Технология выемки и параметры забоев роторных экскаваторов.

К выемочным машинам непрерывного действия относятся многоковшовые экскаваторы, бурошнековые установки, погрузочные машины непрерывного действия, комбайны.
^ Многоковшовые экскаваторы делятся на цепные и роторные.
Многоковшовые цепные экскаваторы
Многоковшовые цепные экскаваторы применяются для производства вскрышных и добычных работ при разработке мягких горных пород. Наиболее благоприятная область применения – разработка песчано-глинистых пород, а также бурых углей с удельным сопротивлением копанию до 0,6. – 0,7 МПа. Цепные экскаваторы, применяемые на горнодобывающих предприятиях, имеют теоретическую производительность от 300 – 400 до 6000 м³/ч, массу – от 200 – 300 до 5000 т.
Основным изготовителем и потребителем карьерных цепных экскаваторов является Германия. Отдельные типы цепных экскаваторов изготовлялись в Чехословакии.
В России цепные экскаваторы используются редко. Всего в странах СНГ в настоящее время работает около 40 цепных экскаваторов различных типов теоретической производительностью 400 – 2000 м³/ч.
В угольной промышленности наибольшее применение цепные экскаваторы нашли на буроугольных разрезах Днепропетровского бассейна, в железорудной промышленности – на Лебединском карьере КМА и Камыш-Бурунском комбинате, при добыче руд цветных металлов и горно-химического сырья – на Верхнеднепровском горно-металлургическом и Подмосковном горно-химическом комбинате.
Цепные многоковшовые экскаваторы (рис 5.1и 5.2. из кн. Хох.) имеют рабочий орган – ковшовую раму, которая служит для направления цепи с ковшами. Рама одним концом шарнирно закреплена на корпусе, а другой ее конец подвешен к укосине на полиспасах.
Выемка породы в забое производится ковшами, находящимися во время работы в нижней ветви ковшовой цепи, прижимаемой к забою весом рамы. Емкость ковшей изменяется от 250 до 4500 литров. Нагруженные ковши поднимают породу к верхнему барабану, огибая который они разгружают ее в бункер (рис 5.2. из Хох.), откуда порода поступает в вагоны или на специальный разгрузочный конвейер. Скорость движения ковшовой цепи от 1,0 до 1,4 м/с, число разгрузок ковшей от 25 до 60 в минуту.
По способу черпания различают экскаваторы верхнего и нижнего черпания, а также комбинированные экскаваторы с двумя черпаковыми рамами для одновременного верхнего и нижнего черпания.
^ Ковшовая рама может быть жесткой или шарнирной. Первая применяется для валовой, вторая - для раздельной выемки.
У большинства цепных экскаваторов ковшовые рамы снабжены планирующими звеньями длиной 2 – 6 м для планировки площадок уступов
^ Многоковшовые цепные экскаваторы могут быть полноповоротными и неповоротными.
Экскаваторы выпускают на железнодорожном, гусеничном и шагающем ходу. Мощные цепные экскаваторы, применяемые для работы с фронтальным черпанием, главным образом с транспортно-отвальными мостами, чаще всего изготовляют на рельсовом ходу.
Рельсовые пути могут состоять из трех, пяти, семи и восьми ниток рельсов включая (откаточные пути). Обычно рельсовые пути многоковшовых экскаваторов укладывают на общих шпалах с путями для подвижного состава.
^ Основные технологические параметры многоковшовых цепных экскаваторов – это глубина черпания I_Ч, высота черпания Н_ч и длина разгрузочной консоли.
Забои цепных экскаваторов
Различают два типа забоев цепных экскаваторов – фронтальный, в котором выемка производится с откоса уступа, и торцевой (См. схемы).
Формы и размеры забоя определяются конструкцией экскаваторов, размером и профилем ковшовых рам, характером экскавации (валовая или раздельная). Экскаваторы на рельсовом ходу отрабатывают фронтальный забой, т.е. работают с откоса (рис 5.4.а) и обычно производят погрузку в вагоны.. На гусеничном ходу могут отрабатывать также торцевой забой (рис. 5.4.б) и обычно погрузка осуществляется на конвейеры.
Выемку с откоса производят одиночными параллельными стружками, треугольными стружками в широкой заходке и многорядными параллельными стружками в широкой заходке (рис.5.3. -.5.4) Толщина стружек составляет:
- в мягких породах – 10 – 15 см;
- в 5 – 8 см в плотных породах.
При одиночных параллельных стружках, после каждого хода по всей длине уступа экскаватор смещается на величину равную величине снятой стружке. Для передвижки рельсового пути используется путепередергиватели непрерывного действия, обычно встроенные в экскаватор.
При выемке с откоса уступа треугольными стружками экскаватор устанавливают на расстоянии S = 6 – 8 от верхней бровки. Стружка снимается на всю длину уступа. При этом экскаватор перемещается вдоль уступа туда и обратно до тех пор пока не сработает всю заходку на ширину S и пока планирующее звено не будет установлено горизонтально.
При отработке торцевого забоя (рис 5.4. б) полноповоротным многоковшовым цепным экскаватором на гусеничном ходу после выемки каждой стружки экскаватор перемещается вперед на расстояние равное толщине снимаемой стружке.
Высота и глубина черпания многоковшовых экскаваторов колеблется для различных типов экскаваторов от 5 до 40 м.
Высота уступа принимается не больше высоты или глубины черпания, а угол откоса уступа – не более угла естественного откоса.
Для раздельной выемки пластов сложного строения применяются цепные многоковшовые экскаваторы с многошарнирными выдвижными рамами (рис. 5.5.).
Многоковшовые роторные экскаваторы
Роторные экскаваторы в отличие от цепных получили большее распространение. Обусловлено это возможностью реализации больших усилий копания и высот уступов, большими значениями КПД, значительно меньшим износом элементов рабочего оборудования, большей универсальностью.
Роторные экскаваторы в основном используются при производстве вскрышных и добычных работах на угольных разрезах. Доля добычи угля роторными экскаваторами достигает 50 %. Также роторные экскаваторы используются на марганцевых карьерах и железорудных.
Производительность экскаваторов колеблется от 200 до 19000 м³/час по разрыхленной горной породе, высота отрабатываемых уступов – от 6 до 50 м и масса экскаваторов от 50 – до 13000 т.
В отечественной практике принята следующая градация карьерных роторных экскаваторов по их номинальной теоретической производительности (м³/ч).
Малые …………………………………….до 630
Средние……………………………….630 – 2500
Большие……………………………….500 – 5000
Мощные…………………………….5000 – 10000
Сверхмощные………………………свыше 10000
По принципиальным компоновочным схемам большинство выпускаемых роторных экскаваторов выполняется с невыдвижной стрелой, что существенно упрощает ее конструкцию.
Преобладающий тип ходового оборудования роторных экскаваторов – гусеничный: двухгусеничный и трехопорный многогусеничный. Первый тип ходового оборудования характерен для машин массой до 1000 – 1200 т, второй тип – для более тяжелых машин.
Оригинальный тип ходового оборудования (шагающее – рельсовый) создан на Ново-Крамоторском машиностроительном заводе применительно к экскаваторам массой более 2 – 3 тыс. т.
Обозначение роторных экскаваторов следующее.
Начальные буквы в обозначении марки экскаватора обозначают тип экскаватора (ЭР – роторный), далее тип ходового устройства (ШР – шагающее – рельсовый, или Г – гусеничный, иногда этот индекс опущен); назначение (Д – добычной, В – вскрышной); с повышенным коэффициентом удельного усилия копания на режущей кроме ковша (П). После букв приводится производительность экскаватора (м³/ч) по рыхлой массе, либо емкость ковша в литрах, а после через дробь высота и глубина копания. Если экскаватор имеет выдвижную стрелу, то в конце указывается максимально возможное расстояние выдвижения. Если экскаватор имеет центробежный ротор, то в его маркировку вводится индекс Ц.
Пример записи: ЭРГ -1600. 40/10. 31 или ЭРШРД 5250. 22/2.
Роторные экскаваторы (рис 5.6.) имеют рабочий орган в виде роторного колеса диаметром от 2,5 до 18 м с ковшами, установленными на конце стрелы. При вращении ротора ковши срезают в забое стружку породы и передают ее на конвейер, расположенный на стреле экскаватора сбоку от роторного колеса. Порода, перемещаемая стреловым конвейером. Перегружается на разгрузочный конвейер, а с него – в транспортные средства. Число ковшей на роторе изменяется от 6 до 12. днища ковшей могут быть жесткими или гибкими. Первые применяются для сыпучих грунтов, вторые (цепные лили кольчужные) – для вязких и липких пород. Емкость ковшей изменяется от 300 – 800 до 4000 – 8000 л. Режущая кромка ковша снабжена четырьмя – шестью зубьями, которые армированы твердыми сплавами.
По величине удельного усилия резания различают с обычным усилием резания (до 0,6 МПа), с повышенным (более 0,7) и высокими усилиями резания (более 1,4 МПа).
По способу разработки забоя различают экскаваторы верхнего черпания (с глубиной копания ниже уровня стояния машины не более ½ диаметра ротора) и нижнего черпания. Максимальная высота черпания, определяющая высоту разрабатываемого уступа достигает при верхнем черпании 50 м и более. Максимальная глубина нижнего черпания роторных экскаваторов составляет 25 м.
Роторные экскаваторы могут быть неповоротными и поворотными Неповоротные работают в комплексе с транспортно-отвальными мостами и оснащаются железнодорожным ходом. Поворотные экскаваторы имеют гусеничный ход.
Забои роторных экскаваторов
Основные технологические параметры роторных экскаваторов(рис) – это глубина черпания I_Ч, высота черпания Н_ч, радиусы черпания R_max и R_min, величина выдвижения стрелы l, радиус разгрузки R_P, высота разгрузки максимальная H_{P. max}, высота разгрузки минимальная H_{P. min}, диаметр роторного колеса D.
Высота отрабатываемых подуступов ограничивается максимальным углом наклона стрелы: при верхнем черпании 27 градусов, при нижнем – 18 градусов. Эти величины указываются в технических характеристиках экскаватора.
Наиболее высокая производительность экскаватора достигается за счет сокращения времени на передвижку экскаватора.
Забой роторного экскаватора (схема 3) обычно располагается с торца уступа, реже со стороны откоса.
При расположении забоя с торца уступа экскаватор во время экскавации стоит на месте, а роторная стрела поворачивается вокруг оси экскаватора на угол φ = 90^о – 135^о. При этом забой разрабатывается при повороте стрелы в прямом и обратном направлении. После отработки забоя на ширину заходки экскаватор передвигается вдоль заходки на расстояние, равное величине подачи роторной стрелы на забой. Угол поворота роторной стрелы в сторону уступа φ₁ зависит от высоты уступа и достигает 90^о. Величина поворота роторной стрелы в сторону откоса φ₂ определяетсяусловиями полной отработки забоя в основании уступа и не превышает 45^о – 50^о.
Форма стружки (в плане), снимаемой экскаватором, зависит от конструкции роторной стрелы. Экскаватор с выдвижной стрелой снимает концентрические стружки (толщина стружки постоянна), при невыдвижной стреле стружка имеет серповидную форму.
Выемка горной массы из забоя производится роторным экскаватором вертикальными и горизонтальными стружками (см. схему).
При разработке вертикальными однорядными стружками вначале вынимается стружка толщиной t по всей ширине забоя. После этого, последовательно опускаясь вниз, ротор снимает стружки 2, 3 и 4. Затем ротор перемещается в исходное положение, и цикл повторяется. Такая схема используется при отработке плотных горных пород
Схема разработки вертикальными многорядными стружками отличается от предыдущей тем, что в этом случае в каждом горизонтальном слое снимается последовательно несколько стружек. Такая схема также применяется в плотных горных породах.
В рыхлых горных породах применяется схема разработки горизонтальными слоями сверху вниз с увеличенной глубиной захвата роторным колесом (до 0,7 D). Обычно такая схема используется при отработке фронтальным забоем.
Толщина снимаемой стружки t зависит от мощности экскаватора; у средних экскаваторов она достигает 0,3 – 0,5 м. у мощных до 1 м.
На схеме изображены основные технологические схемы забоев роторных экскаваторов.
На схемах а и б изображена работа роторного экскаватора с верхним и нижним черпанием без изменениянаправления вращения роторного колеса в торцевом забое без перегружателя
На схеме д приведена последовательная отработка торцевого забоя роторным экскаватором верхнего и нижнего уступа без перегружателя.
На схеме в приведены параметры торцевого забоя при работе роторного экскаватора без перегружателя. Ширина заходки В (м) определяется минимальным радиусом черпания и рабочим углом поворота экскаватора φ:
В = R_min (1 - cos φ),
где φ = 90^о – для экскаватора с поворотной стрелой и φ = 135^о – для экскаватора с поворотным корпусом.
С целью увеличения ширины заходки используют перегружатели, что сокращает затраты и время на передвижку конвейера – схема г.
На схемах е и ж приведена отработка фронтального забоя на всю длину заходки горизонтальными слоями и блоками.
При отработке блоками ширина забоя составляет: В = 2 R_minsin φ/2.
Энергоемкость выемки, динамика нагрузок на ротор и удельное сопротивление копанию при выемке, вертикальных стружек на 10 – 30 5 меньше, чем при выемке горизонтальных. Однако выемка вертикальными стружками, особенно плотных глин, приводит к увеличению размера куска экскавируемой породы, что может существенно снизить производительность экскаватора.
Способ выемки также влияет на коэффициент использования экскаватора во времени из-за переездов и перемещения стрелы после выемки каждой стружки. Затраты времени на эти операции будут различными у экскаваторов с выдвижной и невыдвижной стрелой, а также в различных горно-геологических условиях. Поэтому учитывая кусковатость пород, расход электроэнергии и другие факторы при выборе способа выемки, эффективность каждого способа выемки характеризуется также коэффициентом использования экскаватора во времени k_{ч.р .}:
k_ч.р= t_P/t₀ = t_P/(t_P + t₁ + t₂),
где t_P – время полезной работы экскаватора; t₀ – общее время использования экскаватора; t₁ – время вспомогательных операций (зависит только от принятого способа выемки); t₂ – время простоев экскаватора (зависит от условий и организации транспортирования горной массы.
Параметры забоя определяются линейными параметрами экскаватора (длиной роторной стрелы, высотой ее подвески, диаметром ротора и т. д.), а также физико-механическими свойствами разрабатываемых пород.
Роторные экскаваторы являются совершенными машинами для раздельной выемки сложных пластов (схема). Они, в отличии от многоковшовых экскаваторов с многошарнирной ковшовой рамой, не требуют установки дополнительных лебедок и при разработке некрепких бурых углей могут вынимать слой практически любой мощности.