W latach 50. w polskich kopalniach odkrywkowych surowców skalnych wprowadzono czechosłowackie koparki łyżkowe określane wspólnym mianem „Škoda”, które dobrze spisywały się w pracy w trudnych warunkach. Mechanizmy robocze tych maszyn były napędzane trzema silnikami elektrycznymi, do których zasilanie doprowadzane kablem (o długości nawet kilkuset metrów) mogło mieć bezpośrednio napięcie 380 lub 500 V. Koparka mogła być także zasilana z kabla o wysokim napięciu 6000 V do transformatora umieszczonego w tylnej części kabiny maszynowej.

Prace nad klapą
Koparki dostosowywano do trudnych warunków prac urabiania skał nadkładowych jak i ładowania z usypisk odstrzelonego urobku skalnego. Jak wiadomo, łyżki powszechnie stosowanych koparek w budownictwie miały dna w postaci otwieranych klap zamocowanych na zawiasach i odchylających się w dół, po otwarciu których cała masa urobku łyżki, gwałtownie spadając do skrzyni samochodu odstawczego, bardzo niekorzystnie wpływała na pracę resorów i łożysk kół. Ponieważ w tamtych latach koparki ładowały urobek do skrzyń samochodów nieprzystosowanych do prac w wyrobiskach kopalnianych, producent poszukiwał różnych dróg dla wyeliminowania obciążeń dynamicznych spadającego urobku z łyżki po szybkim otwarciu klapy.
W tym celu w małych koparkach, o pojemności łyżki nieprzekraczającej 1,0 m3, także w koparkach czechosłowackich D-500, użyto zamknięć zasuwowych, które się jednak nie przyjęły ze względu na duże obciążenia w kinematyce otwierania zasuwy, na co wpływała masa urobku w łyżce.
I tak, już w koparce E-25 sięgnięto po inne rozwiązanie – zastosowano bowiem progresywne otwieranie klapy za pomocą przesuwnych zębatek (1) mocowanych na belkach ramienia łyżkowego, połączonych dźwignią (2) z klapą (3) – rys. 1. Natomiast w rozwiązaniach jak na fot. 2 wykorzystano regulowane otwieranie klapy za pomocą hamulca taśmowego.
Klapa w położeniu zamkniętym przytrzymywana była za pomocą hamulca (1) dociskanego sprężyną (2). Chcąc wyładować łyżkę, operator działał na dźwignię (3), dzięki czemu hamulec został zwolniony, a klapa pod wpływem ciężaru urobku i własnego opadała w dół. Zamykanie klapy było tradycyjne – przy opuszczaniu łyżki w dół do pozycji zaczerpywania.

Fot. 1. Zamknięcie łyżki przy pomocy zasuwy.

Koparki produkcji czechosłowackiej Škoda E-25, a także późniejsze E-301, E-302 i E-303, wyposażone były w podwozia gąsienicowe, tak zwane małooporowe, z kołami nośnymi. Koła nośne o średnicy nieco mniejszej od koła napędowego i zwrotnego służą zarówno do przeniesienia ciężaru koparki na człony taśmy gąsienicowej, jak i do podtrzymywania górnej części taśmy. Małooporowy zestaw gąsienicowy daje nierównomierne naciski na podłoże, jednak równocześnie jest on mniej czuły na pokonywanie pojedynczych przeszkód w postaci większych  brył kamienia leżącego na twardym spągu i dlatego bardzo dobrze spisuje się w koparkach przeznaczonych do pracy jako ładowarki w przodkach ścianowych kopalń odkrywkowych.
Rozwiązywanie problemów związanych z mechanicznym urabianiem skał średniozwięzłych w kopalniach odkrywkowych ma w Polsce swoją długą i ciekawą historię, a jej początki sięgają lat 60. ubiegłego wieku. I w eliminacji tych problemów miała swój udział także koparka  Škoda E-25.

Rys. 1. Sterowanie otwarciem klapy przy pomocy zębatek.

Pod koniec 1962 roku w kopalni „Piaseczno”, eksploatującej złoże rudy siarki, grupa (w niej autor) pracowników naukowych Katedry Maszyn i Urządzeń Górniczych AGH w Krakowie podjęła się próby opracowania zespołu do mechanicznego urabiania rudy siarki.
 

Fot. 2. Łyżka z klapą otwieraną hamulcem.

Pierwszy zbudowany organ frezujący nazwany BZF- 200z (bęben frezujący uzbrojony w 100 sztuk kombajnowych noży stycznych nieobrotowych) umocowano właśnie na ramieniu łyżki koparki Škoda E-25 (z napędem mechanizmów roboczych silnikami elektrycznymi), która w tamtych latach była zaliczana do solidnych konstrukcji i szeroko wprowadzana do polskich kopalń odkrywkowych.

Lata 70. Ocena walorów koparek Škoda E-302 i E-303
W procesie otrzymywania gotowego wyrobu, jakim jest kamień o odpowiedniej granulacji, stosunkowo duży udział mają czynności załadowczo-transportowe. Celem zapewnienia ciągłości produkcji jak i jej opłacalności, stosowana technologia tych prac oraz użyty sprzęt powinny uwzględniać wszelkie możliwości jakie stwarzają aktualne  warunki techniczno-ekonomiczne.

Fot. 3. Koparka na podwoziu małooporowym z kołami nośnymi.

Już w połowie lat 70. przeprowadzono ocenę walorów ekonomicznych koparki UB-162 i E-302 w porównaniu do koparki krajowej KU 1207 oraz Menck M-500 będącej przedmiotem uruchomienia licencyjnej produkcji w Warszawskich Zakładach Maszyn Budowlanych im. L. Waryńskiego. Wymienione koparki, pomimo różnic w parametrach technicznych, spełniają te same funkcje produkcyjne w zakresie dużych robót ziemnych i ładunkowych, a zatem są porównywalne w sensie ekonomicznym (tablica 1).

Miernikiem syntetycznym efektywności eksploatacyjnej porównywanych koparek był koszt jednostkowy załadunku samochodów wywrotek Biełaz o ładowności 27 t urobkiem rozkruszonej skały – ustalony w oparciu o warunki eksploatacyjne kamieniołomu w Graczach, gdzie pracowały koparki UB-162 i w Kopalni Kujawy z koparkami E-302.

Fot. 4. Bębnowy zespół frezujący BZF-200z z własną przekładnią i napędem z silnika elektrycznego zabudowany na ramieniu koparki E-25.

Wydajności eksploatacyjne dla poszczególnych maszyn przedstawiały się wtedy następująco: KU-1207 ~ 70 m³, UB-162 ~ 110 m³ i dla E-302 ~ 225 m³, a biorąc pod uwagę koszty jednostkowe załadunku dla poszczególnych maszyn, to wynosiły one: KU-1207 ~ 2,88 zł/m³,  UB-162 ~ 3,08 zł/m³, E-302 ~ 2,7 zł/m³.

Wyniki analizy porównawczej, jeżeli przyjąć za podstawę koszty jednostkowe załadunku, wskazywały, iż najbardziej efektywne byłoby stosowanie koparek E-302 oraz krajowej KU-1207 w robotach załadunkowych w kamieniołomach. Przyczyną tak kształtujących się relacji kosztów jednostkowych robót były zbyt duże i nieuzasadnione różnice w cenach nabycia nowoczesnych maszyn krajowych i importowanych. Ponadto dla koparki E-302 sytuacja była korzystniejsza ze względu na niższe odpisy amortyzacyjne (wtedy E-302 była tańsza od M-500H o 3130 tys. zł). Różnice w kosztach eksploatacyjnych wymienionych koparek nie były jednak relatywne do różnic w wydajności tych maszyn, np. UB-162 była droższa od KU-1207 ponad 2 razy (211%), podczas gdy wydajność jej była większa tylko 1,5 raza. W sytuacji rozruchu produkcji licencyjnej koparki M-500H (wtedy K-2506) należało się liczyć, że ich cena będzie ustalona w granicach opłacalnych dla ich stosowania w kamieniołomach zamiast koparek mechanicznych. Zaczął się okres wzmożonego wprowadzania do kopalń odkrywkowych surowców skalnych koparek z napędem hydraulicznym.

Fot. 5. Załadunek materiałów sypkich koparką Škoda E-303.

Lata 90. Ograniczanie pracy koparek mechanicznych
Głównym czynnikiem decydującym o przydatności koparek dla użytkownika jest, obok możliwości ich wykorzystania zgodnie z intencją producenta, także ich niezawodność, ekonomiczność eksploatacji, wygoda obsługi i możliwość zaopatrzenia w części zamienne. Porównując główne wielkości charakterystyczne koparek mechanicznych i hydraulicznych należy stwierdzić, iż koparki hydrauliczne mają parametry bardzo różniące je od koparek mechanicznych. Dla przykładu w tabeli 2 przedstawiono porównanie masy i mocy koparki z osprzętem linowym E-303 i koparki hydraulicznej LB 500.

Powszechnie stosowane i cieszące się dobrą renomą w naszych kopalniach odkrywkowych koparki Škoda E-302 i E-303 mają osprzęt podwieszony na linach i wyposażone są w łyżkę o pojemności 3,5 m³ z klapowym systemem jej opróżniania. Przemieszczanie zapewnia im podwozie gąsienicowe.

Wszystkie napędy koparki mają silniki elektryczne zasilane przewodem wysokonapięciowym, a koparka obsługiwana jest przez dwie osoby: operatora i pomocnika. Konstrukcje koparek pracujących jeszcze obecnie w kopalniach są bardzo stare, bowiem niektóre z nich mają już prawie dwadzieścia lat, przez co ulegają częstym awariom. Napęd elektryczny pod względem sprawności jest atrakcyjny, ale doprowadzenie wysokonapięciowej trakcji elektrycznej do przodku kopalni stanowi dużą trudność oraz pogarsza i tak bardzo słabą mobilność koparki. Podwieszenie łyżki na linach sprawia, że maszyna nie jest w stanie dokładnie wybierać urobku ze spągu.

Fot. 6. Podwozie gąsienicowe koparki E-303 z doprowadzonym przewodem zasilania.

W latach 90. producent UNEX Czechy zaniechał produkcji koparek E-303 na rzecz koparek hydraulicznych EH i DH. Ze względu na brak możliwości ich zakupu, dla pracujących pozostała tylko możliwość ich odbudowy poprzez kapitalne remonty.
Wydobycie surowców skalnych, po kryzysie na przełomie lat 80. i 90., od roku 1993 ulegało stopniowemu wzrostowi. Powodem było stale rosnące zapotrzebowanie na te surowce, a także (w połowie lat 90.) duży eksport, który z czasem uległ jednak znacznemu obniżeniu. Później obserwowano z kolei trend narastania importu surowców skalnych, co było zjawiskiem niepokojącym szczególnie w odniesieniu do surowców, których w kraju mamy wystarczające zasoby. Sytuacja ta była efektem stopniowego dochodzenia Polski do cen światowych, zwłaszcza w stosunku do kosztów zatrudnienia i podatków, co przy niedofinansowanych kopalniach surowców skalnych, działających na zasadach zaczerpniętych z poprzedniego systemu oraz wykorzystujących mocno wyeksploatowane i przestarzałe maszyny, obniżyło konkurencyjność polskich surowców. Skutkiem tego powstał czasowo ujemny bilans wartości eksportu i importu surowców skalnych. Bardzo ważnym problemem kopalń i zakładów surowców skalnych stał się niemodernizowany park maszynowy, którego wymiana mogłaby znacznie poprawić ich ekonomiczność.
Wprowadzane do pracy nowe, wydajniejsze maszyny i urządzenia powinny więc charakteryzować się wysokimi możliwościami wydajnościowymi, wysoką ekonomicznością, niewielką liczbą osób potrzebnych do ich obsługiwania, małą awaryjnością oraz dużą elastycznością, polegającą na możliwości wykorzystania ich do różnych prac. Praca takiej maszyny winna gwarantować ciągłość produkcji i możliwie szybką amortyzację kosztów poniesionych na jej zakup. We wszystkich analizach wprowadzania wydajniejszych koparek z napędem hydraulicznym brano pod uwagę cenowe wartości zakupu. Wiele zakładów, w których podstawowymi koparkami do ładowania urobku były maszyny Škoda E-303, wprowadzało koparki z napędem hydraulicznym zarówno polskiej, jak i zagranicznej produkcji. Przykładowo, użytkowanie w wyrobiskach jednej kopalni dwóch rodzajów koparek – dwóch E-303 i dwóch koparek hydraulicznych BÖLA LB 500 – nie było całkiem przejrzyste ze względów eksploatacyjnych (tym bardziej koparek tak różnych pod względem budowy). Brano jednak pod uwagę fakt, że koparki E-303 były jedynymi maszynami pracującymi w kopalni i zasilanymi prądem o wysokim napięciu, a więc ich perspektywiczna wymiana na nowsze koparki z napędem spalinowym mogła umożliwić likwidację bardzo uciążliwej wysokonapięciowej sieci energetycznej w kopalni.
Wprowadzając dwie koparki BÖLA LB 500 podkreślano, że są one bardziej efektywne od przestarzałych koparek E-303, a do obsługi potrzebny jest tylko jeden operator, pracujący w komfortowych warunkach, niepowodujących takiego zmęczenia jak w E-303, co może przyczynić się do wydajniejszej pracy. W tracie eksploatacji okazało się jednak, że nowoczesnej konstrukcji koparka jest zbyt awaryjna jak na maszynę o stosunkowo krótkim okresie eksploatacji. Duża awaryjność BÖLA LB 500 znacznie obniżyła jej rzeczywistą wydajność roczną. Badaniami wykazano, że koparka E-303 z linowym podwieszeniem osprzętu i łyżką o pojemności 3,5 m³ ma czas cyklu większy o 17% aniżeli koparka LB 500, z łyżką o pojemności 5,4 m³. Wynikało to z szybszych ruchów obrotowych nadwozia koparki hydraulicznej. Koparka E-303 charakteryzowała się natomiast o wiele krótszym czasem opróżniania łyżki w stosunku do koparki LB 500, a ponadto udział tej czynności w całym cyklu (niecałe 11%) wydaje się bardziej racjonalny niż wyznaczonego dla koparki hydraulicznej.

Fot. 7. Praca dwóch koparek E-303 w wyrobisku Kopalni Gipsu „Leszcze” S.A.

Okazało się też, że części zamienne do koparki LB 500 są bardzo drogie, a czas użytkowania znacznie krótszy niż koparki Škoda E-303 z linowym podwieszeniem osprzętu. Koparka hydrauliczna wymagała także wysoko wykwalifikowanej obsługi, a jej naprawy nie mogły odbywać się w wyrobisku ze względu na precyzyjną i wrażliwą hydraulikę siłową.

Sentymentalne zakończenie
Na zakończenie niniejszego opracowania trzeba jednak stwierdzić, że w kopalniach odkrywkowych surowców skalnych przyszłość należy do koparek z napędem hydraulicznym. Jednak o koparkach Škoda E-302 i E-303 mówi się z wielkim uznaniem i sentymentem, a mnie towarzyszyły one od pierwszych dni praktyki zawodowej w latach 50. i spotykam je w kopalniach jeszcze dziś. Pracujące wciąż E-303 są maszynami o przestarzałej konstrukcji (niektóre prawie z dwudziestoletnią praktyką  i wydajnością niedorównującą współczesnym koparkom z napędem hydraulicznym). Koparki te są stosunkowo ciężkie i mało mobilne ze względu na zastosowane podwozie gąsienicowe z podłączonym do niego przewodem elektrycznym. Układy linowe oraz inne podzespoły wymagają obecnie częstych napraw lub wymiany, co znacznie zmniejsza ich wydajność. Pomimo tych niekorzystnych cech, w wielu kopalniach koparki E-303 pracują nadal. Na decyzję o pozostawieniu tych maszyn, poza posiadaniem rozdzielni i własnej sieci elektrycznej, wpływa ich prosta konstrukcja mechaniczna i elektryczna, a także dostępność do stosunkowo tanich części zamiennych. Podkreślić należy również fakt, że koparki Škoda, pracujące przez kilkanaście lat w przodkach ścianowych danej kopalni, są technologicznie „dopasowane” do danego systemu urabiania ścian eksploatacyjnych i stosowanych środków transportu. Niektóre kopalnie odkrywkowe dokonują serwisowania koparek przez własne służby mechaniczno-elektryczne (pracujące w Kopalni Gipsu „Leszcze” S.A koparki Škoda E-303 w latach 2005-2006 przeszły wykonany przez firmę zewnętrzną remont kapitalny). Następuje również wewnętrzne krajowe przekazywanie maszyn z trudnych warunków pracy przy ładowaniu urobku skalnego do prac bezpośredniego urabiania piasków i żwirów, a więc kopalin niewymagających zbyt dużych sił przy ich urabianiu, z warunkiem posiadania w kopalni własnej sieci elektrycznej. Jednak, mimo nieukrywanego sentymentu do koparek Škoda E 302 i E 303, trzeba zasygnalizować zmierzch ich pracy w kopalniach odkrywkowych surowców skalnych, bowiem wymiana koparek mechanicznych na koparki hydrauliczne jest nieunikniona.

Literatura
1. Bęben A., Losiak H., Łopata A.: "Maszyny górnicze kopalń odkrywkowych. Cz. V. Koparki jednonaczyniowe", AGH Skrypty uczelniane, Kraków 1969.
2. Bęben A.: "Maszyny i urządzenia do eksploatacji odkrywkowej", Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, 1977.
3. Bęben A.: "Maszyny i urządzenia do wybranych technologii urabiania surowców skalnych", Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1998.
4. Bęben A., Rakowski W., Zuba J.: "Hydrauliczne koparki łyżkowe nową jakością w odkrywkowych kopalniach surowców skalnych", "Cement Wapno Beton", nr 2/1999.
5. Brach I., Walczewski R.: "Koparki jednonaczyniowe. Maszyny do robót ziemnych", Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1982.
6. Instrukcja na montaż i obsługa uniwersalnej koparki E 302.
7. Korzeniowski J.I.: "Zarys dziejów górnictwa skalnego w Polsce", SITG Wrocław, 1992.
8. Maszyny i urządzenia dla górnictwa skalnego. Sympozjum naukowe, Szczyrk, czerwiec 1977.
9. Prospekt reklamowy koparki BÖLA LB 500.
10. Skowron Leonard.: "Koparki i ich zastosowanie w górnictwie", Wyd. Śląsk, Katowice 1957.
11. Zasady eksploatacji złóż do produkcji kruszyw łamanych, COBPGO POLTEGOR, Wrocław 1977.

Autor: prof. zw. dr hab. inż. Artur Bęben, Akademia Górniczo-Hutnicza

Artykuł został opublikowany w magazynie "Surowce i Maszyny Budowlane" nr 2/2010