5.13. Производительность одноковшовых экскаваторов

Теоретическая производительность определяется по формуле:

Где Е - емкость ковша, ;

- продолжительность цикла, сек;

Техническая производительность учитывает свойства разрабатываемых пород и технологию разработки, связанную с конструкцией машины и определяется по формуле:

- коэффициент наполнения ковша (0,8-1,1);

- коэффициент разрыхления породы;

- длительность работы экскаватора c одного положения;

- длительность одного передвижения;

Эксплуатационная (реальная) производительность равна:

, м³/смена;

- продолжительность смены;

- коэффициент машинного элемента (погрузка в ж. д. вагоны погрузка в автосамосвалы, на конвейеры, в отвал – 0,8÷0,9);

С учетом конкретного транспортного средства сменная эксплуатационная производительность может быть определена и таким образом:

Пример: определить эксплуатационную производительность экскаватора ЭКГ- 4,6. Погрузка производится в автосамосвалы БелАз- 540; - 420 мин; - 30 мин; (емкость автосамосвала); (время обмена автосамосвала), продолжительность цикла .

1. продолжительность погрузки самосвала:

2. сменная эксплуатационная производительность экскаватора:

Годовая производительность экскаваторов забойной группы, типа ЭКГ-8И, работающих в Анновском карьере составила в 1995г- 1640 тис.м, а экскаваторов ЭКГ-4,6- 995 тис.м.

5.14. Область применения, техническая характеристика и направления развития одноковшовых экскаваторов

Карьерные экскаваторы типа ЭКГ применяются для экскавации горных пород различной крепости, причем мягкие и плотные породы разрабатываются непосредственно в массиве, а породы полускальные и скальные после предварительного их рыхления взрывом.

Наибольше рационально использовать карьерные экскаваторы для разработки пород средней крепости и крепких скальных, после предварительного рыхления.

Погрузку горной массы карьерные экскаваторы осуществляют в транспортные средства.

Транспортные средства при погрузке находятся или на уровне стояния экскаватора (ЭКГ-2;ЭКГ-3,2;ЭКГ-4,6;ЭКГ-5;ЭКГ-8;ЭКГ-8И;ЭКГ-12,5), ЭКГ-20,ЭКГ-6,3УС; или на верхней отметке разрабатываемого уступа: ЭКГ-2У; ЭКГ-4У; ЭКГ-6,3У;ЭКГ-10У;

Чаще всего карьерные экскаваторы применяются на добычных участках, реже их используют на отвалах и вскрыше.

5.14.1. Карьерные экскаваторы нового поколения

Прямые лопаты

За последние 10-15 лет парк карьерных экскаваторов на предприятиях горнорудной промышленности начал пополняться машинами нового поколения. Новые экскаваторы имеют повышенную мощность приводов, увеличенное количество типоразмеров машин, позволяющих гибко учитывать горно-геологические условия и специфику систем разработки открытых месторождений полезных ископаемых различных предприятий.

Так, например, УЗТМ на замену экскаватору ЭКГ-4,6Б разработал серии унифицированных машин с реечным напорным механизмом, табл. 5.14.1.

Экскаваторы с базовой машиной ЭКГ-5А, рис. 5.14.1 имеют модификации: ЭКГ-5В с виброактивными зубьями ковша для облегчения внедрения ковша в плохо разрыхленные грунты; ЭКГ-5Д с дизельным приводом; ЭКГ-5Ус с удлиненным рабочим оборудованием, увеличивающим радиус черпания до 15,5 м по сравнению с 14,5 м у ЭКГ-5А и ЭДГ-3,2.30 – дизельный драглайн на гусеничном ходу. По аналогичной схеме созданы более крупные экскаваторы УЗТМ ЭКГ-9Ус, ЭКГ-12, ЭКГ-12В, ЭКГ-20 и их модификации, рис. 5.14.2.

Общими недостатками экскаваторов с реечным напорным механизмом являются повышенная металлоемкость, весьма жесткая динамика процесса черпания породы и особенно на плохо разрыхленных скальных грунтах, как правило, сопровождающих рудные месторождения. Ударно-динамические нагрузки в виде волн напряжения в элементах рабочего оборудования в процессе черпания распространяются от зубьев через рукоять, жесткий зубчато реечный напорный механизм и стрелу на поворотную платформу экскаватора. Эти нагрузки выводят из строя виброчувствительное оборудование экскаватора и значительно ухудшают условия труда машиниста. Попытки отделить двигатели напора пружинами от стрелы экскаватора не привели к положительному результату, так как работоспособной конструкции, удовлетворяющей требованиям эксплуатации, пока не создано.

Табл.. 5.14.1.

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

кар'єрних гусеничних екскаваторів з рейковим напірним механізмом

Параметри	ЭКГ-5Ус	ЭКГ-5А	ЭКГ-5В	ЭКГ-5Д	ЭКГ-8Ус	ЭКГ-12	ЭКГ-12В	ЭКГ-20А
Ємність ковша основного, м3	4,6	5,2	5,2	5,2	9	12	12	20
Ємність ковша змінного, м3	3,2;4,0	3,2;4,6; 6,3;7	3,2;4,6;6,3;7	3,2;4,6;6,3;7	-	10;14; 16	10;14; 16	16-25
Радіус черпання максимальний, м	15,5	14,5	14,5	14,5	23,5	21	20,5	23,4
Радіус черпання на рівні стояння, м	10,5	9,04	9,04	9,04	16	14,3	13,8	15,2
Висота черпання максимальна, м	12,9	10,3	10,3	10,3	20	15	15	17
Радіус вигризки, м	13,7	12,65	12,65	12,65	21,5	18,5	18	20,9
Висота вигризки, м	9	6,7	6,7	6,7	14,8	10	10	11,5
Середній тиск на грунт при перемішені, кПа	221/181	205/162 /127	205/176 /149	205/162 /127	286/226	280/220	-	320
Тривалість робочого циклу на кут 90°	29	23	26	23	27	26	28	28
Потужність сітьового двигуна, кВт (трансформатора, кВа)	250	250	250 (400)	-	1250	1250	1250	2250
Маса робоча, т	211	196	207	195	655	655/668	670	1075

Рис. 5.14.1

Рис. 5.14.2

П.О. «Ижорский завод», выпускает экскаваторы с канатным напорным механизмом, который по сравнению с реечным напором существенно снижает передачу волновых ударно-динамических нагрузок в процессе черпания за счет упругодемпфирующих свойств стальных канатов. На смену экскаваторам ЭКГ-8И и ЭКГ-12,5 разработан ряд унифицированных экскаваторов ЭКГ-10 и его модификаций, а также ЭКГ-15 и его модификаций, рис. 5.14.3 - 15.14.4, табл. 5.14.2.

Сравним между собой экскаваторы с реечным и канатным напором, табл. 5.14.1 и 5.14.2. Из таблиц видно, что у машин с максимально близкими параметрами ЭКГ-10 – ПО «Ижорский завод» и ЭКГ-12 – УЗТМ. А также ЭКГ-15 (с ковшом 18 м³ – ПО «Ижорский завод») и ЭКГ-20А – УЗТМ, экскаваторы с реечным напором (при несколько большей вместимости сменных ковшей ≈ на 11%), имеют значительно превосходящие рабочую массу (на 54-69%), большее удельное давление на грунт (на 30-33%) и мощность сетевого двигателя (на 56-80%).

Рис. 5.14.3

Рис. 5.14.4

Табл. 5.14.2.

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

кар'єрних гусеничних екскаваторів з канатним напірним механізмом

Параметри	ЭКГ- 5У	ЭКГ- 10	ЭКГ- 8УС	ЭКГ- 8У	ЭКГ-10	ЭКГ- 10М	ЭКГ- 12УС	ЭКГ-15	ЭКГ-15 з ковшом 18 м3
Ємність ковша основного, м3	5	8	8	8	10	11,5	12	15	18
Ємність ковша зміного, м3	-	-		-	8;12,5;16			18
Радіус черпання максимальний, м	23,7	17,9	19,8	34	18,4	19	28	22,6	22,6
Радіус черпання на рівні стояння, м	14,5	12,6	13,5	202	12,6	12,6	17,5	15,6	15,6
Висота черпання максимальна, м	22,2	13,5	17,6	30	13,5	14,5	22	16,4	16,6
Радіус вигризки, м	22,1	15,5	17,9	32	16,3	16,5	26	20	19,5
Висота вигризки, м	17,5	8,6	12,5	24,5	8,6	10,2	15,8	10	9,9
Середній тиск на грунт при перемішені, кПа	211	230	210	216	216	225	210	206	240
Тривалість робочого циклу на кут 90°	30	26	28	35	26	26	32	28
Потужність сітьового двигуна, кВт (трансформатора, кВа)	800(160)	800(160)	800(160)	1250(250)	800(160)	630(160)	1250(250)	1250(250)	1250(250)
Маса робоча, т	386	407	405	710	395	402	675	672	698

Вследствие этого, экскаваторы с реечным напором имеют большую стоимость и повышенные эксплуатационные энергозатраты на единицу прогруженной горной массы. В этой связи экскаваторы с канатным напорным механизмом получили подавляющее применение в карьерах ГОКов Криворожского железорудного бассейна.

Кроме того, в экскаваторах нового поколения П.О. «Ижорский завод» (кроме упругодемпфирующей канатной подвески рабочего оборудования) применены системы снижения передачи динамических нагрузок на виброчувствительное оборудование. Шкафы автоматики управления экскаватором, размещенные на поворотной платформе, шкафы тиристорных преобразователей системы возбуждения ГД преобразовательного агрегата, силового высоковольтного трансформатора собственных нужд экскаватора, а также осветительного оборудования. В разработке этих систем по пятилетним Целевым научно-техническим программам ОЦ.009 и НТП.005.01 Государственного комитета по науке и технике принимали участие специалисты кафедры горных машин КТУ.

В табл. 5.14.3 - 5.14.6 приведены сравнительные данные улучшения параметров надежности оборудования карьерных экскаваторов.

Таблица 5.14.3.

Статистические данные повышения надежности работы шкафа контроля электроизоляции (период наблюдения 360 суток)

№ п/п	Виды отказов	Среднее количество отказов за год на одном шкафу		Среднее время ликвидации отказа, час	Среднее время простоя на один экскаватор на ликвидацию отказов, час/год
		Без виброизоляции	С виброизоляцией		Без виброизоляции	С виброизоляцией
1	Ложные срабатывания реле	5,25	-	1,2	6,3	-
2	Замена вышедшего из строя РУВ-220 или УАКИ-380	0,25	-	1,9	0,48	-
Всего		5,5	-	3,1	6,78	-

Таблица 5.14.4.

Показатели надежности работы магнитной станции управления (МСУ) карьерного экскаватора

№ п/п	Наименование параметра	Шкаф МСУ без виброизоляции	Шкаф МСУ виброизолирован
1	Средняя величина вибрационной нагрузки объекта I(Δf), м2/с4Гц	0,083	0,05
2	Среднее количество выходов из строя n, раз/год	32,2	22,1
3	Средняя наработка на отказ Т, час	222,2	283,4
4	Параметр потока отказов λ= 1/Т	0,0045	0,0035
5	Снижение времени простоя на ремонты часов в год	-	58

Таблица 5.14.5.

Показатели надежности работы силового трансформатора карьерного экскаватора

№ п/п	Наименование параметра	Трансформатор без виброизоляции	Трансформатор виброизолирован
1.	Средняя величина вибрационной нагрузки объекта I(Δf), м2/с4Гц	0,092	0,023
2.	Среднее количество выходов из строя n, раз/год	0,8	0,09
3.	Средняя наработка на отказ Т, час	50104	10305
4.	Параметр потока отказов λ = 1/Т	0,196×10-3	0,097×10-3

На схеме показан кольцевой резинокордовый виброизолятор РКВК-260, использованный для снижения динамических нагрузок оборудования экскаваторов (табл., 5.14.3 – 5.14.5), конструкция которого защищена патентом Украины № 80759.

По своим техническим характеристикам кольцевой резинокордовый виброизолятор превосходит все известные устройства аналогичного назначения. При габаритных размерах ненагруженного эллиптического кольца 180×130×145 мм (без несущих оснований) и массе 5 кг (вместе с несущими основаниями) РКВ-К-260, нагруженный номинальной нагрузкой 2550 Н, обеспечивает в 3-8 раз меньшие коэффициенты жесткости по осям x, y, z. Обеспечивается полная устойчивость объекта виброизоляции и в 1,4-2,8 раза более низкие частоты собственных колебаний по сравнению с лучшими известными устройствами – арочными амортизаторами А-250 двигателей подводных лодок.

Таблица 5.14.6.

Параметры надежности работы виброизолированных осветителей карьерного экскаватора

№ п/п	Наименование параметров	Светильники кузова		Прожекторы
		Старая СВ*	Новая СВ**	Старая СВ	Новая СВ
1	Средняя величина вибрационной нагрузки объекта I(Δf), м2/с4Гц	0,124	0,004	0,226	0,025
2	Среднее количество выходов из строя, раз/год	24	4,3	10,5	3,5
3	Средняя наработка на отказ Т, час	135	753 751,65	457	1371 1374,05
4	Параметр потока отказов λ= 1/Т	0,0074	0,0013	0,0022	0,00073

Примечания:^*старая система виброизоляции (СВ) на металлических пружинах;

^**новая СВ на кольцевых резинокордовых виброизоляторах по Авт. свид. №12016113

Кроме того при создании карьерных экскаваторов нового поколения значительное внимание уделено улучшению эргономики рабочего места и условий труда машиниста. На старых .кскаваторах ЭКГ-8И с рычажно-ручными и педальными командоконтроллерами в процессе работы машинист экскаватора вынужден смещаться в переднюю часть сидения кресла. Руки, ноги и спина у него постоянно напряжены. Спина не опирается на спинку кресла особенно при работе в тяжелых забоях с плохим разрыхлением и большой кусковатостью породы.

Специалистами кафедры горных машин КТУ разработаны высокоэффективные по виброзащите и значительно улучшающие эргономику рабочего места машиниста экскаватора кресла-пульты ВК-1, ВК-2, ВК-3, ВК-4.

На рис. 5.14.5 показана конструктивная схема такого кресла-пульта, защищенная патентами СССР № 1676863А1 и Украины № 81907. Благодаря тому, что точки приложения к виброизоляторам силы веса G_М машиниста вместе с весом виброизолированной плиты 1 через кронштейны 2- АА₁ расположены ниже точек ВВ₁ крепления виброизоляторов 3 к стойке 10 кресла обеспечивается повышенная устойчивость системы (эффект гамака). Виброизолирующая подвеска кресла является самоцентрирующейся относительно оси ОО₁. Повышенная устойчивость подвески кресла является весьма важным эксплуатационным фактором, от которого зависят эргономические показатели – удобство в управлении экскаватором и утомляемость машиниста при работе.

Благодаря переносу командоаппаратов 9 на виброизолированную плиту 1 рукоятки управления экскаватором вместе с сидением 4 оказываются полностью виброизолированными в трех пространственных направлениях x, y, z.

Рис. 5.14.5. Схема виброизолирующей подвески кресла-пульта: 1 – плита; 2 – кронштейн; 3 – виброизолятор СРКВ; 4 – подушка сидения; 5 – подушка спинки; 6 – устройство регулировки наклона спинки; 7 - штурвал-фиксатор наклона спинки; 8 – кронштейн командоаппарата;

9 – командоаппарат; 10 – телескопическая стойка 11 – хомут цангового зажима стойки кресла; 12 – основание кресла (пол кабины экскаватора)

В результате испытаний и оценки эффективности виброзащиты кресел-пультов ВК-2, ВК-3 совместно с Криворожским институтом гигиены труда и профзаболеваний установлено, что по сравнению с основанием кресла (полом кабины) виброзащитная система снижает вибропередачу до 2-х раз. По сравнению со штатным креслом У7920.01, которым комплектуются экскаваторы ПО «Ижорский завод», подвески ВК-2, ВК-3 обеспечивают значительное снижение вибрации во всем нормируемом частотном диапазоне в 4-4,5 раза (рис. 5.14.6,а).

Перенос сенсорных командоаппаратов на виброизолированную часть кресла снижает вибрацию рукояток управления экскаватором в 4-5 раз (рис. 5.14.6,б). В целом, благодаря переносу командоаппаратов на кресло машиниста, кроме значительного снижения их вибрации, в акте гигиенической оценки институтом гигиены труда отмечено, что значительно уменьшается утомляемость машиниста в течение смены за счет расслабленной позы и свободного контакта (опоры) на спинку кресла в процессе управления экскаватором.

На рис. 5.14.6 показана сравнительная оценка вибрационных нагрузок рабочего места машиниста (из акта гигиенической оценки Криворожского института гигиены труда и профзаболеваний) на карьерном экскаваторе ЭКГ-10 Первомайского рудника СевГОКа, в трех взаимно перпендикулярных направлениях: x–х; y–Δ; z– o.

Из рис. 5.14.6.видно, что в результате испытаний и оценки эффективности виброзащиты кресел-пультов ВК-2, ВК-3 Криворожским институтом гигиены труда и профзаболеваний (Приложение О) установлено, что по сравнению с основанием кресла (полом кабины) виброзащитная система снижает вибропередачу до 2-х раз. По сравнению со штатным креслом У7920.01, которым комплектуются экскаваторы ПО «Ижорский завод», подвески ВК-2, ВК-3 обеспечивают значительное снижение вибрации во всем нормируемом частотном диапазоне в 4-4,5 раза.

Рис. 5.14.6. Спектры виброускорения:

а) кресла машиниста: 1 - на штатном кресле У7920.01; 2 - на разработанном кресле-пульте ВК-2;

3 - санитарная норма;

б) рукояток командоаппаратов: 1 - штатный вариант командоаппаратов на трубах-стойках;

2 - командоаппараты перенесены на кресло-пульт ВК-2

На рис. 5.14.7 показан фрагмент испытания кресла-пульта, из которого видно, что рукоятки сенсорных командоаппаратов находятся рядом с телом машиниста. Его руки свободно полуопущены, это позволяет практически без напряжения управлять экскаватором, мягко покачиваясь в самоцентрирующейся подвеске кресла-пульта. Кроме того на экскаваторах ЭКГ-10 отсутствуют педали управления благодаря многофункциональным сенсорным командоаппаратам, что также является положительным эргономическим фактором.

Рис. 5.14.7

Фрагмент испытания кресла-пульта ВК-2 на СевГоке, экскаватор ЭКГ-10 №3, 1990 г.

В результате длительных промышленных испытаний на ГОКах Кривбасса с 1990 года за 15-18 лет работы опытной партии 12 кресел до настоящего времени не зарегистрировано ни одного выхода из строя виброзащитной системы кресел. Это позволило нам рекомендовать данную разработку производителям карьерных экскаваторов Российскому Объединению машиностроительные заводы (ОМЗ) и АО НКМЗ (Украина). А также принять в проектные работы и освоению серийного производства кресел-пультов предприятием МНПО «Виброимпульс» (Украина).

Гидравлические экскаваторы

В последние годы за рубежом интенсивно внедряются гидравлические карьерные экскаваторы. Высокая производительность и маневренность, способность прикладывать значительные усилия напора и подъема ковша (при уменьшенных энергозатратах) обеспечивают этим экскаваторам все более широкое применение на горнодобывающих предприятиях.

На П.О. «Ижорский завод» разработан типоразмерный ряд и созданы новые гидравлические карьерные экскаваторы, табл. 5.14.7. Проведем сравнение этих экскаваторов с наиболее близкими по техническим параметрам карьерными экскаваторами с реечным и канатным напором, табл. 5.14.1 и табл. 5.14.2. Выберем для сравнения экскаваторы с ковшом 15-16 м³: реечный ЭКГ-12(16), канатный ЭКГ-15 и гидравлический ЭГ-350. Из таблиц видно, что практически по всем параметрам гидравлические экскаваторы превосходят реечные и канатные машины. Радиус копания на уровне стояния у них на 3-11% больше, высота черпания больше в среднем на 2%, высота выгрузки на 30% больше, чем у канатных (правда на 40% меньше, чем у реечных), среднее удельное давление на грунт на 67% меньше, чем у реечных и на 23% меньше, чем у канатных, мощность привода на 340 кВт меньше. Последние два параметра свидетельствуют о меньшей металлоемкости и несомненной экономии энергоресурсов в процессе эксплуатации.

Таблица 5.14.7.

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

гідравлічних кар'єрних екскаваторів

Параметри	ЭГ-5,5	ЭГ-150	ЭГ-350	ЭГО-150	ЭГО-350
1	2	3	4	5	6
Робоче устаткування	Пряма лопата			Зворотна лопата
Місткість ковша, м3: стандартна	5,5	8	15	6,3		11
Довжина планованої ділянки, м	3-4	4-5
Місткість ковша, м3: для важких порід	-	5	12	4		8
Радіус копання, м	9,7	13	16	15,.7		21,8
Глибина копання, м	-	-	-	9		12
Висота копання, м	11	13,5	16	14,4		16,7
Висота вивантаження, м	7	9,8	13	10,8		12,5
Висота уступу при вугіллі відробітку 70°, м	8,6	10,5	14,6	-		-
Довжина планованої ділянки, м	3 - 4	4 - 5	7	-		-
Кліренс гусеничного візка, м	0,85	0,63	0,95	0,63		0,95
Швидкість пересування, км/ч	3	1,7	1,7	1,7		1,7
Середній питомий тиск на грунт при пересуванні, кПа	141	160	167	170		167
Потужність приводу, кВт	дизель	500	910	дизель		910
Напруга живлячої мережі, кВ	-	6	6	-		6
Подоланий ухил, град.	12	12	12	12		12

На рис. 5.14.8 и рис. 5.14.9 показаны гидравлические экскаваторы прямая лопата ЭГ 5,5 и обратная лопата ЭГО 150. Следует отметить, что обратные лопаты значительно расширяют возможности применения более рациональных систем разработки различных месторождений руд по сравнению с прямыми лопатами за счет возможности черпать значительно ниже уровня стояния машины. Известные конструкции реечных, канатных и рычажно-механических лопат в этом отношении имеют худшие характеристики по сравнению с обратными гидравлическими экскаваторами лопатами.

Рис. 5.14.8. Гидравлический карьерный экскаватор ЭГ 5,5

Рис. 5.14.9. Гидравлическая обратная лопата ЭГО 15

Для сравнения в табл. 5.14.8 приводятся технические характеристики некоторых зарубежных карьерных и вскрышных лопат

Таблица 5.14.8

Лекция 17