Zwałowarka ZGOT-15400.120 - maszyna nowej generacji przekazana do eksploatacji w KWB "Bełchatów" SA O/Szczerców

Wstęp

29 grudnia 2004 roku w KWB "Bełchatów" SA przekazana została do eksploatacji do O/Szczerców zwałowarka ZGOT-15400.120. Zwałowarka ta została zaprojektowana, wykonana i zmontowana całkowicie siłami krajowymi. Generalnym wykonawcą zwałowarki było konsorcjum utworzone przez Fabrykę Maszyn i Urządzeń FAMAK S.A. z Kluczborka oraz SKW Biuro Projektowo-Techniczne, Sapkowski, Kanczewski, Wocka Sp.j. ze Zgorzelca. Przy realizacji tego zadania inwestycyjnego FAMAK S.A. przejął całokształt obowiązków związanych z wykonawstwem ca 2.400 ton, generalną dostawą, montażem i rozruchem, a SKW Biuro Projektowo-Techniczne przejęło obowiązki Generalnego Projektanta.

Projekt części maszynowo-konstrukcyjnej oraz nadzór nad wykonawstwem i montażem realizowało SKW Biuro Projektowo-Techniczne. Projekt części elektrycznej i sterowania oraz nadzór nad wykonawstwem i montażem zrealizował zespół projektowy z IGO Poltegor Wrocław. Projekt oprogramowania i wizualizacji oraz uruchomienie zwałowarki wykonał Zespół Opracowań Dokumentacji Elektrycznej i Automatyzacji FAMAK S.A. z Bytomia.

Zdjęcie 1. Widok ogólny zwałowarki.

Głównymi podwykonawcami konsorcjum byli:

• Zakład Produkcyjno-Remontowy KWB "Bełchatów" SA, który zrealizował:
  - montaż części maszynowo-konstrukcyjnej zwałowarki o masie ca 2.800 ton,
  - dostawy: m.in. 8 szt. gąsienic, mechanizmu obrotu z łożem kulowym, elementów całego układu transportowego (krążniki, bębny oraz zespoły kół linowych dla obu wciągarek) łącznie o masie ca 900 ton.

• Zakłady Remontowe Energetyki Katowice, które zrealizowały m.in.:
  - montaż części elektrycznej,
  - montaż części maszynowo-konstrukcyjnej podawarki o masie ca 700 ton.

Prace związane z zaciąganiem i wulkanizacją taśm przenośnikowych wykonali pracownicy Ruchu KWB "Bełchatów" SA.

Założenia techniczno-technologiczne oraz główne wymogi dla pracy zwałowarki zostały opracowane przez KWB "Bełchatów" SA i ujęte w umowie konsorcjalnej.

Zwałowarka ta należy do grona największych samojezdnych zwałowarek stosowanych w światowym górnictwie odkrywkowym, zaliczana jest do maszyn o wydajności dobowej 260.000 m³.

W dniach 8-9.09.2004 r. zwałowarka przeszła w Odkrywce Szczerców z wynikiem pozytywnym próbę wydajności osiągając max wydajność Q=16.230 m³/h, tzn. wydajność o ponad 800 m³/h wyższą od wymaganej umownie wydajności Q=15.400 m³/h.

Rys. 1. Schemat zwałowarki z podstawowymi wymiarami.

Dane techniczne

Najważniejsze dane techniczne zwałowarki:

• wydajność teoretyczna 15.400 m³/h
• promień zwałowania (liczony od osi obrotu do osi bębna zrzutowego, max) 120 m
• wysokość zwałowania, max 30 m
• zakres pracy poszczególnych zespołów maszyny:
  - wysięgnik zrzutowy zwałowarki względem podawarki (mostu) ±105^o
  - wysięgnik t.1 względem (mostu) t.2 ±90^o
  - wysięgnik t.1 względem prostopadłej do osi przenośnika poziomowego ±30^o
  - nadwozie względem podwozia zwałowarki ±285^o
• zasięg zwałowania mierzony od osi przenośnika poziomowego 225 m
• łączna masa maszyny 3.644 ton
• układ transportowy:
  przenośnik zwałujący t.3:
  - szerokość taśmy 2.250 mm
  - prędkość taśmy 6,7 m/s
  - zestawy krążnikowe nośne i nadawowe pięciokrążnikowe
  - zestawy krążnikowe dolne dwukrążnikowe 10^o
  - moc napędu 2 x 1.120 kW
  przenośnik podający t.2:
  - szerokość taśmy 2.450 mm
  - prędkość taśmy 5,86 m/s
  - zestawy krążnikowe nośne i nadawowe pięciokrążnikowe
  - zestawy krążnikowe dolne dwukrążnikowe 10^o
  - moc napędu 2 x 1.120 kW
  przenośnik odbierający t.1:
  - szerokość taśmy 2.600 mm
  - prędkość taśmy 5,24 m/s
  - zestawy krążnikowe nośne i nadawowe pięciokrążnikowe
  - zestawy krążnikowe dolne dwukrążnikowe 10^o
  - moc napędu 2 x 450 kW
  mechanizm jazdy zwałowarki:
  - ilość gąsienic 3 x 2=6 szt.
  - ilość gąsienic sterowanych 2 szt.
  - moc napędów 6 x 110 kW
  wymiary gąsienic:
  szerokość płyt gąsienic 4.200 mm
  podziałka łańcucha 650 mm
  - ilość kół jezdnych gąsienicy 16 szt.
  - prędkość jazdy gąsienic (zwałowarki i podawarki) 6,8 m/min.
  - minimalny promień skrętu zwałowarki 80 m
  - średni nacisk na grunt 78,48 kPa
  - dopuszczalne pochylenie terenu:
  

  	wzdłużne	poprzeczne
  praca	1 : 33,	1 : 33
  transport	1 : 20,	1 : 33

  - sterowanie gąsienic płynne z napędem hydraulicznym
  mechanizm jazdy podawarki:
  - ilość gąsienic 2 szt.
  - ilość gąsienic sterowanych 2 szt.
  - szerokość płyt gąsienicowych (jak przy zwałowarce) 4.200 mm
  - moc napędów 2 x 110 kW
  - ilość kół jezdnych gąsienicy 12 szt.

Rozwiązania projektowo-konstrukcyjne

Na zdjęciach 2 i 3 pokazano gąsienicowy mechanizm jazdy oraz człon zwałowarkowy maszyny.

Część zwałowarkowa maszyny wsparta jest w układzie statycznie wyznaczalnym na 3 parach gąsienic, każda z gąsienic o szerokości B=4.200 mm oraz długości ~14.150 mm (rozstaw między osiami koła napędowego i zwrotnego).

Zdjęcie 2.

Obciążenie na poszczególne pary gąsienic przekazywane jest poprzez (wyprodukowane w FUGO S.A. Konin) przeguby kuliste Ć800 z czopami montowanymi do podwozia oraz czaszami wyłożonymi wkładkami (DEVA Bandmetal) zabudowanymi w dyszlach, na których osadzono po 2 gąsienice. Każda z gąsienic wsparta jest na 16 kołach o średnicy Ć560 mm. Ogniwa płyt gąsienicowych wykonano z przesycanego staliwa austenitycznego L120G13 w rozwiązaniu i wykonaniu spełniającym wysokie wymogi gąsienicowych mechanizmów jazdy takich maszyn (producenci: FUGO i PIOMA).

Do napędu gąsienic zastosowano nowoczesne przekładnie ślimakowo-planetarne (producent: FLENDER AG) o przełożeniu i=850, mocy 110 kW, oraz napęd falownikowy (produkcji SIEMENS) z silnikami asynchronicznymi, spełniający specyficzne wymogi m.in. jazdy po łukach o R/80 m.

Część podawarkowa maszyny pokazana na zdjęciach 4 i 5 wsparta jest na dwóch gąsienicach o szerokości B=4.200 mm każda oraz długości 10.650 mm (rozstaw między kołem napędowym i zwrotnym). Obie gąsienice wsparte są na 12 kołach Ć560 mm. Do ich napędu zastosowano te same przekładnie i silniki jak do części zwałowarkowej jednak z odmiennym układem falownikowym – dostosowanym dla dwugąsienicowych napędów ze sterowaniem spełniającym m.in. dodatkowe wymagania jazdy na łukach o małych promieniach.

Sterowanie gąsienicowym mechanizmem jazdy zwałowarki realizowane jest siłownikiem hydraulicznym ze stałą kontrolą wielkości wysterowania.

Do obrotu nadwozia zastosowano cztery napędy 11 kW z przekładniami ślimakowo-planetarnymi, pracującymi w układzie falownikowym (z bezstopniową regulacją prędkości) obracające nadwozie na łożu kulowym Ć12.500 mm z kulami Ć200 mm (współprodukcja FAMAGO S.A. Zgorzelec i ZPR KWB "Bełchatów" SA).

Konstrukcja stalowa nadwozia wsparta jest na platformie, w której zabudowany jest przewijak kablowy umożliwiający na bezkolizyjne przekazywanie zasilania elektrycznego z podwozia na obracające się nadwozie m.in. przewodami o napięciu 6 kV.

Zdjęcie 3.

Na zdjęciach 4 i 5 pokazano gąsienicowy mechanizm jazdy podawarki oraz most łączący podawarkę ze zwałowarką. Względne położenia członów spełniają wartości podane w założeniach ujętych w rozdziale - "Dane techniczne".

Konstrukcja nośna zwałowarki została zaprojektowana w oparciu o wymagania normy DIN 22261. Spełnienie rygorystycznych wymagań tej normy w zakresie trwałości zmęczeniowej (50 lat) przy zachowaniu relatywnie niskiej masy maszyny możliwe było dzięki wprowadzeniu istotnych zmian w koncepcji konstrukcji w stosunku do istniejących maszyn. Najważniejsze z nich to:

1. zupełne wyeliminowanie ciężkich i awaryjnych cięgien laszowych i zastąpienie ich linami budowy zamkniętej,
2. zastosowanie blachownicowych (a nie laszowych) zastrzałów odciągowych do masztu części środkowej nadwozia,
3. połączenie platformy obrotowej nadwozia z konstrukcją wieży w sposób zapewniający uzyskanie maksymalnej sztywności platformy przy jej relatywnie małej wysokości (2,5 m),
4. ukształtowanie spawanych węzłów konstrukcyjnych w sposób zapewniający wymaganą trwałość poprzez wyeliminowanie koncentracji naprężeń.

Ponadto mając na uwadze prostotę montażu i przyszłe prace remontowe w zakresie odnowy powłok antykorozyjnych wyeliminowano z konstrukcji nośnej pręty wielogałęziowe oraz połączenia śrubowe.

W założeniach projektowych szczególne znaczenie służby eksploatacyjne przypisały rozwiązaniom układu transportowego, dlatego m.in. przesypy zostały zabudowane w miejscach z już w pełni ukształtowanym (wyprofilowanym) przekrojem niecki taśmy. Uszczelnienia tych przesypów dobrano w oparciu o wypraktykowane rozwiązania KWB "Bełchatów" SA.

Względy eksploatacyjne i to szczególnie skutki "wybiegów" powstałych w przypadkach zatrzymań awaryjnych zwałowarki i przenośnika poziomowego powodują duże spiętrzenia mas w przesypie z tego przenośnika na taśmę t.1. Przesypy takie utrudniają ich "rozładunek" (szczególnie na t.1) dlatego dla zminimalizowania skutków takich przesypów odpowiednio dobrano dużą objętość leja (na t.1) oraz odpowiednio m.in. dla tych wymogów zróżnicowano parametry eksploatacyjne taśm (t.1 dobrano z B=2.600 i v=5,24 m/sek., t.2 z B=2.450 i v=5,86 m/sek. oraz t.3 z B=2.250 i v=6,7 m/sek.).

Wnikliwa analiza geometryczna usytuowania taśmy t.2 i t.3 w konstrukcji mostu i nadwozia pozwoliła na osiągnięcie korzystnych (w porównaniu z innymi zwałowarkami) kątów "wyprowadzenia" nosiwa: 13^o w przesypie t.1/t.2 oraz 8^o w przesypie centralnym (stale obracanym) t.2/t.3 przy wymaganej wysokości zrzutowej hiperbolicznie ukształtowanego wysięgnika zrzutowego.

Zdjęcie 4.

Na wszystkich trzech głównych przenośnikach zastosowano taśmy z linkami stalowymi. Na przenośniku zrzutowym (t.3) zastosowano specjalnej konstrukcji człony przejściowe zapewniające w trakcie zwodzenia tego wysięgnika przeginania taśmy górnej na promieniu R/150 m. Takie rozwiązanie przeginania na członach wynikło również z konieczności zapewnienia możliwości zwodzenia wysięgnika zrzutowego bez uprzedniej konieczności luzowania taśmy oraz wymaganych przerw w dostawie nosiwa. Wymóg ten został na tej zwałowarce spełniony.

Przy wszystkich trzech głównych taśmach - bazując na doświadczeniach Kopalni - zastosowano pięciokrążnikowe zestawy girlandowe pod pasem górnym i dwukrążnikowe zestawy (nieckowe 10^o) pod pasem dolnym taśm. Osiowe prowadzenie wszystkich trzech taśm zapewniają sterowane (fotokomórką) hydraulicznie zestawy sterujące. Taśmy t.2 i t.3 napędzane są napędami 2 x 1.150 kW, a taśma t.1 2 x 450 kW. Taśmy t.1 i t.2 napinane są poprzez układy napinające bębny zwrotne, a taśma t.3 odpowiednio przez napinanie bębna zrzutowego.

Regulację położenia odbojnic w przesypach t.1/t.2 i t.2/t.3 zapewniają mechanizmy sterowane elektrycznie.

Nad obrotnicą zwałowarki i nad rozdzielnią elektryczną podawarki odpowiednio pod t.3 i t.2 zabudowane zostały taśmy czyszczące t.3/1 i t.2/1 o B=2.600 mm.

Poślizgi przy wszystkich napędach taśm, w tym również przy obu taśmach czyszczących są kontrolowane przez urządzenia pomiarowo-kontrolne, dobrane również dla potrzeb zabezpieczenia p.poż.

Przy przejazdach zwałowarki i podawarki układ wsporczy mostu wsparty na wahaczach (2 x 4 koła) umożliwia ruch względny zwałowarki i podawarki na długości ±3,0 m.

Dla obsługi maszyny przewidziane są dwa klimatyzowane, wyciszone pyło- i dźwiękoszczelne kabiny operatorskie wyposażone w obrotowe stanowiska sterownicze, monitory ciekłokrystaliczne do wizualizacji procesów sterowania i diagnostyki, telewizję przemysłową, łączność przewodową i bezprzewodową.

Ponadto zwałowarka wyposażona została w cały szereg urządzeń i instalacji poprawiających komfort i bezpieczeństwo pracy m.in. takich jak: telewizja przemysłowa, samoczynne oświetlenie awaryjne, agregat do zasilania instalacji 400/230 V w przypadkach awaryjnych braku zasilania oraz instalację alarmową pożarów.

Rozwiązania i dane techniczne wyróżniające tę zwałowarkę w klasie zwałowarek o podobnych parametrach

Porównując wskaźnik jakościowy zwałowarki ZGOT-15400.120 (z reprezentującą już wysoki stan techniki) zwałowarką niemiecką A2RsB-15400.120 otrzymamy:

a) dla zwałowarki ZGOT-15400.120:

b) dla zwałowarki A2RsB-15400.120:

gdzie: Q - wydajność teoretyczna [m³/h],
L_zw - długość wysięgnika zrzutowego [m],
H_zw - wysokość zwałowania [m],
G - łączna masa zwałowarki [t],
H_BS - wysokość punktu zwodzenia wysięgnika zwałującego [m],
p - naciski jednostkowe na grunt [kPa].

Wyższa wartość wskaźnika K’ od K" świadczy o spełnieniu wysokich wymogów jakościowych.

• projekt zwałowarki spełnia wymagania normy DIN 22261-2, ponadto spełnia wymogi normy EUROCODE 3 oraz wytycznych Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa w zakresie trwałości zmęczeniowej,
• wysoka wydajność - 15.400 m³/h przy długości wysięgnika zrzutowego 120 m stosunkowo małej masie 3.644 ton oraz niskich naciskach jednostkowych gąsienic p=78,48 kPa potwierdza wysoką jakość projektową,
• nowoczesną sylwetkę uzyskano w rozwiązaniu z dużą ilością (2 x 11=22 szt.) lin budowy zamkniętej (zamiast rozwiązań z cięgnami laszowymi), konstrukcją stalową kształtowaną wg nowoczesnych zasad likwidacji karbów konstrukcyjnych wykonaną w technologii spawanej, minimalną ilością styków śrubowych.
• optymalne skojarzenie sztywności konstrukcji stalowej podwozia z konstrukcją nośną części środkowej nadwozia, które zapewnia korzystne warunki pracy łoża kulowego i gwarantuje jego wysoką trwałość,
• zachowano optymalny rozkład mas pomiędzy nadwoziem i podwoziem co gwarantuje zachowanie stateczności w pełnym zakresie normowym przy minimum masy nadwozia,
• zastosowano falownikowe - "głęboko" regulowalne napędy gąsienicowych mechanizmów jazdy (GMJ) oraz mechanizmu obrotu,
• zastosowano hydrauliczny sposób sterowania gąsienic ze stałą kontrolą sił (sterowania) i wizualizacją stanu wysterowania. Układ ten zabezpiecza GMJ m.in. również przed oddziaływaniem przeciążeń od trudnych do określenia - często bardzo dużych sił biernych z oddziaływania (np. zamarzniętego) podłoża na siły sterowania. Taki sposób sterowania w dużym stopniu zapewnia zachowanie zgodności obciążeń obliczeniowych z obciążeniami rzeczywistymi,
• nowoczesne rozwiązania złącz sworzniowych płyt gąsienicowych z ogniwami ze staliwa austenitycznego (przesyconego),
• nowoczesne rozwiązania bębnów napędowych i nienapędowych z oprawami szybko montowalnymi na zwałowarce, w tym z bębnami napędowymi:
  a) z kołnierzowym połączeniem (tylko ciernym) z przekładniami napędowymi,
  b) z szybko rozbieralnym korpusem bębnów łączonych z wałem napędowym pierścieniami typu BIKON,
  c) z "połówkami" sprzęgieł łączonych z wałem napędowym tylko sprzężeniem ciernym montowanym i demontowanym hydraulicznie,
• nowoczesne rozwiązanie zespołów napędowych taśm t.1-t.3 z przekładniami stożkowo-walcowymi (produkcji firmy MAAG GEAR "Zamech" Elbląg) wyciszonymi do ca 84 dB,
• nowe rodzaje zesprzęgleń przekładni z silnikami przenośników t.1, t.2 i t.3 - sprzęgłami typu TSCHAN - z wymienną wkładką i to w rozwiązaniu umożliwiającym demontaż wkładu sprzęgłowego bez potrzeby demontażu silnika,
• zastosowane w układach transportowych wszystkich trzech taśm zestawów girlandowych pięciokrążnikowych,
• człon przejściowy przenośnika zrzutowego zastosowano w rozwiązaniu specjalnym gwarantującym utrzymanie dużego (dyktowanego głęboko ukształtowaną niecką utworzoną przez taśmę z linkami stalowymi) promienia przeginania w całym zakresie zwodzenia wysięgnika zrzutowego - R/150 m, co pozwala na eliminację powszechnie spotykanego na wielu innych zwałowarkach zjawiska "fałdowania" się i uszkadzania taśmy przy zmianach położenia wysięgnika,
• przesypy z t.1 na t.2 i z t.2 na t.3 zabudowane w miejscach z już w pełni wyprofilowaną niecką na całej długości przesypu i to w rozwiązaniu specjalnym z uszczelnieniem "lekko" stykowym, łatwo rozbieralnym i łatwo montowalnym,
• zastosowanie przy wszystkich trzech taśmach głównych oraz przy obu taśmach ścierowych napinanie mechaniczno-elektrycznego,
• zastosowanie do kontroli prostoliniowego biegu taśm t.1, t.2 i t.3 specjalnych zestawów krążnikowych z automatyczną regulacją wymuszoną - sterowanym fotokomórką - napędem elektroniczno-hydraulicznym,
• maszynę wyposażono w wygodny układ komunikacyjny dostosowany również do prowadzenia prac obsługowych i remontowych,
• niespotykany na innych zwałowarkach - wygodny technologicznie - duży zakres obrotu nadwozia względem podwozia zwałowarki ±285^o.

Wyposażenie dodatkowe

Ponad 60% wszystkich przegubów zaprojektowano i wykonano z łożyskami samosmarującymi w rozwiązaniu bezobsługowym. Pozostałe miejsca z parami trącymi zostały pogrupowane i wyposażone w lokalne lub (jak przy gąsienicowych mechanizmach jazdy zwałowarki) w centralne systemy smarowania smarami mazistymi. Systemy te działają z regulowaną częstotliwością smarowania w zależności od ustalonych (z doświadczeń) wymogów.

Tak nadwozie, jak i podwozie zwałowarki zostało wyposażone w instalację p.poż. z dwoma zbiornikami wody po 10 m³ każdy. Pompa zasilana jest elektrycznie, a w przypadkach braku zasilania elektrycznego (awarii) może być również napędzana silnikiem spalinowym. Instalacja przewodowa rozprowadzana jest m.in. wzdłuż wysięgnika zrzutowego, mostu oraz wysięgnika przeciwwagi.

Zdjęcie 5.

Na zwałowarce, jak i na podawarce zainstalowane są spawarki z siecią rozprowadzającą przewody (stałe) do newralgicznych remontowo miejsc. Ponadto zwałowarka wyposażona jest w pomieszczenia socjalne dla obsługi i podręczne pomieszczenia elektryka i mechanika.

Podsumowanie

• Krajowa produkcja maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego została rozszerzona o istotną dla przyszłego rozwoju maszynę nowej generacji o wydajności dobowej 260.000 m³.
• Współdziałając ściśle z użytkownikiem KWB "Bełchatów" SA wdrożono do eksploatacji nowoczesną, daleko zautomatyzowaną zwałowarkę z wizualizacją procesu sterowania i diagnostyki, z telewizją przemysłową, instalacjami alarmowymi, p.poż. i innymi.
• Nowoczesna sylwetka, nowoczesne gąsienicowe mechanizmy jazdy oraz nowoczesna, dobrana w oparciu o prowadzone badania i doświadczenia, droga transportowa, wyróżniają walory eksploatacyjne tej maszyny od podobnych, znacznie kosztowniejszych importowanych maszyn.
• Wprowadzono wiele rozwiązań przyjaznych dla obsługi (stanowiska pracy) i środowiska naturalnego (wyciszenie) stawia tę maszynę wśród najnowocześniejszych maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego.
• Maszyna podstawowa o tak dużych wydajnościach i zasięgach pracy umożliwia zdejmowanie nadkładu układami technologicznymi po znacznie niższych kosztach jednostkowych i czyni eksploatację złóż, np. o wskaźniku N:W/7:1, bardziej opłacalne od eksploatacji podobnych złóż w układzie z "małymi" maszynami (o mniejszej wydajności i mniejszych zasięgach pracy), np. przy N:W/4:1.
• Opanowanie przez FAMAK S.A. Kluczbork i ZPR KWB "Bełchatów" SA produkcji i montażu takich maszyn powinno mieć istotne znaczenie przy podejmowaniu decyzji dalszego rozwijania krajowej energetyki bazującej na (dużych) krajowych zasobach węgla brunatnego, w tym szczególnie w Zagłębiu Legnickim.

Norbert Wocka

Literatura

Paweł Kanczewski, Marek Kowalczyk - "Zwałowarka ZGOT-15400.120 - pierwszy polski 200-tysięcznik" - Materiały konferencyjne - SITG - KWB "Bełchatów" SA - luty 2002 r.