УДК 621.879.48 Ляпин Дмитрий Геннадьевич студент гр. ГЭМО-08 Научный руководитель: Хромой Михаил Рувимович доц. кафедры ГМО, к.т.н. Московский государственный горный университет ХАРАКТЕРИСТИКИ, СОВРЕМЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОМПАКТНЫХ РОТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ CHARACTERISTICS, CURRENT STATUS AND PROSPECTS THE COMPACT BUCKET WHEEL EXCAVATORS Громоздкость роторных экскаваторов, выполненных по обычным схемам для работы в забоях больших размеров, мешают использованию их в строительстве, где решающим фактором является производительность машины при снижении веса. В соответствии с этим появились модели, выполненные по обычным уравновешенным схемам, но с уменьшенными размерами. Такое решение не могло дать значительного эффекта, так как сохраняло почти неизменными габариты экскаватора, тем более, что часть противовеса роторной стрелы оставалась на стреле противовеса, и полностью сохранялось верхняя конструкция противовеса конвейера. Перенос всего противовеса роторной стрелы на платформу явился дальнейшим усовершенствованием, но только отказ от уравновешивания конвейера привел к устранению сложной металлоконструкции надстройки, резко снизив вес и сблизив принципиальные решения конструкций одноковшовых и роторных экскаваторов, что позволило унифицировать многие узлы. Использование методов блочного конструирования обеспечило возможность разборки машины на узлы для транспортирования. Это, в свою очередь сделало транспортабельными машины весом 150 - 200 т, так как вес самого тяжелого узла у них не превышает 18 - 20% веса машины, т.е. 40 т. Небольшие рабочие размеры карьерных машин позволяют повышать окружное усилие на роторе и реализуемое удельное усилие копания при относительно небольшом увеличении веса, пропорциональном примерно корню квадратному из увеличения удельного усилия копанию - k1. Это происходит вследствие того, что увеличение k1 для данной машины неизбежно сопровождается некоторым уменьшением диаметра ротора. Изменение диаметра ротора Dp в процентах подчиняется при этом зависимости, близкой к величине: (1) D2 D1 3 k1 / k 2 , 59 Где новые значения диаметра ротора и удельного усилия копанию имеют индекс – «2». Минимальная длина роторной стрелы карьерного компактного экскаватора определяется возможностью работы ротора при стреле, расположенной над угловой частью гусениц без опасности задеть за нее ротором, и при необходимом заглублении ротора ниже уровня стоянки экскаватора на 0,2- 0,8 м или (0,06÷0,08) Dp. Для увеличения высоты копания целесообразно шарнир пяты стрелы смещать назад за ось вращения экскаватора на расстояние е ≈ 0,145 3 G м, где G – вес экскаватора в т. Смещение шарнир пяты за ось вращения позволяет увеличить высоту и глубину копания, уменьшить усилие в гидроцилиндре подъема стрелы и облегчить размещение устройства для передачи грунта на разгрузочный конвейер. Из условий возможности размещения на платформе приемной части поворотного конвейера высота шарнира пяты стрелы составит: (2) hm.c 1,063 G , м Опыт показал, что удовлетворительные результаты получаются при выборе диаметра ротора Dp и длины роторной стрелы lc с учетом выше приведенных указанных условий (1), (2), близких соответственно (для грунтов с k1 ≈ 3÷4 кГ/см2). (3) D p 1,133 G и lc ≈ 1,783 G ; для грунтов с k1 ≥ 7 кГ/см2 (7 МПа) лучше D p 1 0,505 3 G/k . (4) Тогда максимальный радиус копания от оси вращения платформы: R max D l 2 e2,23 G p c , (5) а наибольшая высота копания при угле подъема стрелы, а и высоте реза 0,7Dp: (6) H к hm.c l c sin a 0,2 D p , при а = 180 Н 1,833 G к ; Для предварительных расчетов значение необходимого окружного усилия ротора может быть принято ( при 15 > Dp > 3): Р 3,7 k к D p 1,7 1 15 m; (7) Окружная скорость бескамерного ротора может быть принята: v (0,91,32) D p p м/сек. (8) Пределы vp отвечают использованию (в зависимости от разгружаемости грунтов) от 40 до 60 % критической скорости, при которой силы тяжести грунта уравновешиваются центробежными силами [1]. При 60 данном Dp, количестве ковшей nк и производительности при работе в разрыхленном грунте Пт необходимая мощность привода ротора приближенно может быть подсчитана по формуле: N р P к v p / 1020,85 П ТD p / 740 кВт, (9) где Пт = 60npq; n – число разгрузок породы в минуту; n 19,1v n / D р p к p (10) γ – объемный вес разрыхленного грунта в т/м3. Роторные экскаваторы малых линейных параметров имеют: - нижние расположение противовеса (под машинным отделением поворотной платформы); - гидроцилиндры подъема (опускания) роторной стрелы; соосное расположение роторной стрелы и разгрузочной консоли, неуравновешенная разгрузочная консоль, а так же, комбинированный привод механизмов (электрогидравлический и дизель гидравлический). Благодаря малым линейным параметрам, эти экскаваторы отличаются высокой жесткостью системы «ротор – стрела – платформа» и могут развивать относительно высокие удельные усилия копания (0,2 МПа < KF < 0,35 МПа) что расширяет область их применения. Машины с малыми линейными параметрами характеризуются небольшим количеством моделей по сравнению с карьерными роторными экскаваторами, причем каждая из фирм-изготовителей стремится типизировать компоновочные схемы и свести их к одной, двум или трем моделям. Если первые роторные экскаваторы с малыми линейными параметрами предназначались для выполнения земляных и погрузочных работ большого объема, то в середине прошлого столетия все шире стали применять для открытых горных работ (преимущественно на карьерах стройматериалов, где мощность вскрыши и полезного ископаемого сравнительно невелика). Для уменьшения количества транспортных горизонтов при значительных высотах уступов и сокращения числа передвижек транспортных коммуникаций экскаваторы работают в комплексе с одним или несколькими перегружателями. Роторные экскаваторы с малыми линейными параметрами должны отвечать следующим основным технологическим : - возможность использования как на погрузке, так и на разработке пород; - приспособленность к работе с конвейерным, автомобильным и железнодорожным транспортом; - достаточно высокую маневренность, мобильность и транспортабельность. Если габариты и вес машины не допускают перевозку ее в собранном виде, то конструкцией должна предусматриваться разборка ее на отдельные транспортабельные части; - приспособленность для круглосуточной работе; 61 - простота и легкость обслуживания; - небольшое количество обслуживающего персонала ( не более двух человек), и конструктивным требованиям: - возможность оснащения автономным приводом; - высокая надежность конструкции; - минимальные габариты и вес при заданной производительности. Все изготовленные к настоящему времени роторные экскаваторы с малыми линейными параметрами на двух гусеничном ходу являются полноповоротными. Во второй половине столетия ХХ века самым крупным изготовителем роторных экскаваторов с малыми линейными параметрами была фирма «Демаг - Лаухгаммер» (ФРГ). Фирма располагала филиалами по монтажу и наладке машин в ряде стран (например, в США, функции филиала выполняла фирма «Мак - Доуэлман инжиниринг компании»). Первая машина этой фирмы, с малыми линейными параметрами SchRs 150 была изготовлена в 1956-1957 гг. Характерными особенностями этого экскаватора являлись гидропривод ротора и механизмов поворота роторной и разгрузочной стрел, подъем и опускание обеих стрел гидроцилиндрами, применение электрических барабан - моторов для привода конвейеров. Гидронасосы приводились через редуктор электродвигателем. Каждая из гусениц имела индивидуальный электропривод. Электроэнергия к экскаватору от сети подводилась гибким кабелем; кабельный барабан был смонтирован на нижней раме между гусеничными тележками. В 1962 г. на гравийном карьере при строительстве плотины в Оровилле (США) был введен в эксплуатацию экскаватор SchRs 1400\0,5 9,5, разработанный и частично изготовленный объединением «ДемагЛаухгаммер» (часть узлов и монтаж машины по лицензии выполнила фирма «Мак – Доуэл - Уэлман инжиниринг компании») [2]. В 1964 г. фирмой выпущен экскаватор для погрузочных работ на угольных и рудных складах SchRs 760\0,5 20, принципиальная компоновка, которого в отличие от других машин этой фирмы (см. рис. 1) выполнена по схеме, представленной на рис. 2. 62 Рис. 1. Схема размещения основного оборудования на частично уравновешенном экскаваторе: 1 - роторная стрела; 2 - противовес роторной стрелы; 3 - разгрузочная стрела . Рис. 2. Коромысловая конструкция роторной стрелы, разгрузочное устройство в виде соединительного моста. (1 – роторная стрела; 2 – противовес; 3 – соединительный мост.) Фирма ЛМГ изготавливает роторные экскаваторы с малыми линейными параметрами с 1957 г. В номенклатуре фирмы — экскаваторы с ковшами емкостью 25; 50; 70 и 150 л и теоретической производительностью от 186 до 720 м3/ч. Все машины полностью уравновешены, компоновка их однотипна. На всех машинах фирмы применялись электропривод. Экскаваторы SchRs 25\0,35 6; SchRs 50\0,35 6,3; SchRs 70\0,5 6,5 и SchRs 150\0,5 10,5 выпускались для питания от сети через гибкий кабель или с собственной дизель-генераторной установкой. Вес дизель-генераторной установки больше веса электрического приемно-распределительного устройства, поэтому для сохранения веса машины в обоих исполнениях конструктивно одинаковым, дизельгенераторная установка размещалась в задней части поворотной платформы, что позволяло уменьшить вес балласта противовеса. На всех экскаваторах фирмы ЛМГ механизм подъема роторной стрелы гидравлический, а разгрузочной стрелы—канатный. Последней разработкой фирмы является компактный роторный экскаватор Demag HD800 (рис. 3). 63 Рис. 3. Роторный экскаватор Demag HD800. В настоящее время экскаватор используется компанией NRG Energy на угольной шахте в Техасе. Рис. 4. Экскаватор SchRs 175/0,5 10 фирмы «Букау-Вольф» Фирма «Букау-Вольф» также выпускала роторные экскаваторы с малыми линейными параметрами. На рис. 4 показан выпущенный фирмой в 1964 г. экскаватор SchRs 175\0,5 10 производительностью 475—630 мг1ч, работающий на карьере «Обоурн» (Бельгия). Все приводы экскаватора электрические, питание от сети или от собственной дизель-генераторной установки. На нижней раме экскаватора между гусеничными тележками смонтирован кабельный барабан. Механизм подъема и опускания роторной стрелы — выполнен гидравлическим, а разгрузочной консоли — канатным. Особенностью конструкции исполнительного органа являлось установка между ковшами дополнительных режущих поясов, что уменьшает размеры отделяемого от массива материала. Тип, количество и расстановка зубьев на них такие же, как и на ковшах. Народным предприятием «Лаухгаммерверк» (ГДР) в настоящее время «TAKRAF», с 1965 г. выпускается конструкция экскаватора SRs 130 9\0,5 производительностью 320—500 м3/ч. Компоновка экскаватора выполнена по схеме (см. рис. 1), все приводы — электрические, питание — от сети через гибкий кабель. Конвейеры роторной и разгрузочной стрел приводятся барабан моторами. Механизмы подъема и опускания роторной и разгрузочной стрел — гидравлические. В зависимости от желания потребителя, экскаватор поставлялся в одной из двух модификаций: производительностью 320 м3/ч и удельным усилием копания Kl = 36 кГ/см или производительностью 500 м3/ч и удельным усилием копания Kl = 22 кГ/см. В последние годы фирмой был разработан компактный роторный экскаватор SRs (H) 1050 (рис. 5). Верхняя конструкция экскаватора может регулироваться горизонтально. Это позволяет ему работать в блочном режиме на уступах с продольным наклоном до 11% при одновременной селективной добыче 64 тонких угольных пластов или сепарировании межпластовых пород. SRs(H) 1050 является крупнейшим в мире горизонтируемым компактным экскаватором. Рис. 5 Роторный экскаватор SRs (H) 1050 Рис. 6 экскаватор SRs (H) 1050 при работе в карьере Фирма ИХИ (Япония) в начале 1965 г. выпустила роторный экскаватор производительностью 100 м3/ч, привод автономный – дизель электрогидравлический. Приводы ротора, механизмов поворота и передвижения экскаватора выполнены гидравлическими, роторная и разгрузочная стрелы поднимаются и опускаются гидроцилиндрами. Гидроприводы ротора и механизма поворота позволяют изменять скорости резания и поворота в широких пределах. Рабочее место машиниста не оборудовано кабиной, что не оправдано по условиям техники безопасности и гигиены труда. Фирма «Мак-Доуэл-Уэлман инжиниринг компании» является лицензии держателем объединения «Демаг-Лаухгаммер» в США и Канаде. С 1964 г. она выпускала роторный экскаватор производительностью 1400 м3/ч при рабочем весе 100 т, привод дизель - электрогидравлический. Такие машины использовались на строительстве железной дороги Балтимора-Огайо и для углубления пересохшего русла реки в Западном Кливленде. Ротор приводится двумя гидродвигателями, каждая из гусениц оснащена индивидуальным гидроприводом. Поднимаются и опускаются роторная и разгрузочная стрелы гидроцилиндрами. Машина поставляется укрупненными узлами (роторная, разгрузочная стрелы, кабина управления, поворотная платформа в сборе с рамой ходовой части, гусеницы, дизель-генераторная установка, противовес) и монтируется за 8 ч. При выемке слоистых сланцев средней крепости техническая производительность машины составила 1000 т/ч, но может быть доведена до 1600 т/ч [3]. Фирма «Стрэчэн энд Хэншоу лимитед» (Англия) совместно с фирмой «Везерхютте Отто Вольф» (ФРГ) в 1965 г. освоила серию роторных экскаваторов с малыми линейными параметрами, которая состоит из четырех моделей производительностью от 150 до 1200 м3/ч. 65 Все приводы экскаваторов — электрические, питание — от сети или от собственной дизель-генераторной установки, которая устанавливается на любую из моделей по желанию заказчика. Механизмы подъема и опускания роторной и разгрузочной стрел – гидравлические. Небольшие размеры рабочего оборудования роторных экскаваторов с малыми линейными параметрами при разработке крепких пород и углей позволяют обеспечить стабилизацию действующих нагрузок благодаря созданию необходимой жесткости системы ротор—стрела—подвеска— поворотная платформа при значительно меньшем относительном возрастании веса, чем у карьерных роторных экскаваторов. Производство карьерных компактных роторных экскаваторов в СССР было начато в конце 50-х годов и в настоящее время осуществляется в странах СНГ только на заводах Украины – Донецким (ДМЗ), ОАО «Азовмаш» и Новокраматорским (НКМЗ). В СССР работы, направленные на создание гидрофицированных роторных экскаваторов, находились на стадиях опытно-промышленных разработок . Инициатором этого направления выступал ИГД им А. А. Скочинского, которым в 1972-1973 гг. проведены промышленные испытания опытного образца гидропривода ротора на экскаваторе РЭ-2Г в условиях Экибастузского месторождения. В качестве двигателя использовался высоко моментный радиально-поршневой гидромотор МР16 мощностью 200 кВт. Насос, установленный на поворотной платформе, создавал рабочее давление до 160 кгс/см2 (16 МПа). Технические характеристики компактных роторных экскаваторов, изготовляемых в Украине, приведены в табл. 1. Одним из них, является экскаватор ЭР-3500 предназначен для отработки слабоустойчивых песчано-глинистых вскрышных пород с удельным сопротивлением копанию до 160 кг/см2 в южных климатических зонах с диапазоном температур -250 до +350 [4]. Таблица 1. Технические характеристики компактных роторных экскаваторов изготовляемых в Украине. Параметры 1 Теоретическая производительность, м3/ч Высота копания, м Глубина копания, м Диаметр ротора, м ДМЗ ЭРГВ-630ц 2 630 9 0,5 3,2 НКМЗ ЭР-1500 ЭР-3500М 3 4 1500 3500 16-17 1,7 6,8 23 1,8 10,6 66 продолжение табл. 1. 1 Число ковшей ротора, шт Ширина транспортирующей ленты, м Скорость ленты, м/с Скорость хода, м/ч Давление на грунт, кг/см2 Мощность привода ротора, кВт Масса экскаватора, т 2 8 1,0 3 12 1,2 4 16 1,8 4 355 0,126 300 730 4,3 480 1,2 320 710 4,0 480 1,25 800 1280 Фирма «Андерсон Мэйвор Лимитед» (ранее называвшаяся «Мейвор энд Кулсон», Шотландия) с 1967 г. выпускал универсальный гидравлический экскаватор Е-10 на пневмоколесном ходу. В 1970 г. была создана модификация с гусеничным движителем. Дизель-гидравлический привод придает машине полную автономность. Наиболее подходящими дизелями английского производства для этой машины являлся Лейманд ИЕ690 мощностью 200л. С. при 2000 об/мин, Роллс-ройс SV 65СТ мощностью 190 л. С. при 1800 об/мин и 250 мощностью 189 л. с. при 2000 об/мин. По требованию заказчика машина могла быть оснащена и другими дизелями производства различных стран. Давление в гидросистеме – 140 кгс/см2 необходимая для привода гидронасоса мощностью 112 кВт (150 л. с.). Мощность гидромотора ротора равна 32,8 кВт, конвейера стрела ротора – 20 кВт, конвейера разгрузочной консоли 11,9 кВт, механизма поворота верхнего строения – 10 кВт, механизма поворота разгрузочной консоли – 5,2 кВт. Масляный бак сварной конструкции емкостью 318 л. оснащен указателем уровня и съемным отстойником. Масло к насосу и фильтрам поступало самотеком. Масло в гидравлической системе охлаждается с помощью маслоохладителя, обдуваемого воздушным потоком, который создавался вентилятором. Маслоохладитель представляет собой теплообменник со встречной циркуляцией воды (25 л) и (2,8 л) масла. Для разгрузки пневмо шин при экскавации служили четыре аутригера с гидравлическим механизмом подъема, которые автоматически поднимались при включении механизма передвижения. При работе с конвейерным транспортом для увеличения ширины заходки применяется прицепная тележка, вдоль которой конвейер передвигался с помощью гидроцилиндров. В модели Е-10 применялась еще одна оригинальная конструктивная новинка: при перемещении экскаватора на значительные расстояния хвостовая секция разгрузочной консоли опускалась и принимала вертикальное положение. Электрооборудование экскаватора автотракторного типа, рассчитано на напряжение 24 В. 67 Фирма «KRUPP» выпускает роторные экскаваторы более 70 лет. Разработка горных пород с помощью компактных роторных экскаваторов — чрезвычайно эффективное решение по экономическим и экологическим факторам. Эти машины позволяют разрабатывать породы с прочностью на сжатие 10 МПа, а в отдельных случаях до 20 МПа. В настоящее время фирмой «KRUPP» изготавливаются компактные роторные экскаваторы в стандартном исполнении, что позволяет обеспечить достаточную простоту технического обслуживания и при необходимости, ремонта за счет использования в их конструкции стандартных элементов машин серийного производства. Для тяжелых условий эксплуатации на карьерах или крупных строительных площадках применение указанных стандартных узлов позволяет быстро произвести ремонт или техобслуживание, а широкое использование агрегатной сборки — значительно сократить сроки поставки экскаваторов. Из 500 выпущенных за последние три десятилетия машин около 100 были изготовлены как стандартные. Фирма «KRUPP» предлагает широкую гамму компактных роторных экскаваторов от S100 до S1600 производительностью от 450 до 6600 м3/ч. Мы рассмотрим четыре типа роторных экскаваторов фирмы «KRUPP». Значения технологических параметров для рассматриваемых типоразмеров роторных экскаваторов фирмы «KRUPP» даны в табл. 2. Таблица 2. Значение технологических параметров и техническая характеристика компактных экскаваторов Фирма «KRUPP». Размеры 1 Высота забоя, А, (м) Ширина заходки, В, (м) Глубина стружки, С, (м) Угол откоса торца забоя, α1, (град) Угол откоса формируемого откоса, α2, (град) Вместимость ковша, (л) Ширина ленты, (м) Теоретическая производительность, (м3/ч) Эффективная производительность, (м3/ч) Рабочий вес экскаватора, (т) S100 2 6 8 2,0 60 66 S250 3 9 12 3,5 60 64 S400 4 11 15 4,0 60 62 S630 5 15 20 4,5 60 60 100 0,80 500 250 1,00 1250 400 1,20 2000 630 1,40 3000 200 550 900 1400 55 140 200 400 68 Характерными конструктивными особенностями экскаваторов фирмы «KRUPP» являются: наличие автоматической централизованной системы смазки, гидравлический привод ходовых тележек, поворотных и подъемных устройств; энергоснабжение как непосредственно от электросети, так и от дизельного двигателя. При снабжении электроэнергией для привода обоих ленточных конвейеров и ротора используются электродвигатели, а при энергоснабжении от дизельного двигателя привод всех элементов — гидравлический. Компания «Sandvik Mining and Construction» успешно завершила сборку первого компактного роторного экскаватора с самоходным перегружателем для «Matra Kraftwerk G.AG» (Венгрия) в 2009 г.. Сборку экскаватора была начата в 2008 г. в ноябре после того, как все основные узлы были сконструированы и тщательно проработаны. Согласно расписанию, сборку машины должны были завершить через восемь месяцев. При этом на площадке каждый день работали около 130 сборщиков. Рис. 7. Компактный роторный экскаватор компании «Sandvik Mining and Construction» на испытаниях. Первые испытания на открытом руднике около г. Буккабраны прошли по расписанию, в конце июня 2009 г. и были введены в эксплуатацию уже в сентябре. Новый экскаватор позволил увеличить производительность добычи бурого угля на руднике г. Буккабраны. Новый роторный экскаватор весит около 1650 т, длина стрелы ротора составляет 28 м (92 фута), а диаметр роторного колеса равен 12 м (40 футов). Мощность привода ротора с 16-ю ковшами составляет около 1100 кВт – суммарная же мощность машины достигает 3200 кВт. Экскаватор вместе с перегружателем обладают производительностью 6700 м3/ч или 12 млн. м3/год (15, 7 млн. ярдов3/год). 69 Выводы: Перспективным направлением в совершенствовании и развитии привода роторных экскаваторов является применение объемного гидропривода. Как показывает зарубежная практика, объемный гидропривод начинает успешно использоваться на основных силовых механизмах роторных экскаваторов. По сравнению с электромеханическим приводом, гидропривод ротора на базе высокомоментных гидромоторов имеет : - небольшую массу и маховый момент; - хорошие демпфирующие свойства при постоянном крутящем моменте; - плавное регулирование скорости в широких пределах; - надежную защиту ротора и в целом экскаватора от перегрузок в стопорных режимах, возможность запуска под нагрузкой. Литература. 1. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы – М.: «Машиностроение», 1972. – 432 с. 2. German Approach to Mass Excavation. — «Engineering», 1964, N 12. 3. Wheel excavator loading ont 1,000 tons per hour in semi-hard brown T thale. — «Earthmoving and Construction», 1965, N 10. 4. Подэрни P.Ю. Механическое оборудование карьеров: Учебник для вузов. ― 6-е изд., перераб. и доп.― М.: Изд-во МГГУ, 2007. ― 680с.: ил.(ГОРНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ) Аннотация. Приведен анализ современного состояния и перспектив развития конструкций компактных роторных экскаваторов отечественных и зарубежных производителей. Изложена методика определения основных параметров компактных роторных экскаваторов. The analysis of the current state and development prospects of the construction of compact bucket wheel excavators of domestic and foreign manufacturers. The method of determining the main parameters of compact bucket wheel excavators. Ключевые слова. компактный роторный экскаватор; диаметр ротора; длина стрелы compact bucket wheel excavators, rotor diameter, the length of the boom 70