CC BY
30
ГОРНЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
© Л.И. Кантович, И.А. Сайламинов, 2001
УАК 622.043
Л.И. Кантович, И.А. Сайламинов
ОПЫТ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУШИИ КАРЬЕРНОГО ОБОРУАОВАНИЯ С ГИАРООБЪЕМНЫМИ ТРАНСМИССИЯМИ
Последнее десятилетие XX века характеризуется не только нулевым, а по некоторым видам твердого минерального сырья отрицательным темпом добычи, но и возросшим интересом к рациональному и комплексному освоению месторождений полезных ископаемых. При открытой разработке месторождений в отличие от подземной имеют место выемка и транспортирование всей горной массы из карьеров и разрезов, а потери при добыче с технической точки зрения обусловлены лишь несовершенством используемого выемочного оборудования и применяемой технологией горных работ.
Современные процессы выемки и погрузки непосредственно связаны с подготовкой пород к выемке, в основном, их рыхлении взрывом.
Бурение взрывных скважин представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. Стоимость производства буровых работ на открытых разработках составляет от 16 до 36 % общей стоимости выемки одной тонны горной массы.
Наибольшее распространение на открытых горных рабо-
тах получил шарошечный способ бурения взрывных скважин.
Этим способом выполняются до 82,5 % всех объемов бурения в России и СНГ [3] и до 60 % в странах Европы,
США, Южной Америки, Северной и Южной Африке и в Австралии [3].
Парк буровых станков, эксплуатируемых на карьерах и разрезах России, насчитывает в настоящее время свыше 1500 единиц, 75 % которых составляют шарошечные буровые станки трех основных типоразмеров: СБШ-200 (80 %); СБШ-250 (15 %) и СБШ-320 (5 %). Этот парк морально и физически устарел и не отвечает современным требованиям по всем важнейшим параметрам технического уровня приводов и трансмиссии.
Что касается динамических характеристик основных механизмов станка таких как: плавность пуска в работу (особенно под нагрузкой) и предохранение их от перегрузок и вибраций при работе, то использование гидрообъемных трансмиссий в механизмах вращения, подачи и хода дает ему несомненное преимущество по сравнению с
приводами постоянного тока. Учитывая вышеупомянутое, а также низкие начальную стоимость, массу и компактность, становится очевидным, что следует отдать предпочтение гидрообъемным трансмиссиям в сравнении с электромеханическими постоянного тока. Это подтверждается и накопленным до настоящего времени опытом комплектации приводов мирового парка буровых станков, предназначенных для работы в различных горно-геологических и климатических условиях. В последние годы прирост парка буровых станков в мире на 80-90 % осуществлялся за счет ввода в эксплуатацию полностью гидрофицированных машин в основном, фирм: «Ингерсолл-Ранд»; «Дрилтех»; «Марион-Сумитомо» (США); «Хаусхерр» (ФРГ); «Атласкопко» (Швеция); «Тамрок» (Финляндия). Тогда, как на машины с электрическими приводами постоянного тока приходилось не более 20 %, в основном, фирм:
«Харншфегер» (США); «Бюсай-рус-Ири» (США); «Гарденден-вер» (США).
Современные высокие темпы прироста мирового парка гидрофицированных станков объясняются следующими основными их преимуществами перед станками с приводами постоянного тока: наличием единой первичной силовой установки и системы кондиционирования рабочей жидкости; более надежным и точным гарантированным предохранением от перегрузок и вибраций и плавностью пуска в работу. Эксплуатация полностью гид-рофицированной буровой техники позволила [2] не только повысить производительность труда и снизить за-
траты на работах по бурению взрывных скважин, но и в определенной мере улучшить технико-эконо-мические показатели погрузочных и транспортных работ на карьерах благодаря улучшению дробления взрываемой горной массы.
Как показывает мировой опыт [1, 5] ведущей тенденцией развития и совершенствования экскавационного оборудования по прежнему остается создание прогрессивных видов и новых типоразмеров мобильных и компактных машин, отличающихся от традиционных универсальностью применения и лучшими удельными показателями, характеризующими их более высокий технический уровень. К этому прогрессивному оборудованию прежде всего относятся карьерные одноковшовые гидравлические экскаваторы, компактные роторные экскаваторы и карьерные комбайны.
Последние десятилетия в мировой практике экскавато-ростроения характеризуются новыми тенденциями: все более широкое распространение находят системы с объемным гидроприводом основных механизмов рабочего оборудования и узлов карьерных одноковшовых экскаваторов. Конструктивная их схема претерпела принципиальные изменения. Традиционная механическая лопата трансформировалась в экскаватор гидравлический с рабочим оборудованием прямой и обратной лопаты.
Расширенный диапазон кинематических и энергосиловых возможностей гидрофицированных карьерных одноковшовых экскаваторов обеспечил им успех на мировом рынке. Ведущими маши-
ностроительными фирмами Европы и США, например, в 70-х годах выпуск механических лопат с ковшами вместимостью до 10-12 м3 был приостановлен, а производственные мощности перепрофилированы на изготовление полностью гидрофицированных одноковшовых машин. Наращивались темпы производства и более мощных гидравлических экскаваторов.
Так, только в период 1975-1988 гг. в Европе создано около 40 моделей экскаваторов с объемным гидроприводом и ковшами вместимостью до 26 м3. Одни из наиболее мощных моделей с ковшами вместимостью 20 м3 изготовлены фирмами ФРГ «Оренштейн-Коппель» (РН-300) и «Демаг» (Н-485). В качестве первичного двигателя в экскаваторах, выпускаемых этими фирмами, используется дизельный или высоковольтный электрический двигатель. Приоритет в обосновании параметрического ряда карьерных гидравлических экскаваторов России принадлежит ИГД им. А.А. Скочин-ского и ОАО «УЗТМ». Созданы опытно-промышленные образцы ЭГ-12, ЭГ-12А и ЭГ-20 (ОАО «УЗТМ»), а также технические проекты ЭГ-6 (ЭГ-150); ЭГО-5 (ЭГ0-150); ЭГО-8 (ЭГО-350); ЭГ-15 (ЭГ-350) (ОАО «УЗТМ») и ЭГ-6; ЭГО-4 («Ижора-Картекс»).
Основными преимуществами гидравлических экскаваторов по сравнению с мех-лопатами являются: уменьшение массы, а следовательно, стоимости в 1,5^2 раза; сокращение сроков монтажа; увеличение усилий черпания в 1,5^2 раза; сокращение времени цикла и рост теоретической производительно-
сти, т.е. большие технологические возможности. Возможность независимых перемещений стрелы, рукояти и ковша в пространстве расширяет рабочую зону гидравлических экскаваторов, при этом внедрение ковша в забой происходит с усилием, близким к максимальному, практически под любым углом на всей высоте от подошвы забоя, что обеспечивает селективную выемку разрабатываемой горной массы и позволяет успешно решить задачи рационального, комплексного освоения месторождений. Возможность разработки тонких и сложноструктурных пластов, посор-товой выемки минерального сырья из массивов обеспечивает эффективное ресурсосбережение в горном производстве.
На мощных карьерных гидравлических экскаваторах ОАО «УЗТМ» применение объемного гидропривода обеспечивает более выгодное соотношение мощности и массы машин (при равной мощности масса привода может быть уменьшена на 70 %), позволяет упростить кинематику рабочего оборудования за счет исключения канатных и зубчатых передач, обеспечивает независимость бесступенчатого регулирования скорости копания в широком диапазоне рабочих движений с практически любой траекторией копания.
Применение гидравлических экскаваторов во многих случаях исключает буровзрывные работы или механическое рыхление.
В области техники непрерывного действия эффективными для месторождений с нескальной горной массой являются компактные ротор-
ные экскаваторы. Развитие конструкций компактных роторных экскаваторов также идет в направлении создания машин с более высоким уровнем теоретической производительности [1; 2; 3; 4].
В отличие от роторных экскаваторов традиционного исполнения компактные роторные экскаваторы могут применяться в сложных горно-геологических условиях.
Карьерные компактные роторные экскаваторы начали применяться в 50-60 годы XX столетия на открытых горных работах в Германии. Лидирующая роль Германии в области производства и использования компактных роторных экскаваторов сохраняется до настоящего времени. Производство и использование компактных роторных экскаваторов кроме Германии (фирмы «Крупп»; «Манес-ман-Демаг»; «Оренштейн Коп-пель»; «Такраф») развернуты и в Австрии (фирма «Фест-Алпина») и в Чехии (фирма «Витковиц-кий концерн»). Выпускаемые этими фирмами компактные роторные экскаваторы, в том числе и полностью гидрофицированные, нашли широкое применение [3] на всех континентах земного шара при производстве вскрышных и добычных работ (главным образом угля). Мобильность компактных роторных машин позволяет им при встрече с пропластками скальных включений, которые могут быть обнаружены современной геофизической аппаратурой именно на относительно небольшой глубине, соизмеримой с высотой черпания этих машин, изменять высоту подуступов, обусловливая возможность удаления негабаритов техникой цикличного действия. Уменьше-
ние высоты черпания компактных роторных экскаваторов по сравнению с машинами обычных типоразмеров компенсируется возможностями их применения в сочетании с перегружателями по двух и трех подуступным схемам при наличии одного транспортного горизонта.
Компактные роторные экскаваторы представляют собой машины высокого технического уровня: их годовая выработка на одну тонну массы значительно больше, чем у роторных экскаваторов с традиционным соотношением параметров.
В наибольшей степени прогрессивный принцип компактности горного оборудования нашел свое воплощение в конструкциях карьерных комбайнов.
Сравнения их с компактными роторными экскаваторами [1, 4] показало 30-
процентную экономию текущих расходов в пользу карьерных комбайнов. Известно, что при разработке слабых горных пород (стсж < 15 МПа) компактными роторными экскаваторами удельный расход энергии составляет 0,40^0,47 кВт.ч/м3. Результаты испытания карьерных комбайнов фирмы «Крупп» показали, что для разработки одного кубического метра угля необходимо израсходовать
0,12, а известняка - 0,48 кВт.ч/м3 энергии.
То есть, удельный расход энергии затрачиваемый карьерными комбайнами при разработке пород средней крепости ((асж = 20^50 МПа) соответствует удельному расходу энергии, необходимому для разработки слабых пород компактными роторными экскаваторами.
Анализ последних достижений в области техники и технологии безвзрывной тонкослоевой разработки массивов горных пород позволил выделить новые тенденции развития технологии горных работ. Перспективное поколение технологии начало реализовываться в середине 80-х годов, когда на карьерах мира появились горные комбайны «Серфис Майнер» осуществляющие поточную разработку массивов скальных горных пород, характеризующихся пределом прочности при сжатии до 100-120 МПа (одновременно имеется информация об отработке слоев пород крепостью до 200 МПа [4]).
Способность разработки массива тонкими слоями (от 5^10 до 80 см в зависимости от типоразмера комбайна) с точностью до ±1,0 см, с одновременной погрузкой горной массы крупностью до 85^90 % до 8,0 см через консольный разгрузочный конвейер, позволяет не только обеспечить поточность работ, но и улучшить качество добываемого полезного ископаемого за счет сокращения засорения вскрышными породами, сократить до минимума потери, а также снизить затраты на дробление.
В отличие от традиционной, где забоем является откос уступа, при новой технологии с использованием комбайнов «Серфис Майнер» забоем является поверхность горизонтальной или наклонной площадки.
После осуществления комбайном рабочего прохода остается ровная поверхность, готовая для движения автотранспорта, что резко сокращает потребность в применении дополнительных средств по сооружению и содержа-
нию автодорог. Кроме того при погрузке комбайном (по сравнению с погрузкой экскаватором) снижаются ударные нагрузки от падающих кусков горной массы на конструкции подвижного состава автотранспорта (особенно конвейера).
За последние годы наибольших успехов в создании машин послойного фрезерования добилась немецкая фирма «Виртген». Комбайны бесстрелового типа с роторным рабочим органом осваиваются фирмой «Крупп».
В настоящее время фрезерные машины фирмы «Виртген» используются для отработки угольных пластов, известняка, гипса, кимберлитов и других полезных ископаемых более чем на 50 зарубежных месторождениях.
В странах СНГ комбайны фирмы «Виртген» используются в Латвии на Саурижском комбинате стройматериалов (БМ-2600), в Казахстане на разрезе «Юбилейный» (БМ-3000), на карьерах АК «Алроса» (БМ-2600 тт). Опыт эксплуатации комбайнов на карьерах СНГ подтвердил возможность селективной отработки слоев мощностью 10^15 см крепостью до 10 МПа, а также гарантированную производительность [4].
Потребность в машинах послойного фрезерования для российских открытых разработок, в первую очередь для угольных разрезов, возникла с началом их функционирования в новых экономических условиях, когда наряду с необходимостью рационального и комплексного освоения месторождений актуальными становятся задачи селективной разработки тонких и сложноструктурных пластов и пропластков. Эффективность применения карьерных комбайнов, определяемая главным образом прибылью от реализации дополнительно извлекаемого с их помощью угля, возрастает также вследствие компактности таких машин, имеющих наиболее благоприятные удельные характеристики-показатели технического уровня. Сопоставительный анализ различных видов компактного и мобильного экска-вационного оборудования с традиционным, с учетом его основных параметров (масса
- О, установленная мощность
- 1Густ, теоретическая производительность ---- Отеор) вы-
полненный по критериям:
Густ/ Отвар = =/(0); ІГустЮ =
Д Ю) свидетельствует, что удельная энерговооруженность в зависимости от массы
Рис. 1. Зависимости энерговооруженности и энергоемкости черпания от массы оборудования
для рассматриваемых видов оборудования характеризуются следующим (рис. 1). Наименьшую энерговооруженность на единицу массы оборудования имеют машины типа: роторные экскаваторы, карьерные мехлопаты и компактные роторные экскаваторы, причем для роторных экскаваторов этот показатель имеет тенденцию к снижению при увеличении массы, которая у этих машин растет быстрее остальных показателей. Все эти виды оборудования почти в два раза уступают карьерным гидравлическим экскаваторам, у которых данный показатель выше. Третью и самую высокую по удельной энерговооруженности группу машин составляют карьерные комбайны.
Удельная энергоемкость черпания, равная отношению мощности привода рабочего органа к производительности, характеризует удельное усилие черпания, реализуемое машинами в процессе экскавации горной массы. Зависимость этого показателя от массы оборудования (рис. 1) свидетельствует, что более высокое усилие черпания обеспечивают гидравлические экскаваторы средних и больших типоразмеров. Наконец, машины послойного фрезерования - карьерные комбайны могут обеспечивать самые высокие удельные усилия черпания при номинальной производительности по сравнению со всеми остальными видами экс-кавационной техники.
Таким образом, анализ представленных зависимостей позволяет сделать вывод о широких перспективах применения гидрофицированного компактного и мобильного оборудования, являющегося наиболее универсальным и охватывающим широкий
спектр горно-геологических и климатических условий (рис. 2). Подтверждается необходимость более широкого внедрения гидравлических экскаваторов, поскольку они превосходят по всем показателям технического уровня
традиционные мехлопаты, особенно при ведении горных работ с рыхлением породы взрывом (экскавация из навала). Гидравлические компактные роторные экскаваторы в сопоставимых горногеологических и климатических условиях оказываются эффективнее роторных экскаваторов традиционного исполнения. Карьерные комбайны имеющие роторный рабочий орган, по условиям применения находятся ближе к компактным роторным экскаваторам, хотя и превосхо-
Рис. 2. Область эффективного технологического и климатического применения гидрофициро-ванного карьерного оборудования
дят последние по удельной производительности, в то время как машины с фрезерным рабочим органом могут с успехом разрабатывать достаточно крепкие породы без предварительного проведения буровзрывных работ, обеспечивая высокую эксплуатационную производительность.
Дальнейшие совершенствования конструкций выемочно-погрузочных машин для безвзрывной технологии (рис. 2) при вскрыше — гидравлических компактных роторных экскаваторов, а при добыче — гидравлических карьерных комбайнов, помимо автономизации несомненно пойдет в направлении повышения конструктивно-технологических возможностей рабочего оборудования и увеличение надежности его гидрообъемных трансмиссий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Домбровский А.Н, Сидоренко И.А. Эффективность применения компактного и мобильного оборудования для открытых горных работ. Горный журнал, - № 1, 1998, - С. 45-48.
2. Подэрни Р.Ю. Теория рабочего процесса роторных исполнительных органов. - М., МГИ, 1969, 74 с.
3. Трубецкой К.Н, Потапов М.Г., Виницкий К.Е. Мельников Н.Н. и др. Справочник «Открытые горные работы», - М.: Горное бюро, 1994, - 590 с.
4. Супрун В.И. Перспективная техника и технология для производства открытых горных работ. Учебное пособие. - М., МГГУ, 1996, 121 с.
5. Штейнцайг В.М. Интенсификация открытых горных работ с применением мощных карьерных одноковшовых экскаваторов. - М.: Наука, 1990, 142 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
.______________________________________________________________________________________________________Й
ш Кантович Леонид Иванович — профессор, доктор технических наук, Московский государственный
горный университет.
Сайдаминов Исохан Абдулфайзович — доцент, кандидат технических наук, Таджикский технический университет
