Методика оперативной оценки карьерных гидравлических экскаваторов
Анализ зарубежного опыта открытых работ последних двух десятилетий показывает, что наибольшим спросом на погрузочных работах на карьерах небольшой и средней мощности пользуются гидравлические экскаваторы. Только на крупных карьерах при разработке мягких пород применяются, как правило, канатные мехлопаты.
Если первые гидравлические экскаваторы, созданные специально для работы на карьерах, были изготовлены лишь вначале 70-х годов, т.е. на 10 лет позже фронтальных погрузчиков и на несколько десятилетий позже канатных мехлопат, то уже с середины 80-х годов их производство является ведущим направлением в индустрии карьерного выемочно-погрузочного оборудования у большинства зарубежных машиностроительных фирм.
В настоящее время основными зарубежными изготовителями карьерных гидравлических экскаваторов являются немецкие фирмы Liebherr, Mannesmann Demag, Orenstein und Koppel (O&K), японские Hitachi, Komatsu, американские Harnischfeger (P&H) и Caterpillar. Еще две японские фирмы — Mitsubishi и Kobelco — выпускают по два типоразмера. В мире в среднем ежегодно продается около 140 мехлопат массой более 150 т, из которых 100-110 экскаваторов являются гидравлическими, а доля гидравлических мехлопат с ковшами вместимостью 8-16 м3 в мировом производстве одноковшовых экскаваторов составляет 90%. В ближайшей перспективе прогнозируется сохранение этой тенденции при общем повышении спроса на горное оборудование в основном за счет увеличения поставок в африканские и южноамериканские страны.
Парк выемочно-погрузочного оборудования горнодобывающих предприятий стран СНГ составляют в основном канатные мехлопаты российских заводов, на которых до сих пор, несмотря на общую тенденцию в мире, серийно карьерные гидравлические экскаваторы не выпускаются. Попытки в конце 70-х годов завода Уралмаш создать отечественнные карьерные гидравлические экскаваторы оказались неудачными.
Вместе с тем, необходимость замены физически и морально устаревшего парка карьерных экскаваторов, а также освоение новых месторождений, ставит перед руководителями горнодобывающих предприятий задачу выбора из всего многообразия предлагаемых на рынке гидравлических экскаваторов модели, наилучшим образом соответствующей условиям разработки конкретного карьера.
Обычно сравнение технологического оборудования производится на основе количественной оценки технических характеристик машин. На этом принципе базировалась, в частности, методика, использовавшаяся при государственной аттестации строительных машин в бывшем СССР. Несмотря на естественность и простоту подобная оценка имеет в действительности малую значимость, тем более, что в каждой типоразмерной группе однотипное погрузочное оборудование характеризуется приблизительно одинаковым техническим уровнем. Наибольший интерес при сравнительном анализе представляют эксплуатационные показатели.
Оценка гидравлических экскаваторов по показателю «кубо-ковш»
В отечественной практике проектирования открытых горных работ с использованием одноковшовых экскаваторов широко применяется такой удельный показатель, как производительность экскаватора на «кубо-ковш», представляющий собой годовой объем отработанной экскаватором горной массы, приходящийся на вместимость его ковша (тыс.м3/1м3). Этот показатель позволяет производить количественное сравнение любых типов экскаваторов между собой независимо от типоразмерной группы.
При этом возникают проблемы определения фактической производительности гидроэкскаваторов из-за отсутствия методической базы. Эксплуатационные характеристики одноковшовых экскаваторов наиболее полно исследованы у канатных мехлопат. В частности, рядом авторов предложены надежные эмпирические зависимости для определения их эксплуатационной производительности, а за более чем 40-летний период разработаны многочисленные отраслевые нормы выработки экскавации для горной и цветной металлургии, горнохимической и угольной промышленности.
Для гидравлических экскаваторов подобные нормативные материалы еще только разрабатываются. Обычно производительность гидроэкскаваторов рассчитывается по классической формуле с использованием времени цикла, величина которой обосновывается каждой фирмой в свою пользу.
В результате анализа отечественных и зарубежных источников научно-технической информации было установлено, что наиболее приемлемой является методика Туринского политехнического института по выбору гидравлических экскаваторов в конкретных горно-геологических условиях эксплуатации [Die Wirksamkeit Leistungssterker Hydraulikbagger als ein Kriterium zur Bestimmung der Maschinengrєbe M.Clerico, M.Foruando ... Zement, Kalk, Gips №2’90]. Эта методика основывается на результатах обширных исследований работы гидравлических экскаваторов со стандартным оборудованием в различных условиях эксплуатации на карьерах. Методика получила свое подтверждение в ходе испытаний гидравлических экскаваторов различных типоразмерных групп и фирм на карьерах по добыче строительных материалов в Италии.
Основу методики составляет эмпирическая зависимость между приведенной мощностью машины, представляющей собой отношение установленной мощности двигателей N по стандарту DIN nett или ISO nett (кВт) к вместимости ковша E по стандарту SAE (м3), и частотой рабочего цикла n (час-1):
где а — коэффициент, зависящий от категории разрабатываемой породы и условий экскавации. Величина «a» определяется по скорости распространения сейсмических волн в разрабатываемых породах V (км/сек): аn = 4,06 V—1.06 — для прямых мехлопат со створчатым ковшом; аo=3.91 V—0.78 — для обратных мехлопат. К примеру, значения коэффициента «а» составляют при экскавации выветрелого гнейса из массива — 4.28, сильнотрещиноватого гнейса из массива — 5.86; хорошо взорванного гнейса — 7.22.
Мощность двигателей экскаваторов в технических паспортах приводится, как правило, по стандарту Института стандартизации ФРГ DIN (Deutscher Institut fur Normung) 6271 nett (или по международному стандарту ISO — International Standarts Organization 3046-1 nett, или по стандарту SAE Общества инженеров автомобильной промышленности США — Society of Automotive Engineers-SAE J1349 nett) для нормальной скорости вращения вала 1800 мин-1. Мощность на маховике согласно этим нормативам определяется для стандартных условий эксплуатации при температуре 25°С, давлении 100 кПа (752 мм рт.ст.) и использовании дизельного топлива с удельным весом 35°API, теплотворностью 42780 кДж/кг при 29.4°С и плотностью 838.9 г/л. Некоторые фирмы указывают мощность двигателей по стандарту SAE J1349 gross. По оценкам специалистов фирмы Liebherr мощность двигателя по стандарту DIN 6271 nett имеет величину на 8-10%, меньше, чем по стандарту SAE J1349 gross.
Стандартный ковш одноковшового экскаватора в соответствии со стандартами SAE или CECE (европейский стандарт Committe for Europian Construction Equipment) проектируется в расчете на разработку пород с насыпной плотностью 1.8 т/м3.
Определение эксплуатационной производительности экскаваторов следует производить по простым формулам:
- часовой производительности
- годовой производительности
где kn — коэффициент наполнения ковша породой;
kр — коэффициент разрыхления породы в ковше;
kи — коэффициент использования экскаватора;
nсм — число рабочих смен в сутки;
Nсут — количество дней работы экскаватора в году;
Тсм — продолжительность смены.
Показатель удельной производительности «кубо-ковш» определяется по выражению:
Данная методика была использована для оценки предлагаемых на мировом рынке гидравлических экскаваторов массой более 65 т. Всего было рассмотрено 34 моделей прямых мехлопат и 26 обратных, представляющих 9 типоразмерных групп. Расчеты с использованием формул (2) — (4) производились только для стандартного оборудования для следующих горно-технических условий: скорости сейсмических волн при экскавации пород из массива V=600 м/с, из развала — 400 м/с; насыпной плотности пород — 1.8 т/м3; коэффициенте наполнения ковшей прямых мехлопат kн=1.20, обратных мехлопат kн=1.15; коэффициенте разрыхления пород в ковше экскаваторов kр=1.4; годовом фонде рабочего времени экскаватора Ф=5760 час; коэффициенте использования kи=0.7.
По величине показателя «кубо-ковш» было произведено ранжирование моделей в порядке убывания. В соответствии с рангом каждая модель получала определенные баллы, причем первой модели в списке рейтинга присваивался максимальный балл, соответствующий количеству ранжируемых моделей (34 — у прямых мехлопат; 26 — у обратных), а последней в списке — 1 балл (рис.1).
С целью выявления наиболее удачной фирмы-производителя гидравлических экскаваторов был выполнен расчет их рейтинга по показателю «кубо-ковш». Оценка производилась по трем лучшим моделям каждой фирмы согласно списку ранжирования (при количестве моделей меньше трех фирма исключалась из расчетов). Для этого подсчитывалась максимальная сумма баллов, усреднялась, а на основе полученных в результате усреднения баллов фирмы получали соответствующие места.
В соответствии с выполненными расчетами наибольшей удельной производительностью среди экскаваторов с рабочим оборудованием «прямая мехлопата» обладают машины фирм LIEBHERR, P&H, HITACHI, а среди обратных мехлопат — экскаваторы с маркой LIEBHERR, HITACHI и DEMAG (рис.2 а-г).
Максимальную производительность на «кубо-ковш» из прямых мехлопат (рис.1) имеет PH2200 фирмы HARNISCHFEGER (при экскавации из массива и из развала соответственно 327.8 и 503.5 тыс.м3/м3), а из обратных мехлопат EX1100 фирмы HITACHI (соответственно 282.9 и 387.4 тыс.м3/м3).
К удачным моделям следует отнести R974B; R984B; R996 (Liebherr), PC-650-5 и PC 1000-1 (Komatsu), SK-975 (Kobelco), Ex 700 и Ex 1100 (Hitachi), H285S и H485S (Demag), PH2200 (P&H), имеющих стабильно высокие показатели как среди прямых, так и обратных мехлопат. Необходимо отметить, что самой стабильной является фирма LIEBHERR, имеющая в каждом классе обоих типов мехлопат модели, занимающие 1-2 места.
Оценка совершенства гидроэкскаваторов по условию соответствия их основных конструктивных характеристик оптимальным
Анализ формулы, предложенной Туринским политехническим институтом для расчета количества рабочих циклов экскавации, показывает, что графическая зависимость эксплуатационной производительности экскаватора имеет оптимум для каждого конкретного значения коэффициента «а», то есть зависит от оптимального соотношения мощности двигателя N и вместимости ковша E. Согласно положениям дифференциального исчисления максимальная производительность относительно вместимости ковша может быть определена от первой производной по Ео (где Ео - оптимальная вместимость ковша):
Из условия [Qэ]’=0 получаем оптимальное соотношение:
При данном соотношении будет всегда обеспечена максимальная производительность гидроэкскаватора в конкретных горно-геологических условиях:
Аналогичным образом можно определить максимальную удельную производительность экскаватора на «кубо-ковш»:
где Ф — годовой фонд рабочего времени экскаватора, час.
Из условия [q]’=0 получаем оптимальное соотношение:
При данном соотношении будет всегда достигаться максимальная производительность на «кубо-ковш» в конкретных горно-геологических условиях:
В качестве примера рассмотрим экскавацию пород из развала с использованием обратных мехлопат при V=400 м/с (или коэффициенте а=7.99); kн=1.15; kр=1.4; kи=0.7; Ф=5760 час. Для данных горно-геологических условий максимальная производительность экскаваторов на кубо-ковш составит 510 тыс. м3/м3. Отклонение от данной цифры характеризует несовершенство модели. Чем больше отклонение, тем выше несоответствие между мощностью машины и его рабочим оборудованием. С помощью данной методики для каждой машины и конкретных горно-геологических условий можно подобрать ковш оптимальной вместимости.
Степень отклонения фактической производительности экскаватора от максимально возможной характеризуется амплитудой относительной производительности, расчитываемой по формуле:
В соответствии с расчетными данными показателя Dп было произведено ранжирование моделей обратных мехлопат. По набранным при ранжировании баллам был выполнен расчет рейтинга фирм по показателю Dп по описанной выше системе. Лучшие результаты по данному показателю имеют фирмы LIEBHERR, KOBELCO, DEMAG и HITACHI (рис.3).
Также была произведена оценка гидравлических экскаваторов по величине относительной амплитуды отклонения паспортной вместимости ковша от оптимальной, определяемой по выражению:
Анализ результатов расчетов показывает, что наилучшее соотношение между основными характеристиками (вместимостью ковша и мощностью) имеют обратные мехлопаты фирм LIEBHERR и HITACHI; худшее — экскаваторы фирм CATERPILLAR и OREINSTEIN UND KOPPEL. Лучшими моделями по показателю D являются: H 485 S (Demag), R 974 B, R 984 B и R 994 (Liebherr), SK-975 (Kobelco).
На сводном графике (рис.4) приведены данные, демонстрирующие отклонение основных характеристик (вместимость ковша и производительность) гидроэкскаваторов с оборудованием обратная мехлопата от оптимальных. Прямые линии на графике соответствуют оптимально-экстремальным показателям Ео=f(N) и Qmax=f(N). Из графика следует, что наибольшее отклонение от максимально-возможной производительности имеет место у моделей, оснащенных ковшами, вместимость которых в наименьшей степени соответствует оптимальной: H 121, H 185S, H 135S (Demag); PC-1600-1 (Komatsu); 5130 (Caterpillar); RH 40D (O&K).
