Проблемы создания экскаваторов для безвзрывной технологии и пути их решения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.Р. Маттис, Г.Л. Зайцев, 2003

УЛК 622.232.879

А.Р. Маттис, Г.Л. Зайцев

ПРОБЛЕМЫ СОЗЛАНИЯ ЭКСКАВАТОРОВ ЛЛЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

На протяжении нескольких десятилетий актуальной задачей горного машиностроения является создание и освоение производства оборудования для выемки крепких пород без буровзрывной подготовки. Внедрение машин, осуществляющих разработку породных массивов, как показывает мировой опыт, позволяет в определенных условиях снизить затраты на подготовку и погрузку горной массы; потери и разу-боживание полезных ископаемых; выбросы вредных веществ в атмосферу, а также расширить границы действующих предприятий. Потребность в такой технике особенно возросла в последние годы в связи с ужесточением требований к экологической безопасности горных работ и качеству добываемого сырья.

Развитие горной техники неразрывно связано с методами разрушения пород. Несмотря на интенсивные работы по изысканию новых способов разрушения ведущиеся в нашей стране и за рубежом, основой для создания рабочих органов продолжает оставаться механический, поскольку другие способы (лазерное воздействие, термоэлектромеханический, гидроструями высокого давления и др.) не вышли еще из стадий исследования и экспериментального изучения или оказались эффективными в весьма узкой области.

Широкий спектр горнотехнических условий карьеров, различная их производительность предопредилили тенденцию развития машин разных по видам и назначению: рыхлительно-буль-

дозерных агрегатов, в том числе с рыхлителями активного действия; навесных гидравлических молотов; гидравлических экскаваторов; компактных роторных экскаваторов; карьерных ком-

байнов (машин послойного фрезерования); экскаваторов с ковшом активного действия. Названные типы машин отличаются конструктивным исполнением, обладают различной энерговооруженностью и технологическими возможностями.

При разработке наклонных и крутопадающих месторождений, как известно, в основном применяются одноковшовые экскаваторы. Это оборудование по сравнению с другими видами выемочно-погрузочных машин позволяет достичь наилучших результатов при селективной разработке сложноструктурных залежей. Когда наряду с селективной производится выборочная выемка полезного ископаемого различного качества, вследствие чего фронт работ имеет сложную конфигурацию, экскаваторам нет альтернативы. В отличие от карьерных комбайнов, осуществляющих послойно - полосовую отработку уступа значительной протяженности, экскаватор может работать при длине фронта до 50 м, легко может быть переведен на другие участки. Внедрение экскаваторов в безвзрывных технологиях не требует изменения параметров вскрытия и рабочей зоны.

По оценке отечественных и зарубежных специалистов в перспективе при производстве выемочно-погрузочных работ одноковшовые экскаваторы будут преобладать, в связи с усложнением горнотехнических условий разрабатываемых месторождений, ростом глубины карьеров и увеличением доли скальных и полускальных пород.

В развитии конструкций карьерных экскаваторов для разработки массивов горных пород выделяется два направления. Первое - основано на использо-

вании гидравлических экскаваторов, в основном предназначенных для экскавации взорванной горной массы, которые по сравнению с механическими лопатами обеспечивают увеличение усилия копания Р в 1.5 - 2 раза при одинаковой массе. Второе направление предусматривает оснащение экскаваторов (механических лопат и гидравлических) ковшом с активными зубьями, получившим в литературе название "ковш активного действия" (КАД). По скорости силового воздействия рабочего органа на забой в первом случае разрушение породы осуществляется статическим способом ( V <

2.5 м/с), а во втором - динамическим ( ^2.5 м/с). Выемка породы из массива обычным ковшом происходящая под действием силы копания Рза счет работы механизмов подъема, напора и отрыва, технически возможна если Р > Рк > кр ■ Ь £ мн/м2, где Рк - касательная сила сопротивления породы копанию; кр - удельное сопротивление копанию; Ь, £ -ширина и толщина стружки. Таким образом, повысить эффективность разрушения массива обычным ковшом возможно только за счет увеличения силы Р или снижения площади поперечного сечения стружки, т.е. путем концентрации усилия Р на забой.

Однако, хотя теоретически экскаваторы в стопорном режиме могут осуществлять выемку весьма прочных пород, на практике их применение в таких условиях имеет ряд существенных недостатков. Увеличение усилия копания сопровождается значительным ростом массы й При работе экскаватора даже в режиме частичного стопорения ковша усилия копания относительно номинального возрастают до 2-х раз, из-за чего продолжительность работы допускается в течение краткого периода времени с перерывами, выемка породы из массива осуществляется с резким снижением производительности.

Поскольку усилия копания крепких пород должны быть весьма высокими, экскаваторы, которые применяют для буро-

взрывной выемки всегда больше, чем нужно для обеспечения требуемой производительности. Так, например, применение специально разработанного ковша вместимостью Е = 8 м3 (вместо стандартного Е = 13,5 м3) для экскаватора фирмы УеЬЬегг ^994 массой 214 тн позволило на добыче известняка при Р=1100 кН, получить удельное усилие на режущей кромке ковша 350 кН/м, производительность - 500 - 650 т/ч. В условиях безвзрывной разработки аналогичных пород с погрузкой в автотранспорт экскаватором ^992 с ковшом вместимостью 6.4 м3 (стандартная

9.6 м3) производительность составила 400 т/ч [1].

Для концентрации усилий обратной лопаты применяют рыхлитель с адаптером, позволяющий быстро производить смену навесного оборудования и осуществлять подготовку горной массы в период отсутствия автосамосвалов.

Немецкая фирма БОЬД ЬД-БЕТЕСНГОК выпускает экскаватор с конструктивно-

компоновочной схемой рабочего оборудования типа ЬБ отличной от аналогов известных зарубежных фирм. Кинематическая схема передачи усилия на рукоять машины позволяет увеличить усилие копания примерно на 18%. Экскаваторы типа ЬБ-М превосходят лучшие гидрофици-рованные выемочно-погрузочные машины по производительности на 8-10%, удельной металлоемкости на 25-30%, уровню энергопотребления - до 2-х раз, [2, 3].

Однако, одним из радикальных путей повышения энергосилового воздействия на забой исполнительных органов выемочнопогрузочных машин - оснащение их ударными устройствами. Например, освоение в практике открытых разработок тракторных рыхлителей активного действия позволило повысить производительность безвзрывной подготовки массива к экскавации и до 60% сократить удельные затраты на дробление пород.

Оснащение ковша ударными зубьями позволяет благодаря практически мгновенному переходу кинетической энергии удара

в массив получить на лезвии зуба усилия до 3500-4500 кН и более, что в несколько раз выше показателей копания современных гидравлических экскаваторов равного класса. Кроме того, если при разрушении породного массива режущей кромкой ковша, реакция породы, достигающей весьма большой величины, воспринимается всей конструкцией экскаватора, то при ударном разрушении она замыкается в системе порода - инструмент -ударник машины и лишь в незначительной мере передается на узлы основной конструкции. Это позволяет использовать для ударных устройств машины значительно меньшей массы.

Идея создания экскаваторов с ударными зубьями была выдвинута в нашей стране еще в 30-х годах прошлого века. Однако трудности, с которыми пришлось столкнуться при создании такого оборудования практически удалось преодолеть только по прошествии нескольких десятилетий. Работы в этом направлении, как показал анализ патентных материалов по этой тематике, ведутся во многих странах.

Реализация этой идеи потребовала выполнения комплекса научно-исследовательских и проектно-технологических работ:

исследования закономерностей ударного разрушения горных пород; создания достаточно мощных (при относительно малых габаритах) и надежных ударных устройств для привода активных зубьев; отработки конструкции самих ковшей; изучения нагрузки на металлоконструкцию и приводы экскаватора, а также санитарно-гигиенических условий на

рабочем месте машиниста; определения рациональных условий применения такого оборудования и ожидаемых технико-

экономических показателей и др.

Фирмами "Фест-Альпине" и "Нидермайер" (Германия) создано и успешно испытано рабочее оборудование с ковшом активного действия для гидравлических экскаваторов массой 60 и 115 т., [4, 5]. Сообщается, что при выемке пород прочностью до 40 МПа коэффициент заполнения ковша увеличивается с 65 до 89%, продолжительность черпания сокращается на 31%, время загрузки одного самосвала - на 40%. В итоге производительность экскаватора повышается на 32%.

В России экскаватор с ковшом активного действия ЭКГ-5В разработан и освоен в производстве ОАО "Уралмаш" на базе ЭКГ-5А по техническому заданию ИГД СО РАН в 90-е годы прошлого столетия. Новая модель экскаватора относительно базовой машины имеет несколько увеличенные габаритные размеры поворотной платформы из-за размещения на ней компрессора, ресивера, трансформатора и другого дополнительного оборудования.

Принципиальные решения, заложенные в конструкцию экскаватора с КАД, защищены патентами Российской Федерации и США.

Результаты эксплуатации 6 экскаваторов в различных горнотехнических и климатических условиях показали, что их применение позволяет расширить область безвзрывной разработки пород до средневзвешенной прочности на сжатие ст = 60 МПа,

OCHOBHЫE XAPAKTEPИCTИ КИ OAHOKOBШOBЫX ЭKCKABATOPOB AЛЯ БEЗBЗPЫBHOЙ PAЗPAБOTKИ MAC^BA ПOPOA

Наименование Модель экскаватора

параметра R - 992 LB -Б00М ЭКГ-ЗВ

Вместимость ковша, м б.4 (9.б)* б З

Рабочая масса, т 14б ВЗ 20З

Мощность привода, кВт З7З 230 2З0, 200**

Максимальное усилие копания, кН 900 3б0 4З0

Энергия единичного удара, Дж - - 1700

Частота ударов, Гц - - 7

Прочность разрабатываемых пород б0-В0 40 б0-В0

без буровзрывной подготовки, МПа

* в скобках вместимость ковша серийной модели экскаватора; ** мощность привода компрессора, питающего сжатым воздухом пневмомолоты

Зависимость технической производительности экскаватора от прочности разрабатываемых пород на сжатие:

1, 4 - выемка после буровзрывной подготовки ЭКГ-5А (1) и ЭКГ-12 (4);

2, 3, 5, 6 - безвзрывная разработка, ЭКГ-5В (2, 3) и ЭКГ-12В (5, 6).

2 - А = 2 кДж,п = 6 Гц;

3 - А= 3 кДО, п = 9 Гц

5 - А = 4 кДж,п = 4 Гц;

6 - А = 7 кДж,п = 8 Гц.

20 40 60 S0 100

G , МПа

а отдельные включения могут эффективно выниматься и большей прочности [б, 7]. Средний эквивалентный уровень звука, излучаемого в окружающую среду при работе пневмомолотов, не превышает нормативных показателей, в результате чего безопасные границы горных работ могут быть снижены до 100-120 м.

Сопоставление основных показателей ЭКГ-ЗВ с показателями экскаваторов, применяемых за рубежом при безвзрывной выемке, показывает (табл.), что энергосиловые возможности механической лопаты с ковшом активного действия позволяют разрабатывать массив с прочностью на сжатие пород в 1.З-2 раза выше, чем при использовании машин LB-500M. Техническая производительность ЭКГ-ЗВ и R-992 примерно равна при одинаковой прочности разрабатываемых пород, а стоимость отечественной механической лопаты с ковшом активного действия соответственно в 2 и 4 раза ниже названных зарубежных аналогов.

В связи с тенденцией увеличения единичной мощности горно-транспортного оборудования на карьерах в ИГД СО PAH на основе ранее полученных результатов, обоснованы параметры рабочего экскаватора ЭКГ-12В, [В, 9]. Прогнозная оценка технических возможностей и важнейших показателей работы новой модели экскаватора (производительность и энергоемкость экскава-

ции) в зависимости от структурно-прочностных свойств массива пород произведена на основе экспериментальных данных, полученных во время эксплуатационных испытаний экскаваторов ЭКГ-5В, а также инструментальных замеров их энергетических параметров, выполненных сотрудниками НИИТяжмаш при выемке доломитов с включениями песчаника крепостью от 40 до 80 МПа.

Опыт эксплуатации показал, что применение экскаваторов с КАД в сравнении с серийными экскаваторами на погрузке взорванной горной массы, при располагаемой мощности ударных устройств, ограничено породами средней крепости. Это обусловлено тем, что производительность таких экскаваторов, как и других машин, осуществляющих выемку пород из массива, с увеличением крепости пород на сжатие значительно снижается, а энергоемкость процесса возрастает. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что существует резерв повышения технического уровня экскаваторов с КАД. Существенный рост производительности и технико-экономических показателей таких экскаваторов может быть достигнут за счет увеличения мощности, надежности и ресурса молотов, а также повышения срока службы ударных зубьев. Для рабочего оборудования у которого энергоносителем является сжатый воз-

дух этого можно достичь комплексным решением следующих задач: совершенствованием конструктивной схемы пневмомолотов - основного элемента исполнительного органа, повышением подачи компрессора и применением новых износоустойчивых материалов.

До настоящего времени техническим ограничением ударной мощности ковшовых пневмомолотов N является производительность отечественного компрессорного оборудования (Qk < 32 м3/мин). Величина Nсвязана с Qk соотношением N = An = Qk / (mkO) где A,n - энергия и частота ударов пневмомолота; Qk - производительность компрессора; % -расход сжатого воздуха на киловатт мощности пневмоударного устройства; m - количество ударных зубьев в ковше; ко - коэффициент, учитывающий одновременность, продолжительность включения пневмомолотов и наличие ресивера в сети.

Однако за рубежом фирмами Atlas Copco, Ingersoll - Rand и др. для буровых станков выпускаются компрессора с подачей до 180 м3/мин и давлением до 1.8 МПа [10]. При комплектации экскаваторов компрессорным оборудованием с такими техническими характеристиками, как показали расчеты, ударную мощность пневмомолотов можно увеличить в 2.2-3.5 раза, что позволит значительно увеличить производительность и эффективно осуществлять безвзрывную выемку горных пород усредненной по забою прочностью до 80-100 МПа (рисунок).

Конструкция экскаватора с КАД, как и любой другой машины, должна предусматривать взаимное соответствие по мощности и производительности всех узлов, выполняющих различные операции. Реализация больших ударных мощностей приведет к увеличению металлоемкости рабочего оборудования, а следовательно к повышению массы экскаватора. Естественно, увеличение мощности рабочего оборудования связано с дополнительными затратами и поэтому стоит задача поиска его рационального

уровня. Оснащение экскаваторов более мощным компрессором и другим дополнительным оборудованием может быть оправдано только высокими техникоэкономическими показателями новых моделей экскаваторов, превосходящих обычные машины и буровзрывную подготовку гор-

ной массы (или прежние модели экскаваторов с КАД).

В заключение отметим, что .ание уте нового в с ков-является

бе

звзры

разработки горцы

изложенное дает осно верждать, что создан} поколения экскаваторе шом активного действи

одним из основных наї равлений

совершенствования тех

1. Анистратов К.Ю. Безвзрывная выемка полу-скальных пород на карьерах стройматериалов гидравлическими экскаваторами фирмы LIEBHERR // Горная промышленность - 1998. - №1.

2. Виницкип К.Е., Васильев В.А., Удачина Т.Е. и др. Освоение гидравлических экскаваторов нового поколения в практике открытых разработок // Горная промышленность - 1998. - N2.

3. Пучков М.М, Удачина Т.Е, Васильев В.А., Хаспе-ков П.Р. К вопросу технико-экономического переоснащения открытых горных разработок // Открытые горные работы- 2000. - N3.

4. Vibratory Bucket butts through hard rock // World Construction. - 1987.-V.102.

5. Weissflog J. Mobile equipment for excavation or crushing and transportation of hard material in openpits. International Journal of Surface Mining.- 1989.- V.3, N3.

ров

взр

Ne

соо

12В

Отк

ШРОШО ОБ AB^PAX

Маттис А.Р. — доктор технических наук, Институт горного дела С Зайцев Г.Д. — кандидат технических наук, Институт горного дела

ники для

массивов. Освоение производст ва и внедрение таких экскавато ров будет способствовать повы шению эффективности открытых горных работ в различных гор нодобывающих отраслях.

CПИCOK ЛИTEPATУPЫ

Маттис А.Р, Лабутин В.Н, Лысенко Л.Л и др От т создания и эксплуатации экскаватора ЭКГ-5В /, Гор)ый журнал - 1997. - №10.

Рехтман А.П, Ворончихин Ю.Г., Муйземнек Ю.А Испытания экскаватора ЭКГ-5В с ковшом активного дей ств я // Механизация строительства - 1998.- N11.

8. Маттис А.Р, Зайцев Г.Д. Обоснование парамет экскаватора большой единичной мощности для без .1вной разработки горных пород // ФТПРПИ - 2000. -

9 Маттис А.Р, Зайцев Г.Д, Толмачев А.В. О целе >разности освоения производства экскаватора ЭКГ для безвзрывной добычи полезных ископаемых /, эытые горные работы - 2000.- №3.

10. Справочник. Открытые горные работы / К.Н Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Виницкий, Н.Н. Мельнико! и др - М.: Горное бюро, 1994.

Э PAH, г. Новосибирск. СО PAH, г. Новосибирск.

© M.B. Разумов, Л.П. Boлкoва, 2003

УAK 622.232.7

M.B. Pазумoв/ Л.П. Boлкoва

ПРИKЛAAHOЙ MOAУЛЬ PACЧETA ПPOИЗBOAИTEЛЬHOCTИ CAПP

CTPУГOBЫX У—TAHOBOK

В 1м этапом создания САПР ;овых установок является аботка пакета прикладных модулей. Расчет производительности струговых установок с использованием современных методик и отраслевых стандартов является при этом существенной

частью проектирования САПР струговых установок (САПР СУ).

Ра зработанный прикладной модуль расчета производительности струговых установок может быть использован как отдельный модуль, так и в составе САПР СУ. Этот модуль представлен в виде блок-схемы на рисунке. Приклад-

ной модуль включает целый ряд подпрограмм, которые на этапе проектирования позволяют правильно выбирать параметры струга и резцового инструмента для заданных условий эксплуатации, производить расчеты высоты исполните льного органа, глубины резания резцами струга. При этом расчет толщины стружки производится по программам, разработанным по разным методикам. По результатам этих расчетов производится сравнение и выбор максимальной толщины стружки, по которой рассчитываются производительности струговой установки. Предусматривается вариант расчета производительности струга с активной погрузкой угля.

Конструкция струговой установки с активной погрузкой угля представляет собой струговый исполнительный орган, снабженный лопастными погрузочными устройствами, установленными на каждой погрузочной поверхности струга и приводимыми во вращение с помощью полиспаст-ной схемы запасовки тяговой цепи [1, 2]. Сравнение вариантов расчета производительностей серийно выпускаемого струга и струга с активной погрузкой угля позволит определить, насколько эффективнее применение последнего для данных условий эксплуатации.

С целью оценки производительностей струговых установок применяется программный модуль построения графических зависимостей производительностей струговых установок от толщины снимаемой стругом стружки, который позволит визуально установить технический и эксплуатационный уровни производительностей проектируемой струговой установки.

Прикладной модуль может использоваться для расчета производительностей струговых установок разных типов, многократного расчета производительностей на любом этапе проектирования и входит в состав пакета прикладных программных модулей САПР СУ [3]. Данный модуль позволяет рассчитать производительность конкретной струговой установки, а также выбрать параметры проектируемой струговой установки, обеспечивающей заданную максимальную производительность.

Прикладной модуль предусматривает возможность изменять высоту исполнительного органа струга в соответствии с конструктивным рядом высот исполнительного органа для данного типа струговой установки. Производится выбор оптимальной высоты исполнительного органа и для этой высоты при заданной сопротивляемости угля резанию определяется оптимальная глубина резания стругом. Затем рассчитываются производитель-

ности выбранных типов струговых установок при оптимальной глубине резания. После построения и анализа графических зависимостей производительностей струговых установок принимается решение, а также осуществляется проверочный расчет производительности выбранных струговых установок по номограммам. При неудовлетворительных результатах проверки необходимо изменить исходные данные и повторить расчет.

Выходные расчетные параметры выбранной струговой установки должны быть проверены в программных модулях расчета силовых и режимных параметров системы “струг-конвейер”.

Применение прикладного модуля производительностей позволяет производить расчеты серийно выпускаемых и вновь проектируемых струговых установок, а также он может быть использован в учебном процессе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.с. N 541985. Струговая установка / В.И. Солод, Н.Г. Картавый, М.В. Разумов и др. - Б.И., N1, 1977.

2. Повышение эффективности работы струговых установок на весьма тонких пластах / М.В. Разумов - Сб. научн. тр. "Проблемы повышения надежности, уровня безаварийной эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий. Ч.II. Обеспечение

качества и надежности горных машин и оборудования на различных стадиях их жизненного цикла". - М., МГГУ, 1994.

3. Выбор силовых и режимных параметров при автоматизации проектирования струговых установок. / М.В. Разумов, Л.П. Волкова - Сб. науч. тр. “Горный информационноаналитический бюллетень”, № 12.- М., МГГУ, 2001.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Разумов Михаил Васильевич - доцент, кафедра «Горные машины и оборудование», Московский государственный горный университет.

Волкова Людмила Петровна - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Вычислительные машины», Московский государственный горный университет.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

решения

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ЗАЙЦ_МАТ

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB5_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm Проблемы создания экскаваторов для безвзрывной технологии и пути их

Alla A

21.04.2003 16:39:00 10

08.11.2008 0:33:00 Таня

14 мин.

08.11.2008 0:57:00 5

3 199 (прибл.)

18 237 (прибл.)