К.Ю. Анистратов, к.т.н., С.А. Конопелько, к.тн., ООО НТЦ «Горное дело»
В период с 1980 по 2011 гг. на горнодобывающие предприятия РФ и других стран СНГ было поставлено 5644 одноковшовых электрических экскаваторов, оснащенных ковшами вместимостью от 4,6 до 42 м3. Несмотря на резкое сокращение производства электрических экскаваторов в начале 1990-х годов (рис. 1), их парк занимает значительное место в структуре комплексной механизации горных предприятий России, ведущих разработку месторождений открытым способом.
Рис. 1 Динамика производства и импорта в РФ и другие страны СНГ основных типоразмеров карьерных одноковшовых экскава торов с электрическим приводом в период 1980–2011 гг.
Парк электрических экскаваторов, эксплуатируемых на горных предприятиях России, представлен моделями ЭКГ 5А, ЭКГ 12 и их модификациями, производства МК «УРАЛМАШ»; ЭКГ 10, ЭКГ 15 и их модификациями – производства «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова».
В последнее десятилетие, учитывая мировые тенденции, отечественное машиностроение разработало новый типоразмерный ряд и приступило к производству электрических экскаваторов с ковшами вместимостью от 18 до 60 м3.
К настоящему времени 70% экскаваторов в горной промышленности России имеют сверхнормативный срок службы. Во многом работоспособность поддерживается за счет экскаваторов «доноров», эксплуатация которых уже прекратилась, но их узлы и агрегаты не выработали предельный ресурс эксплуатации и используются для поддержания работоспособности других экскаваторов. Большинство горнодобывающих предприятий стоят на пороге технического переоснащения или уже начали процесс выбора и приобретения новых современных моделей экскаваторов.
Для обоснования эффективности вложения инвестиций в новые экскаваторы необходимо понимание того, каков будет экономически целесообразный срок службы оборудования. Для этого специалистами НТЦ «Горное дело» разработана методика определения оптимальных сроков службы карьерных одноковшовых экскаваторов с электрическим приводом.
Срок службы техники (период до списания) Тсс – период эксплуатации техники, при котором дальнейшая эксплуатация техники невозможна по условиям безопасности или экономически нецелесообразна.
Срок службы экскаваторов зависит от природно-технологических условий эксплуатации, от уровня технического сервиса, обеспечиваемого на конкретном предприятии, а также от соблюдения правил технической эксплуатации машин. Природно-технологических условия оказывают существенное влияние на процессы, протекающие в экскаваторе, то есть на ресурс наработки узлов и агрегатов до ремонта или замены и на долговечность несущих элементов (платформа, рама ходовой тележки, стрела). Эксплуатация экскаваторов сопровождается разрушением деталей, их взаимным перемещением, трением, нагревом, химическим преобразованием, изменением в процессе работы физических величин и конструктивных параметров (размеров, взаимностью расположения и т.д.).
На горные машины, эксплуатируемые на открытых работах, особенно большое влияние оказывают климатические факторы. Низкие температуры вызывают резкое уменьшение ударной вязкости не хладостойких сталей, загущение смазочных масел. Снижение ударной вязкости сталей, в свою очередь, вызывает их низкотемпературную хрупкость, или хладноломкость, делает чувствительными к ударным нагрузкам и к концентраторам напряжений в элементах, поэтому в зимнее время возникает наибольшее число поломок. С застыванием масел и технических жидкостей резко увеличивается их вязкость и уменьшается текучесть, становится затруднительным поступление масел и технических жидкостей по каналам и трубопроводам к точкам смазки. В конечном итоге, все это приводит к повышенному износу деталей.
Высокие и низкие температуры воздуха оказывают неблагоприятное воздействие на детали из пластмасс, изоляцию электротехнических оболочек, ускоряя их старение. Солнечная радиация, воздействуя на машину, ускоряет процесс естественного старения пластмасс, резины, изоляции обмоток электрических машин. Материалы становятся более ломкими, в них образуются трещины, поэтому снижается механическая прочность и электрическое сопротивление изоляции.
Повышенное (более 70%) содержание влаги в воздухе вызывает атмосферную коррозию металлов, а образование пленок окислов интенсифицирует процесс механического изнашивания. Влага ускоряет процесс изнашивания полимерных материалов, снижает электрическую прочность (пробивное напряжение) изоляции. Попадая во влагостойкие смазки, она образует с ними эмульсии и снижает смазывающие свойства. К этому же приводит попадание влаги в масла.
Некоторые горные машины работают в условиях воздействия газов, выделяющихся при самовозгорании углей, газы ускоряют процесс старения полимерных материалов и металлических частей.
Высокая запыленность воздуха возникает при разработке и перевалке сыпучих пород в условиях сухого воздуха и действия ветра. Частицы и пыль, попадая в смазку, загрязняют ее и способствуют интенсивному абразивному износу металлических поверхностей. Осаждение пыли на обмотках электрических машин ухудшает теплоотдачу обмоток, вызывая их перегрев. Пыль с высоким содержанием угля или руды становится токопроводящей и, осаждаясь на оголенных токоведущих элементах, может вызвать утечку тока или короткое замыкание в электроцепях.
Динамические нагрузки вызывают усталостный износ и приводят к быстрому разрушению зубчатых передач и подшипников.
Вредные процессы могут возникать из-за несовершенства конструкции деталей, нарушений точности регулировки, взаимной увязки деталей в сборочных единицах, неправильной замены материалов деталей, нарушения технологии сборки, обработки и монтажа.
Поддержание высокой технической готовности экскаваторов обеспечивается только при соблюдении норм периодичности и объема работ по техническому обслуживанию и плановым ремонтам, а также применением качественных материалов и запчастей при высокой квалификации оснащенных инструментом и приспособлениями специалистов подразделения технического сервиса.
Технический сервис экскаваторов ЭКГ 5, ЭКГ 8И, ЭКГ 10 построен по схеме периодического проведения ремонтов Т1 – ежемесячно, Т2 – один раз в три месяца, Т3 – один раз в 24 месяца. Для экскаваторов ЭКГ 12.5, ЭКГ 15 кроме периодических ремонтов Т1, Т2, Т3 предусмотрены капитальные ремонты, которые должны проводиться один раз в 6–8 лет в зависимости от конкурентных условий эксплуатации. Природно-технологические условия и уровень технического сервиса определяют время работы на линии (Tijрл) карьерных экскаваторов.
Рис. 2 Зависимость времени работы на линии экскаватора ЭКГ 15 от срока его эксплуатации, рассчитанное на основе норма тивной документации
Расчет времени работы на линии по годам эксплуатации электрических экскаваторов ЭКГ 15 (рис. 2) и ЭКГ 10 (рис. 3) при обеспечении норм периодичности и объемов работ по техническому сервису, установленных нормативными документами, указывает на то, что время работы машин на линии сокращается с 6.5 тыс. час. до 5.5 тыс. час, за период их эксплуатации 18–22 года.
Рис. 3 Зависимость времени работы на линии экскаватора ЭКГ 10 от срока его эксплуатации, рассчитанное на основе норма тивной документации
Расчеты времени работы на линии электрических одноковшовых экскаваторов подтверждаются результатами анализа эксплуатации данного типа экскаваторов на различных предприятиях России и других стран (АК «АЛРОСА», ЗАО «Полюс», ГОКи Криворожского железорудного бассейна Украины) (рис. 4).
Рис. 4 Зависимость времени работы на линии экскаваторов ЭКГ 15 от срока их эксплуатации (построена на основе статистиче ских данных одного из карьеров севера Республики Саха (Якутия)
Время работы на линии непосредственно влияет на производительность экскаваторов. Проведенными исследованиями, а также результатами анализа эксплуатации электрических одноковшовых экскаваторов на различных горнодобывающих предприятиях, установлено, что при неизменных природно-технологических условиях эксплуатационная производительность за час Вij работы на линии практически не зависит от срока эксплуатации экскаваторов. Поэтому объем выполненной работы Qij некой единицей экскаватора зависит от времени работы на линии и характеризуется выражением:
где Вij – часовая эксплуатационная производительность i-й единицы карьерной техники j-й модели парка, м3/час; Tijрл – время работы на линии i-й техники j-й модели в данный период времени Т, час.
На рис. 5 показаны результаты анализа фактической производительности экскаваторов ЭКГ 15 в течение срока их эксплуатации на одном из карьеров Республики Саха (Якутия). При этом необходимо учитывать, что часовая эксплуатационная производительность Вij зависит от параметров системы разработки и природных условий работы. Прогнозирование изменений производительности карьерной техники и объемов выполняемых работ парком при изменении природно-технологических условий в процессе моделировании развития горных работ позволяет получить точную характеристику экономики данного технологического процесса горных работ через количественную оценку эффективности работы каждой единицы техники или парка.
Рис. 5 Зависимость производительности экскаваторов ЭКГ 15 от срока их эксплуатации (построена на основе статистиче ских данных о работе парка из 7 единиц одного из карьеров севера Республики Саха (Якутия)
Как правило, экономика горнодобывающих предприятий, являющихся структурными подразделениями крупных холдингов, регламентируется производственной и экономической службой Управляющей Компании, календарным планом горных работ и бюджетом финансирования.
При среднесрочном и перспективном планировании каждому подразделению устанавливаются определенные нормативные показатели затрат на добычу полезного ископаемого и их структура. При этом поддержание высокой технической готовности карьерной техники и, соответственно, производительности парков оборудования обеспечивается только при соблюдении норм периодичности и объема работ по его техническому обслуживанию и плановым ремонтам. Не меньшее значение имеет применение качественных материалов и запчастей при высокой квалификации оснащенных инструментом и приспособлениями специалистов подразделения технического сервиса. Это означает, что срок службы карьерной техники зависит от выделяемых в бюджетах средств на обеспечение ее технического сервиса.
Экономически цель работы любого подразделения и самого горнодобывающего предприятия заключается в выполнении планового объема горных работ Qпл при минимуме затрат на добычу:
Рассматривая конкретную единицу техники n-й модели m-го парка (экскаваторов, самосвалов и тд.), можно определить целевую функцию экономической деятельности вида:
В соответствии с функцией (3), например, i-й карьерный экскаватор j-й модели парка экскаваторов в течение срока службы Тсс должен выполнить максимальный объем экскавации при минимуме затрат.
В качестве основы определения оптимального срока службы техники принимается метод расчета минимума накопленных удельных затрат на технический сервис и затрат на владение.
Алгоритм определения оптимального срока службы техники представлен на рис. 6.
Рис. 6 Алгоритм определения оптимального срока службы карьерной техники на основе метода расчета минимума накопленных удельных затрат на технический сервис и затрат на приобретение
Для определения минимума удельных затрат при заданном сроке службы экскаватора используется формула:
где Tcc – срок службы экскаватора, год.; Tpc – расчетный срок службы техники, год.; Зтc – затраты на технический сервис техники, руб.; Звлад – затраты на владение техникой, включая приобретение, руб.; Q – производительность экскаватора, м3.
В данном случае определяется минимум затрат в течение заданного расчетного срока службы .
Для определения минимума удельных затрат без ограничения времени применяется формула (5).
Если рассматривать Зуд как непрерывную функцию времени t, то в общем виде задача сводится к определению глобального минимума функции Зуд (t), то есть нахождению такого момента Tcc, что
где Ttn (n = 1, 2, 3, ...) – локальный минимум Зуд (t) на промежутке t0 < t < Tpc, следовательно
Удельные затраты Зуд. как непрерывная функция описывается формулой:
Таким образом, путем итерационных расчетов определяется момент времени Тсс, при котором удельные затраты на технический сервис и приобретение достигают последнего из полученных минимумов.
На основании анализа фактических технико-экономических данных о работе карьерных электрических экскаваторов, анализа наработки основных узлов и агрегатов, нормативов периодичности плановых ремонтов (Т1, Т2, Т3, КР) на различных предприятиях (ЗАО «Полюс», ОАО «СУЭК», ОАО «УГМК», ОАО «Норильский Никель», АК «АЛРОСА» и др.) специалистами ООО «НТЦ Горное Дело» сформированы модели изменения затрат на технический сервис (ТС) различных типов карьерных экскаваторов. На рис. 7 представлен пример модели изменения затрат на технический сервис экскаватора ЭКГ 15.
Рис. 7 Модель изменения затрат на технический сервис экскава тора ЭКГ 15 (в условиях работы на севере Республики Саха (Якутия), построенная на основе нормативов периодичности завода изготовителя «ИЗ КАРТЭКС»
Применение разработанного метода определения оптимальных сроков службы карьерной техники для экскаватора ЭКГ 15 для условий одного из горнодобывающих предприятий Республики Саха (Якутия) показало, что за период 23–25 лет эксплуатации удельные накопленные затраты на приобретение и технический сервис достигают своего минимума и затем неуклонно растут (рис. 8).
Рис. 8 Динамика удельных накопленных затрат на технический сер вис экскаватора ЭКГ 15 c учетом затрат на приобретение в условиях севера Республики Саха (Якутия)
Динамика удельных затрат наглядно показывает надежность работы электрических карьерных экскаваторов ЭКГ 15 в рассматриваемых условиях. Незначительное сокращение времени работы на линии (см. рис. 4) и производительности в течение срока эксплуатации (см. рис. 5), обусловлено, помимо надежности конструкции, высоким и отлаженным уровнем технического сервиса, которые выражаются в соблюдении периодичности проведения плановых ремонтов и ТО.
Динамика удельных накопленных затрат на технический сервис и приобретение гидравлического экскаватора Bucyrus RH 120 (теперь Cat 6030), c ёмкостью ковша 17 м3, рассчитанные по методике, разработанной НТЦ «Горное дело» (рис. 9), указывает на то, что применение гидравлических экскаваторов эффективно до 6–7 года эксплуатации, что подтверждается фактическими данными.
Рис. 9 Динамика удельных накопленных затрат на технический сер вис гидравлического экскаватора Bucyrus RH 120 c учетом затрат на приобретение
К существенному фактору, способствующему росту удельных затрат при больших сроках эксплуатации (более 20 лет) электрических одноковшовых экскаваторов, является наличие «доноров», роль которых выполняют аналогичные, списанные с баланса предприятия, экскаваторы. Используемые для ремонта запасные части от «доноров» имеют небольшую стоимость, так как их восстановление производится силами специализированных ремонтных подразделений механической службы предприятия при относительно низких затратах, в сравнении со стоимостью новых запасных частей.
Дальнейшая работа электрических экскаваторов после 25 лет эксплуатации проходит в условиях проявлении «усталости» металла основных несущих конструктивных элементов (стрела, рукоять, платформа). Это приводит к появлению трещин и сколов в местах приложения основных нагрузок и крепления агрегатов и, соответственно, к увеличению объемов ремонтных (сварочных) работ. При критическом разрушении несущих элементов конструкции экскаваторов их дальнейшая эксплуатация становится небезопасной и поэтому не допускается.
Таким образом, разработанный метод определения оптимального срока службы техники на основе расчета минимума накопленных удельных затрат на технический сервис и затрат на приобретение применительно к электрическим одноковшовым экскаваторам, может использоваться для определения экономически целесообразного срока их службы. Однако, окончательное решение о списании электрического экскаватора с баланса предприятия, должно приниматься на основании оценки безопасности эксплуатации конкретной единицы техники.