Сравнительный обзор производительности моделей экскаваторов в строительных и горных работах

Основная цель публикации. Независимый обзор моделей экскаваторов, разных производителей и выводы по более оптимальному использованию на горных работах. Основной по популярности машиной‚ используемой на строительных площадках для производства земляных работ‚ перегрузки сыпучих и кусковых материалов и выполнения других работ‚ в зависимости от установленного дополнительного оборудования‚ вне всякого сомнения, является экскаватор. Простота, надежность и впечатляющая универсальность позволяют ему играть главенствующую роль практически на любой стройке, в горных работах.

Состояние вопроса. Выбор технологических схем работы и типов выемочно-погрузочного и другого горного оборудования проектными и научно-исследовательскими организациями иногда проводятся без достаточной увязки со структурно-прочностными показателями физико-механическими свойствами горных пород, что в дальнейшем отрицательно сказывается на работе оборудовании и карьеров. Во многих исследовательских работах неоднократно рассматривалась целесообразность технического перевооружения горных предприятий с вытеснением карьерных механических лопат с электроприводом основных механизмов экскаваторами с гидроприводом. Однако экстремальные условия их эксплуатации при низких температурах усложняют такого рода перевооружение и требуют дополнительных мероприятий как для подготовки гидравлических систем к работе, так и для обеспечения их бесперебойного и эффективного функционирования.

Разработка и обоснование таких мероприятий позволит широкомасштабно внедрять гидравлические экскаваторы и новые гибкие технологические схемы горного производства в условиях Севера, с одновременным снижением металлоемкости экскаваторного парка и затрат на их эксплуатацию. Степень научной разработанности темы исследования. Разработке оборудования для открытых работ посвящены исследования российских ученых: Н.В. Мельникова, Н.Г. Домбровского, К.Е. Виницкого, Д.П. Волкова, Л.И. Кантовича, В.Р. Кубачека, С.А. Панкратова, Р.Ю. Подэрни, Б.И. Сатовского и др., которые заложили фундаментальные основы теории его расчета и проектирования. В таблице указаны марка и модель отечественных и совместных типов экскаваторов с массой и объемом ковша и отображена зависимость их.

Таблица

Модели экскаваторов страна производитель Россия

Опыт работы зарубежных предприятий подтверждает возможность широкомасштабного применения карьерных гидравлических экскаваторов, в том числе в самых сложных горно-геологических и климатических условиях. Десять лет назад доля гидравлических экскаваторов во всем парке машин с ковшами вместимостью более 12 м составляла не более 30%. В настоящее время около 85% машин, поставляемых на открытые горные работы, составляют карьерные гидравлические экскаваторы и только 15% – мехлопаты с электроприводом.

В связи с тем, что свойства пород, параметры и схемы их выемки в массиве и после рыхления обычно существенно различаются между собой, технология выемки таких пород рассмотрена раздельно. При этом значительное внимание уделено наиболее прогрессивным технологическим схемам выемки и погрузки горных пород с применением высокопроизводительного выемочно-погрузочного оборудования.

Месторождения, характеризующиеся сравнительно однородными физико-механическими свойствами полезных ископаемых, полезная мощность которого составляет 20-60 м, и сравнительно большой мощностью покрывающих пород.

Результаты многочисленных исследований показали, что структурно-кинетической единицей веществ ТГИ является так называемая макромолекула. Веществ углей относят к ВМС класса гетерополиконденсатов. Макромолекула угля включает в себя значительное число простых звеньев, которые называются элементарными структурными единицами (ЭСЕ). Физико-химические свойства органического вещества углей существенно зависят от степени их метаморфизма. Определение пригодности углей для конкретных технологических процессов невозможна без учета физико-химических особенностей строения угля. В связи с этим возникает необходимость в установлении связи между структурой и свойствами углей. Это – одна из основных проблем углехимии.

Под воздействием внешних сил в породе, как известно, возникают упругие и пластические деформации. При копании упругие деформации предшествуют пластическим, наблюдаемым перед вхождением зубьев ковша экскаватора в забой, то есть до начало собственного процесса копания (скола), и продолжают существовать за зонами пластических деформаций при установившимся процесса копания. Вследствие специфики траектории движения ковша мехлопаты для примера и при заданных размерах внедрения ковша в забой наибольшие размеры I и II зон (S_д) имеют место при копании породы в нижней и средней частях забоя. При продвижении ковша в верхней части забоя не могут достигаться максимальные размеры I зоны, поскольку часть зоны с высокими напряжениями будет мнимой относительно уступа. Кроме того, в подработанной части массива у верхней бровки забоя под действием силы тяжести создаются напряжения с обратным знаком. В результате указанных причин выемки подработанной части массива происходит со значительным снижением усилия копания (на 30-50% и даже больше) [8].

Прочность (сцепление) неоднородного и трещиноватого массива C_м на карьерах меньше и несколько или даже в десятки раз по сравнению с прочностью породы в куске C_к. Все это говорит о том, что оценка прочностных свойств горных пород с точки зрения их разрыхления взрывом или механическим способом, с том числе ковшом экскаватора, должна производится с учетом трещиноватости массива, то есть по величине сцепления в массиве, а не в куске. При эксплуатации экскаваторно-автомобильных комплексов задача управления горным производством заключается в минимизации времени внутрисменных простоев T_всп по организационным и технологическим причинам в течении смены T_см для обеспечения максимального времени его работы в течении смены T_раб и соответственно часовой эксплуатационной производительности:

 =  =  – max;    (1)

 Q_э= K_см ⋅ Q_{тех ЭКГ}-max;  (2)

где, T_реж – время режимных простоев, затрачиваемое на подготовительно-заключительные операции, на личные надобности и регламентированные перерывы, прием-сдачу смены.

Продолжительность рабочего цикла в зависимости от мощности и типа экскаватора и условий работы колеблется от 12 до 80 сек. Производительность одноковшового экскаватора на 1 м³ ёмкости ковша в зависимости от условий работы составляет от 100 до 350 тыс. м³ в год, или 80…180 м³/ч. На рисунке отображена зависимость для примера масса экскаватора и объёма ковша. Видна полная картина загруженности экскаваторов на горном карьере и где более эффективно его можно использовать. Это только один маленький фрагмент того при каких условиях возможность применения данной модели экскаватора.

Рис. График зависимости массы экскаватора и объёма ковша RM/TEREX (гусеничные) совместное производство США и РФ гусеничный, с обратной лопатой (гидравлические)

Существенное влияние на технологию выемочно- погрузочных работ и производительность оборудования оказывают климатические условия открытых горных работ. Почти две трети территории РФ занимают области с суровым климатом и продолжительной зимой и снежными заносами. Если учесть, что наиболее перспективные месторождения полезных ископаемых расположены в восточных районах страны с довольно суровыми климатическими условиями, то становится ясной необходимость тщательного учета климатических условий при выборе типа и технологии использования выемочно-погрузочного оборудования.

Одноковшовые экскаваторы используются для разработки любых, в том числе самых крепких и неоднородных, грунтов с крупными твёрдыми включениями. Для работы в более мягких грунтах одноковшовые экскаваторы могут снабжаться ковшами увеличенной ёмкости.

Решение вопроса. Ряд мер, которые должны были обеспечить более оптимальный вариант использования экскаваторов с механической, гидравлической лопатой в эксплуатации это:

1. До взрывных работ на горных выработках использовать экскаваторы с гидравлической лопатой.
2. После взрывных работ в эксплуатации использовать с механической лопатой экскаваторы.
3. Колесные экскаваторы на гидравлике использовать только на сыпучих мягких грунтах.
4. Возможность варьирования для экономии времени замены экскаваторов канатного и гидравлического типов.