автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Создание экскаваторных ковшей активного действия

"Й15 0 5 3

Российская Академия наук Сибирское отделение Институт горного дела

На правах рукописи

Маттис Альфред Робертович

УДК 621.879.3 + 622.271.4

уишив Экскаваторных ковшей активного действия

Специальность 05.05.06 - "Горные машины" 05.15.03 - "Открытая разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1992

Работа выполнена б Институте горного дела Сибирского от^ Российской Академии наук

Официальные оппоненты: В.Ф.Горбунов - доктор техн. наук.щ

/Институт угля СО Р; Кемерово/;

Л.С.Ушаков - доктор техн. наук,прос /КарДТИ, Караганда/;

Е.Б.ФреШщна - доктор техн. наук

/ЙГД СО РАН, Навосю Ьэдущая организация: НШтяжмаш ПО "Уралмаш" /Екатеринбу]

Защита состоится .и^оаи*/ 1992г. в ^^ час.

заседании специализированного совета Д 003.17.01 при Инсп горного дела СО РАН /630091, г.Новосибирск, 91, Красный щ пект, 54/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке йнсти' горного дела СО РАН. „

Автореферат разослан " ^ " — 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета, докт.техн.наук, профессор

г,

Гчайковский

' -Т- i s

грггциЯ I 0Б111М ^АШРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К важнейшим задачам открытого способа разработки полезных ископаемых в настоящее время относится сии-гкпиме потерь и разубоживания.

Основными процессами современной технологии открытых гор -них работ, определяющими уровень количественных и качественных потерь, явчяются буровзрывные работы и экскавация, в совершенст-поплпие которых ботьшой вклад внесли труды 0.Д.Алимова, ¡0.И.Еечя-ковя, 1.1.И.Буянова, К.Е.Винницкого, М.Ф.Друкованного, С. А.Драннико-га, Г.,И.Кутузова, П.В.Мельникова, В.В.Ржевского, Г.В.Оекисова, H.A. 'Ганг-зева, И.И. Томакова, К.Н. Трубецкого, Б.II. Юматова и многих других. Оптимизируются параметры систем разработки, повышается надежность и производительность буровой техники и экскаваторов, идет поиск более совершенных схем и средств взрывания и т.д.

Существующей технологии открытых горных работ, однако, изначально присущ ряд принципиальных недостатков, которые вряд ли могут быть, преодолены совершенствованием традиционных способов и средств.

ií наиболее актуальным задачам, стоящим перед современной горной наукой в области открытой разработки месторождений В.В.Ржевский и К.II.Трубецкой относят разработку ресурсосберегающих и малоот-хощшх технологий, создание принципиально новых технологий и оборудования на основе совмещения технологических процессов на.базе новых способов разрушения горных пород.

Одним из перспективных направлений в решении проблемы создания принципиально новых конкурентоспособных технических решений, могущих оказать революционизирующее воздействие на производство, по мнению ряда специалистов / например, С.Л.Иофин, Д.И.Фецоров, "¡.А.Кедорезов и пр./, является создание безвзрывпой технологии открытых горных работ, основанной на применении экскаваторов с: kob-mai.v.i активного действия. Это мнение подтверждается опытом проводившихся ранее ШШИСом 6. Минтранссгроя СССР и ИГД СО РАН совместных работ по созданию и внедрению ковшей активного действия к экскаваторам LM352, J-10011, Э-1252 и результатами патентного поиска, показавшего, что во многих промышленно развитых странах ведутся

работы по созданию такого оборудования.

Изношенное, а также результаты ранее проведении* в ИГД СО РАН исследований, определили выбор темы настоящей работы.

Полью работы является:

- разработка основ расчета и конструирования, создание и рпоцреиио в производство рабочего оборудования с ковшом активного действия, навешиваемого на экскаватор, максимально .унифицированный с базовой машиной, обоснование области его применения и ожидаемых технико- экономических показателей.

Основная идея работы - расширение технологических возможностей экскаваторов за счет оснащения их ковшами активного дей-стпия, совмещающими высокоэкономичное ударное разрушение забоя и погрузку разрыхленной горной массы.

Метода исследования.

15 связи с многообразием вопросов, требующих разрешения, применен комплексный подход, вклочающий: анализ патентных материалов; экспериментальные исследования с применением инструменталь-нпх измерений натурных образцов ковшей активного действия в производственных условиях; разработку математических моделей рабочего процесса экскаватора с ковшом активного действия, анализ и рас-'чет основных характеристик этого процесса; испытания натурных образно» сменного рабочего оборудования в разнообразных горнотехнических условиях и отработка конструкции его важнейших элементов; шбор и обоснование рациональных технологических схем применения экскаваторов с ковиом активного действия путем технико - экономического анализа с использованием статистических материалов и хронометража.

Осповнцэ научны? положения, выносимые на защиту:

1. Оснащение экскаваторов ковшами активного действия с удсяь иол энергией удара на зубьях не менее 10 Дк/мм обеспечивает эф!ек тивную разработку горных пород цо 1У категории по взрываемости включительно и мерзлых грунтов У-УП категорий /ГОСТ 17343-83/ без предварительного рыхления, значительное /до 1,5...2,0 раз/ -снижение удельной энергоемкости выемочно-погрузочных работ по сравнению с традиционной технологией с учетом энергозатрат на бу-рчрзрнпнне работы.

2. При безвзрывной разработке горных пород средней крепости и м(?рзчь1х грунтов ковшом активного действия динамичность процесса

■кскавации снижается на 10 - 1555; нагрузки на металлокоиструкции [ приводы экскаватора, а также параметры вибрации и шума на ра-ючем месте машиниста не превышают допустимых величин, а в боль-шистве случаев-значений, имеющих место при выемке аналогичных юрод в разрыхленном состоянии серийным ковшом.

3. Технология добычи , основанная на применении акскавато-;оп с ковшами активного действия позволяет сократить /до 40 -НУ*/ потери и разубохивание полезного ископаемого, уменьшить [ереизмельчение и повреждение структуры кристаллосырья /например, лмазов в раза, кварцитов - на 15...30% и т.п./, снизить

ейсмическое воздействия на массив и нагрузку на окружающую реку.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов ; рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: результатами длительных испытаний и исследований экспериментальных 'Образцов ковией активного действия в разнообразных орнотехнических условиях;

удовлетворительной сходимостью результатов теоретических экспериментальных исследований;

результатами опытно-промышленной эксплуатации первых об-азцов экскаваторов с ковшом активного действия ЭКГ - 5В. Научная новизна.

Разработаны научные основы расчета и обоснования парамет-ов рабочего оборудования карьерного экскаватора - мехлопаты ковшом активного действия, где взаимоувяз&ш геометрические араметры ковша и энергетические параметры ударных устройств прочностными показателями разрабатываемого массива.

Предложена методика энергетической оценки рабочего процесса кскаватора с ковшом активного действия,позволяющая сравнивать удель-ую энергоемкость разработки пород с новым и с серийным ковшом, ребующим буровзрывного рыхления массива; установлено, что при-енение высоко-экономичного ударного разрушения горных пород озволяет существенно / до 1,5..»2,0 раз/ снизить удельные энер-озатраты на экскавацию.

Доказана возможность и целесообразность оснащения серийных кскаваторов сменным рабочим оборудованием с ковшом активного ействия, установлено, что такое переоборудование не влечет за ! «Зой возрастания нагрузок яа базовую мадану и ухудшения условий

работы обслуживающего персонала.

Обоснованы экономически целесообразные условия применения безвэрнвшй технологии открытых горных работ с использованием экскаваторов с ковшом активного действия, разработаны основы расчета возможной экономической эффективности нового оборудования.

Практическое значение работы:

- подтверждена результатами промышленной эксплуатации головных образцов экскаваторов ЭКГ - 5Б эффективность оснащения серийных экскаваторов - мехлопат ковшами активного действия, при этом экскаватор может успешно совмещать разрушение горной породы и ее погрузку;

- сформулированы основные требования к конструкции ковша активного действия;

- обоснована область наиболее эффективного применения без-рпрнвпои технологии открытых горных работ с использованием экскаваторов'. с ковшами активного действия;

- разработано техническое задание на экскаватор с ковшом активного действия, совместно с ПО "Уралмаш" созданы и услеш-'но прошли опытно - промышленные испытания головные образцы экскаваторов с ковшом активного действия - ЭКГ - 5В, промышленный выпуск которых начнется в 1992г.

личиыц вклад автора;

- постановка задач, решение принципиальных вопросов по конструкции, разработка методик и программ, организация, проведение исследований и испытаний ковшей активного действия в производственных условиях, анализ и обобщение результатов;

- разработка научных основ расчета и обоснования параметров и рекомендаций по конструированию сменного оборудования с ковшом активного действия экскаваторов - мех-лопат;

- разработка методики энергетической оценки рабочего процесса экскаватора с ковшом активного действия;

о

-обоснование рациональной области применения,разработка методических основ расчета экономической эффективности экскаваторов с ковшом активного действия;

-разработка технического задания на проектирование карьерного экскаватора с ковшом активного действия и внедрение его в гсромыи-ленное производство.

Реализация работы.

Выводы и рекомендации работы реализованы в виде: -технического задания на проектирование карьерного экскаватора-мехлопаты ЬКГ-5В с ковшом активного действия,по которому в ДО Урал-мат" спроектированы и изготовлены головные образцы экскаваторов,успешно прошедшие опытно-промышленные испытания на карьерах и рекомендованные для промышленного выпуска;

-ряда экспериментальных образцов ковшей активного действия к гидравлическому экскаватору строительного класса с-0-4121.,находящихся ныне в опытной эксплуатации;

-технических условий на пневмомологы ковшовые ПК170Ш,изготавливаемые серийно на Новосибирском экспериментальном машиностроительном заводе "Труд";

-общей методики расчета и обоснования основных параметров и рекомендаций но конструированию сменного рабочего оборудования с ковшом активного действия для экскаваторов-мехлопат карьерного и строительного классов.

Апробация работа. Материалы диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались на научно-техническом совещании по проблемам разрушения горных пород и мерзлых грунтов в ЦНИИОМТП /г.Москва,1975г./; на Всесоюзной конференции до состоянию и перспективам развития технологии открытых разработок с применением новых видов мобильного оборудования в ШЗ АН СССР /г.Москва, 1975г./ на УШ Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов по физике•горных пород и процессов /г.Москва,1984г./; на Всесоюзной научной конференции по проблемам создания и внедрения горных машин с ударными исполнительными органами /г.Караганда,1985г./;на Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления и меры по ускорению научно-технического прогресса в золото- и алмазодобывающей промышленности на период до 2000 года."/г.Иркутск,1985г./; на Всесоюзном семинара в ИГДС ЯФ СОАН СССР "Проблемы разработки ресурсосберегающих технологий отработки месторождений полезных ископаемых Севара"Л\Якутск,1988г./; на научно-технической конференции в Средазнипроцветмате "Пути повышения комп-

лвксности использования рудного сырья итехнологиче ских показателей обогащения с применением экологически чистых материалов"/г.Ташкент октябрь 1989г./;на Всесоюзном научно-практическом совещании "Теоре тические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем" /г.Караганда,1990г./;на международном симпозиуме до проблемам открытой разработки глубоких карьеров "Мирный-91" /г.Мирный,1991г./, а также на заседаниях научно-технического совета отделения горного машиностроения НИИтякмаша П0"Уралмаш" и учено го совета ИГД СО РАН.

Дубликаты. Основные положения диссертации опубликованы в монографии, 29 научных работах и 5 авторских свидетельствах на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 264 страницах, содержит 81 рисунок, 58 .таблиц, список использованной литературы из 228 наименований и приложения на 96 страницах.

Работа выполнена в лаборатории импульсных машин института горного дела СОРАН, при участии сотрудников лабораторий открытых горных работ и эргономики.

Б выполнении отдельных этапов работы и проведении производственных испытаний принимали участие также сотрудники промышленных предприятий и НИИ, в том числе Ш0 "Сибруда" и "Якуталмаз" ,б,П0 "Кемеровоуголь", Жайремского ГОКа, институтов "НШтяжмаш" П0"Урал-маш" и "Гипроцветмет".

Автор выражает глубокую признательность всем товарищам за содействие и помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

»СТОЯНИЕ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ И ВНЕДРЕНИЮ ТЕХНИКИ ДЛЯ БЕЗВЗРЬШГОЛ ВЫЕМКИ ГОРНЫХ ПОРОД И МЕРаШ ГРУНТОВ. В настоящее время подготовка горных пород и мерзлых грунтов к шемке чате всего осуществляется взрывным способов, который в свою )чередь требует выполнения целого ряда подготовительно-заключитель-¡ых операций. При этом взрывные работы должны обеспечивать заданные сачество и сортность полезного ископаемого, кучность развала взор-занных пород, минимальное сейсмическое воздействие на породный мас-:ив вблизи конечных контуров карьера,на близлежащие сооружения и т.д.

Анализ взаимосвязей взрывного способа подготовки массива к вышке с последующими звеньями технологической цепочки показывает,что этот способ наряду со значительными достоинствами имеет ряд сущест-зенных недостатков, в том числе:

-трудность сохранения первоначальной структуры массива для эффективной раздельной выемки и,следовательно, неизбежность значительна потерь и разубоживания полезного ископаемого;

-снижение качества некоторых видов полезных ископаемых; -многооперационность и связанную с ней сложность организации забот; •

-цикличность производственного процесса;

-простои горнотранспортного оборудования,вызываемые проведени-5м взрывных работ;

-сейсмическое воздействие на оборудование,сооружения,борта сарьера;

-ухудшение состояния окружающей среды; -снижение безопасности горных работ и некоторые другие. Создание и внедрение безвзрывной технологии выемки горных по-зод и мерзлых грунтов на карьерах и строительных объектах является з настоящее время одним из важнейших направлений совершенствования открытых горных и земляных работ,как с точки зрения повышения их экономической эффективности,так и с позиций энерго- и ресурсосбережения, а также снижения ущерба,причиняемого окружающей среде при до-5ыче полезных ископаемых и строительстве.

Обширные исследования различных способов разрушения горных по-эод и мерзлых грунтов,проведенные в СССР и за рубежом /А.И.Федулов, А. Нэдорезов ,В. В. Кузнецов.Ю.Д. Красников,£. И. Протасов, А. Н. Москалев I др./ показывают,что наименее энергоёмким является механическое зазрушение.в том числе осуществляемое с помощью ударного нагружения,

9

Ударный способ разрушения высокоаффективен Ери разрушении трещиноватых горных пород средней крепости и мерзлых грунтов.

Изучение патентных материалов свидетельствует о том,что пробле мы активизации исполнительных органов выемочно-погрузочных машин с целью расширения их технологических возможностей привлекают в течение последних 20-25 лег стабильное неослабевающее внимание специалистов. На начало 1990г. было опубликовано уже более 200 изобретений, посвященных этой тематике,при этом работы помимо СНГ ведутся в США .Японии .Великобритании, Франции, Германии и других странах, cito под тверждает актуальность создания и внедрения в производство сменного рабочего оборудования с ковшами активного действия к экскаваторам карьерного и строительного класса. Реальность и осуществимость этой задачи подтверждается также имеющимся опытом работ по созданию и применению ковшей активного действия на строительных экскаваторах /Д. И. Федоров, И. А. Недоре зов, А. И. Фе дулов, Б. А. Бондарович, А. Ф. Кичигин, И.А.Янцен и др./.

В то же время результаты испытаний говорят о том,что пока не удалось создать надежную работоспособную и долговечную конструкцию ковша активного действия и его основных элементов.Отсутствуют обоснованные рекомендации по расчету и конструированию такого оборудования, что, повидимому, и является основной причиной того,что ковши ак тивного действия все еще не вышли из стадии опытных и даже экспериментальных образцов.

КОНСТРУКЦИЯ СМЕННОГО РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА С КОВШОМ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

Исследования и испытания экспериментальных образцов ковшей активного действия к карьерному экскаватору ЗКГ-4/ЭКГ-5/ проводились с 1970 по 198йг. Было разработано 6,а изготовлено и испытано в разнообразных производственных условиях 5 вариантов конструкций ковшей Во всех образцах для привода ударных зубьев использовались пневмото лоты,созданные в ИГД СОРАН.

Характеристики пород,на которых проводились работы.приведены в таблице 1.

Испытания с целью отработки конструкции экспериментальных образцов ковшей активного действия к гидравлическому строительному эк каватору 30-4121 проводились в 1980-87гг. на объектах управления "Сибакадемстрой" и б."Главновосибирскстроя",а исследования рабочего процесса -на полигоне МВКУДШ/Московского.высшего командного училища дорожных и инженерных войск/в.г.Балашиха Московской области. Ввд

10

Характеристики горных пород

таолица х

0»

Коэффици-

пп Наименование породы,предприятие,

ании

год проведения испытания

пости по шкале М.М.Прото-дьяконова

Плотность Предел проч- Удельный Расстоя- Катего-Т, ности на расход ние между рия по 10 Н»м ° сжатие, Миа ВВ, 3 трещинами взрыва-

кг^м

в массиве( емости м

I. Сцементированный галечник ГЦурекгэсстрой"), 1970 г.

2. 3.

Алевролит (разрез "Красногорский", Кузбасс),1970-71 гг. 5-6

Песчаник (разрез"Красногорский" Кузбасс), 1970-71 гг.

4. Уголь марки СС, матовый (разре: "Новосергеевский" .Кузбасс4), 197;

5-6 '2г. 2-3

5.

6.

7.

8.

9.

Ке-

Кварцит (Антоновский рудник, меровская обл.), 1974-76 гг.

Углисто-хремнисто-глинисто-кар-бонатная порода(*айремский ГОК,

Дкезхаэганская обл.

1985 г.

Смешанная свинцово-цинковая руда(Да.йремский ГОК), 1985 г.

Окремненная глинисто-карбонатная порода, крепкая труднораэ-рушаеиая (лайремский ГОК), 1985г

12-16

6-12 6-12

Баритизированные кремнистые иетасоматиты с включениями сфалерита и галенита (Жайреыскии ГСШ, 1985 г.

10. Шоголетнемерзлые алевролиты на известковистом цементе (карьер

"Мир" ПНО "Якуталмаз"), 1988 г.

3-9

0,350 - П-Ш

2,50-2,54 70-77 0,470-0,580 - Ш-У

2,56-2,66 50,0-57,0 0,470-0,540 - 1У-У

1,98 12,0-24,5 0,350' - П-Ш

2,60-2,72 132,0-151,5 0,640-0,680 - У-УП

2,59-2,70 2,59-2,70

14-15 2,80-3,80

13-17 2,72-4,30

0,05-0,40 Ш-1У 0,05-0,70 ИНУ

0,75-2,80 У1 0,80-3,00 У1-УП

2,4

30-87

0,300-0,550

1У-У

Место испытаний, характеристика пород

йЗесто работы, объект,организация Характеристика вида и условий работ Лавление МПа

о. 2 3

г.Зердск,участок К-33, К-34,Берцск- Устройство съезда в котлован глубиной 7,5 м, разгрузка в отвал с поворотом на УСг 0,5-и,55

промстрой, Уз/1-3 Разработка траншеи глубиной 3,0 м; шириной 4,5 м.Разгрузка частично в отвал, частично в автомашины КамАЗ-5511. с поворотом на 90° 0,5-и,55

Рыхление грунта на выезде из котлована 0,5-0,55

г.Новосибирск, база Вторцвет-мет, У№-2 Разработка траншеи глубиной 2,3 м, шириной 2,5-2,7 м 0,2-0,5

Разработка смерзшегося насыпного гэтнта.засылка котлована 0,4-0,5

Разработка смерзшегося насыпного грунта, засыпка траншеи. Работа пооволилась в стесненных условиях 0,3-0,5

г.Новосибирск, теиично-овощ- Разработка траншеи глубиной 3,0 м, разгрузка в отвал 0,3-0,5

ной комбинат совхоза "Киро-вец", УМ-2 Разработка котлована глубиной 1,2-1,5 м, разгрузка в автомашины КамАЗ-5511 с поворотом на 90° 0,3-0,5

Глина с бетонными включениями, металлоломом, арматурой. Сверху толщиной 0,3-0,5м.Поперек направления копания в бетоне через 2,0-

и основные результаты испытаний

Таблица' 2

Характеристика грунта

[исло уда- Йатего->ов удар- рия гаком Дор- грунта "С" по гост 17343-71

хемпе-рарта Тип

' Время ра- Произ-

Глубина боты экс- водя-

промер- каватора Объем тедьносТл зания, с ковшом м3 м /ч м ' активного действия ч

4 5 6 7 8 9 10 • 11

250-270 УИ -7 Суглинок 1,2-1,5 1 3,5 ' 2,66 50 175 127 50 50 47.7

110-120 У1 -4 Супесь 0,8-1,0 2,аз 4 5 4,5 230 330 322 81,2 73,3 71,6

125-130 У1 -5 Супесь 3,0 0,75 68 91,1

500 УШ -7 X 1,2-1,6 1,0 3 25 2,92 1.92 44 94 40 35 44 28,9 14 18.2

50 У -6 Глина 0,4 1,33 90 67,67

120-130' У1 -7 Глина 1,5-2*0 4,4 164 37,3

120-130 У1 -а ,Супесь 0,6-1,0 0,33 22,5 68,18

120-130, ¡сличения 200-220 У1-УП -10й .Супесь 1,0-1,5 2,0 4,58 6,5 65 218 270 32.5 47.6 41,5

ВСЕГО: 47.97 2344.5

Средняя производительность, м /ч

48,9

этонное покрытие тещиной 0,3-0,5м на щебеночном основании 2,5 м уложены рельсы Р-55, Р-65.

и условия работы,а также характеристики разрабатывающихся грунтов на ряде объектов приведены в таблице 2.

В процессе испытаний были проверены различные конструктивные решения по передней отенке ковша,в том числе по конфигурации самой передней стенки и ее рабочей кромки,по ширине ударных зубьев и расстоянию между ними, по установке статических зубьев между ударными, по взаимному расположению ударных и статических зубьев,по способам монтажа и фиксации ударных зубьев и пнввмомолотов в передней стенке по подводу сжатого воздуха к пневмомолотам и конструкции уплотнений по устройству выхлопного трактаимногое другое. Неоднократно перерабатывалась конструкция'и параметры, автомата пуска пневмомолотов,подбирались стали и режимы их обработки и т.д.

Ь общей сложности за время испытаний экспериментальных образцов был о разработано не менее 170 тыс.м горной массы.

Накопленный опыт работ по созданию работоспособной конструкции сменного рабочего оборудования с ковшом активного действия,полученный в результате исследований и длительных испытаний,позволил сформулировать основные рекомендации по его конструированию,которые сводятся к следующему:

1. Ковш активного действия должен выполняться как сменный рабочий орган экскаватора,навешиваемый на рукоять без существенных ее перецелок так же,как серийный ковш. Дополнительно по стреле и рукояти должны прокладываться коммуникации для подвода энергоносителя к ковшу.

2. Ковш активного действия должен обеспечивать выполнение тех же операций в забое,что и серийный,в частности,обеспечивать возможность копания как выше,так и ниже уровня стояния экскаватора,в соот ветствии с проектными параметрами базовой машины.

3. Конфигурация передней стенки ковша активного действия должна обеспечивать минимальное сопротивление заполнению,а расположение на ней и размеры ударных зубьев должны гарантировать исключение ее передней кромки из процесса разработки забоя.

4. Ударные устройства должны размещаться по отдельности в трубчатых кожухах /гильзах/Ьыполненных заодно с передней стенкой. Передняя часть кожухов должна иметь форму усеченного конуса.

5. Ударные устройства должны оснащаться механизмами автоматического включения /автоматами пуска/,срабатывающими при достижении заданного осевого усилия на соответствующем ударном зубе.Усшше включения автомата пуска должно превосходить массу перемещающихся при этом частей ударного устройства не менее,чем в 5. ..браз.Суммар-

14

нов усилие включения всех ударных устройств должно составлять не более половины номинального усилия копания,развиваемого экскаватором при максимальном вылете рукояти.

6. Мощность ударных устройств,которыми оснащается ковш активного действия,должна обеспечивать темп разрушения /скорость перемещения ковша в забое/,близкий к номинальной скорости копания базового экскаватора.

?. Передняя стенка ковша активного действия карьерной мехлопа-ты должна быть литой,в ней,например,в специальных приливах должны быть образованы каналы для подвода энергоносителя к трубчатым кожухам.

8. Для увеличения срока службы быстроизнашивающихся элементов литой передней стенки /в основном.трубчатых кожухов/целесообразно использование привариваемых сменных накладок из листовой стали.

9. Перемещения ударных зубьев в буксе при включении и выключении ударных устройств должны ограничиваться двумя шпонками,размещенными симметрично относительно продольной оси зуба и установленными с таким расчетом,чтобы усилия копания, не могли восприниматься автоматом пуска и деталями крепления ударного устройства в трубчатом кожухе.

10. Ударные зубья должны состоять из хвостовика и легко сменяемо^ коронки.Коронка и конструкция крепления ее к хвостовику должны выдерживать осевые и нормальные нагрузки,возникающие при ударном разрушении породы и усилия копания от механизмов подъема и напора экскаватора.

11. Ударные зубья должны устанавливаться на передней стенке с межосевым расстоянием /где & -ширина лезвия/.Между ударными зубьями могут устанавливаться статические зубья. При указанном межосевом расстоянии вылет ударных зубьев относительно статических /опережение/ должен составлять 1,0...1,56, а при разработке особо вязких пород до 2,5...3,0&.

12. Для обеспечения возможности эффективной разработки горных пород и грунтов повышенной прочности рекомендуется временное применение сменных ударных зубьев с уменьшенной шириной лезвия.

13. Величина возможного перемещения ударного зуба в буксе должна быть не менее 1,5-кратной средней величины внедрения зуба за один удар.

На конструкцию ковша активного действия и его элементов получено 5 авторских свидетельств на изобретение.

ИССЛЕДОВАНИЯ &КСПЕРИМКЬТАЛЫЖ ОБРАЗЦОВ КОВШЕЙ АКТИВНОГО ДЕПСТЬЙЯ ДНЯ ЭКСКАВАТОРОВ КАРЬЕРНОГО И СТРОИТЕЛЬНОГО КЛАССОВ.

Условия и места проведения исследований указаны в табл.1 и 2.

Основной задачей исследований бы^а проверка возможности оснащения серийной машины сменным рабочим оборудованием с ковшом активного действия без радикальных переделок базового экскаватора. С этой целью сравнивались основные параметры рабочего процесса экскаваторов при выемке опытным ковшом невзорванной породы и при экскавации серийным ковшом разрыхленных пород, а также гигиенические характеристики рабочего места машиниста.

В процессе работы е разное время и в различных сочетаниях измерялись следующие параметры: производительность экскаватора, тяговое усилие на блоке ковша /усилие копания гидравлического экскаватора/, масса зачерпнутой' породы, параметры траектории ковша /вылет рукояти и угол ее поворота,а у гидравлического экскаватора -взаимное рас положение элементов рабочего оборудования и ковша/, длительность цикла, время копания, продолжительность включения и одновременность работы пневмомолотов, расход сжатого воздуха и давление в воздушной магистрали, параметры вибрации на рабочем оборудовании экскаватора, гигиенические характеристики рабочего места машиниста, шум,излучаемый в окружающую среду,величина внедрения за удар зуба, температура мерзлого грунта, фракционный состав экскавированного материала /на карьерах/, токи и напряжения главных приводов карьерного экскаватора, напряжения в наиболее нагруженных сечениях стрелы и рукояти строительного экскаватора.

Исследования экспериментальных образцов ковшей активного действия, проведенные на весьма разнообразных по свойствам,структуре и прочности горных породах и мерзлых грунтах убедительно свидетельствуют о возможности и целесообразности оснащения экскаваторов-мэхло-пат карьерного и строительного классов сменным рабочим оборудованием, позволяющим реализовать в определенных условиях экологически чистую безвзрывную технологию открытых горных и земляных работ. Высокая энергетическая эффективность применяемого здесь ударного способа разрушения горных пород обуславливает низкие удельные' энергозатраты такого оборудования,позволяет значительно расширить технологические возможности широко распространенны* типов выемочно-погру-зочных машин.

Основные результаты экспериментальных исследований сводятся к ,'сЛедущему.

1. ¡Ю КАРЬЕРНОМУ ЖСКАЗАТОРУ оКГ-5

1. Оснащение карьерных экскаваторов ковшами активного дейстзия 1ри погонной ударной энергии на лезвиях активных зубьев .л/мм, тает возможность разрабатывать трещиноватые горные породы средней <репости /до 1У категории по взрываемости включительно/ без предварительного рых тения приблизительно с той же ■ эксплуатационной ггроиз-зодительностью, что и при выемке таких пород после взрыва серийным <овшом.

¿спев крепкие породы /ориентировочно У. ...У1 категории по взрк-заемости/ могут разрабатываться экскаваторами с такими ковшами пос-1е сотрясательного взрывания с минимальными коэффициентами разрых— 1ения. Параметры таких взрывов должны выбираться с учетом конкретна горнотехнических условий.

Ковши активного действия позволяют также полностью отказаться зт операций по вторичному дроблению и зачистке подошвы забоя с по-лощью буровзрывных работ.

2. При разработке ковшом активного действия трещиноватых пород зредней крепости без предварительного рыхления практически не проис-содит возрастания нагрузок на экскаватор по сравнению с выемкой ззорванных пород серийным ковшом, В то ке время коэффициенты динамичности процесса экскавации снижаются на 10-15/.

Увеличение средних значений усилий копания на 10-20^ отмечалось голько при'выемке крепких пород, например, кварцитов.Следует,однако, шеть в виду, что на практике рыхление нижней части уступа при буро-ззрывных работах нередко бывает некачественны;«, в связи с чем сопротивление копанию серийным ковшом возрастает, особенно резко увеличи-зается динамичность процесса экскавации. Нами этот фактор при срав-1ительной оценке рабочего оборудования не учитывался.

Безвзрывная разработка горных пород ковшом активного действия ¡е ведет к перегрузкам главных приводов базового экскаватора и,сле-кзвательно, не снижает их надежность и долговечность.

3. При разработке ковшом активного действия забоев в естествен-юм состоянии, не склонных к образований осыпей /например,свинцово-щнковая руда 2айремского ГОКа/ продолжительность черпания увеличи-зается в 1,10-1,50 раза. &го объясняется тем,что ковш активного дей-:твия должен снимать стружку по всей высоте уступа и длина проходимого им пути в каждом цикяе составляет 14-15 м/при высоте уступа Юм/! 1ри экскавации взорванного забоя путь черпания,как правило, не пре-зышает 8-9 м,в зависимости от высоты осыпи.Понятно, что и общая про-

делжительность цикла в первом случае также возрастает на 10-201.

17

В менее устойчивых породах /например,алевролиты на Красногорском разрезе/ при работе ковшом активного действия наблюдалось даже сокращение продолжительности черпания на 30-35? и общего времени цикла на 10-15$. ото объясняется более высокой средней скоростью движения ковша,т.к. наличие ударных зубьев,при прочих равных условиях, стабилизирует сопротивление копанию.

4. При разработке слабых пород одновременно включаются обычно 1-2 пневмомолота. С ростом крепости или вязкости породы одновремен ное включение двух и даже трех пневиомодотов наблюдается гораздо чаще. Общая продолжительность включения пневмомолотов за цикл не превышает обычно 70-805? от црододжительности черпания, суммарная за смену составляет в среднем около 1 часа. Усредненный расход сжатого воздуха ковшом активного действия составляет 13-17 ы3/мин,однако; мгновенные значения расхода достигают 35 м3/мин и более,поэтому для стабилизации давления в сети и повышения эффективности работы пневмомолотов система воздухоснабжения должна включать в се бя ресивер.

5. При включении пневмомолотов ковша активного действия в ряд случаев наблюдался некоторый рост виброускорешш элементов рабочег оборудования экскаватора по сравнению со значениями,имевшими место при выемка взорванных пород серийным ковшом. Однако, рост этот невелик и не может оказать заметного влияния на срок службы основных узлов машины.

6. Результаты измерения параметров вибрации и шума на рабочем месте машиниста свидетельствуют о значительном разбросе названных величин и существенной их зависимости от условий опыта. В большинстве случаев диапазон изменения этих параметров был одинаков при работе как серийным ковшом,так и опытным и фактические значения этих параметров с учзтом продолжительности воздействия не превышают нормируемых величин при всех операциях рабочего процесса.

7. Оснащение экскаватора ковшом активного действия позволяет улучшить гранулометрический состав зкекавированного материала,т.е. уменьшить переизмельчение горной массы и избежать образования нега баритов.

П. ПО СТРОИТМЬНОМУ ЭКСКАВАТОРУ 30-4121

1. Гидравлические экскаваторы строительного класса с ковшами активного действия могут успешно использоваться для разработки ме1 злых грунтов У-УП категорий по ГОСТ 17343-83,а также асфадьтобето!

:ых покрытий и грунтов с крепкими включениями без предварительного пиления при погонной ударной энергии на лезвиях активных зубьев >-10 Дж/мм. Производительность экскаватора ЭО-4121 при этом снижа-тся всего на 15-25% по сравнении с паспортной для грунтов 1У кате-ории, которые эта машина может экскавировать в естественном состояли.

Для разработки более тяжелых грунтов требуется увеличение по-онной ударной энергии,что может быть достигнуто,например,использо-1анием сменных зубьев с уменьшенной шириной лезвий.

2. Эффективность работы экскаватора с ковшом активного дейст-ия существенно зависит от давления сжатого воздуха в питающей ма-'истрали. Обеспечение пневмэмолотов достаточным количеством сжатого оздуха позволяет разрабатывать мерзлые грунты в 5-6 раз превосхо-лщие по прочности талые грунты при увеличении удельной энергоем-;ости всего в 3 раза. При этом удельные значения сопротивления ко-[анию,приходящиеся на единицу прочности грунта и площади сечения »азрушаемого слоя при разработке мерзлого грунта значительно /осе-;ая составляющая - вдвое, а нормальная составляющая в 20 раз/ мень-1е,чем при выемке талого грунта.

3. При разработке мерзлнх грунтов коэффициенты одновременности : продолжительности включения пневмомолотов достигают максимума при точности грунта С=350 ударов плотномера ДорНИИ.

Дальнейшее повышение прочности грунта влечет за собой прибли-ительно пропорциональное увеличение продолжительности копания,рас-:ода сжатого воздуха и удельной энергоемкости за счет соотвётствуо-[вго уменьшения продвижения ковша за один удар пневмомолота.

4. В исследовавшихся условиях при С=90...270 ударов,температу-е грунта -минус 4...минус 7°С и погонной ударной энергии 8,6... 0,0 Дж/мм величина внедрения зуба за один удар колеблется от 2,1

;о 3,3см.

5. Оснащение экскаватора ЭО-4121 ковшом активного действия лечет за собой некоторое возрастание напряжений в элементах рабо-:его оборудования. Максимальный прирост напряжений /38% при увели-:ении прочности грунта в 5-6 раз/ отмечен в месте крепления ковша

: рукояти.однако, ни в одном из исследованных сечений фактические апряжения не достигают допускаемых для конструкционных сталей ве-ичин.

6. При разработке мерзлого грунта или разрушении крепких вклян :ений ковшом активного действия экскаватора ЭО-4121 виброускорения

■ местах подвески ковша к рукояти и рукояти к стреле несколько

19

превышают таковые при выемке разрыхленного грунта серийным ковшом.

В остальных исследовавшихся местах наблюдалось заметное /до 2,5 раз/ снижение уровня виброускорений.

7. При выемке мерзлого грунта ковшом активного действия уровни виброускорения на рабочем месте машиниста не превышают значений,име гадах место при работе серийным ковшом. Результаты измерений свиде-?ельствуют о необходимости оснащения кабины виброзащищенным креслом

Наблюдалось некоторое превышение нормируемых значений уровня звукового давления в октавных полосах 63,125,500 Гц. Следует, однако иметь в виду,что измерения проводились на изношенной машине с частично неисправным остекла^-нием кабины.

Таким образом,оснащение экскаваторов карьерного и строите^ьног классов ковшами активного действия не ведет к перегрузкам базовой машины и ухудшению условий работы обслуживающего персонала,позволяя при этом заметно расширить технологические возможности машин.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЙ С КОВШОМ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ . К важнейшим особенностям рабочего процесса экскаваторов, с ковшом активного действия относятся, во-первых,возможность только послойной разработки забоя /стружками определенной толщины/,во-вторых то,что отделение стружки происходит за счет совместного воздействия на породу механизмов подъема и напора и ударных зубьев и,в-третьих, обязательность осуществления черпания каждый раз на всю высоту заб

В общем случае в процессе разработки породы ковшом активного действия имеют место два вида разрушения -"резанием"/статическое рг рушение за счет работы механизмов подъема и напора/ и ударом /динамическое разрушение под действием ударных нагрузок от пневмомолото* Согласно схеме динамического послойного разрушения породы,щш ложенной А. И. Фе Дуловым и В.Н.Дабутиным,в процессе отделения стружк* с поверхности забоя ковшом активного действия возможны три основню режима: 1 -резание массива ненарушенной структуры,т.е. целика; 2 -удар и последующее продвижение корпуса ковша на величину внедр« ния зуба;3 -резание в "зоне с нарушенными связями",т.е. в зоне,ослабленной возникшими при ударе трещинами.

При построении математической модели,описывающей движение кови в забое, сделаны следующие допущения: -отделение стружки идет непрерывно;

-центр масс ковша с породой неподвижен относительно корпуса ковша;

20

-нагрузка на всех зубьях ковша одинакова;

-внедрение зубьев при удара бойка пневмомолота по хвостовику ударного зуба происходит мгновенно,а корпус ковша при этом неподвижен;

-сопротивление наполнению ковша не учитывается;

-сопротивление перемещению рукояти в седловом подшипнике и повороту последнего относительно стрелы не учитывается.

Сделанные допущения позволяют рассматривать движение ковша как движение плоского механизма под действием внешних сил,к которым относятся усилия.развиваемые приводами механизмов напора и подъема, 1 силы тяжести, силы сопротивления со стороны забоя.

При описании рабочего процесса использована система уравнений Лагранжа в виде с! (АЛ I _ АЛ - П

где / - номера обобщенных координат для конкретного случая;

и ф. -обобщенные координата и скорость центра масс ковша с грунтом и рукояти соответственно; Т - кинетическая энергия системы;

обобщенная сила.

Используя основное уравнение динамики точки переменной массы, показано', что уравнения Лагранжа применимы к механической системе, состоящей из материальных точек переменной массы в случав,если абсолютная скорость присоединяющейся массы равна нулю. Установлено, что обобщенные силы в нашем случае зависят от осевой Р^ и нормальной Р2 составляющей сил сопротивления копанию,характеристик главных приводов экскаватора £ , массы породы в ковше/п, и кинематических особенностей конкретной машины.

Масса породы, попадающей в ковш Ц за время Г .определяется путем, пройденным рожущей кромкой ковпа и начальной формой забоя и может

быть вычислена из выражения: ' /. /• > ,

р

Вычисляя соответствующие производные от кинетической энергии Т и подставляя их в уравнения Лагранжа с учетом выражений для определения обобщенных сил , получена система уравнений,описывающая процесс разработки забоя экскаватором с ковшом активного действия.

Описанная система уравнений характеризует рабочий процесс экскаватора в режиме 1. Условие перехода на режим 2 в момент времени имеет вид ^ >

где - коэффициент трения ударного зуба в буксе; Р3 -усилие включения автомата пуска.

При ударе зубья ковша внедряются в породу на величину X,которая зависит от свойств породы,геометрии зуба и энергии удара.

В качестве универсального показателя,характеризующего свойства разрушаемого массива и позволяющего оценивать эффективность процесса разрушения,предлагается использовать удельную энергоемкость разрушения Е0, приходящуюся на единицу прочности массива,например,предел прочности порода на одноосное сжатие 60,т.е.

с — _ .

гдеА -энергия единичного удара; к - коэффициент передачи энергии удара в разрушаемый массив; - площадь поперечного сечения следа разрушения.

' Е0 зависит от физико-механических свойств и состояния горной породы и характеризует ее- сопротивляемость ударному разрушению.Существование такого показателя подтверждается результатами экспериментов по определению величины внедрения симметричного клина за удар проводившихся а ИГД СО РАН, ВНИИстройдормаше,ИГД им. А.А.Скочинского и Карагандинском политехническом институте.

После нанесения удара движение ковша описывается теми же уравнениями, но с условием Р1=0, Р2 = 0 до тех пор,пока передняя кромка ковша не пройдет расстояние х ,после чего происходит разрушение в режиме 3.

Сопротивляемость породы разрушению в общем случае описывается

известным выражением ,

Т« е-Цр +С

где б - нормальное давление; р - угол внутреннего трения породы; с — сцзц.1йни9.

В зависимости от главных напряжений критерий Мора-Кулона имеет ввд 660*-<59-ф(4б + р/г) ,

где наибольшее главное напряжение,соответствующее максимуму кривой напряжение-деформация.

Выразив С^ и <55 через Т и 6 и решив два последних уравнения,получим зависимость О0от сцепления С :

Это выражение позволяет считать,что основным показателем изменения свойств горной породы после удара является снижение ее сцепления, которое можно определить как С-С0 к1-\2 ?

где С0 - сцепление породы в куске; -коэффициент структурного ослабления массива; Л2 - коэффициент дополнительного ослабления массива) от воздействия ударных нагрузок.

В месте нанесения удара Ag= 0,0005, а затем,по мере продвижения зуба в зоне с нарушенными связями, возрастает до первоначального значения по некоторому закону.

Построенная модель представляет собой систему нелинейных диффе-. ренциальных уравнений,для решения которой был использован модифицированный алгоритм Мерсона с автоматическим выбором шага и контролем точности. Модель реализована в виде комплекса программ для ЬВМ в диалоговом режиме так,что в процессе решения предусмотрена возможность корректировки траектории ковша,что соответствует реальному управлению экскаваторш.

Расчет нескольких вариантов течения процесса разрушения,соответ-4 ствующих различным законам ослабления сцепления в зоне с нарушенными связями и сопоставление результатов с данными натурных экспериментов показали, что наименьшее расхождение результатов имеет место при линейном законе ослабления сцепления.

Одним из важнейших критериев, определяющих эффективность экскаваторов, особенно в связи с необходимостью внедрения энергосберегающих технологий,является показатель удельной энергоемкости процесса экскавации, равный отношению суммарных энергозатрат к объему вынутой породы.

Представляет интерес сравнение этого показателя у серийных экскаваторов и экскаваторов с ковшами активного действия.

При выемке породы серийным экскаватором суммарные энергозатраты можно записать в виде с г с , г -

для экскаватора с ковшом активного действия

где Е4 , Efa- энергозатраты на копание разрыхленной породы с помощью подъемного и напорного механизмов экскаватора,соответственно с серийным ковшом и с ковшом активного действия;

Ег , £га - энергозатраты на остальные операции технологического цикла /поворот на разгрузку и обратно в забой и др./,также с серийным ковшом и ковшом активного действия; £3 - энергозатраты на бурение взрывных скважин; Ei, - затрата химической энергии БВ на рыхление массива; £"g - энергозатраты на привод ударных зубьев.

Удельные энергозатраты на разрушение породы ударными зубьями предлагается определять из соотношения

где V - объем экскавированной породы в ковше;

<2 - суммарный к. п. д. привода ударных зубьев .учитывающий к. п. д. компрессора,шерыомолотов и потери давления сжатого воздуха в воздухопроводах;

и к„ь- соответственно коэффициенты,учитывающие одновременность и продолжительность включения пневмомолотов за время копания; П и А - соответственно частота и энергия единичного удара пнев-дамолота;

- продолжительность копания за цикл экскавации.

Усредненные значения к^, /с„а , tVt ,tK и ^.полученные при исследованиях экспериментальных образцов ковшей активного действия приведены в табл.З, Здесь'же даны значения Е5 и Е* .вычисленные для этих условий. В таблице 1Ч -продолжительность цикла экскавации,

- усредненный расход сжатого воздуха всеми молотами ковша активного действия в течение цикла.

Как видно из данных табд.З к.д.д. дневмонолотов и системы воз-духоснабжвния ^ .вычисляемый как соотношение Ев /Е5 ,в зависимости от условий эксплуатации составляет 1,3...4,45?. Применение более совершенных ударных устройств для привода зубьев ковша позволит снизить энергозатраты на разрушение горных пород и повысить эффективность применения экскаваторов о ковшами активного действия.

Суммарная энергоемкость процесса разработки горных пород экскаватором с серийным и экспериментальным ковшами, а также стоимость стих энергозатрат с учетом данных Е.Г.Баранова и И.А.Тангаева приведена в табл.4. Как видно, удельные энергозатраты на выемку массива /кроме угля/ экскаватором с ковшом активного действия существенно меньше,чем у экскаватора с серийным ковшом с учетом затрат на бурение и взрывание. Сравнение итоговых данных табл.4 показывают, что стоимость удельных энергозатрат за счет применения ковша активного действия снижается для угля в 1,24 раза, для алевролита и песчаника

- в 7,14 раза, для кварцита - в 5,31 раза, для кварцита /после сотрясательного взрывания/ - в 1,61 раза.

Таким образом,даже в случае применения в ковшах активного действия для привода ударных зубьев энергии сжатого воздуха,обуславливающей низкий к.п.д. системы,суммарные энергозатраты на разработку горшее пород заметно ниже,чем при обычной технологии выемочно-погру-24

хаолица о

Энергозатраты на разрушение породы ударными зубьями и привод зубьев ковша активного действия

Категория Масса Порода по взры- породы ваемости в ковше, т

^оон

<16

¿к,е Чк- ,м3/с Е3

МДжА

М^к/т '

Примеча-

ния

Уголь*

Алевролит« песчаник

Кварцит

П...Ш

Ш...У У...УП

Кварцит(после сотрясательного взрыва) У...УП

4,7

8,1 12,4

12,4

1,0 0,86 42,7 7,0 0,2316 1,170

0,0152 А-1700 Дг -7 11ч

1,1 0,76 26,2 10,0 0,2216 0,342 0,0123 2,3 0,9 46,4 27,8 0,3333 1,245 0,0552

1,3 0,7 30,4 12,4 0,2366 0,253 0,0108

Примечания : 1)х разработка угля велась в узкой траншее, что затрудняло поворот экскаватора на разгрузку и обратно и обусловило непомерно большую продолжительность цикла и, соответственно, длительную работу компрессора на холостом ходу;

2) В качестве источника сжатого воздуха в расчетах был принят компрессор 6ВКМ-25/8, производительностью 25 м3/мин (0,4166 м3/с).

сл

Таблица 4

Суммарные энергозатраты на разработку породы экскаватором с ковшом активного действия и с серийным ковшом

Порода ^а/Е, Ем /<Г* V- 5,/Е с ,

ШЬ/т руб./т МДк/т руб./т ВДк/т руб/т ВДк/т руб/т ВДк/т руб/т МДк/т руб/т

Уголь* 0,0964 0,0008 0,2 0,0016 - - - 1,170* 0,0094 1,4664 0,011^

0,1026 0,0008 0,2 0,0016 0,18 0,0014 0,25 0,0108 - 0,7326 0,0146

Алевролит + 0,1588 0,0013 0,4 0,0032 - - _ 0,342 0,0027 0,9008 0,007^

песчаник 0,1476 0,0012 0,4 0,0032 0,50 0,0040 1,00 0,0430 - 2,0476 0,051^

Кварцит 0,3530 0,0028 0,6 0,0048 - - - 1,245 0,0099 2,1980 0,017^

0,1500 0,0012 0,6 0,0048 1,20 0,0096 1,80 0,0774 - 3,7500 0,093ф

Кварцит(после сотрясатель- 0,1693 0,0014 0,6 0,0048 0,55 0,0044 1,05 0,0452 0,253 0,0020 2,6223 0,057^

ного взрыва)

т - см. примечание к табл.3

зочных работ с применением буровзрывного рыхления массива.Еще боле^ заметно снижение удельных энергозатрат в стоимостном выражении, с учетом высокой цены химической энергии ЬБ. В перспективе же с повы-, шением к.п.д. ударных устройств энергетическая эффективность экска-( ваторов с новым рабочим оборудованием возрастет дополнительно.

На базе результатов исследований и испытаний, экспериментальных1 образцов ковшей разработана методика расчета и обоснования основных параметров ковша активного действия карьерной мехлопаты.

Ь качестве исходных данных должны быть заданы:

- тип базового экскаватора /прямая или обратная лопата/;

- условия применения /физико-механические свойства разрабатываемых пород, параметры забоев/;

- требуемые эксплуатационные характеристики экскаватора с ковшом активного действия /производительность, вместимость ковша, скорость копания/.

Предлагается следующий порядок расчета. Ударные зубья рекомен-1 дуется устанавливать с межосевым расстоянием /3,0...4,5/6 ,где б - ширина лезвия ударного зуба, сто позволит исключить контакт передней кромки ковша с неразрушенной породой и свести к минимуму расход сжатого воздуха и количество пневмомологов. Между зубьями целесообразно располагать статические, причем, первые должны устанавливаться с опережением I =/1,0...3,0/5 -в зависимости от вязкости разрабатываемых пород. Погонная ударная энергия на лезвиях ударных зубьев должна приниматься 10 20 Дж/мм. Более высо-

кие значения Атг нецелесообразны,т.к. они приведут к чрезмерно интенсивному износу и разрушению ударных зубьев.

Согласно данным НИИтякмаша ПО "Уралмаш" наиболее эффективен режим работы карьерного экскаватора при вылете рукояти,не превышающем Чк£./0,7...0,д/гкм/к,где 1кт1с~ радиус копания при максимальном вылете рукояти. В соответствии с этим определяются длина тра- 1 ектории копания и сечение стружки, обеспечивающее коэффициент наполнения ковша к„ =1,0.

Пользуясь рекомендациями В.И.Баловнева, определяется предельное значение сцепления породы в массиве, при котором экскаватор может разрабатывать породу без помощи ударных зубьев за счет усилий подъема и напора базовой машины.

Энергия единичного удара А и частота ударов П пневмомолота должны обеспечивать необходимую интенсивность разрушения и определяются из следующих соображений.

С целью обеспечения минимальной удельной энергоемкости процесса разрушения, путь, проходимый ковшом за время между двумя последовательными ударами, должен составлять = Хён- величина внедрения зуба при ударе, Хяс - длина зоны,ослабленной '. трещинами, возникшими при ударе.

Значения Х£нкХнсв зависимости от энергии удара двойств массива / предел прочности на одноосное сжатие,модуль ¡Сйга,коэффициент Пуассона, углы внутреннего и внешнего трения, плотность экскавируемой породы/ рекомендуется определять, пользуясь математическими моделями разработанными в ИГД СО РАН В.С.Никифоровским, ЦВ. Бундаевым и Е.А. Мочадовым. Необходимая частота ударов может быть найдена из соотно-

„ в м.й^

где номинальная скорость копания базового экскаватора.

Баяш эксперименты показали, что при Д1)аг= 8... 10 Дж/мм в породах Ш...1У категории по взрываемости =15...35 мм, аХ„с — 80...300мм,

В завершение вычисляется расход сжатого воздуха ковшом активного действия, производительность компрессора и емкость ресивера с таким расчетом, чтобы давление в системе воздухоснабжения за время цикла не пацало ниже 0,7 от номинального.

Выполненные по этой методика расчеты основных параметров рабочего оборудования и рабочего процесса экскаватора с ковшом активного действия использованы при разработке технического задания на проектирование экскаватора ЭКГ-5В.

Результаты приемочных испытаний экскаваторов свидетельствуют о правильности основных положений методики.

ТтОДОГШШКйЕ АСШКТц ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСКАВАТОРОВ С КОВШАМИ АКТИВНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Параметры элементов систем разработки.

В зависимости от крепости разрабатываемых пород выемка горной массы экскаватором с ковшом активного действия может эффективно осуществляться без предварительного рыхления или после сотрясательного взрывания.

Основной отличительной особенностью такого экскаватора является то, что высота разрабатываемого им уступа не должна превышать высоту черпания. Это требование должно соблюдаться как при безвзрывной выемке пород, так в при применении сотрясательного взрывания.

При выемке вскрыши или простых залежей полезного ископаемого параметры элементов системы разработки / высота уступа, ширина за-ходки, размеры рабочих площадок, угол откоса уступа и др./, определяются, исходя из свойств породы, параметров экскаватора и транспортных средств, способа взрывания и т.д. Применение экскаваторов с ковшом активного действия при выемке пород вскрыши и простых залежей, требующих предварительного взрывания, позволит сократить ширину рабочих площадок только за счет уменьшения ширины развала по сравнению с использованием экскаватора с серийным ковшом, где требуется взрывание на дробление.. Расчеты показывают, что угол откоса рабочего борта в этих условиях при серийном ковше будет на 30'...35' круче, чем при новом ковше.

В случае безвзрывной технологии выемки полускальных пород ковшом активного действия или при разработке сложных блоков, где дополнительно учитывается требование получения полезного ископаемого нужного качества, высота уступов не превышает высоты черпания экскаватора независимо от типа ковша. Здесь применение экскаватора с новым ковшом позволит держать более крутой угол откоса рабочего борта, чем при экскаваторе с серийным ковшом, благодаря отсутствию в первом случае развала взорванной породы.

эффективная селективная разработка при базовом оборудовании зачастую обеспечивается многорядным взрыванием скважин на навал неубранной горной массы и выемкой подусгупами. Дчя этого способа взрывания необходимы площадки шириной не менее 60...70 м.

Безвзрывная выемка пород средней крепости экскаваторами с новыми ковшами позволит сократить ширину площадки,благодаря отсутствию взрываемой и буферной полос, поэтому угол откоса рабочего борта может быть увеличен на 3...4 градуса.

Безвзрывная выемка новым оборудованием позволит также сократить не менее чем вдвое длину экскаваторнго блока за счет отсутствия обу-риваемого и взрываемого блоков. с*то обстоятельство весьма ценно при экскавации пород и руд, склонных к окислению и самовозгоранию, так как уменьшение длины блока не ведет к падению производительности экскаваторов из-за простоев.

Таким образом, с точки зрения изменения параметров элементов системы разработки экскаваторы с ковшом активного действия- наиболее целесообразно использовать при селективной разработке сложнострук-турных блоков и полезных ископаемых, склонных к самовозгоранию.

Условия применения экскаваторов с новыми ковшами

Качество добываемых руд и полнота их выемки на карьерах в значительной мере определяются экскавацией. На результаты раздельной экскаваторной выемки решающее влияние оказывают два параметра -траектория копания и высота черпания, не зависящие от типа ковша. Тип используемого ковша влияет только на требуемую степень предварительного разупрочнения массива.

Расчеты показывают, что при выемке пород выше средней 1фепости при коэффициенте разрыхления массива 1,2, угол откоса уступа после обрушения ¡ь^ 70°, потери П и разубоживание Р меньше,чем при 2. В этих условиях, где может эффективно работать только

экскаватор с ковшом активного действия,мощность зоны смешивания тс £ 1,0м, тогда как при 1,2 4 (ср ^ 1,4 величина тс достигает 4м.

С уменьшением .однако, резко возрастает удельное сопротивление копанию ку серийным ковшом. По данным КЗ. И. Белякова при этом наблюдается 1,5...2 -кратное снижение производительности экскаватора и сокращение срока его службы. Наши исследования показали, что оснащение экскаватора ковшом активного действия позволяет снизить трудность экскавации горной массы и,соответственно, избежать падения производительности и сокращения срока службы экскаватора при низких значениях кр.

Сравнение расчетных величин потерь и разубоживания при работе экскаватора ЭКГ-5 с обоими типами ковшей при рациональном для каждого из них значении к показывает, что применение экскаватора с ковшом активного действия на безвзрывной выемке полускальной массы целесообразно при угле падения рудного тела оС 65°. При этом количество теряемой руды и разубеждающих пород уменьшается на 30... 60% в сравнении с экскаватором с серийным ковшом и буровзрывным рыхлением. При сА ^ 50...65° применение новых ковшей становится нерациональным.

Разработка скальных пород после сотрясательного взрывания экскаватором с новым ковшом эффективна независимо от величины Ы в рассматриваемом диапазоне.

В расчетах была принята высота уступа 10м, высота треугольников потерь и разубоживания - 5м. Остальные исходные данные в табл.5.

Применение экскаватора с ковшом активного действия с точки зре-, ния величины нормативных потерь и разубоживания может дать больший аффект при выемке рудных тел малой мощности.

Таблица 5

Исходные данные для расчета потерь и разубоживания.

Тип ковша экскава- Полускальная масса_Скальная масса_

тора_к, А град т~,м ке вграп

Серийный 1,2 55 0,9 1,3 55 2,5

Активного действия 1,о 75 о 1.1 ?5 у

На разрезах Центрального Кузбасса выемка крутых пластов мощностью 2...5м осуществляется селективно одноковшовыми экскаваторами типа прямой лопаты после предварительного взрывания.Ьто приводит к большим / до 60...80$/ потерям угля,что обусловлено в основном выемкой пластов со стороны лежачего бока и разрушением их при взрывной подготовке.

Выемка маломощных пластов экскаваторами с ковшом активного действия, не требующими предварительного рыхления вскрышных пород и угля, позволит исключить потери, вызываемые буровзрывными работами и извлечь дополнительно от 12 до 37% угля в зависимости от мощности и угла падения пластов.

Таким образом, одним из перспективных направлений совершенствования технологии и механизации выемки маломощных крутых пластов в Кузбассе является использование экскаваторов с ковшом активного действия.

Отработка контактных зон,взорванных с уменьшенным коэффициентом разрыхления, связана со значительным ростом сопротивления копанию, соответственным ростом продолжительности цикла tl^.снижением производительности выемочно-транспоргного комплекса и ускорением износа узлов экскаватора.

Трудность разработки горных пород зависит от удельного сопротив)-ления копанию кг .которое, в свою очередь, определяется коэффициентом разрыхления массива кр и средним размером куска с!ср. Эти признаки,как известно,приняты в качестве основных в классификации пород по трудности разработки Н.Г.Домбровского-Ю.И.Белякова и в ЕНВ-79. Для пород в массиве в качестве дополнительных критериев приняты прочность на сжатие,сцепление в массиве,степень трещиноватости /раз—, меры отдельностей/.

Ю.И.Беляковым предложен ряд эмпирических форму л, устанавливающих взаимосвязь категории взорванных пород с кр и , а также зависимость продолжительности удельных простоев мехлопат в плановых

ремонтах от кр .

. Оснащение экскаватора ковшом активного действия,содержащим пневмомолоты и ударные зубья, а также компрессором, системой воздухопроводов, дополнительным электрооборудованием должно увеличить вероятность отказов и продолжительность ремонтов по сравнению с серийной машиной.

С другой стороны, наш опыт показал, что новый ковш снизит динамичность процесса экскавации,стабилизирует в определенной мере нагрузки на экскаватор. Яри разработке одних и тех же пород ковш активного действия позволяет,как бы, снизить по сравнению с серийным ковшом трудность экскавации породы, т.е. к? - ДЦ= ,гце - удельное сопротивление копанию ковшом активного действия породы, которая для серийного ковша имела бы сопротивление копайию кр , а А кР - снижение удельного сопротивления копанию породы за счет замены ковша. Численную величину Дкг можно определить косвенным методом, как разность между кр для мехлопаты с серийным ковшом и при которой достигается одинаковая продолжительность копания ^.Судя по результатам наших исследованийдк=0,1...0,2МПа.

Результаты расчетов по методике Ю.И.Белякова с учетом изложенного и опыт эксплуатации головных образцов экскаваторов с ковшом активного дайствия УКГ-5Б, показывают,что оснащение экскаватора новым ковшом не приведет к заметному увеличению затрат времени на плановые ремонты.Одновременно за счет облегчения условий работы расчетный срок службы экскаватора с новым ковшом может быть увеличен в 1,2...1,5 раза по сравнению с экскаватором с серийным ковшом,эксплуатируемым в аналогичных условиях.

Снижение прочности горных пород на 1...2 категории по ЕНВ - 79 при воздействии на них ударных зубьев подтверждается результатами наших экспериментов при выемке алевролитов // = 5...6 / на Красногорском разрезе и угля / $ = 2...3 / на Новосергеевском разрезе серийным ковшом после взрывания и ковшом активного действия из целика / табл. 6 /.

Таким образом, использование ковшей активного действия при отработке блоков,взорванных с уменьшенным кг,должно позволить повысить производительность экскаваторов и автосамосвалов,а также улучшить условия работы экскаваторов.

Разработка полезных ископаемых.теряющих ценность при взрывании..

Предшествующее выемке большинства полезных ископаемых взрывное' рыхление отрицательно сказывается на качестве и ценности некоторых

Таблица 6

Продолжительность цикла и техническая производительность Цг экскаватора ЭКГ-5

^ ?ВКГ {„.с рт ,ы3/ч

в массиве экспери- расчет* экспери- расчет34 экспери- расчет* эксперимент, мент. мент. мент

Уголь Ковш активного действия

$ =2.. .3 У...У1 НиЛУ*** 0,39 0,20 40,3 31,2** 290 360

Серийный кош

0,20 с

Ковш активного действия

0,20 с

Серийный ковш

после взрыва „„

Ш...1У 0,20 0,20 30,4 30,2** 390 355

Алевролит ™

6 У1 Ш...1У*** 0,44 0,20 31,2 26,2 390 410

после взрыва

1У...У 0,33 0,33 35,6 31,0 340 347

Примечания : эе - расчетные значения к/., ^ и 0Г экскаватора ЭКГ-5 с серийным ковшом хх - при пересчете на высоту забоя 8...10 м; кхх - при разработке ковшом активного действия.

СО со

видов минерального сырья, например, карбонатных пород, кварцитов, а мазов и др. Отрицательное влияние выражается, в основном, в нарушен кристаллической структуры, снижении прочности и переизмельчении эти материалов, что резко снижает их потребительские качества.

Исследования Иргиредмета / Б.П.Неганов, В.А.Скрипка, Ь.А.Поила-ский / показали, что удельный объем повреждаемости кристаллов алмазов, определяемый как отношение объема зоны повреждаемости вокруг скважинного заряда к объему руды, отбиваемой одним зарядом,составля ет 3,2...10,02. Ьтот показатель зависит от свойств ЪВ, диаметра зар. да, высоты уступа и других факторов.

Наш было изучено напряженно-деформированное состояние массива при разработке его экскаватором с ковшом активного действия. Числен ные расчеты, проведенные для разных сочетаний параметров нагружения массива ударными зубьями J угла приложения нагрузки, максимальной силы в месте контакта с массивом, толщины стружки и др. / показали, что наибольшее значение относительного объема разрушения кристаллов составляет около 2%. Необходимо отметить,что такой показатель дости гается только в зона, непосредственно лежащей под зубом, и при нали чии абсолютно жесткого удара. В других случаях этот показатель мень ше. Следовательно, применение безвзрывной технологии на основе экск ваторов с ковшами активного действия приведет к существенному / не менее,чем в 2...4 раза / снижению вероятности удельного повреждения кристаллов. Более точные численные знвчения этого показателя могут быть получены после экспериментальной проверки.

Проверка возможностей экскаватора с ковшом активного действия была проведена на Антоновском кварцитном руднике ПНО "Сибруда",гце осуществлялась выемка кварцитов с рределом прочности на сжатие 120...160 МПа после сотрясательного взрывания. Цри этом выход горно массы с погонного метра скважины возрос вдвое, а удельный расход ВВ снизился в 1,7 раза.

Если выход кондиционных фракций при обычной технологии разрабо ки составлял в среднем 34,9$, то с опытным ковшом он возрос до 40?? Анализ показал, что цри оптимизации параметров взрывания этот показатель мог бы быть еще выше.

Представляет интерес применение экскаваторов с ковшом активног действия при отработке массивов, склонных к окислению и самовозгора нию. Установлено, что процессы окисления и самовозгорания интенсифи цируются бурением скважин,раскрытием трещин в массиве и деформацией откосов уступов при взрыве, увеличивающими площадь контакта горной массы с атмосферой, и основные профилактические мероприятия должны 34

ать направлены на снижение фильтрации воздуха через нее.сффектив-ам способом снижения пожароопасности является сокращение размеров зрываемого блока и уменьшение запасов взорванной массы, что приво-ит к увеличению затрат на подготовительно-восстановительные опера-ии и простоев оборудования.

Использование экскаваторов с новым ковшом, устраняя источники амовозгорания массива, позволит улучшить технико-экономические по-азатели добычных работ.

Значительный экономический эффект может быть получен также при недрении экскаваторов с ковшом активного действия на работах по раз-осу бортов и заоткоске уступов, благодаря существенному снижению бъемов вскрышных работ за счет исключения сейсмического воздействия а законтур^нный массив.

РАКТЖЁСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ЭКСКАВАТОРОВ КОВШОМ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ. ЖОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ- ВНЕДРЕНИЯ.

Карьерный экскаватор.

Результаты многолетних работ по созданию экскаваторных ковшей ктивного действия в 1&36г. были обсуждены в ведущих институтах ос-овных горнодобывающих отраслей / угольная промышленность, черная и ветная металлургия, промышленность стройматериалов /. В.этих инсти-утах были выполнены ориентировочные расчеты потребности в новом борудовании и ожидаемой экономической эффективности. Было установ-ено, что по состоянию на 1990г. объемы горных пород, пригодных для азработки экскаваторами с такими ковшами, составляют около 400млн.м?

год, а потребность в этих машинах с ковшами вместимостью 5 и 8... О м3 исчисляется приблизительно 380 единицами. Суммарный годовой кономический эффект от применения новой техники в народном хозяй-тве был оценен примерно в 55 млн.руб.

Все эти материалы были рассмотрены' в НИИтяжмаше ПО "Ураимаш" в ЭЗог. и в итоге между ИГД СО РАН и ПО "Уралмаш" был заключен дого-ор о научно-техническом сотрудничестве с целью создания и внедрения горнодобывающих отраслях экскаваторов с ковшом активного действия.

Согласно договору в ИГД СО РАН было разработано техническое задние на карьерный экскаватор ЭДГ-5В с ковшом активного действия, роектирование новой машины выполнено в отделе карьерных экскавато-ов НИИтяжмаша. С целью сохранения нормальной маневренности машины ыло решено разместить все дополнительное оборудование /компрессор, есивер вместимостью 2,7 м3, трансформатор 400 кВА и т.д./ на пово-

ротной, платформе, что потребовало некоторого увеличения ее размеров.

. Основные параметры ЬКГ-5Ъ приведены в табл.7.

Первые два экземпляра экскаватора ¿¡КГ-5Б были закончены изготовлением во II квартале 19^0г. и отгружены в ПО "Гремячевнеруд" /Нижегородская обл./ и Полотнянозаводское карьероуправление /ПЗКУ/ Ыоснеруд-прома /Капужская обл./, где используются на разработке карбонатных пород с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова до о и до 12 соответственно.

Ъ ПО "Гремячевнеруд" экскавагор сдан в опытно-промыдивнную экс-плуатапию в ноябре 1990г.,а в ПЗКУ - в апреле 1991г. Проведенные в этот период исследования экскаваторов /нагрузки на металлоконструкцию и приводы, виброшумовые параметры рабочего места машиниста и рабочего оборудования, хронометраж и т.п./ подтвердили прежние выводы, полученные при исследованиях экспериментальных образцов ковшей активного действия.

Ъ ПО "Гремячевнеруд" за время опытно-промышленной эксплуатации с ноября 1990г. по сентябрь 19Э1г. этим экскаватором было вынуто свыше 600 тыс.м3 горной массы со средней эксплуатационной производительностью 275 м3/ч. Ь сентябре 1991г. комиссия,подводя итоги,решила,что экскаватор ЭКГ-5В Л 1 успешно выдержал приемочные испытания, приняла его в промышленную эксплуатацию и рекомендовала освоение производства таких машин. Отмечено, что экскаватор ЬКГ-5В не имеет аналогов в отечественной и зарубежной практике и обеспечивает в определенных условиях применение экологически чистой безвзрывной технологии.

экскаватор ЭКГ-5В Л 2 в ПЗКУ также успешно работает.

Промышленный выпуск экскаваторов &КГ-5В в ПО "Уралмаш" начнется в 1992г.

Строительный гидравлический экскаватор.

В 19аЗ-90гг. по технической документации ИГД СО РАН изготовлена также небольшая партия экспериментальных образцов ковшей активного действия к гидравлическому экскаватору ЬО-4121. Ковши переданы для опытно-промышленной эксплуатации строительным организациям. К настоящему времени ковши зарекомендовали себя вполне удовлетворительно и предпринимаются шаги для организации юс производства на одной из экскаваторных заводов.

Перспективные направления создания исполнительных органов активного действия горных и строительных машин.

Результаты работ по созданию экскаваторных ковшей активного действия свидетельствуют о целесообразности и эффективности активизации

Таблица 7

'сновныэ технические данные экскаватора ЬКГ-53

Вместимость ковша, мя.............................5,2

Масса экскаватора, т

рабочая.........................207

конструктивная..................177

Мощность сетевого двигателя,кВт...................250

Мощность двигателя компрессора,кВт................200

Тип компрессора................................6ВВ-25/9

Производительность компрессора,м3/мин..............25

Количество гшевмомолотов в ковше,шт.................3

Рабочее давление сжатого воздуха, МПа.............0,6

Ьнергия единичного удара, кДж.....................1,7

Частота ударов, Гц..................................7

Радиус вращения хвостовой части поворотной

платформы, м......6,5

Расчетная продолжительность цикла при пово-

роте на 90°,с......26

иссолкктелыШх орга:-;?- горных г. строительных кааик, поскольку гто создает реальные г.редаэгвья/:, дли внедрения безгрозных технологий. Достоинства иосгаднгх /пышность сокращения потерь и ра&убожива-нкя, укеньаение вредного иоздеЗотгия на о.чрузуащую среду к качество добываемого сырья я т.'п./ известна. Пор идиому, бликайшм продолжением работ должно бить создание коваей активного действия вместимостью 8...10 м3 и более к экскаваторам ОсТ-3 у. др., которые тиро-ко применяются на карьерах.

Однако, положительные качества таких копошите льных органов кч иболее полно аогут проявиться только при соотзетстзии паракьтров р.*; бочего оборудования конкретным горнотехническим условиям.

Ъыше било показано, что одна из наиболее перспективных областей применения экскаваторов с ковшом активного действия - разработк сложноетруктурных залежей, например, свит тонких угольных пластов Центрального 1'узбасеа.

Работами ряда авторов /¿.¿.'¿впихав, Г.Б.Секисоз, Я.'Л.Томаков, А.К.Корякин, А.А.Таскаев и др./ показано, что канатные экскаваторы /прямые лопаты/ плохо приспособлены для большинства горнотехнических условий из-за ограниченных возможностей регулирования параметров траектории. Поэтому даже при использовании экскаватора с ковша:.1 активного действия, позволяющего исключить буровзрывные.работы в контактной зоне, причины возникновения потерь в виде недоборов в верхней и нижней частях забоя все равно остаются.

Одним из радикальных путей снижения этих потерь является применение экскаваторов о другим рабочим оборудованием, например, с телескопической рукоятью. Значительный интерес с этой точки зрения представляют также гидравлические экскаваторы - прямые к обратные лопаты. Высокая эффективность обратных лопат при раздельной выемке сложных залежей обоснована в работах 1С. il.Белякова,П.й. "Романова, А. й.Корякина и др. Оснащение их ковшом активного действия .позволят е определенных условиях исключить буровзрывные работы и заметно снизить потери.

Перспективна также активизация ковшей роторных экскаваторов в случае использования их при разработке месторождений, содержащих крепкие включения во вскрыше или разделяющие продуктивный пласт породные прослойки. Например, на разрезах Канско-Ачшского бассейна, Окябастуза и т.п.

Полезной будет активизация ковшей мощных погрузочно-цоставоч-ных машин и пневмоколесных погрузчиков, что позволит снизить сопро-

гивленив внедрению ковша в штабель и соответственно увеличить вместимость ковша при неизменном сцепном весе машины.

объективность внедрения экскаваторов с ковшом активного дейст-

шя.

сффективность внедрения безвзрывных технологий и экскаваторов : ковшами активного действия должна оцениваться с двух позиций: ю-первых, с точки зрения экологии и,во-вторых, с точки зрения воз-ложного экономического эффекта.

экологический эффект здесь выражается в снижении неизбежного ущерба, причиняемого окружающей среде открытыми горными и земляными заботами в связи с отчуждением сельхозугодий, нарушением гидрологи-¡еского режима почв, уничтожением малых рек и родников, сведением юсов, загрязнением атмосферы при взрывах и т.д. Так, в Кузбассе обще потери на разрезах достигают 101?, или 7 млн.т угля в год. При удельной землеемкости открытого способа добычи 55 га/млн. т эти поте-

ж приводят к необходимости дополнительного отвода 300...350 га ежегодно. С увеличением объемов добычи угля на разрезах, их глубины,во-злечением в отработку большего-числа маломощных пластов, потери угля, три сохранении существующей технологии,могут достичь 15...20 млн.т -'■ год.

отологическая эффективность внедрения экскаваторов с ковшом активного действия будет определяться следующими факторами:

1. Исключением или сокращением объемов взрывных работ и соответ-¡твующим уменьшением пыле - и газовыделения на карьерах.

2. Сокращением потерь и разубоживания полезного ископаемого и, ¡ледовательно, замедлением темпов вовлечения в эксплуатацию новых яесторождений или их участков, а также темпов углубки карьеров,умень-пением объемов отвалов и занимаемых ими площадей.

3. Меньшим снижением качественных показателей добываемого сырья 'уменьшение прочности карбонатных пород; измельчение или повреждение сристаллической структуры алмазов; переизмельчение угля, кварцитов

I т.п. минералов и др./.

4. Исключением или уменьшением сейсмического воздействия на ¡дания, сооружения, борта карьеров и т.д.

5. Снижением вероятности возникновения эндогенных пожаров,сле-{овательно, меньшей загазованностью зоздуха в карьере и вокруг него.

Для расчета экономической эффективности применения экскаваторов : ковшом активного действия предлагается методика, в основу которой голожен сравнительный анализ технико-экономических показателей су-

чествующей я предлагаемой технологий разработки. Црн этом учитываются виды работ, стоимость которых зависит от типа применяемого рабочего оборудования экскаватора /буровзрывные, выемочно-погрузочные путевые, транспортные/; потери полезного ископаемого; простои горно транспортного оборудования,вызываемые взрывными работами;режим вскрышных работ и т.д.

Анализ проводился применительно к горнотехническим условиям, в которых проходили исследования экспериментальных образцов ковшей активного действия. В расчетах использовались фактические показатели рабочего процесса, полученные в ходе испытаний, и цены на материалы и оборудование, действовавшие в соответствующий период времени.

Предложены расчетные зависимости для определения экономической эффективности применительно к условиям разработки свиты тонких кру-топадавдих пластов. Эти зависимости позволяют учитывать эффект от снижения потерь угля, ведущих к росту текущего коэффициента вскрыши и интенсивности углубки разреза,от повышения производительности автосамосвалов и исключения или сокращения затрат на буровзрывные работы. Учитывается также повышение стоимости экскавации в связи с рс том капитальных/ оптовая цена экскаватора/ и эксплуатационных /удельный расход электроэнергии, расходы на пневмомолоты и др./затрат. Расчет, выполненный по предлагаемой методике, показал, что суммарный экономический эффект в масштабе разрезов Центрального Кузбасса при селективной добыче из тонких пластов 2 млн.т угля и разработке 15 млн.м3 вскрыши экскаваторами с новами ковшами составит свыше 6 млн.руб. в год /в ценах 1980г./.

Расчеты свидетельствуют также о высокой эффективности применения экскаватора с ковшом активного действия в условиях Антоновского кварцитного рудника ПО "Сибруда", где только за счет снижения перензмельчеюш и увеличения выхода товарных фракций кварцита всегс на 5%, дополнительная прибыль составит около 500 тыс.руб. в год на одну машину / в ценах 1985г./.

Изложенное убедительно подтверждает высокую экономическую ■ эффективность оснащения серийных экскаваторов новым рабочим оборудованием.

ЗАКЛЮЧЕНИЙ

В-диссертационной работе дано теоретическое обобщение и решение ■упной научно-практической проблемы повышения эффективности откры-ас горных работ путем создания и внедрения технических средств для уществления безвзрывной выемки трещиноватых горных пород средней >епости.

Основные результаты работы:

1. Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности крытых горных работ к разработки прочных грунтов в строительстве ляется расширение технологических возможностей экскаваторов за

ет создания и внедрения технических средств, способных осуществлять емку горных пород ж мерзлых грунтов без предварительного разупроч-ния и переход на этой основе к безвзрывным технологиям,

2. Кратчайшим и наиболее рациональным путем решения этой иробле-является создание ковшей активного действия, осуществляющих разру4

ние пород экономичным ударным способом, как сменных исполнительных ганов для серийных экскаваторов - мехлопат, электрических и гидра-ических.

Разработаны научные основы расчета и обоснования основных пара-тров экскаваторных ковшей активного действия с учетом свойств раз-батываемых пород и сформулированы основные требования, которым доли а удовлетворять конструкция этих ковшей.

На основе анализа результатов предыдущих исследований показано, о ковши активного действия должны оснащаться подвижными зубьями, «водимыми в действие мощными ударными устройствами, обэспечивающи-удельную энергию удара на лезвиях этих зубьев не менее 10 Дж/мм. лючение ударных устройств должно осуществляться индивидуально, по ре достижения заданного сопротивления копанию на соответствующем 5е. Экспериментальным путем установлено, что указанная удельная эргия удара позволяет разрабатывать карьерным экскаватором-мехлопа-1 & трещиноватые горные породы до 1У категории по взрываемости вклю-гельно без предварительного разупрочнения с той же практически зплуатационной производительностью, что и при выемке аналогичных род после взрывания серийным ковшом.

Более 1фепкие породы могут разрабатываться экскаваторами с таким адом после взрывания с минимальным коэффициентом разрыхления.

Гидравлический экскаватор типа ЭО-4121 с ковшом активного дейст-

41

вия /с указанной выше удельной энергией удара/ может разрабатывать грунты У...УН категорий без предварительного рыхления с производительностью, уменьшенной на 15...25$ по сравнению с паспортной производительностью этого экскаватора на грунтах 1У категории.

3. Нагрузки на металлоконструкции и приводные механизмы кары ного экскаватора с ковшом активного действия при выемке неразрых-лекных пород средней крепости не превышают нагрузок при выемке серийным ковшом аналогичных пород после взрыва. Одновременно на 10., 15?, снижается динамичность процесса экскавации. Благодаря указаны* му, оснащение ковшами активного действия серийных экскаваторов не требует радикальной переработки конструкции их основных узлов, не влечет за собой, снижения работоспособности и сроков службы базово: машины. Весьма важно, что при этой не происходит ухудшения условй работы обслуживающего персонала по показателям вибрации и шума на рабочем месте.-

Имеющий место в ряде случаев рост виброускорений элементов рабочего оборудования при работе пневмомолотов ковша активного це ствия невелик / менее / и не может оказать сколько-нибудь заметного влияния на срок службы основных узлов машины.

При работе гидравлического экскаватора ЬО-4121 ковшом актив» го действия наблюдалось также возрастание напряжений в элементах рабочего оборудования /максимально на '¿6% в узле крепления ковша : рукояти/, однако, нигде фактические напряжения не достигали допус. емых значений для конструкционных сталей.

4. Суммарная удельная энергоемкость процесса разработки горн: пород экскаватором с ковшом актирного действия существенно /до 1,! ...2,0 раз/ ниже, чем при использовании экскаватора с серийным ко: шом с учетом энергозатрат на бурение и взрывание. Сравнение стоимости удельных энергозатрат при безвзрывной и традиционной технологиях показывает, что здесь соотношение затрат составляет от 1,2 до 7,1 в пользу новой технологии из-за высокой цены энергии ВВ.

Таким образом, даже яри использовании в ковшах активного дей вия пневмомолотов, обуславливающих низкий к.п.д. системы, суммарн энергозатраты на выемку горных пород ниже, чем при традиционной технологии с примененем буровзрывных работ.

5. Безвзрывная технология добычи полезных ископаемых экскава тором с ковшом активного действия позволяет:

1/. сократить потери и разубоживание минерального сырья,вызы ваемые

- его переизмельчением в процессе взрывания /например, алмазы, рбонатные породы, кварциты и др./;

- перемешиванием с боковыми породами /например, угольные плас-малой мощности/;

- необходимостью оставления целиков из-за близости охраняемых ъектов, зданий и сооружений.

2/. упростить организацию работ в карьере благодаря исключению да операций, связанных с буровзрывными работами, в том числе с ерациями по вторичному дроблению.

6. Наиболее эффективные области применения экскаваторов с ков-м активного действия:

- разработка сложноструктурных залежей;

- добыча сырья, качество которого снижается при взрывании;

- ведение работ вблизи охраняемых объектов;

- выемка полезных ископаемых, склонных к окислению и самовозго-1нию;

- реконструкция карьеров, разнос временных бортов, заоткоска

:ТУП0В.

7. Анализ схем отработки забоев сложноструктурных залежей и >ецварительные конструктивные проработки свидетельствуют о перспек-шности оснащения ковшами активного действия также гидравлических ;скаваторов типа прямая и обратная лопата, роторных экскаваторов пневмоколесных погрузчиков.

Создание исполнительных органов активного действия для назван-к типов машин позволит резко расширить их технологические возмож-)сти, повысить полноту и качество извлечения полезных ископаемых обеспечить значительный экономический эффект.

8. Совместно с ПО "Уралтш" создан и успешно црошел приемочные шытания карьерный экскаватор с ковшом активного действия оКГ-5В. зомышленное производство этого экскаватора начато с 1992г.

Ближайшей задачей является создание ковшей активного действия лестимостыо 8...10 м3.

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных рабо-

зх:

1. Федулов А.И., Маттис А.Р. Научные основы и перспективы при-знения рабочих органов ударного действия при открытых разработках элезных ископаемых//Состояние и перспективы развития технологии гкрытых разработок с применением новых видов мобильного оборудо-1ния: Тез.докл.Всес.яонф. Ч.1,М.1975.-С.113-114.

2. Маттис А.Р., Хамчуков Ю.М. Методика и основные результаты ёкспериментального исследования экскаваторных ковшей активного де4 ствия на угольных разрезах Кузбасса.//Сб.Передача удара и машины ударного действия. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976. С.98-109.

3. Маттис А.Р., Хамчуков J0.U., Дебедкин С.С. и др. Испытания экскаваторного ковша активного действия при выемке кварцитов.//Сб. Передача удара и машины ударного действия. - Новосибирск: ИГД СО к СССР. 1976. - С.92-98.

4. Магтис А.Р., Лысенко Л.J. Исследование вибрационно-шумовых характеристик навесного оборудования с ковшом активного действия к экскаватору ЬКГ-4,6.//Сб. Передача удара и машины ударного действи - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. 1976. - С.113-126.

5. Федулов А, И. .Маттис А.Р., Хамчуков J0.M. и др. Результаты и

питаний и перспективы применения экскаваторных ковшей активного де; ствия.//Физико-техн.пробл. разр. полезн. иск.,1977.-* 2,- С.66-71.

6. Федулов А.И., Маттис А.Р. Навесные пневмомолоты большой мо костя и рабочие органы активного действия для землеройных машин.// Механизация строительства, 1977,- * 8.- С.24-25.

7. Маттис А.Р. Сменное экскаваторное оборудование с ковшом активного действия.//Сб. Материалы П Всес. конф. "Проблемы хозяйственного освоения зоны Байкало-Амурской магистрали." Новосибирск. 1977.- С.30-38.

8. Зайцев Г.Д., Маттис А.Р. Эффективность применения одноковш; вых экскаваторов с ковшами активного действия на разрезах Центрального Кузбасса.//Сб. Оптимизация параметров карьеров.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР. 1978.-С.88-99.

. 9. Васильев Е.И., Маттис А.Р., Зайцев Г.Д. Технологические ext мы разработки свиты крутых пластов: -Добыча угля открытым способом: Научн.-твхн.реф. со./ЦшК'утал!,1980, * 8.-С.8-12.

10. Зайцев Т.Д., Маттис А.Р. Применение экскаваторов с ковшаш активного действия при заогкоске уступов: -Добыча угля открытым способом: Научн.-твхн. реф. cö./ЦНИЬйуголь, 1981, * 8.- С.13-21.

11. Васильев Е.И., Зайцев Г.Д., Маттис А.Р. Эффективность применения экскаваторов с ковшами активного действия на меднорудных карьерах.//Сб. Теория проектирования открытых горных работ.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР. 1982. -С.62-72.

12. Маттис А.Р., Шишавв C.B. Исследование ударного разрушения горных пород экскаваторными ковшами активного действия. //Взрывное

механическое разрушение горных пород: Тез.докл.УШ Всес.конф.вузов СР.М., 19S4.-C.22.

13. Федулов А.П., Маттис А.Р., Шишаев C.B. и др. О применении скаваторных ковшей активного действия на карьерах Минцветмета СССР// новные направления и меры по ускорению научно-технического прогрес-

. в золото- и алмазодобывающей промышленности на.период до 2000 года: з. цокл. Ьсес. конф. Ч.1,М. ,1985.- С.56.

14. Зайцев Г.Д., Маттис А.Р. Эффективность разработки кварцитов :скаваторами ^КГ-4,6 с ковшами активного действия.//Сб.Оптимизация шений при проектировании и планировании открытых горных работ.-Ново-:бирск: ИГД СО АН СССР. 1985.-С. 104-109.

15. ¡Уаттис А.Р., Шииаев С.Ь., Зайцев Г.Д. и др. Основные резуль-.ты испытаний экспериментальных образцов ковшей активного действия к екаватору UÍT-4,ó.//C6. Разрушение горных пород гидроударными испол-;тельными органами.-Караганда: Карагандинский политехи, ин-т.1985.-52-55.

16. Фецулов А.И.,. Маттис А.Р., Шишаев C.B. и др. К созданию ков-¡й активного действия карьерных экскаваторов.//Физ-техн.пробл.разр. >лезн. иск. ,1988,- № 2.- С.61-6?.

1?. Маттис А.Р. К вопросу активизации ковшей экскаваторов.//Сб. рные и строительные вибрационные машины и процессы.-Новосибирск: Д СО АН СССР, 198В. - С.33-40.

18. Глотова Т.Г., Басова Т.Т., Маттис А.Р. Гигиеническая оценка [брации рабочего места на экскаваторе с ковшом активного действия.// í.Горные и строительные вибрационные машины и процессы.-Новосибирск: Д СО АН СССР, 1988.- С.32-37.

19. Аваттис А.Р., ьишаев C.B. Экспериментальные исследования рабо-¡го процесса экскаватора с ковшом активного действия.//Сб. Динамика >рных машин.- -89.Тр.междунар.конф.-Польша.1989,- С. 135-143.

20. Шишаев C.B., Федулов А.И., Маттис А.Р. Расчет и создание ков-i активного действия.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989,- 115с.

21. Гайслер К.В., Маттис А.Р., Мочалов Е.А. и др. Моделирование 1бочего процесса карьерного экскаватора с ковшом активного действия// ¡. Импульсные машины для горного и строительного производства.-Ново-гбирск: ИГД СО АН СССР, 1990.- С.47-59.

22. Маттис А.Р., Гайслер Е.В., Шишаев C.B. Расчет расхода сжатого' >здуха экскаваторным ковшом активного дейсгвия.//Физ.-техн. ттробл.разрi »лезн.иск. ,1990.- J6 3.- С.88-91.

23L.. Маттис А.Р., Зайцев Г.Д., Шишаев C.B. Эффективность примене-

гя экскаваторов с ковшами активного действия на карьерах цветной ме-

45

таллургки./Уцуги повышения комплексности использования рудного сыр! и технологических показателей обогащения с применением экологичасы чистых материалов: Тез.докл.науч.-техн.конф. Ташкент,1990.- С.61-6*

24. Маттис А.Р.,Шишаев С.Б. К оценке энергоемкости рабочего щ цесса экскаватора с ковшом активного действия.//Теоретические и те)

нологическке аспекты создания и применения силовых импульсных систё Тез.докл.Всес.науч.-практ.совещания. Караганда, 4.1. 199U.- С.39-41

25.Гайслер Е,В.,Маттис А.Р., Мочалов Е.к. и др. Модель рабоче1 процесса карьерного экскаватора.//Фаз.-техн.пробл.разр.полезн.иск., 1991. - JÉ 2. - С. 60-67.

26. Зайцев Г.Д., Гайслер Е.Ъ., Маттис А.Р. К оценке качества ï полноты выемки руды экскаваторами с ковшом активного действия.//¿и: техн.пробл.разр.полезн.иск.,1991,- * 3. - С.47-52.

27. Маттис А.Р., Шшаев C.B., Зайцев Г.Д. и др. К оценке удел! ной энергоемкости рабочего процесса экскаватора с ковшом активного действия.//Физ-техн.пробл.разр.полезн.иск.,1991,- Jé 4,- C.63-6Ö.

23. Курленя М.Ь..Маттис А.Р., Бойко Г.Х. и др. Новый экскаватс Уралмашзавода.//Горный журнал, 1991,- Jé 5. - С.59-61.

29. Маттис А.Р., Шишаев C.B., Зайцев Г.Д. и др. Одноковшовый экскаватор с новым рабочим оборудованием.//Сб.Проблемы открытой ра; работки глубоких карьеров.-Материалы меддунар.симпозиума по открыть горным работам "Мирный. - 91".- Удачный. 1991, - С.79-83.

30. A.c. 505772,МКИ EG2 , 3/40. Ковш экскаватора/Федулов А.И. Маттис А.Р., Хамчуков JC.M. и др. /СССР/. Заявл. 20.06.72.Опубл. 05.03.76. Баял. » 9.

31. A.C. 538136,МКИ Е21С 47/08, £02 3/40.Зуб экскаваторного ковша активного действия/Маттис А.Р., Носиков Г.М., Федулов А. И. и др. /СССР/. Заявл. 08.02.74г. Опубл. 05.12.76. ¿мил. № 45.

32.А.с. 6Б7192, ЖИ EQ2 3/40. Ковш экскаватира/Маттис А.Р.,Не сиков Г.М., Федулов А.И., и др. /СССР/. Заявл.07.05.73.Опубл.25.09. бюлл. Л 35.

33. A.c. 883285,МКИ Е02 9/28, Е02 3/40.Зуб экскаваторного кс ша активного действия/Федулов А.И.,Маттис А.Р., лабутин. В.Н. и др. /СССР/. Заявл.26.07.79. Опубл.23.11.81. Был.* 43.

34. A.c. 1509524,ЖИ Е21С 3/24, Е02Д 7/10. Пневмомолот/ФедулоЕ А.И., Маттис А.Р., Шшаев C.B. и др. /СССР/.Заявл.29.10.86. Опубл. 23.09.69. Еюлл. № 35.

35. Маттис А.Р., Шишаев C.B. Результаты испытаний экскаватора 30-4121 с ковюом активного действия//Механизация строительства,1991 - #.12- С.15-16.