Wstęp

Rys historyczny:

Rozwój eksploatacji systemem odkrywkowym wymagał już w drugiej połowie XIX wieku zastąpienia nieefektywjnej pracy ręcznej przy poruszaniu mas ziemi przez zastosowanie mechanicznych urządzeń urabiających.

Pierwsze koparki łańcuchowe i ich konstruktorzy:

15 II lutego 1827 roku francuski inżynier Poiro de Valcourt opatentował w Paryżu koparkę wyposażoną w obiegający łańcuch naczyniowy, napędzany maszyną parową o mocy 10 kN.

12 marca 1859 roku francuzi Covreux i Combe opatentowali urządzenie do podpoziomowego urabiania. Podstawowe cechy konstrukcyjne tej koparki odpowiadały w zasadzie cechom obecnych koparek łańcuchowych.

Rok 1864 firma Frey fils et A. Sayn zbudowała pierwszą koparkę z obrotowym wysięgnikiem łańcucha naczyniowego .

Zastosowanie koparek łańcuchowych w górnictwie:

W roku 1890 w kopalni odkrywkowej węgla brunatnego koło Sandersleiben wprowadzono do eksploatacji pierwszą koparkę łańcuchową firmy LMG. Miała ona wysokość 5,8 m. i pojemnność naczynia 230 l, teoretyczny strumień urobku od 150 do 240 m³/h, moc napędową 45 KM (około 33 kW), a masa całej konstrukcji wynosiła 58 ton.

Rok 1897 maszynę parową jako jedyny agregat napędowy koparek zastąpiono napędem elektrycznym.

Wraz z ogólnym rozwojem techniki i zwiększeniem zapotrzebowania na węgiel, wzrosły wymagania stawiane wydajności koparek łańcuchowych. Do tej pory w koparkach odbiór urobku następował po stronie tylnej lub bocznej koparki, dlatego wprowadzono koparki bramowe, z których urobek ładowano na pociągi. Z tego powodu wprowadzono torowiska i umocniono stateczność skarp. Zwiększono długość wysięgników urabiających. Tak powstały koparki bramowe, przy czym najpierw skonstruowane koparki z jednym urządzeniem zsypowym a następnie z podwójnym zsypem. W wyniku rozwoju koparek zaprzestano stosowania tradycyjnych sztywnych, później amortyzowanych kół i oparcia czteropunktowego, w miarę upływu czasu rozpoczęto stosowanie oparcia trójpunktowego, a do konstrukcji podwozia zasadę wachaczy.

Po pierwszej wojnie światowej rozpoczęto budowę koparek łańcuchowych na podwoziu gąsienicowym.

Rok 1926 zastosowano pierwszą koparkę na kierowanym przestrzennie i podpartym podwoziu złożonym z trzech gąsienic.

Poprzez ciągłe ulepszanie konstrukcji powodowane rosnącym zapotrzebowaniem na węgiel, zaczęto budować koparki z wysięgnikiem do 60 m. I o dobowym wydobyciu 50000 m³ calizny. Głębokość urabiania tymi koparkami wynosi 40 m. przy kącie nachylenia skarpy 40⁰. Natomiast obrotowe koparki łańcuchowe na podwoziu gąsienicowym o wydajności dobowej 20000 m³ calizny i całkowitej wysokości urabiania nad i pod poziomowej wynosi 58 m.

Koparki łańcuchowe na podwoziach szynowych, gąsienicowych lub kroczących pracują nad i podpoziomowo urabiając skałę naczyniami przytwierdzonymi do obiegającego wysięgnik łańcucha, przemieszczając się wzdłuż frontu roboczego.

Zarys budowy koparki łańcuchowej, działanie głównych elementów konstrukcyjnych.

1. Układ urabiający.

Wykonuje główne zadania procesu roboczego plus odspajanie urobku z równoczesnym zbieraniem i przemieszczaniem na układ transportu wewnętrznego. Proces urabiania wykonują naczynia przymocowane do dwóch równolegle usytuowanych, zamkniętych łańcuchów przegubowych. Obydwa łańcuchy połączone naczyniami tworzą łańcuch naczyniowy poruszający się po torze wyznaczonym przez koła łańcuchowe zwrotne i kierunkowe.

Między kołami naczyniowymi usytuowany jest dźwigar naczyniowy oraz rynna naczyniowa służąca do prowadzenia pełnych naczyń z poziomu roboczego do punktu opróżniania. Dźwigar może być sztywny lub przegubowy i w jednym punkcie zamocowany jest przegubowo do konstrukcji koparki, w drugim zaś zawieszony za pomocą układu lin na wysięgniku. Umożliwia to obrót dźwigara w płaszczyźnie pionowej.

2. Układ transportu wewnętrznego ma za zadanie przemieszczenie urobku z zespołu urabiającego do zsuwni ładującej z zespołu ładującego. Stopień złożoności zależy od rodzaju i typu koparki . Najprostszy układ posiadają koparki portalowe.

3. Zespół ładujący - przeznaczony jest do przemieszczania urobku z koparki na środki transportu.

Ze względu na usytuowanie układy dzielą się na:

1. wewnętrzne:

• z wysypem wewnętrznym (wysyp pod podporami podwozia )

• z wysypem zewnętrznym

2. zewnętrzne:

• wysięgnikowe (wysięgnik podwieszony do konstrukcji nośnej koparki)

• na własnym podwoziu - posiadają znaczną długośc i możliwośc ładowania na różnych poziomach.

4. Podwozie.

Ma za zadanie przeniesienie na podłoże poziomu roboczego ciężaru maszyny i wszystkich działających na nią obciążeń zewnętrznych oraz przemieszczanie maszyny zarówno w czasie pracy jak i wtransporcie.

5. Konstrukcja nośna ma za zadanie powiązanie wszystkich zespołów roboczych oraz przeniesienie ich ciężaru i działających na nie sił na podwozie maszyny.

Rysunek nr 1. Przedstawia koparkę łańcuchową gąsienicową R_s 560.

Wyjaśnienie oznaczeń:

1. Drabina wiadrowa człony I, II, III,

2. Rynna naczyniowa,

3. Plantownik dolny,

4. Mechanizm napinania łańcucha wiadrowego.

5. Mechanizm podnoszenia wysięgnika urabiającego (wciągarki),

6. Pomocnicze koło frezowe.,

7. Talerz obrotowy,

8. Obrotnica kulowa,

9. Mechanizm podnoszenia wysięgnika załadowczego,

10. Mechanizm bębna kablowego,

11. Podwozie gąsienicowe.

Budowa zespołu urabiającego.

Wysięgnik łańcucha naczyniowego- podtrzymuje łańcuch i częściowo rynnę czerpakową a także wysięgnik balastowy z balastem ( w nowoczesnych koparkach balast umocowany jest na stałe ponieważ poziome przesunięcie punktu ciężkości przy zmianie położenia wysięgnika naczyniowego jest niewielkie).

Wysięgnik łańcuchowy- zbudowany jest ze skrzynkowej kratownicy wykonywanej często jako spawana konstrukcja rurowa. Przekrój wysięgnika urabiającego wykonanego z profili stalowych przedstawiono na rysunku nr 2.

Opis:

1 - konstrukcja kratownicy,

• - naczynie robocze,

• - ogniwo grube (naczynia),

• - ogniwo cienkie (nakładkowe),

• - trzpień łańcucha,

• - rolka prowadząca,

• - amortyzator rolki prowadzącej,

• - szyna ścierna,

• - szyna dociskowa,

• - elementy ścierne.

Do dłuższej części wysięgnika przy rynnie naczyniowej przymocowane są plantowniki:

• górny

• dolny.

W miejscach połączenia poszczególnych segmentów wysięgnika znajdują się bębny kierujące o dużej średnicy, prowadzące dolną część łańcucha. Na zewnętrznej stronie wysięgnika znajdują się krążniki, które prowadzą łańcuch naczyniowy poruszający się w dół (część górna łańcucha). W zwróconej ku skarpie części wysięgnika łańcuch prowadzony jest w kątownikach. Ponieważ w wyniku obciążeń powstających w procesie odspajania część ta zużywa się szybko, dlatego umocowane są tam wymienne szyny ślizgowe z twardej stali.

Na końcu wysięgnika naczyniowego lub plantownika dolnego znajduje się wielobok z urządzeniem napinającym łańcuch. Ponieważ łańcuch naczyniowy w wyniku sił powstających w procesie odspajania i zużycia otworów w płytach ogniw podlega znacznym zmianom długości, dlatego konieczne jest jego napinanie. Urządzenie napinające składa się z dwóch wrzecion z nakrętką, napędzanych przeważnie elektrycznie.

Wysięgnik łańcucha naczyniowego połączony jest wciągarkami z konstrukcją nośną (wysięgnik łańcuchowy) i może być podnoszony lub opuszczany. Istnieje przy tym możliwość niezależnego poruszania poszczególnych segmentów wysięgnika łańcuchowego (n.p. plantownika górnego lub dolnego) za pomocą odpowiednich wciągarek. Łańcuch naczyniowy jest organem roboczym koparki łańcuchowej. Podczas urabiania górotworu powstają znaczne obciążenia. Składa się z zamkniętych symetrycznie umieszczonych naprzeciw siebie płytek i naczyń rozmieszczonych w pewnych odstępach po obydwu jego stronach. Schemat łańcucha naczyniowego przedstawiono na rysunku nr 3. w dwóch rzutach.

Opis rysunku:

• element przeciwścierny (tnący),

• nóż tnący,

• naczynie,

• ogniwo naczynia,

• ogniwo nakładkowe,

• ogniwo grube,

• zatyczka zabezpieczająca,

• trzpień łańcucha,

• tuleja ogniwa,

• ogniwo cieńkie.

Rozróżnia się ogniwa grube, cieńkie, nakładkowe i naczyniowe. Co czwarte lub szóste ogniwo łańcucha naczyniowego jest ogniwem naczyniowym, do którego jest przynitowane lub przyspawane naczynie urabiające. Istnieje zatem cztero lub sześciokątna podziałka naczyń. Podziałka naczyń wraz z podziałką łańcucha (odstęp otworów w ogniwach płytkowych ) określa odstęp naczyń na łańcuchu. Na podstawie prędkości ruchu łańcucha naczyniowego ustala się liczbę wysypów (opróżnienia naczyń w ciągu minuty), z czego wynika teoretyczny strumień urobku.

Zależności pomiędzy parametrami łańcucha naczyniowego a strumieniem urobku przedstawiają się następująco:

• liczbę wysypów n oblicza się zprędkości ruchu łańcucha i rozstawienia naczyń:

gdzie:

v_k - prędkośc ruchu łańcucha w [m/s]

a_E - podziałka naczyń.

gdzie:

sch_k - rozstawienie naczyń,

a_K­ - podziałka łańcucha [mm].

Oprócz ogniw naczyniowych łańcuch składa się z umieszczonych na przemian cieńkich i grubych nakładkowych płytek ogniwowych. Poszczególne człony łańcucha naczyniowego połączone są ze sobą utwardzonymi sworzniami. Zużycie otworów w płytkach ogniwowych w wyniku oddziaływania znacznych sił i ścierającego działania gruntu obniżane jest poprzez zastosowanie tulei ze stali manganowej. Sworznie dla ochrony przed wypadnięciem umocowane są trzpieniami, natomiast noski ogniw nakładkowych zabezpieczają przed skręcaniem. Dla ochrony ogniw naczyniowych przed szybkim zużyciem (ścierające działanie urabianego gruntu) wyposaża się je we wspomniane podkładki ślizgowe lub ścierne, ślizgające się na elementach ściernych kątowników prowadzących w dolnej części wysięgnika naczyniowego. W celu zmniejszania zużycia w większych koparkach nadkładowych wszystkie przeguby łańcucha naczyniowego, jak też wszystkie łożyska krążków prowadzących i kierujących, smarowane są w stałych odstępach czasu, co zwiększa żywotność łańcucha naczyniowego.

Umieszczone na łańcuchu naczyniowym części urabiające (przednoże) spełniają dwa zadania:

1. odspajają grunt z zalegającego górotworu i transportują odspojony i rozluzowany materiał do miejsca wsypu nad wielobokiem napędowym łańcucha naczyniowego.,

2. ochraniają odpowiedni odstęp obu rzędów łańcucha.

Przednoże służy do usztywnienia płaszcza naczynia i zamocowania noża. Ponieważ noże zużywają się silnie w wyniku procesu urabiania, dlatego wykonuje się je z odpornej na ścieranie stali manganowej i mocuje wymiennie na przednożu. W gruntach bardzo zwięzłych o znacznych oporach kopania ścięty ukośnie na zewnątrz i przez to samoostrzący się nóż wyposażony jest dodatkowo w zęby.

Wpływ kształtu noża na opór kopania.

Jest on szczególnie duży przy poziomym lub lekko nachylonym kierunku ruchu naczynia. Wypukłe, gładkie i ostre noże naczyń pochylone pod kątem 12 - 15 stopni do zalegającego górotworu ułatwiają szybkie odcinanie skały w wyniku dużego ciśnienia, działającego na całej długości ostrza bezpośrednio przy pierwszym kontakcie z zalegającym górotworem.

Na rysunku 4. Przedstawiono został nóż z dwoma zębami który stosowany jest w koparkach wielonaczyniowych( są to skały od piasku poprzez drobno i średnioziarnisty żwir, twardą piaszczystą glinę do gruboziarnistych glin i otoczaków ich jednostkowe opory kopania).

Dobór prawidłowego kształtu noża wymaga wielostronnego rozpatrzenia procesu nie tylko pod względem minimalizacji zużycia energii. Należy uwzględnić że koncentracja sił na niewielkim odcinku noża prowadzi do jego szybkiego zużycia, które może być ograniczone tylko poprzez zas

ia od 35 - 40⁰. Zbyt wielkie odstępy zębów powodują, że noże również wykonują pracę odspajania co przyspiesza ich zużycie i stawiane opory. Przy zbyt małym odstępie zębów zwiększa się ich wielkość oraz łączna szerokość ostrza tnącego, a w rezultacie zwiększa opór kopania. Stępienie zębów powoduje zmianę geometrii noży czego efektem jest nagły wzrost oporów kopania. Na opór kopania wpływa również grubość krawędzi tnącej a. Dodatkowo wpływ na zmianę oporów kopania mogą mieć czynniki dodatkowe w znacznym stopniu zmieniające warunki urabiania. Najważniejsze z nich to:

• zaklejanie naczyń w czasie pracy w rozmiękłych glinach i iłach,

• w niskich temperaturach przymarzanie urobku do krawędzi tnącej i do naczynia,

Naczynia urabiające.

Naczynia urabiające muszą być tak ukształtowane, aby możliwe było ich całkowite opróżnianie nad wielobokiem napędowym. Musimy także zadbać o to aby naczynia na początku urabiania na wieloboku oprowadzającym lub w przypadku przeszkód w procesie urabiania (kamienie) nie zakleszczały się, lecz miały możliwość uchylania. Uzyskuje się to przez stosowanie naczyń, w których ostrze noża jest cofnięte w przybliżeniu do linii środkowej przednich otworów ogniwa naczyniowego rysunek nr 5.

Nieprawidłowo umieszczone ostrze noża przedstawiono na rysunku 5 a). Ostrze noża znajduje się przed przednimi otworami ogniwa naczyniowego. Naczynie zakleszcza się podczas wystąpienia nagłej przeszkody w trakcie procesu urabiania.

Prawidłowo umieszczone ostrze noża przedstawiono na rysunku 5 b). Ostrze noża cofnięte jest do linii środkowej przednich otworów ogniwa naczyniowego. Naczynie może się odchylać do pewnego stopnia gdy w trakcie procesu urabiania pojawi się nagła przeszkoda.

Łańcuch naczyniowy może zerwać się w wyniku działania znacznych sił, co występuje przeważnie w miejscu gdzie te siły są największe, tzn. na wieloboku napędowym. Aby zapobiec zsunięciu się łańcucha naczyniowego na wysięgniku lub jego zawieszeniu, większe koparki łańcuchowe wyposażone są w mechanizm służący do jego łapania. Działa ono automatycznie podczas procesu zerwania łańcucha i wyłącza napęd łańcucha.

Rynna naczyniowa.

Rynna naczyniowa ma za zadanie prowadzenie łańcucha naczyniowego do górnego końca wysięgnika (dolna lub górna krawędź skarpy podczas pracy nadpoziomowej lub podpoziomowej) do leja wysypu. Jej górna część nazywana jest również rynną zsypową, a dolna rynną prowadzącą. Składa się ona z usztywnionej konstrukcji z blach lub z rur, wyłożonej szynami ślizgowymi. Przejmuje ona od krawędzi skarpy prowadzenie urobku pchanego na skarpie przez naczynia.

Prawidłowe i złe ustawienie rynny naczyniowej przedstawiono na rysunku nr 6.

Przy nieobrotowych sztywnych koparkach łańcuchowych rynna naczyniowa zabudowana jest w centrum konstrukcji nośnej natomiast obrotowe koparki łańcuchowe wyposażone są w rynnę naczyniową, której dolna część (rynna prowadząca) może być podnoszona i opuszczana.

Z górną częścią rynny naczyniowej połączony jest bezpośrednio lej zsypowy. Do leja wysypują urobek naczynia obiegające wielobok napędowy rysunek nr 7.Lej zsypowy należy tak dobierać, aby możliwe było wysypanie urobku z większej liczby naczyń. Na dolnym krańcu rynny naczyniowej umocowane są pługi plantujące, które wyrównują powierzchnie na krawędzi skarpy.

Napęd łańcucha naczyniowego koparki.

Napęd łańcucha naczyniowego koparki typu E 1120 przedstawiono na rysunku nr 8.

Napęd łańcucha naczyniowego zbudowany jest przeważnie z silnika elektrycznego 1, przekładni czołowej 3, sprzęgła zapadkowego 2. Jest to największy napęd we wszystkich koparkach łańcuchowy dlatego nazywany jest napędem głównym. Przy nominalnych obrotach łańcuch naczyniowy osiąga prędkość od 1,0 do 1,6 m/s.

W większych koparkach łańcuchowych napęd łańcucha naczyniowego składa się zwykle z dwóch agregatów, z których każdy napędza jedną stronę wału wieloboku napędowego 4. W czasie napraw (wymiany łańcucha) napęd pomocniczy 5 porusza łańcuch naczyniowy z niewielką prędkością.

Najważniejszym elementem napędu łańcucha naczyniowego, obok wspomnianych już części jest wielobok napędowy, który stanowi równocześnie koło oprowadzające i napędowe łańcucha. Wielobok napędowy składa się w mniejszych koparkach z dwóch sześciokątnych tarcz, a w maszynach podstawowych z ośmiokątnych tarcz umocowanych na wale za pomocą klinów.

Poszczególne sześciokątnej tarczy wieloboku przedstawiono na rysunku nr 9.

---