Параметры скреперов для внедрения в послойно-полосовые технологии открытых горных работ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

-------------------------------- © А.Ю. Чебан, С.А. Шемякин,

2007

УДК 622.271:622.64

А.Ю. Чебан, С.А. Шемякин

ПАРАМЕТРЫ СКРЕПЕРОВ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ В ПОСЛОЙНО-ПОЛОСОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Я а Дальнем Востоке разведаны значительные месторождения угля, однако, в связи с применением при его добыче устаревших технологий, уголь добывается в недостаточном количестве и имеет высокую себестоимость. На разрезах добыча ведется в основном с помощью взрыва с последующей погрузкой горной массы одноковшовыми экскаваторами в автотранспорт. Буровзрывная технология имеет ряд недостатков. Во-первых, значительная по времени и стоимости подготовка к взрыву, а также отрицательное воздействие самого взрыва на окружающую среду, инженерные сооружения, оборудование и человека. Во-вторых, наличие среди взорванной массы негабаритных валунов, которые требуют их дополнительного бурения и взрыва. В-третьих, перемешивание при взрыве пустой породы и полезного ископаемого, особенно при разработке месторождений имеющих сложную структуру залегания, ведет к тому, что экскаватор отгружает в автотранспорт вместе с углем также, и пустую породу. Наконец, сжигание на ТЭЦ угля, содержащего пустую породу, вызывает образование большого количества шлака, который складируется в золоотвалах, зачастую рядом с населенными пунктами.

Прогрессивность безвзрывных поточных технологий с применением выемочных машин непрерывного действия фрезерного типа подтверждена мировой практикой [1, 2]. Технические характеристики фрезерных машин значительно превосходят параметры выемочно-погрузочной техники. Выемочные машины послойного фрезерования могут разрабатывать породы с коэффициентом крепости 5-8 по Протодьяконову М.М., что позволяет отказаться от применения взрыва на угольных разрезах, а разработанная фрезерным рабочим органом порода, состоит из кусков размером, не превышающим 10-15 см.

При работе фрезерных комбайнов в комплекте с автосамосвалами имеют место значительные их простои, а именно при замене транспорта. В зависимости от дальности транспортировки породы фрезерный комбайн работает с 3-5 автосамосвалами, при этом один самосвал практически всегда простаивает под загрузкой.

Повысить эффективность послойно-полосовых технологий на 14-28 % возможно, если исключить простои фрезерного комбайна в ожидании автотранспорта, а также путем применения большегрузных скреперов вместо самосвалов и углевозов. В настоящее время значительная часть скреперов оборудуется интенсификато-рами загрузки ковша. Наибольшее распространение получили шнековые и скребковые интенсификаторы. Перспективным направлением является установка на скреперы интенсификаторов в виде промежуточных подгребающих стенок (ППС) [3, 4].

При установке на ковш ППС появляется возможность загружать более длинные ковши, чем те которые имеют место на современных машинах. Увеличение длины ковша ведет с одной стороны к увеличению геометрического объема ковша, но при этом увеличиваются габариты рабочего оборудования и машины в целом. Кроме того, растет общая металлоемкость скрепера, а, следовательно, и стоимость машины. Весовые характеристики скрепера существенно влияют на скорость его перемещения, а, следовательно, на производительность и эффективность работы машины.

Для определения изменения массы скрепера в зависимости от длины ковша вся машина (как тягач, так и рабочее оборудование) была рассмотрена как ряд элементов (ковш, тяговая рама, передняя заслонка, задняя стенка, ППС, гидроцилиндры управления заслонкой, задней стенкой, подъемом и опусканием ковша, рама тягача, трансмиссия тягача, заправочные емкости и кабина тягача, колеса тягача и рабочего оборудования). Для каждого элемента составлена расчетная схема его на прочность, в которой учитывается изменение нагрузок от собственного веса и от веса породы и плеч действия сил, диаметра колес, поперечных сечений элементов, смещения центра тяжести машины и изменения ее габаритов в целом. Каждый элемент был просчитан пошагово с учетом коэффициента увеличения длины ковша Lк/Lк0 в диапазоне 1,0—2,5 с шагом 0,25.

Рис. 1. Изменение металлоемкости скреперов в зависимости от коэффициента удлинения ковша L1/LКo: а) - общая металлоемкость; б) - удельная металлоемкость; 1 - для скрепера ДЗ-11; 2 - для скрепера Д3-13; 3 - для скрепера ДЗ-107

Здесь LК- длина увеличенного ковша, а LКo- изначальная длина ковша. После определения геометрических и весовых параметров каждого из элементов, рассчитаны геометрические и весовые параметры машины в целом.

Исследования проводились для наиболее распространенных и перспективных моделей скреперов различных типоразмеров, производимых в РФ и странах СНГ. Определены общая металлоемкость скреперов, а также удельная, отнесенная к объему ковша (рис. 1).

Расчеты показывают, что при увеличении длины ковшей, например, в 2 раза их геометрическая емкость увеличивается всего на 60...65%. Это связано с тем, что растет только объем ковша в области днища, а объемы в области передней заслонки и задней стенки остаются неизменными.

Удельная металлоемкость с увеличением длины ковша снижается, достигает минимальных значений, а потом вновь начинает возрастать (данный график представляет собою параболическую зависимость). Для скреперов ДЗ-11, Д3-13 экстремальные значения характерны при отношении LК/LК0 равном 1,70-2,00. Металлоемкость скрепера ДЗ-107 на всем диапазоне снижается, однако тоже представляет собой параболическую зависимость, минимальные значения которой можно ожидать при LК/LК0=2,70...2,90. Удельная металлоемкость скреперов с удлиненным ковшом несколько выше, чем у существующих (эталонных) скреперов. Это объясняется наличием у машин интенсификатора загрузки, что увеличивает их

Рис. 2. Изменение технико-экономических показателей скреперов в зависимости от коэффициента удлинения ковша LК/LК0 при дальности транспортировки породы 3000м: а) - эксплуатационная производительность; б) - удельная себестоимость; 1- для скрепера ДЗ-11; 2- для скрепера Д3-13; 3- для скрепера ДЗ-107

массу. В тоже время при экстремальных значениях LК/LКo удельные металлоемкости эталонных и проектируемых машин отличаются незначительно. Для скреперов ДЗ-11, ДЗ-13 ^/УК]этал =

2,10__2,11, а у модернизированных машин при LК/LК0 = 1,70...1,90

G/VК = 2,13_2,14, то есть отличаются не более чем на 1,0—1,5 %.

Для определения оптимальной длины ковша скрепера с ППС составлена целевая функция, представляющая собой зависимость удельных затрат на разработку и перемещение единицы объема породы скрепером С1уд от коэффициента удлинения ковша Lк/Lк0 при определенной дальности транспортировки Lmp . Дальность транспортировки породы в отвал скрепером принималась пошагово в интервале от 100 до 3000 метров. Решение целевой функции численными методами для каждого конкретного скрепера дает возможность выявить оптимальную длину ковша, при которой себестоимость работ достигает минимального значения (рис. 2).

С увеличением длины ковша эксплуатационная производительность П|Э замедленно возрастает и достигает максимальных значений при

^</^со = 2,02_ 2,33 (в зависимости от марки скрепера и дальности транспортировки породы), после чего начинает снижаться. Это связано с ускоренным ростом металлоемкости скрепера. Удельная себестоимость единицы работ, напротив, с удлинением ковша снижается и достигает ми-

нимальных значений при LК/LК0 = =1,53 _ 1,79. Меньшие значения LK/LK0 характерної для скреперов ДЗ-11 и Д3-13, а большие для ДЗ-107. При уменьшении дальности транспортировки породы оптимальная длина ковша скрепера несколько уменьшается.

Значительное увеличение длины ковша может привести к возникновению критического состояния, когда сопротивление от трения массива породы по днищу и стенкам ковша будет настолько велико, что под действием задней стенки произойдет выпирание породы, т.е. призмы выпирания (ПВ), с последующим ее пересыпанием через боковые стенки ковша, а вся масса впереди ПВ не будет двигаться в ковше в сторону подножевой плиты.

Стендовые исследования процесса разгрузки мелкозернистой породы (песка, супеси, суглинка) из модели ковша свидетельствуют о том, что такое критическое состояние может возникнуть при увеличении длины ковша в 1,7—2,1 раза по отношению к длине ковшей существующих скреперов. В связи с этим аналитическое определение сопротивления разгрузке удлиненных ковшей скреперов проводилось для критического состояния породы.

Таким образом, сопротивление передвижению задней стенки при разгрузке удлиненного ковша скрепера равно (рис. 3):

F = F + F + Рзс,

пас к ин ’

где Frlас - пассивный отпор породы ПВ задней стенке; Fк - сопро-

□ з.с

тивление качению роликов задней стенки по днищу ковша; Рин -сила инерции движущейся задней стенки.

В свою очередь пассивный отпор породы ПВ равен:

F = F + 2F + F + Рп

пас лоб тр.б тр.дн ин»

где Fлоб - сопротивление сдвигу по лобовой поверхности ПВ; Fтр б - сопротивление трения породы ПВ по боковой стенке ковша;

Fтр дн - сопротивление трения породы ПВ по днищу ковша; РПн -сила инерции поступательно движущейся массы породы в ПВ.

Рис. 3. Расчетная схема к определению сопротивления перемещения задней стенки

Составляющие, входящие в уравнение для определения F , определяются по известным зависимостям [5].

После определения параметров ковша из условия минимальности затрат на выполнение единицы работ, а также возможности разгрузки удлиненного ковша, подбираются наиболее рациональные параметры ППС и траектория ее движения, с точки зрения уменьшения энергоемкости работы интенсификатора, и максимально возможного заполнения задней части ковша породой.

С целью определения затрат энергии и мощности на перемещение ППС внутри ковша, разработана расчетная схема для определения сопротивлений движению ППС (рис. 4). Сопротивление перемещению ППС по сложной траектории можно разложить на две составляющие Рх-, Рг , которые в общем виде равны [5]:

Рис. 4. Расчетная схема к определению сопротивления перемещению ППС РХ' = PpC0S(P - «о) + 2Ртр.б + Ртр.дн C0sac - Ртр c0sap +

+ (G + Gc) sin «о + Pj,

PZ' = Ррsin (P - «о) - Ртр.дн sin «о + Ртр sin «р + (G + Gc) Cosac,

где Рр - сопротивление резанию, определяемое из условия предельного состояния при пассивном отпоре породы ПВ, надвигающейся ППС; Ртр.б - сопротивление трения породы ПВ по боковой

стенке ковша; Ртр дн - сопротивление сдвигу основания ПВ; Ртр -сопротивление трения породы ПВ о лобовую поверхность ППС; G - вес породы ПВ; Gc - вес ППС; Pj - сопротивление, связанное с преодолением сил инерции, при разгоне прирастающей массы породы в ПВ; ас - угол наклона траектории движения ППС к горизонту; ар - угол установки ППС (резания породы); ( - угол наклона ПВ по поверхности сдвига к горизонту.

Расчеты по приведенным зависимостям показывают, что для привода интенсификатора типа ППС в зависимости от модели скрепера, длины его ковша и свойств породы необходимо от 30 до 50 % номинальной мощности двигателя базового тягача. Поскольку копание на заключительной стадии ведется с максимальным использованием мощности тягача, одновременное

включение в работу ППС невозможно. Следовательно, для того чтобы включить интенсификатор необходимо остановить скрепер и прекратить копание. Но, это приведет к увеличению времени цикла машины. Предлагается для привода ППС использовать гидроаккумуляторы, заряжаемые при движении скрепера с порожним ковшом в сторону забоя. Расчеты показывают, что скреперы с удлиненным ковшом, оснащенные интенсификато-рами загрузки в виде ППС, имеют лучшие техникоэкономические показатели, чем скреперы, на которых установлены скребковые или шнековые элеваторы. У скреперов с ППС экономически целесообразно увеличивать длину ковшей в 1,51— 1,85 раза в сравнении с эталонными [5, 6].

Увеличение вместимости ковшей за счет их удлинения ведет к существенному повышению эффективности вскрышных работ на мелкозернистых талых породах без крупных обломочных включений. Тяговые расчеты показывают, что с увеличением емкости ковша скрепера растет усилие на ножах ковша, в результате скрепер может разрабатывать породу более толстыми стружками.

Проведен расчет удельных приведенных затрат на выполнение вскрышных работ с помощью двух комплектов машин. Первый комплект состоит из скреперов ДЗ-13 с удлиненными ковшами емкостью 23 м3 оснащенными ППС. Второй комплект состоит из одноковшового экскаватора ЭКГ-5А, автосамосвалов БелАЗ-7523 грузоподъемностью 42т, а в качестве планировщика отсыпаемой породы был принят бульдозер ДЗ-126А (базовый трактор ДЭТ-250М). Транспортировка породы осуществляется вверх по уклону в 40, при этом коэффициент сопротивления качению колес был принят 0,05. Производительность по экскавации и перемещению была принята одинаковой. Количество автосамосвалов изменялось в зависимости от дальности перемещения породы.

Комплект, состоящий из скреперов, экономичнее комплекта с автосамосвалами при дальности транспортировки породы на расстояние до 3,43 км. Следует отметить, что

0 1000 2000 3000 3430 L ,м

тр ’

Рис. 5. Изменение удельных приведенных затрат Суд на выполнение вскрышных работ от дальности транспортировки породы Lmp: 1 - комплект скреперов; 2 - комплект экскаватор-автосамосвал-бульдозер

среднее расстояние транспортирования породы редко превышает 3,4 км. Из большого количества ТОК, МК, автобаз, ВМК можно указать лишь Сорский МК (3,58 км), Михайловский ГОК (3,63 км), Магнитогорский МК

(4,73 км), где среднее расстояние транспортировки породы несколько превышает 3,4 км [7].

Внедрение предлагаемой конструкции скреперов в практику послойно-полосовых поточных технологий позволяет снизить себестоимость разработки вскрышных пород крепостью 5-8 по шкале Протодьяконова М.М. в среднем на 20 %, что значительно удешевит стоимость добычи полезных ископаемых.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штейцайг Р.М., Мельников А.С., Этингоф Е.А. Об эффективности без-взрывных послойно-полосовых технологий обработки массивов крепких горных пород// Открытые горные работы. - 2000. - № 4. - С. 34-39.

2. Панкевич Ю.Б., Шимм Б., Денге П. Опыт применения горных комбайнов Wirtgen Surface Miner на угольных разрезах мира// Горная промышленность. -1999. - № 9. - С. 46-52.

3. Авторское свидетельство № 1208143 (СССР). Ковш скрепера/ С.А. Шемякин, С.Е. Никитин и др. Опубл. в БИ. - 1986. - № 4.

4. Авторское свидетельство № 1559056 (СССР). Ковш скрепера/ С.А. Шемякин, Е.С. Глухов и др. Опубл. в БИ.. - 1990. - № 15.

5. Шемякин С.А., Иванченко С.Н., Мамаев Ю.А. Ведение открытых горных работ на основе совершенствования выемки пород. - М.: Изд-во «Г орная книга», 2006. - 315с.

6. Шемякин С.А., Чебан А.Ю., Клигунов Е.С. Повышение эффективности послойно-полосовой технологии открытых горных работ с применением выемочных машин фрезерного типа и скреперов// Горный журнал. - 2003. - № 4-5. - С. 48-50.

7. Открытые горные работы: Справочник / К.Н. Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Винницкий, Н.Н. Мельников и др. - М.: Горное бюро, 1994. - 590 с. ЕШ

— Коротко об авторах --------------------------------

Чебан А.Ю. - старший преподаватель,

Шемякин С.А. - доктор технических наук, профессор,

Тихоокеанский государственный университет.