Modernizacja koparki Rs-400 - napęd hydrauliczny

Koparka Rs-400 jest jedną z mniejszych koparek łańcuchowych pracujących w Kopalni "Konin" SA. Po zakończeniu pracy na O/Pątnów została zdemontowana i przebudowana na nową Odkrywkę "Drzewce". Podczas przebudowy została poddana gruntownej modernizacji, która polegała między innymi na:

- zastosowaniu nowych napędów: talerza załadowczego, taśmy załadowczej, bębna kablowego, obrotu nadwozia oraz napędu głównego łańcucha czerpakowego,
- przeprojektowaniu i wykonaniu całego nowego nadwozia koparki typu otwartego,
- wydłużeniu wysięgnika urabiającego o 1,6 m,
- zastosowaniu regulowanej prędkości łańcucha w zakresie od 0 do 20,5 obr./min.,
- całkowitej modernizacji w części elektrycznej.

Uzyskano w ten sposób polepszenie parametrów technologicznych i użytkowych koparki. Osiągnięto:

- wydajność teoretyczną koparki - 1.080 m3/h
- wydajność gwarantowaną - 770 m3/h
- wysokość urabiania nadsiębiernego - 9 m
- wysokość urabiania podsiębiernego - 11 m
- zwiększono liczbę czerpaków - 34 szt.
- jednostkową siła urabiania - 55 kN/m
- prędkość jazdy regulowaną w zakresie od 0 do 6 m/min.
- całkowita moc zainstalowaną - 2 x 200 kW.

Jednym z istotnych i nowatorskich rozwiązań zastosowanych w ramach modernizacji całej koparki jest modernizacja zespołu napędu głównego łańcucha czerpakowego. Poprzedni napęd oparty był o przekładnię zębatą kątową, współpracującą z przekładnią planetarną starego typu z amortyzatorem pneumatycznym, napędzaną silnikiem o mocy 200 kW. Było to rozwiązanie mocno przestarzałe technicznie i znacznie wyeksploatowane, zważywszy, że koparka została wybudowana w 1960 roku.

Na etapie opracowywania założeń rozważono dwa warianty wykonania nowego zespołu napędowego, jeden z mechaniczną przekładnią planetarną o mocy około 320 kW, a drugi z napędem hydraulicznym. Ostatecznie zdecydowano się na zastosowanie napędu hydraulicznego. Wykorzystano tutaj silniki hydrauliczne i agregat zasilający ze zdemontowanych napędów pras brykietowych pozostałych po likwidacji pracującej w KWB "Konin" brykietowni. Są to silniki hydrauliczne firmy Hagglunds Drives. Do napędu wykorzystano silniki hydrauliczne typu CA100. Z uwagi na parametry techniczne tych silników należało zastosować pośrednie stopnie planetarne redukujące obroty wyjściowe silnika z około 100 obr./min. na obroty niezbędne do napędu łańcucha wynoszące około 17 obr./min. Obroty te są nieznacznie większe niż stosowane dotychczas ze względu na założone zwiększenie wydajności. Dla obniżenia kosztów zdecydowano, że wał obrotowy z wielobokami napędowymi po odpowiedniej adaptacji zostanie wykorzystany stary. Przekładnie pośrednie na wale napędowym mocowane są za pomocą pierścieni HSD 280-22, natomiast silniki hydrauliczne z przekładniami pośrednimi połączone są za pomocą sprzęgieł zębatych.

Uzyskano w ten sposób układ urabiania o następujących parametrach mechanicznych:

• moment nominalny na wale wieloboku w ruchu ustalonym - Mw = 105,0 kNm,
• moment rozruchowy na wale wieloboku - Mwroz = 168,0 kNm,
• moment maksymalny na wale wieloboku, po którym następuje wyłączenie Mwmax = 178,5 kNm,
• zakres obrotów wału wieloboku w ruchu ustalonym - 0-20,5 obr./min.,
• przełożenie silnik hydrauliczny - wał wieloboku realizowane za pomocą przekładni pośredniej typu FRP 950/4-00 i = 4,1.

Elementami układu napędowego są: dwa silniki hydrauliczne typu CA100 firmy Hagglunds Drives, podwójny agregat zasilający typu PEC 0603 tej samej firmy, instalacja hydrauliczna z powietrzną chłodnicą oleju oraz przekładnie pośrednie typu FRP 950/4-00 firmy Fugo "Konin".

Silniki hydrauliczne CA 100

Zwarty hydrauliczny silnik firmy Hagglunds Drives jest promieniowym wielotłokowym silnikiem hydraulicznym z wirującym wałem i stałym korpusem. Wirujący blok cylindrowy w korpusie silnika ułożyskowany jest za pomocą łożysk rolkowych. Parzysta ilość utytułowanych promieniowo tłoków jest napędzana pierścieniem rozrządczym poprzez wałek rozrządu. Powoduje to wytwarzanie momentu obrotowego na wyjściu silnika.

Parametry silnika:

• specyficzny moment obrotowy - 100 Nm/bar,
• zakres prędkości obrotowej - 0-270 obr./min.,
• max moment obrotowy - 32 kNm (przy 350 bar),
• max moment rozruchowy - 39 kNm (przy 420 bar),
• geometryczna chłonność silnika - 6.280 cm3.

Agregat zasilający PAC 0603

Agregat hydrauliczny zasilający silniki CA100 składa się z dwóch wielotłoczkowych pomp osiowych o zmiennej wydajności sterowanej na drodze elektrohydraulicznej połączonych z wałami silników elektrycznych elastycznymi sprzęgłami wkładkowymi. Wymienione pompy stanowią zwarte zespoły napędzane dwoma silnikami elektrycznymi o mocy 200 kW każdy. Zastosowane pompy zostały wyposażone w:

• urządzenie sterownicze do zmiany i utrzymania określonej wydajności pomp głównych,
• pompy pomocnicze układu sterowania pomp głównych oraz układu płukania,
• bloki zaworowe z zaworami przelewowymi i zaworami płukania.

Agregat dodatkowo posiada zbiornik 600. litrowy oraz odpowiednie filtry i zawory odcinające. Cały agregat zasilający łącznie z silnikami elektrycznymi jest obudowany w formie szafy. Parametry agregatu zasilającego:

• max moc - 2 x 200 kW,
• max ilość tłoczenia - 1.474 l/min.,
• max ciśnienie - 345 bar.

Instalacja hydrauliczna

Główne przewody zasilające silniki hydrauliczne wykonane są z rur 76 x 12,5 łączonych kołnierzowo, natomiast przewody drenażowe i płuczące z rur 28 x 2. Elementem instalacji jest chłodnica oleju usytuowana bezpośrednio za agregatem hydraulicznym. Za prawidłową pracę układu hydraulicznego odpowiadają odpowiednie zabezpieczenia:

• miernik obrotów silnika hydraulicznego (encoder) poprzez sprzężenie z sterownikiem wydajności pomp głównych zapewnia utrzymanie założonych obrotów wału napędowego wieloboku łańcucha urabiającego,
• zawory stałego ciśnienia w liniach sterowania pomp ograniczają maksymalne ciśnienie robocze,
• elektroniczny przekaźnik pomiaru ciśnienia roboczego w układzie, pozwała na jego ciągły pomiar i określenie w dowolnej chwili obciążenia układu, a przy maksymalnym obciążeniu sygnalizuje konieczność zmiany parametrów urabiania,
• przekaźniki kontroli ciśnienia płukania zabezpieczają prawidłowe parametry pracy pomp głównych,
• czujnik poziomu oleju zabudowany na zbiorniku sygnalizuje niski poziom oleju w zbiorniku i zatrzymuje układ przy obniżeniu się poziomu oleju poniżej dopuszczalnego,
• termostat wraz z chłodnicą oleju i grzejnikami zabudowanymi w zbiorniku zapewnia optymalną temperaturę oleju w układzie,
• czujniki stopnia zanieczyszczenia filtrów olejowych sygnalizują na pulpicie w kabinie operatora konieczność wymiany zanieczyszczonych wkładów filtrujących.

Przekładnie pośrednie

Przekładniami pośrednimi jest reduktor planetarny typu FRP 950/4-00 przystosowany do napędu mechanizmów maszyn pracujących w ruchu ciągłym o następujących parametrach:

• obroty wejściowe n1 = 0 - 100 obr./min.
• moment wejściowy Mwej = 13,5 kNm
• moment wyjściowy Mwyj = 60 kNm
• przełożenie i = 4,174
• sprawność η = 0,97

Przekładnia może pracować w dwóch kierunkach, smarowanie przekładni realizowane jest jako zanurzeniowo rozbryzgowe. Producentem przekładni jest Fugo "Konin".

Opis działania

W układzie hydraulicznym napędu łańcucha urabiającego można wyodrębnić dwa równoległe układy, każdy z nich stanowi typowy układ hydrostatyczny o obiegu zamkniętym. Schemat układu przedstawiono na rysunku 1.

Po uruchomieniu silników elektrycznych zostają uruchomione obie pompy główne w agregatach pompowych wraz z pompami pomocniczymi. Pompy główne agregatów pracują z wydajnością równą "zero", natomiast pompy pomocnicze pracują z pełną wydajnością.

Pompy pomocnicze zasysają olej ze zbiornika i poprzez zawory płuczące tłoczą go do obiegów zamkniętych oraz do hydraulicznych sterowników wydajności pomp głównych. Zawory płuczące pozwalają na wymianę oleju w obiegach zamkniętych, polegającą na podaniu z pomp pomocniczych oleju pobranego ze zbiornika do linii ssących pomp głównych z równoczesnym upuszczeniem przez zawory takiej samej ilości oleju przepracowanego w silnikach hydraulicznych. Olej upuszczany z obiegów zamkniętych poprzez filtry i chłodnicę kierowany jest na chłodzenie silników hydraulicznych, a następnie poprzez filtr powraca do zbiornika. Olej tłoczony przez pompy pomocnicze do obiegów zamkniętych utrzymuje wymagane nadciśnienie po stronie ssania pomp głównych oraz powoduje stałą wymianę oleju w tych obiegach. Zabudowany na jednym z silników hydraulicznych miernik obrotów umożliwia korektę nastaw wydajności obu pomp i utrzymanie wymaganych obrotów silników hydraulicznych niezależnie od obciążenia.

W celu wyeliminowania nierównomiernego obciążenia wału napędu łańcucha wynikającego z niedokładności w ustawieniu wydajności obu pomp, magistrale olejowe obu silników hydraulicznych zostały ze sobą połączone przewodami wyrównawczymi.

Podsumowanie

W chwili obecnej koparka znajduje się w fazie prób eksploatacyjnych. Wydajność osiągana przez zastosowanie wyżej opisanego napędu hydraulicznego przewyższa znacznie możliwości koparki. Wąskimi gardłem jest w tym przypadku talerz oraz taśma załadowcza. Praca napędu charakteryzuje się niską emisją hałasu, znaczną elastycznością oraz pełnym zabezpieczeniem przed przeciążeniem układu. Zaletą jest również możliwość regulacji prędkości łańcucha, a zarazem sterowanie wydajnością. Przy następnym wykorzystaniu silników hydraulicznych do napędu łańcucha czerpakowego innych koparek należy rozważyć możliwość zastosowania silników wysokomomentowych-wolnoobrotowych eliminując konieczność stosowania przekładni pośrednich.