Конструкторы НКМЗ учат шагать экскаваторы-лопаты

О.Ю.Калашников, А.Г.Буренко, В.А.Дзержинский, АО «Ново-Краматорский машиностроительный завод»

В мировой практике в одноковшовых карьерных экскаваторах-лопатах средней и большой мощности используется только гусеничный ход, который, наряду с преимуществами обладает рядом недостатков: высоким удельным весом, составляющим 40–50% (с нижней рамой) от массы экскаватора; большой трудоемкостью производства и сборки; быстрым износом ходовых элементов и связанными с этим высокими эксплуатационными затратами; значительно большим, чем при шагающем ходе, средним удельным давлением на грунт (до 3.5 кг/см2) и высокими удельными давлениями при копании, превышающими в 6–12 раз средние значения; высокие энергозатраты на передвижение.

Указанных недостатков лишены известные конструкции шагающего хода на драглайнах. Однако в одноковшовых экскаваторах-лопатах он не используется. Главная причина этого – в специфике нагружения машины в процессе копания грунта. В драглайнах на шагающем ходу при работе машины равнодействующая вертикальных сил (в основном сил тяжести) не выходит, как правило, за ядро сечения базы. В одноковшовых экскаваторах-прямых лопатах в результате реализации на вершине зубьев ковша при копании больших динамических усилий (особенно в моменты стопорения механизма подъема) равнодействующая внешних сил (вес машины + динамические усилия на вершине зубьев ковша) выходит не только за поворотный круг, но и зачастую за пределы опорных поверхностей гусениц (в дальнейшем будем называть периметр, охватывающий опорные поверхности в плане – опорным контуром). Вследствие этого, при стопорениях механизма подъема ковша, экскаваторы-лопаты, как правило, работают с отрывом от грунта задней части гусениц ходовой тележки.

Если в экскаваторах-лопатах использовать шагающий ход известной конструкции (например, такого же типа, как в драглайнах с базой, опирающейся на грунт во время копания), то для обеспечения равноценной устойчивости машины опорный контур базы должен быть не меньшим, чем опорный контур, создаваемый гусеницами. Кроме того, чтобы сохранить известное преимущество шагающего хода, заключающееся в возможности передвижения в любом направлении, механизм шагания должен устанавливаться на поворотной платформе, а лыжи – иметь возможность обхода контура базы при повороте, вследствие чего оптимальным опорным контуром базы должен быть круг большого диаметра. При этом лыжи будут вынесены (в плане) за опорный контур базы, что неизбежно приведет к увеличению («раздуванию») ширины поворотной платформы. В итоге использование распространенного шагающего хода в экскаваторах-лопатах привело бы к существенному росту размеров, массы и стоимости машины.

С учетом перечисленных особенностей, на НКМЗ разработан и запатентован шагающий ход, специально предназначенный для средних и тяжелых карьерных экскаваторов-лопат: менее трудоемкий в изготовлении, более экономичный в эксплуатации.

Конструктивно он представляет шагающую тележку с четырьмя лыжами, установленными попарно и заменяющими гусеницы. Опирание во время копания на все четыре лыжи позволяет экскаватору создавать низкое среднее удельное давление на грунт, необходимую устойчивость машины при копании, приспособляемость опорных поверхностей лыж к неровностям подошвы забоя, выравнивание удельных давлений между внутренними и наружными лыжами.

Устройство и принцип работы шагающего хода состоит в следующем. На раме шагающей тележки на каждой из боковых сторон установлены по одному механизму шагания с независимыми (индивидуальными) приводами. Каждый из механизмов шагания имеет на выходе два приводных колеса, механически связанных общим приводом (спереди и сзади шагающей тележки), а каждое из приводных колес имеет по два эксцентрика, обращенных внутрь и наружу рамы и смещенных друг относительно друга на 180°. Эксцентрики, обращенные внутрь рамы, шарнирно соединены с концами внутренней лыжи, а эксцентрики, обращенные наружу рамы – с концами наружной лыжи.

Во время шагания при синхронной работе приводов левого и правого механизмов происходит попеременное опирание на две лыжи – на внутренние и наружные. В течение одного оборота приводных колес шагающая тележка дважды приподнимается на величину эксцентриситета е, опираясь сначала на внутренние лыжи, а затем – на наружные, и передвигается на расстояние L = 4·e. Движение на подъем и под уклон по существу не отличается от прямолинейного движения по горизонтали, а допустимый угол подъема (уклона) ограничивается только сцепляемостью лыж и грунта, т.е. коэффициентом трения лыж о грунт.

Поворот ходовой тележки и машины может осуществляться тремя способами: за счет включения одного привода, при выключенном другом, т.е. за счет работы лыжами одной боковой стороны машины; за счет включения приводов правой и левой стороны машины с разными скоростями в одном направлении; путем шагания лыжами каждой из боковых сторон машины в противоположные стороны (разворот на месте).

Как показали исследования, при различных скоростях правого и левого приводов (например, при повороте машины) рама тележки и машина в целом отклоняется от горизонтального положения в поперечном направлении на небольшой угол. Например, применительно к шагающей тележке экскаватора-лопаты ЭКШ-10Н (с ковшом 10 м3) при эксцентриситете е = 0.175 м этот угол не превышает 2.1°.

Предлагаемая конструкция шагающего хода всегда обеспечивает в процессе копания опору на все четыре лыжи. В пределах размера 2·е опорные поверхности лыж могут занимать относительно друг друга (по высоте) любые положения. При этом одна пара лыж всегда опирается на грунт.

Наружные размеры опорного контура шагающего хода не только не уступают размерам опорного контура гусеничного хода, но даже увеличиваются, а габариты (в плане) ходового устройства при этом уменьшаются.

Поскольку высота лыж значительно меньше высоты гусениц, мехлопата на шагающем ходу более приспособлена для зачистки пути движения перед лыжами своим ковшом.

В ЗАО «НКМЗ» применительно к карьерному экскаватору ЭКГ-10Н массой 400 т разработан технический проект тележки с шагающим ходом, у которого среднее удельное давление на грунт при копании составляет 1.42 кг/см2, в то время как на аналоге с гусеничным ходом – 2.23 кг/см2. При этом размеры опорного контура в плане больше, чем у гусениц.

Установленная мощность приводов механизмов шагания (при одинаковых массах машины и равных скоростях передвижения) в 2–2.4 раза превышает установленную мощность приводов гусеничного хода, что является недостатком, присущим вообще шагающим механизмам.

Вместе с тем, как подтверждают выполненные расчеты, расход электроэнергии при передвижении экскаватора-лопаты на шагающем ходу меньший, чем на гусеничном ходу, вследствие уменьшения внутренних потерь на трение и применения рекуперативного (генераторного) режима при опускании машины в процессе ее шагания.

Проведенные технико-экономические обоснования показали, что использование тележки с новым шагающим ходом на карьерных экскаваторах-лопатах приведет к заметному снижению себестоимости их изготовления и к повышению потребительских свойств.

Сравнительная оценка затрат на изготовление в условиях АО «НКМЗ» тележек с гусеничным и шагающим ходом к экскаватору ЭКГ-10Н показала, что себестоимость тележки с шагающим ходом ниже на 14–15% при одновременном снижении массы тележки на 11–12% (с 148 т до 130 т). Одновременно годовые эксплуатационные затраты у потребителя (рассчитанные по условно-постоянной части прямых затрат на базовой модели с гусеничным ходом ЭКГ-10Н) снижаются на 5.5–7.5%.

С целью подтверждения работоспособности нового шагающего хода и для демонстрации его работы в АО «НКМЗ» изготовлена экспериментальная модель тележки с шагающим ходом (см. рис.). Модель массой 3300 кг выполнена линейно уменьшенной в 5 раз по отношению к натурной конструкции тележки с шагающим ходом для карьерного экскаватора с ковшом 10 м3, с сохранением частоты шаганий в единицу времени, соответствующей скорости передвижения экскаватора 300 м/ч. Предусмотрена возможность изменения тележки для создания удельных давлений на грунт, близких к давлению натурной конструкции экскаватора ЭКШ-10Н с шагающим ходом.

Проведенные испытания и демонстрация работы модели тележки показали, что предлагаемая конструкция шагающего хода вполне работоспособна и обеспечивает передвижение по любой неровной поверхности грунта, осуществление поворотов всеми способами (в т.ч. разворот на месте), передвижение на подъем и спуск, преодоление препятствий, соизмеримых с величиной принятого эксцентриситета е и др.

Эксперименты подтвердили, что при отключении приводов механизмов шагания в момент, когда происходит опирание на 2 лыжи, под действием собственного веса тележки имеет место ее опускание до положения, когда на грунт опираются все четыре лыжи, соответствующего процессу копания. При этом каждая из 4-х лыж по высоте может занимать различные положения, приспосабливаясь к неровностям грунта в поперечном направлении.

Проведенные исследования подтвердили высокую эффективность использования нового шагающего хода на средних и тяжелых карьерных экскаваторах.

Использование этого хода в карьерных экскаваторах-лопатах в принципе не изменяет конструкцию экскаватора в целом. Меняется только ходовая тележка, т.к. гусеницы заменяются лыжами, что дает возможность использовать этот ход не только в новых машинах, но и для модернизации действующего парка карьерных экскаваторов.

При использовании шагающего хода вместо гусеничного, значения средних удельных давлений на грунт при копании мехлопаты уменьшаются в 1.5–2 раза.  

Журнал "Горная Промышленность" №1 2002