Забои роторных экскаваторов

Забой роторного экскаватора может быть продольным (фронтальным) или торцевым (рис. 22.2).

Фронтальный забой используется в редких случаях – при эксплуатации роторных экскаваторов на рельсовом ходу, а также при раздельной выемке. Работы ведутся с одно- и двухсторонним поворотом роторной стрелы при цикличном перемещении экскаватора вдоль уступа или без поворота стрелы при непрерывном перемещении экскаватора (рис. 22.2, а).

Торцевой забой типичен для роторных экскаваторов на гусеничном и шагающе-рельсовом ходу. Отработка его производится с непрерывным поворотом роторной стрелы в горизонтальной плоскости и периодическим – в вертикальной плоскости (рис. 22.2, б, г). Узкий торцевой забой применяемый в основном при раздельной выемке (см. 22.4), часто называют боковым забоем. При наличии соединительного моста или перегружателя панель включает ряд параллельных заходок, отрабатываемых при постоянном положении транспортных коммуникаций (конвейера или железнодорожных путей) вдоль фронта уступа (рис. 22.2, в).

Выемка породы в забоях производится вертикальными или горизонтальными стружками. По виду и последовательности отработки забоя различают выемку вертикальными однорядными (рис. 22.3, а) и многорядными стружками (рис. 22.3, б), горизонтальными стружками (рис. 22.3, в) и комбинированным способом (рис. 22.3, г, д ).

При выборе схемы выемки учитывается следующие факторы.

1. Выемка вертикальными стружками по сравнению с горизонтальными обуславливает увеличение высоты разрабатываемого уступа и кусковатости разрыхленных плотных пород.

2. Значение коэффициента забоя Кз наибольшее для схем б и г. При схеме а велики затраты времени на переезды экскаватора (при невыдвижной стреле – после выемки каждой стружки).

Рисунок 22.2 Схемы забоев и сквозных заходок роторных экскаваторов: а – фронтальный забой (1, 2 и 3 – схемы соответственно с поворотом экскаватора в обе стороны, в одну сторону и без поворота); б – торцевой забой в нормальной панели-заходке; в – то же, в широкой панели заходке или при наличии в панели ряда нормальных заходок; г – торцевой забой верхнего и нижнего черпания (1, 2 – схемы соответственно с последовательной и одновременной отработкой верхнего и нижнего подуступов).

Рисунок 22.3 Схемы выемки при верхнем черпании:

1 – 20 – последовательность выемки слоев.

Для выемки очередной горизонтальной стружки требуются операции перемещения экскаватора и наклона стрелы. При схемах в и д у подошвы остаются гребни, при выемке которых не обеспечивается наполнение ковшей.

3. Энергоемкость выемки, динамика нагрузок на ротор и удельное сопротивление породы копанию при выемке вертикальными стружками ниже (на 10 – 30%), чем горизонтальными, а удельное давление на грунт выше.

В мягких устойчивых породах целесообразна валовая выемка многорядными вертикальными стружками, особенно при работе мощных экскаваторов. Выемка комбинированными способами эффективна при неустойчивых породах (когда необходимо создать пологий откос уступа), при малой их несущей способности, при необходимости уменьшения кусковатости экскавируемой породы, а также при раздельной выемке тонких слоев.

При выемке с одной точки стояния экскаватором с выдвижной стрелой стружки в плане концентрические (рис. 22.4, а). Благодаря этому сохраняется постоянная толщина стружки tо в части забоя, ширина которой возрастает при выдвижении стрелы.

Рисунок 22.4 Схемы отработки забоя в плане: ₁, ₂, ......... _n – углы поворота стрелы экскаватора при последовательной выемке стружек

У роторных экскаваторов с невыдвижной стрелой стружки в плане серповидные (рис. 22.4, б). При этом толщина стружек переменная по ширине забоя, изменяясь по зависимости, близкой к косинусоидальной (t = tо cos ). Для эффективного наполнения ковшей по всей ширине забоя регулируют угловую скорость поворота роторной стрелы, изменяя ее обратно пропорционально косинусу угла поворота от оси движения экскаватора ( о/ cos ). Так как при = 90° скорость равна бесконечности, предел регулирования принимают равным двойной-тройной начальной скорости, что соответствует углу поворота 60 - 70°. Дальнейший поворот производится при постоянной скорости, что уменьшает производительность экскаватора. Для повышения величины Кз применяют схему отработки забоя с полным поворотом стрелы в сторону уступа лишь после выемки нескольких стружек, например четырех (рис. 22.4,в)

Основными параметрами стружек является ее высота h, толщина t и ширина b (рис. 22.5).

Рисунок 22.5 Элементы стружек: а – вертикальной; б - горизонтальной

Высота вертикальных стружек является высотой слоя выемки h. Обычно она постоянна и по условиям устойчивости слоя выемки находится в пределах h = (0.5 – 0.7)dр, где dр – диаметр роторного колеса. Так как время вспомогательных операций сокращается при уменьшении числа слоев, при заданной высоте уступа Ну необходима максимально возможная толщина слоя выемки.

Высота (длина) горизонтальных стружек также находится в пределах h = (0.5 - 0.7)dр при h = 0.7 dр высота слоя выемки равна примерно половине диаметра роторного колеса.

Толщина стружки зависит от величины угла наклона роторной стрелы , угла между режущей кромкой ковша и осью колеса, при невыдвижной стреле – от величины угла ее поворота в плане (рис. 22.4 и 22.5), при горизонтальных стружках, кроме ого и от угла откоса забоя αз. Максимальная толщина стружки tо, при принятой ее высоте определяется главным образом размерами ковшей и силовыми параметрами экскаватора. Практически толщина стружки выбирается в зависимости от экскавируемости пород и составляет для мощных экскаваторов 0.5 – 1 м.

Ширина стружки определяется скоростью поворота роторной стрелы, частотой вращения роторного колеса и числом его ковшей (м):

b = Vп/(nч nр). (22.1) где Vп – линейная скорость поворота стрелы (по режущей кромке ковша), м/мин; nч – число ковшей роторного колеса; nр – частота вращения роторного колеса в минуту.

Основными линейными параметрами забоя роторного экскаватора помимо высоты слоя выемки h является высота уступа Ну, ширина заходки А, углы откоса уступа α и забоя αз (см. рис. 22.5).

Рисунок 22.5 Схема к расчету торцевого забоя роторного экскаватора

При выемке вертикальными стружками максимальная высота уступа (м)

Ну max = Lс sin в+ c + h – 0.5dр, (22.2) где Lс – длина роторной стрелы, м; с – высота закрепления опорного шарнира стрелы, м; в – угол подъема стрелы экскаватора, градус.

При выемке горизонтальными стружками возможная высота уступа меньше на величину h.

Угол откоса уступа принимают в соответствии с физико-техническими

характеристиками разрабатываемых пород (таблица 22.1)

Таблица 22.1 Ориентировочные значения углов откоса уступов, разрабатываемых роторными экскаваторами

Роторные экскаваторы	Угол откоса уступа, градус, при его высоте, м
С нормальным усилием копания С повышенным усилием копания

С увеличением α возрастает ширина заходки, а поэтому и величина Кз; например, при увеличении α с 35 до 45° (Ну = 28 м) коэффициент Кз увеличивается на 3 – 5.5%. Угол откоса забоя αзпо условиям краткосрочной устойчивости в большинстве случаев может быть на 5 - 10° больше угла откоса уступа.

Максимальная ширина заходки роторного экскаватора с невыдвижной стрелой

Аmax = (Lc cos в + α) sin в + (Lc cos +α) sin н - (Hу – h) ctgα (22.3) где α – расстояние от опорного шарнира роторной стрелы до оси вращения экскаватора, м; в – угол поворота роторной стрелы в сторону уступа при отработке верхнего слоя, градус; н – угол поворота стрелы в сторону выработанного пространства при отработке нижнего слоя, градус; в и н – углы соответственно подъема и наклона стрелы.

Уменьшить ширину заходки по сравнению с максимальной при Ну = Ну max возможно только уменьшением угла поворота роторной стрелы в сторону выработанного пространства при выемки каждого слоя. Уменьшение угла поворота стрелы внутрь заходки ведет к превышению конструктивно заданного угла встречи роторного колеса с откосом уступа или увеличению угла откоса уступа, что в большинстве случаев неосуществимо. По условию Кз = max предпочтительна максимальная ширина заходки.

При фронтальном забое (см. рис. 22.2) величина периодического перемещения экскаватора вдоль уступа

А (Lc cos в + а) sin /2) 1.5(L cos н + а), (22.4) где = 50 - 60° - угол рабочего поворота роторной стрелы.

Рисунок 22.6 Схемы к определению длины забойного блока роторного экскаватора: а – по габаритам ходовой части; б и в – по расположению роторной стрелы при выемке соответственно вертикальными и горизонтальными стружками

Максимальная длина забойного блока Pmax (м) при выемке роторным экскаватором ограничивается расположением ходовой части или роторной стрелы экскаватора относительно забоя.

По первому условию (рис. 22.6, а)

P`max = Lсcos в + a – 0.5 ℓх -(Hу – h)ctgα – e - ; (22.5)

по второму условию:

при выемке вертикальными стружками (рис. 22.6, б)

P`max = (0.5dр – g/cos в)ctg в; (22.6)

при выемке горизонтальными стружками (рис. 22.6, в)

P``max 2[ ], (22.7) где ℓх – длина ходового устройства, м; е – допустимый зазор между ходовой частью и нижней бровкой уступа, м (е = 1 – 1.5 м); - поправка на кривизну нижней бровки уступа, м (для мощных экскаваторов 1.5 м); g – допустимое расстояние от продольной оси роторной стрелы до верхней бровки нижележащего слоя, м.

С увеличением длины забойного блока Р при выемке вертикальными стружками коэффициент Кз возрастает; при Р > 0.6dр этот рост практически незначителен. При горизонтальных стружках Кз уменьшается при Р > (0.4 – 0.5)dр; кроме того величина Р ограничена длиной стружек.