Лекция № 15 Процесс выемки пород скреперами

1. Технологические параметры колесных скреперов

Колесные скреперы в процессе работы совершают выемку горной массы, ее перемещение и разгрузку на отвале (складе) или в транспортные сосуды; в последнем случае необходимы специальные бункера.

Большинство скреперов по способу загрузки скребковые (рис. 15.1). При этом загрузка мощных скреперов осуществляется, как правило, с подталкиванием их бульдозерам. Выпускаются также скреперы, у которых срезаемая скребком порода подается в ковш элеватором, являющейся его передней стенкой (рис. 15.1, б); их применение эффективно при разработке сыпучих пород. Мощные скреперы – полуприцепные с одноосными тягачами на колесном ходу. Максимальная скорость их достигает 40—60 км/ч при порожнем пробеге и 20—30 км/ч с грузом.

Прицепные скреперы с гусеничными тягачами из-за небольшой скорости движения (7—10 км/ч) применяются лишь при небольших расстояниях транспортирования (до 400—500 м), при плохих дорожных условиях и сложном рельефе.

Рисунок 15.1 Схемы загрузки ковша скребкового (а) и элеваторного (б) скреперов:

1 – ковш; 2 – режущая кромка ковша (лемех); 3 – заслонка; 4 – элеватор.

2. Процесс выемки пород скреперами

При подходе скрепера к забою ковш опускается, а передняя его заслонка поднимается. При движении по забою скребок срезает слой (стружку) породы толщиной t. В мягких и песчаных породах t= 0.2—0.3 м, в плотных и разрушенных породах t= 0.1—0.15 м. Длительность и путь загрузки определяется величиной t.

Степень наполнения ковша зависит от влажности пород. При выемке сухих песчаных пород полного наполнения ковша не происходит. Ковш наполняется «с шапкой» при выемке супесчаных и суглинистых пород естественной влажности (соответственно 4—12 и 8—18%). С дальнейшим увеличением влажности глинистых пород уменьшается их несущая способность. Так как удельное давление скрепера равно (1.15—1.2) величины давления воздуха в пневматических шинах, по условиям проходимости скрепера обычно невозможна разработка глинистых пород влажностью более 24—27% без предварительного осушения.

При использовании трактора-толкача в процессе экскавации плотных и разрушенных пород мощными скребковыми скреперами коэффициент наполнения ковша Кн.к возрастает на 10—12% (иногда на 20—30%), а время загрузки ковша сокращается на 30—50%; снижается также износ машины. Один толкач обслуживает два-четыре скрепера.

Большое влияние на загрузку ковша оказывает режим открывания и закрывания его заслонки. Высота поднятия заслонки уменьшается с увеличением Пэ. Закрывать заслонку начинают в то время, когда ковш загружен на 75—85% объема. Скреперными забоями является площадка, фронтальный откос или торец уступа (рис. 15.2, см. также рис. 15.1). В первом случае выемка породы производится горизонтальными слоями, а в остальных –наклонными. Использование забоя-площадки создает благоприятные условия для естественного оттаивания мерзлых пород в весенне-летний период. При выемке под уклон при фронтальном и торцевом забоях сокращается время загрузки ковша на 20—30%, так как наполнение его происходит быстрее благодаря увеличению толщины стружки и захвату части призмы волочения. Длина наклонного забоя часто принимается кратной пути загрузки скрепера и зависит от высоты разрабатываемого уступа Ну и угла наклона забоя αз. Величина αз не должна превышать 6--8° для песчано-глинистых и 10--12° для плотных пород. Оптимальный угол по условиям загрузки составляет 5—6° (8--10°).

Рисунок 15.2 Схема торцевого скреперного забоя:

1, 2, 3 – соответственно полосы скреперования, рыхления и транспортная.

Ширина скреперной заходки А (м) при торцовом забое равна ширине полосы скпеперования Вск (м) или может дополнительно включать транспортную полосу шириной Т для перемещения груженых и порожных скреперов, дренажную полосу Z, а при выемке разрушенных пород – также полосу рыхления плотных или полускальных пород Вр (cм. рис. 15.2).

Таким образом, в общем случае

А = Вск + Вр +Т + Z. (15.1)

Ширина полосы скреперования

Вск = n(bр +bг), (15.2) где n – число смежных проходов скрепера (обычно n = 2—4); bр – ширина полосы резания породы, (обычно равна ширине ковша скрепера bк); bг – ширина гребня высотой t между смежными проходами скрепера, м (bг = 0.5—1.5 м).

При наличии в заходке полос скреперования, рыхления и транспортной полосы скрепер после выемки наклонного породного слоя в полосе скреперования на глубину рыхления (0.5—1.5 м) проходит выемку разрушенной породы в полосе рыхления. Рыхлитель ведет подготовку породы к выемке в пределах бывшей транспортной полосы. Для проезда скреперов и других машин используются (после обработки грейдером) бывшая полоса скреперования, поэтому ширина всех указанных полос принимается одинаковой: Вск = Вр = Т. Ширина дренажной полосы Z = 2hк ctgαк, где hк – глубина водоотливной канавы ,а αк – угол ее откоса. При hк = 2—3 м Z = 5—7 м.

При разработке плотных и полускальных пород торцевыми забоями с использованием мощных скреперов ширина заходки достигает 50 м и более. Широкие заходки применяются и при забоях-площадках. При разработке россыпей ширина заходки достигает ширины или длины полигона. Ширина заходок при продольных забоях А = t или А = nt, где n – число стружек; t- толщина стружки.

В цикле скреперования основную часть времени (до 70—80%) занимает движение скрепера в грузовом и порожняковом направлениях. Это время определяется размерами карьера и отвала, местом выемки и складирования пород, уклонами дорог, схемой и скоростью движения агрегата.

Величины предельных уклонов скреперных коммуникаций приведены в таблице 15.1. Для обеспечения скорости движения скрепера не менее 15 км/ч на подъем в грузовом направлении последний не должен превышать 10—12%. Радиус скреперных кривых R (2.5—3) Rп, где Rп – минимальный радиус поворота скрепера. Значение боковых уклонов на кривых должны уменьшаться в 2 раза по сравнению с величинами, приведенными в таблице 15.1. Систематически должны осуществляться разравнивание, уплотнение, очистка и поливка скреперных коммуникаций.

Таблица 15.1 Предельные уклоны скреперных дорог

Скреперы	Подъем	Спуск	Боковой уклон
Прицепные с тракторной тягой: с грузом   порожняком   Полуприцепные с грузом и порожняком

Данные в числителе приведены в % , в знаменателе – в градусах

Отсыпка скреперных отвалов производится горизонтальными или наклонными слоями. Толщина слоев от 0.2—0.3 до 2—3 м. Разгрузка пород на наклоном прямом участке (уклон 10—20%) при максимальной толщине слоев и малой скорости движения скрепера позволяет сократить время, избежать сталкивания породы под откос бульдозером и обеспечить устойчивость отвала.

Для выбора модели скрепера и определения производительности заданной модели в конкретных условиях необходима оценка максимального суммарного сопротивления Wоб, преодолеваемого сопротивления тягачом в момент окончания наполнения ковша породой. Оно складывается из сопротивления движению скрепера, резанию породы, перемещения призмы волочения и наполнению ковша.

Сопротивление движению (кН) скрепера

W₁ = Gc ( ), (15.3) где Gc – масса скрепера с породой, т; - основное удельное сопротивление движению скрепера, кН/т ( = 1—1.5); - удельное сопротивление от уклона, кН/т; = gi (i -выражается в %).

Сопротивление резанию породы (кН)

W₂ = K_Fр b р t· 10³, (15.4) где К_Fр –удельное сопротивление резанию, МПа; bр и t – ширина и толщина срезаемой стружки, м (обычно bр = bк – ширина ковша).

Сопротивление при загрузке ковша (кН) обусловлены преодолением сил тяжести породы при ее движении вверх Wз и трения движения W₄ частиц породы между собой и стенками ковша:

W₃ + W₄ 10^-3 (1 +f) bр h рg, (15.5) где f- коэффициент трения движения частиц породы о стенки ковша и меду собой (таблица 15.2); h – высота заполнения ковша, м ( обычно h = 1.2—1.9 м и более); - плотность разрыхленной породы в ковше, кг/м³.

Таблица 15.2 Значение коэффициента f

При выемке песчаных пород и щебеночно-гравийной массы усилие резания составляет 20—25% общего сопротивления, а при глинистых породах – 60—75%.

Тяговое усилие скрепера Рт должно преодолевать общее сопротивление породы копанию (кН):

Рт Wоб = W₁ + W₂ + W3 + W₄ = Кр bк t· 10³ . (15.6) где Кр – удельное сопротивление породы копанию при скреперной выемке , МПа.

3. Производительность скреперов

Паспортная производительность определяемая по формуле(14.4), соответствует выемке при забое-площадке паспортной породы Пэ.с равен Пэ.п (таблица 15.3), перемещения ее по горизонтальному в плане и в профиле на расстоянии 100 м при беспрепятственной ее разгрузке горизонтальным слоем. Для каждого типоразмера скрепера указанным условиям соответствуют определенные расчетные (паспортные) толщина и площадь поперечного сечения стружки, скорость движения при разгрузке, длина ее пути и продолжительность (таблица 15.3)

Таблица 15.3 Показатели, характеризующие паспортную производительность скреперов

Эффективная производительность (м³/ч)

Qэф = 3600 Е Кн.к/(Тц Кр.к). (15.7)

Коэффициенты Кн.к и Кр.к зависят в основном от трудности экскавации и влажности породы. Среднее значение коэффициента разрыхления породы в ковше Кр.к и коэффициента наполнения ковша Кн.к при выемке скреперами пород естественной влажности приведены ниже.

Пэ.с ................................................................... До 2 2.5—3 3.5—4

Кр.к .................................................................. 1.15—1.2 1.25—1.3 1.3—1.4

Кн.к .................................................................. 0.95—1.10 0.85—0.95 0.75—0.85

Продолжительность рабочего цикла скрепера (с)

Тц = tз + tд.г + tд.п + tр.п + n₁tп.п + n₂tп = lз /vз + lд.г/vд.г + lд.п/vд.п + Kп.лlр/vр + n₁tп.п +n₂tп, (15.8) где tз – время загрузки ковша скрепера, с; tд.г и tд.п – соответственно время движения груженого и порожнего скрепера, с; tр.п – продолжительность разгрузочно-планировочных операций скрепера, с; tп.п – время одного переключения передач, с; n₁ – число переключений передач (n₁ = 2—6); tп – время одного поворота скрепера, с; n₂ – число поворотов скрепера за цикл его работы; lз, lд.г, lд.п, lр – соответственно длина пути при загрузке, с грузом, порожняком и при разгрузке скрепера, м; vз, vд.г, vд.п и vр – соответственно скорости движения скрепера при загрузке, в грузовом и порожняковом направлениях и при разгрузке, м/с; Кп.л – коэффициент, учитывающий относительную продолжительность планировки породы после разгрузки.

Длина пути (м) загрузки скрепера

lз = ЕПэ.сКн.кkп/(FпПэ.пKр.кkт) (15.9) где Пэ.с – действительный показатель трудности экскавации породы при выемке скрепером определенного типоразмера; Пэ.п – паспортный показатель трудности экскавации породы при выемке скрепером определенного типоразмера (при забое-площадке) ( см. таблицу 15.3); Fп – паспортная (расчетная) площадь поперечного сечения стружки, м² (см. таблицу 15.3); kт – коэффициент, учитывающий неравномерность толщины стружки (обычно kт =0.7).

Скорость движения скрепера при загрузке (м/с) может быть определена по формуле

vз = vз.п Кт.с Кс, (15.10) где Vз.п – паспортная скорость движения скрепера при загрузке, м/с (см. таблицу 15.3); Кт.с – Коэффициент, учитывающий тип тяги: для гусеничных и колесных тягачей соответственно Кт.с 1.0 и Кт.с 1.25; Кс – коэффициент, учитывающий изменение скорости движения в зависимости от трудности экскавации породы (таблица 15.4)

Таблица 15.4 Среднее значение коэффициента Кс

Продолжительность загрузки ковша скрепера (с) может приближенно определяться по формуле

tз = tэ.п [1 ], (15/1) где tэ.п – паспортная продолжительность загрузки ковша, с (см. таблицу 15.3); G`c – масса порожнего скрепера с тягачом, т; Рт.с – тяговое усилие скрепера, кН; _i – удельное сопротивление движению скрепера от уклона, кН/т, учитываемое при выемке породы торцовым или фронтальным забоем.

Расстояние транспортирования, число поворотов и переключений передач определяется технологической схемой работы скрепера.

При расстоянии перемещения до 0.5 км по временным дорогам средняя скорость движения полуприцепного скрепера с грузом может приниматься равной 2.5 м/с, а прицепного скрепера – 1.3 м/с; средняя скорость порожных скреперов этих типов соответственно равна 4,5 и 2 м/с. При увеличении расстояния транспортирования породы и использовании дорог с разными типами покрытия и профилем скорости движения полуприцепных скреперов необходимо определять по участкам с различными дорожными условиями или приближенно принимать равным скоростям движения автомобильных тягачей с полуприцепами.

Путь разгрузки скрепера составляет 10 -20 м, а скорость го движения Vр = 0.8—1.2 м/с. Коэффициент Кпл 2 при разравнивании горизонтальными слоями самим скрепером; при использовании для этой цели бульдозеров и разгрузке наклонными слоями Кпл 1.

Время одного поворота скрепера при изменении емкости его ковша от 2 до 15 м³ увеличивается с 15 до 30 с.