Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных комбайнов

А.А. Грабский, к.т.н., профессор кафедры ГМО, МГГУ,

Технология выемки полезных ископаемых на современных карьерах основана на применении выемочно-погрузочных машин большой единичной мощности. Производительность этих машин постоянно наращивают путём увеличения конструктивных элементов без изменения их принципа работы. Например, производительность экскаваторов, основного выемочно-погрузочного оборудования карьеров, наращивают путём увеличения вместимости ковшей, длин рукоятей и стрел при нелинейном увлечении их габаритов, массы и энерговооружённости. Однако, в настоящее время эти машины достигли такого технического уровня, при котором возможности их дальнейшего совершенствования приблизились к разумному пределу.

Рис. 1 Зависимости: а) – энерговооруженности и б) – энергоёмкости выемки породы от собственной массы оборудования

Сопоставительный анализ различных видов карьерного оборудования (рис. 1) с учётом его основных параметров (собственной массы G, установленной мощности силовой установкиNуст, теоретической производительностиПтеор), выполненный по критериям Nуст /Птеор и Nуст/G свидетельствует, что энерговооружённость в зависимости от собственной массы машины можно характеризовать соотношениями. Наименьшую энерговооружённость (кВт/т) (см. рис. 1а) имеют роторные экскаваторы, карьерные механические лопаты и компактные роторные экскаваторы, причём для традиционных роторных экскаваторов этот показатель имеет тенденцию к снижению при увеличении массы, которая у этих машин растёт быстрее остальных показателей. Все эти виды оборудования почти в два раза уступают карьерным гидравлическим экскаваторам, у которых данный показатель выше. Самую высокую по энерговооружённости группу машин составляют карьерные комбайны.

Энергоёмкость, равная отношению установленной мощности привода рабочего органа к его паспортной производительности, характеризует удельное усилие выемки породы. Зависимость этого показателя от массы оборудования (см. рис. 1б) свидетельствует, что более высокие усилия обеспечиваются гидравлическими экскаваторами. Наконец, машины послойного фрезерования, часто называемые карьерными комбайнами, могут обеспечивать самые высокие удельные усилия при номинальной производительности по сравнению со всеми остальными видами выемочно-погрузочной техники [1, 2, 3].

Анализ представленных зависимостей позволяет сделать вывод о больших перспективах применения гидрофицированного компактного и мобильного оборудования, являющегося наиболее универсальным и охватывающим широкий спектр горно-геологических и климатических условий эксплуатации. Подтверждается необходимость более широкого внедрения гидравлических экскаваторов, поскольку они превосходят по всем показателям технического уровня мехлопаты, особенно при ведении горных работ с рыхлением породы взрывом (экскавация из навала). Гидравлические компактные роторные экскаваторы в сопоставимых горногеологических и климатических условиях оказываются эффективнее роторных экскаваторов традиционного исполнения. Карьерные комбайны, имеющие роторный рабочий орган, по условиям применения находятся ближе к компактным роторным экскаваторам, хотя и превосходят последние по удельной производительности, в то время как машины с фрезерным рабочим органом могут с успехом разрабатывать достаточно крепкие породы без предварительного проведения буровзрывных работ, обеспечивая высокую эксплуатационную производительность.

При отработке сложноструктурных залежей выемка полезного ископаемого без потери его качества невозможна, в результате чего при традиционной технологии в процессе подсчёта запасов часть слоёв (обычно очень тонких) полезного ископаемого относится к низшему сорту или вообще считается некондиционной. При этом ограниченные возможности раздельной выемки тонких породных слоёв приводят к валовой отработке сложных в структурном отношении месторождений или отработке с невысокой глубиной селекции, сопровождающейся значительным повышением потерь и разобуживания.

Создание и внедрение на открытых разработках нового поколения машин, обеспечивающих замену традиционной технологии – с применением БВР – при разработке скальных и полускальных пород на безвзрывную, является прогрессивным направлением в совершенствовании выемочно-погрузочных работ [4].

В конце 1970-х, начале 1980-х годов в мире заметно возрос интерес к оборудованию, позволяющему достичь высокой производительности и поточности и базирующемуся на принципах безвзрывного отделения полезного ископаемого от массива, его дробления и погрузки в средства транспорта. В результате исследовательских и опытноконструкторских работ, проведённых рядом машиностроительных фирм США, Германии и Австрии, были разработаны и изготовлены промышленные образцы карьерных комбайнов различных типов.

На основе опыта проектирования и эксплуатации шахтных добычных и проходческих комбайнов, а также оборудования для дорожного и аэродромного строительства был разработан ряд конструкций комбайнов непрерывного действия для открытой разработки месторождений методом послойного фрезерования, получившие название Continuous Surface Miner (CSM) и многослойного фрезерования (стреловые комбайны).

Первые комбайны СSМ появились на рынке в начале 1980-х годов. Несколько позже были созданы комбайны с роторным рабочим органом ковшового типа серия Satterwhite Wheel и струговым рабочим органом. Накоплен доста точно большой опыт практического применения различных моделей комбайнов на карьерах строительных материалов, угольных, фосфоритовых, бокситовых и гипсовых, при разработке вскрышных пород в США, Австралии, Канаде, Бразилии, ЮАР, Франции, Испании, Италии.

Технология отработки породного массива формирует целый комплекс предпосылок для достижения экологической чистоты и повышения эффективности открытых горных работ, что обосновывается следующими факторами:

- возможностью управления параметрами отрабатываемых уступов в изменяющейся горнотехнической обстановке, поскольку при послойно-полосовой технологии производства горных работ высота уступа и ширина заходки не зависят от линейных параметров экскавационной машины типа Surface Miner (SМ);

- возможностью безвзрывной отработки горного массива, представленного весьма крепкими породами, позволяющей сократить эксплуатационные издержки, обусловленные необходимостью проведения буровзрывных работ при использовании традиционной выемочно-погрузочной техники, и минимизировать вредное воздействие на окружающую среду;

- сопряженная работа машин типа SМ и перегружателей непрерывного действия различной модификации создаёт условия для формирования технологических схем с полной конвейеризацией транспорта, что особенно важно для повышения эффективности функционирования глубоких карьеров с большими грузопотоками горной массы.

В настоящее время подобная техника производится рядом фирм на машиностроительных заводах Германии, США, Англии, Австрии, Японии, Швеции. Принципиальные конструктивные схемы карьерных комбайнов предусматривают несколько вариантов расположения рабочего органа (рис. 2):

Рис. 2 Принципиальные конструктивные схемы карьерных комбайнов

- в передней части машины; это комбайны типа SM модель MTS, изготовитель фирма MAN TAKRAF (см. рис. 2а) и типа CSM-модель KSM, изготовитель фирма Krupp (см. рис. 2б);

- с консольным расположением рабочего органа на раме, вынесенного на стрелу совместно; это комбайны модели СМЕ, изготовитель фирма RAHCO (см. рис. 2в) или раздельно от приёмного конвейера-питателя у модели VASM, изготовитель фирма Vцest Alpine (см. рис. 2г);

- на раме по центру карьерного комбайна типа SM модель SМ, изготовитель фирма Wirtgen (рис. 2д);

- в задней части карьерного комбайна типа SM модель MTSzС, изготовитель фирма MAN TAKRAF (см. рис. 2е).

Рис. 3 Принципиальная модульная конструкция карьерных комбайнов

При работе карьерных комбайнов всех выше перечисленных типов забоем служит поверхность рабочей площадки уступа. В отличие от роторных и одноковшовых экскаваторов, которые выемку породы осуществляют из откосной части уступа по всей его высоте, комбайны вынимают породы послойно, двигаясь с относительно высокой скоростью по забою-площадке. Эти машины рационально применять на любых относительно больших по площади месторождениях. При небольшой площади отработки производительность комбайна снижается из-за потерь времени на маневровые операции (разворот и переезд к следующей заходке). Наибольшую эффективность в послойной выемке пород прочностью до 50–150 МПа показали карьерные комбайны непрерывного действия с центральным и передним расположением рабочего органа (см. рис. 2а–д).

Рис. 4 Зависимость производительности карьерного комбайна Wirtgen 4200 SM от прочности пород

Сегодня фирма MAN TAKRAF выпускает два типа комбайнов – фрезерные, серии МТS и компактные, серии МТS-С. Оба типа предназначены для разработки горных пород прочностью до 50 МПа и селективной выемки полезного ископаемого в карьерах известняка, бокситов, фосфоритов, крепких каменных и бурых углей, соли, глины и других твёрдых осадочных породы. Все комбайны имеют модульную конструкцию (рис. 3), включающую ходовую часть с гусеничными тележками, шнеко-фрезерный рабочий орган с опорной рамой, дизель-гидравлическую силовую установку, эргономичную кабину управления с системами кондиционирования и видеоинформации. Рабочий орган роторного типа – оснащён фрезами, армированными резцами округлой формы. Комбайны могут оборудоваться системой распознавания границ слоёв, глобальной системой навигации и определения положения (GPS), системами радиотелеуправления и пылеподавления. В настоящее время выпускаются 11 моделей комбайнов базовых серий МТS и МТS-С. Однако анализ графика на рис. 4 показывает, что эффективная эксплуатация комбайнов достигается при разработке горных пород прочностью от 20 до 50 МПа, таких как каменный уголь, малопрочный известняк, бокситы, слабосцементированные песчаники, отдельные виды некрепких руд и др. [4]. Для эффективного применения на породах прочностью более 50 МПа необходимо использовать иной принцип разрушения горных пород, основанный не на классическом резании, а на создании максимальных напряжений сдвига или растяжения в разрабатываемом слое без скольжения инструмента в породе.

Таким образом, увеличение объёмов и расширение номенклатуры добычи полезных ископаемых может быть достигнуто на основе модернизации и создания перспективных образцов комбайнов непрерывного действия, эксплуатирующихся на месторождениях РФ и других государств СНГ с системами гидрообъёмной силовой установки нового технического уровня [5]. Это требует поиска новых инженерных решений на основе теоретических и экспериментальных изысканий с учётом достигнутого уровня теории и практики моделирования динамических и тепловых процессов.

Таким образом, карьерный комбайн должен быть оснащен гидроимпульсным приводом с оперативно регулируемыми частотой и амплитудой импульса. Это даст возможность (при одной и той же установленной мощности силовой установки карьерного комбайна) осуществить выемку слоя породы более высокой прочность или существенно увеличить ресурс элементов гидропривода рабочего органа без снижения его производительности. Последнее утверждение базируется на результатах исследований, выполненных на кафедре «Горные машины и оборудование» Московского государственного горного университета [6, 7].


ЛИТЕРАТУРА:

1. Супрун В.И. и др. Перспективная техника и технология для производства открытых горных работ. Учебное пособие, М.: МГГУ, 1996, 222 с.

2. Штейнцайг Р.М. Фрезерные комбайны – эффективное оборудование для открытой разработки скальных пород. Мировая горная промышленность 2004–2005: история, достижения, перспективы. – М.: НТЦ «Горное дело», 2005, с. 296–318.

3. Абдуазизов Н.А. Опыт, современное состояние и перспективы развития конструкции карьерных гидравлических экскаваторов., Сборник научных трудов студентов магистратуры МГГУ. Вып. 3 / Под. ред. действ. члена РАЕН, д. т. н., проф. Б.И. Федунца. – М.: Изд. МГГУ, 2002. с. 261–264.

4. Кенгиров В.В. Майнеры. Вопросы целесообразности применения. –М. «Основные Средства» №2. 2008, с. 56–59.

5. Подэрни Р.Ю., Грабский А.А., Кузиев Д.А. Влияние эффективного коэффициента трения породы о шнек на техническую производительность карьерного комбайна с шнеко-фрезерным рабочим органом. Горный информационно-аналитический бюллетень, вып. 7.– М.: МГГУ, 2007, с. 5–10.

6. Замышляев В.Ф., Грабский А.А., Кузиев Д.А., Абдуазизов Н.А. Сравнительный анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований момента сопротивления вращению шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна.//Горный информационно-аналитический бюллетень, вып. 11. – М.: МГГУ, 2007, с.15–23.

7. Кантович Л.И., Грабский А.А. Влияние конструктивных, технологических и виброреологических параметров на производительность карьерного комбайна со шнекофрезерным рабочим органом // Горное оборудование и электромеханика №1, ООО «Издательство «Новые технологии», 2009, с. 5–12

8. Грабский А.А. Обоснование динамических параметров силовой установки карьерного комбайна с шнекофрезерным рабочим органом \\ Исследование динамических и тепловых процессов в системах гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна с шнекофрезерным рабочим органом. Сборник статей. – М.: Отдел печати Московского государственного горного университета, 2010. с. 66–78.

9. Морозов В.И. Разработка системы управления качеством ремонта горного оборудования. – Докт. дисс. М.: МГИ, 1987, 387с.

10. Коваль П.В. Гидравлика и гидропривод горных машин: Учебник для вузов по специальности «Горные машины и комплексы»,– М.: Машиностроение, 1979.– 319с., илл.

Журнал "Горная Промышленность" №4 (92) 2010, стр.60