В повседневной жизни нас окружает масса предметов и вещей, в создании которых использовались горные машины — экскаваторы. Из недр мы добываем руду для получения металлов, сырьё для цементной промышленности, уголь для энергетики и коксохимии и многое-многое другое. Экскаватор на добыче полезных ископаемых — это первая машина на самом начальном этапе длительного и сложного процесса создания самых различных изделий...
  При прочтении этих строк у многих в воображении нарисуется картинка с оранжевым гидравлическим экскаватором, который роет котлован под фундамент нового дома в соседнем дворе. Однако в этой статье речь пойдёт о другом оборудовании. Мы познакомимся с настоящими исполинами, с самыми большими наземными самоходными машинами на нашей планете — вскрышными карьерными экскаваторами!
Чтобы добраться до полезного ископаемого и выбрать его, т.е. отгрузить для дальнейшей переработки, надо вскрыть это самое полезное ископаемое — провести вскрышные работы, которые включают в себя перемещение пустых покрывающих пород на необходимое расстояние (во временные или постоянные отвалы). Затем проводится добыча полезного ископаемого с его погрузкой и транспортировкой. Отработка породного массива и добыча проходит ступенчато — уступами. Высота уступов зависит от многих факторов, в том числе и от параметров используемого оборудования. Отношение объёма отрабатываемых вскрышных пород, к объёму (или массе) добываемого полезного ископаемого за период называется коэффициентом вскрыши и является важнейшим технологическим показателем горного предприятия.
Основную работу при перемещении пород выполняют экскаваторы. Их можно условно разделить на добычные и вскрышные. В свою очередь, и те, и другие, делятся на одноковшовые, цикличного действия (механические лопаты, драглайны, гидравлические) и на многоковшовые, непрерывного действия (роторные, цепные и др.). Мы остановимся на одноковшовых вскрышных экскаваторах.
Применительно к одноковшовым экскаваторам определение «вскрышной» подразумевает, что агрегат имеет значительные радиусы черпания и разгрузки и не предназначен для погрузки отрабатываемой породы в транспорт. В основном экскаваторы этого типа используются для перемещения вскрышных пород от забоя (место копания) сразу в выработанное пространство — внутренний отвал — или для перевалки пород на самих отвалах. Почти все драглайны относятся к вскрышным экскаваторам. А вот среди механических лопат это отдельное семейство — вскрышные механические лопаты.
  Прообраз современной механической лопаты был запатентован американским изобретателем Отисом ещё в начале XIX в., и с тех пор конструкция не претерпела принципиальных изменений. Лебёдка подъёма рукояти с ковшом, напорный механизм — вот основные составляющие рабочего оборудования.
  Название «механическая лопата» как нельзя лучше отражает суть конструкции экскаватора. Передний конец рукояти с ковшом движется вверх под действием подъёмного каната, одновременно подаётся на забой механизмом напора, ковш вгрызается в массив и снимает стружку грунта. Затем экскаватор поворачивается на выгрузку, днище ковша открывается и грунт высыпается, освобождая ковш. Экскаватор опять поворачивается к забою, и цикл повторяется.
  В XX в. человечество стало геологическим фактором. Поворачивались вспять реки, сокрушались горы, под проливами возводили многокилометровые тоннели. Люди научились создавать подвластных себе механических монстров, с помощью которых осуществляли самые сумасшедшие проекты по переустройству родной планеты.
  Естественно, прогресс не оставил и горных работ. Карьерный экскаватор, подчиняясь воле дерзких конструкторов, трансформировался, увеличивался в размерах и массе, опережая воображение.
  Концепция развития горной промышленности в 1960 — 1970-х годах подразумевала опережающее развитие открытого способа разработки месторождений.
  Именно простая бестранспортная система разработки вскрышной толщи с экскавацией пород в выработанное пространство, потребовала создания и применения мощных вскрышных экскаваторов, размеры которых позволили бы перемещать породу на значительное расстояние. Учитывая определённые горно-геологические условия ряда месторождений, многие, специалисты считали более перспективным создание сверхмощных вскрышных механических лопат, нежели драглайнов. Обсуждались такие преимущества механической лопаты, как лучшая приспособленность к экскавации крепких, разрыхлённых скальных пород, лучшая геометрия забоя, высокий коэффициент использования ковша и др.
Первыми на путь построения гигантских механических лопат вышли разработчики США. Уже в 1936 г. фирмой «Bucyrus-Erie» был выпущен экскаватор серии 950В, следом — 1050В, но это было только начало. В 1956 г. на угольном разрезе под управлением «Hanna Division of Consolidated Coal company» в Огайо начал работу Marion 5760 «Mountaineer» с ёмкостью ковша 45,6 м3 и длиной стрелы 45,4 м. По тем временам машина поражала своими размерами (полная высота — 46 м). Это был первый сверхмощный вскрышной экскаватор массой более 2500 т. Он эксплуатировался вплоть до 1979 г. Машин серии 5760 было построено несколько («Big Dipper», «Big Paul»), они незначительно отличались ёмкостью ковша и длиной стрелы.
Следующая легендарная машина — Bucyrus-Erie 1850B «Big Brutus» с ковшом ёмкостью 69 м3 и длиной стрелы 45,5 м была введена в работу в 1962 г. на одном из угольных разрезов «Pittsburs and Midway coal Mining Co.» в Канзасе. Это единственный сохранившийся до наших дней экскаватор 1850В, он работал до 1974 г., а в 1984 г. был передан в музей-мемориал на радость многочисленным туристам.
Одновременно в Кентукки для компании «Piabody» монтировался 3850В «Big Hog» с ковшом 88 м3 и стрелой 70 м. «Big Hog» проработал до 1985 г. Второй 3850-В «River King» (ковш 106,4 м3, длина стрелы 62,5 м) проработал в Иллинойсе с 1964 до 1992 г. «River King» стал самой большой вскрышной мехлопа-той фирмы «Bucyrus-Erie» и за время своей эксплуатации переработал около 558 млн.м3 вскрышных пород.
Чуть позднее, в 1965 г. в Огайо для «UC Со.» был смонтирован 1950В «Silver Spade» (ковш 80,2 м3, длина стрелы 61 м, рабочая масса 6300 т). Эта машина проработала без перерывов до октября 1982 г, и после почти шести лет простоя, в 1989 г., вновь введена в работу, продолжая использоваться уже периодически. Второй экскаватор 1950В под именем «The GEM of Egypt» был введён в работу в начале 1967 г., имел ковш большей ёмкости (98,8 м3) и, соответственно, укороченную стрелу (53,1 м). До 1988 г. он переработал 418, 6 млн.м3 вскрыши. Экскаваторы 1950В были единственными у фирмы «Bucyrus-Erie» с коленча-то-рычажной системой напора.
В 1960-х в США фирмами «Bucyrus-Erie» и «Marion» был построен целый ряд сверхмощных вскрышных экскаваторов. В СССР никто не мог остаться равнодушным к такому состоянию дел.
Ответом американцам стал словно вышедший из «Звёздных войн» и впитавший в себя всё, что связано с понятием «грандиозности», ЭВГ-35.65 №1 производства НКМЗ (Новокраматорский машиностроительный завод). Теоретически на лёгких грунтах экскаватор мог комплектоваться ковшом ёмкостью 50 м3. Шарнирно сочленённая стрела с шарниром, подвешенным к двуногой стойке, канатный напор — конструкция рабочего оборудования аналогична применённой на экскаваторах «Bucyrus-Erie» (кроме 1950В). Привод подъёма был от двух тихоходных двигателей мощностью по 1150 кВт с одной зубчатой передачей.
В качестве экспериментальной площадки для испытаний новой мощной техники и новейших технологий открытой разработки месторождений избрали Черембасс (Черемховский бассейн, Иркутская обл.). Определённую роль сыграли геологические факторы — крепкие породы вскрыши и устойчивые грунты, выдерживающие тысячетонные экскаваторы.
Уже в 1964 г. в Черемхово приезжали участники Всесоюзного совещания по развитию открытой разработки угольных месторождений, чтобы увидеть последнее слово техники и технологии в этой сфере — разрез «Сафроновский» и наблюдать монтаж экскаватора ЭВГ-35.65 №1 — самой мощной мехлопаты на то время в СССР и всей Евразии. В августе 1968 г. министр угольной промышленности СССР утвердил диораму разреза с моделью ЭВГ-35.65 как основной экспонат на Всемирную выставку «ЭКСПО-70» в японском городе Осака.
Отслужив положенный срок ЭВГ-35.65 №1 был демонтирован в 1993 г. А в 1990 г., после продолжительного монтажа, был введён в работу ЭВГ-35.65М №3, который ещё в 2004-м можно было наблюдать стоящим на приколе в траншее разреза Сафроновский. Экскаватор с невыработанным ресурсом был списан, в частности, из-за отсутствия резервного фонда запасных частей уникальной машины: любой отказ мог привести к долгосрочному простою и останове работ на целом направлении! Другая причина — увеличение толщи покрывающих пород, с которой ЭВГ уже не справлялся. Имело место подваливание самой машины.
Сегодня агрегат разобран и порезан на металлолом. Грустный финал для флагмана отечественного экскаваторостроения, особенно на фоне восстановления и сохранения отдельных экскаваторов-музеев в США.
Ещё один ЭВГ-35.65, №2, можно было наблюдать в Ида-Вирумаа на разрезе по добыче сланцев «Аиду» (Эстония). Гордость Эстонии — самый большой в Европе одноковшовый экскаватор...
ЭВГ-35.65 планировался лишь промежуточным в линейке ЭВГ. Велись работы по проектированию ЭВГ-100.70, а в обозримом будущем — ещё более мощных экскаваторов. ЭВГ-100.70 должен был стать ответом на сверхмощную мехлопату Marion 6360 «Captain», их основные технологические показатели мало отличались (масса — 12000 и 12700 т, ёмкость ковша — 100 и 137 м3, длина стрелы — 70 и 64,5 м), но... ЭВГ-100.70 остался лишь на бумаге.
«Captain» вступил в работу в 1965 г и стал самым большим экскаватором на гусеничном ходу в истории человечества. Высота гиганта 66 м, длина стрелы 64,5 м, длина рукояти 40 м, ширина базы 22 м, вес ковша 165 т, скорость передвижения 150 м/ч. Его ковш был размером с жилой дом! Он работал по усложнённой схеме, вскрывая одновременно два угольных пласта. За время своей эксплуатации (до 1991 г.) перелопатил более 600 млн м3 породы. «Captain» был грандиозной машиной по всем показателям и олицетворяет собой предел классической схемы механической лопаты.
В конструкции всех мехлопат были использованы две схемы рабочего оборудования — шарнирно сочленённая стрела, разгруженная от кручения, и канатный напор (Bucyrus Erie 950В; 1050В; 1850В; 3850В; ЭВГ-35.65 №1) или коленча-то-рычажная схема напора с одно-секционной стрелой (аналогично конструкции фермовых стрел драглайнов; все Marion, Bucyrus Erie 1950В). У ЭВГ-35.65М при коленча-то-рычажном напоре стрела была выполнена двухсекционной.
Особенностью коленчато-рычажного напора является реализация очень больших усилий напора при углах между балансиром и рукоятью менее 30° и более 150°, что способствует улучшению условий врезания ковша в забой в начале траектории, но создаёт перегрузки рабочего оборудования при работе на высоте выше напорного вала. Система нивелирования машины на неровностях почвы с использованием гидравлических цилиндров, ход с индивидуальным приводом гусеничных тележек — эти конструктивные решения были общими для всех экскаваторов. На отдельных моделях существовала система перемещения контргруза, что позволяло в большей мере оптимизировать рабочие параметры.
В середине прошлого века, в период бурного развития открытого способа разработки угольных месторождений, горно-геологические условия характеризовались достаточно низким текущим коэффициентом вскрыши, мощность покрывающих пород позволяла с успехом применять простые бестранспортные схемы, под которые и были построены гиганты. В течение тридцати лет сливки были выбраны, горные работы всё больше уходили на глубину, увеличивалась толща покрывающих пород, для отработки которых по старым схемам требовались экскаваторы с ещё большими линейными параметрами. Но дальнейшее увеличение размеров мехлопаты характеризуется опережающим увеличением её массы, что ограниченно несущей способностью грунтов, а также прочностью материала, составляющего конструкции самого экскаватора. Например, чтобы не допустить просадки тележек в почву, под гусеницы Marion 6360 «Captain» подкладывались деревянные проставки толщиной 1 м, сложенные из бруса в три ряда. Конструкторы подошли к пределу возможностей классической схемы механической лопаты. От строительства новых гигантов отказались.
Сегодня существуют сверхмощные мехлопаты типа Bucyrus 495 с возможностью оснащения ковшом ёмкости до 61,2 м3 или 4100XPB фирмы «Р&Н» с ёмкостью ковша до 76,5 м3, применение которых ориентировано на работу в комплексе с большегрузным транспортом. А основной объём вскрышных работ по бестранспортным схемам в настоящее время выполняют драглайны, среди которых были и есть свои гиганты.
Схема драглайна, с подвеской ковша на тяговом и подъёмном канатах, была предложена ещё великим Леонардо да Винчи в начале XVI в. Рабочее оборудование современных драглайнов повторяют эту схему. Подвеска ковша с использованием классической упряжи, как показало время, является наиболее удачной для осуществления перевалки породы, различного рода усовершенствования её практически не затронули. Система подвески позволяет создавать экскаваторы с большими линейными параметрами, дающими возможность получения значительных рабочих радиусов черпания и разгрузки, что так необходимо при проведении горных работ по бестранспортной схеме. Явные конструктивные преимущества механической лопаты — напор на ковш, жёсткая траектория движения ковша, и в результате — более высокая производительность, в значительной степени перекрываются преимуществами драглайна — увеличенными рабочими радиусами, возможностью работы нижним и верхним черпанием. Приспособленность к верхнему и нижнему черпанию позволяет располагать экскаватор на промежуточном подуступе и вести одновременную отработку значительного по мощности слоя пород, расширяя тем самым технологические возможности использования машины.
В механизме хода мощных драглайнов используется принцип шагания, ввиду чего применительно к драглайнам широко применяется термин «экскаватор шагающий». В зависимости от исполнения экскаватор оснащается одной или двумя парами опорных лыж. При работе лыжи подняты над грунтом и вся нагрузка приходится на опорную базу машины, которая имеет значительный диаметр и, в связи с этим, малое удельное давление на грунт. При перемещении экскаватора механизм хода подаёт лыжи назад и вниз, отрывая базу от поверхности, затем машина перемещается относительно опущенных на грунт лыж, делает шаг, и цикл повторяется.
Первый легендарный гигант был построен американцами. Знакомьтесь — непревзойдённый «Big Muskie» (Bucyrus-Erie4250W).
В середине 60-х гг. компании «Central Ohio Coal's» в графстве Muskingum, штат Огайо, потребовалось нарастить объёмы добычи угля для удовлетворения возрастающей потребности в энергетике штата. Нужна была некая большая машина, способная вскрыть запасы угля лежащего на глубине более 50 м и сократить при этом эксплуатационные потери этих запасов. Никакая гигантская вскрышная лопата не могла справиться с такими объёмами. Инженеры «Bucyrus-Erie» в течение двух лет (!) спроектировали драглайн согласно заявленным требованиям. Монтаж экскаватора был начат в 1967 г. и уже 22 мая 1969 г. (затратив более 200000 человеко-часов) «Big Muskie» стал самой большой наземной самоходной машиной в мире.
В ковш свободно въезжали 12 легковушек. Звено тяговой цепи по размеру совпадало с небольшим автомобилем.
Рекорд исполина до сих пор не побит. Машины такого класса являются уникальными и создаются под конкретное месторождение и на конкретный период его отработки. Отчасти эта уникальность явилась одной из причин чрезмерной дороговизны эксплуатации экскаватора. Но применение драглайна привело к удовлетворительной рентабельности добычи угля при значительном текущем коэффициенте вскрыши — порядка 8 м3 вскрышной горной массы на 1 т угля. После отработки всех запланированных объёмов на отведённом участке в 1999 г. был начат демонтаж машины. Для укладки стрелы на грунт использовались взрывы, которые разрушили канатную подвеску (диаметр канатов — 127 мм). Со страшным скрежетом стрела «Big Muskie» рухнула к величайшему сожалению многочисленных представителей общественного движения за сохранение машины. За время своей работы гигант переместил более 460 млн м3 породы.
Сегодня туристам можно увидеть ковш драглайна — памятный мемориал — и нацарапать на нём автограф.
Конструктивная схема 4250-W типична для мощных шагающих экскаваторов фирм «Bucyrus» и «Marion». Стрела ферменная, с подвеской через наклонную мачту. В США изначально строились драглайны с ферменными стрелами, и многолетняя эксплуатация оправдывает этот выбор. Гидравлическая система шагания включает в себя четыре подъёмных гидроцилиндра и поперечные цилиндры движения с ходом в 4,2 м, опорные башмаки длиной по 20 м. Привод многодвигательный по системе Г-Д (генератор — двигатель). В СССР на выпад империалистов сразу ответить не смогли, объясняя тем, что нам гиганты не нужны — не те горно-геологические условия. Только в марте 1977 г. был введён в работу ЭШ-100.100 №1 на разрезе Назаровский в Красноярском крае.
На тот период ЭШ-100.100 (обозначение — экскаватор шагающий, ёмкость ковша 100 м3, стрела 100 м), был самым большим одноковшовым экскаватором в Евразии, одним из крупнейших в мире. В конструкции применены эффективные решения: цельносварные опорная рама и поворотная платформа; унифицирован н i.i о конструкции тяговой и подъёмной лебёдок с цельным барабаном; механизм поворота с приводом от восьми безредукторных установок с двигателями мощностью по 1000 кВт; опорно-поворотное устройство с кованными рельсовыми кругами диаметром 21,5 м, шестицилиндровый механизм шагания с четырьмя опорными башмаками и др.
К сожалению, в начале девяностых к уникальной машине уже был потерян интерес, а возможность нажиться на металлоломе отмела все доводы в пользу сохранения экскаватора. Всё, что можно сегодня увидеть, остатки машинного отделения на поросшей бурьяном площадке. И в первую очередь были порезаны ковши гиганта, так что туристам ничего не осталось. Интересно, сколько времени продержались бы в «новой России» Великие Пирамиды?
Второй гигант, ЭШ-65.100 №1, с 1994 г. по сей день трудится на Тулунском угольном разрезе в Иркутской области. Стрела экскаватора ЭШ 65.100 трехгранной трубчатой конструкции из высокопрочной стали с верхним поясом, сжатым Байтовыми канатами, аналогична конструкции ЭШ-100.100. Гидравлический механизм шагания с четырьмя подъемными и двумя тяговыми цилиндрами, безредукторный привод механизма поворота с шестью тихоходными двигателями по 600 кВт, опорно-поворотное устройство с коническими роликами и коваными рельсами.
УЗТМ (Уральский завод тяжёлого машиностроения) предлагает модификацию базовой модели ЭШ-65.100 — экскаватор ЭШ-40.130 с удлинённой стрелой. Разработана конструкция экскаватора ЭШ-100.125 (рабочая масса « 10000 т). Воплотится ли всё это в металле? Вопрос отдельный...
Первые мощные советские драглайны (массой от 600 т и более) напоминали настоящие парусники, их вантовые стрелы были похожи на наклонные мачты фрегатов и могли даже вдохновить художника-мариниста. Но по мере строительства новых машин произошёл переход от вантовых стрел с одним трубчатым поясом к трубчатым трёхгранным и решётчатым конструкциям, более надёжным в эксплуатации. Гиганты ЭШ-100.100 и ЭШ-65.100 и их собратья ЭШ-40.85, ЭШ-40.100 были оснащены уже трубчатыми трёхгранными стрелами, но эстетика всё же сохранилась.
Сегодня ведущие компании «Bucyrus International Inc» с входящими в её состав «Marion» и «Ransomes-Rapier», а также «Р&Н» и УЗТМ предлагают целую линейку сверхмощных драглайнов. Отдельные современные конструкции предполагают возможность оснащения экскаваторов стрелами длиной до 130 м и более.
В последние годы наблюдается увеличение объёмов вскрыши, горные работы уходят на глубину. Необходимы принципиально новые виды горного оборудования, но и ещё более мощные драглайны с увеличенными рабочими радиусами. Сегодня их созданию способствует внедрение новых конструкционных материалов с повышенными прочностными характеристиками, использование высоколегированных сталей и композитных материалов. Вероятнее всего уже в ближайшем будущем мы станем свидетелями рождения очередных шагающих колоссов, которые побьют полувековой рекорд «Big Muskie».