Czerpaki do urabiania utworów bardzo trudnourabialnych koparkami kołowymi

Eksploatacja pokładów zaliczanych do utworów trudnourabialnych koparkami kołowymi wymaga opracowania czerpaków o szczególnych parametrach technicznych i technologicznych przy zachowaniu racjonalnego ekonomicznie nakładu środków na ich produkcję i remonty.

Prowadzone od wielu lat przez firmę SKW prace projektowe nad czerpakami tego typu doprowadziły do opracowania czerpaka CK910-N3 zabudowanego na koparce KWK-910 przeznaczonej do eksploatacji w warunkach złóż trudnourabialnych.

W artykule omówiono teoretyczne podstawy, które zaowocowały projektem czerpaków z narożami oraz scharakteryzowano proces dochodzenia do optymalnej postaci naroża, zarówno pod względem kształtu geometrycznego jak i materiału. Przedstawiono również uwarunkowania technologiczne związane z obróbką cieplną naroży oraz systemem remontu czerpaków.

Analiza ekonomiczna nowego rozwiązania przedstawiona w artykule dowodzi w pełni zasadności przyjętej koncepcji eksploatacyjnej i remontowej czerpaków nowego typu.

1. Część ogólna

Podstawowym zadaniem koparki kołowej w kopalniach odkrywkowych jest urobienie i odtransportowanie urobionych mas do przenośnika poziomowego. W warunkach trudnourabialnych szczególną rolę należy przypisać procesowi urabiania. Urabianie takich utworów pochłania do 50% łącznie zużywanej mocy przez koparkę. Na remonty i wymianę czerpaków - pracujących w takich warunkach - przypada również ok. 50% łącznych rocznych nakładów na remonty koparek. [3] i [6]

W BOT KWB Turów SA istnieje już od kilku lat, a w BOT KWB Bełchatów SA w najbliższym czasie zachodzić będzie konieczność urabiania utworów bardzo trudnourabialnych (w IV i V klasie urabialności) koparkami kołowymi.

Nad pierwszym najgłębiej zalegającym pokładem węglowym w BOT KWB Turów SA zalegają bardzo twarde iły z wieloma rodzajami wtrąceń bardzo trudnourabialnych koparkami kołowymi. Iły te w skali petrologicznej mieszczą się w obszarach między szarymi iłami i zwartymi frakcjami o cechach zbliżonych do zbitego rumoszu. Miąższość tych skał waha się od 15÷80 m. Wytrzymałość na ściskanie (zbitych warstw) wynosi od 2,5÷3,0 Mpa.

Przy wielu - z konieczności wymuszonych postępem robót górniczych - potrzebach urabiania tych warstw koparkami do tego nieprzystosowanymi typu SchRs-1200 i KWK-1200 - wydajność ograniczona została do 0,15÷0,25 wydajności Q_te. Ponadto praca tymi koparkami powodowała dużą awaryjność czerpaków oraz wielu innych podzespołów narażonych na oddziaływanie dynamiczne procesu urabiania.

Do rangi szczególnej urabiania takich utworów należy zaliczyć potrzebę właściwego doboru koparki z napędem urabiania i z czerpakami spełniającymi wymagania techniczne i oczekiwania eksploatatorów - zdejmowanie tych warstw z możliwie dużą wydajnością Q ł 0,5 Q_te.

W BOT KWB Turów SA był realizowany program prób i badań nad przystosowaniem czerpaków dla nowej koparki KWK-910 do pracy w takich trudnourabialnych warunkach. Wyniki zdobytych doświadczeń odpowiadają już na wiele pytań dotyczących realnych możliwości urabiania koparkami kołowymi podobnych utworów. Pozwalają one określić rzeczywiste granice dla takiego urabiania - urabiania bez wspomagania strzelaniem rozluźniającym lub stosowaniem innych bardzo kosztownych metod rozluźniania przygotowawczego przedpola dla koparki.

Przeprowadzone w II kwartale 2005 r. próby eksploatacyjne I etapu z czerpakami uzbrojonymi w nowe naroża oraz naroża trójzębne w wersji poprawionej w I kwartale 2006 r. pozwoliły już na wstępne sformułowanie wielu cennych wniosków dla prób III etapu na koparce KWK-910. Próby III etapu z udoskonalonymi czerpakami przeprowadzono w I i II kwartale 2007 r. już na nowej koparce KWK-910 z kołem czerpakowym z 16 czerpakami. Koparkę KWK-910 przekazano do pełnej eksploatacji - po pozytywnie przeprowadzonej próbie wydajności w tych utworach - dnia 16.04.2007 r.

Koparka KWK-910 wyposażona została w napęd koła czerpakowego przystosowany do urabiania utworów bardzo trudnourabialnych w rozwiązaniu ze specjalnym sprzęgłem przeciążeniowym szybkoodcinającym oddziaływania nadwyżek dynamicznych. Jednym z najważniejszych celów doboru takiego napędu była również ochrona wytrzymałościowa tak czerpaków jak i konstrukcji stalowej (głównie nadwozia) przed uszkodzeniami od sił dynamicznych procesu urabiania.

2. Podstawowe wymogi projektowo-konstrukcyjne stawiane zespołom mechanizmów urabiania

Do urabiania warstw bardzo trudnourabialnych mechanizm urabiania powinien spełniać następujące główne wymagania:

• koło czerpakowe z dużą ilością (min. 16 szt.) czerpaków, zapewniające możliwość jednoczesnego udziału czterech czerpaków w procesie skrawania,
• napęd o dużej obwodowej sile skrawania - przystosowany do pokonywania jednostkowych (liniowych) oporów skrawania K_L150 kN/mb, ze sprzęgłem przeciążeniowym szybkoodcinającym wszystkie nadwyżki dynamiczne o wartości
• możliwość rozdrobnienia urabianych mas "małym" wiórem - przypadającym na dużą ilość (4 szt.) czerpaków biorących jednoczesny udział w skrawaniu - ze specjalnie ukształtowanymi ostrzami skrawającymi o wysokich parametrach wytrzymałościowych i wysokiej trwałości,
• dobór szczegółów konstrukcyjnych czerpaków powinien w sposób szczególny uwzględnić potrzebę minimalizacji kosztów remontowych związanych z przewidywaną (nieodzowną) koniecznością częstych wymian - zużywanych w procesie mineralnego ścierania - głównie naroży i noży,
• konstrukcja nowych czerpaków - narażonych na takie ścieranie powinna zapewnić możliwie niskie nakłady na remonty. Przy takich czerpakach powinna być zapewniona możliwość:
  a) ok. 10-15-krotnej wymiany naroży (bez potrzeby wymiany noża) oraz
  b) ok. 10-15-krotna wymiana noży w całym okresie trwałości ("żywotności") czerpaka,
• dobór przekładni oraz trwałość takich głównych podzespołów zespołu napędowego jak silniki, wały Cardana i sprzęgła hydrokinetyczne powinien uwzględniać obciążenia wynikające z częstych przypadków wyłączeń oraz gwałtownych zahamowań koła czerpakowego przy natrafianiu narożem czerpaka na przeszkody nieurabialne (kamienie). [4]

3. Konstrukcja czerpaka

Rys. 1a. Czerpak R12-N2 - próbowany w utworach trudnourabialnych na koparce KWK-1200M/K14.

Na rys. 1a przedstawiono próbowane czerpaki spełniające podstawowe wymogi omawiane w pkt. 2. Czerpaki te w I i II etapie poddane zostały próbom eksploatacyjnym na koparce KWK-1200M/K14. W przedstawionym rozwiązaniu nowe naroża i nóż zostały "dopasowane" do istniejącego korpusu czerpaków R12. Naroża czerpaków wykonane zostały ze specjalnego staliwa stopowego (chromowo-niklowo-molibdenowego) o wysokich walorach wytrzymałościowych, spełniającego ponadto wymogi głębokiej hartowności oraz wymóg remontowy - możliwość wielokrotnego spawania styku naroża z nożem, po każdorazowej wymianie (po odpalaniu) zużytego naroża.

Rys. 1b. Czerpak CK910-N3 - zastosowany na nowej koparce KWK-910.

Na rys. 1b przedstawiono czerpak, w którym naroża, nóż oraz konstrukcja korpusu i złącz z kołem czerpakowym zostały opracowane w oparciu o wieloletnie doświadczenia projektowe Biura Projektowo-Technicznego SKW ze Zgorzelca. Uwzględniają one m.in. obciążenia wynikające z napędu 2 x 500 kW = 1.000 kW, koło czerpakowe w rozwiązaniu z 16 czerpakami, z 42T - nominalną siłą obwodową (skrawania) oraz z 25T - boczną siłą mierzoną w osi koła czerpakowego. Producentem tych czerpaków została wybrana firma
KOPEX-FAMAGO, a producentem naroży N3 (ze specjalnego staliwa) firma FUGO-ODLEW SA.

Fot. 1. Czerpaki CK910-N3 w procesie urabiania po ca 104 h pracy.

Fot. 2. Czerpaki CK910-N3 w procesie urabiania bardzo trudnourabialnych frakcji o cechach zbliżonych do zbitego rumoszu. W czasie ich urabiania wydziela
się charakterystyczny dym.

Fot. 3. Koło czerpakowe z czerpakami CK910-N3 przy urabianiu warstw zbliżonych do pokazanych na fot. 1.

Na rys. 1c przedstawiono czerpak R12.0M - tradycyjny od wielu lat stosowany w BOT KWB Turów SA na trzech koparkach KWK-1500, czterech koparkach KWK-1200M i trzech koparkach SchRs-1200 (z sześcioma zębami ostrosłupowymi spawanymi bezpośrednio do noża).

Rys. 1c. Czerpak R12.0M próbowany w utworach trudnourabialnych na koparce KWK-1200M/K14 w I etapie.
Czerpaki takie stosowane są od wielu lat w BOT KWB Turów SA do urabiania nadkładu i węgla.

3.1. NAROŻA

Na rys. 2 przedstawiono fazy doskonalenia naroży w czasie realizowanego programu prób, odpowiednio: N1 (rys. 2a) w pierwszym, N2 (rys. 2b) w drugim oraz N3 (rys. 2c) w trzecim etapie prób. Trzy zęby ostrosłupowe w narożach (rys. 2b) ukształtowane zostały na bazie doświadczeń oraz prób przeprowadzonych w drugim kwartale 2006 r. Usytuowano je odpowiednio do trajektorii skrawania tak, aby zapewnić (w fazie początkowej zużycia) optymalny kąt skrawania g=a+b@45° [1]. Proces "stępiania się" (geometrię) ostrzy przedstawiono na rys.3 [3]. Takie ukształtowanie ostrzy w płaszczyźnie przyłączenia jak na rys. 2b i 2c zapewnia mniejsze oddziaływanie sił odporu w całym procesie zużycia oraz - co udowodniły próby na koparce K14 - pozwoliło na utrzymanie jeszcze korzystnego kąta skrawania gŁ60° w końcowej fazie zużycia i to z zachowaniem wymogu "samoostrzenia" rys. 3 [3]. Wymóg ten jak wykazały wieloletnie próby eksploatacyjne najlepiej spełniają ostrza głęboko hartowane (do ca 150 mm). W warunkach trudnourabialnych przy dużej intensyfikacji ścierania oraz natrafianiu na kamienie nie sprawdza się napawanie ostrzy zębów. Napawanie jako metoda zwiększenia trwałości przy czerpakach typu R12-N2 oraz CK910-N3 ograniczone być powinno jedynie dla powierzchni natarcia ostrzy noża. Przy tych czerpakach powierzchnie te narażone są na ścieranie z oddziaływania sił od urobku już uprzednio odspojonego przez zahartowane naroża, czyli na ścieranie mniej intensywne i mniej energochłonne. Udarowe oddziaływanie sił na napoinę noży jest kilkakrotnie niższe od takiego oddziaływania na końcówki zębów. Z doświadczeń wynika, że przy urabianiu warstw trudnourabialnych napoiny (narażonych na główne siły odspajania) na zębach kruszą się, deformują oraz powodują - w miarę zużywania - znaczny wzrost oporów urabiania, przyczyniając się często do przedwczesnego zniszczenia noża i całych czerpaków.

Rys. 2: a, b, c. Fazy doskonalenia naroży od N1 do N3 (widok od zewnętrznej płaszczyzny przyłożenia).

Specjalnie ukształtowana (optymalizowana) dolna powierzchnia przyłożenia naroża (za zębami) zapewnia zmniejszenie oddziaływania sił odporowych. Jest to szczególnie ważne przy czerpakach pracujących w warunkach IV i V klasy urabiania, gdzie w końcowej fazie zużycia tarcie od sił odporowych F_odp. może pochłonąć nawet 40% mocy napędu urabiania. [3]

Fot. 4. Zużycie naroży czerpaków CK910-N3 - po ca 136 h pracy w warunkach trudnourabialnych.

Dla zminimalizowania wielkości brył - w procesie odspajania - przy kole czerpakowym koparki KWK-910, zastosowano 16 czerpaków z narożami trójzębnymi N3 (rys. 1b). W najważniejszej dla minimalizacji brył początkowej fazie odspajania każdy z trzech zębów naroża N3 kruszy niezależnie i to ze stosunkowo dużym wyprzedzeniem l2 w odniesieniu do krawędzi skrawania noża "odciążając" w ten sposób powierzchnię natarcia noża od intensywnego zużycia ściernego (patrz rys. 4). Nóż dlatego nie zużywa się tak szybko jak przy czerpakach R12.0M, przy których wielkość l1 jest stosunkowo mała. Przy remontach noże czerpaków R12N2 jako pozycja znacząca w kosztach - nie muszą dlatego być wymieniane z taką dużą częstotliwością jak przy wielu innych typach czerpaków, np. R12.0M, przy których wielkość l1 jest ca 2,5 razy mniejsza od wielkości l2 przy czerpakach CK-910N3 (patrz rys.4).

Rys. 3. Proces stępiania się ostrzy głębokohartowanych w wyniku zużycia mineralnego.

Producentem naroży N1, N2 i N3 jest FUGO-ODLEW SA z Konina. Naroża te podlegają specjalnym wymogom obróbki cieplnej (włącznie z głębokim hartowaniem) w specjalnym oprzyrządowaniu zrealizowanym w FUGO. Oprzyrządowanie to pozwala również na spełnienie innych wysokich wymogów wytrzymałościowych narzuconych procesowi wytwarzania.

Warunki techniczne wytwarzania naroży "WTW" zostały wspólnie opracowane w zespole specjalistów FUGO oraz SKW. Do zawartego w nich doboru materiału na naroża oraz optymalizacji parametrów obróbki cieplnej szczególnie owocna była współpraca z Instytutem Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocławskiej.

WTW dla wytwarzania (całych) czerpaków oraz WTW dla ich remontu opracowane zostały przez SKW.

Parametry geometryczne i wytrzymałościowe naroży czerpaków R12-N2 i CK910-N3 zostały projektowo tak dobrane, aby w typowych przypadkach zużycia od ścierania mineralnego zapewnić możliwość 10-15-krotnego odpalenia zużytych i przyspawania nowych naroży do noża bez potrzeby wymiany noża. Kształt naroża dobrano tak, aby z sił wynikających z procesu urabiania wynikały stosunkowo małe naprężenia w spoinie łączącej naroże z nożem i to przy wielu analizowanych - różnych co do kierunku - przypadkach ich oddziaływania.

W próbowanym napędzie urabiania koparki KWK-910 z prawidłowo ustawionym sprzęgłem przeciążeniowym (szybkoodcinającym) oraz z prawidłowo przyspawanymi narożami - w okresie ponad trzymiesięcznego urabiania w warunkach bardzo trudnourabialnych z czerpakami CK910-N3 - ilościowo bardzo nieliczne były przypadki całkowitego "urywania" naroży na spoinach łączących je z nożem.

3.2. NÓŻ

Z rys. 1a i 1b oraz 4a i 4b wynika również istotne znaczenie technologiczne, które spełnić powinna konstrukcja noża. Nóż (wg rys. 4b) do czerpaków R12-N2 i CK910-N3 wykonany jest z trzech zespawanych ze sobą segmentów wykonanych z blach. Tak utworzony nóż z dwóch bocznych i jednej, środkowej części może być geometrycznie bardzo dokładnie wypalony i jako taki nie wymaga tłoczenia na gorąco. Części noża tak zaprojektowane mogą być wykonywane (i to bardzo dokładnie) na tanich obrabiarkach (frezarkach). Ich napawanie przewidziano tylko na płaskich powierzchniach natarcia (niezaokrąglonych). Czynność ta może być przeprowadzona w automatach do napawania.

Rys. 4a. Tradycyjny nóż gięty na gorąco z 6 zębami stosowany przy czerpakach R12.0M w rozwinięciu.

Rys. 4b. Nowy nóż czerpaka CK910-N3 (z trzech odcinków z blach) - w rozwinięciu.

Krawędzie tnące poszczególnych segmentów noża mogą być frezowane - przy ułożeniu ich "na płasko" i napawane przed zespawaniem noża "w całość".

Styk naroża z nożem umożliwia - co potwierdziły próby II i III etapu - ca 15-krotne odpalenie i ponowne przyspawanie po zużyciu naroża w tym samym miejscu. [5]

Ukształtowanie konstrukcyjne noża w części środkowej przesunięte do środka czerpaka o znaczną wielkość l2 posiada następujące zalety:

• koncentruje naprężenia od obciążeń zewnętrznych do narożnej (sztywnej) części noża i przednoża, tj. do "silnych" miejsc konstrukcyjnych w czerpaku,
• zmniejsza znacząco oddziaływanie szkodliwych sił odporu w całym procesie zużycia noża i czerpaka,
• zmniejsza i to istotnie intensyfikację ścierającego oddziaływania od sił urabiania wywieranych na nóż "kosztem" przewidzianego głównie do tego celu naroża. W tym rozwiązaniu jak na rys. 4b stanowi to istotny cel projektowy obniżający koszty remontowe czerpaków ograniczające się głównie tylko do wymiany naroży.

Dzięki takiemu ukształtowaniu noży i naroży główne zużycie będące przyczyną wymiany czerpaków "skupia się" na stosunkowo łatwych do wymiany narożach. Pozwala to na znaczne wydłużenie trwałości noży oraz obniża koszty remontowe czerpaków. Ponadto w stosunkowo łatwy sposób zapewnia powtarzalność wymiarów przy remontach czerpaków oraz utrzymanie - tak istotnej w procesie skrawania - dużej możliwości dokładnego ustawienia geometrii wymienianych przy remontach naroży (szczególnie kątów przyłożenia) do wymogów trajektorii skrawania. [3] i [4].

4. Zalety technologiczno-remontowe nowych czerpaków typu R12-N2 i CK910-N3

1. Stosunkowo mały zakres prac naprawczo-remontowych w porównaniu do zakresu prac przy czerpakach z zębami przyspawanymi do noża lub czerpakach z zębami wymiennymi.
2. Mała awaryjność - bowiem wytrzymałość na urywanie i deformację naroży odpowiednio dobrana została do sił skrawania od napędu.
3. Możliwość przeprowadzenia prac remontowych przy wykorzystaniu bardzo prostego oprzyrządowania ustawczego zapewniającego wymagania jakościowe dla powtarzalnych wymogów napraw.
4. Możliwość przeprowadzenia spawania naroży do noży w automatach lub półautomatach.
5. Łatwa (warsztatowa) możliwość zespawania noża z trzech płaskich uprzednio przygotowanych (już napawanych) części. Obróbka wiórowa elementów noża może być przeprowadzona na małych i tanich obrabiarkach.
6. Przy wymianie naroży nie jest wymagane (wręcz nie jest zalecane) przeprowadzanie obróbki wyżarzania czerpaka. Zalecane jest jedynie podgrzanie styku naroża z nożem w procesie spawania do ok. 200°C.

5. Ważniejsze aspekty ekonomiczne czerpaków z narożami trójzębnymi

Zasadniczy choć trudny do szczegółowego ustalenia stosownymi, porównywalnymi pomiarami eksploatacyjnymi i odpowiednio (dogłębnie) przeprowadzaną dokumentacją statystyczną napraw jest wpływ rozwiązań konstrukcyjnych czerpaków, w tym przede wszystkim konstrukcji ich elementów skrawających na ocenę ekonomiczną. Ocena ta głównie bazować powinna (co jest trudne do przeprowadzenia) na ocenie kosztów zużycia energii napędu koła czerpakowego w procesie urabiania oraz nakładów na wymianę i remonty czerpaków. Trwałość geometryczna i wytrzymałościowa zużywających się ostrzy, niska awaryjność czerpaków, spełnienie wymogu "samoostrzenia" w procesie zużycia oraz minimalizacja oddziaływania sił odporowych stanowią zasadniczo o walorach technicznych i ekonomicznych czerpaków nowej konstrukcji.

Rys. 5. Porównywalny przebieg wzrostu oporów urabiania oraz trwałości czerpaków R12.0M z czerpakami R12-N2 przy pracy w warunkach trudnourabialnych - opracowano na bazie prób przeprowadzonych na koparce KWK-1200/K14.

Po przeprowadzonych próbach eksploatacyjnych w II kw. 2005 r. i I kw. 2006 r. z pracy czerpakami z narożami R12-N2 (rys. 1a) i R12.0M (rys. 1c) bez naroży w porównywalnych warunkach trudnourabialnych opracowano "Wytyczne ..." dla ustalenia efektów ekonomicznych wynikających z porównań czasów pracy "od wymiany do wymiany" obu typów czerpaków, przyjmując następujące założenia wyjściowe:

1. Trwałość korpusów obu typów czerpaków R12-N2 i R12.0M jest porównywalna.
2. Efekty ekonomiczne z porównania nakładów na stosowanie obu typów czerpaków wynikają głównie z porównania nakładów na remonty oraz porównania czasów pracy "od wymiany do wymiany" noża i naroży czerpaków R12-N2 z nożami i zębami czerpaków R12.0M.
3. Z przeprowadzonych prób z narożami N1 i N2 wynika, że średnia ilość możliwych wymian tych naroży (przez odpalenie) od noża wynosi ~16 razy (taką samą ilość można przyjąć dla naroży N3 czerpaków koparki KWK-910). Po tylu odpaleniach nóż podlega wymianie. [5]
4. Przyjmuje się (wstępnie), że koszt zakupu noża dla czerpaków R12.0M porównywalny jest z kosztem wykonania noża dla czerpaków R12-N2.
5. Jak wyżej przyjęto, że porównywalne są koszty samej wymiany noży przy obu typach czerpaków.
6. Przyjęto, że koszt wymiany (odpalenie i przyspawanie) 6 zębów przy czerpakach R12.0M porównywalny jest z kosztem wymiany 2 naroży przy czerpakach R12-N2.
7. Przyjęto, że przy czerpakach R12.0M średnio po ca 3÷4 wymianach zębów zachodzi konieczność wymiany noża. [5]
8. Przyjęto, że trwałość eksploatacyjna ("od wymiany do wymiany") czerpaków R12-N2 jest szczególnie przy pracy w nakładzie trudnourabialnym ~ ca 3 razy wyższa od porównywalnej trwałości pracy czerpaków R12.0M (rys. 1c).
9. Do oceny efektów ekonomicznych przyjmuje się porównanie nakładów wynikających z czasu pracy i nakładów na wymiany: noża i naroży (16 razy) czerpaków R12-N2 ze stosowną (porównywalną) ilością wymiany noży i zębów przy czerpakach R12.0M.

Porównanie kosztów remontu czerpaków z tytułu wymiany: noży i naroży przy czerpakach R12-N2 oraz noży i zębów przy czerpakach R12.0M dokonano przy założeniu porównania kosztów wymiany jednego noża i 16 par naroży czerpaków R12-N2 z przypadającymi na ten sam czas pracy koparki kosztami ilości wymian noży i zębów czerpaków R12.0M.

Lp.	Rodzaj kosztów	Czerpaki R12-N2 (nowe)	Czerpaki R12.0M (stare)
1	A. Koszt zakupów	a) 1 noża b) 2 x 16 naroży	W tym samym okresie dla R12.0M przypada: a) (16/35) = 4,6 wymiany noża b) 16 x 3 x 6 = 288 wymian zębów
2	B. Koszt wymiany	Przyjmując koszty wymiany noży obu czerpaków za porównywalne oraz koszt wymiany 2 naroży przy czerpakach R12-N2 porównywalny z kosztem wymiany 6 zębów przy czerpakach R12.0M otrzymamy, że dodatkowe koszty ze stosowania czerpaków R12.0M wynikają: a) z dodatkowych (4,6 - 1) = 3,6 wymian noży (na porównywalny 1 cykl trwałościowy pracy noży przy R12-N2) oraz b) z dodatkowych (4,6 - 1) x 6 x 16 = 345 wymian zębów (na 1 cykl trwałości noży przy R12-N2).

Efekt ekonomiczny:

W porównywalnym czasie pracy (użytkowania) obu typów czerpaków dalsze stosowanie czerpaków R12.0M pochłania dodatkowe koszty zakupu materiałów i robocizny wynikających z tytułu:

• 3,6 dodatkowych wymian noży,
• 345* dodatkowych wymian zębów przy czerpakach R12.0M w jednym cyklu trwałościowym 1 noża i 2 x 16 szt. naroży czerpaków R12-N2 oraz dodatkowo z
  - 3,6 krotnego wzrostu częstotliwości (i kosztów) wywożenia, przywożenia oraz rozładunku i załadunku czerpaków do koparek i odwrotnie, oraz
  - strat produkcyjnych przypadających na dodatkowe postoje związane z dodatkowym czasem na wymianę czerpaków.

Powyższe wytyczne stanowią próbę analitycznego ujęcia zagadnienia efektów ekonomicznych, które w szczegółowych wyliczeniach i uwarunkowaniach w innych kopalniach mogą ulec stosownym zmianom. Przyjęte założenia wyjściowe i rozeznanie kosztów zakupu wymaga każdorazowo oddzielnego rozeznania w poszczególnych przypadkach decydowania o wymianie czerpaków "starych na nowe".

Mimo tych częściowych nieścisłości opłacalność ekonomiczna stosowania czerpaków z narożami i nowymi typami noży typu R12-N2 w porównaniu z czerpakami typu R12.0M jest na bazie wyników przeprowadzonych prób bezdyskusyjna. [5]

Ze względu na zasadniczy wpływ zużycia mineralnego oraz innych przyczyn wymiany (szczególnie przy czerpakach urabiających utwory trudno i bardzo trudnourabialne) na koszty remontowe ten składnik kosztów a nie koszty zakupu nowych czerpaków jest i to słusznie w kopalniach węgla brunatnego przyjęty jako rozstrzygający przy ocenie projektowej czerpaków.

6. Wnioski

1. Decyzja o wprowadzeniu do eksploatacji w kopalniach węgla brunatnego nowego rodzaju czerpaków jest trudna i wymaga:

• pełnego rozeznania aktualnego stanu techniki oraz przekonania (decydenta), że podjęcie produkcji nowego typu czerpaków jest technicznie i ekonomicznie uzasadnione,
• nakładów na nowe opracowania projektowe
• nakładów na próby i badania eksploatacyjne (w tym na niezbędne oprzyrządowanie),
• nakładów na badania u producentów, w tym głównie u producentów naroży,
• rozeznania możliwości technologicznych u potencjalnych (wskazanych przez użytkownika) poddostawców,
• nakładów na oprzyrządowanie m.in. do tych prób,
• dopracowania szczegółów technologicznych dla prowadzenia remontów napraw we własnych (kopalnianych) warsztatach remontowych,
• opracowania procedur odbiorowych u poddostawców oraz własnych służbach remontowych w postaci "Warunków Technicznych Wykonawstwa", tzw. WTW dla:
  a) wykonania: naroży, noży i całych czerpaków,
  b) przeprowadzania remontów,
  c) przeprowadzania ocen weryfikacyjnych czerpaków do remontu,
  d) ustalenia kryteriów dopuszczalnego zużycia naroży w eksploatacji.

2. Wyniki prób i badań przeprowadzonych z czerpakami R12-N1 i R12-N2 w warunkach trudnourabialnych, ich porównanie z czerpakami R12.0M, zdobyte doświadczenia w zakresie doboru geometrii ostrzy i konstrukcji naroży oraz doboru materiałów i ich obróbki cieplnej, wskazują na istotne uniwersalne zalety czerpaków z narożami również do urabiania - szczególnie nadkładu - w niższych klasach urabialności i to z dużą szansą znacznego obniżenia kosztów remontowych.

3. Dla urabiania skał trudno i bardzo trudnourabialnych w IV, V klasie urabialności wymagane są czerpaki specjalnej konstrukcji ze wzmocnionymi, wieloostrzowymi narożami oraz ze zmienionym sposobem ich mocowania do koła czerpakowego. Czerpaki takie zabudowane być powinny na kołach czerpakowych napędzanych z przekładni o podwójnym systemem kontroli i regulacji dopuszczalnych wielkości przeciążeń, tzn. ze sprzęgłem hydrodynamicznym typu VOITH oraz dodatkowo ze sprzęgłem szybkoodcinającym nadwyżki dynamiczne - oddziaływujące szczególnie niszcząco na trwałość czerpaków, naroży i noży. [4]

4. Naroża zużyte - ze względu na cenne składniki stopowe (Mo, Cr oraz Ni) powinny być zwracane producentowi odlewów do ponownego wykorzystania.

5. Wskazane jest - przy tak kapitałochłonnych nakładach, jakie ponoszą kopalnie na remonty czerpaków - aby okresowo np. co 5-10 lat gruntownie analizować rozwiązania konstrukcyjne oraz stosowane technologie remontowe czerpaków. Celem takich analiz powinna być stała potrzeba doskonalenia konstrukcji i technologii w miarę ogólnie pojętego postępu technicznego.

6. Przeprowadzone próby eksploatacyjne czerpaków z narożami trójzębnymi w BOT KWB Turów SA na koparce KWK-1200M/K14 w II kwartale 2005 r. i I kwartale 2006 r. oraz w I i II kwartale 2007 r. z czerpakami CK910-N3 na koparce KWK-910 wykazały, że w warunkach trudnego urabiania przy intensywnym ścieraniu mineralnym trwałość eksploatacyjna "od wymiany do wymiany" czerpaków R12-N2 jest ca 3-krotnie wyższa w porównaniu z trwałością czerpaków tradycyjnych R12.0M z zębami przyspawanymi do noża. Podobne lub jeszcze lepsze wyniki porównawcze można by oczekiwać gdyby na koparce KWK-910 udało się wypróbować czerpaki tradycyjne R12.0M, co jednak ze względu na inny sposób mocowania do koła czerpakowego jest niemożliwe.

Niniejszy artykuł jest kolejnym, dziesiątym opublikowanym artykułem z dziedziny urabiania koparkami kołowymi autorstwa pracowników SKW. Pięć z nich zostało także opublikowanych w renomowanych czasopismach zagranicznych "Braunkohle" oraz "World of Mining". Biuro Projektowe SKW opracowało własny program ustalający między innymi optymalną geometrię ostrzy w zależności od rozwiązań projektowych zespołu urabiającego i ukształtowania końcówki wysięgnika koła czerpakowego.

Norbert Wocka
SKW BIURO PROJEKTOWO-TECHNICZNE
Sapkowski, Kanczewski, Wocka Sp.j.

Literatura:

[1] Wocka Norbert, Wocka Cezary - Einflüsse auf Schneidkraft von Schaufelradbaggern bei schwer baggerbarem Lockergestein, Braunkohle, Heft 8, 1989 r.
[2] Wocka Norbert, Kolber Krzysztof - Ważniejsze aspekty fizykomechaniczne procesu urabiania skał trudnourabialnych koparkami kołowymi i ich wpływ na awaryjność i zużycie czerpaków. Węgiel Brunatny nr 3, 1998 r.
[3] Wocka Norbert - Rozkład zużycia mocy napędu urabiania koparek kołowych w całym cyklu pracy ostrzy skrawających, szczególnie przy urabianiu złóż trudnourabialnych. Węgiel Brunatny nr 3, 1999 r.
[4] Wocka Norbert - Dynamika procesu urabiania i jej wpływ na obciążalność elementów zespołu napędu urabiania przy koparkach kołowych pracujących w utworach trudnourabialnych. Węgiel Brunatny nr 3, 2001 r.
[5] Wocka Norbert, Kolber Krzysztof - Wyniki z trzech etapów prób przeprowadzonych z czerpakami z narożami. Materiał własny SKW, niepublikowany
[6] Hawrylak Henryk, Sobolski Roman - Maszyny podstawowe górnictwa odkrywkowego. Wydawnictwo Śląsk, 1967 r.

---

* W przypadkach awaryjnych uszkodzeń noży czerpaków R12.0M nieraz wykorzystuje się niektóre, częściowo tylko zużyte zęby. W tym przypadku liczba 345 dodatkowych wymian zębów może ulec zmniejszeniu.