Поиск надёжных канатов для карьерных мехлопат: опыт ОАО «Ураласбест»

В.Б. Чупраков, зам. главного механика ОАО «Ураласбест»

Уральский асбестовый горно-обогатительный комбинат ОАО «Ураласбест» – это крупнейший и старейший производитель хризотил-асбеста в мире. На текущий момент общий годовой объём экскавированной породы составляет 103 млн. т, при этом карьерное поле достигло длины 10.5 км, ширины 1.95 км при глубине 320 м.

Разработка хризотил-асбестового месторождения – высокомеханизированное горное производство, в технологических процессах которого – от добычи до отгрузки готовой продукции – задействовано 63 экскаватора. Основу экскаваторного парка составляют экскаваторы-мехлопаты ЭКГW8И и ЭКГW10 с ковшами вместимостью 8–10 м3. Особенность мехлопат заключается в том, что движение ковша от приводов напора и подъёма передаётся через канаты диаметром 45.5–53.5 мм. Общая усреднённая длина установленных канатов на один экскаватор достигает почти 300 м. Среднегодовое потребление экскаваторных канатов составляет 56–74 км (по массе 483–647 т) в зависимости от объёмов горного производства. Экскаваторные канаты эксплуатируются до полного износа или порыва, лишь 10–12% из них относятся к стреловым канатам, которые снимаются по установленным нормам браковки.

Табл. 1 Конструктивные и технические параметры экскаваторных канатов, эксплуатирующихся в ОАО «Ураласбест»

Срок службы и работоспособность канатов значительно ниже срока службы других деталей экскаваторов и зависит от многих факторов, среди них:

- степень подготовленности забоя;

- уровень квалификации машинистов экскаваторов;

- коррозионное воздействие окружающей среды (особенно на стреловые канаты);

- техническое состояние оборудования;

- величина нагрузки на канаты с большими амплитудными колебаниями и большими коэффициентами динамичности и цикличности;

- усталостные разрушения;

- контакт канатов с абразивной средой;

- коэффициент соотношения диаметров блоков и барабанов к диаметру канатов.

Условия эксплуатации канатов и степень подготовленности забоев в ОАО «Ураласбест» разнообразны, что объясняется различными физико-механическими свойствами разрабатываемых пород. С изменением кусковатости и коэффициента крепости пород, зависящих от категории пород по трудности экскавации, меняется и работоспособность канатов. Чем выше крепость, кусковатость и категория пород по трудности экскавации, тем ниже работоспособность и долговечность канатов. При разработке пород IV–V категорий нагрузки на подъёмный механизм носят ярко выраженный пиковый характер, достигая в некоторых условиях (1.4...1.8)·Pcт, и канаты работают на пределе упругих деформаций, что особенно снижает их долговечность.

Табл. 1 Конструктивные и технические параметры экскаваторных канатов, эксплуатирующихся в ОАО «Ураласбест»

Наличие в забое негабарита, «перелопачивание» и погрузка кусков горной массы, близких по размерам к негабариту, не только усложняет работу экскаватора, резко снижая его производительность, но и утяжеляет условия эксплуатации канатов. И в таких условиях канаты работают недолго, наработка может составлять всего 50–100 тыс. т горной массы (при нормативе 240–700 тыс. т) в зависимости от назначения каната, типа экскаватора, условий погрузки. Работа в сложных условиях также повышает вероятность ошибок машиниста, которые могут привести к нештатной ситуации, например, к зашкивлению каната, (т.е. к его сбрасыванию с блоков).

Несколько лучше работают канаты при разработке пород III категории и на перевалочных пунктах. В этих условиях число и длительность пиковых нагрузок сокращается, наработка канатов увеличивается и может достигать 300–720 тыс. т.

При разработке пород I и II категорий и работе экскаваторов на отвале, пиковые нагрузки на канаты практически отсутствуют, так как машинист экскаватора производит минимальное количество переключений, и вообще экскаватор работает плавно. Экскаваторные канаты эксплуатируются в благоприятных условиях, их наработка достигает 1000–1600 тыс. т (при норме экскавации в отвал – 950 тыс. т для подъёмного каната и 1100–1200 тыс. т – для напорного каната).

Уровень квалификации машинистов оказывает огромное влияние на стойкость и рабочую долговечность канатов, особенно в условиях предприятия со сложными горно-геологическими условиями и специфическими требованиями по подаче руды на фабрику. Так, например, до 50% подъёмных канатов выходят из строя преждевременно, не достигая средних показателей по наработке из-за ошибок обслуживающего персонала. На машинах с постоянно закреплёнными бригадами работоспособность канатов более стабильна и зависит в основном от горно-геологических условий, технического состояния оборудования и качества канатов.

Основные факторы, влияющие на износ стреловых канатов и возвратных канатов механизма напора, – это коррозионное разрушение и усталостный излом проволочек на участках каната, огибающих блоки и барабаны. Средний срок службы стреловых канатов составляет 500 и более дней, а наработка возвратных канатов напорного механизма может составлять более 1500 тыс. т Коррозионному разрушению в меньшей степени подвергаются подъёмные и напорные канаты ввиду малой длительности нахождения их в навеске.

В инструкциях по эксплуатации экскаваторов заводы-изготовители рекомендуют использовать канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6|36 (1+7+7/7+14) +7|7 (1+6) по ГОСТ 7669-80 с металлическим сердечником. Однако комбинат «Ураласбест» уже в течение достаточно продолжительного периода использует односторонние канаты, двойной свивки, типа ЛК-РО, конструкции 6|36 (1+7+7/7+14) + 1о.с. по ГОСТ 7668-80 с органическим сердечником (табл. 1). Несмотря на то, что у канатов, изготовленных по ГОСТ 7668-80, расчётное суммарное разрывное усилие всех проволок в сечении в среднем на 16–17% ниже, чем у аналогичных канатов по ГОСТ 7669-80 (с металлическим сердечником), наработка каната по ГОСТ 7668-80 при правильной его эксплуатации, как правило, выше. Это достигается благодаря повышенной гибкости (пластичности) каната из-за отсутствия металлического сердечника, наличия удерживаемой смазки внутри каната, которая постоянно в процессе работы подпитывает пряди каната смазкой. Кроме того, в канатах с органическим сердечником не возникают контактные напряжения между сердечником (т.к. он неметаллический) и прядями каната.

По своей конструкции канаты по ГОСТ 7669-80 имеют достаточно большую изгибную жёсткость и напряжения от изгиба неравномерно распределяются между проволоками. К тому же, малая опорная поверхность на блоке ведёт к быстрому износу нагруженных проволок, в результате – образуются разрывы проволок, так называемые «ерши», а также обрываются проволоки в самом сердечнике. При растяжении сердечник каната имеет большую жёсткость, чем пряди и, как правило, в результате скольжения пряди каната относительно сердечника, при переменных нагрузках и больших напряжениях от изгиба, он (сердечник) разрывается. При использовании канатов такой конструкции наибольшее количество оборванных проволок наблюдается в металлическом сердечнике. В меньшей степени наблюдается механический износ проволок сердечника по диаметру и площади за счёт истирания.

Предпочтение, отдаваемое изготовителями канатов, конструкции по ГОСТ 7669-80 объясняется тем, что, в соответствии с техническими нормами, канаты выбирают по расчётному суммарному разрывному усилию всех проволок, прочность проволоки сердечника также учитывается в расчёте. В действительности же реальная статическая прочность канатов с металлическим сердечником не намного выше прочности канатов с органическим сердечником, так как при эксплуатации каната с металлическим сердечником в первую очередь разрушается именно он.

При малых нагрузках, напряжения в прядях на прямых участках уменьшаются, а при изгибе каната на блоках и барабанах – увеличиваются. При работе каната его осевая листвии с техническими нормами, канаты выбирают по расчётному суммарному разрывному усилию всех проволок, прочность проволоки сердечника также учитывается в расчёте. В действительности же реальная статическая прочность канатов с металлическим сердечником не намного выше прочности канатов с органическим сердечником, так как при эксплуатации каната с металлическим сердечником в первую очередь разрушается именно он.

При малых нагрузках, напряжения в прядях на прямых участках уменьшаются, а при изгибе каната на блоках и барабанах – увеличиваются. При работе каната его осевая лими уменьшаются значения контактных напряжений, что приводит к уменьшению износа проволок в прядях каната и поверхностей блоков и барабанов.

К сожалению, несмотря на подтверждённые высокие эксплуатационные показатели новых канатов, в своё время сталепрокатные заводы СССР не наладили их серийного изготовления. В то время как мировая практика давно, успешно и в массовом порядке использует канаты такой конструкции.

Только в 2006 году на российском рынке стали вновь появляться экскаваторные канаты большого диаметра с пластически обжатыми прядями. Волгоградский завод «Северстальметиз» изготовил стальной канат 45.5-Г-В-О-Н-Р-1770/180ПЛ диаметром 45.5 мм из пластически обжатых наружных прядей по ТУ 1251-025-71915393-2006 с металлическим сердечником, который относится к типу ЛК-РО, двойной свивки с линейным касанием проволок в прядях, конструкции 6|36·(1 + 7 + 7/7 + 14) + 7|7·(1 + 6). За счёт деформации прядей происходит более полное заполнение каната, что даёт возможность использовать проволоки большего диаметра. Соответственно увеличивается и суммарная площадь каната, которая ведёт к росту суммарного усилия разрыва всех проволок и каната в целом. Последнее имеет немаловажное значение при пиковых нагрузках на канаты, особенно в начальный период его эксплуатации (до разрушения центральной пряди). К примеру, для данного каната суммарная площадь сечения всех проволок – 1026.28 мм2, для сравнения, по ГОСТ 7669-80 она равна 991.84 мм2. Анализ работы нового типа каната (табл. 3) позволяет констатировать, что за счёт более высокого разрывного суммарного усилия проволок и каната в целом снижена частота аварийного выхода его из строя (50% этих канатов отработали нормативный ресурс), а в целом суммарная наработка всех 14 канатов составила 104%.

Далее, в 2008 году, на том же заводе для испытаний был изготовлен канат 45.5–Г-В-О-Н-Р 1670/170-ПЛЗ II по ТУ 1251-037-71915393-2006 с пластически обжатыми прядями и заполнением между прядями и металлическим сердечником шестью органическими прядями. Постоянное наличие смазки в канате положительно повлияло на работоспособность каната, особенно этот фактор проявился при работе канатов в механизмах подъёма, имеющих большое количество блоков: здесь суммарная наработка подъёмных канатов составила 118% от нормативной (табл. 4).

Табл. 3 Показатели работы канатов в механизмах напора и подъёма экскаваторов ЭКГ_8И и ЭКГ_10

В 2008 году совместно с ОАО «ММК-Метиз» (Магнитогорский завод), исходя из технических возможностей данного завода, были разработаны ТУ 1251-049-00187240-2008 «Канаты стальные восьмипрядные для карьерных экскаваторов». По данным ТУ предусматривается изготовление канатов двух типов:Тип I - 8|36 ((1 + 7 + 7/7 + 14) + 1о.с. и Тип II - 8|36 ((1 + 7 + 7/7 + 14) + 6|19 (1+6+6/6) + 1о.с., с маркировочными группами 1670/170 и 1770/180 Н/мм2 (кгс/мм2).

В 2009 г. на карьерах ОАО «Ураласбест» проведены испытания канатов Типа II, изготовленных по ТУ-1251-04900187240-2008. Как свидетельствуют результаты испытаний (табл. 3), количество канатов, отработавших нормативный срок, составило 50%. Такой же показатель соответствует канатам, изготовленным по ТУ 1251-025-71915393-2006, имеющим большее сечение проволок и, соответственно, большее суммарное усилие на разрыв. Причём испытания 8прядных канатов (по ТУ 1251-049-00187240-2008) проходили на барабанах и блоках, имеющих некоторый износ, и «рисунки» износа не совпадали со структурой навивки 8-прядных канатов, т.е. действовал фактор, отрицательно влияющий на срок службы каната.

Изначально 8-прядный канат разрабатывался для экскаваторов с очень малыми диаметрами барабанов, блоков и имеющих высокую цикличность по нагрузкам и перегибам. С учётом этих условий общее количество проволок в канате, созданном по ТУ 1251-049-00187240-2008 Тип II, доведено до 402 (в канате по ГОСТ 7668-80 количество проволок – 216), кроме того в 8-прядный канат введён органический сердечник для удержания смазки в период его эксплуатации. Предложенная концепция структуры каната полностью себя оправдала, что видно по результатам их работы на подъёмной лебёдке, вмещающей самый длинный экскаваторный канат (табл. 4). Этому канату соответствуют наилучшие эксплуатационные показатели, так как общая наработка всех 12 подъёмных канатов на 31% превысила нормативный уровень.

Из приведённого анализа работы экскаваторных канатов очевидна экономическая целесообразность дальнейшего использования как канатов с пластически обжатыми прядями, так и наиболее перспективных, 8-прядных канатов. В настоящее время специалистами «Ураласбест» и «ММК-Метиз» прорабатывается вопрос изготовления и испытаний 8-прядных канатов с пластически обжатыми прядями. Изменение конструкции каната приведёт к повышению его стойкости благодаря уменьшению контактных напряжений между проволоками в прядях, между самими прядями в канате, а также между канатом и поверхностью блоков (барабанов) и канатом. Обжатие прядей позволяит частично снять напряжения в них при изготовлении каната и стабилизирует геометрию прядей и каната.

Табл. 3 Показатели работы канатов в механизмах напора и подъёма экскаваторов ЭКГ_8И и ЭКГ_10

Расширение масштабов экспериментальных работ комбината «Ураласбест» с Волгоградским заводом «Северстальметиз» по промышленному применению канатов с пластически обжатыми прядями несколько сдерживается пока ещё высокой ценой. Несмотря на это, «Ураласбест» продолжает поиск оптимальной конструкции каната для своих экскаваторов. С этой целью в настоящее время на мехлопатах предприятия проходят испытания канаты 6-прядные (производства Волгоградский завод «Северсталь-метиз»), с пластически обжатыми прядями, с органическим сердечником и смазкой NYROSTEN по СТО-71915393-ТУ 040-2007, общая длина которых составляет 2000 м, а также более масштабно развёрнута экспериментальная эксплуатация 8-прядных канатов, изготовленных по ТУ 1251-049-37240-2008, общей длиной 6000 м.

Журнал "Горная Промышленность" №2 (96) 2011, стр.52