Исследование уровня энерговооруженности карьерных буровых станков отечественного и зарубежного производства

В общей технологии открытых горных работ при разработке месторождений, сложенных скальными породами, буровзрывные работы являются одним из основных производственных процессов.

Мировой опыт свидетельствует, что стоимость производства буровых работ в крепких породах на открытых разработках колеблется в пределах 16 – 36 % общей стоимости выемки одной тонны горной массы.

В то время как, директивные материалы Правительства РФ предусматривают в частности уменьшение расходов на проведение буровзрывных работ за счет снижения затрат на эксплуатацию станков с 40 – 45 % до 20 – 25 % на основе создания отечественных карьерных буровых станков высокого технического уровня.

Известно, что типоразмерный ряд отечественных станков вращательного бурения шарошечными долотами базируется на десятом ряде предпочтительных чисел (R 10) и предусматривается для бурения взрывных скважин условными диаметрами 100, 125, 200, 250, 320 и

400 мм, что, однако, не исключает применения других диаметров бурения, например 105, 115, 245, 270 мм [1].

В настоящее время в конструкциях отечественных и зарубежных станков шарошечного бурения можно выделить четыре принципиальные схемы вращательно – подающего механизма (ВПМ) [1,2]: – шпиндельную ; – роторную ; – патронную и роторно-шпиндельную .

В свою очередь, шпиндельная схема ВПМ у различных производителей карьерного бурового оборудования имеет системы подачи :

• -    канатно-полиспастную с приводом от гидроцилиндров в моделях буровых станков: СБШ–250МНА-32, СБШ – 250Д, СБШ – 320 (РФ), RD 20, TH-100, T130XD (с телескопической мачтой США), DM-M

(Швеция) или с приводом лебедок от электродвигателей постоянного тока в моделях: СБШ-270ИЗ, СБШС –250/270 – 32 (РФ) (рис.1);

Рис. 1. Шпиндельная схема вращательно – подающего механизма с канано–полиспастной системой подачи.

• -    цепную (втулочно-роликовую) с приводом от высокомоментных гидромоторов в моделях станков: М3В-04 MARION, T4W (США), HBM 120SP, HBM 185/200 VM, HBM 300 (с опорно – поворотным устройством (ОПУ) и механизмом подъема/опускания мачты по оси бурения) (ФРГ) (рис. 2);

  

  Рис. 2. Шпиндельная схема вращательно–подающего механизма с цепной (втулочно-роликовой) системой подачи.

  
  

• -    зубчато - реечную с приводом от гидромоторов в моделях: СБШ-160/200-40 (РФ), 35 – R, 39 – R (США) или от электродвигателей постоянного тока в моделях станков: 45 – R, 47 – R, 49 – R, 60 – R, 61 – R, 65 – R,67 – R, 320 XPC, 300XPC, 250XP – DL, 100 XP (США) (рис. 3) .

Рис. 3. Шпиндельная схема вращательно–подающего механизма с зубчато– реечной системой подачи.

Что касается роторной схемы ВПМ , то она может иметь только канатно-полиспастную систему подачи с приводом от гидроцилиндров в модели PV – 351 (Швеция) или с приводом постоянного тока посредством лебедок в моделях: БАШ – 250, БАШ – 320 (РФ) (рис. 4) .

РХ -ЗЯ                 гямегик НИЗ - ЯР

Рис. 4. – Роторная схема вращательно–подающего механизма с канатно– полиспастной системой подачи.

Известна также патронная схема ВПМ с поршневой системой подачи, (с нижним расположением вращателя) используемая в моделях станков: 3СБШ – 200 – 60 , 4СБШ – 200 – 40, 6СБШ – 200 – 32 (РФ) и канатно-полиспастной системой подачи с приводом лебедок от электродвигателей постоянного тока (с верхним расположением вращателя) в модели СБШ – 250К (РФ) практически не нашедшая применения на разрезах и карьерах РФ (рис. 5).

Рис. 5. Патронная схема вращательно – подающего механизма с поршневой системой подачи и канатно-полиспастной системой подачи

Рассматривая, конструкции известных роторно-шпиндельных схем ВПМ с различным расположением профильного вертикального вала (или профильной штанги) следует выделить с соосным и несоосным их расположением относительно оси бурения:

• -    с соосным расположением профильной штанги и с канатнополиспастной системой подачи лебедочного типа с гидрообъемным приводом в режиме бурения. И с приводом постоянного тока в режиме подъема бурового става в модели СБШ – 250 – 20 (РФ), разработанную СКБ СГО и изготовленную в одном экземпляре Воронежским заводом

горно-обогатительного оборудования и эксплуатировавшуюся до списания (всего около года) в железорудном карьере Михайловского ГОКа;

• -    с несоосным расположением профильного вала и цепной системой подачи (втулочно-роликовой) с приводом от электродвигателей постоянного тока в моделях буровых станков: RR11, RR15 - E (США) (рис. 6) .

Рис. 6. Роторно-шпиндельная схема вращательно-подающего механизма.

В шпиндельной схеме следует выделить положительные и отрицательные особенности [2]:

• -    к положительным особенностям относятся:- ход непрерывной подачи бурового става на всю длину штанги;- возможность применения штанг и долот различных типоразмеров; - удобство обслуживания и ремонта вращателя;

• -    к отрицательным: - ограничение высоты мачты (хода непрерывной подачи) обусловленное устойчивостью штанги (по Эйлеру) при бурении прочной породы; - ее недостаточной крутильной жесткостью при действии реактивного крутящего момента при бурении скважины.

Говоря о роторной схеме необходимо отметить:

• -    положительные особенности: - ход непрерывной подачи бурового става на всю длину штанги (до 24 метров); - облегченную мачту за счет отсутствия на ней реактивного крутящего момента при бурении скважины; - удобство обслуживания и ремонта вращателя; - штанга не нагружена крутящим моментом выше ротора;

• -    отрицательные: - не предусмотрено наклонное бурение; -возможна неустойчивость (по Эйлеру) бурового става под действием осевого усилия (действующего по всей его длине); - сложность или отсутствие процесса наращивания бурового става; - сложность конструкции профильной штанги и процесса ее взаимодействия с ротором, а также недостаточной изгибной жесткостью в транспортном положении.

Что касается патронной схемы ВПМ с поршневой системой подачи, получившей широкое распространение на карьерах и разрезах РФ, то к ее положительным особенностям следует отнести: - облегченную мачту за счет отсутствия в ней реактивного крутящего момента при бурении скважины; - штангу не нагруженную осевым усилием и крутящим моментом выше патрона; - удобство обслуживания и ремонта вращателя (за счет нижнего расположения его привода); - жесткость системы подачи. В то время как отрицательными особенностями патронной схемы являются: - прерывистость процесса бурения (за счет малого хода непрерывной подачи в один метр); - сложность конструкции ниппеля и муфты штанг; - наличие специальной лебедки подъема бурового става, то есть избыточность числа операций в цикле и, как следствие, значительные потери времени на вспомогательные операции.

У известных моделей буровых станков с роторно - шпиндельной схемой ВПМ следует отметить следующие положительные особенности: ход непрерывной подачи бурового става на всю длину штанги; возможность применения штанг и долот различных типоразмеров; более низкий вес единицы длины мачты (за счет частичной ее разгрузки от реактивного крутящего момента); удобство обслуживания и ремонта вращателя. Кроме того в роторно - шпиндельной схеме ВПМ с несоосным расположением вертикального профильного вала положительной особенностью является возможность применения практически любой известной трансмиссии (электрической, гидравлической или гидродинамической) для привода вращения бурового става.

Говоря, о роторно-шпиндельной схеме ВПМ:

• -    с соосным расположением профильной штанги относительно оси бурения следует выделить следующие отрицательные особенности : расположение приводного двигателя на каретке подвижного вращателя; при обслуживании и ремонте вращателя профильной штанги размещается в скважине; наличие в мачте подвижных электро - гидро коммуникаций; каркас мачты нагружен полным реактивным крутящим моментом на половину хода непрерывной подачи бурового става.

• -    с несоосным расположением вертикального профильного вала относительно оси бурения необходимо отметить следующие отрицательные особенности : каркас мачты частично нагружен реактивным крутящим моментом на полный ход непрерывной подачи за счет наличия редукции при передаче движущего момента от вертикального профильного вала к буровому ставу.

Анализ известных схем ВПМ показал, что в отдельно взятой конструкции станка этого ряда может быть использована только одна из вышеперечисленных, без возможности ее замены на другую, вследствие чего типоразмерный ряд отечественных карьерных буровых станков не может быть скомплектован по блочно - модульному принципу .

Выполненный нами ранее качественный анализ конструктивных особенностей схем вращательно - подающих механизмов карьерных буровых станков, показал, что на стадии проектирования для их сравнения одним из критериев может служить энерговооруженность в виде отношения установленной мощности силовой установки к его весу. Нами были выполнены расчеты величин энерговооруженности более чем для 20

моделей современных отечественных и зарубежных буровых станков в диапазоне веса от 40 до 150 тонн (рис.7, 8).

Расчеты показывают что наиболее энерговооруженными являются станки со шпиндельной схемой ВПМ зарубежного производства с энерговооруженность от 5,11 до 11,75 кВт/т в то время как станки отечественного производства имеют энерговооруженность всего от 2,17 до 6,4 кВт/т;

Анализ зависимостей, представленных на рис. 7 и 8 показывает, что у буровых станков со шпиндельной, роторной и роторно-шпиндельной схемами ВПМ с увеличением массы станка уровень их энерговооруженности падает, а у станков с патронной схемой - возрастает.

Рис. 7. Уровень энерговооруженности карьерных буровых станков отечественного и зарубежного производства.

Наименее энерговооруженными являются станки с роторной схемой ВПМ отечественного производства с энерговооруженность от 4,79 до 5,5 кВт/т в то время как станки зарубежного производства имеют энерговооруженность от 6,48 до 11,4 кВт/т веса станка;

Нерациональная конструкция мачты (до 2,25 т/пог. м мачты) и утяжеленный гусеничный ход отечественных буровых станков делают их не конкурентно способными по уровню энерговооруженности.

Для создания отечественного карьерного бурового станка высокого технического уровня удовлетворяющего требованиям директивных материалов Правительства РФ нами разработана новая роторно – шпиндельной схемы ВПМ, которая сохраняя преимущества известных шпиндельной и роторной схем, лишена их вышерассмотренных основныхнедостатков и позволит укомплектовать типоразмерный ряд отечественных буровых станков по блочно – модульному принципу.

коэффициент интерполяции

Рис. 8. Уровень энерговооруженности карьерных буровых станков отечественного и зарубежного производства.

111пинлс.11>ной схемой BUM

Нами предлагается выполнить рабочий орган бурового станка с нижним вращателем и с непрерывной подачей бурового става на всю длину штанги. При этом в мачте отсутствуют гидро/электокоммуникации (рис. 9).

Рис. 9. Принципиальная схема конструкции роторно - шпиндельного рабочего органа бурового станка с мачтой разгруженной от кручения.

Рабочий орган станка СБШ-250П предназначен для бурения взрывных скважин диаметрами до 250 мм в сухих и обводненных забоях с крепостью породы до 14 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

В мачте располагаются: сепаратор со штангами, механизм развинчивания, механизм разгрузки мачты от реактивного крутящего момента, люнет, механизм подачи и другое оборудование. Каркас мачты представляет собой сварную пространственную ферму. На нижней обвязке смонтированы механизм развинчивания, кондуктор, механизм подачи долот. Направляющие выполнены из квадратного профиля и крепятся болтами к нижней и верхней обвязкам, а также к поперечным поясам мачты (рис. 10).

Рабочий орган станка: а - магазин штанг в положении — «бурение»;

б - магазин штанг в транспортном положении.

Рис. 10. – Рабочий орган станка СБШ-250П.

При бурении вертикальной скважины гидравлические фиксаторы – 3 установлены в положении, при котором двуногая телескопическая стойка – 1 занимает вертикальное положение, а гидроцилиндры заваливания мачты – 2 удерживают её вертикальном положении. Перевод мачты в положение для бурения наклонной скважины осуществляется следующим образом:

• >    фиксаторы устанавливаются в положение свободного хода телескопа двуногой стойки;

• >    гидроцилиндрами заваливания устанавливают мачту в положение для бурения наклонной скважины;

• >    фиксаторы устанавливаются в положение стопорения телескопа двуногой стойки (рис. 11).

I - двуногая телескопическая стойка; 2 - гндроцнлнндры заваливания мачты;

3 — гидравлический фиксатор положения двуногой сгонки

Рис. 11. Конструкция системы фиксации мачты карьерного бурового станка

Перевод мачты в транспортное положение осуществляется гидроцилиндрами заваливания из положения для бурения вертикальной скважины при застопорённом телескопе двуногой стойки.

В рабочем положении мачта крепится гидравлическими фиксаторами положения двуногой стойки через каждые 5 градусов к вертикали в диапазоне 0 – 30градусов.

По мнению производителей бурового оборудования, сегодня самым высоким техническим уровнем обладает силовая установка бурового станка DM-H с энерговооруженностью 5,55 кВт/т принятая нами за базовую (рис. 12).

я ■ цситралынн'ыысацб ■ корвкмее юи#со (тамцикя); g сателлит; Н - «обили.

Рис. 12. Гидрообъемная силовая установка (базовая модель станок DM-H Atlas Copco)

Она содержит один двухвальный электромотор. На одном из валов которого установлена насосная гидростанция, а на другом винтовой компрессор. Энергия от насосной гидростанции (qд1, qд2) посредством распределительной гидроаппаратуры (золотников- распределителей) в зависимости от режима работы бурового станка передается либо мотору qм и гидроцилиндру вращательно-подающего механизма (режим бурения; свинчивания –развинчивания; наращивания става), либо аутригерам (режим горизонтирования), либо гидромоторам (qхп и qхл) бортовых передач станка (режим хода).

Недостатком гидрообъемной силовой установки базовой конструкции является значительный по величине поток циркуляции рабочей жидкости в регулирующих контурах в режимах:- бурения: (насос - дд2 - мотор- дм );- хода: ( насос - дд1 - мотор - дхп и насос -дд2 - мотор - дхл.)

Для устранения этих недостатков нами предлагается инновационная схема гидрообъемной силовой установки (рис. 13).

Рис. 13. Режимы работы гидрообъемной силовой установки (инновационная модель).

Гидрообъемная силовая установка инновационной конструкции работает следующим образом. Эпицикл дифференциала - Дд постоянно получает вращение от вала электродвигателя с момента его запуска и, своим эпициклом кинематически связан с эпициклами дифференциалов Дп и Дл. Водила которых связаны с правой и левой бортовыми передачами бурового станка соответственно, а центральные колеса замкнуты на гидромашины qп и qл. Водила дифференциалов Дп, Дл и Дд оснащены нормально замкнутыми тормозами Тп, Тл и Тд.

При бурении гидроцилиндры подачи коммутируются с насосом - qд2, а насос - qд1 с гидромашинами - qп и qл, которые работают в тормозном режиме, в режиме мотора или насоса. В тормозном режиме передача энергии от электродвигателя передается буровому ставу только механическим путем. В моторном режиме работы гидромашин qп и qл увеличивается скорость вращения бурового става, а в насосном уменьшается. В этих режимах буровой став получает энергию от электромотора двумя потоками мощности: механическим и гидравлическим, при этом тормоз – Тд разомкнут.

В режиме хода тормоза - Тп и Тл разомкнуты, а водила дифференциалов - Дп и Дл передают через конические входные пары крутящий момент ведущим звездочкам бортовых передач станка. При этом насосы qд1 и qд2 коммутируются с гидромашинами qп и qл соответственно, образуя регулирующие контура бортовых передач. Что позволит сократить поток циркуляции рабочей жидкости в регулирующих конурах в режимах: - бурения, свинчивания – развинчивания, наращивания става (рис. 13) и хода (рис. 14).

Камчу in а ция гидра машин

Компр

Деигатепь k l- X

- ь

Коммутация гидра машин

Долото

Режим хода

Рис. 14. Режимы работы гидрообъемной силовой установки (инновационная модель).

В режимах: - быстрого подъема (опускания) шпинделя; - подъема (опускания) мачты; - горизонтирования все тормоза нормально замкнуты, и все гидромашины силовой установки работают только в насосном режиме, резко увеличивая поток циркуляции рабочей жидкости (рис. 15).

Рис. 15. Режимы работы гидрообъемной силовой установки (инновационная модель).

Техническая характеристика карьерного бурового станка с инновационными конструкциями роторно – шпиндельного вращательно – подающего механизма и двухпоточной силовой установки диаметром бурения 250 мм, массой 85 тонн, энерговооруженностью 8 кВт/т с инновационными роторно – шпиндельным вращательно – подающим механизмом и двух поточной гидромеханической силовой установкой представлена на рис. 16.

Карьерный буровой станок с инновационной конструкцией роторного – шпиндельного вращательно – подающего механизма и силовой установки при одной и той же установленной мощности его силовой установки позволит иметь:

• >    в 1,6 -2 раза меньшую установленную мощность объемных гидромашин СУ и соответственно меньший объем циркуляции рабочей жидкости в системе ее кондиционирования (охлаждения);

• >    в 2 - 8 раз больший ресурс до замены масляных фильтров системы кондиционирования рабочей жидкости;

• >    практически безресурсную металлоконструкцию мачты за счет ее полной разгрузки от действия (статического и динамического) реактивного крутящего момента;

• >    запуск (разгон) маховых масс вращателя с заданной продолжительностью , как без осевой нагрузки на долото, так и под номинальной осевой нагрузкой ;

> мачту без подвижных гидро/электро коммуникаций .

Технических хари кт ер ист ика

Диаметр скважины максимальный, мм

Глубина бурения вертикальных скважин. ы. не менее

Угол наклона скважины к вертикали от 0 до 30 градусов

Верхний предел частоты вращения бурового става, об-'мин

Верхний предел усилия подачи, т, ж менее

Ход непрерывной подачи м

Способ подачи бурового инструмента

Скорость:

подачи при бурении подъема бурового става, имин

Способ пылспо давления

ПрОИИЮДИГеЛЬНОСТЬ компрессорной установки, м^мин

Давление сжатого 250 воздуха, атн

Скорость 32 передвижения станка км/час до

Наибольший угол передвижения при передвижении с pg опушенной мачтой.

‘ град

^ Удельное давление н грунт, кг/см-:

8 гусениц латагяагяигм*

™а.>т домкратов *МУ^-М*11**а!^о«

0 ♦ 3.0 Подводимое 0 + 30 наряжение, кВ в^о*и.*^ Устаноменкая

ГМ<ТК* МОЩНОСТЬ, кВт

32 Масса станка, т

Рис. 16. Техническая характеристика карьерного бурового станка СБШ-250П.

Реализация предлагаемого нами концептуального проекта позволит значительно повысить конкурентоспособность отечественного оборудования, особенно при его эксплуатации в экстремальных горно – геологических и климатических условиях.