CC BY
20
© A.C. Чаадаев, И В. Зырянов, 2013
УДК 622.271
А.С. Чаадаев, И.В. Зырянов
ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ ПРИ ОТРАБОТКЕ АЛМАЗОНОСНЫХ ТРУБОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Проведен сравнительный анализ технических характеристик механических транспортных средств на колесном и гусеничном ходу, используемых при отработке ограниченных в плане глубоких карьеров при низких температурах. Ключевые слова: дизель-троллейвоз, месторождение, карьер, климатические условия, транспортная система.
В конце восьмидесятых годов прошлого столетия в научно-технической, нормативной и специальной литературе рекомендовались основные параметры горнотехнических условий эффективной эксплуатации карьерных автосамосвалов -это глубина карьеров до 300 м и длина транспортирования до 5км.
Данные рекомендации на тот период подтверждались технико-экономическими показателями работы подвижного состава и опытом отработки месторождений открытым способом.
За последние 15—20 лет ситуация в стране существенно изменилась. Границы открытых горных работ значительно расширились. Во многих проектных решениях предельная глубина эффективной добычи открытым способом определена - 500—600 м, а длина транспортирования до 10 км.
Наиболее характерна данная ситуация на коренных алмазоносных месторождениях Якутии.
Вертикальное распространение рудного тела предопределило ситуацию, когда до 60-70 % объемов горной массы находится на глубине до 300м. Применение же альтернатив-
ных транспортных систем (наклонно-клетевых подъемников, дизель-троллейвозов, канатно-подвесных дорог и др.) в настоящее время в Акционерной Компании «АЁРОСА» не целесообразно (не успевают окупаться инвестиции и не решен ряд технических аспектов).
Эксплуатация карьерных автосамосвалов в АК «АЁРОСА» осуществляется в жестких климатических и горно-технических условиях.
Среднегодовая температура находится в пределах от -7 °С до — 14 °С. Диапазон изменения температуры наружного воздуха от +35 °С до -65 °С. Скорость ветра - от 1,5 до 3,5 м/сек. Длина транспортирования от 1,8 до 21км. Величина средневзвешенного уклона съезда в карьерах 71-75 %о, а на нижних горизонтах достигает 80100 % при среднем расстоянии транспортирования 5-10 км.
Перед специалистами-транспортниками тогда еще ПНО «Якуталмаз» была поставлена задача - не допустить ухудшения технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей работы карьерных автосамосвалов в динамике развития карьеров.
В качестве основного направления принималась к реализации программа по увеличению срока службы (ресурса) подвижного состава. Фактический пробег до списания в 1990—1993 гг. достигал: НД-1200 - 400 тыс. км, Бе-лАЗ-7548 - 240 — 275 тыс. км, Бе-лАЗ-7519 - 130 тыс. км.
Как известно, основным показателем ресурса является индивидуальный остаточный ресурс - продолжительность эксплуатации от момента контроля его технического состояния до достижения предельного состояния.
Поэтому можно рассматривать прогнозирование индивидуального остаточного ресурса как своего рода систему управления процессом закупа (через комплектацию), а также процессом эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.
Вопрос комплектации рассматривался в трех направлениях: выбор типа трансмиссии для автосамосвалов грузоподъемностью класса 120— 136 т, выбор рациональной модели автосамосвалов из одного класса грузоподъемности и разработке технических требований по оснащению конкретной модели автосамосвала узлами и агрегатами с соответствующими показателями надежности и экономичности для определенного месторождения.
Опыт эксплуатации БелАЗ-7519 и НД-1200 показал их низкую эффективность при достижении глубины карьера «Удачный» 280-320 м. Перегрев элементов трансмиссии не позволял обеспечить стабильность грузопотока, срок службы машин не соответствовал утвержденных в стране нормативам.
Было принято решение о приобретении самосвалов с гидромеханиче-
ской трансмиссией САТ-785 и в дальнейшем САТ-785В.
С целью выбора рациональной модели самосвала из одного класса грузоподъемности (рынок предлагал не менее 5 моделей) в АК «АЁРОСА» была разработана методика, учитывающая технический и эксплуатационный уровень карьерных самосвалов для конкретных горно-технических и климатических условий.
Используя, в том числе, и указанную методику, в 1992-1994 гг. в АК «АЁРОСА» стали поступать БелАЗ -75125 и Наи1рак 510Е. В декабре 1991г. специалисты ПНО «Якуталмаз» обосновали требования и завод ПО «БелАЗ» принял к реализации проект по оснащению самосвалов импортным двигателем КТА-38С и генератором «Ка1о». Это была первая попытка использования БелАЗов с импортными комплектующими на постсоветском пространстве.
В результате удалось увеличить более чем в 2 раза ресурс БелАЗ-75125 в условиях карьера «Юбилейный».
Использование БелАЗ-7548 с двигателем ЯМЗ-240Н также не обеспечивало его надежную работу в условиях карьера «Мир». Приходилось работать с внутрикарьерной перевалкой. Следовательно, потеря производительности, дополнительное количество погрузочной техники, »замора-живание» внутри-карьерного пространства под промежуточный склад.
Применение в конце 80-х годов самосвалов с двигателем большей мощности ЯМЗ-84.01.10-06 позволило транспортировать руду и пустые породы с нижних горизонтов до фабрики и отвалов уже без остановки. Но ресурс двигателя до капитального ремонта был невелик.
Указанные мероприятия позволили в целом по АК «АДРОСА» обеспечить даже некоторое удельное снижение расхода топлива, несмотря на тенденцию к повышению высоты подъема горной массы.
Внедрение передовых методов ремонта позволило не только стабилизировать наработку основных узлов до капитального ремонта при ежегодном ухудшении горно-технических условий, но и повысить ее. Например, ДВС САТ-785В: в 2001году -19752 мото-час, а в 2005 году 23132 мото-час.
Реализация технической политики в Компании на технологическом транспорте позволила с 2001года достичь на лучших моделях карьерных автосамосвалов в АК «АДРОСА» более чем 100 тыс.км пробега в год на одну среднесписочную машину.
Также в середине 90-х годов достигнута положительная динамика производительности подвижного состава по Компании, даже при постоянно возрастающей глубине.
В АК «АДРОСА» определен рациональный класс грузоподъемности карьерных автосамосвалов для отработки коренных алмазоносных месторождений: это 40-45 т и 120-136 т.
В настоящее время в АК «АДРОСА» с целью повышения эффективности отрабатываемых месторождений на нижних горизонтах и вовлечение в отработку новых, но менее рентабельных, планируется использование транспортных средств способных преодолевать повышенные уклоны (более 160 промилле).
Основные фирмы-изготовители выпускают шарнирно-сочлененные автосамосвалы с колесной формулой 6х6, которые согласно СНиП 2.05.0791, могут применяться на технологи-
ческих дорогах с твердым покрытием на уклонах 150-170 %о. Для достижении указанной цели данных величин не достаточно. Наибольший эффект достигается на коренных алмазоносных месторождениях на дорогах с уклонами в пределах 300 %о!
В институте «Якутнипроалмаз» с 2005 г. ведутся поисковые работы по отработке нижней части ким-берлитовых карьеров с применением углубочных комплексов включающих использование специальных гусеничных самосвалов, позволяющих резко сократить объемы вскрышных работ в контуре карьера и вовлечь в отработку дополнительные объемы руды.
В России самосвалы на гусеничном ходу не производятся и не эксплуатируются. В ходе поисковых работ был установлен контакт с английской фирмой Tracked Dumper Hire UK, которая владеет значительным парком гусеничных самосвалов. С целью изучения опыта эксплуатации гусеничных самосвалов и оценки возможности применения данной техники на карьерах АК «АДРОСА» в декабре 2007г была направлена группа специалистов Компании.
Компания Tracked Dumper Hire UK (TDH UK) основана в 2000 г. В настоящий момент в парке TDH UK имеется порядка 80 машин, основная масса из которых это гусеничные самосвалы грузоподъемностью от 1,5 до 22 т следующих марок: Morooka, Hitachi, Yanmar, Mitsubishi, Komatsu, Kubota and Scot-Track (рис. 1).
Условия, в которых эксплуатируются гусеничные самосвалы данной Компании в основном следующие:
— местности с полным отсутствием дорог и слабой несущей способностью почвы;
Рис. 1. Транспортирование горной массы гусеничным самосвалом TDH220
— гористая местность с необходимостью подъемов и спусков по крутым склонам;
— отсыпка насыпей с необходимостью въезда и съезда по их откосам.
В целом опыт эксплуатации гусеничных машин в Англии показал:
— машина имеют запас мощности двигателя, позволяющий в полностью загруженном состоянии осуществлять трогание с места на участке подъема;
— скорость движения при подъеме 300-360 %о составляет порядка 5 км/ч;
— за счет значительной площади остекления оператор имеет хороший обзор трассы, а обзор позади машины осуществляется за счет внешних зеркал и камеры заднего вида;
— в целом машина достаточно проста в управлении.
При этом эксплуатация машин характеризуется следующими показателями:
— ресурс резиновых гусениц составляет порядка 1000 мото-часов;
— расход топлива машины, грузоподъемностью 22 т в пределах 35-40 л/час;
— периодичность замены масла в двигателе — 250 мото-часов;
— периодичность замены масла в редукторах — 250 мото-часов;
— периодичность замены масла в гидросистеме — 1000 мото-часов.
Фирма Tracked Dumper Hire UK самостоятельно разработала несколько узлов к гусеничным тележкам для обеспечения возможности их переоборудования на металлические гусеницы;
— ресурс металлических гусениц находится в диапазоне 2000-3000 мото-часов;
— ресурс среднесписочной машины составляет 5000 мото-часов.
Причина, по которой фирма Tracked Dumper Hire UK решила перевести часть машин на металлические гусеницы - ускоренный износ резиновых гусениц (стандартное исполнение) при работе на высокоабразивных, твердых материалах (скалистые грунты, щебеночные насыпи и т. п.).
Самая дальняя «точка поставки» машин фирмой Tracked Dumper Hire UK — Аргентина, в которой машины задействованы на вспомогательных работах при прокладке трубопровода в гористой местности. По данным фирмы дальность транспортировки грузов в этих условия достигала 5-7 км, при этом имелись участки с крутыми (до 30 градусов) затяжными подьемами.
Конструктивно машины относительно простые, имеющие гидростатическую (гидрообьёмную) трансмиссию. В целом же, и особенно ходовая
а
часть, аналогичны гидравлическим экскаваторам. Наиболее схожими с экскаваторами по компоновке, являются самосвалы с поворотной платформой.
Основу машины составляет мощная, сварная лонжеронная рама, коробчатого сечения (аналогично автомобильной), с поперечными связями.
На раме, в передней части, продольно, установлен дизельный двигатель. На рис. 2, а показан двигатель японской фирмы Hino, мощностью 475 л.с., установленный на самосвале Morooka MST3300. На других моделях самосвалов устанавливаются дизельные двигатели Cummins, Mitsubishi и т.п.
К двигателю, через упругую муфту присоединена насосная группа, состоящая их двух основных мощных гидравлических насосов и одного меньшего, вспомогательного (рис. 2, б). Основные насосы предназначены для создания гидравлического потока гидрожидкости, передающего энергию двум гидромоторам хода. Малый насос служит для запитывания вспомогательных гидравлических систем, в данном случае привода подъёма кузова.
б
— гидравли-
С обеих сторон к основной раме жёстко крепятся гусеничные тележки, на которых базируются элементы гусеничного привода. Привод в свою очередь состоит из узла создающего крутящий момент (гидромотор, планетарный редуктор, ведущая звёздочка), направляющего колеса с механизмом натяжения гусениц, качающихся кареток с опорными катками, поддерживающих катков и собственно гусеничной ленты.
В передней части машины расположены — кабина машиниста (слева по ходу), топливный и гидравлический баки (справа по ходу), ящик с аккумуляторными батареями. Кабина машиниста скомпонована точно также как у гидравлических экскаваторов. Управление всеми движениями машины пилотного типа (через параллельную гидравлическую систему с малым давлением и небольшими потоками гидрожидкости). Управление поворотом транспортёра при движении, у разных моделей выполнено различными способами. Управление гусеничным самосвалом MITSUBISHI LD1000 осуществляется при помощи рулевого колеса, как на автомобиле. У MOROOKA - двумя рычагами на
Рис. 2. а — двигатель гусеничного самосвала Morooka MST3300; б ческие насосы
специальной стойке расположенной по центру, перед сидением машиниста. Машина HITACHI управляется точно так же как гидравлический экскаватор - двумя рычагами, соединенными с педалями.
Трансмиссии, установленной на рассматриваемых гусеничных самосвалах, следует уделить особое внимание. Гидростатический привод - не однозначный выбор. В подавляющем большинстве производители машин с гусеничным приводом, предназначенным для передвижения на значительные расстояния, такие как транспортеры военного и гражданского назначения, сельскохозяйственные и общепромышленные тракторы, бульдозеры и т.п. применяют различные варианты механической и гидромеханической трансмиссии. Гидростатическая трансмиссия применяется в основном для машин, у которых передвижение является вспомогательной функцией (гидравлические экскаваторы, краны на гусеничном ходу, самоходные буровые установки и т.п), что вызвано рядом недостатков этого типа привода.
Основным недостатком гидростатического привода является низкий КПД. При преобразовании энергии вращения двигателя в энергию потока гидрожидкости и обратно, значительная её часть преобразуется в тепло (потери энергии составляют до 20 %). Кроме того, основные компоненты привода - насосы и гидромоторы, являются сложными и дорогостоящими изделиями.
К достоинствам гидростатического привода следует отнести:
— значительное упрощение компоновки машины. Энергия двигателя, преобразованная гидравлическим
насосом в мощный поток гидрожидкости (давление достигает до 370 кг/см2 и производительность до 500 литров в минуту) передаётся по трубам и гибким шлангам без ограничения в любую точку машины, где гидромотор преобразует её в энергию вращения.
— возможность бесступенчатого регулирования и реверсирования скорости движения и силы тяги во всем диапазоне.
— высокая модульность конструкции привода. Основные агрегаты привода, насосы и гидромоторы, сами являющиеся достаточно сложными и высоко-технологичными изделиями, достаточно просто заменить каждый в отдельности, при их выходе из строя.
Масштабное внедрение гидростатического привода, кроме указанных выше его достоинств, вызвано тем, что значительное количество известных производителей в высокоразвитых странах, наладили выпуск огромной номенклатуры гидрокомпонентов составляющих основу привода. При этом они постоянно совершенствуются, и повышают их надёжность. Так срок службы насосов и гидромоторов, при правильной эксплуатации, в настоящее время достигает 10-15-ти тысяч часов работы.
На основании полученной информации и имеющегося в Компании опыта работы с машинами, имеющими гидростатическую трансмиссию, можно прогнозировать, что основные компоненты: насосы и гидромоторы, установленные на гусеничных самосвалах, должны работать до капремонта не менее 10 тысяч моточасов.
Как известно, гусеничный привод наряду со значительными внедорож-
ными качествами имеет весьма существенные недостатки, которые приводят, в конечном счете, к высоким эксплуатационным издержкам. С увеличением скорости передвижения машины прогрессирует износ всех элементов гусеничного привода, и самым слабым местом привода в этом смысле, является гусеничная лента.
Фирмы-изготовители гусеничных самосвалов предлагают на рынок машины исключительно на резиновых гусеницах. Резиновые гусеницы изделие конструктивно не простое и достаточно дорогое (одна гусеничная лента для 20-ти тонного самосвала, стоит около 9000 $). При этом кроме специального, многослойного корда, внутри полотна гусеницы встроены методом вулканизации стальные элементы. Назначение этих элементов заключается в передаче и перераспределения усилия от приводной звёздочки на гусеничную ленту. Преимущества резиновой гусеницы перед стальной, заключается в её большей эластичности, позволяющей гусенице лучше копировать поверхность трассы, что уменьшает удельное давление на грунт и увеличивает возможности передачи тягового усилия. В резиновой гусенице отсутствуют шарнирные соединения и, следовательно, значительно уменьшаются потери на трение. Кроме этого резиновая гусеница имеет меньший вес. Но наряду с преимуществами имеются и недостатки, главный из которых — малый ресурс (особенно на скальных грунтах). По данным Tracked Dumper Hire UK — 1000 мо-то-часов.
Ещё одной особенностью резиновых гусениц является то, что вследствие специфических свойств резины, на них изготавливаются невысокие
(30...40 мм) и утолщённые (не менее 20 мм) грунтозацепы. Данное обстоятельство значительно ухудшает реализацию тягового усилия на плотных грунтах и укатанных дорогах, особенно при низких температурах. Утолщенные и короткие грунтозацепы не смогут внедряться в уплотненный грунт, что приведёт к пробуксовыванию гусеницы и опасному боковому скольжению машины.
Фирма Tracked Dumiper Hire UK самостоятельно производит реконструкцию заводских машин с заменой резиновых гусениц на металлические (стальные). По мнению фирмы, при некотором снижении внедорожных качеств и уменьшению грузоподъёмности (из-за большего веса), резко увеличивается срок службы компонентов гусеничного привода, особенно гусеницы, до 3000 мото-часов.
При реконструкции используются стандартные компоненты от гидравлических экскаваторов. Заменяются гусеничные ленты, ведущая звёздочка, опорные и поддерживающие катки, направляюще колесо. Количество опорных катков при реконструкции увеличивается с 8 до 12 штук на каждой стороне. Катки крепятся на специально изготовленные переходные подрамники, которые в свою очередь устанавливаются на штатные качающиеся каретки. На каждой каретке вместо двух катков большого диаметра устанавливают три катка меньшего.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Границы эффективной эксплуатации автотранспорта с колесной формулой 4х2 при отработке месторождений открытым способом в настоящее время могут быть значитель-
но расширены и составить: высота подъема горной массы - 500—600 м и длина транспортирования - до 10 км.
2. Реализация организационных и технических мероприятий с учетом совершенствования конструкций карьерных автосамосвалов позволяет обеспечить не ухудшение их технико-эксплуатационных показателей в динамике развития карьеров в экстремальных условиях эксплуатации.
3. За счет технического прогресса при конструировании и изготовлении карьерных автосамосвалов и внедрения новых технологий при их эксплуатации и ремонте обеспечивается повышение конкурентоспособности систем карьерного автотранспорта по сравнению с альтернативными при отработке ограниченных в плане глубоких карьеров.
4. Повышение эффективности отрабатываемых месторождений и вовлечение в отработку новых (с низким содержанием алмазов) возможно за счет применения транспортных средств с иными конструктивными решениями способными преодолевать повышенные продольные уклоны (более 160 %о) - например, самосвалы на гусенечном ходу.
5. В настоящее время отсутствует отечественный и мировой опыт использования в карьерах самосвалов на гусенечном ходу.
6. Зарубежными фирмами изготавливается достаточно широкий ряд моделей гусеничных самосвалов грузоподъемность до 15 т по данным производителей (до 22 т по данным фирмы Tracked Dumper Hire UK);
7. В целом серийно выпускаемые гусеничные самосвалы конструктивно пригодны для эксплуатации в карьерах. Технические характеристики гусеничных самосвалов позволяют их использовать на крутых уклонах, но до полномасштабного их внедрения необходимо провести полноценные испытания в реальных условиях кимберлитовых карьеров.
8. Необходимо решить ряд вопросов по оптимизации конструкции (поворотная, не поворотная платформа, трансмиссия и т.д.), рассмотреть возможность увеличения грузоподъемности машин, разработать специальную конструкцию дорожной одежды и требования к ровности ее поверхности, позволяющую обеспечить безопасное движение гусеничных самосвалов на крутонаклонных съездах при низких температурах. гтпт?
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Зырянов Игорь Владимирович — доктор технических наук, заместитель директора по науке, Чаадаев Александр Сергеевич — кандидат экономических наук, директор, Институт Якутнипроалмаз, АК «АЁРОСА», [email protected]
^___
