Эффективность применения мощных гидравлических экскаваторов результат повышения их надежности

Р.Ю. Подэрни, д.т.н., профессор кафедры «Горные машины и оборудование», МГИ НИТУ МИСиС

Петер Булес, инженер, руководитель сервисных служб Komatsu Mining Germany, Dusseldorf

Карьерные гидравлические экскаваторы находят все более широкое применение на открытых разработках полезных ископаемых многих стран. В настоящее время на горных предприятиях мира эксплуатируются порядка 4500 одноковшовых экскаваторов с вместимостями ковшей свыше 12 м3, из которых около 85% – это карьерные гидравлические экскаваторы – прямые и обратные лопаты.

Сегодня в России в эксплуатации находятся около 180 механических лопат отечественного производства заводов ИЗ «Картекс» и «УЗТМ» с ковшами вместимостью 12-31 м3 (32 из которых выпущены в 2010-2013 гг.), а также около 20 мехлопат с ковшами 35-55 м3 компаний Caterpillar, P&H (США) и Taiyuan HM Group (Китай), которые работают наряду с парком из около 300 карьерных гидравлических прямых и обратных лопат с ковшами вместимостью 12-45 м3, поставленными преимущественно компаниями Komatsu Mining Germany и Liebherr (Германия), а также Hitachi (Япония).

Выполненный [1] сравнительный анализ силовых и кинематических параметров как карьерных механических, так и прямых гидравлических лопат показывает, что при сравнительно одинаковых высотах черпания и вместимостях их ковшей, первые имеют почти в 2 раза более высокую массу и пропорционально более высокую начальную стоимость, более продолжительный срок службы, меньшую зависимость от климатических и горно-геологических изменений условий эксплуатации, но безусловно более жесткую зависимость от систем электроснабжения, что в определенных условиях может явиться их недостатком. Что же касается гидравлических экскаваторов, то наиболее весомыми их преимуществами являются возможности: черпания ниже уровня установки; горизонтального перемещения ковша на любой высоте уступа, особенно на уровне стояния, что позволяет осуществлять селективную отработку пластов в массиве; развития высоких усилий отрыва на зубьях ковшей при отсутствии передачи возникающего при этом опрокидывающего момента на опорно-поворотное устройство; осуществления мягкой разгрузки челюстных ковшей и выполнения многих других операций, недоступных прямым механическим лопатам, что является причиной неуклонного и существенного расширения области их применения в горной промышленности.

Одно из наиболее распространенных среди определенного ряда российских производственников мнений о нецелесообразности применения гидравлических экскаваторов в условиях экстремально низких температур окружающей среды происходит в большой степени из-за их недостаточной осведомленности об имеющемся в мире успешном опыте их применения. Так, например, в заполярных регионах, в частности: Канады, Швеции, Финляндии, да и России, например Якутии [2].

Большое количество карьерных гидравлических экскаваторов, производства компании Komatsu Mining Germany (KMG) было соответствующим образом адаптировано и эксплуатировалось в течение более чем 40 лет в экстремальных условиях, как высоких – до +50оC (Африка, Австралия, Азия и Океания), так и низких – до -45-50оC (Канада, Швеция, Финляндия, Россия) температур. Компанией KMG также накоплен значительный опыт эксплуатации их на высокогорных карьерах Чили и Колумбии.

При эксплуатации гидравлических прямых лопат РС 8000 с ковшами до 42 м3 на кимберлитовом месторождении EKATI в заполярной Канаде в течение 2000-2003 гг. было зафиксировано поддержание высокого среднего уровня коэффициента технической готовности на уровне 89% (82- 97%) в течение календарного года – независимо от изменения температур окружающего воздуха. Аналогичные уровни готовности гидравлических экскаваторов были получены при их эксплуатации и в Северной Швеции на меднорудном карьере Boliden.

Опыт применения мощных карьерных гидравлических экскаваторов РС 8000 с вместимостью ковшей 42 м3 на высокогорных карьерах и рудниках Чили и Колумбии показал, что при оснащении насосных станций экскаваторов электроприводом они весьма успешно конкурируют с мощными механическими прямыми лопатами ВЕ-495 компании Bucyrus, оснащенными ковшами вместимостью 49,7 м3, а по удельной производительности на 1 м3 вместимости ковшей не только не уступают механическим лопатам, но зачастую и превосходят их.

В 2010 и 2011 гг. KMG впервые в мире поставила три карьерных гидравлических экскаватора модели PC 8000 для работы на высоте более чем 5200 м над уровнем моря, отличающейся низким содержанием кислорода и давлением воздуха, в руднике по добыче золота и серебра Pascua Lama компании Barrick Gold, расположенном в Андах на Чилийско- Аргентинской границе.

Диаграммы показателей надежности (коэффициентов готовности КГ и технической готовности КТ), достигнутые при эксплуатации гидроэкскаваторов PC 5500 с ковшами 15 м3 на железорудных карьерах Чили: а – Collahuas (для пяти); б – Quebrada Blanca (для трёх) экскаваторов

В экстремальных условиях высокогорных предприятий Чили (железорудных карьерах Collahuas и Quebrada Blanca), а также Колумбии (рудник Drammond) на высотах более 3000 м сохраняются высокие значения показателей надежности (коэффициентов готовности, рис. 1) и производительностей механических и гидравлических прямых лопат в течение полной годовой сменяемости погодных и климатических условий (рис. 2). При этом средняя удельная часовая производительность на 1 м3 вместимости ковша (соответственно 52,1 и 47,6 м3/м3) достаточно высока у гидравлических экскаваторов, несмотря на их более высокую зависимость от условий высокогорья.

Достигнутые уровни производительности экскаваторов – прямых лопат при их эксплуатации на высокогорном месторождении Drammond в Колумбии: а – гидравли- ческих PC 8000 (42 м3) в период 2008-2013 гг.; б – и механических BE 495 (49,7 м3) в период 2010-2013 гг.

Компания KMG на своем заводе в г. Dusseldorf, производит четыре основные модели гидроэкскваторов (PC 3000, PC 4000, PC 5500 и PC 8000) с рабочими массами в диапазоне от 250 до 750 т, а в г. Kanasawa (Японии) филиал KMG приступил к освоению выпуска моделей РС 3000 и РС 4000. Экскаватор РС 8000 с ковшом 42 м3 и массой 720 т, один из самых востребованных экскаваторов в горной промышленности в своем классе, был создан в 2004 г, а 100-й экземпляр уже в 2012 г. был поставлен заказчику. В 2015 г. ожидается апробация в натурных условиях нового экскаватора РС 7000 с рабочим оборудованием прямая лопата с ковшом 36 м3 и обратная лопата с ковшом 34 м3 и рабочей массой 677-691 т. Начиная с 1980 г, KMG изготовила более 850 карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов с ковшами вместимостью более 15 м3 и массой свыше 150 т (в том числе с рабочим оборудованием обратная лопата 32%, а с электроприводом их насосных станций 22%) и накопила обширный опыт их использования в самых разнообразных горно- геологических и климатических условиях.

В России, Украине и Казахстане в течение более чем 20 лет эксплуатируются порядка 70 мощных гидравлических экскаваторов с ковшами 15-42 м3 производства компании KМG, из которых более 48% машин – на угольных предприятиях России, в том числе Кузбасса (десять – PC 5500, два – PC 4000 и шесть – PC 3000). До 50% всех гидроэкскаваторов были поставлены с высоковольтным (6 кВ) электроприводом насосных станций, а рабочему оборудованию обратная лопата предпочтение было отдано в 58% закупок. На карьерах АК «АЛРОСА» в Якутии более 14 лет работают гидроэкскаваторы компании KMG, в том числе Н-135S с ковшом 10 м3 и два H-285S с ковшами 19 м3. На вскрышных работах угольного разреза ОАО «ЯКУТУГОЛЬ» с 2002 г. эксплуатируются четыре прямые гидравлические лопаты РС 5500 и три РС 8000, а на добычных работах РС 3000 – обратная лопата с удлиненным рабочим оборудованием.

На угольный разрез в УК «Якутуголь» компанией KMG в течение последних 10 лет были поставлены восемь мощных гидравлических экскаваторов РС 8000, в том числе четыре с электроприводами главных насосов, три из которых типа PC 8000E оборудованы ковшами вместимостью до 42 м3. ОАО «Мордовцемент» эксплуатирует три экскаватора РС 3000, из которых на селективной выемке маломощных пластов и разработке высоких уступов с погрузкой горной массы в железнодорожный транспорт наиболее эффективной и производительной оказалась обратная лопата PC 3000BH с удлиненным рабочим оборудованием и ковшом вместимостью 8 м3 (против 16 м3 у прямой лопаты РС 3000). Менее эффективной по производительности оказалась машина РС 3000 с рабочим оборудованием прямая лопата и ковшом 16 м3 при погрузке ею породы в автосамосвалы недостаточной грузоподъемности 12 т, по причине их несоответствия друг другу. Наименьшая эксплуатационная производительность прямой лопаты РС 3000 была зафиксирована при погрузке ею горной массы на магистральный конвейер через внутрикарьерную дробилку, что явилось следствием частых отказов последней из-за неудовлетворительной ее надежности. На карьере ОАО «Апатит» начата эксплуатация гидравлического экскаватора PC 4000Е с вместимостью ковша 22 м3 обеспечивающего среднемесячную производительность до 400 тыс. м3.

Высокие производственные показатели работы дизельных экскаваторов РС 3000 были также достигнуты и на месторождении кимберлитовых руд «им. Гриба» – «Верхо-тинский» ГОК в Архангельском регионе, где РС 3000 с рабочим оборудованием прямая лопата и ковшом 15 м3 стабильно отгружал в самосвалы грузоподъемностью 130 т вскрышные породы без их предварительного взрывного рыхления в объемах до 500 тыс. м3/мес., а два РС 3000 с рабочим оборудованием обратная лопата и ковшом 15 м3 на этом же карьере обеспечивали производительность на уровне 380 тыс. м3/мес. каждый. В зимний период на этом карьере при температурах окружающей среды - 45оC остановки экскаватора на пересмену и оперативное обслуживание допускались продолжительностью не более 15 мин, что исключало появление замерзания гидравлической жидкости, повышение ее вязкости и последующее вздутия шлангов высокого давления.

Сама по себе практика запуска в работу дизеля гидроэкскаватора в зимний период предусматривает плавную его загрузку после предварительного подогрева, что позволяет одновременно осуществлять и постепенный прогрев гидросистемы. Напротив, у гидроэкскаваторов с электроприводом насосной станции возможный мгновенный запуск насосов промерзшей гидросистемы приводит к повреждению рукавов высокого давления и снижению сроков службы элементов гидросистемы. Такие случаи были отмечены, например в ОАО «Мордовцемент», где допускались длительные – до 24 ч – остановки экскаватора РС 3000Е при температурах окружающего воздуха -20 оC и ниже, приводившие к промерзанию элементов гидросистемы в целом, а быстрый запуск электропривода насосов в результате приводил к снижению сроков службы прежде всего насосов и моторов, которые отрабатывали срок менее гарантийного в 1,5 раза. На «Черниговском» угольном разрезе в Кузбассе гидравлические экскаваторы эксплуатируются на протяжении почти 20 лет. Там, в частности, была достигнута высокая степень технической готовности экскаватора PC 4000E с ковшом вместимостью 25 м3, который на погрузке вскрыши в автотранспорт, достигал значений производительности 700 тыс. м3/мес.

Среднемесячная производительность экскаваторов РС 3000Е на угольных разрезах Кузбасса при погрузке подготовленных взрывом вскрышных пород в автосамосвалы грузоподъёмностью 130 т у обратных лопат составила 514 тыс. м3/мес., а у прямых лопат 565 тыс. м3/мес. Максимальная месячная производительность прямой лопаты РС 3000 с ковшом вместимостью 15 м3 при загрузке самосвалов грузоподъемностью 130 т, равная 662 тыс. м3/мес., была зафиксирована на угольном разрезе «Восточно-Бейском» компании ОАО «СУЭК». В январе 2015 г. на двух экскаваторах достигнута производительность 752000 и 844000 т м3 , что является безусловным мировым рекордом в этом классе машин.

На железорудном карьере в ОАО «Карельский Окатыш» эксплуатируются два экскаватора РС 5500Е и ими достигнуты уровни производительности и коэффициента готов-ности не ниже достигнутых на карьерах Чили (см. рис. 1). В результате штатного проведения регламентных операций по сервисному обслуживанию экскаваторов в условиях Севера России на железорудном карьере сумели поддерживать достаточно высокие уровни их производительности, достигавшие максимальных значений, соответственно 505,5 и 533,2 тыс. м3/мес., а также коэффициентов использования (КИ) 0,77 и 0,82 и коэффициентов готовности (КГ) экскаваторов 0,77-0,98 и 0,84-0,98 (рис. 3, а и б).

Диаграммы эффективности эксплуатации экскаваторов PC 5500Е в течение 2013-14 гг. на железорудном карьере, характеризующиеся изменениями: а - коэффициентов го- товности КГ, технической готовности КТГ и коэффициен- тов использования КИ; б- коэффициентов использования (1,2) и производительности (3,4) экскаваторов (№1 и №2)

Из диаграммы (рис. 3) следует, что производительность экскаваторов имеет тесную корреляционную связь с изменением коэффициента использования, который в свою очередь зависит, с одной стороны, от технической готовности экскаваторов к работе, обеспечиваемой регламентированными сервисными мероприятиями, а с другой стороны, от качества и ритмичности организации их работы. Основные изменения коэффициентов готовности данных экскаваторов в значительной степени зависят от фактического состояния машин, качества их обслуживания, количества и длительности простоев, результаты анализа которых приведены на диаграммах рис. 4.

Диаграммы распределения длительностей простоев экска- ваторов PC 5500 (а и б): 1- технические причины; 2 – ковш и рабочее оборудование; 3 - техническое обслужи- вание и плановые ремонты; 4 - организационные причины

Анализ отчетной статистики и диаграмм показывает, что наибольшая суммарная длительность простоев TΣi и количество реализаций случайной величины (СВ) отказов ni обоих экскаваторов за отчетный период времени, называемых как «организационные», составили соответственно TΣ1 = 1942.31ч при n1 = 12875 и TΣ2 = 1602,62ч при n2 = 17056, и они произошли по причинам, не имеющим отношения к их техническому состоянию, в частности , отсутствия автотранспорта, подачи электроэнергии, пожаробезопасности, ожидания доставки узлов и агрегатов, горно-технологических причин, появления всевозможных управленческих ошибок, аварий и несчастных случаев и др. В отдельную группу простоев, называемую «ковш и рабочее оборудование», суммарная длительность простоев и количество отказов которых соответственно составляют 155,83 ч и 214,13 ч , отнесены случаи эксплуатационных выходов из строя наиболее подверженных износу и разрушению элементов рабочего оборудования – ковша (отмечаются трещины стенок, челюсти, износ зубьев и режущих кромок), пальцев, втулок и фиксаторов креплений, шарниров стрел, рукоятей, ковшей и др.

Статистические данные о простоях гидравлических экскаваторов РС 5500 на железорудном карьере в условиях Севера России

Суммарная длительность простоев и их количество на «техническое обслуживание и ремонт – ТОР» составили соответственно 871,62 ч и 607,08 ч и учитывают затраты времени на: плановое обслуживание и инспекцию узлов машины, заполнение отчетных журналов по выполнению плановых работ, проведение армировки ковшей, осуществление модификации машины, проведение капитального ремонта и др. Коэффициент готовности экскаватора КГ, по методике компании KMG, примененной для оценки работоспособности экскаваторов, определяется как отношение разности между часами, отработанными экскаватором в карьере и затраченными на ликвидацию возникших за этот период «технических проблем», ко времени, отработанному экскаватором в карьере.

Коэффициент технической готовности экскаватора КТГ определяется как отношение разности между часами, отработанными экскаватором в карьере, и временем, затраченным: на ликвидацию возникших за этот период «технических» проблем, на ремонт «ковша и рабочего оборудования» и на ТОР, ко времени, отработанному экскаватором в карьере. Коэффициент использования экскаватора КИ определяется как отношение разности между часами, отработанными экскаватором в карьере, и временем, затраченным: на ликвидацию возникших за этот период «технических» проблем, на ремонт «ковша и рабочего оборудования», на ТОР и на «организационные» простои, ко времени, отработанному экскаватором в карьере.

Более «молодой» экскаватор №1, приступивший к эксплуатации только в январе 2013 г., продемонстрировал более высокие показатели как по максимальной производительности, так и технической готовности к эксплуатации, в то же самое время следует отметить, что коэффициент использования им календарного времени – по причинам недостаточно высокого качества организации работ и операционным просчетам – недопустимо низок, что не позволило достичь экскаватору своего производственного потенциала, характерного для машин этого типа, по расчетам находящегося на уровне 800 тыс. м3/мес.

Гистограммы и выравнивающая кривая нормального зако- на распределения случайных значений наработок между отказами гидроэкскаватора РС 3000 при его работе в за- полярных условиях Архангельского региона

В результате обработки статистических данных по эксплуатации гидравлических экскаваторов типа PC 3000 за более длительный период на ГОКе им. Гриба в Архангельской области получены реализации случайных значений наработок их до отказа, которые являются основой для установления законов распределения СВ, характеризующих показатели надежности их работы. Обработка массива данных по наработке на отказ ti гидравлических экскаваторов РС 3000 в интервале наблюдения [0; 21000 ч], представленного в виде вариационного ряда из 56 реализаций, позволил определить основные вероятностные характеристики случайного потока величин отказов ti: математическое ожидание mt=11620 ч, дисперсию Dt= 25631756,8 ч2, среднеквадратическое отклонение mt= 5062 ч, коэффициент вариации vt= 0,435, и оценить вероятность безотказной работы P(t) = 0.954, а также установить закон распределения случайных величин наработки данного гидравлического экскаватора на отказ, оказавшийся нормальным, графическое представление которого видно на рис. 5. Для современных гидравлических экскаваторов, обслуживаемых по системе с превентивной заменой компонентов, характерно возникновение постепенных отказов, являющихся результатом изнашивания элементов или накопления усталостных повреждений, что исключает, как правило, возникновение внезапных отказов (аварий), а случайные величины наработок до отказа хорошо описываются нормальным законом распределения.

Заключение

Мощные гидравлические экскаваторы, прямые и обратные лопаты с ковшами от 15 м3 – это широко используемое в мире оборудование для высокопроизводительного, экономичного применения на горных предприятиях, где надежность является ключевым фактором рентабельности, находят все более частое применение на карьерах и разрезах РФ. Высокомобильные дизельные гидравлические экскаваторы являются наилучшими средствами для раздельной выемки прослоек и селективной разборки смешанных залежей материалов, где требуются частые перемещения, а также в условиях горных разработок, где отсутствует электроснабжение. Современная система организации превентивного обслуживания экскаваторов, предусматривающая плановую замену агрегатов машин по наработке, оперативная ремонтная служба, наличие оптимального комплекта запасных частей и расходного материала, обеспечивают высокую степень надежности машин и их физической готовности к эксплуатации. Окончательное решение по выбору типа экскаватора должно базироваться на суммарной оценке тех или иных качеств конкретного оборудования, наиболее полно отвечающих требованиям данного горного предприятия, а также на личных предпочтениях эксплуатационников, и базироваться на экономических расчетах.

Ключевые слова: гидравлический, механический, лопата, погрузка, готовность, коэффициенты, производительность

Журнал "Горная Промышленность" №1 (119) 2015, стр.46