4.3. Выемка и погрузка одноковшовыми экскаваторами. Типы одноковшовых экскаваторов.

К

Рис. 4.1. Погрузка гонной массы в автосамосвал экскаватором ЭКГ-8и

онструктивно одноковшовые экскаваторы состоят из ходового устройства, поворотной платформы, на которой смонтированы кузов с механическим и силовым оборудованием, кабина и сети управления, рабочее оборудование (рис. 4.1).

По типу рабочего оборудования выделяют механические лопаты и драглайны.

У механических лопат ковш жестко закреплен на конце рукояти, перемещаемой напорным механизмом в специальных подшипниках, расположенных на стреле. Подъем и опускание рукояти обеспечивают подъемные канаты (рис. 4.1). Гидравлические экскаваторы этого типа оснащены рукоятью, шарнирно сочлененной со стрелой. Мехлопаты развивают большие усилия внедрения ковша в забой. Основной их недостаток – цикличность рабочего процесса, в ходе которого на собственно экскавацию расходуют 20–30 % времени цикла. Прямые мехлопаты работают с верхним черпанием. Обратные более универсальны и могут вести выемку пород как верхним, так и нижним черпанием.

У драглайнов ковш имеет гибкую подвеску, поэтому они развивают меньшие усилия черпания, чем мехлопаты. Перемещение и разгрузку ковша обеспечивают две независимые системы канатов: подъемные, с помощью которых производят его подъем и опускание, и тяговые, служащие для передвижения ковша по забою и его разгрузки. Драглайн может работать с нижним, верхним и смешанным черпанием.

Отечественная промышленность выпускает следующие типы одноковшовых экскаваторов: строительные, карьерные, гидравлические, вскрышные, шагающие.

Наибольшим разнообразием отличаются строительные экскаваторы с ковшами вместимостью от 0,15 м³ до 4,0 м³. Их оснащают дизельным, дизель-электрическим или электрическим приводом, сменным рабочим оборудованием прямой и обратной мехлопат, драглайна, крана, грейфера. Ходовое устройство гусеничное или пневмоколесное. Они имеют индекс ЭО и предназначены для производства земляных работ при сооружении различных объектов и вспомогательных работ в карьерах. В качестве выемочного оборудования их используют на карьерах по добыче строительных материалов с производственной мощностью 0,5–2,0 млн. м³/год. Группа цифр и букв после основного индекса указывает на размерную вместимость ковша, тип ходового устройства, исполнения рабочего оборудования, номер модели, очередную модификацию и климатическое использование. Например, индекс ЭО-7114АС расшифровывают следующим образом: экскаватор строительный одноковшовый с ковшом вместимостью 2,5 м³, на гусеничном ходу, с рабочим оборудованием драглайн, 4-ая модель модификации А в северном исполнении.

Карьерные экскаваторы (ЭКГ) выпускают с электрическим многодвигательным приводом только на гусеничном ходу и оснащают оборудованием прямой мехлопаты.

В типоразмерном ряду изначально были представлены 6 базовых моделей с вместимостью ковшей от 2,0 до 20,0 м³. Их индекс, например, ЭКГ-12,5, означает: экскаватор карьерный, прямая мехлопата, на гусеничном ходу с ковшом вместимостью 12,5 м³.

Благодаря усилиям отечественных машиностроителей к началу 21 века базовые модели типоразмерного ряда пополнили карьерные мехлопаты с ковшами вместимостью 10,0; 11,5; 15,0; 18,0; и 25,0 м³. (Приложение 1).

К экскаваторам с удлиненным рабочим оборудованием ЭКГ-4у, ЭКГ-6,3ус, ЭКГ-12,5у, добавочно рекламируют ЭКГ-5у, ЭКГ-5Аус, ЭКГ-8у, ЭКГ-9ус, ЭКГ-8ус, ЭКГ-12ус, позволяющие существенно повысить высоту обрабатываемых уступов.

Традиционными представителями прямых карьерных мехлопат являются (приложение 2) американские фирмы «Бьюсаийрус-Ири» (5 моделей с вместимостью ковшей 13,0; 16,72; 22,8; 32,7; и 40,3 м³), «Харнишфрегер» (7 моделей с вместимостью ковшей 10,6; 13,7; 15,2; 20,5; 35; 42,6; 53,2 м³), и «Марион-Дрессер» (7 моделей с вместимостью ковшей 7,6; 9,9; 12,9; 15,2; 20,5; 25,8; 41,0 м³).

Отечественными машиностроительными фирмами не налажен выпуск обратных механических лопат. Напротив, ряд импортных производителей всерьез относится к этому вопросу. Ведущими являются (Приложение 2) американская фирма «Caterpillar» (14 моделей с вместимостью ковшей от 0,63 до 27 м³) и японская компания «Komatsu» (10 моделей с вместимостью ковшей от 1,25 до 48,0 м³).

При этом некоторые модели имеют широкий диапазон вместимости ковшей. Например, модель 5230 МЕ (фирма «Caterpillar») выпускается с ковшами вместимостью от 13,0 до 27,0 м³.

В ряду фирм, выпускающих обратные мехлопаты малых и средних моделей, есть и европейские компании «Volvo», «Orenstein und Koppel», а также корейская «Daewoo».

У

Рис. 4.2. Схема рабочего оборудования гидравлического экскаватора

гидравлических экскаваторов (ЭГ) все виды рабочих органов шарнирно связаны с полноповоротной или частично поворотной платформой и перемещаются с помощью гидроцилиндров (рис. 4.2). Отечественный параметрический ряд карьерных гидравлических экскаваторов включает четыре базовые модели с вместимостью ковшей от 8 до 50 м³ [25]. Их ходовое устройство – гусеничное, основное рабочее оборудование – прямая мехлопата, привод – электрический многодвигательный. Группа цифр, расположенная за буквенным индексом, указывает на вместимость ковша в кубометрах. Например, индекс ЭГ-12 означает: экскаватор гидравлический с вместимостью ковша 12 м³. Помимо карьерных, выпускают несколько моделей универсальных строительных гидравлических экскаваторов с вместимостью ковша до 4 м³ и сменным рабочим оборудованием: обратная, реже прямая мехлопата, грейфер, зуб-рыхлитель, гидромолот, крановая подвеска и др. Ковш гидравлического экскаватора имеет три степени свободы (рис. 4.2), поэтому обладает разнообразной траекторией движения, обеспечивающей более эффективное использование энергии для внедрения и наполнения ковша, а также извлечения из забоя негабаритов.

К концу 20 века приоритетным стало новое поколение гидравлических экскаваторов с дизельным приводом.

Большой интерес к гидравлическим экскаваторам обусловлен их главным технологическим преимуществом перед канатными – значительным увеличением усилий на рабочем органе без нарастания массы машины. Например, экскаватор ЭГ-12 имеет массу 260–280 т при напорном усилии 1100 кН, а ЭКГ-12,5 – 588 кН и массу 684,5т. Кроме того, современные гидравлические экскаваторы обладают большей мобильностью, более простой и надежной передачей мощности, возможностью установки ковша над транспортным сосудом в оптимальном положении на любом вылете рукояти, что обеспечивает его быструю и полную разгрузку, сохранность транспортных средств.

В настоящее время ООО ОМЗ «Горное оборудование и технологии» рекламирует 4 модели прямых мехлопат и 3 модели обратных (приложение 3).

О

Рис. 4.3. Схема экскаватора КТМ-400

ригинальные разработки гидравлических экскаваторов и погрузчиков рекламирует также «Красноярский завод тяжелого машиностроения» – «Крастяжмаш» (рис. 4.3).

Рабочее оборудование выполнено по запатентованной кинематической схеме, позволяющей сохранять положение ковша относительно горизонта установки при выполнении различных эволюций, а также обеспечивающей высокую подвижность, маневренность, широкий диапазон траекторий движения ковша.

Рабочее оборудование смонтировано на оригинальной запатентованной универсальной транспортно-поворотной (УТПНП) несущей платформе, включающей кузов с расположенными в ней двигателями и редукторами поворота и хода, поворотное устройство, гусеничные тележки. УТПНП позволяет монтировать различное рабочее оборудование – погрузчика, мехлопаты, драглайна, роторного экскаватора, перегружателя. Ковш неразъемный, разгрузка осуществляется плавным опрокидыванием. Вместимость ковша от 4 до 25 м³.

Зарубежные фирмы более динамичны, обеспечивая выпуск гидравлических экскаваторов прямых мехлопат с вместимостью ковша от 0,63 до 48 м³ и обратных лопат с ковшами от 0,14 до 36 м³ . Ряд моделей имеет оборудование как прямой, так и обратной мехлопат. Ведущими фирмами являются: «Caterpillar», «Komatsu», «Liebherr», «КМG» (Komatsu Mining Germany).

Опыт эксплуатации импортных гидравлических экскаваторов с дизельными двигателями показал их высокий уровень надежности даже в условиях низких температур. По данным Б.В. Слесарева, средний коэффициент готовности на протяжении почти 5 лет составил 0,85, а с электрическим двигателем не превысил 0,7.

Вскрышные гусеничные экскаваторы (ЭВГ) так же, как и карьерные, оснащены рабочим оборудованием прямой мехлопаты и многодвигательным электроприводом. Они снабжены стрелой и рукоятью увеличенной длины и предназначены в основном для перемещения породы в отвал. Экскаваторы с ковшами вместимостью до 15 м³ применяют также для верхней погрузки в средства транспорта. Типоразмерный ряд отечественных машин представлен четырьмя базовыми моделями с ковшами вместимостью от 15 до 100 м³. Ввиду большой массы экскаваторов их ходовое устройство многогусеничное с четырьмя спаренными гусеничными тележками.

Вскрышные экскаваторы с вместимостью ковша до 15 м³ маркируют подобно карьерным (ЭВГ-6, ЭВГ-15), а в индексе более мощных машин присутствуют две группы цифр – ЭВГ-35/65, одна из которых (числитель) означает вместимость ковша (м³), а другая (знаменатель) – длину стрелы (м).

Шагающие экскаваторы (ЭШ) имеют рабочее оборудование драглайна. Параметрический ряд отечественных машин включает шесть базовых моделей с вместимостью ковша до 100 м³. Драглайны оснащены удлиненными стрелами в виде пространственных ферм или вантового типа и предназначены главным образом для перевалки породы в выработанное пространство. Их маркировка схожа с маркировкой вскрышных экскаваторов (например, ЭШ-25/1OO). С целью снижения удельного давления на грунт драглайны при работе опираются на круглое основание – базу. Их шагание происходит в процессе опускания на грунт (с помощью механического устройства или гидроцилиндров) лыж, прикрепленных к раме поворотной платформы, сопровождаясь отрывом от грунта всей или задней (по отношению к стреле) части базы. Затем экскаватор перемещается относительно лыж на величину шага (1,5–3,0 м) и опускается на базу. Для выполнения нового цикла шагания осуществляют подъем и перемещение лыж [31]. Среднее удельное давление драглайна на основание при работе составляет 0,06–0,17 МПа, что в 1,5–2,0 раза ниже, чем у мехлопат. а при шагани – 0,1–0,26 МПа.

В настоящее время диапазон выпускаемых моделей существенно увеличен (Приложение 4). Производители рекламируют выпуск драглайнов с ковшами от 6,5 до 130 м³, в том числе ЭШ-30/110, ЭШ-65/100, ЭШ-40/130, ЭШ-100/125. Вновь намечен выпуск драглайнов на гусеничном ходу. Представлены 5 моделей с маркой ЭДГ и ковшами вместимостью от 3,2 до 8 м³.

В качестве альтернативы мехлопатам и драглайнам, используемым на карьерах, коллективами ИПКОН РАН и МНЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского разработана конструкция нового типа экскаватора – кранлайна (драглайн шагающий погрузочный ДШП), сочетающего в себе преимущества традиционных шагающих драглайнов (отработка высоких уступов нижним и смешанным чернением при малом удельном давлении на грунт оборудования) и одноковшовых карьерных мехлопат (точная безударная погрузка горной массы в транспортные средства).

Отличительной особенностью предложенного экскаватора от традиционных является возможность осуществления точной погрузки в железнодорожные вагоны и автосамосвалы. Это удалось решить за счет подвески в средней части укороченной стрелы двух дополнительных блоков под углом 7–8º друг к другу. Такая схема образует V-образную связку с ковшом, обеспечивая (за счет третьей лебедки, расположенной на поворотной платформе экскаватора) (рис. 4.4), избирательность установки ковша над транспортным средством.

Техническая характеристика базовых моделей кранлайнов приведена в таблице 4.1.

По данным авторов разработки И.А. Сидоренко и Н.П. Сеинова, использование на карьерах кранлайнов обеспечивает:

– сокращение количества уступов и транспортных горизонтов карьеров, вследствие чего уменьшается дальность перемещения горной массы внутри карьера при движении транспорта на подъем; снижаются объемы работ по созданию и поддержанию внутрикарьерных путей и автодорог;

- увеличение генерального угла откоса борта карьера на 6–9º, что позволяет уменьшить объем горно-капитальных работ и площадь отчуждаемых земель;

- повышение производительности кранлайнов за счет снижения продолжительности цикла и затрат времени на передвижение в забое;

- повышение высоты уступов и производительности буровых станков за счет уменьшения затрат времени на переезд от скважины к скважине;

- снижение на 20–30 % затрат на энергообеспечение горных работ за счет сокращения количества приключательных пунктов;

- увеличение выхода горной массы с 1 м. скважины и снижение на 15–20 % затрат на буровые и взрывные работы.

В

Рис. 4.4. Конструктивная схема кранлайна ДШП 20.50

ыемка породы прямыми мехлопатами и драглайнами с нижним черпанием происходит за счет внедрения ковша в массив или развала при криволинейной траектории его перемещения от нижней части забоя к верхней (рис. 4.5, а). При верхнем черпании ковш драглайна движется по забою сверху вниз.

У гидравлических экскаваторов схемы черпания более разнообразны (рис. 4.5, б). При разработке мягких и хорошо взорванных пород траектория черпания 1 аналогична траектории ковша машин с канатным напором. Во взорванном на сотрясении массиве черпание начинают с нижней части забоя (траектория 2), при этом создают как бы вруб для

Таблица 4.1. Техническая характеристика базовых моделей кранлайнов

Наименование параметров	Показатели по моделям
	ДШП-10.38	ДШП-15.43	ДШП-20.50	ДШП-25.50
Вместимость ковша, м3 Максимально допустимая статическая концевая нагрузка, кН Длина стрелы, м Наибольший радиус копания, м Наибольшая эксплуатационная глубина копания, м Радиус разгрузки, м Высота разгрузки максимальная, м Радиус вращения хвостовой части поворотной платформы, м Диаметр базы экскаватора, м Скорость вращения поворотной платформы, 1/мин Скорость передвижения, м/ч Среднее удельное давление на грунт при работе, МПа при передвижении, МПа Допустимый уклон при передвижении: продольный (без поперечного), град поперечный (без продольного), град Напряжение подводного тока, В Продолжительность рабочего цикла в породах IV категории при угле поворота на разгрузку 90°, с Интервал рабочих температур воздуха при эксплуатации, °С Интервал рабочих температур воздуха при эксплуатации, °С Конструктивная масса экскаватора, т	10 320 38 36.4 24 21 8 15 9,7 1,91 300 0,061 0,122 10 5 6000 40 40 –40 + 40 450	15 470 43 41,9 29 21 8,9 15 9,7 1,91 300 0,081 0,162 10 5 6000 42 42 –40 + 40 600	20 630 50 50,6 30 25 11 16 12,3 1,65 200 0,067 0,135 10 5 6000 45 45 –40 + 40 800	25 790 50 50,6 30 25 11 16 12,3 1,65 200 0,076 0,152 10 5 6000 48 48 –40 + 40 900

дополнительного разрыхления горной массы самообрушением. При разработке песчано-валунной горной массы или наличии негабаритных кусков гидравлический экскаватор может удалить крупное включение в любой зоне забоя черпанием с выкапывающей траекторией 3. В плотных и. полускальных трещиноватых породах, разрабатываемых без предварительного рыхления, черпание начинают, как правило, в верхней части забоя с горизонтальным перемещением ковша (траектория 4). При оборудовании гидравлического экскаватора обратной лопатой он может обеспечить и нижнее черпание (траектория 5) [2].

а б

Рис. 4.5. Рабочие параметры канатных (а) и гидравлических (б) экскаваторов – мехлопат

Рабочий цикл одноковшовых экскаваторов включает четыре основные операции: черпание, поворот под разгрузку, разгрузка и поворот в забой. На повороты уходит до 55–60 % времени цикла. Поэтому при уменьшении угла поворота экскаватора продолжительность цикла уменьшается, а производительность возрастает.