轮斗挖掘机在我国的发展状况及应用前景

2013-04-01赵环帅

采矿技术 2013年3期

赵环帅

（1．中国煤炭科工集团唐山研究院，河北唐山市 063012；2．天地科技股份有限公司唐山分公司，河北唐山市 063012；3．天地（唐山）矿业科技有限公司，河北唐山市 063012）

0 前言

轮斗挖掘机也称为斗轮挖掘机，是在链斗挖掘机、单斗挖掘机和其它采掘设备的基础上逐步发展起来的，目前是连续化作业设备中比较理想的一种多斗挖掘设备，也是目前世界上最大成套挖掘设备之一。

轮斗挖掘机具有连续化作业、生产能力大、效率高、适应复杂煤层选采、运输坡度大、操作简单、维修方便、易实现现代化管理等诸多优点，特别适合于大型露天矿高效率地开采作业，所以目前主要应用在露天矿中剥离表土、挖掘有用矿物、倒堆作业、向车辆或运输带进行装载等，另外在混料堆置场、储料场、大型水利和土方工程中也得到日益广泛的应用。

近些年来，在一些国外工业发达国家，如德国、美国、俄罗斯、捷克、奥地利等，轮斗挖掘机发展迅速并得到普遍应用，这些国家所制造的轮斗挖掘机不仅有专用型，而且还有系列化的产品，目前在全世界近40个国家的露天煤矿中得到了广泛的应用。

1 工作原理及结构特点

1．1 工作原理

轮斗挖掘机在挖掘物料时机器不行走，主要依靠其前端的斗轮旋转与臂架回转构成的复合运动不断将物料切下并装入轮斗内，当铲斗随着轮斗转到一定高度时，物料由于重力作用落至受料输送带，再经料斗卸到卸料输送带上，装入汽车或输送机等运输工具，运往指定地点。若一层物料挖尽后机器移动或臂架降落，再进行下一层物料的挖掘，这样从顶部逐层向下挖掘，被挖下物料的厚度由机器前进距离或臂架伸缩量来控制，宽度由回转速度决定，一般而言，高度不超过斗轮直径的0．7倍。轮斗挖掘机的行走是辅助性的，作业是连续性的，铲斗只用于挖掘，物料的输送用带式输送机。

1．2 结构特点

轮斗挖掘机主要以下由6个部分组成。

（1）行走系统：目前大多数轮斗挖掘机采用履带式行走系统，少数采用步行式行走系统。从相关资料来看，中、小型轮斗挖掘机大多采用双履带，而大型轮斗挖掘机采用多履带（三履带或四履带），可以减少设备对地面的比压。

（2）回转系统：由转台与回转驱动装置等组成，转台上有动力装置、驱动装置、控制设备和操纵室等，由于采用了回转支撑轴承，驱动装置可使转台绕垂直轴回转360°。

（3）工作系统：由斗轮、臂架、变幅机构和驱动装置等组成。斗轮安装在臂架的前端，为一个均布若干个铲斗的旋转轮。臂架后端铰接在转台的门架上，通过钢丝绳或液压油缸使臂架转动，从而使斗轮在不同工作面上进行挖掘作业。臂架长度主要有固定的与可伸缩的两种。斗轮驱动装置由电动机、安全联轴器和减速机等组成，布置在臂架前端的侧面，用于驱动斗轮旋转。

（4）输送系统：由受料输送带、料斗和卸料输送带等组成；另外，连接桥式轮斗挖掘机则在连接桥上还装有转载输送带。

（5）电力驱动系统：除部分小型轮斗挖掘机目前采用柴油发电机组外，其他轮斗挖掘机均采用了外电源变流机组。

（6）液压系统：主要采用液压油缸驱动斗轮臂和卸料臂升降。

2 发展状况

我国的轮斗挖掘机设计和制造业起步比较晚。目前，基本上还处在对国外的早期技术的消化吸收阶段，1960年和1972年曾从国外引进过几台轮斗挖掘机。

1976年，我国自行研制了 WUD400／700型轮斗挖掘机，并在云南省小龙潭露天煤矿成功应用，为我国其他矿山使用连续开采工艺系统提供了宝贵的经验。在1975年曾经设计过型号为 WLD1300／（5－7）30的轮斗挖掘机。云南省小龙潭露天煤矿于1986年采用了我国自行研制的第一台 WD520／（0．9）15中型轮斗挖掘机，机器的结构形式采用国外流行的履带行走式，但该机生产能力比较低，仅为525m3／h。我国的内蒙古元宝山煤矿也成功地采用了轮斗挖掘机，所用机器的生产能力为600m3／h，是引进德国技术，由国内加工制造的。另外，我国应用轮斗挖掘机比较多的还有大型取料场，如港口、电场、煤气厂等，秦皇岛港务局从德国引进了生产能力为6000t／h的轮斗挖掘机，长春发电设备厂自行设计生产专门用于大型料场取料的斗轮取料机，生产能力为600～2400t／h。

目前，我国主要采用轮斗挖掘机的露天矿有：SRs1602．25．0／3．0型斗轮挖掘机是中国与德国曼塔克拉夫公司联合研制的，目前在元宝山露天煤矿中得到应用；C3100ZG型轮斗挖掘机是黑岱沟露天煤矿从德国克虏伯公司引进的；K900型轮斗挖掘机在伊敏河矿区中应用；云南省小龙潭矿务局布沼坝矿在用的VABE550型斗轮挖掘机，是由奥地利与中国联合制造的紧凑型采掘设备。这些地方采用的轮斗挖掘机大多为中外联合研制。

内蒙古蒙东能源集团扎哈淖尔分公司于2009年12月25日与德国TenovaTAKRAF公司签订采购了一台SRs2000型轮斗挖掘机用于扩能工程，计划在2013年10月试运行。这台轮斗挖掘机功率为1250kW，设计生产能力为6600t／h，臂长为44m，最大采掘高度30m，将是东亚最大的轮斗挖掘机。

但从总体而言，我国轮斗挖掘机无论在技术上，还是在制造水平上，与国外先进国家相比，还存在一定差距，其机型的种类与生产的数量远不能满足我国露天开采的需求。

3 存在的问题

（1）轮斗挖掘机与其配套的辅助设备比较复杂，在使用上存在一定的局限性。

（2）设备单机较笨重，移动能力较低，灵活性差。

（3）挖掘力小，对于采掘物料的物理性能比较敏感，在岩块过大和过硬的岩层中，直接作业比较困难，一般不适于在硬岩中使用。

（4）铲斗的构造和轮斗的直径对土层的厚度有一定要求，为了发挥效率，挖掘土层厚度不应小于轮斗直径之半。

（5）轮斗挖掘机成套设备系统的初期投资大，准备时间长，在设计、选型时较为复杂。

（6）由于轮斗挖掘机组属于串联作业，若不能保证系统的稳定性和可靠性，连续采掘工艺系统就会丧失其优点，达不到预期的目标。

（7）轮斗挖掘机在采掘粘性物料时，卸载难，容易出现轮斗和转载点处的堵塞现象。

（8）轮斗挖掘机系专用设备，专用性强，工作装置一般不能更换。

4 发展趋势

4．1 研制生产率更高的巨型轮斗挖掘机

由于世界各产煤国家的露天矿规模不断扩大、相应需要有大型采矿设备与之配套。轮斗挖掘机向大型化发展，不仅可以提高生产能力，增加工作面采宽和挖掘高度等开采参数，而且可以减小设备的配套数量及提高经济效益。德国在轮斗挖掘机的研制和开发方面一直走在世界前列，继研制日产量为24 X104m3的型号之后，目前其正在开发日产量约为30×104～50×104m3的巨型机，几乎每10年最大型号的轮斗挖掘机，日生产率增加10×104m3。

4．2 标准化、系列化、通用化

轮斗挖掘机结构庞大，设计和生产周期长，成本很高，随着产品数量和规格的增多以及维修问题的突出，迫切需要产品实行标准化、系列化和通用化，1980年代以来，随着中、小型轮斗挖掘机产品数量、规格和型号的增多，一些国家的制造厂家推出了标准型，比如德国吕贝克公司的S系列、克虏伯公司的C系列、德国马克公司的HD系列、奥伦斯坦科佩尔公司的S和SH系列，对各类轮斗挖掘机实行标准化、系列化、通用化，可使产品制造过程简化，生产成本降低，有利于维护检修。

4．3 提高自动化程度

在大型轮斗挖掘机上，操作系统的自动化程度不断提高，如轮斗挖掘机的自动给进、自动灰白和自动变幅，及其恒生产率、恒功率控制，提高安全保护，通讯能力以及挖掘过程的检测自动化等，从而降低操作者的劳动强度，改善劳动条件，提高生产率。

4．4 研制切割力大的轮斗挖掘机

由于连续开采工艺在各国软岩露天矿应用成功并加以推广，因此需要能采挖坚硬物料的轮斗挖掘机。斗轮切割力是影响轮斗挖掘机挖掘生产能力的最主要方面，目前主要采用的方法是：通过提高机器的功率，采用高强度的斗齿，优化斗齿形状和斗唇形状以及研制“紧凑型”轮斗挖掘机等方式，提高轮斗挖掘机的切割力。德国SCHRS－14／3－20型轮斗挖掘机最大切割力达到270kg／cm，捷克KU－800型轮斗挖掘机的切割力已达到了120kg／cm。前苏联生产的轮斗挖掘机单位切割力达到206N／cm2。

4．5 液压技术在中、小型轮斗挖掘机应用

1970年代，液压技术广泛应用于中、小型轮斗挖掘机，许多国家生产了全液压驱动轮斗挖掘机，这不仅可以降低机重、提高生产率，操作方便，还改善了使用性能。因此液压技术在轮斗挖掘机上的应用会日益广泛。

4．6 根据具体情况，研究不同的轮斗挖掘机

由于各国露天矿地理条件以及煤质、煤厚的差异性，所以对作为连续开采设备的轮斗挖掘机提出不同的要求，因此根据各露天煤矿开采实际和具体的矿山条件等因素，开发适合其特点的合理轮斗挖掘机也是未来的一个重要趋势。

4．7 轮斗挖掘机结构的不断改进

目前随着轮斗挖掘机设计、制造水平及使用经验的不断提高，轮斗挖掘机的结构也得到了不断的改进与完善。比如：轮斗的结构从有格式发展到无格式；臂架从伸缩式发展到固定式；行走机构从轨道式发展到履带式；履带式从双履带发展到多履带。而每次改进都极大地推动了轮斗挖掘机技术的发展，所以，不断改进其结构，使之逐步的完善与优化也是未来轮斗挖掘机发展的一个重要发展趋势。

4．8 加强轮斗挖掘机相关研究工作

在轮斗挖掘机的基础理论研究、总体结构设计、使用寿命延长、自动化程度提高、系统可靠度增强及采掘工艺完善等方面进行了深入的研究，随着科学技术的发展，各种新相关技术与先进的有限元分析软件将会在轮斗挖掘机得到不同程度的应用，必将极大提高其设计与分析水平。

5 应用前景

按照煤炭工业“十二五”规划，预计到2015年我国的煤炭产量达到37．9亿t，比2010年增长5．5亿t。规划特别强调，新井建设以大型现代化煤矿为主，优先建设大型露天矿。目前，世界最大的露天煤矿年产量已达50～60Mt／a，年产量在20Mt／a以上的露天煤矿则遍及主要的产煤国家。我国的露天煤田主要分布在内蒙、山西、陕西、新疆、云南等边远省区，煤层赋存条件复杂。以大型机械化设备及连续开采工艺为主体的露天煤炭产能在整个煤炭产量中的比例愈来愈大，是我国煤炭生产集中化开发的一个发展趋势。

作为一个产煤大国，随着能源需求量的不断增加以及国家对煤炭工业的重大部署，我国会加大对主要分布在内蒙、山西、陕西、新疆、云南等边远省区老露天煤田或新发现露天煤田开发力度，而这些地区工业基础相对薄弱、人烟稀少，煤层多为近水平赋存。从可持续发展的方针来看，在大力提高煤质、发展选采的同时，最重要的是要努力保护环境，改善边远地区的脆弱生态系统。因此，我国的露天开采工艺必须在适应环境要求和资源条件的基础上，以发展综合工艺为主，避免采用单一化，即矿山条件适合什么工艺就采用什么工艺。而从目前来看，应用范围最广的单斗倒堆和少量连续不仅工艺效率低、用人多、运量小、占地多，而且不适于边远地区的开采。

目前煤矿露天采矿普遍采用半连续生产工艺，首先采用钻孔爆破，然后采用挖掘机，电铲等挖采装车运输，劳动强度大，并且所采的煤大小不等，仍需要进行多次破碎作业，才能达到使用粒度的要求，另外，仅能实现煤矿的开采，而不能实现煤矿的连续化作业，并且这种开采工艺降低了综合机械化程度与采煤工作效率，同时也增加劳动强度，进一步提高了露天采煤的开采成本。而目前我国露天煤矿的大型机械装备仍需要进口，引进这些露天装备，国家每年都需要花费大量的外汇。为此，工业和信息化部、科技部、财政部、国资委、海关总署联合发布了《重大技术装备自主创新指导目录》，目录指出2000万吨级以上大型露天矿成套设备的国产化是我国目前迫切需要解决的关键问题。因此大力发展高产、高效综采工作面关键技术与装备，提高露天矿采煤综合机械化水平，是我国煤矿露天开采增加提效的主要途径。

轮斗挖掘机是连续化作业设备中比较理想的一种多斗挖掘设备，也是目前世界上最大的成套挖掘设备之一，特别适合于大型露天煤矿连续高效率地作业。近20年，我国露天采矿工业迅速发展，通过引进技术自主研发相结合，国产轮斗挖掘机的技术有了很大的进步和提高。实现国产化，这对我国露天矿产量的提高、推动露天采矿工业的进步起到了积极的促进作用。

综上所述，无论从我国未来露天煤矿的政策，还是从轮斗挖掘机技术发展上来看，轮斗挖掘机在我国应用前景广阔，具有重大的发展空间与研究价值。

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