Оптимизация конструктивных и технологических параметров роторных экскаваторов

В. Раац, докт. инж., KRUPP Fördertechnik, Германия

Эффективная разработка месторождений полезных ископаемых с использованием роторных экскаваторов невозможна без выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров этих машин для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий разрабатываемого месторождения. Фирма KRUPP Fördertechnik, являющаяся мировым лидером по производству роторных экскаваторов, осуществляет процесс оптимизации их параметров как на стадии проектирования, так и при их изготовлении и вводе в эксплуатацию. При этом многолетний опыт фирмы в области изготовления и модернизации роторных экскаваторов для разработки прочных пород позволил выявить взаимосвязь между физико-техническими свойствами пород, конструктивными и технологическими параметрами с одной стороны и силой резания, затратами энергии и износом рабочего органа с другой стороны.

На рис. 1 представлены факторы, влияющие на эффективность процесса копания. Взаимосвязь сил резания, энергетических затрат и износа рабочего органа роторного экскаватора со свойствами пород, геометрией и кинематикой машины, формой рабочего органа, а также с выбранной схемой отработки пласта достаточно детально представлена на блок-схеме (рис. 2).

Cвойства пород

Определяющими для процесса проектирования, конструирования и эксплуатации роторных экскаваторов являются физико-технические свойства пород, к наиболее важным из которых, помимо прочностных характеристик, относятся хрупкость, вязкость, трещиноватость, пластичность, абразивность, плотность и внутреннее напряжение массива.

На рис. 3 представлены наиболее часто встречающиеся методы испытания прочности пород, разрабатываемых роторными экскаваторами. Соотношение между прочностью породы на сжатие и на растяжение отражает хрупко-вязкостные ее свойства и трещиноватость, что позволяет оценить угол бокового скола материала при резании.

Испытанием на срез определяется коэзия и угол внутреннего трения, как правило, мягких (непрочных) пород. Испытания клином и точечной нагрузкой относятся к полевым методам определения прочностных свойств пород и дают возможность быстрого анализа образцов породы непосредственно на месте ведения открытой разработки. При этом, для более прочных пород рекомендуется применение метода испытаний точечной нагрузкой, при котором нет необходимости в предварительной подготовке образцов (рис. 4). Образец может иметь практически произвольную форму. Важнейшее преимущество точечного метода испытаний состоит в возможности проведения значительно большего их числа в определённый промежуток времени и, соответственно, в более высокой точности и низкой себестоимости измерений. Результаты измерения разрушающего усилия и площади минимального поперечного сечения образца целесообразно представить в виде точек на диаграмме с логарифмическим скалированием обеих осей (рис. 5). В случае однородности породы точки измерения образуют, как правило, линейно вытянутую полосу разброса определённой ширины. Высота, наклон и ширина этой полосы характеризуют изменение прочности породы в зависимости от величины образца, а ее наклон отражает природную трещиноватость массива. Проведенное усовершенствование прибора для проведения Поинт-Лоад-Теста позволяет осуществить одновременно регистрацию усилия и деформации образца и дает возможность дополнительного определения энергетических затрат на разрушение породы. Определение новой поверхности разрушеного образца позволяет также учесть при этом хрупко-вязкостные свойства породы (рис. 6).

Существенное влияние на силу резания, энергетические затраты процесса копания и износ рабочего оборудования оказывает также внутреннее напряженное состояние массива, которое определяется путем расчета давления верхних слоев породы на нижние. Внутреннее напряжение глиносодержащих массивов пород зависит также от процентного содержания глинистых минералов и их влагонасыщенности. Для уменьшения внутреннего напряжения в таких породах рекомендуется предварительное понижение уровня грунтовых вод путём откачки воды из скважин.

Абразивность породы играет также важную роль. Являясь основной причиной износа режущих кромок, высокая абразивность требует изменения формы и углов установки режущих элементов на ковше, что приводит, как правило, к повышению сил резания и энергетических затрат на процесс копания.

Конструктивные параметры экскаватора

Основными конструктивными параметрами роторного экскаватора, оказывающими влияние на эффективность процесса экскавации, являются геометрические параметры машины и ходового оборудования, а также кинематические параметры приводов и форма зубьев и ковшей.

Геометрические параметры экскаватора и ходового оборудования существенно влияют на размеры добычного блока и эффективность работы роторного экскаватора в блоке [6]*, а геометрические параметры и форма ковшей и зубьев – на усилие резания и энергозатраты на процесс копания.

К основным геометрическим параметрам экскаватора относятся диаметр и ширина рабочего колеса, ассиметрия ковшей, координаты точки подвеса и вылет стрелы, а также углы установки и смещение рабочего колеса на стреле (рис. 7). Для улучшения процесса разгрузки ковшей и для предотвращения контакта конструкции стрелы с откосом породы в блоке рабочее колесо роторного экскаватора может быть смещено относительно оси стрелы и повёрнуто как в вертикальной плоскости на угол крена, так и в горизонтальной – на угол скоса [3, 4]. К геометрическим параметрам формы ковшей и зубьев относятся количество ковшей, их объём и форма, форма режущих зубьев, их расположение и установка на ковше, а также износ режущих кромок (рис. 8).

Технологические параметры экскавации

Выбор схемы разработки породы в блоке определяется в соответствии с конструктивными параметрами роторного экскаватора и физико-техническими характеристиками разрабатываемого грунта.

Разработка блока может проводится горизонтальными террасами, вертикальными срезами (так называемый метод «Дроп Кат») или комбинированно. Разработка пород горизонтальными террасами наиболее распространена, а при селективной добыче полезных ископаемых, залегающих тонкими слоями, даже предпочтительна (рис. 9). Добычу пород с ярко выраженной слоистой анизотропией прочностных своиств целесообразней проводить методом «Дроп Кат» или комбинированно (рис. 10). В общем случае геометрия разрабатываемого блока определяется высотой, шириной и глубиной блока, высотой терасс или глубиной вертикального среза, углом бокового и фронтального откоса, а также позицией экскаватора. Прочностные свойства пород каждой террасы определяют допустимую глубину стружки и соответствующую скорость поворота роторного экскаватора в этой террасе. Процесс поворота экскаватора при отработке стружки в каждой из террас характеризуется максимальными углами поворота, ускорением разгона и торможения, основной и допустимой скоростями поворота, а также законом регулирования скорости поворота (обычно обратно пропорционально косинусу угла поворота) (рис. 11).

Журнал "Горная Промышленность" №3 2002