Gąsienicowe mechanizmy jazdy maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego - rozwiązania zwiększające trwałość i niezawodność elementów

Wstęp

Wieloletnia eksploatacja maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego wykazała, że gąsienicowe mechanizmy jazdy (GMJ) koparek i zwałowarek są mechanizmami, w których duża ilość elementów składowych jest narażona na bardzo intensywne zużycie mineralne i jako takie wymagają dużych nakładów na ich naprawę lub wymiany na nowe.

W krajowych kopalniach węgla brunatnego aktualnie już prawie wszystkie koparki i zwałowarki wyposażone są w GMJ. W tych mechanizmach zabudowanych jest m.in. ponad 21 tysięcy płyt gąsienicowych, ponad 3,5 tysiąca kół jezdnych, ponad 1,5 tysiąca wahaczy małych.

20 lat temu - jeszcze ponad 40% nakładów na remonty tych maszyn pochłaniały GMJ. Wiele rozwiązań wadliwych konstrukcyjnie ulegało przedwczesnemu zużyciu. Ważniejsze prace innowacyjne podjęte przez SKW w poszczególnych kopalniach nad doskonaleniem tych elementów opisaliśmy w artykule: "Gąsienicowe mechanizmy jazdy maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego - ocena stanu technicznego oraz tendencje modernizacyjne" - umieszczonym w czasopiśmie "Węgiel Brunatny" nr 3 z 2002 roku [1]. Niniejszy artykuł rozwija tę tematykę wskazując na istotne osiągnięcia krajowego przemysłu budowy maszyn dla górnictwa odkrywkowego. Efektem wprowadzonych zmian konstrukcyjnych - szczególnie w ostatnich 15 latach - jest kilkakrotne zmniejszenie postojów awaryjnych (we wszystkich kopalniach węgla brunatnego) spowodowanych awariami GMJ. Ponad dwukrotnie obniżone też zostały nakłady na ich remonty.

GMJ - KWK-1200 - K26

W Kopalni Turów we wszystkich koparkach typu: KWK-1200M, KWK-1500s, KWK-910, SchRs-1200M zmodernizowano całkowicie GMJ. Walory nowych rozwiązań spowodowały całkowite wyeliminowanie z użycia rozwiązań GMJ stosowanych przed rokiem 1985.

Rozwiązania projektowe, które nie zostały ujęte w omawianym artykule [1] ze względu na brak doświadczeń eksploatacyjnych omówione są w kolejnych punktach niniejszego artykułu.

Działania oceniające i doskonalące poszczególne elementy i podzespoły GMJ

Płyty gąsienicowe

Na rys. 1 pokazano najaktualniejsze rozwiązanie płyt gąsienicowych wg projektu SKW - które zastosowano w oddanej 16.04.2007 r. - do eksploatacji w Kopalni Turów nowej koparce KWK-910 do urabiania utworów trudno urabialnych.

Konstrukcja korpusu płyty oraz zastosowanego w niej nowego ogniwa (ze zmodyfikowanego staliwa L35GSM-T produkcji FUGO S.A.) bazuje na udanych i sprawdzonych rozwiązaniach zastosowanych w KWB Turów we wszystkich zmodernizowanych koparkach KWK-1200M.

GMJ ZGOT-15400

Nowością jest złącze sworzniowe w rozwiązaniu:

• umożliwiającym na konstrukcyjnie ustalone (wymagane) wychylenia względne między płytami bez powodowania naprężeń skrętnych w złączu sworzniowym,
• bez tulejek w tzw. uchach "cienkich",
• z inną geometrią kształtu uch "grubych" uwzględniającą skutki rozwalcowania od nacisków kół bieżnych w okresach międzyremontowych,
• z innym doborem pasowań i innym kształtowaniem sworznia,
• umożliwiającym obracanie o 180⁰ sworzni po ich jednostronnym zużyciu.

GMJ KWK-910

Dalsze prace projektowe SKW nad doskonaleniem trwałości płyt skupiają się głównie nad możliwościami wydłużenia trwałości eksploatacyjnej złącz sworzniowych tzn.: określaniem (minimalizowaniem) siły naciągu w łańcuchu gąsienicowym, dodatkowym uszczelnieniem i smarowaniem złącz sworzniowych, zmniejszeniem luzów wyjściowych między sworzniem a odlewaną tulejką oraz ustaleniu kryteriów weryfikacyjnych klasyfikujących płyty (złącza): do wymiany, do następnego cyklu remontowego lub do remontu.

Wieloletnie doświadczenia eksploatacyjne wykazały wiele zalet (optymalnie "dopracowanych") ostróg usytuowanych na płaszczyźnie styku płyt gąsienicowych z podłożem. Znikome (ilości) uszkodzenia korpusów płyt (tak ukształtowanych) jak na rys. 1 i rys. 2 w wieloletniej eksploatacji potwierdziły trafność przyjętej konstrukcji.

GMJ KWK-910 jazda po łuku R=25 m

Doświadczenia te potwierdziły: wieloletnią trwałość korpusu (kształtu), dużą szczelność na stykach między płytami oraz - wbrew uprzednim obawom - brak oznak wpływu ostróg na wzrost momentu sterowania zmodernizowanych GMJ. Na zmodernizowanych w KWB Turów S.A. koparkach KWK-1200M (K14, K27, K26 i K28) można było porównać obciążenia mechanizmów sterowania, przed i po modernizacji GMJ.

Rys. 1. Płyta gąsienicowa z koparki KWK-910.

Przeprowadzony w latach 1992 i 1994 całoroczny pomiar zużycia energii napędu śruby sterowania gąsienic na K14 - przed i po modernizacji w przeliczeniu na 1 km średniorocznej przejechanej trasy wykazał o ponad 10% mniejsze zużycie energii, a więc i zapotrzebowania mocy napędu sterowania gąsienicami z ostrogą, co przez wiele lat przypisywaliśmy: przypadkowi, błędom pomiarowym lub innym nieznanym czynnikom.

Z aktualnej oceny służb Głównego Mechanika KWB Turów S.A. (dokonanej na bazie omawianych doświadczeń) wynikają również mniejsze potrzeby (zakresy) remontowe mechanizmów sterowania przy wszystkich zmodernizowanych koparkach KWK-1200M.

Rys. 2. Rozkład nacisków oraz skłonności o zanieczyszczeń płyt gąsienicowych.

Przeprowadzona aktualnie w SKW analiza obliczeniowa bazująca na teorii dr Lindenaua [2] i [3] w dużej mierze uzasadnia obniżenie momentu sterowania GMJ - w przypadku zastosowania ostróg ukształtowanych i wymiarowo "dopasowanych" do powierzchni oddziaływania płyty jak to pokazano na rys. 1.

Przy tak ukształtowanej ostrodze jak to pokazano na rys. 1 następuje skoncentrowanie nacisków pod ostrogą (bliżej środka obrotu płyty) w miejscu również wytrzymałościowo korzystnym - bo wzdłuż osi bezwładności. Każda płyta zanim przejmie obciążenie od nacisków na powierzchnię główną musi najpierw wcisnąć ostrogę w podłoże. O wartość wynikające z tej siły pomniejszone są odpowiednio naciski wywierane na pozostałą główną płaszczyznę stykową płyty z podłożem. Ponieważ ostroga jest gabarytowo mniejsza od powierzchni płyty i przejmuje (zawsze) większe naciski średnie aniżeli główna płyta stykowa to z tego faktu (wyliczeniowo) wynikają korzystniejsze opory skrętu.

Przykład obliczeniowy

1. Moment tarcia płyty bez ostrogi o podłoże wg Lindenau:

gdzie:

M_T - moment tarcia płyty o podłoże [Nm]

p - nacisk jednostkowy płyty na podłoże [N/m²]

µ - współczynnik tarcia płyty o podłoże

L - połowa długości płyty [m]

B - połowa szerokości płyty [m]

2. Moment tarcia płyty bez ostrogi o podłoże

Dane:

L=1,4 m

B=0,255 m

p=10 N/cm²=100.000 N/m²

P=142.800 N

µ=0,6

Wynik:

M_T = 62.120 Nm

3. Moment tarcia płyty z ostrogą o podłoże:

M_T = M_T1 + M_T2

M_T1 - moment tarcia ostrogi (wymiary 2a•2b) o podłoże

M_T2 - moment tarcia płyty (wymiary 2L•2B-2a•2b) o podłoże

Dane:

L=1,4 m

B=0,255 m

a=0,75 m

b=0,13 m

p₁=30 N/cm²=300.000 N/m²

p₂=2,5 N/cm²=25.000 N/m²

P=142.800 N

µ=0,6

Wyniki:

M_T1 = 27.190 Nm

M_T2 = 15.530 - 2.266 = 13.264 Nm

M_T=27.190 + 13.264 = 40.454 Nm

Jeżeli na płytę (bez ostrogi) o powierzchni 51 x 280 = 14.280 cm² - rys. 3 - wywierane są średnie naciski 1kG/cm² to moment tarcia o podłoże wyliczamy ze wzoru Lindenau [2] wynosi M_t = 6.212 kGm, jeżeli tą samą powierzchnię zajmuje płyta z ostrogą o (średnich) wymiarach ostrogi 150 x 26 = 3.900 cm² - rys. 4 - a pod tą ostrogą średni nacisk wywierany wynosi 3 kG/cm² to na pozostałą powierzchnię płyty wywierany jest nacisk tylko 0,25 kG/cm². Ponieważ moment tarcia zależy tak od nacisków jak i gabarytów, to w przypadku płyty z ostrogą łączny moment tarcia (wyliczony tą samą metodą wg [2] i potwierdzony metodą wg [3]) składa się z momentu tarcia wynikającego z nacisków pod ostrogą
Mt₁ = 2.719 kGm i momentu tarcia od nacisków i gabarytów z pozostałej powierzchni Mt₂ = 1.326 kGm - rys. 4.

Rys. 3. Płyta gąsienicowa bez ostrogi.

Rys. 4. Płyta gąsienicowa z ostrogą.

Łącznie oba te momenty Mt₁ + Mt₂ = 2.719+1.326 = 4.045 kGm są mniejsze od momentu tarcia z płyty bez ostrogi Mt = 6.212 kGm. Wyliczeniem tym można (z pewnym przybliżeniem) uzasadnić to, co stwierdza praktyka, a szczególnie potwierdza to mechanizm sterowania koparki KWK-910, który na stosunkowo małym promieniu R = 25 m realizuje z powodzeniem wymogi eksploatacyjne na skomplikowanych najniższych poziomach wydobywczych KWB Turów S.A. Na tej koparce po ponad 1,5-rocznej intensywnej eksploatacji w warunkach skomplikowanych nie wymieniono dotychczas ani jednej płyty.

Bardzo pozytywny wpływ na opory jazdy po minimalnych promieniach (R = 25 m) ma rozwiązanie napędu falownikowego mechanizmów jazdy, które to w płynny sposób doregulowuje zarówno prędkości jak i momenty na poszczególnych gąsienicach, kontrolując jednocześnie wartości dopuszczalnych obciążeń określonych w projekcie części maszynowej. W części elektrycznej i elektronicznej zadanie to na koparce KWK-910 zostało zrealizowane na sterowaniu wektorowym w falownikach SIEMENS-a na bazie opracowań projektowych firm: IGO Poltegor Wrocław i T-System Projekt Sp. z o.o. z Łodzi.

Zastosowane na tej koparce i sprawdzone już w praktyce rozwiązania konstrukcyjne GMJ, takie jak możliwość jazdy po pochyleniach max 1:15 (praca 1:20) oraz możliwość jazdy po łukach o R>=25m wyróżniają 6-cio gąsienicowy mechanizm jazdy tej koparki w skali techniki. Wymogi takie w aspekcie skomplikowanie zalegających warstw urabianych na najniższych (nadspągowych) poziomach eksploatacyjnych KWB Turów ustaliły projektantom z SKW służby eksploatacyjne kopalni. W tym zakresie mobilność eksploatacyjna tej koparki przeważa w sposób zasadniczy nad mobilnością GMJ koparek tradycyjnych z R_min = 50 m oraz pochyłościami tradycyjnymi 1:25 (praca 1:33).

Inne zalety płyt z ostrogami opisane w artykule [1] i podane na rys. 2 potwierdza praktyka. W zmodernizowanej koparce K26 - (zdjęcie nr 1) oddanej do eksploatacji po modernizacji w 2000 r. - do dnia 30.05.2008 r. również nie została uszkodzona (wymieniona) ani jedna płyta. Podobnie w innych koparkach uszkodzenia płyt są minimalne.

Wzrost trwałości płyt gąsienicowych, kół bieżnych oraz wieloboków napędowych przy GMJ przyczyniły się w głównej mierze do wydłużenia czasookresów międzyremontowych oraz obniżenia kosztów remontowych maszyn podstawowych w polskim górnictwie odkrywkowym.

Wahacze małe z kołami bieżnymi

Na rys. 5 pokazano wahacz typowy produkcji FUGO S.A. zastosowany przy koparkach KWK-1200M, KWK-1500s - w wersji ze smarowaniem olejowym kół bieżnych uszczelnionych pierścieniami Götze. W eksploatacji w krajowych kopalniach węgla brunatnego znajduje się aktualnie już ponad 500 szt. takich kół. Rys. 6 przedstawia najnowszą wersję wahacza - z koparki KWK-910 - również w rozwiązaniu z kołami uszczelnianymi tymi pierścieniami.

Rys. 5. Wahacz dwukołowy zmodernizowanych gąsienic koparek KWK-1200M.

Rys. 6. Wahacz dwukołowy gąsienic koparki KWK-910.

W odniesieniu do stanu techniki wahaczy opisanej w artykule [1] dla najnowszych rozwiązań ustalono dodatkowe (dokumentacyjnie i technologicznie) ścisłe wymogi jakościowe. Wprowadzono na obwodzie tych kół 2 ("zaślepione") otwory co 180^o umożliwiające w dowolnym położeniu koła na kontrolę ilości oleju oraz umożliwiające dogodną wymianę zużytego oleju przy remontach lub kontrolach.

W SKW opracowano Warunki Techniczne dla nadzorowania w eksploatacji oraz dla potrzeb nadzoru remontowego tych kół. W FUGO S.A. udoskonalono obróbkę cieplną oraz kontrolę skuteczności działania uszczelnień Götze po zakończonym montażu. Przypadki przedwczesnego wycieku oleju z kół bieżnych produkcji FUGO S.A. są znikome.

Łożyskowania na tulejach brązowych

Na rys. 7 przedstawiono problematykę związaną z przyczyną osiowego przemieszczania się tulei brązowych, tulei smarowanych w sposób wadliwy poprzez pośrednią komorę (wybranie) w części środkowej nad tuleją do której dochodzi pod stosownie dużym ciśnieniem smar. Jest to jedna z zasadniczych wad konstrukcyjnych stwierdzona przy wielu głównych łożyskowaniach dźwigarów gąsienicowych importowanych maszyn podstawowych. Smar wypełniający pod dużym ciśnieniem całą komorę wywołuje na powierzchni zewnętrznej tulei naciski deformujące plastycznie tuleję dociskając ją "na styk" do powierzchni czopa likwidując luz wynikający z pasowania H7/g6 na średnicy wewnętrznej tocznej. Naciski od ciśnienia smaru zmniejszają jej średnicę zewnętrzną - ("likwidując" pasowanie - wcisk H7/r6) - przyczyniają się do powstawania luzu obwodowego oraz do obracania i osiowego przemieszczania się tulejki na tej średnicy. Zjawisko to opisane jest na rys. 7 oraz [1].

Rys. 7. Fazy szkodliwego oddziaływania ciśnienia smaru w wadliwie wykonanych rowkach smarnych tulei głównych osadzenia dźwigarów gąsienicowych na osiach.

Przykład obliczeniowy

Uproszczony wzór Lamego dla naczyń cienkościennych:

gdzie:

ð - naprężenia w ściance,

r - średni promień ścianki,

p - ciśnienie działające na ściankę,

g - grubość ścianki.

Dane:

r=150 mm

g=12 mm

p=16 MPa

Dla większości brązów:

ð =200 MPa > R_0,2

Z uproszczonego wzoru Lamego (dla naczyń cienkościennych) i przykładu obliczeniowego podanego przy rys. 7 wynika, że pod ciśnieniem 16 MPa pod "komorą" smarną tuleja odkształca się plastycznie - i smar wciska się "klinem" stopniowo na całą powierzchnię zewnętrzną "likwidując" pasowanie H7/r6 na całej długości. Jest to przyczyną przemieszczania się tulei wzdłuż czopów wałów lub osi. Na rys. 7 podano również sposób w jaki można uniknąć takiego "wędrowania" tulei. Skutki takiego "wędrowania" są przyczyną wielu wymuszonych bardzo uciążliwych i kosztownych prac remontowych związanych z potrzebą demontażu całych gąsienic z głównych osi wsporczych GMJ.

Wielobok napędowy

Na rys. 8 pokazano wielobok napędowy wg ostatniej wersji projektowej SKW dla modernizowanej przez KWB "Konin" koparki SRs-1200. Rozwiązania podobne zastosowaliśmy również w transporterach gąsienicowych TG-260 i TG-460, eksportowanych przez FUGO S.A. do Grecji i przekazanych do eksploatacji w 2007 r.

Uzupełniająco do części opisowej działań wieloboków opisanych w artykule [1], aktualne rozwiązania SKW przypisuje szczególne znaczenie nowej konstrukcji oraz nowym wymogom jakościowym wykonawstwa, w tym szczególnie dla zapewnienia prawidłowego (symetrycznego) rozkładu sił obwodowych na obie strony (lewą i prawą) zabieraków. Na rys. 9 pokazano jaki wpływ na trwałość zabieraków i trwałość powierzchni naciskowych zabieraków na ogniwa może mieć wadliwe (niedokładne) wykonawstwo. W aktualnych rozwiązaniach SKW ze względów dokładnościowych nie zaleca się już stosowania nieobrobionych powierzchni odlewanych na zabierakach oraz (przy remontach) napawania jako sposób regeneracji powierzchni napierających zabieraków na ogniwa. W nowej konstrukcji koła zabierakowego zastosowano rozwiązanie:

• z łatwodemontowalnym odlewanym wieńcem zabierakowym (pasowanym na kole zabierakowym tylko "na wcisk"), w którym powierzchnie współpracy zabieraków z ogniwami są dokładnie - symetrycznie - wykonywane, obrabiane i hartowane z dogodną możliwością ich wymiany oraz z dogodną możliwością przeprowadzania ich obróbki wiórowej na "małych" i tanich obrabiarkach (ze względu na stosunkowo małe gabaryty),
• również przy ogniwach gąsienicowych powierzchnie naporowe do współpracy z zabierakami są w wersji obrabianej i hartowanej, gwarantujące prostopadłość do wzdłużnej osi ogniwa.

Rys. 8. Wielobok napędowy gąsienicy dla koparki SRs-1200M.

Rys. 9. Rozkład nacisków w punktach styku ogniwa z zabierakiem.

Przy zachowaniu (w tym rozwiązaniu możliwych) wysokich dokładności wykonawczych eliminuje się asymetryczny (bardzo szkodliwy dla trwałości złącza sworzniowego) sposób przenoszenia obciążeń, który często spotyka się w rozwiązaniach z zabierakami nieobrabianymi skrawaniem. Zwiększa się w ten sposób trwałość zabieraków, trwałość współpracujących z nimi powierzchni naciskowych ogniw oraz trwałość elementów złącz sworzniowych ogniw.

Podsumowanie

Niniejszy artykuł rozwija i uzupełnia o wyniki dalszych (8-letnich) doświadczeń projektowych, wykonawczych i eksploatacyjnych stan wiedzy na temat GMJ - opisany w artykule [1]. W GMJ - pozostało jeszcze szereg tematów nie rozeznanych tak dalece, aby można było lepiej wykorzystać jeszcze wciąż istniejące rezerwy i dalej obniżać koszty eksploatacyjno-remontowe. Dotyczy to przede wszystkim:

• sposobu optymalizowania (minimalizowania) sił obwodowych w łańcuchu gąsienicowym,
• sposobu uzyskania dalszego wzrostu trwałości elementów złączy sworzniowych płyt gąsienicowych,
• większej niezawodności uszczelnień i doskonalenia sposobu smarowania w łożyskowaniach ślizgowych wahaczy (małych, dużych oraz głównych),
• opracowania wspólnie ze służbami technicznymi kopalń "Wytycznych Oceny Stanu Technicznego" elementów GMJ, w tym oceny stopnia wyeksploatowania: płyt gąsienicowych, wahaczy, wieloboków napędowych, górnych kół wsporczych oraz kół napinających. Celem takiej oceny ma być racjonalne dopuszczanie tych elementów do dalszej eksploatacji oraz kwalifikowanie ich do remontu lub do złomowania.

Współpraca biur projektowych za służbami technicznymi kopalń jest najskuteczniejszą formą postępu technicznego, szczególnie wtedy gdy nowe rozwiązania mogą być sprawdzone w próbach eksploatacyjnych.

Rozwiązania techniczne zastosowane aktualnie w GMJ maszyn podstawowych kopalń węgla brunatnego w kraju można jakościowo porównywać z osiągnięciami czołowych światowych firm produkujących takie maszyny bez obawy o poczucie braku satysfakcji.

Norbert Wocka
Biuro Projektowo-Techniczne Sapkowski, Kanczewski, Wocka Sp.J.

Andrzej Warcholak
Biuro Projektowo-Techniczne Sapkowski, Kanczewski, Wocka Sp.J.

Literatura:

[1] Gąsienicowe mechanizmy jazdy maszyn podstawowych krajowych kopalń węgla brunatnego - ocena stanu technicznego oraz tendencje modernizacyjne. Węgiel Brunatny - nr 3 z 2002 r., autorzy: Norbert Wocka, Andrzej Warcholak.

[2] Die Kurvenbewegung und Lenkung neuzeitlicher Tagebaugeräte mit Raupenfahrwerken. Braunkohle - Heft 18 - 1941 - Dr. G. Lindenau.

[3] Berechnung der Kettenzugkraft bei der Kurvenfahrt von Raupenfahrwerken - Heberzeuge und Fördermittel - Heft 11 - November 1965. Autor: H.J. Schmidt.