Роторные экскаваторы

Начало широкого применения роторных экскаваторов относится к 1935-39 гг. К этому времени они утвердились на открытых горных работах в силу ряда преимуществ по сравнению с одноковшовыми экскаваторами, главные из которых - высокая производительность, меньшая металлоемкость и меньшая удельная энергоемкость.

Область применения роторных экскаваторов неуклонно расширяется как по виду выполняемых работ, так и по крепости разрабатываемых пород, горнотехническим и климатическим условиям карьеров. В настоящее время этот вид экскавационного оборудования применяется на открытых горных разработках, на строительстве плотин, каналов, дорог, а также при погрузке сыпучих материалов на крупных складах и перевалочных базах. Изготовлены и эксплуатируются роторные экскаваторы теоретической производительностью 70-12500 м³/ч в разрыхленной массе, с расчетным удельным усилием копанию 0,1-2 МПа. Выпуск роторных экскаваторов освоен странами СНГ, Германией, США, Чехией, а в последние годы также Польшей, Англией, Японией и Францией.

По выполняемым функциям в общем технологическом цикле открытых горных работ роторные экскаваторы подразделяются на карьерные и транспортно-отвальные комплексы со встроенными роторными экскаваторами. Область применения последних ограничивается месторождениями с пологим и относительно неглубоким (до 50 м) залеганием пластов.

По теоретической производительности в рыхлой массе роторные экскаваторы подразделяются на экскаваторы малой производительности (до 630 м³/ч), средней (630-2500 м³/ч), большой (2500-5000 м³/ч), сверхмощные (более 5000 м³/ч).

По величине развиваемого удельного усилия копания при максимальной теоретической производительности с нормальным усилием (до 0,7 МПа) и с повышенным усилием копания (более 0,7 МПа).

По способу отработки забоя роторные экскаваторы верхнего копания (с глубиной копания ниже уровня размещения машины не более половины диаметра ротора), верхнего и нижнего копания.

По способу подачи рабочего органа на забой роторные экскаваторы могут обеспечивать выдвижение стрелы с ротором (экскаваторы с телескопическими стрелами или стрелами на выдвижных тележках) или перемещение всей машины (экскаваторы с невыдвижными стрелами постоянной длины).

Общая конструктивная схема роторного экскаватора ЭР-1250.16/1.5Д приведена на рис. 2.21. Исполнительным органом роторного экскаватора является роторное колесо, оснащенное по окружности ковшами (черпаками). Ротор 1 вращается вокруг оси и его черпаки при этом зачерпывают горную породу. Двигаясь дальше, черпак поднимается и порода из него по разгрузочным поверхностям ротора высыпается на ленточный конвейер стрелы 2. Ротор и конвейер установлены на стреле, своей пятой опирающейся на поворотную платформу экскаватора, а
внешним концом подвешенной на тросах 3 к консольной ферме экскаватора.

Во время работы корпус экскаватора вместе со стрелой поворачивается вокруг вертикальной оси, благодаря чему ротор экскавирует породу по всей ширине забоя.

После каждого поворота экскаватора ротор вместе со стрелой выдвигается к забою на толщину стружки или к забою подходит на такую же величину весь экскаватор. Изменением длины подвески стрелы достигается отработка забоя по всей высоте.

Со стрелового приемного конвейера порода попадает через промежуточный на разгрузочный конвейер 7, с которого она грузится в транспортные сосуды или в отвал. Разгрузочная консоль имеет самостоятельную подвеску и может поворачиваться вокруг вертикальной оси в обе стороны, что позволяет производить погрузку породы при различных расстояниях от оси экскаватора до железнодорожных путей.

Балансировка экскаватора осуществляется подвижным противовесом, соединенным тросами с напорным механизмом стрелы таким образом, что при выдвижении стрелы противовес отходит от оси экскаватора, а при втягивании – приближается к ней. Ход и размеры подвижного противовеса выбираются так, чтобы при всех положениях стрелы балансировка экскаватора не нарушалась.

 Рабочее оборудование роторных экскаваторов

Рабочее оборудование включает в себя роторное колесо с черпаками, привод ротора и стрелу. Тип и основные параметры рабочего оборудования определяют производительность экскаватора, размеры отрабатываемого им блока и диапазон удельных сопротивлений копанию разрабатываемых пород.

Ротор по способу опорожнения может быть с гравитационной или инерционной разгрузкой. Первый способ разгрузки черпаков ротора основан на действии сил тяжести, а второй – сил инерции частиц разрыхленной породы. В большинстве случаев используется гравитационный способ разгрузки.

В гравитационных роторах частота вращения принимается такой, чтобы центробежная сила была меньше силы тяжести и не удерживала породу в черпаке. Частота вращения, при которой сила инерции равна силе тяжести, называется критической. В роторах с гравитационной разгрузкой частота вращения ротора принимается 0,45-0,55 от критической, а в роторах с инерционной разгрузкой – равной или больше критической. Испытания и расчеты показывают, что применение инерционных роторов, позволит значительно увеличить производительность экскаваторов, радиус их действия и снизить вес экскаватора и момент инерции ротора. Однако использование инерционных роторов затруднительно ввиду того, что при встрече быстровращающегося ротора с твердыми включениями он получает значительные повреждения, а также имеет повышенный износ режущих кромок черпаков.

Роторы с гравитационной разгрузкой по направлению подачи материала на приемный конвейер может быть с прямой (торцевой) или боковой разгрузкой. В первом случае продольные оси стрелы и ротора в плане совмещены, а при боковой разгрузке продольные оси стрелы и ротора в плане смещены. Причем боковая разгрузка может выполняться одно- или двусторонней.

В роторе с двусторонней разгрузкой порода из черпаков скользит по двум разгрузочным поверхностям на приемные ленточные конвейеры, находящиеся с двух сторон ротора и с них перегружается на конвейер, установленный на стреле. В таком роторе улучшаются условия разгрузки черпаков, меньше налипание породы на разгрузочные поверхности, равномернее нагрузка на стрелу, так как ротор установлен вдоль оси стрелы. Кроме того, уменьшается износ конвейеров ввиду меньшей высоты падения породы.

При боковой разгрузке часто осуществляют наклон оси ротора по отношению к оси конвейера в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что улучшает условия разгрузки без усложнения конструкции ротора.

Роторы с боковой разгрузкой по устройству разгрузочной части подразделяются на камерные, бескамерные и полукамерные (рис.2.22).

Камерные роторы могут быть с одинарными камерами (каждый ковш имеет свою камеру) и со сдвоенными камерами (на каждые два ковша одна камера).

Скорость скольжения породы по разгрузочной поверхности камерного ротора зависит от угла наклона этой поверхности к горизонту. Разгрузка породы из черпака возможна только в пределах разгрузочного угла, составляющего для камерных роторов 60-70^о (рис.2.22,а). Следовательно, число черпаков в роторе и частота его вращения выбираются так, чтобы за время прохождения черпаком разгрузочного угла порода из него успевала соскользнуть с разгрузочной поверхности на конвейер. Увеличение числа черпаков сопровождается увеличением диаметра колеса, достигающего 18 м у мощных экскаваторов, имеющих до 12 черпаков на роторе.

Усовершенствованием исполнительного органа является создание бескамерного ротора, у которого отсутствуют индивидуальные для каждого черпака разгрузочные поверхности. Их заменяет одна разгрузочная поверхность, выполненная в виде рольганга (или иначе). Порода заполняет ковш 1 и подковшовую полость, ограниченную с внутренней стороны сегментом 4. Как только черпак поднимается выше сегмента, порода высыпается из него на разгрузочную поверхность 5 (рис.2.22, б), а с нее на конвейер 7.

Угол разгрузки у бескамерных колес удается увеличить до 120° против 60-70^о у камерных. Кроме того, путь, проходимый породой по движущимся поверхностям ротора короче, чем у камерного, что позволяет значительно увеличить частоту вращения и повысить число опорожнений черпаков и скорость резания.

Комбинированный ротор (рис.2.22,в) имеет укороченные, недоходящие до центра колеса камеры. Поэтому черпаки вместе с подчерпаковой камерой образуют значительную емкость при малых размерах ротора, что повышает производительность экскаватора. Укороченные камеры облегчают разгрузку черпаков и придают достаточную жесткость и прочность ротору. Благодаря этому комбинированные роторы по прочности и жесткости конструкции приближаются к камерным, а по легкости разгрузки черпаков – к бескамерным.

Рис. 2.22. Роторы с боковой разгрузкой

а – камерный; б – бескамерный; в – полукамерный (комбинированный)

1 – черпак; 2 –роторное колесо; 3 – наклонная разгрузочная поверхность;

4 – сегмент; 5 – рольганг; 6 – желоб; 7 – приемный конвейер

Для приема материала из ковшей и передачи его на ленту конвейера роторной стрелы бескамерные и комбинированные роторы оборудуются приемно-питающими устройствами, имеющими различное конструктивное исполнение: неподвижный желоб, желоб с лопастными очистителями, поперечный ленточный питатель, рольганговый питатель, дисковый питатель, вращающийся корпус и др.

Неподвижный желоб является приемно-питающим устройством неактивного типа и засоряется при налипании породы к стенкам. С целью очистки желоба его снабжают лопастными очистителями.

Поперечный ленточный питатель устанавливается по оси ротора с наклоном в сторону стрелового конвейера Его недостатки – быстрый износ ленты и сбегание с барабанов при наклонном положении стрелы, что требует принятия специальных мер.

Рольганговый питатель состоит из комплекта роликов, вращающихся и наклоненных в сторону стрелового конвейера. Зазор между роликами минимальный с таким расчетом, чтобы порода не просыпалась между ними. Скорость вращения роликов возрастает в направлении ленточного конвейера.

Дисковый питатель обеспечивает большое число разгрузок черпаков в единицу времени, что позволяет достигнуть высокой производительности экскаватора при относительно небольших вместимости черпаков и диаметре ротора. Недостатком такого питания является громоздкость.

Во всех рассмотренных питателях порода поступает на конвейер под прямым углом к направлению движения ленты. Поэтому, порода скользит по ленте до тех пор, пока не приобретет той же скорости, что и лента. Это вызывает повышенный износ ленты. С целью предохранения длинной дорогостоящей ленты стрелового конвейера применяют промежуточный короткий, на который устанавливается лента с более толстым слоем резины, что увеличивает срок его службы.

Порода с промежуточного конвейера поступает на главный конвейер со скоростью, равной скорости ленты главного конвейера и совпадающей с ней по направлению. Кроме того, в месте перегрузки породы устанавливаются колосники, через которые мелкие куски породы попадают на ленту, защищая ее поверхность от ударов крупных кусков и тем самым, уменьшая ее износ.

Для снижения износа ленты стрелового конвейера предложен рольганговый питатель с коническими роликами. Двигаясь по ним, порода изменяет направление своего движения, и поступает на стреловой конвейер со скоростью, примерно равной скорости движения ленты.

Черпаки являются рабочей частью ротора и производят отделение породы от массива. На роторе кроме черпаков могут устанавливаться дополнительные рыхлящие ножи или пояса. Количество черпаков колеблется от шести до двенадцати и более. При малом числе черпаков нагрузка на ротор от сил резания резко колеблется, так как в контакте с забоем находится лишь один-два черпака.

Черпаки изготовляются клепаными, сварными или штампованными из листовой стали с зубьями или без них. Передняя и боковые кромки, являющиеся режущими, выполняются в виде съемных козырьков из марганцовистой стали. Козырьки привариваются, приклепываются или крепятся болтами к корпусу черпака.

Форма режущей кромки может быть арочной, прямоугольной или трапецеидальной. Боковая режущая кромка может иметь радиальное направление или быть наклонной (черпаки косого резания). Последние

получили наибольшее распространение. Скос боковых кромок обеспечивает отставание зубьев на козырьке друг от друга по дуге резания (рис.2.23).

Черпаки могут иметь жесткое или гибкое днище, а при инерционном способе разгрузки вовсе не иметь днища. Жесткое днище может выполняться сплошным или прутковым, а гибкое – цепным или кольчужным. Черпаки всех средних и крупных отечественных роторных экскаваторов снабжены цепными днищами. В верхнем положении черпаков цепи провисают внутрь, стряхивая с себя породу и предотвращая ее налипание на внутренние стенки черпаков и разгрузочные поверхности.

Привод ротора включает в себя электродвигатель, передаточный механизм и предохранительное устройство, защищающее рабочий орган от поломок в период перегрузок.

При компоновке привод может быть встроенным в ротор или иметь наружное размещение. Чаще используется наружное размещение привода на роторной стреле. Редуктор устанавливается на стреле жестко или на упругой подвеске, когда корпус редуктора с двигателем крепится к стреле ротора на упругом элементе, смягчающим динамические нагрузки при передаче их с рабочего органа на стрелу.

Привод может быть одно- или многоскоростным, причем последний – одноступенчатым или бесступенчатым (с дополнительным двигателем). По количеству двигателей привод выполняется однодвигательным или многодвигательным.

Предохранительное устройство изготовляется в виде фрикционных, гидравлических и электромагнитных муфт. Установка муфт производится либо на валу ротора, либо на промежуточном валу механической передачи, либо на валу двигателя.

В практике отечественного экскаваторостроения для привода ротора на экскаваторах производительностью 500-1000 м³/ч используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым или фазным ротором. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой и в рабочем диапазоне обеспечивают постоянную скорость при измерениях момента нагрузки.

Мягкая характеристика асинхронного двигателя с сопротивлением в цепи ротора при непрерывных изменениях нагрузки на ковшах ротора приводит к резким изменениям скорости двигателя, а это вызывает автоколебания роторной стрелы в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В случае многодвигательного привода двигатели должны быть однотипными и иметь совпадающие механические характеристики, иначе один двигатель окажется недогруженным, а другой – перегруженным.

На мощных экскаваторах в качестве силового оборудования для привода ротора устанавливаются двигатели постоянного тока, питание которых осуществляется от генераторов машинных агрегатов, размещенных на платформе экскаватора. Управление двигателями производится по системе Г-Д с электромашинными усилителями или силовыми магнитными усилителями.

На экскаваторе ЭРГВ-630 установлена система привода ротора ТПД (тиристорный привод). В ИГД им. А.А.Скочинского разработана гидромеханическая планетарная муфта ГПМ-320 (передаваемой мощностью 320 кВт) для привода роторного колеса экскаватора ЭР-1250. Такой привод смонтирован на экскаваторе, работающем на разрезе «Харанорский».

Разработан регулируемый гидротрансформатор с приводом от асинхронного двигателя для экскаватора ЭРШРД-5000. Регулирование осуществляется поворотом лопаток реактора гидротрансформатора.

Роторные стрелы могут иметь различную компоновку с уравновешивающим устройством (рис.2.24):

-       роторная стрела подвешивается к верхнем пролетному строению, на которой устанавливается фиксированный или подвижной противовес (рис. 2.24,а). Такой экскаватор имеет развитую по направлению к ротору пространственную ферму. Недостатком является большой вес и податливость конструкции;

-       роторная стрела выполняется в виде жесткого треугольника, состоящего из самой стрелы 5, пилона 3 и связи 4 постоянной длины (рис. 2.24,б). Через пилон роторная стрела подвешивается к жестко или шарнирно установленной на верхнем пролетном строении стреле 2 противовеса 1. Такой экскаватор не имеет развитой к ротору пространственной конструкции, так как она заменена пилоном. Для исключения изгибающих напряжений в корневом сечении стрела противовеса подвешена на канатах и закреплена в шарнире. Данная компоновка позволяет увеличить длину роторной стрелы, повысить общую жесткость машины и снизить вес экскаватора. Однако центр тяжести за счет наклонной стрелы противовеса находится выше, что ухудшает динамическую устойчивость экскаватора. Такая компоновка является в настоящее время наиболее широко применяемой;

-       роторная стрела 4 выполняется совместно с уравновешивающей стрелой 1 в виде коромысла. Они соединяются между собой через пилон 3, тяги 2 постоянной длины. Данная компоновка позволяет стабилизировать уравновешенность верхнего строения экскаватора и колебания удельного давления на грунт (рис. 2.24,в). По сравнению с предыдущим вариантом компоновки статическая и динамическая жесткость конструкции понижена за счет большой высоты расположения оси подвески качающейся части. Такая компоновка применена на роторном экскаваторе ЭРГВ-630.

Рис. 2.24. Компоновка роторных стрел с уравновешивающим устройством: а – стрела подвешена к верхнему пролетному строению;

 б – стрела выполнена в виде жесткого треугольника. 1 – подвижный противовес; 2 – стрела противовеса; 3 – стрела противовеса; 4 – связь; 5 – стрела ротора; в – стрела ротора 4 выполнена со стрелой уравновешивающего устройства 1 в виде коромысла; 2 – связи; 3 - пилон

Устройство для подъема и опускания стрелы может быть выполнено с контактными подвесками, гидравлическими цилиндрами или жесткими элементами постоянной длины, один конец которых для осуществления подъема стрелы перемещается в лебедках направляющих, находящихся на уравновешивающей стреле.

По типу металлоконструкций роторные стрелы могут изготовляться в виде пространственных ферм, трубчатыми или балочными. В последнее время стрелы выполняются в виде рамных конструкций, (при длине 7-15м) или решетчатых ферм. В случае использования ферм большого диаметра в качестве металлоконструкций роторной стрелы наиболее рациональной является компоновка при расположении ротора и его привода симметрично относительно стрелы.

Роторные стрелы могут быть с фиксированным креплением опоры и выдвижными. В последнем случае крепление опорной части роторной стрелы выполняется с опиранием на напорную тележку или опорные ролики. Подача стрелы на забой и обратно может осуществляться зубчато-реечным механизмом, винтовой парой или тяговыми лебедками. Первые два типа используются при малых ходах выдвижения (до 15 м), последний – при больших подачах (15-35 м).

Применение механизма подачи увеличивает на 20-25 % вес экскаватора, однако резко уменьшает неравномерность нагрузки ходового механизма. Для устранения смещения центра тяжести поворотной платформы при перемещении опорной части роторной стрелы напорная тележка связана с подвижным противовесом через систему канатов.