Koparka KWK-910 - koparka specjalna do pracy w pokładach trudnourabialnych w PGE Kopalnia Węgla Brunatnego Turów S.A.

Wstęp

W PGE KWB Turów S.A. w nadspągowych warstwach nadkładowych występują w dużych ilościach utwory trudnourabialne. Utwory te związane są ze strefami skał żelazistych oraz szczególnie twardymi odmianami osadów klastyczno-ilastych. Duży wpływ na własności mechaniczne tych utworów ma udział kaolinitu, minerału charakteryzującego się wybitną dylatancją, czyli oporem przeciw mechanicznemu naciskowi, który jest tym większy im większa jest prędkość odkształcania. Składnikami mineralnymi istotnymi dla własności mechanicznych tych ilasto-klastycznych utworów trudnourabialnych są minerały klastyczne reprezentowane przez: kwarce, skalenie, syderyty, piryty, minerały ciężkie i inne. Zwarta struktura (więźba) ilasta tych składników jest powodem dużej wytrzymałości mechanicznej tych utworów, do których w złożu turoszowskim zaliczamy:

• mikstyty syderytowe,
• mikstyty piaszczyste i żwirowo-syderytowe
• mikstyty żwirowe i piaszczyste zasilone,
• iły zapiaszczone,
• syderyty oraz
• konkrecje siarczkowe i mieszane.

Widok ogólny koparki.

Zdejmowanie tych warstw znad warstw I pokładu węglowego w istniejących uwarunkowaniach technologicznych kopalni Turów wymaga angażowania koparek ze specjalnym mechanizmem urabiania przystosowanym do pokonywania oporów liniowych do ca 200 kN/mb oraz do urabiania warstw z dużą ilością przeszkód nieurabialnych.

Dla spełnienia tych wymogów w zakresie urabialności oraz dużej mobilności wynikającego ze znacznych deniwelacji i skomplikowanego zalegania I pokładu węglowego, Kopalnia Turów zamówiła koparkę KWK-910 - jako maszynę specjalną do urabiania takich utworów.

16 grudnia 2006 roku przekazano koparkę do zjazdu z placu montażowego i eksploatacji wstępnej, a 16 kwietnia 2007 roku do eksploatacji ostatecznej. Koparka ta została zaprojektowana, wykonana i zmontowana całkowicie siłami polskich firm. Generalnym wykonawcą koparki było SKW Biuro Projektowo-Techniczne Sapkowski, Kanczewski, Wocka Sp.j. ze Zgorzelca.

Projekt części maszynowo-konstrukcyjnej oraz nadzór nad wykonawstwem i montażem realizowało SKW. Projekt części elektrycznej i oprogramowania oraz nadzór nad wykonawstwem i montażem zrealizował zespół projektowy IGO-Poltegor-instytut z Wrocławia. Założenia techniczno-technologiczne oraz główne wymogi eksploatacyjne dla pracy koparki zostały opracowane przez służby techniczne i inwestycyjne KWB Turów.

W dniach 12-15.04.2007 r. koparka ta z wynikiem pozytywnym zrealizowała zadania ujęte w "próbie wydajności" osiągając wymaganą wydajność przy urabianiu uzgodnionego z kopalnią trudnourabialnego "bloku próbnego".

Głównymi podwykonawcami budowy koparki były firmy:

• FUGO S.A. - dostawca konstrukcji stalowej oraz mechanizmów (w tym m.in. całego GMJ, układu olinowania i zwodzenia wysięgnika koła czerpakowego, przegubów kulistych),
• KOPEX-FAMAGO Sp. z o.o. - dostawca konstrukcji stalowej pomocniczej, bębnów i czerpaków,
• FAMAK S.A. - dostawca konstrukcji stalowej i mechanizmów (w tym m.in. portalu podwozia i koła czerpakowego),
• Firma Prespol z Leśnej - Kościelnika - dostawca m.in. łoża kulowego i wieńca zębatego do mechanizmu obrotu (w kooperacji z KOPEX-FAMAGO Sp. z o.o.) oraz dostawca krążników,
• Bosch Rexroth i Kret i S-ka z Chojnowa - dostawca oraz montażysta całego (licznego przy tej koparce) wyposażenia hydraulicznego,
• Firma FLENDER AG - dostawca przekładni napędu koła czerpakowego oraz przekładni do wciągarki głównej i wciągarki kabiny operatora,
• Mostostal-Montaż Słupca - realizator montażu części maszynowo-konstrukcyjnej,
• Elektrobudowa S.A. z Konina - główny dostawca wyposażenia elektrycznego oraz wykonawca montażu części elektrycznej i sterowania,
• "T-System" z Łodzi - wykonawca montażu i uruchomienia falowników,
• INTER TECHNIK ze Zgorzelca - dostawca falowników, kabin, szaf sterowniczych,
• Prüftechnik-VIBREM Sp. z o.o. - wykonawca i dostawca systemu diagnostyki węzłów łożyskowych oraz monitoring konstrukcji nośnej.

Najważniejsze dane techniczne

Schemat koparki z podstawowymi wymiarami.

Układ urabiania

• moc napędu urabiania: 2x500 kW,
• średnica koła czerpakowego: 10,2 m,
• ilość czerpaków: 16 szt.,
• pojemność czerpaka nominalna: 910 l,
• liczba wysypów: 66,5 1/min.,

Szerokość obu taśm przenośnikowych: B=1.800 mm

Mechanizm jazdy koparki

1. ilość gąsienic: 3x2 szt.,
2. prędkość jazdy: 0-8,8 m/min.,
3. szerokość płyt gąsienic: 2,8 m,

Mechanizm sterowania gąsienic koparki: hydrauliczny,

• promień skrętu gąsienic, min.: ≥25,0 m,

Mechanizm obrotu nadwozia: hydrauliczny

• średnica łoża kulowego: 9.000 mm,
• prędkość obrotu nadwozia (w osi koła czerpakowego): 8-30 m/min.,

Mechanizm obrotu wysięgnika załadowczego: hydrauliczny

• prędkość obrotu wysięgnika (w osi bębna zrzutowego): 3-14 m/min.,

Mechanizm zwodzenia wysięgnika urabiającego (wciągarkowy)

• prędkość zwodzenia wysięgnika (w osi koła): 5,6 m/min.,

Mechanizm zwodzenia wysięgnika załadowczego

• rodzaj mechanizmu: siłownikowo-hydrauliczny,

Część elektryczna

• napięcie zasilania: 6 kV,
• całkowita moc zainstalowana na koparce: 2.700 kW,

Najważniejsze dane technologiczne

• wydajność teoretyczna
  - nominalna: 3.600 m³/h,
  - maksymalna: 4.400 m³/h,
• siła obwodowa
  - nominalna: 419 kN,
  - maksymalna: 461 kN,
• jednostkowa siła kopania maksymalna (porównawcza, wg wzoru Lauchhammer): 200 kG/cm,
• wysokość urabiania maksymalna: 21,6 m,
• głębokość urabiania: - 2 m,
• kąt skarpy bocznej: 60°,
• kąt skarpy czołowej: 50°,
• siła boczna (w osi koła czerpakowego): 235 kN,
• maksymalny promień urabiania: 30 m,
• promień ładowania: 34 m,
• szerokość bloku
  - optymalna: 35 m,
  - maksymalna: 45,6 m,
• różnica poziomów pracy koparki i przenośnika poziomowego ±5 m,
• wysokość załadunku (mierzona do osi bębna zrzutowego)
  - maksymalna: 11,3 m,
  - minimalna: 0,57 m,
• minimalny promień skrętu koparki: 25 m,
• dopuszczalne pochylenie terenu: wzdłużne poprzeczne
  - praca: 1:20 1:25
  - transport: 1:15 1:33
• kąt obrotu nadwozia względem podwozia koparki: ±180°,
• kąt obrotu wysięgnika załadowczego względem nadwozia: ±105°,
• maksymalna prędkość wiatru w czasie pracy: 25 m/s,
• średni nacisk na grunt: 116,6 kPa,
• całkowita masa maszyny: 1.610,7 Mg.

Podstawowe rozwiązania konstrukcyjne

Koparka w trakcie zjazdu z placu montażowego na poziom roboczy - widać wyraźne ślady jazdy po łukach o małym promieniu R=25 m.

Gąsienicowy mechanizm jazdy.

Hydrauliczne sterowanie gąsienic.

Układ urabiania z zespołem napędowym 2x500 kW.

Praca koparki w utworach trudnourabialnych.

Praca koparki w utworach trudnourabialnych.

Czerpaki z narożami odlewanymi głębokohartowanymi.

Opisy

Napęd koła czerpakowego 2x500 kW realizowany jest przez specjalnie zaprojektowaną (SKW + Flender) przekładnię stożkowo-planetarną, w której zabudowano specjalne sprzęgło przeciążeniowe szybkoodcinające (0,1-0,15 sek.) udarowe nadwyżki dynamiczne przekraczające ustalone wartości. W rozwiązaniach koparek tradycyjnych główną przyczyną zniszczeń (przekładni, wału koła czerpakowego, koła czerpakowego, czerpaków oraz elementów konstrukcji nośnej) był i jest brak sprzęgła umożliwiającego na "odcinanie" oddziaływania takich przeciążeń udarowych.

Przy napędach obciążonych dynamicznie łączny moment napędowy wywołują obciążenia statyczne i dynamiczne, wynosi on:

W warunkach trudnourabialnych, przy dużej ilości przeszkód nieurabialnych (kamieni) zachodzą częste przypadki gwałtownych zatrzymań koła czerpakowego, przy których (w podanym wzorze) wartość członu dynamicznego:

kilkakrotnie przekracza maksymalne obciążenia statyczne. Dlatego dla zminimalizowania wpływu tego członu przekładnia napędu koła czerpakowego koparki KWK-910 została wyposażona w dodatkowy układ zabezpieczający ze specjalnym sprzęgłem umożliwiającym odcinanie szkodliwe oddziaływania takich nadwyżek dynamicznych.

Sprzęgło przeciążeniowe szybko "odcinające" nadwyżki dynamiczne procesu urabiania.

W okresie od grudnia 2006 r. do grudnia 2008 r. odnotowano ponad 4.000 wyłączeń od przeciążeń udarowych - sił ≥460 kN. Mimo tak dużej ilości wyłączeń sprzęgła nie stwierdzono znaczącego zużycia tarczy hamulcowej widoczny na zdjęciu powyżej.

Konstrukcja stalowa nadwozia wsparta jest na platformie ułożyskowanej na specjalnym (dostosowanym do wymogów większych pochyleń przy transporcie i urabianiu) dwurzędowym "skośnym" łożu kulowym o średnicy Ø9.000 mm i średnicy kul Ø150.

Konstrukcja nośna nadwozia została zaprojektowana w sposób umożliwiający osiągnięcie wysokiej trwałości zmęczeniowej i prowadzenie jej eksploatacji wg konkretnego zasobu projektowego w zakresie trwałości.

Węzły konstrukcyjne zostały ukształtowane w taki sposób, aby uniknąć spiętrzenia naprężeń w rejonie złącz spawanych. W punktach połączeń głównych zespołów konstrukcyjnych wprowadzono przeguby eliminujące szkodliwe oddziaływanie momentów gnących w miejscach skokowej zmiany sztywności.

Sylwetka koparki została ukształtowana w taki sposób, aby uzyskać pożądaną charakterystykę dynamiczną ograniczającą zjawiska rezonansowe w wyniku procesu urabiania. W istotnych punktach konstrukcji prowadzona jest ciągła rejestracja widm naprężeń, co pozwala na dokonanie bieżącej oceny zasobu trwałości projektowej.

W założeniach projektowych służby techniczne kopalni przypisywały szczególne znaczenie rozwiązaniom układu transportowego w tym głównie małej wysokości przesypu środkowego, ukształtowaniu i uszczelnieniu przesypów, dogodnym sterowaniu prostoliniowemu biegu taśm, kontrolowaniu stopnia napięcia taśm, oraz zabudowie urządzeń umożliwiających kontrolę poślizgu taśm w tym również taśmy czyszczącej (wymogi p.poż.), co też zostało zrealizowane.

Układ zwodzenia wysięgnika koła czerpakowego przewiduje olinowanie zdwojone symetryczne z kontrolowaną siłą w linach. Układ ten przy wymianie pozwala na montaż i demontaż lin bez potrzeby korzystania z lin kotwicznych oraz bez potrzeby podpierania wysięgnika przeciwwagi. Napęd zwodzenia realizowany jest w części elektrycznej poprzez układ dwóch silników klatkowych zasilanych z falowników ze zwrotem energii do sieci przy opuszczaniu wysięgnika.

Układ zwodzenia wysięgnika załadowczego realizowany jest poprzez siłownik hydrauliczny.

Do obsługi maszyny przewidziano dwie klimatyzowane i wyciszone pyło i dźwiękoszczelne kabiny operatorów, wyposażane w stanowiska sterowania, monitory do wizualizacji procesu sterowania i diagnostyki, telewizję przemysłową oraz łączność przewodową i bezprzewodową.

Ponadto koparka wyposażona została wg projektu części elektrycznej w cały szereg urządzeń i instalacji poprawiających komfort i bezpieczeństwo pracy m.in. takich jak: nowoczesne i sprawne systemy sterowania SIMATIC S-7, falowniki SIMOVERT z możliwością odzyskiwania energii, układ zdalnej diagnostyki łożysk ON-LINE, nowoczesny system pomiaru i rejestracji naprężeń w głównych węzłach konstrukcji stalowej, system telemetryczny zdalnej diagnostyki oraz telewizję przemysłową i system samoczynnego awaryjnego oświetlenia w przypadkach zaniku napięcia.

Pierwsze wyniki eksploatacyjne oraz ocena osiągniętego stanu techniki

Bezcenne dla przyszłych potrzeb eksploatacyjnych podobnych złóż oraz przyszłych potrzeb budowy maszyn są już zdobyte i nadal zdobywane doświadczenia z pracy tej koparki w warunkach trudnourabialnych KWB Turów.

Wyniki pracy w latach 2007/2008

Rok	Czas pracy [h]	Wydobycie węgla [t]	Wydobycie nadkładu [mc3]	Masa [mc3]	Wydajność [mc3/h]
2007	2.960	689.363	2.216.858	2.768.348	935*
2008	2.299**	1.081.441	1.675.297	2.540.450	1.105

* w 2007 r. - w trakcie profilowania (ca 7 km) drogi dojazdowej, oraz przygotowania frontu docelowej pracy, koparka pracowała okresowo z ograniczoną wydajnością. Pełną wydajnością koparka pracowała po przeprowadzonej próbie wydajności 16.04.2007 r.
** w 2008 r. - stosunkowo krótki roczny czas pracy 2.299 h - wynikną głównie z planowanych postojów technologicznych.

Z dotychczasowych doświadczeń eksploatacyjnych wynikają szczególne zalety układu urabiania z dużą statyczną obwodową siłą skrawania 419 kN oraz dużą statyczną boczną siłą 235 kN - mogąca być wywieraną w osi koła czerpakowego przez mechanizm obrotu nadwozia. Wartości obu tych sił są około 2-krotnie wyższe od podobnych wartości sił przy koparkach KWK-1500 i KWK-1200 - głównie angażowanych do urabiania nadkładu w KWB Turów.

Służby eksploatacyjne wskazują również:

• szczególne mobilne zalety GMJ pokonującego transportowe pochylenia 1:15, przy możliwych małych promieniach skrętu R≥25 m oraz na możliwość urabiania przy pochyłościach 1:20, co przy krótkich frontach eksploatacyjnych i dużych deniwelacjach zalegania węgla w warstwach nadspągowych ogranicza straty technologiczne wynikające z konieczności dodatkowego przybierania nadkładu, skracania zjazdów i podjazdów itp.,
• na szczególne zalety dużego (ca 11 m) zakresu zwodzenia wysięgnika załadowczego, szczególnie przydatnego przy omawianych uwarunkowaniach wynikających z częstych deniwelacyjnych potrzeb.

Rozwiązania i dane techniczne wyróżniające tę koparkę w klasie koparek o podobnych wielkościach i podobnych parametrach:

1. nowoczesna sylwetka z konstrukcją stalową ukształtowaną wg nowoczesnych metod likwidacji karbów konstrukcyjnych wykonanej w technologii spawanej z minimalną ilością styków śrubowych,
2. optymalne skojarzenie sztywności konstrukcji stalowej podwozia z konstrukcją stalową nadwozia, zapewniające korzystne warunki pracy łoża kulowego i gwarantujące jego wysoką trwałość,
3. zachowanie optymalnego rozkładu mas nadwozia w stosunku do podwozia co gwarantuje zachowanie stateczności w pełnym zakresie przewidzianym normą DIN 22261 przy jednoczesnym zachowaniu minimalnej masy nadwozia,
4. nowoczesny niespotykany (w skali techniki) napęd koła czerpakowego z jednym sprzęgłem szybkoodcinającym dynamiczne przeciążenia (bezwładnościowe) "idące" głównie od momentów zamachowych wirników dwóch silników elektrycznych, 2 sprzęgieł VOITH oraz obu pierwszych stopni stożkowych przekładni w przypadkach gwałtownych zatrzymań koła czerpakowego natrafiającego na przeszkody nieurabialne (kamienie),
5. unikalny sposób łożyskowania wału koła czerpakowego z jednym łożyskowaniem wału wewnątrz przekładni napędowej, która korpusem i dźwignią momentową włączona jest do głównej ściany ustroju nośnego wysięgnika koła czerpakowego oraz z drugim łożyskiem usytuowanym w ścianie z drugiej strony tego wysięgnika,
6. nowoczesny sposób przeniesienia momentu napędowego z przekładni zębatej poprzez ewolwentowe połączenie wielowypustowe i tarczę zabierakową do korpusu koła czerpakowego. W rozwiązaniu takim wał nie przenosi momentu skręcającego i staje się osią. Takie rozwiązanie z osią zamiast wałem gwarantuje praktycznie "niezniszczalność" osi,
7. nowoczesny sposób sterowania napędem koła czerpakowego zapewniającym skuteczne "odcinanie" nadwyżek dynamicznych, dogodne hamowanie przeciwprądem "reszty" mas wirujących (w czasie ca 3-4 sek.) oraz możliwy szybki ponowny rozruch napędu w ciągu kilkunastu sekund. Efektem takich możliwości sterowania są minimalne straty eksploatacyjne (czasu pracy) w przypadkach wyłączeń przeciążeniowych,
8. zastosowanie falownikowych napędów (z wykorzystaniem możliwych do wykorzystania zalet) do gąsienicowych mechanizmów jazdy (GMJ) oraz do układu zwodzenia wysięgnika koła czerpakowego i wysięgnika zwodzenia kabiny operatora głównego,
9. zastosowanie hydraulicznego sterowania gąsienic z kontrolą sił sterowania i stanu wysterowania gąsienic - taki sposób sterowania zapewnia możliwość ograniczenia wartości obciążeń eksploatacyjnych,
10. nowoczesne rozwiązanie płyt gąsienicowych z ostrogami usytuowanymi na powierzchni stykowej (środkowej) płyty z podłożem co zapewnia koncentrację nacisków w najkorzystniejszej części płyty i obniża momenty sterowania (skręcania) gąsienicami. Z nowym złączem sworzniowym w wersji bez możliwości wywoływania (powstania) naprężeń skrętnych w złączu w przypadku "bocznego" - (mimośrodowego) najechania gąsienicą np. na kamień lub np. przeszkodę,
11. z nowoczesnym rodzajem zesprzęgleń silników z przekładniami napędów z wymienną wkładką typu "Tschan" umożliwiającą jej wymianę bez potrzeby demontażu silnika,
12. z zastosowaniem do kontroli i regulacji prostoliniowego biegu taśm specjalnych zestawów krążnikowych ze sterowaniem elektro-hydraulicznym,
13. wyposażenie koparki w wygodny układ komunikacyjny dostosowany do prac remontowych i obsługowych (m.in. do wulkanizacji taśm),
14. ponad 60% wszystkich przegubów zaprojektowano i wykonano z łożyskowaniem samosmarującym w rozwiązaniu bezobsługowym. Pozostałe złącza z parami trącymi zostały pogrupowane i wyposażone w lokalne (lub jak przy GMJ w centralne) systemy smarowania smarami mazistymi.

Wyposażenie dodatkowe

Nadwozie i podwozie zostało wyposażone w odpowiednio rozprowadzoną instalację p.poż. ze zbiornikiem wody (w podwoziu) 5m³.

Na koparce rozprowadzone są (dla potrzeb w miejscach remontowych) dwie instalacje spawalnicze, jedna w podwoziu i druga w nadwoziu.

Ponadto koparka wyposażona jest w ogrzewane pomieszczenie socjalne dla obsługi.

Podsumowanie

Krajowa produkcja maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego została rozszerzona o istotną dla aktualnych i przyszłych potrzeb branży węgla brunatnego - koparkę nowej generacji do urabiania złóż trudnourabialnych.

Współdziałając ściśle ze służbami: technicznymi i inwestycyjnymi Kopalni Turów wdrożono do eksploatacji nowoczesną, daleko zautomatyzowaną koparkę z wizualizacją procesu sterowania i diagnostyki, z telewizją przemysłową, instalacjami alarmowymi, p.poż. i innymi.

Nowoczesny układ urabiania z możliwością "odcinania" (jakże szkodliwych przy innych znanych powszechnie koparkach) udarowych nadwyżek dynamicznych umożliwia urabianie wielu rodzajów skał (o oporach do 200 kN/mb) bez potrzeby ich rozluźniającego strzelania lub rozluźniania dodatkowym sprzętem specjalistycznym (spycharki).

Nowoczesna i stabilna sylwetka koparki z bardzo mobilnym GMJ (możliwość pokonywania dużych pochyleń i to przy minimalnych promieniach skrętu) wyróżniają walory eksploatacyjne tej maszyny od podobnych znacznie kosztowniejszych koparek z importu.

Wprowadzenie w szerokim zakresie rozwiązań przyjaznych dla obsługi (stanowiska pracy) i środowiska naturalnego (wyciszenie - istotne w porównaniu z maszynami np. z ostatnich 10 lat) stawia tą koparkę pośród najnowocześniejszych maszyn podstawowych dla górnictwa odkrywkowego.

Wiele zastosowanych i już sprawdzonych rozwiązań (m.in. czerpaki, płyty gąsienicowe itp.) mogą być i są wzorem dla innowacyjnych możliwości poprawy stanu techniki wielu maszyn podstawowych polskiego i nie tylko polskiego górnictwa odkrywkowego.

Marek Kowalczyk
SKW Sp.J. w Zgorzelcu

Norbert Wocka
SKW Sp.J. w Zgorzelcu