Совершенствование выемочно-погрузочного оборудования

На металлических рудных карьерах для выемки и транспортирования руд применяют экскаваторы и автосамосвалы. Важнейшим шагом в их развитии в последнем десятилетии явилось создание электрических экскаваторов типа мехлопаты с ковшами емкостью 9,4—19,5 м3. Горнодобывающие компании обычно применяют экскаваторы с наибольшей возможной емкостью ковша для данных условий. Однако по мере увеличения размеров экскаватора уменьшается возможность шихтовки руды и управления ее качеством.

Технические характеристики экскаваторов основных типов, выпускаемых в США, приведены в табл. 76.

Среди гигантских машин, используемых на рудных карьерах, с номинальной емкостью ковша 16,8—33,6 м3 крупнейшей является экскаватор Харнишвегер 2800. Фирмой PaH была создана полупроводниковая система Электроторк, способная преобразовывать переменный ток в постоянный без помощи каких-либо устройств с вращающимися частями. В этой системе применяются тиристоры высокой мощности и электронные схемы, обеспечивающие высокую степень готовности и близкое соответствие статических и динамических характеристик. Благодаря этому удается избежать перегрузок по крутящему моменту, что позволяет снизить напряжение на механических передачах и во всей конструкции экскаватора. При этом сокращается объем ремонтных работ в механической части машины и повышается коэффициент ее готовности.

Особенность конструкции стрелы заключается в соединении ременным приводом двигателя и редуктора напорного механизма. Привод состоит из группы клиновых ремней, что препятствует перекручиванию их при неожиданной ударной нагрузке.

Система привода перемещена ближе к приводам рабочих органов. Основание двигателя ходовой части и трехскоростная коробка передач крепятся болтами к задней части корпуса. Каждая гусеничная рама снабжена клиновым воздушным тормозом на пружинах и пневматической управляющей кулачковой муфтой. Все шестерни в системе привода ходовой части погружены в масло. Двигатель и коробка передач легко снимаются для ремонта.

Ma карьере Кананеа в Мексике экскаватор модели PaH 2800 называют Ля Пара Гранде. Он имеет ковш емкостью 19,1 м3 и используется для загрузки автосамосвалов грузоподъемностью 170 т.

Фирма «Марион Пауер Шавел» выпускает одноковшовые экскаваторы всех типов. Их типоразмерные ряды разбивают на три группы: мехлопаты для скальных пород с ковшами емкостью от 1,5 до 27 м3, драглайны (на шагающем ходу) с ковшами емкостью от 7 до 138 м3 и вскрышные мехлопаты на гусеничном ходу с ковшами емкостью от 50 до 160 м3 (табл. 77, 78).

В современных моделях, характеризующихся постоянным ростом емкости ковша экскаватора, используют следующие усовершенствования: раздельные приводы механизма хода, установленные на нижней ходовой раме; электрический или гидравлический привод для механизмов передвижения и напора; неразъемную рукоять, составляющую одно целое с задней стенкой ковша.

Применение гидравлического механизма напора исключило промежуточные валы и зубчатые передачи. Два ведущих напорных вала с кремальерными шестернями имеют раздельный привод. Сдвоенные кремальерные передачи устанавливаются ка нижней поверхности рукояти. Двигатели напора взаимозаменяемы с ходовыми двигателями, которые работают раздельно для каждой гусеницы, что позволяет экскаватору разворачиваться практически на месте. Привод механизмов подъема и попорота выполнен по системе Г-Д.

Оригинальной конструкцией отличается новая модель экскаватора фирмы «Марион Пауер Шавел», известная под названием Суперфронт. Основное ее отличие заключается в том, что ковш экскаватора внедряется во взорванную массу непосредственно на уровне подошвы уступа. При прямолинейном движении ковш скалывает породу, а не «выгрызает» ее зубьями.

Впервые новая система была применена на машинах модели 194M-HR-1 и 203M-HP-1R с ковшами емкостью соответственно 16 и 19,9 м3.

Система Суперфронт потребовала радикального изменения конструкции стрелы и рукояти ковша, несмотря на то, что машина имеет радиус действия такой же, как и у обычного экскаватора. Передняя часть экскаватора менее массивна, более эффективна и отличается большей прочностью, имеет гидравлический напорный механизм и устройство, позволяющее контролировать угол наклона ковша. Стрела представляет собой жесткую конструкцию, а механизм подъема выполнен таким образом, что обеспечивает сосредоточение подъемно-напорных усилий. Машинист может поддерживать постоянный угол наклона ковша относительно подошвы и перемещать ковш длинными заходками по прямой, зачищая и планируя почву пласта. Сочетание управления подъема ковша, напорного механизма и наклона ковша позволяет значительно повысить усилие черпания, на 33% увеличить емкость ковша экскаватора при неизменной мощности машины, на 15—20% — коэффициент заполнения ковша и сократить продолжительность цикла погрузки.

В начале цикла погрузки машинист экскаватора выбирает угол наклона ковша. Когда ковш достигает оптимальной точки в подошве уступа, машинист освобождает механизм регулирования наклона ковша, что позволяет ковшу повернуться вверх до остановки его механическими упорами.

При ходе ковша вверх развивается разрушающее усилие 1108 кН и более; в 3,5 раза повышается стойкость зубьев ковша, при этом производительность экскаватора значительно больше, чем у традиционных экскаваторов. Все механизмы экскаватора размещены на поворотной платформе, что улучшает условия обслуживания и способствует повышению надежности машины.

Фирма «Бьюсайрус Эри» выпускает для горной промышленности экскаваторы емкостью ковша от 6,9 (модель 155-В) до 16,1 м3 (модель 295-В). Блочная конструкция экскаваторов позволяет при их ремонте снимать целые узлы. Одними из особенностей являются низкое расположение привода ходовой части и использование в приводе низкоинерционных дисковых пневматических муфт. Все рукояти ковшей трубчатые. У экскаваторов, предназначенных для эксплуатации в жарких климатических условиях или на большой высоте, предусматриваются вентиляторы повышенной мощности, а также комплексная высотная фильтрационная и вентиляционная системы. Экскаваторы, предназначенные для работы в холодных климатических условиях, оснащены специальными низкотемпературными пневматическими шлангами и низкотемпературной смазкой для электрооборудования, баками для смазочных материалов с подогревом, утепленным машинным отделением с калориферами.

Перспективным направлением в экскаваторостроении фирмы «Бьюсайрус Эри» является создание экскаваторов с гидравлическим приводом. Одним из первых был сконструирован экскаватор Даблер с ковшом емкостью 4,6 м3. Ковш экскаватора перемещается в вертикальной плоскости при неподвижной рукояти, что облегчает его наполнение и разгрузку, а также зачистку подошвы уступа после взрыва. Другая модель экскаватора Даблер сконструирована на базе мехлопат: модель 150-В, 190-В и 280-В с мотор-генераторным приводом и снабжена качающейся рукоятью, стрелой с регулируемым углом наклона и ковшом емкостью 19,8 м3.

Экскаватор имеет большое усилие черпания и позволяет лучше проработать подошву уступа. В нем сочетаются положительные качества мехлопат и колесных погрузчиков.

Впервые гидравлические экскаваторы начали применяться в Европе. В настоящее время они стали неотъемлемой частью оборудования на ряде карьеров и разрезов США благодаря повышенной маневренности, лучшей избирательной способности и более высокой производительности по сравнению с обычными мехлопатами.

Наряду с машинами, выпускаемыми фирмами «Оренштейп энд Коппель» (ФРГ) и «Демаг» (ФРГ), на рынках США появились экскаваторы собственного производства, успешно конкурирующие с импортными. Их поставляют фирмы «ФМС, Линг-Белт», «Бьюсайрус Эри», «Катерпиллер» и Кёхринг» (табл. 79).

Французская фирма «Поклейн» выпускает в настоящее время девять моделей гидравлических экскаваторов. Наибольшее распространение получил экскаватор НС-300, который оборудуется как прямой, так и обратной лопатой. Он снабжен дизельным двигателем, который соединен через цепную передачу со сдвоенными гидравлическими насосами, обеспечивающими гидравлическую энергию для всех гидромоторов экскаватора.

Последней моделью фирмы «Поклейн» является мощный экскаватор 1000 СК, который оборудуется прямой лопатой с ковшом емкостью до 8,4 м3 и обратной с ковшом емкостью до 5 м3. Экскаватор 1000 CK является улучшенной моделью экскаватора ЕС 1000.

Новый экскаватор совместно с тремя другими машинами этой же фирмы используется на вскрышных работах в карьере Алберта (Великобритания). Вскрышные породы, представленные аргиллитами, разрабатываются экскаватором без предварительной подготовки и грузятся в автосамосвалы Терекс R45. Время загрузки каждой машины в среднем составляет 1,9 мин. Несмотря на то, что рабочее оборудование нового экскаватора осталось без изменений, часовая производительность его увеличилась на 10—15% и достигает 1250 т при коэффициенте использования рабочего времени экскаватора 91%.

Оборудованный стрелой длиной 5,5 м и двухчелюстным ковшом емкостью 8,4 м3 с рукоятью длиной 4 м экскаватор 1000 CK развивает режущее усилие на зубьях ковша 840 кН. При использовании на экскаваторе ковша емкостью 8,7 м3 для погрузки скальных пород высота разгрузки составляет 8,2 м, а радиус черпания — 5,51 м.

В машинном отделении экскаватора установлены два насосных агрегата, для привода которых служат 12-цилиндровые дизели с U-образным расположением цилиндров и с турбонаддувом, развивающие мощность 306,4 кВт. Расход топлива каждым дизелем составляет около 59,3 л/ч, масла — 11,3 л/сут.

Как и на всех новых гидравлических экскаваторах фирмы «Поклейн», на экскаваторе 1000 CK установлена гидравлическая система «Варидин» с двумя насосами, соединенными с дизелями с помощью эластичных муфт. Каждый насос состоит из четырех групп цилиндров, радиально расположенных вокруг коленчатого вала. Каждая группа включает три цилиндра, подающих в систему 170 л/мин рабочей жидкости при номинальной частоте вращения двигателя. Производительность каждого насоса составляет 680 л/мин.

Рабочее давление в системе обычно не превышает 32 МПа, но при подъеме тяжело нагруженных ковшей оно может быть увеличено до 42 МПа.

Гидравлическая система «Варидин» снабжена устройством, автоматически регулирующим подачу рабочей жидкости в зависимости от давления, обусловливаемого нагрузкой. При выходе из строя одного из дизелей или одного из насосов экскаватор сохраняет работоспособность.

Мощный гидравлический экскаватор РН-60 выпускает фирма «Оренштейп энд Коппель». Экскаватор снабжен ковшом емкостью 7,6 м3 для разработки скальных пород и двумя дизельными двигателями общей мощностью 567 кВт. Масса экскаватора 105 т, напорное усилие и усилие наполнения 500 кН.

На последней выставке в Лас Вегасе компания «Оренштейн энд Коппель» демонстрировала новую модель гидравлического экскаватора RH-300, самого крупного в мире среди машин подобного типа, снабженного ковшом емкостью 22,9 м3 в стандартном исполнении (рис. 45).

При работе в качестве обратной лопаты па экскаватор навешивают ковши емкостью 16 или 12 м3. В этом случае выемка грунта ведется на глубине 12,8—15,8 м. Гидравлический привод обеспечивает усилие резания на концах зубьев, равное 2180 кН. Ходовая тележка экскаватора имеет размеры 8,5х7,2 м, она герметически закрыта и не требует смазки весь срок службы. Удельное давление на грунт 190 кПа. Максимальная скорость движения 2,75 км/ч, максимально преодолеваемый подъем 47%- Экскаватор снабжен двумя дизельными двигателями Камминс, четырехступенчатой гидравлической системой, состоящей из восьми саморегулирующихся насосов. Для управления экскаватором используют электронную систему, независимо от оператора устанавливающую оптимальный режим работ гидронасосов. К ремонту экскаватора предъявляются невысокие требования.

Компания «Кёхринг» предложила новую модель 1066Д мехлопаты с гидравлическим приводом для тяжелых условий работы. Машина оборудуется двумя типами ковшей: ковш с донной разгрузкой для сыпучих материалов и обычный ковш с лобовой разгрузкой для более тяжелых условий черпания.

Тенденции в совершенствовании конструкции драглайнов заключаются прежде всего в увеличении длины стрелы и тем самым повышении эффективности машины. Уже выпускаются серийно стрелы длиной 110 м и более, что стало возможным благодаря новым материалам и новой технологии их изготовления. Возможен выпуск стрел длиной до 122 м. Стрелы большой длины позволяют драглайнам экскавировать руду и вкрышные породы при удельных затратах на экскавацию 1 м3 в целике от 13 до 25 центов. Все драглайны рассчитаны на выполнение цикла с поворотом на 90° менее чем за минуту и должны обеспечивать производительность несколько более 250 тыс. м3 горной массы в год на 1 м3 емкости ковша. Вылет стрелы драглайна 110 м с радиусом разгрузки около 105 м позволяет без переэкскавации вынимать и размещать в отвале породы вскрыши при высоте вскрышных уступов 40—43 м. За последнее десятилетие совершенствование конструкции драглайна проходило за счет:

- применения высокопрочных сталей, повышения качества сварочных швов в сочетании с высокоэффективными методами ультразвукового и рентгенографического контроля, проверки методом магнитной дефектоскопии и испытаниями на твердость по Бринеллю;

- использования радиальной конструкции основания, улучшающей распределение нагрузок, расчета габаритов машины и ее технико-экономических показателей для конкретного заказчика с учетом условий эксплуатации;

- создания более надежной системы шагающего хода путем совершенствования смазки, конструкции валов и цапф, применения подшипников качения и выносных подшипников ходовой части;

- применения блочных систем привода с унифицированными компонентами;

- внедрения автоматической центральной смазки;

- совершенствования конструкции платформы путем изменения толщины нижней поворотной плиты, толщины вертикального ребра и расстояний между агрегатами, применения муфт и шайб из нилатрона в поворотном круге и усовершенствованных антифрикционных подшипников качения в центральной цапфе;

- использования кулачково-салазочного шагающего механизма в мощных драглайнах;

- совершенствования технологии монтажа на месте, включая механическую обработку и сверление для устранения мелких недоработок изготовителя;

- учета при проектировании конкретных температурных условий на месте работ, утепления кабины, использования специальных сталей, вентиляторов, повышенной мощности, кондиционирования воздуха, солнцезащитных экранов и т. д.

Драглайн используется прежде всего в качестве вскрышного оборудования. Однако достижение необходимой производительности при этом, по крайней мере у существующих машин, связано со значительными трудностями и затратами.

Практика подтверждает, что вместо повышения скорости подъема и тяги ковша следует при разработке оптимальной конструкции повышать допустимую нагрузку на ковш, усиливать несущие конструктивные элементы и увеличивать размеры базы.

На поворот ковша с грузом и обратно приходится 55% времени всего цикла. Однако при большей глубине черпания наибольшее значение приобретает время подъема ковша, превышающее время поворота ковша с грузом.

Проблема сокращения цикла работы драглайна частично может быть решена путем оптимального использования электроэнергии и уменьшения инерционных нагрузок, что позволяет достичь максимальной эффективности поворота.

При работе с большими углами поворота ковша и большой высотой подъема растет продолжительность цикла и снижается общая производительность машины. Компенсировать это можно путем оптимизации длины стрелы и радиуса черпания.

Уже сейчас все фирмы-изготовители драглайнов стремятся увеличивать длину стрелы. Фирма «Бьюсайрус Эри» впервые получила заказ на изготовление стрелы длиной 109,7 м. Запросы о возможности изготовления стрел длиной 122 м с ковшом емкостью 76 м3 были получены фирмой «Марион Пауер Шавел». Размер стрел драглайнов, применяемых в угольной промышленности в настоящее время, не превышает 100 м при емкости ковша порядка 53 м3.

Компания «Амакс Коул» располагает драглайном с ковшом емкостью 114,6 м3 производства фирмы «Марион Пауер Шавел». Используемая на экскаваторе алюминиевая стрела позволила сократить продолжительность цикла и повысить производительность машины.

В 1978 г. на разрезе этой же компании начал работать шагающий экскаватор 3270-W фирмы «Бьюсайрус Эри». Эта машина, имеющая ковш емкостью 134,5 м3 и стрелу длиной 100 м, уступает по величине лишь драглайну Биг Маски производства той же фирмы, емкость ковша которого 168 мэ. Новый вскрышной экскаватор массой 7882,2 т рассчитан на максимальную глубину черпания 55 м, высоту головного блока стрелы 70 м и радиус черпания 94,8 м.

Этой же фирмой разработана конструкция ковша с оптимальными параметрами, обеспечивающими повышение производительности драглайна и снижение доли стоимости ковша в общей стоимости машины. Режущая кромка и зубья установлены под углом, при котором достигается максимальное усилие при внедрении в породу с минимальными энергозатратами. Ковши скошены в трех направлениях: зев ковша сужается сверху вниз для компенсации увеличения объема выбираемой породы, ковш сужается спереди назад для облегчения разгрузки, а высота ковша сбоку уменьшается к задней части, что позволяет ему более эффективно удерживать груз «с шапкой».

Параметрический ряд ковшей спроектирован на основе серии отливок с режущей кромкой шириной 200—615 см. Ширина кромки для данной емкости ковша подбирается с расчетом достижения оптимальных пропорций, позволяющих получить хорошую способность внедрения в породу (табл. 80). Стандартные ковши фирмы и их крепление состоят из унифицированных деталей. Взаимозаменяемость деталей позволяет экономить немалые средства, особенно крупным горнодобывающим компаниям, владеющим несколькими карьерами и приобретающим запасные части централизованно.

Для изготовления ковшей фирма применяет сталь пяти различных марок. Режущая кромка и цепи изготовляются из специальной низкоуглеродистой хромо-никелево-молибденовой стали, обладающей хорошей свариваемостью и высокой ударной вязкостью. Сталь, идущая на изготовление режущих кромок, специально разработана техническим отделом фирмы. Для деталей меньшего сечения (пластины, серьги, дуга и режущие башмаки) состав легированной стали модифицирован в соответствии с условиями эксплуатации. Стенки и днище ковша выполняются из горячекатанной листовой стали T-1, обладающей высокой прочностью и стойкостью к абразивным воздействиям. Пальцы изготовляются из износостойкой стали, обладающей хорошей свариваемостью. Втулки закаляются путем цементации или выполняются из марганцовистой стали. Фирма «Бьюсайрус Эри» — единственный производитель ковшей, предлагающий тяговые цепи с коваными сварными звеньями для использования с ковшами большой емкости (61 —168 м3). Высокое качество кованого металла позволяет уменьшить габариты и снизить массу цепи по сравнению с литыми цепями аналогичной прочности.

Практика показала, что кованые цепи обладают повышенной ударной прочностью, менее подвержены износу, требуют меньше ухода и служат дольше, чем литые. Фирма разработала также высококачественную литую цепь для ковшей емкостью 39—61 м3. Эта цепь специально предназначена для драглайнов в отличие от обычно используемых в этом случае корабельных цепей. Цепь состоит из звеньев особой конструкции высокой прочности, выполненных из того же износостойкого ударновязкого специального сплава, который используется для режущей кромки ковша.

Габариты вскрышных мехлопат достигли пределов, определяемых экономической целесообразностью, В настоящее время они могут разрабатывать уступы высотой 27 м. Вместо того, чтобы и дальше увеличивать габариты вскрышных мехлопат, американские фирмы-изготовители стремятся повысить их универсальность, увеличивая радиус действия и глубину копания. Особое внимание уделяется совершенствованию конструкции ковша и более широкому применению гидравлики в приводе и системах управления.

У большинства вскрышных мехлопат привод осуществляется от электродвигателей. Переменный ток подается к экскаватору по гибкому кабелю, обеспечивая энергией два двигателя переменного тока, которые приводят в действие многообмоточные генераторы постоянного тока. Поворот, подъем, напор ковша и перемещение экскаватора обеспечиваются отдельными реверсивными двигателями постоянного тока.

Специалисты считают, что вскрышные мехлопаты обеспечивают более низкие эксплуатационные затраты по сравнению с драглайнами и роторными экскаваторами. Подобный вывод основан на таких характеристиках машин этого типа, как более низкие удельные расходы на энергию, на канаты (из расчета на кубометр емкости ковша), более высокий коэффициент эксплуатационной готовности, меньший объем работ, требуемых для подготовки уступа и меньшие трудовые затраты.

В настоящее время выпускаются вскрышные мехлопаты с ковшами емкостью 19—153 м3, длиной стрелы до 72 м, длиной рукояти до 43 м. Стоимость вскрышного экскаватора с ковшом емкостью 76,5 м3 и стрелой длиной 60 м, включая доставку и монтаж, достигает 12 млн. долл.