高寒地区大型露天矿挖装设备WKH—12电铲的研制

摘 要：根据电铲高效率、高可靠性的要求及响应国家节能减排战略，WKH-12电铲采用了先进的带能量回馈多传动变频系统，该设备满斗系数高，机重大，能承受长时期重载挖掘；环境温度适应性强，适合矿山的恶劣环境，-40℃～+55℃润滑油影响小；起重臂长，卸载范围大，卡车容易对位，易装满卡车。本文介绍了WKH-12电铲的研制情况，重点介绍了该机的主要技术参数、结构组成及主要作业功能。

关键词：高寒；交流变频控制；单卷筒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.001

0 引言

伊春鹿鸣钼矿位于黑龙江省伊春市铁力林业局鹿鸣林场事业区内，鹿鸣林场东北2km处；采矿区面积4.6平方公里，主矿产钼矿矿石量8.14亿吨，钼金属量75.18万吨，目前单体钼矿规模居全国第一。 矿区位于佳木斯隆起的北部鹤岗凸起四方山林场复式背斜的南东翼。区内山势雄伟，地形标高 300～460 米，相对高差 200～250 米，其地貌类型为剥蚀-堆积低山丘陵区，埋藏较浅，非常适合露天开采。本区气候为中温带季风气候区。冬季严寒漫长、夏季炎热短促。鉴于以上特点，伊春鹿鸣钼矿属于高寒地区大型露天矿。比地下开采更易于应用大型生产设备，从而可以扩大企业的生产能力，提高劳动生产率，缩短基建时间，降低开采成本，提高经济效益。同时，露天开采具有资源采出率高、生产安全可靠、生产空间不受限制等优点。因此，中铁资源集团伊春鹿鸣矿业公司决定矿山采用露天开采，先期为山坡露天，后转入凹陷露天。在露天开采作业中挖装设备的选型和设备性能直接影响露天矿的开采能力与进度。由于伊春鹿鸣钼矿处于高寒地带，冬季最低温度达到-43.1℃，国内市场现有的电铲在冬季严寒条件下作业故障率高，效率低，设备性能不稳定，不能很好的满足伊春鹿鸣钼矿的采矿生产要求。因此，中铁工程机械研究设计院开发了WKH-12电铲，该设备适合伊春高寒地区气候特点，结构优化，采用了最新电气控制及集中润滑技术，运行更为可靠、安全。

1 WKH-12电铲的主要技术指标

主要技术指标如表1。

2 WKH-12电铲的总体组成

WKH-12型电铲的机械部分由工作装置、上部机构、下部机构等组成。

工作装置采用单梁起重臂、双斗杆齿轮-齿条推压机构，并配有气动盘式离合器来限制推压机构承受的最大动负荷。

上部机构采用并联的回转机构、单电机单卷筒提升机构、正压通风除尘的密封机棚以及帶空调除尘的司机室。此外，上部机构中还包括有双脚支架、气路系统和干油自动集中润滑系统、稀油润滑系统以及电气控制系统的主要部分。

下部机构的回转支承采用了圆锥形辊盘、上环轨分段式装配、下环轨整体式装配的锥形环轨。行走支承采用多支点履带式行走装置。行走机构采用双电机双行星减速机驱动的独立传动机构，安装在底架梁的后部。

下图为WKH-12电铲的实物照片。

3 主要结构介绍

3.1 铲斗

铲斗为铸焊结构，由斗齿、斗体、斗底、斗底缓冲装置、提梁、均衡轮及各连接销轴等零部件组成。

斗体主要由高强度耐磨钢板焊接而成，铲斗前壁的上部焊有由高强度耐磨材料铸造的、可更换的斗唇；下部焊有由高强度耐磨材料铸造的、可更换的斗栓座。铲斗前部焊有可更换的耐磨块。

3.2 斗杆

斗杆由整体焊接变截面左、右斗杆、连接筒、焊接整体齿条、后挡板、压杆等组成。

通过更换不同长度的压杆，可以调整铲斗的安装角度。

整体焊接变截面左、右斗杆由具有低温冲击韧性的低合金高强度钢板焊接而成。这种结构的双斗杆具有强度高、重量轻、维护量少的特点，且有益于减缓提升机构的负荷，有利于挖掘作业。

斗杆具有较高的抗扭刚性，保证整个斗唇宽度上的切削力均衡，使铲斗始终保持水平挖掘，有利于装满物料。

3.3 起重臂构

起重臂采用具有低温冲击韧性的低合金高强度钢板焊接成箱型结构件，采用大跨距销轴联接的结构型式。每一侧的联接销轴均为简支梁结构并开有油孔，以便润滑。在起重臂下部制作了推压机构传动齿轮箱。

起重臂上安装顶部滑轮的轴孔采用压盖式结构，便于安装和拆卸。改善了装配、维护的工艺性。

3.4 底架

底架由底架梁、回转大齿圈、定位套、下环轨等组成，其结构型式加大了中央轴套在底架梁内部的深度，更加可靠。

3.5 履带装置

履带装置是由履带链、左履带架、右履带架、驱动轮、拉紧轮、支承轮、输入轴等组成，采用两套对称的多支点结构型式。

履带架与底架梁联接为间隙螺栓和楔块，更加可靠，安装简单，可实现互换。

3.6 电气系统

电控系统采用成套柜体，传动单元采用 ABB 多传动 ACS800 系列变频调速产品下， PLC 采用西门子公司 S7-300 系列产品；低压配电元器件及附件如：断路器、接触器、继电器等均采用施耐德公司产品；主令控制器采用施耐德公司产品；触摸屏采用 HITE 电脑，上位机采用研华工控机，与 PLC 之间采用工业以太网通讯，构成监控管理系统，能全面实时监控系统工作状态，并提供完善的故障信息，方便运行及维护。

由于电铲震动强度高的特点，我们重点考虑了变频驱动系统的抗震问题，经过多次仿真及数学计算最终首创性的采用“弹簧径向减震法”。为了适应伊春的高寒特性，首先我们选用的元件都是耐低温型的型号，我们在每个电气柜内都安装带温控的加热器以保证柜内元件的可靠性，并在机器房内安装四台大功率加热器。在人机工程学方面，我们选用了根据体重可调减震座椅，配备24mm防弹玻璃、军用空调、CD机、微波炉、真皮沙发。

4 关键技术

本电铲在设计上的关键技术主要包括：

（1）针对高寒地区的使用环境，对主要结构件进行创新性设计。从而提高主要结构在低温作业条件下的耐用强度，减少设备故障率。

（2）铲斗采用铸焊结构，主要受力及易磨损部位都采用高强度耐磨合金铸钢，在铲斗较容易磨损部位都增加可更换的耐磨衬板，具有结构合理、自重轻、使用寿命长、维护工作量小等。

（3）提升机构采用单电机单卷筒结构，提升钢丝绳数量为2根，使得每根钢丝绳直径较小，提升卷筒直径也较小，这样减小了传动比，使得整个机构结构简单、重量轻、体积小、传动件数量少，加工、装配工作量小，可大大降低制造成本。

（4）采用高寒环境下电气系统的设计选型，保证高寒环境下电气系统的正常运转；针对机械式正铲挖掘机使用中震动过大的问题，充分考虑了变频柜的整体减震，采用自主研发的先进减震装置。

5 结语

WKH-12电铲满足了伊春鹿鸣钼矿施工的要求，提高了我国矿山施工设备的研发能力，部分研究成果，可直接用于其它国内矿山施工设备的研制，对提升国内矿山施工机械研发水平有着重要意义。

参考文献：

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[2]王世廉，原贞华.12M3矿用挖掘机斗杆结构的有限元分析[J].中国高新技术企业，2015（07）：32-34.

[3]钢结构施工及验收规范GB50205-2001[S].

[4]徐灏.机械设计手册[M].第2版.第4卷.北京：机械工业出版社，2000.

作者简介：徐国学（1974-），男，湖北武汉人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：工程机械。