Повышение надежности гидропривода средство эффективного внедрения гидравлических экскаваторов на горных предприятиях СНГ

Г.С.Бродский, AGA Engineering & Trading Б.В.Слесарев, ЗАО «Могормаш»

За последние 20 лет доля карьерных гидравлических экскаваторов в мировом парке добычной техники существенно возросла и на долю карьерных экскаваторов с электромеханическим приводом приходится не более 25% (рис. 1). В то же время в СНГ карьерные экскаваторы с электромеханическим приводом составляют основную часть парка.

Анализируя имеющийся в СНГ за те же 20 лет опыт эксплуатации экскаваторов типа ЭГ, приходится констатировать, что отсутствие опыта создания таких машин и возникшие организационные сложности воздействовали негативно на реализацию потенциальных возможностей нового поколения экскавационной техники. Те выводы, которые, на настоящий момент, уже сделаны рядом предприятий России говорят не в пользу качества гидравлических экскаваторов. И это несмотря на то, что основные технические характеристики – рабочая масса, удельные усилия копания, показатели надежности карьерных гидравлических экскаваторов не только способны удовлетворить требования горных предприятий СНГ, но и значительно превосходят те возможности, которыми обладают канатные экскаваторы с электромеханическим приводом механизмов типа ЭКГ (рис. 2).

Наглядным примером является ПО «Якутуголь», которое после применения экскаваторов с гидроприводом основных механизмов типа 204-М производства фирмы Мarion (США) на протяжении почти 20 лет, вновь обратилась к закупкам традиционных экскаваторов типа «ЭКГ».

Сопоставление технологических и конструктивных параметров показывает, что карьерные механические экскаваторы не имеют существенных преимуществ по сравнению с гидравлическими ни в высоте копания, ни в радиусе копания на уровне стояния.

Удельные показатели усилий копания и надежности гидравлических экскаваторов несколько выше по сравнению с механическими лопатами. При этом удельная металлоемкость сравниваемых типов экскаваторов в пользу гидравлических. Для сопоставляемых импортных моделей удельная металлоемкость гидравлических экскаваторов на 20% ниже. Мерой соотнесения сравниваемых параметров (рис. 2) является вместимость ковша для каждой из моделей соответственно.

Таким образом из практики применения единичных опытных образцов ЭГ в СНГ и крупномасштабного внедрения их за рубежом делаются противоположные выводы. На разрезе «Нерюнгринский» существует сопоставительный опыт эксплуатации ЭГ и ЭКГ, и он свидетельствует о том, что эксплуатация гидравлических машин обходится дороже на 20% (табл. 1). Правда следует отметить, что на разрезе «Нерюнгринский» имеет место повышенная стоимость запасных частей, что связанно с высокой стоимостью доставки.

Основной задачей внедрения ЭГ следует считать разработку комплекса мероприятий, которые позволили бы привести экономические показатели к конкурентному уровню.

Обычно при поставке ЭГ производитель ограничивается анализом следующих требований заказчика: температурными характеристиками окружающей среды, физико-механическими свойствами горных пород и технологическими условиями применения.

Основной конструктивной особенностью ЭГ является применение в этих машинах дизель-гидравлического привода основных механизмов.

Из машиностроительной практики известно, что эффективная эксплуатация гидропривода требует определенного внимания как от производителя, так и от потребителя.

При этом изготовитель производит подбор параметров вспомогательного и навесного оборудования к базовой унификации машины, исходя из условий обеспечения требуемой номинальной производительности.

Для реализации номинальных характеристик производителя на практике, потребителю, естественно, необходимо, чтобы фактическая надежность соответствовала паспортным характеристикам. Именно отсутствие такого соответствия и является причиной сверхнормативного повышения эксплуатационных затрат.

Основной конструктивной особенностью ЭГ является применение в этих машинах дизель-гидравлического привода основных механизмов.

Практика применения гидропривода в различных отраслях доказала, что гидропривод в целом обладает высоким уровнем надежности. Однако под надежностью понимают свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих назначенным режимам и условиям использования, технического обслуживания и ремонтов. В случае, если режимы использования и обслуживания техники отличаются от назначенных, то следует учитывать не только надежность, но и живучесть объекта.

Живучесть характеризует способность объекта сохранять работоспособное состояние при внешних воздействиях, превышающих установленные нормы.

Уместно подчеркнуть, что гидропривод имеет высокую надежность, но обладает относительно низкой живучестью, поскольку чувствителен к ряду внешних воздействий, часто встречающихся в характерных для эксплуатации карьерной техники условиях.

Основными факторами, характерными для эксплуатации экскаваторов типа ЭГ, являются:

•    высокий годовой фонд рабочего времени (7000 часов);

•    высокие усилия и динамика (до 70 кН на 1 м3 вместимости ковша) нагружения рабочего оборудования в забое;

•    высокая удельная мощность (до 3.7 кВт/т на 1 т. массы);

•    удаленность от внешних инфраструктур по ремонту гидрокомпонентов.

Высокий фонд рабочего времени, в первую очередь, предопределяет необходимость обеспечения высокого ресурса. Высокая динамика приводит к повышению требований к силовой защите. Высокой мощности должно соответствовать значительное количество агрегатов большой единичной мощности, а также построение ЭГ по модульному принципу. И высокая динамика, и высокая мощность препятствуют реализации высоких характеристик надежности.

Удаленность от сервисных инфраструктур усложняет преодоление этих факторов и делает необходимым организацию сервисных услуг на месте.

Кроме того, имеется целый ряд дополнительных факторов, снижающих надежность гидропривода на карьерных экскаваторах в условиях горных предприятий:

•    высокий уровень загрязненности воздуха в рабочей зоне (до 1.2 г/л);

•    экстремально низкие или высокие температуры окружающей среды, что предопределяет значительные изменения вязкости гидрожидкости: в процессе работы в 10–15 раз, а в процессе запуска в 250 раз;

•    высокие нагрузки, возникающие при экскавации очень твердых или плохо взорванных пород, что предопределяет необходимость искусственного ограничения давления в системе для увеличения срока службы гидрокомпонентов;

•    недостаточно высокий уровень технического обслуживания по причине низкой квалификации обслуживающего персонала, а также в связи с недостаточным техническим оснащением измерительными приборами и специальным инструментом.

Проведенные исследования указывают, что основной причиной возникновения отказов у ЭКГ по сути является загрязнение гидрожидкости и запуск гидросистем экскаваторов при экстремально низких температурах.

Загрязнение гидрожидкости различными частицами, попадающими внутрь системы является основной проблемой функционирования гидропривода, вызывающей подавляющее большинство его неисправностей. Для различных гидросистем доля отказов из-за загрязнения жидкости составляет от 50% до 85%. В частности, для карьерного оборудования можно считать, что доля отказов вызванных загрязнениями гидрожидкости составляет около 70%.

Следующая проблема связана с экстремальными климатическими условиями Крайнего Севера, где температура окружающей среды может достигать –60°С. Доля отказов гидравлических систем, вызванных холодным запуском не велика, однако они приводят к столь катастрофическим последствиям, что вызывают весьма длительные простои и обусловливают высокую стоимость ремонта. Поэтому по значимости влияния на надежность, температурный фактор, безусловно, можно поставить на второе место. Эффективное использование гидропривода в таких условиях эксплуатации становится возможным только при наличии дополнительного оборудования, обеспечивающего предварительный прогрев рабочей жидкости по всей системе гидропривода, и применения соответствующей заданным условиям эксплуатации гидрожидкости. Соблюдение заданных оптимальных температур в допустимых пределах является важным фактором, определяющим также КПД и ресурс гидропривода.

Выполнение основных требований обеспечения безотказной работы гидропривода, к которым относятся защита от перегрузок, в.т.ч. динамических (с коэффициентом динамических нагрузок 1.5–2); соблюдение необходимого значения вязкости (20–70 сСт и кратковременно не менее 10 и не более 400–1000 сСт.); соблюдение требуемой чистоты гидрожидкости не хуже 10–12 класса, и являются теми самыми ключевыми моментами к решению вопроса надежности и как следствие, минимизации эксплуатационных затрат.

Реализация указанных требований обеспечивается, например, путем применения современных сервисных комплексов типа “Starmine”.

Выполненными ранее исследованиями установлены закономерности формирования факторов загрязнения гидрожидкости – механические примеси, максимальный размер частиц, содержание воды, содержание воздуха, вязкость рабочей жидкости и температуры жидкости на эффективность гидропровода.

Опубликованные данные подконтрольной эксплуатации отечественных гидравлических экскаваторов показали существенное увеличение ресурсов основного гидрооборудования при улучшении чистоты рабочей жидкости с 15–14 до 10–13 класса чистоты наряду со стабилизацией теплого режима (рис. 3).

Основным показателем эффективности функционирования карьерных гидравлических экскаваторов является коэффициент технического использования системы:


Тпр – оценка средней продолжительности профилактики; lпр – интенсивность потока требований по профилактике; Трi – оценка средней продолжительности ремонта; lврi – интенсивность потока требований по ремонту i-го оборудования; m – число логически последовательно соединенных элементов оборудования.

Оптимизация этого показателя эффективности применения гидравлического экскаватора положена в основу системного анализа и принятия стратегий обслуживания основных систем и механизмов.

В качестве возможных предельных стратегий обслуживания рассматривались две:

1. Первая стратегия заключается в том, что профилактика проводится через случайные моменты времени:

•    принудительная профилактика через строго фиксированный интервал времени;

•    профилактика с интервалом времени, распределенным по экспоненциальному закону

В случае отказа элемента в межпрофилактический период, элемент ремонтируется или заменяется, а планируемые сроки проведения профилактики остаются неизменными.

2. Вторая стратегия профилактики отличается от первой тем, что при отказе одного из элементов он заменяется, а вместе с ним заменяются все элементы, имеющие меньший нормативный срок эксплуатации, и проходят профилактику все остальные элементы. После этого график проведения последующих профилактик перепланируется.

В результате анализа установлено, что вне зависимости от законов распределения межпрофилактического периода коэффициент Ки возрастает при увеличении межпрофилактического периода, уменьшении времени проведения профилактики и суммарного времени аварийного восстановления системы.

Принципиальным решением при выборе компонентов системы гидропривода является подбор элементов системы с меньшей нормативной наработкой на отказ, сроки замены которых должны быть кратными по срокам замены элементам с большей наработкой на отказ.

При этом при выходе из строя такого ресурсоемкого элемента (то есть элемента, время замены и стоимость которого велика, например, гидронасоса или гидродвигателя) производится замена всех связанных с ним в цепи элементов (рукавов высокого давления, фильтров и т. д.) с невыработанным ресурсом. При плановой замене модуля с большим ресурсом заменяются все связанные с ним элементы с меньшим ресурсным сроком.

Именно такой подход позволяет увеличить коэффициент Ки и, как следствие, увеличить эффективность применения гидравлических экскаваторов.

Этот подход тем более весом, что, как правило, наработка на отказ и время устранения отказов ресурсоемких элементов существенно выше.

Зарубежный и отечественный опыт показывает, что при надлежащей эксплуатации производительность и коэффициент технической готовности не снижаются даже при длительной (более 10 лет) работе машин в сложных климатических условиях (рис. 4). Так, например, на меднорудном карьере «Атик» компании «Болиден», расположенном в Северной Швеции, этот показатель при работе двух гидравлических экскаваторов Н-485 фирмы «Демаг» (Германия) с ковшами 26 и 22 м3 в течение 12 лет (53000 час) находится на уровне 0.87 и при работе в течение 10 лет (45000 час) – на уровне 0.89 соответственно.

Эксплуатационные затраты при применении гидравлических экскаваторов динамично изменяются по годам эксплуатации. При этом даже наиболее дорогие средние ремонты не превышают двукратной величины средних затрат (табл. 2).

Средние эксплуатационные затраты на 1 м3 горной массы составляют для гидравлического экскаватора с ковшом емкостью 15 м3 – 0.076 Евро, а с ковшом емкостью 20 м3 – 0.079 Евро.

При нормальном качестве обслуживания средневзвешенные затраты на эксплуатацию экскаваторов с электромеханическим приводом и соответствующие показатели для гидравлических экскаваторов находятся на сопоставимом уровне. Однако, следует иметь в виду, что инфраструктура ремонтных цехов и численность ремонтного персонала, необходимых для обеспечения эксплуатации традиционных экскаваторов с электромеханическим приводом (имеющих коэффициент Ки на уровне 0.8), требуется в 10 раз больше.

Так трудозатраты на текущий ремонт и обслуживание при эксплуатации карьерного гидравлического экскаватора с ковшом вместимостью 15–20 м3 составляют 15–25 чел.час на каждые 1000 час работы машин.

Трудозатраты на техническое обслуживание экскаваторов с электромеханическим приводом отечественного производства с ковшами вместительностью 15 м3 для каждых 500–1000 часов работы составляют 250 чел.час, а каждые 1500 час работы требуют 1150 чел.час на обслуживание и ремонт. Для машин с ковшом 20 м3. это составляет для каждых 500–1000 час. 250 чел.час на обслуживание и 1200 чел.час обслуживания для каждых 1500 часов работы. Импортные экскаваторы с электромеханическим приводом должны обслуживаться каждые 500–1000 часов с затратами 570 чел.час, при необходимости затрат 720 чел.час на каждые 1500 часов работы машин.

Таким образом, количество привлекаемых специалистов при обслуживании традиционных экскаваторов возрастает в 10–20 раз.

Если принять во внимание необходимость создания ремонтной базы с более мощными грузоподъемными средствами, крупных цехов с металлообрабатывающими станками, складского хозяйства и привлечение транспортных средств для доставки запасных частей в 5–8 раз более тяжелых по сравнению с гидрокомпонентами, то вывод получается совершенно определенный.

При нормальной организации сервиса предпочтение гидравлическим экскаваторам, технологические возможности которых всегда заведомо выше, следует отдать со всех точек зрения по сравнению с традиционными экскаваторами, имеющими электромеханический привод. Для последних остается ниша с ковшами вместимостью более 40 м3, которые в настоящий период являются предельными для известных моделей карьерных гидравлических экскаваторов. Также экскаваторы с электромеханическим приводом могут использоваться на градообразующих горных предприятиях, которые заботятся прежде всего о сохранении численности трудящихся.  

Журнал "Горная Промышленность" №2 2002