Освоение гидравлических экскаваторов нового поколения в практике открытых разработок

Виницкий К.Е.

В планируемой перспективе в открытой угледобыче страны при производстве выемочно-погрузочных работ по-прежнему будут преобладать одноковшовые карьерные экскаваторы, предназначенные для эксплуатации в схемах цикличной и циклично-поточной технологии.

В настоящее время парк этих экскавационных машин практически полностью представлен карьерными механическими лопатами (единичные экземпляры гидрофицированных одноковшовых экскаваторов с ковшами вместимостью 8 м3 и более эксплуатируются в Южной Якутии, на Дальнем Востоке и в Северном Кузбассе, а также на отдельных локальных участках угольных разрезов в Приморье). Упомянутый парк традиционных мехлопат типа ЭКГ насчитывает в отрасли более 1150 единиц (это примерно 75% общей численности одноковшовых экскаваторов); средняя вместимость ковша условной мехлопаты оценивается в 7.2 м3; долевое участие мехлопат с ковшами вместимостью до 6.5 м3 превышает 65%, причем из общего их числа — более 680 экскаваторов имеют учетную емкость ковша до 5 м3 (ЭКГ-4.6А; ЭКГ-4.6Б; ЭКГ-5; ЭКГ-5А) и эксплуатируются свыше 12 лет, что уже превышает их расчетный срок службы.

В 70-е годы, характеризовавшиеся наиболее бурными темпами развития открытой угледобычи в б.СССР, горно-транспортное машиностроение было ориентировано на создание экскаваторов большой единичной мощности. При этом справедливо предполагалось, что в условиях централизованной плановой экономики акцент должен был сделан на всемерную концентрацию производства, строительство угольных разрезов с годовой нагрузкой по горной массе не менее 25 млн.м3. В этом случае применение выемочно-погрузочных машин с ковшами вместимостью менее 8 м3 предопределило бы опережающие темпы роста численности трудящихся и, что особо значимо — в регионах с ограниченными трудовыми ресурсами.

Показательным является то обстоятельство, например, что в 80-е годы отраслевые программы развития угольной промышленности не предусматривали ни одного задания, направленного на создание перспективных моделей экскаваторов с вместимостью ковшей менее 10 м3. В решениях Всесоюзной межотраслевой конференции «Экскаваторостроение 2000-го года» (1979 год) с оптимизмом прогнозировалось, что в конце 90-х годов средняя вместимость ковша условного экскаватора в открытой угледобыче будет не менее 14 м3. Правда, при этом предполагалось, что своевременно будет освоено массовое производство и применение карьерных автосамосвалов грузоподъемностью не менее 75 т, а планомерными горностроительными работами, обеспеченными необходимыми материальными ресурсами, будут подготовлены фронты работ для мощных экскаватор-автомобильных комплексов.

Реально же, в условиях становления рыночных отношений, отсутствия ресурсов по обновлению и развитию карьерного фонда, усложнения горно-геологической и горно-технической обстановки, острой нехватки большегрузных средств технологического колесного транспорта, в настоящее время неприемлемой является концепция широкого освоения только мощных одноковшовых экскаваторов, даже в том случае, если бы они предлагались горнодобывающей промышленности на внутреннем рынке по адекватным своему техническому уровню ценам или на приемлемых условиях пролонгированного лизинга.

Отсутствие платежеспособного спроса в последнее десятилетие обусловило то обстоятельство, что в отечественном экскаваторостроении практически распался конструкторский корпус, свернуты производственные программы не только по подготовке производства перспективных моделей карьерных одноковшовых машин, но и традиционных мехлопат (в том числе — наиболее массовой модели ЭКГ-5А). При этом только за последние три года темпы старения парка мехлопат на угольных разрезах отрасли удвоились; степень износа выемочно-погрузочной техники превышает 70% в открытой угледобычи на предприятиях Восточной Сибири, 75% — в Приморье, Забайкалье, Хабаровском крае, 80% — в Кузбассе. Наряду с прочими факторами (необеспеченность сопряженно работающим карьерным транспортом, неподготовленность фронтов работ) это предопределяет недопустимо низкий уровень использования парка экскавационной техники по производительности (менее 50%) и по фонду рабочего времени (менее 30%). Коэффициент технической готовности для эксплуатируемых в настоящее время мехлопат в среднем снизился до 0.8, что примерно на 23% ниже нормативных значений.

Результаты технико-экономического анализа и экспертных оценок планируемой перспективы указывают на необходимость создания и скорейшего внедрения в практику одноковшовых карьерных экскаваторов нового поколения с ковшами вместимостью до 6 м3, с усиленными энергосиловыми характеристиками, простых и надежных в эксплуатации, обеспечивающих качественную отработку сложноструктурных, маломощных угольных пластов.

Это предопределено: фактическим состоянием и темпами обновления парка технологического автотранспорта (более 65% списочного состава карьерных автосамосвалов имеют грузоподъемность до 40 т); параметрами эксплуатируемых горизонтов на большинстве угольных разрезов (высота отрабатываемых уступов в среднем не превышает 8 м, ширина рабочих площадок, как правило, значительно ниже нормируемых значений); прочностными характеристиками экскавируемой горной массы и сложной литологией вовлекаемых в отработку угольных пластов; тенденцией к максимальному сближению мест добычи и потребления твердого топлива, что обуславливает строительство так называемых малых разрезов с годовой производственной мощностью по 500-600 тыс.т угля. В этих условиях необходима выемочно-погрузочная техника, позволяющая производить отработку породно-угольного массива без предварительного буровзрывного рыхления, эксплуатируемая в комплексе с автосамосвалами относительно небольшой грузоподъемности и имеющая ту же степень технологической мобильности, что и сопряженно работающее оборудование.

Мировая практика создания и применения экскаваторов, отвечающих сформулированным требованиям, равно как и результаты множества отечественных исследований позволяют с уверенностью судить о прогрессивности концепции скорейшей подготовки к воспроизводству на российских машиностроительных заводах карьерных экскаваторов с гидрофицированным приводом рабочего оборудования (к сожалению, речь может идти только о воспроизводстве функциональных аналогов известных в зарубежной практике экскаваторов, поскольку в отечественном машиностроении отсутствует базис для освоения массового выпуска оригинальных машин).

Принимая во внимание ряд конъюнктурных соображений, по всей видимости, поиск зарубежного партнера для организации кооперированного воспроизводства экскаваторов нового для российской практики поколения следует, в первую очередь, вести в Центральной Европе.

В 1992-93 гг. специалистами науки и производства в области горного машиностроения и угольной промышленности был изучен опыт создания карьерных полноповоротных гидравлических погрузчиков типа «LB», предлагаемых на мировом рынке немецкой фирмой BOLA LADETECHNIK. Погрузчики типа «LB» имеют защищенную соответствующими патентами конструктивно-компоновочную схему рабочего оборудования (рис. 1), отличную от большинства известных аналогов, выпускаемых такими крупными машиностроительными фирмами как, например, MANNESMANN DEMAG, LIEBHERR, ORENSTEIN & KOPPEL, HITACHI, KOMATSU и др.

Особенности кинематики погрузчиков типа LB обеспечивают при совершении идентичной работы сокращение энергозатрат примерно на 20%, но, в то же время, исключают применение модификации обратной лопаты, что для упомянутых выше фирм-производителей карьерных экскаваторов, очевидно, не приемлемо.

Вместе с тем, BOLA LADETECHNIK имеет надежные рынки сбыта своей продукции в Европе, Австралии, Индокитае. Выпускаемые этой фирмой модели LB-400 и LB-500 хорошо зарекомендовали себя на горнодобычных предприятиях индустрии стройматериалов и сырья для химической промышленности. Повышенные энергосиловые возможности машин типа LB в ряде случаев позволяют без предварительной буровзрывной подготовки отрабатывать массивы даже весьма крепких пород с расчетным пределом прочности на сжатие до 70 МПа.

Данные, приведенные в табл. 1, иллюстрируют эксплуатационные показатели наиболее широко известной модификации погрузчиков — LB-500.

При анализе данных, приведенных в табл.1, необходимо учитывать, что эксплуатационная производительность, зарегистрированная при натурных испытаниях машин LB-500, отражает не реальные возможности этих экскаваторов и ни в коей мере не характеризует уровень организации работ (непроизводительные затраты времени, связанные с ожиданием автотранспорта под погрузку, в анализируемых тестах составляли от 25% до 44%). В данных случаях достаточный уровень эксплуатационной производительности задавался исходя из фактической рыночной потребности в добываемом сырье. В этой связи более представительными являются результаты сопоставительного анализа фактически обеспечиваемой технической и забойной производительности. (табл. 1).

Как и следовало ожидать, предварительное буровзрывное рыхление горного массива позволяет существенно сократить продолжительность единичного цикла экскавации (в среднем на 20%) и несколько увеличить коэффициент экскавации (примерно на 7%) главным образом за счет повышения в 1.2-1.25 раза степени наполнения ковша. Этими обстоятельствами обусловлено то, что в сопоставимых горно-геологических условиях техническая производительность LB-500 при экскавации разрыхленной горной массы (рис. 2) примерно на 32% выше, чем при отработке горного массива в целике. Вместе с тем, разница в обеспечиваемой забойной производительности LB-500 для анализируемых ситуаций уже не столь велика и не превышает 24%.

Это предопределено следующим. Гидравлические погрузчики LB-500 в стандартном исполнении имеют пассивный колесный ход. При перемещении на достаточно большие расстояния транспортировка таких погрузчиков осуществляется с помощью технологического автотранспорта (рис. 3). При отработке забоя необходимые технологические перемещения LB-500 реализуются путем опирания режущей кромки ковша о подошву забоя и подтягиванием базы погрузчика, сопровождающим уменьшение хода штоков гидроцилиндров рабочего оборудования (рис. 4). Такого рода эволюции не требуют специальных навыков оператора-машиниста и не приводят к значительно большим энергозатратам, в сравнении с вариантом реализации технологических эволюций за счет применения приводов активной ходовой части.

Вместе с тем, каждый очередной шаг подвижки LB-500 предопределяет затраты времени на возврат рабочего оборудования в исходное положение — рабочее оборудование выдвигается на требуемую величину шага подвижки; ковш опускается на отметку уровня установки погрузчика; фиксируется в заданном положении. Поэтому при необходимости достаточно частых перемещений LB-500 долевое значение затрат времени на непроизводительные эволюции в забое существенно возрастает. Именно это имеет место при отработке предварительно взорванного горного массива (см. табл. 1), когда в забое LB-500 реализуется управляемое обрушение горной массы, а фактическая ширина отрабатываемой заходки А превышает расчетные значения Арасч., обеспечиваемые кинематической схемой и линейными параметрами рабочего оборудования:

где Rкопу и Rкопmax — радиусы копания на горизонте установки и максимальный (м);

S коп — глубина внедрения ковша по горизонтали, необходимая и достаточная для его наполнения (м);

a — угол устойчивого откоса (град.);

Нуэф — эффективная наибольшая высота отрабатываемого забоя, при которой обеспечивается безопасная эксплуатация LB-500 (М=м).

Ранее проведенными исследованиями установлено, что Нуэф при отработке уступов горных пород в целике, как правило, на 8-10% меньше кинематически возможной максимальной высоты Нкопmax подъема гидрофицированного рабочего оборудования выемочно-погрузочной одноковшовой машины [1; 2].

В том случае, если в забое предварительно взорванных пород представляется возможным осуществить режимы управляемого обрушения горной массы, величина Нуэф в отдельных случаях может увеличиваться по отношению к значению Нкопmax в 1,5-1,7 раза (в практике проектирования при определении расчетных параметров уступов горных пород [2; 3], отрабатываемых гидравлическими экскаваторами после предварительной буровзрывной подготовки, Нуэф, как правило, принимается равной 1,2 Нкопmax).

Возвращаясь к вопросу о целесообразности оснащения машин LB ходовыми механизмами пассивного типа, следует отметить следующее. С одной стороны, при стандартной комплектации погрузчиков пассивным колесным ходом значительно упрощается конструкция и системы управления машиной, что позитивно отражается на ее стоимостных показателях, обеспечивает простоту в обслуживании и надежность в эксплуатации.

С другой стороны, в этом случае, как правило, снижается коэффициент отработки забоя, опережающими темпами возрастает нагрузка на системы силового гидропривода рабочего оборудования, что неизбежно отразится на сроках его службы непосредственно в рабочих циклах экскавации горной массы.

Кроме того, при использовании пассивного ходового механизма суммарная площадь контакта опирания машин типа LB весьма незначительна, что делает проблематичной их эксплуатацию при наличии глинистых пород и литотипов с низкой несущей способностью. Весьма важно также, что при комплектации машин типа LB пассивным ходовым механизмом предопределена необходимость наличия широких рабочих площадок, что диктуется условиями эффективного и безопасного маневрирования автосамосвалов при подготовке машины LB к перемещению на значительное расстояние (за счет опирания ковшом на днище кузова автосамосвала, как это было описано выше).

В реально существующей на отечественных горных предприятиях ситуации, в большинстве случаев не только отсутствуют достаточно широкие рабочие площадки с почвой, подготовленной для движения технологического автотранспорта, но и проблематична целесообразность отвлечения имеющихся на линии автосамосвалов для выполнения нехарактерных операций, в то время, когда обычно ощущается острая нехватка транспортных сосудов под погрузкой.

С учетом изложенного и принимая во внимание консерватизм потенциальных заказчиков, далеко не однозначен ответ на вопрос о предпочтительности типа ходового механизма (колесный или гусеничный, пассивный или активный). Более того, результаты маркетинговых и инжиниринговых работ, выборочно проведенных на российском рынке специалистами «BOLA Ladetechnik» совместно с ФПК «ИнвестТЭК», позволяют полагать предпочтительным вариант комплектации LВ-500 гусеничным ходом активного типа.

В этом случае рабочая масса машины возрастет примерно на 30%, неизбежно несколько повысится её стоимость (примерно на 17%), но существенно расширится диапазон технологических возможностей (в том числе, - при работе на площадках со значительным поперечным уклоном) и создадутся предпосылки к повышению эксплуатационных показателей этой новой модификации LВ-500.

В табл.2 приведены основные конструктивно-технологические параметры LВ-500 оснащенного гусеничным ходом активного типа, установленные с использованием методов экспресс прогноза [1; 2; 3]. Здесь же содержатся сведения об аналогичных параметрах базовой модификации погрузчика LВ-500 с пассивным колесным ходом и традиционной мехлопаты ЭКГ-5А.

Объективной оценке прогрессивности концепции создания LВ-500 с гусеничным ходовым механизмом активного типа, очевидно, будет способствовать сопоставление основных параметров с известными альтернативными конструктивными решениями функциональных аналогов. В табл. 3 приведены данные о наиболее распространенных в зарубежной практике карьерных одноковшовых экскаваторах с гидроприводом рабочего оборудования прямой лопаты, имеющих соизмеримые с прогнозируемой новой модификацией LВ-500 энергосиловые или массогабаритные параметры.

Основными признаками, объединяющими анализируемые модели, являются конструктивно-компоновочное решение и кинематическая схема рабочего оборудования. Взаимосвязь основных энергосиловых и линейных параметров этих машин, с точностью достаточной для инженерных расчетов, можно выразить уравнением:

где Нкоп - эффективная высота копания (м);

q - вместимость ковша (м3);

N - мощность главных приводов (кВт);

G - рабочая масса (т).

Результаты анализа подтверждают, что для традиционных карьерных гидравлических экскаваторов расчетное усилие копания на активном участке траектории [2] не превышает 33-37% от его рабочей массы.

В то же время, оригинальность кинематики машин концепции LВ позволяет этот параметр увеличить примерно на 18%, что обусловливает расширение возможностей безвзрывной экскавации горного массива. Это особенно важно в условиях селективной отработки маломощных нарушенных угольных пластов, в результате чего достигается исключение необходимости проведения предварительной буровзрывной подготовки сложноструктурного массива и предопределяется сокращение разубоживания добываемого твердого топлива.

При проведении укрупненного анализа прогрессивности различных типов выемочно-погрузочных машин представляет интерес сопоставление следующих удельных показателей: рабочая масса, отнесенная к единице вместимости ковша (36,0; 20,7 и 14,5 т/м3) и техническая производительность, приходящаяся на единицу рабочей массы экскаватора, например, с условной вместимостью ковша 5 м3 (495; 650 и 720 м3/т). Приведенные численные значения, в порядке упоминания, соответствуют мехлопатам типа ЭКГ; карьерным гидравлическим экскаваторам с традиционной конструктивно-компоновочной схемой и машинам типа LВ, оснащенным гусеничным ходом активного типа. Преимущества последних - очевидны.

Маркетинговые исследования показывают, что для зарубежных фирм, несмотря на особенности их стратегии освоения новых рынков и принципы ценообразования, расчетная стоимость 1 кг рабочей массы и единицы гарантированной часовой производительности экскаваторов с гидрофицированным рабочим оборудованием отличаются незначительно и колеблются в пределах 9.84 долл. США ±6% и 0.683 долл. США ±18%, соответственно. В то же время, упомянутые показатели существенно отличаются от аналогов для мехлопат, предлагаемых на внутреннем рынке отечественными машиностроительными предприятиями (АО «Ижорские заводы», АО «Уралмаш», АО «Крастяжмаш»). Так стоимость единицы рабочей массы в среднем в 1.42 меньше, но при этом условные капзатраты для обеспечения соизмеримого гарантированного уровня часовой производительности в 1.83 выше.

Возвращаясь к руководящей идее освоения в отечественной практике кооперированного с фирмой BOLA Ladetechnik производства экскаваторов типа LВ-500 новой концепции; принимая к сведению изложенные информации о состоянии парка одноковшовых машин в отрасли и об удельных расчетных показателях альтернативных типов выемочно-погрузочных машин; полагая, что, в рамках сложившейся ценовой политики, на российском машиностроительном предприятии возможно изготовление до 75% узлов и механизмов новой машины (в планируемой на 5¸7 лет перспективе), можно полагать следующее.

1. В сжатые сроки, исключая необходимость коренного изменения параметров систем горных работ на действующих угольных разрезах отрасли, здесь возможно экономически оправданное перевооружение парка выемочно-погрузочной техники на базе экскаваторов типа LВ-500, замещающих мехлопаты с ковшами вместимостью до 5 м3 (кроме ЭКГ-4у) и частично — ЭКГ-8И).

2. При годовой программе выпуска, например, до 90 шт. экскаваторов типа LВ-500 взамен традиционных мехлопат ЭКГ-5А представляется возможным, практически не изменяя ресурсо- и материалоемкости процессов горного машиностроения, в 3,8 раза увеличить суммарный расчетный годовой объем производства машин нового поколения и при этом условно высвободить до 700 чел. основного персонала, занятого на выемочно-погрузочных работах.

3. При суммарном годовом объеме производства, например, в 250 млн.м3 (что соотносится с предпосылками, изложенными выше) замена требуемого количества мехлопат на машины типа LВ-500 позволит удвоить степень обеспеченности транспортными сосудами под погрузкой, при условии неизменности списочного состава парка технологического автотранспорта. Это соответствующим образом отразится на улучшении использования парка экскавационного оборудования по производительности.

4. Уровень энерговооруженности рабочего процесса, обеспечиваемого машинами типа LВ, позволит значительно сократить объемы предварительной буровзрывной подготовки горных массивов, что будет способствовать существенному снижению не только себестоимости продукции открытых разработок, но и сокращению негативной экологической нагрузки на окружающую среду. Изложенное дает основания утверждать, что создание и освоение в практике горнодобывающих предприятий нового типа экскавационных машин типа LВ-500 обеспечит качественное улучшение результирующих технико-экономических показателей процессов горного производства и создаст необходимые предпосылки для решения актуальных социально-экологических проблем в регионах с напряженной техногенной обстановкой.

Кроме того следует учитывать, что стоимостные показатели экскаваторов типа LВ-500 на гусеничном ходу предпочтительнее, по сравнению с известными в мировой практике альтернативными типами карьерных гидравлических экскаваторов, оснащенных рабочим оборудованием прямой лопаты. Освоение кооперированного производства машин LВ-500 на отечественных предприятиях создаст предпосылки для выхода на рынки третьих стран с конкурентоспособной продукцией относительно массового спроса.

Косвенным образом правомерность сформулированных соображений подтверждается более чем 3-х летним опытом успешного применения гидравлических погрузчиков типа LВ-500 в российской открытой угледобыче на разрезах с различными горно-техническими, климатическими условиями и отличающимися директивно задаваемыми параметрами горного производства.

Обобщение накопленных эмпирических данных о показателях применения LВ-500 является предметом отдельного рассмотрения. Однако необходимо учитывать, что уже к настоящему времени на угольных разрезах Красноярского края, Дальнего Востока и Сахалина эксплуатируется 10 машин этого типа. Тенденция к расширению объемов их применения сохраняется и следует ожидать, что с освоением производства LВ-500 с активным гусеничным ходом темпы внедрения в практику горнодобывающих предприятий экскаваторов нового поколения будут расти опережающим порядком.