Современные мощные карьерные гидравлические экскаваторы на предприятиях России и СНГ

Горные предприятия на мировом рынке приступили к внедрению гидравлических экскаваторов в 50-е годы прошлого века. Экскаваторы выпускались с ковшами вместимостью до 3-5 куб.м. Первая попытка создания отечественных гидравлических экскаваторов началась в 1975 году.

Коллективом ученых ИГД им. А.А.Скочинского под руководством заведующего лаборатории д.т.н. ( в настоящее время Академик РАН) Мельникова Н.Н. и научного руководителя темы к.т.н. Штейнцайга В.М. совместно с ПО «УРАЛМАШ» (УЗТМ) при личном участии Главного конструктора КБ горного оборудования д.т.н. Сатовского Б.И. и начальника бюро гидравлических экскаваторов к.т.н. Скобелева Л.С. выполнили цикл исследований, которые определили на годы вперед параметры и программу создания карьерных гидравлических экскаваторов /1/. Следует отметить, что именно разработанный в 70-е годы типоразмерный ряд карьерных гидравлических экскаваторов ЭГ-8, ЭГ-12, ЭГ-20, ЭГ-40 (рис. 1) с ковшами соответственно 8-10, 12-15, 20-25, 40-50 куб.м и расчетной рабочей массой 180, 280, 500, 900 тн соответственно легли в основу создания нового поколения карьерных экскаваторов. В этот период истории гидравлические экскаваторы на мировом рынке были представлены зарубежными производителями машинами с ковшом до 8 куб.м. и рабочей массой до 140 тн.

Рис.1. Параметрический ряд карьерных гидравлических экскаваторов

Научно обоснованные в ИГД параметры экскаваторов нашли свое применение при создании отечественных гидравлических экскаваторов ЭГ-12, ЭГ-12А, ЭГО - 8, ЭГ-20, которые были изготовлены в единичных экземплярах и приняты межведомственными комиссиями в серийное производствона мощностях УЗТМ в период до средины 80 –х годов. К сожалению, до сих пор серийное производство в России этих машин так и не началось. О зарубежных производителях этого сказать нельзя – они успешно развивают на протяжении 35 лет производство и выпускают гидравлические экскаваторы, которые хорошо вписываются в разработанный ИГД типовой размерный ряд. К основным производителям относятся KOMATSU MINING GERMANY (DEMAG), Caterlpilar (Oreinshtai Koppel), Liebherr, Hitachi.

Современная эпоха создания гидравлических экскаваторов охватывает исследования, создание опытных образцов машин, промышленные испытания и планы по их серийному производству /2/. На этом не простом многолетнем периоде следует вспомнить плеяду замечательных ученых и инженеров, вложивших много сил и знаний в новое научное направление. Это д.т.н. Козин Г.Ю., который много лет являлся руководителем лаборатории ИГД и руководителем научной темы, осуществлял руководство научным обоснованием и созданием отечественного производства компонентов для гидравлических приводов, созданием основ сервисного обслуживания приводов и машин в целом. Коллеги из его лаборатории к.т.н. Мельников А.С., к.т.н. Этингоф Е.А., д.т.н. Бродский Г.С., к.т.н. Гольдбухт Е.Е., к.т.н. Стесин Г.П., к.т.н. Гольдбухт А. Е., к.т.н. Верескунов В.Н., к.е.н. Шахмейстера Ю. Л. и другие вложили много сил в создание этих машин. В КБ УЗТМ под руководством к.т.н. Скобелева Л.С., Прахова Л.П., Авдеева П.Н. также много лет выполнялись пионерские работы. В тесном содружестве ИГД и УЗТМ была предпринята попытка освоения на заводе «УРАЛМАШ» выпуска гидравлических экскаваторов ЭГ-8 вместо ЭКГ- 4,6 (с ковшом 5 куб.м ). На начальном этапе предполагалась закупка лицензии у «Oreinstein Koppel» на производство экскаваторов 8 куб.м. для ускорения их изготовления на мощностях «УРАЛМАШ». Однако и этот проект не был практически реализован. ИГД инициировал совместный научный семинар и серию переговоров с Mannesmann Demag Baumashinen по выработке концепции сотрудничества и обоснованию параметров для Российских предприятий и СНГ. На этом этапе в работе активно участвовали указанные выше коллеги под руководством зам. директора института д.т.н., проф. Виницкого К. Е. при участии д.т.н. Штейнцайга Р.М.

Были созданы опытные образцы, в промышленных испытаниях которых активно участвовала лаборатория мощных экскаваторов МИСИ под руководством д.т.н. Киселёва Н.Н.

Следующую попытку по созданию отечественных гидравлических экскаваторов предпринял завод ОАО «Ижорские заводы» (ИЗ) в сотрудничестве с ИГД. Под руководством главного конструктора КБ-1 к.т.н Казакова В.А. при участии коллектива бюро и начальников бюро Борисова В.И. и к.т.н. Сапожникова А.И. была разработана техническая документация на изготовление экскаватора ЭГ-15 с ковшом вместимостью 15 куб.м. Под руководством директора производства КАРТЭКС Шарапова А.Ю. был изготовлен опытный образец ЭГ-5 с ковшом 5 куб.м, который длительно испытывался в условиях гранитного карьера в Карелии. По результатам испытаний после корректировки документации уже под руководством директора производства Коробкова П.Г. была изготовлена установочная партия из 3-х машин. В настоящее время работы приостановлены, а завод занят созданием традиционным для себя ЭКГ-30И с канатным приводом напорного механизма. Опытный образец экскаватора ЭКГ-30И испытывается на « Краснобродском» угольном разрезе в Кузбассе.

Основным партнером ИГД была выбрана немецкая компания DEMAG (KOMATSU MINING GERMANY), сотрудничество с которой с конца 80-х годах курировали к.т.н. Штейнцайг В.М. и к.т.н. Кёльш Х.Р. Именно это сотрудничество с лидером по производству экскаваторов на мировом рынке позволило поставить в Россию самые мощные в мире на период 2000 г. гидравлические экскаваторы. При их внедрении в экстремальных условиях Якутии проведенные испытания позволили получить новые научные результаты.

Возвращаясь к истории развития поставок гидравлических экскаваторов в СНГ, обратимся к результатам поставок KOMATSU MINING GERMANY(KMG), которая началась 20 лет назад с поставки обратной лопаты Н-65 (в тот период еще DEMAG ) с ковшом 4 м³ на угольный разрез в "Приморскуголь", Дальний Восток. За последние 10 лет завод KMG поставил более 50 мощных экскаваторов на горные предприятия России и СНГ(основные покупатели приведены на карте, рис. 2) с ковшами от 15 до 42 м³ и рабочей массой от 300 до 750 тн. На угольные предприятия были поставлены 48% всех машин. Из общего количества поставленных в СНГ машин, в Казахстане и на Украине работают только 10%, а 90% - в России.

Крупномасштабное внедрение началось в суровых условиях Якутии. На «Нерюнгринский» угольный разрез в «Якутуголь» было поставлено 8 экскаваторов, из которых 3 модели PC-8000E (рис.3,а ) с ковшом вместимостью до 40 м³. Экскаваторы были поставлены с высоковольтными (6000 В) электрическими приводами (асинхронными коротко замкнутыми двигателями) главных насосов, в количестве до 50%. Экскаватор PC-3000BH с удлиненным рабочим оборудованием и ковшом 8 куб.м, который в 2 раза меньше стандартного (16 куб.м), оказался наиболее востребованным при селективной выемке маломощных угольных пластов. Остальные экскаваторы с ковшами вместимостью от 26 до 40 м³выполняют вскрышные работы с погрузкой в большегрузные автотранспорт грузоподъемностью до 300 тн.

Экскаватор РС-3000 с рабочим оборудованием обратная лопата имеет широкие возможности для применения не только для погрузки в автомобильный транспорт, но также в железнодорожный и в забойные перегружатели в средствах циклично-поточной технологии (рис.3,б). В ОАО «Мордовцемент» эксплуатируются 3 экскаватора РС-3000 – прямая лопата и 2 машины с рабочим оборудованием обратная лопата. В применяемых технологических схемах предполагалось наиболее эффективной технология с конвейерным транспортом, следующая по эффективности с автомобильным транспортом и наименее эффективной технология погрузки в железнодорожный транспорт. Фактические результаты при работе в идентичных забоях без буровзрывной подготовки при разработке пород крепостью до 10 по шкале профессора Протодьяконова М.М. показали, что техническая производительность развивается на одном уровне. Эксплуатационная производительность оказалась по факту в ОАО «Мордовцемент» выше в схеме с железнодорожным транспортом, а показатели с применением конвейерного транспорта оказался на 3-ем месте.

Определяющим фактором является надежность гидравлических экскаваторов нового поколения, уровень которой зависит от прикладываемых квалифицированных сервисных усилий. В процессе научных и практических действий по сервисному обслуживанию, которое осуществляет фирма ООО «МОГОРМАШ» более 4 –х лет под руководством генерального директора д.т.н., проф. Мерзлякова В.Г., для 5-ти экскаваторов типа РС-3000 ( при погрузке в автомобильный, железнодорожный, и конвейерный транспорт) был обеспечен коэффициент технической готовности на уровне 0,94 – 0.98.

На угольных разрезах Кузбасса экскаваторы типа РС-3000 применяются в технологических схемах погрузки горной массы как с железнодорожным, так и с автомобильным транспортом. Наиболее востребованы в Кузбассе более мощные экскаваторы PC-4000 и PC-5500, с ковшами от 22 до 29 м³, из которых 66% имеют электрический привод главных насосов и успешно применяются на вскрышных работах угольных разрезов.

Анализ исполнения рабочего оборудования показал, что заказчики отдали предпочтение рабочему оборудованию обратная лопата в 58% случаях из поставленных экскаваторов.

Высокая степень технической готовности экскаватора PC-4000E и хорошая организация работ позволили на «Черниговском» разрезе компании СДС устойчиво отгружать 700000 мм³ в месяц вскрышных пород.Достигнуты также высокие показатели применения экскаваторов РС-3000 на месторождении кимберлитовых руд «им. Гриба» в Архангельском регионе. Так машина с рабочим оборудованием прямая лопата обеспечивает устойчиво 500000 м³ в месяц при экскавации вскрышных пород без проведения предварительной взрывной подготовки массива. Экскаватор РС-3000 с рабочим оборудованием обратная лопата и ковшом вместимостью также 15 м³ на этом же карьере обеспечивает производительность на уровне 380000 м³. Эти машины имеют дизельный привод главных насосов, поэтому удается реализовать преимущества гидравлических экскаваторов при применении их в гибких технологических схемах.

Рациональные условия по реализации технических возможностей экскаваторов, суммарная вместимость ковшей которых только в Кузбассе составляет около 300 м³, обеспечивает в несколько раз выше производительность, чем в Якутии при том, что на угольном разрезе «Нерюнгринский» ОАО «Якутуголь» суммарная емкость ковшей всего на 45% меньше. Объясняется эта сравнительно низкая производительность не только более сложными условиями эксплуатации, но и организационными причинами. В Кузбассе управление осуществляется на 9 предприятиях по сравнению с 1 предприятием в Якутии. Это обстоятельство подтверждает широкие возможности по применению, работающих и намеченных к поставке в ближайшее время мощных экскаваторов KMG. Только с ковшами вместимостью 15 м³ их более 65 единиц.

К.т.н. Слесарев Б.В. /3/, под научным руководством д.т.н., проф. Мерзлякова В.Г. и д.т.н. Бродского Г.С., выполнил ряд исследований в промышленных условиях угольного разреза «Нерюнгринский», которые позволили определить рациональные условия эксплуатации машин, режим и регламент сервисного обслуживания гидравлических приводов карьерных гидравлических экскаваторов.

Некоторые из результатов приводятся в настоящей работе. Так, в процессе испытаний экскаватора РС-5500, были установлены следующие граничные значения углов откоса забоев в зависимости от температуры окружающей среды. Эти параметры при положительной температуре – 46 град.; в межсезонный период - 60 град.; в условиях экстремально низких температур - 72 град. На рис. 4 представлены расчетные схемы, позволяющие определить изменения реализаций усилий напора и отрыва в зависимости от конкретных изменений технологических параметров забоя, в частности – высоты и радиуса копания.

Получены зависимости усилия напора и отрыва от высоты копания при различных радиусах копания для условий разработки забоев в наиболее тяжелых зимних условиях и при углах откоса забоя в среднем 72°. Анализ полученных зависимостей показывает, что максимальные усилия напора экскаватор развивает на уровне стояния. При высоте копания 2 м значения усилий снижаются на 25%. На высоте копания от 2-х до 10 м имеет место определенная стабилизация усилий копания, значения которых (50-75% от максимальных) достигаются при радиусе копания от 9 до 16 м.

Это утверждение подтверждается зависимостями усилия напора от радиуса копания при различных значениях высоты копания. Анализ этих зависимостей показывает, что высота копания 6-8 м является предельно допустимой для эффективной реализации силовых возможностей гидравлического экскаватора.

Усилия копания гидравлического экскаватора зависят не только от усилий напора, но и от усилий отрыва. Канатные механические лопаты, в силу структуры своих конструктивных схем, не могут обеспечивать сколько ни будь значительного усилия отрыва, поскольку не имеют возможности поворачивать ковш относительно рукояти.

Установлены зависимости усилия отрыва от высоты копания при значениях радиуса копания от 13 – 15 м, которые не снижаются ниже максимальных значений на 75% (до 1500 кН) в диапазоне изменения высоты внедрения ковша от уровня стояния до 7 м. При высоте копания от 10 м до 14 м и значениях радиуса копания 13 – 15 м, также могут быть развиты определенные усилия отрыва, которые позволяют обрушить при необходимости козырьки и нависы породы в забое. В тоже время эта зона не пригодна для эффективного наполнения ковша и обеспечения высокой производительности.

Усилия отрыва фактически незначительно изменяются во всем диапазоне изменения высоты копания от минус 2 м до 12 м. Максимальные значения усилия отрыва развиваются при радиусах копания 10 -13 м и высоте внедрения ковша в забой на уровне стояния, а также на высоте внедрения 10 м.

Таким образом, установлены закономерности, подтвержденные экспериментально, позволяющие рекомендовать «пакет» рациональных технологических параметров – сочетаний высот и радиусов копания, рекомендуемых машинистам экскаватора начинать работу в верхней части забоя, предварительно зачистив подошву забоя при работе в не зимних условиях и при отсутствии смерзания горной массы в забое. При этом внедрение ковша в забой целесообразно осуществлять за счет напорного усилия. В зимних условиях при экстремально низких температурах целесообразно осуществлять внедрение ковша в забой за счет усилия отрыва, начиная разработку с максимально возможной высоты внедрения в забой.

Анализ приведенных зависимостей и фактические значения усилий копания современных экскаваторов показывают, что гидравлические экскаваторы имеют значения фактических усилий в 2-2,5 раза больше по сравнению с механическими лопатами.

Исследование взаимосвязи технических параметров гидравлических экскаваторов с параметрами забоя выявило следующие обстоятельства.

Гидравлические экскаваторы имеют меньше рабочую массу по сравнению с механическими лопатами, что предопределяет более низкие значения удельных давлений на грунт. В то же время несущая способность грунтов предопределяет в зависимости от их свойств устойчивость экскаватора при работе в забое.

Следует отметить, что условия экскавации в забоях с кимберлитовыми породами (в АК «Алроса») существенно отличаются от вскрышных забоев на угольном разрезе «Нерюнгринский». На основе 10-ти летней эксплуатации гидравлического экскаватора

Н-285S в АК «Алроса» были апробированы значения параметров и определены возможности мощных гидравлических экскаваторов с ковшом вместимостью 19 м³.

Установлено, что:

Накопленный опыт эксплуатации гидравлических экскаваторов в экстремальных северных условиях Якутии и анализ многолетнего опыта их эксплуатации в Северной Швеции и Канаде позволил рекомендовать к внедрению систему предварительного принудительного подогрева рабочей жидкости в гидросистеме экскаваторов после их длительного простоя при экстремально низких температурах.

Для условий Якутии была разработана система предварительного подогрева рабочей жидкости перед запуском на базе электрического подогрева от автономного источника электроснабжения – бортового дизель – генератора.

Обоснованы параметры и разработаны устройства, обеспечивающие предварительный прогрев рабочей жидкости во всей системе гидропривода, позволяющие запускать экскаваторы в работу при экстремально низкой температуре в сжатые сроки и увеличивающие ресурс основного дизеля и гидравлических компонентов.

Исследования уровня вязкости гидравлической жидкости (РЖ) проводились к.т.н. Кельшем Х.Р. / 4 / под руководством д.т.н., проф. Подерни Р.Ю. и д.т.н. Бродского Г.С. при характерных сезону температурных значениях окружающей среды. При значениях летних температур до + 45оС, температура в гидравлической системе не превышала 100оС при вязкости РЖ 7 ÷7,5 сСт; и зимних до – 50^оС, температура в системе не превышала 40^оС при вязкости РЖ 25 ÷ 26 сСт. Система охлаждения при перепадах внешней температуры сохраняет нагрев РЖ в системе 100 и 40^оС, как предельно допустимые. Поддержание заданных оптимальных температур в допустимых пределах является фактором, определяющим также и ресурс гидропривода.

В результате выполненных исследований интегрирован опыт применения карьерных гидравлических экскаваторов с технологическими режимами эксплуатации в сложных горно-технических условиях горных предприятий Крайнего Севера. Эксплуатация карьерных гидравлических экскаваторов в Северной Канаде, ОАО ХК «Якутуголь» и ОАО «Алроса» в течение 2000-2010г.г., позволила сравнить результаты эксплуатации. Так, при использовании разработанных рекомендаций, обеспечено значительное повышение надежности гидропривода до значений 0,95-.98, в том числе за счет увеличения ресурса гидравлических машин и компонентов на 25-85% (рис.5).

Результаты эксплуатации и исследования карьерных гидравлических экскаваторов за длительный период в условиях Крайнего Севера позволили установить не только показатели надежности, но и экономические показатели их эксплуатации (рис.6). Приведенные показатели относятся к классу машин с ковшами вместимостью от 15 до 40 куб.м. Достоверность выводов достаточно высокая (0.98), так как в выборка объектов статистического анализа включает более 50 экскаваторов в натурных условиях.

Анализ результатов показывает, что экскаваторы с электрическим приводом главных гидравлических насосов имеют затраты примерно на 10 % ниже по сравнению с экскаваторами имеющими дизельный привод. Увеличение рабочей массы и мощности гидравлических приводов, вместимости ковшей экскаваторов в 1,5 – 1,8 раза приводит к увеличению удельных затрат в 1,4-1,5 раз за период в 10 лет. Абсолютные затраты на час эксплуатации для машин с ковшом 15 куб.м находятся на уровне ниже 100 Евро/час при экстремальных значениях на 3,6 и 8 годах эксплуатации от 100 до 180 Евро /час. Для экскаваторов с ковшами вместимостью до 28 куб.м на уровне 150 Евро/час при экстремальных значениях на 3,6 и 8 годах эксплуатации от 150 до 250 Евро/час. Экскаваторы с ковшами вместимостью до 38 куб.м имеют средние затраты, за тот же сравниваемый период в 10 лет, до 270 Евро/час. Экстремальные значения составляют на 3,6 и 8-ой год эксплуатации от 270 до 400 Евро/час и приходятся на период средних ремонтов, которые сопровождаются заменой гидравлических насосов, моторов, цилиндров и других дорогостоящих компонентов экскаваторов. Следует отметить, возвращаясь к сравнению гидравлических экскаваторов с карьерными канатными машинами, что удельные затраты на час выполненной работы при базисе 10 лет (наиболее доверительном интервале для наблюдений), несмотря на срок достигнутый при эксплуатации гидравлических экскаваторов в 100000 часов (то есть примерно 20 лет) получается ниже на примерно 15-20 %. Объяснить это можно тем обстоятельством, что фактический фонд рабочего времени за длительный период у гидравлических экскаваторов выше примерно на 10% за счет уменьшения времени простоев при замене крупных компонентов, использовании модульного ремонта и полном отсутствии капитальных ремонтов, которые кратны, как правило, для механических лопат 5-7 годам эксплуатации. Удельная производительность гидравлических экскаваторов априори выше на 10-14 % за счет повышенных усилий копания и гибких технологических схем применения.

Таким образом, исследования, выполненные на отечественных горных предприятиях с привлечением данных мирового рынка горных предприятий не только подтвердили прогнозируемые в ранних исследованиях, но и обеспечили думающих предпринимателей в горном бизнесе доказательной основой проведенных исследований, а не рекламными заявлениями. Остаётся надеяться, что новое поколение ученых и специалистов при слабом потенциале отраслевой науки продолжит успешное внедрение мощных карьерных гидравлических экскаваторов в практику горного дела на открытых разработках твердых полезных ископаемых.

1.Сатовский Б.И., Мельников Н.Н., Скобелев Л.С., Штейнцайг В.М. О создании карьерных гидравлических экскаваторов., Горный Журнал, Горный журнал, 41 – 46 стр., 5 мая 1977 г.

2.Штейнцайг В.М., Интенсификация открытых горных работ с применением мощных карьерных одноковшовых экскаваторов, Наука, М., 142 стр., 1990г.

3.Слесарев Б.В. Обоснование параметров и разработка средств повышения эффективности эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов., Автореферат, Национальный научный центр горного производства – Институт горного дела А А Скочинского, 25 стр., 2005 г.

4.Кельш Х. Р. Обоснование силовых и режимных параметров копания и средств адаптации карьерных гидравлических экскавторов в условиях Якутии., Автореферат, Московский государственный горный университет, 21 стр., 2010 г.