Производительность одноковшовых экскаваторов

Производительностью одноковшовых экскаваторов называется объем горной породы в массиве, извлекаемый экскаватором в еди­ницу времени (час, смену, сутки, месяц, год).

Производительность одноковшовых экскаваторов зависит от многих факторов, основными из которых являются тип машины, физико-механические свойства разрабатываемых, пород, схемы ра­боты, форма и размеры-забоя, общая организация горных работ и транспорта в карьере.

Различают теоретическую, техническую и эксплуатационную производительность экскаватора.

Теоретическая производительность экска­ватора соответствует полному использованию его конструктивных возможностей:

где Е - геометрическая емкость ковша экскаватора, м 3 ;

п - конструктивное расчетное число рабочих циклов в минуту;

t ц т - теоретическая продолжительность рабочего цикла, с.

Теоретическую продолжительность рабочего цикла определяют расчетным путем, исходя из конструктивных данных экскаватора, при высоте забоя, равной высоте расположения напорного вала, угле поворота 90° и разгрузке породы в отвал. Величина Q T указы­вается в паспорте экскаватора.

Техническая про­изводительность яв­ляется максимально возмож­ной для модели экскаватора при непрерывной работе в конкретных горно-геологиче-ских условиях. Она определя­ется с учетом свойств разра­батываемых пород и пара­метров забоя по формуле

где k н - коэффициент напол­нения ковша экска­ватора;

k р - коэффициент раз­рыхления породы в ковше экскаватора;

t ц - фактическая продолжительность рабочего цикла в кон­кретных условиях, сек.

Продолжительность рабо­чего цикла одноковшовых экскаваторов при надлежа­щем совмещении операций слагается из продолжитель­ности черпания, поворота к месту разгрузки, разгрузки и поворота назад в забой. Зависит она от типа экскава­тора, свойств разрабатывае­мых пород, схем работы, па­раметров забоя, квалифика­ции машиниста экскаватора и изменяется в широких пределах - от 20 до 80 сек (табл. 19).

Коэффициент наполнения ковша экскаватора равен отношению объема породы в ковше экскаватора к геомет­рической емкости ковша. Ве­личина его зависит от фи­зико-механических свойств

горных пород, а также от типа экскаватора, формы и размеров забоя, квалификации машиниста (табл. 20).

Коэффициент разрыхления представляет собой отношение объ­ема породы в разрыхленном состоянии к объему, занимаемому этой породой в массиве. Величина его зависит от свойств и степени дробления горных пород при взрывных работах. При этом наиболь­ший коэффициент разрыхления породы имеет место в момент напол­нения ковша. При транспортировании породы коэффициент разрых­ления уменьшается, а у породы, размещенной в отвал, он является наиболее низким (табл. 21).

При расчете производительности экскаватора иногда применяют коэффициент экскавации, который показывает степень использова­ния емкости ковша Е относительно объема загружаемой в ковш породы V M , обмеренной в массиве, и равен отношению коэффициента наполнения ковша к коэффициенту разрыхления породы:

Эксплуатационная производительность определяется с учетом использования экскаватора во времени

где Т - продолжительность рабочей смены, ч;

η - коэффициент использования экскаватора во времени.

Величина коэффициента использования экскаватора во времени зависит в основном от общей организации работ в карьере и опреде­ляется по формуле

где Т пр - продолжительность простоев экскаватора в течение ра­бочей смены, ч.

Простои экскаватора в течение смены делятся на неизбежные и устранимые. К первым относят простои, обусловленные технологи­ческим процессом или конструктивными особенностями экскава­тора: прием и сдача смены, смазка и профилактический ремонт экс­каватора, очистка ковша, передвижка экскаватора, замена груже­ных транспортных сосудов порожними, простои, связанные с про­изводством взрывных работ и т. п. Ко вторым относятся простои, вызванные организационными причинами: внеплановые ремонты, аварии, ожидание транспорта в течение более значительного времени, чем это предусмотрено нормами, и т. п.

Коэффициент использования экскаватора во времени будет максимальным при работе с разгрузкой в отвал или на конвейер, минимальным - при разгрузке в железнодорожный транспорт в тупиковом забое (табл. 22).

Суточную (Q сут), месячную (Q мес) и годовую (Q год)производи­тельность экскаватора определяют по формулам:

где n см - число рабочих смен в сутки;

n сут - число рабочих суток в месяц;

N- число рабочих дней в году.

Количество рабочих смен в сутки определяется принятой органи­зацией экскаваторных работ. При восьмичасовой смене может быть принята трехсменная или двухсменная работа в сутки. Обычно для мощных экскаваторов применяют трехсменную работу, для менее мощных и при сложной технологии горных работ - двухсменную.

Высокие технико-экономические показатели работы экскавато­ров достигаются при организации ремонтно-подготовительной смены. В этом случае экскавацию горных пород производят в пер­вые две смены, а в третью нерабочую для транспорта смену выпол­няют различные ремонтно-подготовительные работы: профилакти­ческий ремонт, переукладку железнодорожных путей, взрывные работы и т. п.

При расчете месячной производительности экскаватора учиты­вают время, необходимое для текущего и среднего ремонта экска­ватора. В зависимости от состояния ремонтной базы оно составляет от 2-3 смен до 2-5 суток.

При расчете производительности учитывают время, необходимое для годового ремонта экскаватора, составляющие от 20 до 70 суток, а также простои из-за праздничных и выходных дней, переводов экскаваторов из одного забоя в другой, климатических условий. В среднем экскаваторы находятся в работе 240-280 дней в году (табл. 23).

Средние фактические значения производительности экскаваторов на железорудных и марганцевых карьерах Украины приведены в табл. 24.

Максимальная годовая производительность экскаваторов зна­чительно выше средней. Наибольшая годовая производительность экскаватора ЭКГ-4,6 на карьере ЮГОКа в 1968 г. составила на руде 1200 тыс. м 3 , против средней по карьеру 917 тыс. м 3 .

Определяющими элементами передовых методов работы маши­нистов экскаваторов являются:

тщательный уход за экскаватором и содержание его в исправном состоянии;

рациональное распложение экскаваторов в забое, обеспечива­ющее быстрое наполнение ковша, минимальный угол поворота при разгрузке и наименьшее число передвижек экскаватора;

применение эффективных приемов черпания и совмещение во времени отдельных операций рабочего цикла.

Расчет производительности экскаватора нужен для грамотного планирования работ. На стадии планирования проекта нужно знать количество машин, сроки решения ими задач.

Расчет производительности экскаватора. Варианты

Для расчета производительности есть два способа: опыт и данные справочников. Мы в нашей компании представляем, на какие объемы можно рассчитывать по каждой единице техники. Вы можете проконсультироваться, позвонив нам. Или воспользоваться справочниками для составления смет, например, московскими ТСН-2001 (Территориальные сметные нормативы для Москвы):

для грунтов 1-3 категории на разработку 100 куб.м. грунта навымет (в отвал) гусеничным гидравлическим экскаватором с ковшом 1,0 куб. м. (например, Hitachi ZX 200, JCB JS 220) требуется 2,2195 маш-ч., тогда:

• производительность экскаватора за 8-часовую рабочую смену навымет составит -
• ~ 360 куб. м.
• производительность экскаватора с погрузкой в самосвалы составляет -
• ~ 300 куб. м.

По нашему опыту следующие данные. Ковш «обратная лопата» служит для рытья траншей и котлованов. Производительность выработки грунта в отвал при оптимальных условиях работы составляет 350 - 400 куб. м. в смену за 8 часов. Выработка меняется от глубины копания, при максимальной отметке уменьшается на 20%. Сложная геометрия земляных работ, а также необходимость погрузки грунта уменьшает производительность на 10 - 15 %.

К более простым операциям относится погрузка грунта с отвала. При грамотной диспетчерезации самосвалов выработка находится в пределах 500 - 600 куб. м.

Главной землеройно-транспортной машиной в мире является экскаватор. В настоящее время существенно увеличилось производство экскаваторов с обратной лопатой. Как проявление универсальности, многие фирмы начали производство экскаваторов-погрузчиков

Расширение типоразмерного ряда

Экскаваторы работают в основном с погрузкой грунта, каменной породы и руды в автотранспортные средства, поэтому их классификация может быть привязана к грузоподъемности автомобилей-самосвалов. Среди автомобилей-самосвалов можно выделить:

• автомобили-самосвалы с шарнирно-сочлененной рамой грузоподъемностью 22-36 т (типа МоАЗ-7505 и БелАЗ-7540 и 7548);
• автомобили-самосвалы грузоподъемностью 14-20 т (типа КамАЗ-53229, КамАЗ-65111, МАЗ-5516, КрАЗ-65034);
• автомобили-самосвалы грузоподъемностью 9-13 т (типа КамАЗ-55118, КамАЗ-55111, МАЗ-5551,КрАЗ-6510);
• автомобили-самосвалы грузоподъемностью 5-8 т (типа ЗИЛ-ММЗ-4508, КамАЗ-55102);
• автомобили-самосвалы грузоподъемностью 2,5-4 т (типа ЗИЛ-САЗ-1503, ГАЗ-САЗ-3507, ГАЗ-САЗ-4509).

Выбор емкости ковша экскаватора обычно производят по простейшей зависимости - из условия выгрузки в кузов автомобиля-самосвала 4-6 (5) ковшей грунта.

При погрузке разрабатываемого экскаватором грунта в автомобиль-самосвал для реализации производительности экскаватора необходимо, чтобы до отхода одного самосвала уже был готов к приему грунта следующий. Кроме того, определенное снижение производительности экскаватора наблюдается из-за увеличения цикла его работы (включающего время подвода ковша к забою, набора грунта, поворота экскаватора к самосвалу, подвода ковша к самосвалу, разгрузки ковша, поворота экскаватора от самосвала к забою) при выгрузке грунта в кузов самосвала.

Источник фото: сайт

В таблице 1 представлены: зависимость выбора вместимости основного ковша экскаватора от грузоподъемности и вместимости автомобиля-самосвала, длительность цикла экскаватора и рекомендуемая расчетная производительность. Фактически, как будет показано дальше, каждый типоразмер экскаватора имеет не один, а несколько сменных ковшей различной вместимости (емкости с шапкой) для разработки и погрузки материалов различного объемного веса.

Таблица 1

* средняя длительность цикла, принятая для расчета производительности

Отдельной графой выделены мини-экскаваторы с ковшом вместимостью менее 0,2 м 3 (от 0,01 до 0,15 M3), применяемые для прокладки коммуникаций.

В таблицу не попали экскаваторы с емкостью ковша более 4 м 3 которые используются в основном на разработке и погрузке скальной породы и руд и к которым относятся почти все экскаваторы с ковшом - прямая лопата.

В таблице 2 представлена номенклатура экскаваторов на гусеничном и колесном ходу с ковшом вместимостью от 0,2 до 4,0 м 3 основных мировых и отечественных производителей. В таблице 3 представлена номенклатура мини-экскаваторов (компакт-экскаваторов) с ковшом вместимостью менее 0,2 м 3 основных мировых производителей; в России и странах СНГ мини-экскаваторы не выпускаются.

Экскаваторам на базе пневмоколесных тракторов (включая экскаваторы-погрузчики), пользующимся сегодня во всем мире повышенным спросом, будет посвящена отдельная статья.

Источник фото: сайт

Данные таблиц 2 и 3 показывают, что ведущие мировые производители экскаваторов уделяют большое внимание расширению типоразмерного ряда и номенклатуры этих машин, т.е. основной тенденции развития строительной техники в условиях рыночной экономики. Производители экскаваторов России и стран СНГ пока по этому показателю значительно уступают. Следует отметить только достаточно широкий ряд моделей экскаваторов Тверского ЭЗ.

Также различные наибольшие значения имеют глубина копания, радиус копания и высота выгрузки, которые определяются длиной стрелы и рукояти. Так, например, на колесных экскаваторах М312 -М320 фирмы "Caterpillar" применяются стрелы: моноблочная и с бесступенчатой регулировкой длины, и рукояти: короткая, средняя, среднедлин-ная, длинная и сверхдлинная, т.е. длиной от 1,6 до 3,0 м.

Таблица 2. Номенклатура мини-экскаваторов на гусеничном ходу

Разнообразие рабочего оборудования - залог многофункциональности

Третья тенденция развития экскаваторов - многофункциональность техники. Кроме ковшей различной вместимости, современные экскаваторы имеют и другое рабочее оборудование.

Экскаваторы фирмы "Komatsu" имеют сменное рабочее оборудование:

• ковши различной вместимости;
• вращающиеся ударные головки;
• виброуплотнители;
• гидравлические молоты;
• клещи для разрушения бетонных конструкций;
• ножницы для разрушения металлоконструкций.

Экскаваторы фирмы "Caterpillar" имеют:

• блок быстрой смены рабочего оборудования;
• ковши общего назначения, скальные и опрокидные, с прижимом;
• грейферы для строительных работ, клещи для дробления и сноса строений, для мусора и другие;
• механические навесные ножницы;
• гидромолоты;
• виброплиты;
• бетонолом;
• бетоноизмельчители;
• бурильный молоток и шнеко-вый бур;
• механический распылитель.

Экскаваторы фирмы "Hitachi" имеют сменное рабочее оборудование:

• ковши различной вместимости;
• грейферы двух типов;
• клещи для разрушения бетона;
• ножницы для резки металла;
• измельчитель кусковых материалов: камня, бетона;
• разрушитель дорожного асфальтобетонного покрытия;
• магнитный подъемник металлолома;
• вильчатый и другие захваты;
• захват для металлолома;
• шнековый бур;
• свайный копер;
• захваты для лесоматериалов.

Экскаваторы фирмы "Case" имеют сменное рабочее оборудование:

• 6 типов ковшей;
• 8 типов грейферов.

Экскаваторы фирмы "Unex" имеют сменное рабочее оборудование:

• ковши 7 типов;
• рыхлительный зуб;
• трамбующее оборудование;
• гидромолот;
• магнит;
• грейферы 6 типов;
• крюк.

Указанное оборудование обеспечивает выполнение большого перечня земляных, погрузочных, строительных, конструкционных и ремонтных работ в промышленном, химическом, дорожном, мелиоративном и других видах строительства.

Обновление классических экскаваторов

Классические экскаваторы и сегодня остаются группой строительных машин, которая постоянно развивается. Практически все ведущие фирмы-производители экскаваторов ежегодно предлагают на рынке новые модельные ряды и новинки техники.

Источник фото: сайт

Komatsu с 2002 г. предлагает новую "7" серию экскаваторов, имеющих повышенную производительность, надежность, долговечность и сниженный эксплуатационный расход. Эти машины имеют более мощные двигатели, более высокие усилия резания и быстродействия рабочего оборудования, повышенную прочность стрелы и рукояти, облегченный запуск двигателя за счет введения подогревателя, мощного стартера и аккумулятора большей емкости. Уменьшена вибрация пола кабины, введено повышенное давление воздуха в кабине для препятствования попаданию пыли; введена новая система диагностики узлов машины и система охраны от угона.

Case предлагает с 2001 г. новый модельный ряд гусеничных экскаваторов (13 моделей), являющийся результатом сотрудничества с фирмой "Sumitomo" (Япония). Новый модельный ряд характеризуется:

• электронным управлением двигателя, оптимизирующим мощность, снижающим расход топлива на 20-30%, повышающим экономичность и рентабельность эксплуатации, снижающим выброс вредных веществ в выхлопных газах;
• новой системой фильтрации масла в гидросистеме, обеспечивающей очистку масла от частиц размером до 1 мк и увеличивающей длительность работы масла в гидросистеме до 5000 ч;
• увеличением длительности работы масла в двигателе до 500ч;
• кабиной оператора, обеспечивающей высокий уровень комфорта;
• применением универсальной сцепки для рабочего оборудования.

Колесные экскаваторы фирмы "Case" (WX90 и WX120) имеют наивысшую в данном классе маневренность (до 30 км/ч), привод на передние колеса, на обе оси и крабовый ход. Применение тихоходных двигателей со сдвоенной мощностью позволяет работать на меньшей мощности на режимах холостого хода и малых загрузках, что уменьшает шум и расход топлива.

Источник фото: сайт

Caterpillar в 2002 г. предложил новую серию экскаваторов "С" (320С, 325 CL, ЗЗОС, М312С, М315С и др.). Новые модели поставляются с прямой стрелой плавно-изменяемой длины, со стрелой ступенчато-изменяемой длины, с удлиненной стрелой и рукоятью. Машины серии "С" по сравнению с экскаваторами серии "В" имеют: на 6% меньшую длительность рабочего цикла благодаря увеличению мощности двигателя на 5-10% и увеличению на 10-15% гидропотока в гидросистеме привода рабочего оборудования. Это обеспечивает, в конечном итоге, увеличение производительности на 5-15%. Улучшена обзорность в кабине оператора, упрощено управление и обеспечено более эргономичное расположение джойстиков управления. Увеличено пространство для ног оператора, установлено настраиваемое (по параметрам человека) подрессоренное кресло оператора. Введен климатический контроль воздуха в кабине.

На машинах применены 6-цилиндровые дизельные двигатели с электронной системой впрыска и турбонаддувом. Эти двигатели имеют большую надежность, малую потребность в ТО, экологичны, экономны благодаря снижению оборотов в режимах холостого хода и при снижении нагрузки.

Hitachi переходит на выпуск экскаваторов новой серии "ZX" (ZAXIS). Серия характеризуется по сравнению с машинами ЕХ:

• большей скоростью передвижения и поворота за счет использования трехнасосной гидросистемы;
• комфортабельной кабиной с автоматической системой кондиционирования;
• увеличенной долговечностью шарниров ковша, лучшей смазкой и стойкой окраской;
• меньшей трудоемкостью ТО, более редкой необходимостью смазки и смены масла.

Volvo приступила к выпуску экскаваторов новой серии "В", имеющих:

• новые 6-цилиндровые дизели с турбонадувом;
• гидросистему с минимальными усилиями управления и повышенными скоростями движения ковша и поворота, повышающую производительность машин;
• усовершенствованную кабину, повышающую комфорт и удобство работы оператора за счет снижения шума и вибрации, введения эффективной системы вентиляции, применения эргономичного регулируемого сиденья и удобного рычага управления;
• систему диагностики узлов машины (Service Contronic);
• новую электронную систему управления и контроля, включающую компьютер и обеспечивающую высокую точность балансировки мощности двигателя, гидравлики и других систем;
• ряд решений по повышению долговечности и надежности деталей и узлов машины: хромированные оси, встроенные в гидроцилиндры деленферы.

Daewoo выпустила на рынок новую пятую (V) серию экскаваторов ("Solar"), отличающуюся тем, что:

• гусеничные модели 290LC-V и 300 LC-V выпускаются также с супердлинной стрелой, увеличивающей глубину копания до 15,45 и 17,44м;
• колесные модели 170W-V и 200W-V выпускаются с моноблочной стрелой и стрелой с изменяемой геометрией, что увеличивает глубину и радиус копания, высоту выгрузки.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что развитие экскаваторов у различных производителей задевает, в основном, общие направления: повышение производительности и снижение затрат времени на транспортирование, повышение надежности, долговечности и комфортности работы оператора. В итоге больше отдача и меньше затрат.

Таблица 3. Номенклатура экскаваторов на гусеничном и колесном ходу

Количество работы, выполняемой агрегатом за определенный промежуток времени. При расчетах ее разделяют на теоретическую, техническую и эксплуатационную.

Теоретическая производительность - это условная часовая выработка, которой машина может достигнуть в нормальных условиях работы при расчетных рабочих скоростях. В общем виде (при угле попорота платформы экскаватора 90°) она может быть представлена формулой:

где: W теop - теоретическая производительность (в м3/час), q - емкость ковша (в м3), Т ц - минимальная продолжительность цикла при средних условиях работы экскаватора (в сек.).

Продолжительность рабочего цикла Тц составляет целый ряд отдельных операций, т. е.

Т ц = t к +t р +t д +t т +t в +t" р +t" д +t" т +t п +t" п

где: t к - продолжительность копания (в сек.), t р - продолжительность разгона с нагруженным ковшом (в сек.), t д - продолжительность равномерного движения с нагруженным ковшом (в сек.), t т - продолжительность торможения с нагруженпым ковшом (в сек.), t в - продолжительность разгрузки ковша (в сек.), t" р - продолжительность разгона с порожним ковшом (в сок.), t" д - продолжительность равномерного движения с порожним ковшом (в сек.), t" т - продолжительность торможения с порожним ковшом (в сек.), t п - полное время поворота в забой (в сек.), t" п - полное время поворота на выгрузку (в сек.).

Техническая производительность - наибольшая возможная выработка машины за час непрерывной работы в определенных условиях. Отличается она от теоретической производительности учетом свойств грунта и размером забоя, в которых используется экскаватор. Влияние свойств грунта сказывается на том, что во время отделения от массива стружки групт разрыхляется. Поэтому объем ковша заполняется меньшим объемом групта, чем по исчислению в плотном теле. Учитывается влияние свойств грунта па заполнение ковша. Кроме того, если угол поворота платформы экскаватора не равен 90°, то необходимо учитывать изменение длительности никла.

На длительность цикла, а следовательно, и на техническую производительность экскаватора влияет следующее:

1. категория грунта (чем категория грунта выше, тем труднее его разработка);
2. погодные условия (в зимнее и позднеосеннее время уменьшается наполнение ковша мерзлым грунтом в связи с налипанием его на ковш и намерзанием на нем);
3. организация работы и квалификация машиниста-экскаваторщика.

Техническая производительность определяется формулой:

где: W тех - техническая производительность, измеряемая в м3/час в плотном теле, Т цт - продолжительность цикла работы экскаватора в забое (в сек.); определяется хронометражем или принимается равной Т ц с учетом условия работы, К н - коэффициент наполнения ковша грунтом, K р - коэффициент, которым учитывают увеличение объема грунта вследствие разрыхления, q - емкость ковша.

Коэффициент К н наполнения ковша - это отношение объема разрыхленного грунта, набранного в ковш, к емкости ковша; он зависит от конструкции ковша и условий работы экскаватора; значение коэффициента наполнения приведено в табл. 11 .

Таблица 11 . Значение коэффициентов технической производительности одноковшовых экскаваторов

Сменная производительность экскаватора определяется: за смену, месяц или год с учетом вспомогательного времени и всех простоев экскаватора по следующей формуле:

где величины q, К н, К р и Т цт те же, что и в формуле технической производительности, W - эксплуатационная производительность (в м3) п определенный период времени, К и - коэффициент использования экскаватора по времени за рассматриваемый период работы (за смену, месяц или год).

Работа экскаватора в течение смены сопровождается некоторыми потерями времени Т пр на передвижки, ремонт, смазку, набор воды и топлива и пр. При определении сменной производительности потерянное время Т пр вычитается из общесменного времени Т, в результате чего получается чистое время работы экскаватора: Т ч = Т-Т пр.

Коэффициент К и - отношение чистого рабочего времени Т ч (и часах), затраченного на экскавацию грунта (копание, поворот, разгрузка в отвал и погрузка на транспорт), к полному времени Т (в часах) за определенный период работы экскаватора; в данном случае К и получим по следующей формуле:

К и = Т ч /Т

Если принять чистое время на экскавацию 6 часов, а длительность смены 8 часов, то:

К и = 6,8 = (),75.

Эксплуатационная производительность экскаватора - средняя производительность в данных условиях, при определенных грунте и забое, организации работ и эксплуатации агрегата. Этот показатель служит для назначения производственных норм и расчетов. Эксплуатационная производительность экскватора обычно ниже технической и теоретической. Однако передовики-экскаваторщики, используя все имеющиеся у них возможности, превосходят техническую и теоретическую производительность. Сезонная или годовая производительность экскаватора определяется по формуле:

Q = W∙P р м3/сезон или м3/год,

где: Р р - срок выполнения какой-либо работы по экскавации за определенный период в рабочих сменах или днях. Если в день предусматривается две или три смены, то умножается на 2 или 3.