Опыт эксплуатации канатных и гидравлических экскаваторов в условиях карьера Мурунтау


П.А.Шеметов, к.т.н., начальник карьера Мурунтау (Навоийский ГМК)

С.К.Рубцов, к.т.н., начальник лаборатории А.Г.Шлыков, к.т.н., старший научный сотрудник (ВНИПИпромтехнологии)

Карьер Мурунтау Навоийского ГМК - высокопроизводительное золоторудное предприятие, глубина которого достигает 450 м и постоянно увеличивается, что приводит к сокращению рабочих зон и, соответственно, к повышенной концентрации на ограниченной площади горнотранспортного оборудования. В условиях ограничения рабочих зон и увеличения насыщения в них выемочно-погрузочного и другого оборудования происходит снижение производительности экскаваторов за счет организационно-технических причин, вызванных несвоевременной подачей автосамосвалов и скоростью их движения, а также необходимостью частого переноса ЛЭП. Поэтому в данных условиях применение мобильной и автономной, не зависящей от энергоснабжения, выемочно-погрузочной техники с большой единичной мощностью, в частности, гидравлических экскаваторов (ЭГ), вполне оправдано. Преимущества ЭГ в части автономности и маневренности позволяют наиболее эффективно их использовать в сочетании с большегрузными автосамосвалами в стесненных условиях отработки забоев, при широком диапазоне изменения свойств горных пород, сложном строе нии рудных тел и неравномерности распределения полезного ископаемого в горном массиве.

На карьере эксплуатируются 16 канатных экскаваторов шести типоразмеров (ЭКГ4У, ЭКГ8УС, ЭКГ8И, ЭКГ10, ЭКГ12.5, ЭКГ15), которые используются на вскрышных и добычных работах, для заоткоски бортов карьера, на перегрузочных пунктах карьера (ППК). Начиная с 1995 г. введены в эксплуатацию гидравлические экскаваторы: САТ5230 (2 шт.), RH170 (2 шт.) и ЕХ3500 (1 шт.) фирм Caterpillar (США), Orenstein & Koppel (Германия) и Hitachi (Япония) с емкостью ковша до 15 м3, а с августа 2003 г. - два электрогидравлических экскаватора RH200 с емкостью ковша 20 м3. При этом у 15 экскаваторов ЭКГ и 4-х экскаваторов ЭГ (кроме RH-170 №5) превышен срок амортизации.

Анализ конструктивных и технологических данных гидравлических экскаваторов показывает, что они практичес ки сопоставимы друг с другом по геометрическим и энергосиловым параметрам. Основными отличиями ЭГ по сравнению с канатными ЭКГ являются автономность в работе и шарнирное сочленение рукояти ковша со стрелой.

Шарнирное сочленение рукояти ковша со стрелой уменьшает радиус черпания, поэтому гидравлические экскаваторы в процессе работы располагаются ближе к откосу уступа по сравнению с электрическими канат ными. Так, например, если у экскава тора ЭКГ15 максимальная высота черпания (16.4 м) в 1.4 раза меньше радиуса черпания (22.6 м), то у гидравлических экскаваторов эти параметры сопоставимы и составляют 15-17 м. В результате, безопасность работы ЭГ (в частности, исключение образования козырьков, нависей и т.п.) обуславливает более высокую степень дробления в забоях, отрабатываемых ЭГ.

Результаты совместной эксплуатации канатных и гидравлических экскаваторов за последние годы в условиях карьера Мурунтау позволили провести оценку эффективности их работы с целью выявления наиболее перспективной модели, сокращения номенклатуры применяемого выемочно-погрузочного оборудования и определения его наиболее эффективного сочетания с транспортным оборудованием для обеспечения оптимальной производительности экскаваторно-автомобильного комплекса. Для сравнения с ЭГ принят наиболее близкий по емкости ковша канатный экскаватор ЭКГ15 (табл. 1).

За время эксплуатации ЭГ ими отгружено 115.3 млн. м3 горной массы, из них - 12.3 млн. м3 - экскаваторами RH200.

Обеспечение экскаваторов автосамосвалами при выемке горной массы осуществляется с учетом текущих потребностей в руде заданного качества, поскольку управление содержанием в товарной руде начинается с экскаваторных забоев, в связи с чем в зависимости от конкретной ситуации экскаваторы обслуживаются автосамосвалами на 30-100%. Потери рабочего времени на аварийные простои составили 20-25% (рис. 1), причем, как показывает динамика их изменения, при увеличении срока службы они возрастают. Наименьшие простои у САТ5230 (в среднем 7950 час), наибольшие - у экскаватора ЕХ3500 (9300 час), у RH170 9020 час. Наибольшие простои ЕХ3500 обусловлены более сложным по сравнению с другими ЭГ конструктивным исполнением и, соответственно, сложностью проведения ремонтных работ. За тот же период простои канатного экскаватора ЭКГ15 составили 5640 час, что на 40% меньше, чем у ЕХ3500 и на 29% меньше, чем у САТ5230.

Табл. 1 Основные показатели работы экскаваторов за 1999-2003 гг.

Показатели

САТ-5230

ЕХ-3500

RH-170

RH-200*

ЭКГ-15

Количество экскаваторов

2

1

2

2

1

Геометрическая емкость ковша, м3

15.1

13.7

14.8

20.6

15.0

Объем отгруженной горной массы, тыс. м3

21760

13370

22310

3330

12460

Аварийные простои, час

15900

9300

18040

340

5640

Производительность, м3

510

585

560

577

480

Удельный расход топлива, кг/м3

0.29

0.35

0.28

Коэффициент использования

0.47

0.59

0.46

0.79

0.59

* RH-200 введены в эксплуатацию в августе 2003 г.

Экскаваторы

Рис. 1 Аварийные простои экскаваторов за период 1999-2003 гг.

Основные характерные причины аварийных простоев ЭГ - это отказы гидроцилиндров ковша, рукояти, стрелы, разрыв шлангов высокого давления, выход из строя двигателей и др. Общими неисправностями для всех экскаваторов являются:

- разрыв шлангов высокого давления, трещины в гидробаках, выход из строя насосов, обрыв шпилек головок цилиндров двигателя;

- экскаваторы САТ5230 и RH170 имеют нетехнологичную конструкцию упоров на рукояти для ограничения действия ковша и даже из-за небольшой неточности их установки на заводе неравномерно распределяются нагрузки на каждый из упоров, в результате чего возникают трещины в металлоконструкциях.

Анализ работы ЭГ и характерных простоев позволил выявить наиболее слабые детали и узлы с малой наработкой и наладить их производство непосредственно в условиях Навоийского машиностроительного завода (НМЗ), в частности, наиболее подверженных износу сменных элементов ковшей, зубьев, режущих кромок, протекторов. В результате этого предприятие отказалось от закупок за рубежом сменных элементов ковшей, так как стоимость аналогичных изделий собственного производства значительно ниже и не уступает зарубежным по стойкости. Освоен выпуск практически всех сменных элементов ковша САТ5230, а также унифицированного зуба для RH170 и ЕХ3500.

Динамика изменения коэффициента использования гидравлических экскаваторов (Ки) показывает, что их работа не отличается стабильностью. Разброс показателей Ки для одного типа экскаватора в различные годы достигал 15-20%. Наибольшая стабильность в работе отмечается у экскаваторов ЕХ3500 и RH170 №4. Значительные аварийные простои, вызванные выходом из строя главного двигателя САТ5230 №2 в 1999 г., практически привели к остановке экскаватора (Ки = 0.06). Аналогичная ситуация наблюдалась в 2003г. с экскаватором RH170 №5 (Ки = 0.04), который отработал в забое всего один месяц (228 час).

Рис. 2 Среднее значение коэффициента использования за период 1999-2003 гг.

По результатам эксплуатации ЭГ за 1999-2003 гг. величина Кине превышает 0.59-0.47 (рис. 2). Значения Ки для экскаваторов САТ5230 и RH170 практически одинаковы - 0.47 и 0.46, соответственно, у ЕХ3500 - 0.59, что в среднем на 27% выше. Следует заметить, что Киэлектрогидравлических экскаваторов RH200, введенных в эксплуатацию в 2003г., достаточно высок и составил 0.79. Работа канатного экскаватора ЭКГ15 отличается достаточной надежностью. За последние 5 лет изменение Ки составило всего 10% (Ки = 0.6 в 1999 г. до 0.54 в 2003 г.), а среднее значение Ки за данный период 0.59, что выше, чем у экскаваторов САТ5230 и RH170.

Применение на карьере Мурунтау гидравлических экскаваторов с большой единичной мощностью и вместимостью ковша в сочетании с большегрузными самосвалами позволило в первые годы их эксплуатации обеспечить высокие темпы добычи и рост производительности при сокращении общего парка выемочно-погрузочного оборудования при увеличивающейся глубине карьера.

Рис. 3 Приведенные затраты на содержание экскаваторов за период 2000-2004 гг.

Анализ основных показателей работы ЭГ, их достоинств и недостатков не позволяет дать однозначную оценку о преимуществе одного какого-либо типа экскаватора. Однако, по большинству рассматриваемых параметров (объемам горной массы, производительности, коэффициенту использования и др.) лучшие показатели имеют экскаваторы ЕХ3500 фирмы Hitachi и САТ5230 фирмы Caterpillar. В настоящее время оборудование фирмы Caterpillar широко используется в условиях карьера (грейдеры, бульдозеры, погрузчики), которые имеют много унифицированных и взаимозаменяемых с экскаваторами узлов и деталей, что позволяет более оперативно решать вопросы по их обслуживанию и ремонту.

Оценивая работу канатных экскаваторов ЭКГ15, можно заключить, что по многим параметрам отличие в показателях незначительно, а по некоторым показателям ЭКГ15 да же превосходят характеристики гидравлических экскаваторов. Канатные экскаваторы этого типа проще в изготовлении и обслуживании, они дешевле гидравлических и не требуют сложной ремонтной базы. Соответственно дешевле запасные части, которые более доступны по стоимости при отсутствии на них дефицита.

Согласно действующим Единым правилам безопасности при разработке взорванных пород канатными экскаваторами, высота уступа Ну не должна превышать полуторную максимальную высоту копания экскаватора hon™* или Нч1Ш1, так как hon™* = для канатных экскаваторов.

По конструктивной схеме гидравлические экскаваторы при отработке забоя не могут реализовать максимальную кинематическую высоту копания = Нчт_ указанную в технической характеристике экскаватора. Как видно из рис. 3, на котором приведена сопоставительная оценка зон копания на примере канатного (ЭКГ 20) и гидравлического (ЭГ20) экскаваторов, непосредственно в контакте с забоем ковш гидравлического экскаватора может находиться до высоты, равной (0.65-0.75) houm,*, которая на 25-35% меньше паспортной величины г^^. Эту фактическую высоту контакта ковша ЭГ с откосом забоя называют приведенной высотой копания экскаватора h'^^, т.е. h',,,,,,^^0.7-0.75 • ho,,™ [1, 2]. В связи с этим при отработке ЭГ уступов без применения взрывных работ максимальная высота забоя и уступа составляет Ну = h',,,,,,^ или Ну = 0.7-0.75 •Н,,^.

В случае разработки взорванных пород с различными значениями коэффициента разрыхления (Кр) и среднего размера взорванного куска (d,,) превышение возможной высоты отрабатываемого забоя (Hmax) над приведенной высотой приведено в табл. 2 [2].

Экспериментальными работами по оценке качества дробления пород карьера Мурунтау установлено, что величина среднего размера куска взорванных пород находится в пределах 14.5-28 см. В связи с этим из данных табл. 3 пред ставляется возможным в случае использования в карьере гидравлических экскаваторов принять относительное значение высоты забоя для ЭГ равным Hmax/1.6 • h',^^ = 1.6. Тогда максимальная высота взорванного забоя для ЭГ равна Ну = Hmax = 1.6 • h'^^ = 1.6 • 0.7 • Н,^ = 1.12 Н,^.

С учетом изложенного и на основе паспортных технических параметров экскаваторов выполнено сравнение возможных высот взорванных забоев для канатных и гидравлических экскаваторов, используемых на карьере (табл. 3).

Из анализа данных, приведенных в табл. 3, видно, что при взрывании 15 м уступа и Кр = 1.3 (Ну = 19.0 м) только ЕХ3500 в состоянии отработать взорванный уступ, для остальных типов ЭГ необходимо разделение взорванного уступа на подуступы. В случае применения канатных экскаваторов такой проблемы не существует. Из изложенного видно, что шарнирное сочленение рукояти ковша со стрелой у гидравлических экскаваторов ограничивает высоту разрабатываемого забоя.

Рассматривая работу выемочно-погрузочного комплекса, в т.ч. ЭГ, за все время их эксплуатации, можно отметить, что в начальный период производительность экскаваторов

была достаточной для обеспечения запланированных объемов работ. В дальнейшем, по мере окончания гарантийного срока обслуживания и износа оборудования, материальные и трудовые затраты на поддержание экскаваторов в работоспособном состоянии возрастают за счет закупки запасных частей и увеличения затрат времени на выполнение ремонтных работ.

Проведенная технико-экономическая оценка показывает, что после 6-7 лет работы ЭГ существенно падает экономическая целесообразность дальнейшей их эксплуатации, т.к. снижается производительность и увеличиваются затраты на текущие и капитальные ремонты, которые перекрывают средства амортизационных отчислений.

Экскаватор ЭКГ15 - более ремонтопригоден чем ЭГ, т.к. не требует при производстве ремонтных работ (изготовлении новых деталей) такого класса чистоты обработки поверхностей, как для гидравлических систем. По этой причине нет возможности ремонта (восстановления) деталей ЭГ на имеющемся станочном оборудовании в ремонтной службе предприятия. Кроме того, для ремонта ЭГ необходимо содержание отдельного специализированного участка со специальным оборудованием, инструментом и приспособлениями.

За последние годы объем экскавации ЭКГ находится практически на одном уровне (17-18 млн. м3/год). Значительные аварийные простои ЭГ привели к падению объемов выемки горной массы в 2003 г. по сравнению с другими периодами времени. Производительность ЭГ на протяжении последних трех лет остается невысокой и если бы не ввод в эксплуатацию двух RH200, то производительность карьера в 2004 г. не превысила бы 25-26 млн. м3 (объем выемки горной массы в 2004 г. составил 34.7 млн. м3).

Данное обстоятельство подтверждает вывод о том, что потенциал повышения производительности имеющегося экскаваторного парка полностью исчерпан. Необходимо его обновление, причем не за счет увеличения количества, а за счет ввода в эксплуатацию наиболее производительной техники.

Табл. 3 Возможная высота разрабатываемых забоев для ЭКГ и ЭГ

Модель

Коэффициент

Кусковатость взорванной горной массы ()ср, см

Высота черпания

Нч.тах, м

Выс ота забоя (уступа) , м

экскаватора

разрыхления Кр

без БВР, м

с БВР, м

Кан атные экскаваторы

Ну - Нч.тах

Ну - 1,5-Нч.тах

ЭКГ-10

13.5

13.0

20.0

ЭКГ-12,5

1.25- 1.35

20-10

15.5

15.0

22.0

ЭКГ-15

16.4

16.0

24.0

ЭКГ-20

17.8

17.5

26.0

Ну - 0,7-Нч.тах

Ну - 1,12Нч.тах

RH-170

16.0

11.0

18.0

EX-3500

1.25-1.35

20-70

17.2

12.0

19.0

CAT-5230

14.8

10.5

16.5

RH-200

15.2

10.6

17.0

Табл. 2 Рекомендуемые относительные значения высоты забоев для ЭГ при различных свойствах взорванной горной массы

Взорванная

горная масса, Кр

Угол взорванного забоя, град.

При кусковатости ()ср, см

Выход негабаритных

5-12

20-Ю

40-60

кусков (5-8%)

Связная Кр - 1.02-1.15

75-87

1.1 5

1. 1

1.05

1. 0

Связносыпучая Кр - 1.2-1.35

60-80

1. 9

1. 6

1.35

1.05

Связносыпучая Кр - 1.3-1.4

50-70

2.7

2.1

1. 7

1. 1

Сыпучая Кр - 1.4-1.5

32-50

3.8

3.5

3.2

-

Рис. 4 Изменение аварийных простоев экскаваторов за период 1996-2004 гг.

Рис. 5 Изменение приведенной производительности

экскаватора в зависимости от срока его службы

Приведенные затраты на содержание экскаваторов с увеличением срока использования возрастают, причем эти затраты для ЭГ более чем в три раза превышают затраты на ЭКГ15 (рис. 4). Из-за изношенности оборудования за период эксплуатации возросли аварийные простои экскаваторов (рис. 5), причем наибольшее увеличение характерно для ЭГ; для ЭКГ15 за рассматриваемый период аварийные простои в среднем остаются на одном уровне, что свидетельствует о более надежной их работе. Аварийные простои являются одной из основных причин снижения производительности, особенно это наблюдается у ЭГ (рис. 6), где интенсивность уменьшения производительности по сравнению с ЭКГ15 более значительная. Если в первые годы эксплуатации производительность ЭГ была выше на 30-35%, чем у ЭКГ15, то при увеличении срока службы это отличие составляет всего 10-15%.

Несмотря на большие валютные затраты для ремонта и поддержания ЭГ в работоспособном состоянии (до 800 тыс. долл.), тенденция снижения их производительности не уменьшается, что в конечном итоге увеличивает себестоимость экскавации 1 м3 горной массы, почти в два раза превышая себестоимость погрузки ЭКГ15, которая остается прак тически неизменной на протяжении последних лет (рис. 7). При этом значительную долю в увеличении себестоимости экскавации ЭГ составляет расход дизтоплива (рис. 8), объем которого возрастает из-за физического износа дизельных двигателей, причем увеличение расхода особенно наблюдается после проведения ремонтных работ двигателей.

Невысокая надежность физически изношенных ЭГ не позволяет их использовать в настоящее время на ответ ственных направлениях и участках работ, т.к. возрастают риски срыва плановой выемки и погрузки горной массы, что влечет за собой необходимость в дополнительных пе регонах экскаваторов в карьере.

Оценивая результаты эксплуатации ЭГ на карьере Мурунтау в течение 1996-2004 гг., можно заключить, что на сегодняшний день дизельные гидравлические экскаваторы фактически утратили те преимущества (высокую мобиль ность и автономность; возможность лучшей селективной выемки горной массы из массива; производительность) пе ред канатными, ради которых они приобретались и использовались, несмотря на более высокие эксплуатационные затраты.

Рис. 6 Изменение себестоимости экскавации горной массы

Рис. 7 Изменение удельного расхода дизельного топлива

гидравлическим экскаватором с начала эксплуатации

Принимая во внимание окончание срока амортизации ЭГ, представляется целесообразным с целью унификации экска ваторного парка сократить типажный ряд ЭГ, используя при этом наиболее эффективное сочетание комплексов выемоч но-погрузочного и транспортного оборудования. В перспективе целесообразно выемочно-погрузочное оборудование карьера Мурунтау ориентировать на экскаваторы: ЭКГ15 в карьере и складах; ЭКГ8У - для выполнения работ в приконтурных зонах при постановке бортов карьера в предельное положение; ЭКГ10 на ППК, как наиболее соответствующих по своим параметрам железнодорожным думпкарам В105. На участках, требующих высокой концентрации и интенсивного ведения горных работ в значительных объемах (верхние горизонты юго-западной и восточной части карьера), предусматривается использование электрогидравличес ких экскаваторов большой единичной мощности RH200.

Таким образом, эффективность использования экскаваторного парка определяется комплексом взаимосвязанных факторов, основными из которых являются технические возможности экскаватора, технологические параметры взорванной горной массы, соотношение высоты забоя и паспортной характеристики оборудования, обеспеченность забоев автотранспортом, а также стоимостные показатели работы экскаваторов.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Беляков Ю.И. Выемочно-погрузочныеработы на карьерах. М., Недра, 1987,208 с.

2. Беляков Ю.И. Проектирование экскаваторных работ. М., Недра, 1983, 350 с.

Журнал "Горная Промышленность" №5 2005