К вопросу обоснования параметров мощных карьерных гидравлических экскаваторов для эффективной замены механических лопат в условиях низких температур

Концентрация горного производства в экстремальных условиях разработки твердых полезных ископаемых при низких температурах окружающей среды, предъявляет повышенные требования  к  техническим параметрам карьерных гидравлических экскаваторов (рис.1).

В работе рассматриваются линейные параметры экскаваторов (высота и радиус копания), продолжительность цикла экскавации,  усилия копания, показатели надежности гидравлических систем. Именно эти параметры предопределяют значения производительности экскаваторов, которые особенно сложно реализовать в условиях их применения при низких температурах.

История выпуска мощных карьерных гидравлических экскаваторов (с ковшом вместимостью 15 куб. м и более) насчитывает  всего 35 лет. При этом в объемах поставок на мировом рынке соотношение количества поставляемых в год гидравлических экскаваторов по сравнению с механическими лопатами составляет 97% к 3%. В свою очередь, в 3%  механических лопат, поставляемых на рынок, более 90% машин имеют вместимость ковша  50 – 60 куб.м. Гидравлические экскаваторы такого уровня мощности  в настоящее время не выпускаются и имеют предельную вместимость ковшей до 45 куб. м. То есть, из 312 экскаваторов в год только 10 единиц механических лопат приобретаются с ковшом более 15 куб.м. Более компактные линейные параметры машин не являются ограничением для их применения.

Ниже приводятся основные требования к параметрам гидравлических экскаваторов, обеспечивающие эффективную замену механических лопат в условиях низких температур.

Экскаваторы должны обеспечивать высокопроизводительную  погрузку в автосамосвалы грузоподъемностью от 100 т до 300 т, что определяет требования к  вместимости ковша от 15 до 40 куб. м. при продолжительности цикла экскавации на уровне 28- 30 сек.

Запуск гидравлических систем экскаваторов должен осуществляться за короткий промежуток времени (несколько часов) после длительного простоя (смены или сутки), связанного с организационными, технологическими  или ремонтными причинами горного  производства.

Надежность функционирования гидравлических экскаваторов (с коэффициентом технической готовности  до 97 %) зависит от надежности   и качества механических конструкций экскаватора, надежности гидравлических систем и организации технического обслуживания и плановых ремонтов машин.

Срок службы гидравлических экскаваторов (до 20 лет) и их систем должны совпадать с планами горных работ и функционирования предприятия при обеспечении требуемого уровня производительности и допустимого уровня затрат на эксплуатацию.

Наиболее распространенная в настоящее время система разработки горных предприятий с применением автомобильного транспорта существенно не  изменяет традиционных основных технологических параметров карьеров. Высота уступов по-прежнему  составляет 15-20 м, а ширина экскаваторной заходки, продиктованная колеей автосамосвалов, на уровне 20-25 м. Параметры современных мощных гидравлических экскаваторов  с рабочим оборудованием прямая и обратная лопата   обеспечивают безопасную и эффективную разработку  уступов с такими параметрами.  осамосвалами грузоподъемностью 300 т имеют предпочтение у заказчика, так как осуществляют загрузку кузова автосамосвала всего 3-мя ковшами вместимостью 60 куб.м, тем самым сокращая их простои под погрузкой на 40% по сравнению с продолжительностью погрузки 5 ковшами гидравлического экскаватора с вместимостью ковша 40 куб. м. Однако рабочая масса сравниваемых  экскаваторов у гидравлических  машин в 2 раза меньше и это в конечном счете предопределяет существенно более низкие затраты на  их эксплуатацию.

Создают ли гидравлические системы  ограничения по применению гидравлических экскаваторов в условиях низких температур по сравнению с механическими лопатами.

Необходимо отметить, что в условиях низких температур  функционирование гидравлических систем существенно усложняется. В Северной Канаде (при температурах ниже -40°С до -50°С в течение 3-х месяцев) имеется многолетний опыт эксплуатации, который показывает, что благодаря сервисному обслуживанию фирмы «TRANSWEST» срок службы значительно выше прогнозируемого заводом.

В Южной Якутии на угольном разрезе «Нерюнгринский» нами был поставлен эксперимент по продолжительному мониторингу состояния гидравлических систем экскаваторов PC-5500 и   РС-8000 (рис.1). Основные параметры, которые непрерывно фиксировались на протяжении 6 месяцев - это давление в гидравлической системе и температуре рабочей жидкости. Работа экскаватора производилась в ходе исследования в забоях по разработке вскрышных пород.

Условия успешной эксплуатации гидравлических экскаваторов при низких температурах были  реализованы, в первую очередь, за счет создания и применения  специальных гидравлических жидкостей, масел и смазок, а также системы и средств  предварительного подогрева всех рабочих жидкостей, включая антифриз для дизельных двигателей.

Наиболее продвинутыми являются созданные с участием автора системы эксплуатации при низких температурах для экскаваторов  KOMATSU MINIG GERMANI (KMG). 

Разработаны две системы подогрева рабочей жидкости – электрическим способом или за счет использования подогретой гидравлической  жидкости и антифриза, подаваемых от других горных машин с гидроприводом  – автосамосвалов, погрузчиков.

В результате проведенных экспериментов в промышленных условиях установлена зависимость потребляемой мощности систем подогрева рабочей жидкости от вместимости ковша гидравлического экскаватора (рис.2).

С увеличением мощности экскаватора, или вместимости ковша с 15 до 40 куб.м потребляемая мощность таких систем возрастает в 1,5-1,7 раза и  составляет 2-3 % от установленной мощности экскаваторов. Время воздействия их зависит от продолжительности простоя машин, значений температуры окружающей среды и составляет от 3-х до 8-ми часов.  Известно, холодный запуск без предварительного подогрева приводит к резкому снижению ресурсов гидравлических систем, в лучшем случае в 3-4 раза,  к поломкам в системах, а также к авариям в металлоконструкциях.

Рекомендуемые параметры систем предварительного запуска, которые были специально испытаны и адаптированы к экстремальным условиям Якутии, изготовленные фирмой Kim Hot Start,   успешно применяются на 10 мощных экскаваторах с ковшами  вместимостью от 10 до 36 куб.м.

Срок службы основных компонентов системы гидропривода зависит от чистоты рабочей жидкости и ее химических свойств , в первую очередь вязкости. Так впервые, экстремальные условия Якутии поставили необходимость создания специальной рабочей жидкости всесезонного применения.  Результаты исследований этой задачи будут изложены в дополнительном материале.

Обработка результатов наблюдений за сроком службы агрегатов и систем экскаваторов, с высокой степенью вероятности позволяет прогнозировать минимально возможные сроки эксплуатации  на уровне 15000 часов и при соблюдении условий запуска с системами предварительного запуска не менее 25000 часов. Затраты на использование  таких систем ничтожны по сравнению с продлением срока службы основных компонентов гидравлических систем экскаваторов и  обеспечивают эффективное применение экскаваторов в условиях экстремально низких температур.

Увеличение срока службы гидравлических компонентов систем экскаватора приводит к увеличению показателей надежности гидравлических систем и, как следствие, производительности экскаваторов. Значения коэффициента готовности за счет применения при отрицательных температурах системы предварительного подогрева увеличивается на 4%.

Еще более важным является сокращение времени на замену гидрокомпанентов и снижение простоя экскаваторов в ремонтах на 15%. Эти показатели являются среднестатистическими для условий эксплуатации экскаваторов KMG  с ковшами 23 и 36 куб.м на угольном разрезе «Нерюнгринский» ОАО ХК «Якутуголь» за двухлетний период наблюдений.

Сравнение интегрального значения производительности указанных машин с мехлопатами, имеющими вместимость ковша 20 и 40 куб.м, составили увеличение значений до 14%.

При рациональном применении сервисных мероприятий производительность гидравлических экскаваторов может быть достигнута выше, чем у мехлопаты.