 2 *

х о ш 5 Э £

о £ о я о о

•= я х

И *

05

ч

г

1 г

X

в

={

п ^ та

х О X

О О X

о- £ ""

га

о га

по каждому типу машин с учетом их производительности, а также производственной потребности в одновременном совмещении работ на различных объектах карьера рассчитывается потребность.

Протяженность автодорог карьера, км:

Ь — £„„-{-¿п,

где ¿-а 1- протяженность временных автодоррг на горизон-■ тах карьера (годовой объем строительства забойных автодорог), км; ¿о—протяженность временных автодорог на отвалах (годовой объем строительства автодорог на ярусах отвалов), км; /.,ш — протяженность постоянных и временных автодорог на перегрузочных пунктах (для временных — годовой объем строительства), км; Ь„ — протяженность постоянных автодорог в капитальных выработках и примыканиях к забойным и отвальным автодорогам с учетом годовых объемов строительства их по мере углубки карьера, км. После преобразований получим:

0_ , <30-зта 5

1 =

Од • бш а

нп-'п

4-

"о-'р N

+

X

1000

пп+Н„+к.("'к+Н'0)+Н

I

Объем ежегодного строительства новых автодорог, км:

I — Зо-5'""

5 Н0-1 р . Оп'в'п а . I

Яп./п 1000 (

Здесь

С3 — годовой объем выемки горной массы с погрузкой на автотранспорт, тыс. м3; 5 — средневзвешенная площадь забоев парка экскаваторов, м2; <2о — годовой объем горной массы, складируемой в от-

валы, тыс. м3; а — угол естественного откоса отсыпки отвалов, град; Н0 — высота яруса отвалов, м; /Р — длина фронта разгрузки автосамосвалов на отвалах, м; Q„ — годовой объем горной массы, складируемой на перегрузочных пунктах карьера, тыс. м3; Н„ — высота уступа на перегрузочных пунктах, м; N — количество карьеров (для расчетов по региону, отрасли и т.д.); п„ — количество перегрузочных пунктов; k — коэффициент развития трассы с учетом примыканий к забойным и отвальным временным автодорогам; /Ук —глубина карьера, м", Н — высота отвалов, м; h — годовая углубка карьера, м; i — уклон автодорог.

Объем ежегодного ремонта постоянных автодорог, км:

LP= (0,2-^-0,25) • L.

Приведенная протяженность ежегодного строительства автодорог в карьере и на отвале составляет, км:

D = ¿с+ (0,2ч-0,25) ■ L„.

Работы по содержанию карьерных автодорог производятся патрульным методом Появление этих видов работ носит случайный характер, их нормирование затруднено. Обычно в карьерах с развитой сетью автодорог комплекты техники (каток и автогрейдер) раздельно для территориально разобщенных объектов — забойные и отвальные дороги — закрепляются за участками протяженностью 10—12 км.

Ремонт временных автодорог не предусматривается, производится лишь патрульная очистка и планировка проезжей части.

Потребное количество автогрейдеров и самоходных катков для строительства, ремонта и содержания карьерных автодорог с учетом совмещения во времени производства работ на различных горизонтах в карьере и на отвалах определяется:

^ / looo-r-a.,,, + .¿W л> V ni 4i 1

где Л^ — количество машин i-го типа; П,- — годовая производительность 1-го типа машин, м2; В—ширина автодорог, м; т.\—технологическое количество повторяемых операций; k\ — коэффициент совмещения работ во времени на различных объектах карьера; k2 — коэффициент инвентарности парка: <7,- — норматив протяженности автодорог при их содержании для t'-ro типа машин, км:

Потребное количество автоскреперов-щебнераспределителей определяется аналогично. Отличие в том, что их использование при текущем содержании автодорог не предусматривается. .

дг 100Q.//-B.IB, . .

где Пщ —годовая производительность автоскрепера-щебнераспредели-теля, м2.

Следует отметить, что техника, закрепленная за конкретными участками автодорог, используется и при их ремонте или «переносе» этих участков автодорог.

Расчетами, проведенными с учетом прогнозных материалов для железорудной подотрасли, установлена ориентировочная потребность в дорожно-строительной технике на 1995 г.: автогрейдеров— 155 ед.; катков— 162 ед.; автоскреперов — 55 ед.

Учитывая аналогичную потребность в дорожно-строительной технике других горнодобывающих подотраслей (угольная, цветной ме-

3*

35

таллургии) и гидротехнического строительства, следует констатировать целесообразность и насущную необходимость разработки и организации серийного производства дорожно-строительных машин широкозахватного исполнения.

УДК 622.271.45:624.131.537

А. В. Фролов, В. В. Васильев, Е. Н. Циглер, А. И. Цыкунов

РАЗРАБОТКА ЗАПАДНОГО УЧАСТКА ВОСТОЧНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГОРЫ МАГНИТНОЙ С ВНУТРЕННИМ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЕМ

Потребность Магнитогорского металлургического комбината в сырье на 90 % удовлетворяется за счет привозной руды, стоимость которой с учетом затрат на транспортировку на 33 % выше себестоимости руды, добываемой на комбинате. Поэтому расширение собственной сырьевой базы является одним из важных направлений повышения эффективности работы комбината в новых условиях хозяйствования.

В настоящее время практически все промышленные запасы железных руд, залегающих в непосредственной близости от комбината, ■отработаны. Основная добыча руды производится на руднике Малый Куйбас, расположенном- в 18 км от промплощадки. Кроме этого, на руднике горы Магнитной производится доработка запасов Западного и Восточного карьеров и карьера валунчатых руд. Здесь вовлекаются в разработку незначительные по объему запасы, отработка которых считалась раньше экономически не целесообразной. Одним из таких участков является западный участок Восточного месторождения горы Магнитной, запасы которого залегают в борту карьера.

Западный борт Восточного карьера, подлежащий расконсервации для доработки запасов руды, был сформирован в период 1959—1979гг. Время стояния уступбв карьера между отметками 440—520 м составляет в среднем 15 лет, а между отметками 390—440 м—10 лет. Максимальный угол погашения борта на рассматриваемом участке составляет 47°. Углы откосов уступов при их постановке в предельное положение изменялись преимущественно в диапазоне 60—75°. А поскольку формирование откосов производилось с помощью взрывания вертикальных скважинных зарядов без каких-либо ограничений, откосы уступов были сформированы в разрушенном взрывами массиве. Поэтому здесь происходило интенсивное осыпание пород и выполаживание откосов. В результате были разрушены и перекрыты осыпью предохранительные бермы, {1 борт карьера, на большинстве участков имеющий угол погашения 4*2—45°, приобрел вид сплошного откоса. В связи с этим использовать для расконсервации запасов руды старые транспортные и предохранительные бермы оказалось невозможно. Доработка запасов на рассматриваемом участке могла быть выполнена только с использованием технологии разработки нагорных месторождений, залегающих на крутых горных склонах. То есть для доработки запасов западного участка Восточного месторождения горы Магнитной на западном борту отработанного Восточного карьера по существу требовалось Построить новый карьер нагорного типа.

В связи с незначительными объемами руды, залегающими на рассматриваемом участке, проект доработки запасов не ставил целью замену основного технологического оборудования на более мощное, а наоборот — предлагал максимально использовать имеющиеся на комбинате в достаточном количестве экскаваторы.ЭКГ-4,6 и автосамосвалы БелАЗ-540 и БелАЗ-548. Исходя из этого,, в проекте был произведен