矿用电铲开斗系统研究及改进分析

2021-11-10宋庄

中国设备工程 2021年20期

宋庄

（中铁九局集团有限公司路桥分公司，辽宁沈阳 110000）

机械式挖掘机又称电铲，是利用齿轮、链条、钢索滑轮组等传动件传递动力的单斗挖掘机，其生产已有百年历史。电铲露天矿山“爆破-挖掘-运输”是开采工艺方式中最重要的设备之一，其作业对象通常是露天矿山地表的覆土、砂石和各种爆破后的岩石和矿物。

电铲在完成挖掘作业后，会在回转机构的驱动下，将铲斗运动至运输车辆车斗的上方，然后通过开斗系统打开铲斗斗底，物料会在重力的作用下滑落至运输车辆的料斗内。因此，开斗系统是电铲作业过程中极其重要的功能，该系统一旦出现故障，就必须进行停机维修，将必然导致整个矿山生产流程陷入混乱。

1 现状分析

最常见的电铲开斗系统在开斗工况下，通过直流开斗电动机驱动卷扬机对穿过鞍座和斗杆上导向滑轮的钢丝绳进行缠绕，拉动斗栓解锁斗底实现开斗功能。当卸料完成后，斗底会在重力作用下自动完成闭锁功能并进入下一个工作循环。开斗系统最显著的特点是在开斗状态钢丝绳需要一个较大驱动力，而在其他时间，钢丝绳仅仅需保持一定的张紧力，避免钢丝绳下垂出现意外即可。具体实现方法如图1所示。

图1 原开斗系统

这种传统的开斗系统具有结构简单、调节容易等优点。但是，电铲是矿山主要采掘设备，使用十分频繁，工作条件及其恶劣。由于矿石及物料的复杂性，经常会造成挖掘作业时卡住斗栓的情况，此时，就需要提高电机输出扭矩导致开斗瞬间冲击载荷极大提高，严重影响钢丝绳寿命；或者多次重复开斗动作来实现开斗动作，导致电铲的生产效率降低，影响经济效益。另外，钢丝绳直接连接到斗底杠杆端部，斗底经常处于与矿石块摩擦撞击的恶劣条件下，绳头部位更易过度磨损断裂，造成钢丝绳使用寿命大大降低。当受力过大时，钢丝绳会在冲击载荷下瞬间断裂，危及设备及操作人员安全。同时，非开斗工况下，通过变阻器来改变直流电动机回路电流及转矩，进而控制钢丝绳张紧力，但此时电能直接通过变阻器发热损耗，造成极大的能量损失。因此，如何保证开斗成功率、提高钢丝绳寿命、降低能耗就成了亟需解决的问题。

2 开斗系统研发与改造

通过反复的论证及与现场工况相结合，我们基于原有开斗系统，开发了一种新型电铲开斗系统。该系统采用直流调速器和直流电机作为动力系统，通过直流电控系统，精准控制电机扭矩，实现钢丝绳张紧力的精确控制，防止意外开斗情况的发生，保障人员设备的安全。在机械传动系统部分，采用杠杆机构放大开斗力，改善了系统受力情况，并且在杠杆机构和斗底杠杆间采用金属链条连接来传递拉力，即使斗底板杠杆处出现恶劣工况，链条的使用寿命远高于钢丝绳。钢丝绳与第一级杠杆的连接采用套环和旋转环连接结构，减少钢丝绳的过度磨损、扭转和折弯，极大地提升钢丝绳接头的使用寿命。钢丝绳寿命的提升，降低了电铲的维护频次，提升了电铲的作业效率，具有较大的经济效益。详见图2、3。

如图2所示，改进后的开斗系统，可以使用380V 50Hz三相交流电源作为动力源，通过变流器分别给直流电机的电枢和磁场提供电源，然后通过控制直流调速器实现输出电流的精确控制，进而实现了直流电机的扭矩精确控制，最终实现开斗大扭矩与待机小扭矩的复杂工况。

图2 新型开斗系统图

如图3所示，在机械传动系统中，直流电机通过减速机驱动卷筒对钢丝绳进行收放动作。钢丝绳绕过导向滑轮后再通过套环绳夹旋转环等连接连接在一级杠杆上。一级杠杆与斗底杠杆通过金属链条连接。通过上述连接结构，当开斗系统执行开斗作业工况时，通过控制直流调速器实现输出端的电流增大，直流电机扭矩增加，进而作用在钢丝绳上的力增大，钢丝绳上的开斗力经过一级杠杆11的放大后，通过链条和斗底杠杆再次进行放大，直至斗栓被拉出，斗底板解锁打开，从而实现可靠有效的开斗作业。

图3 开斗机械传动系统示意图

由于使用了直流调速器，非开斗工况下，可精确控制直流电机的输出扭矩，进而开斗钢丝绳上的张紧力也可精确控制，保证钢丝绳不至于在自重作用下下垂挂作业车辆而造成危险，并且可有效防止意外开斗情况的发生，保障了周边人员和设备的安全。由于使用了两级杠杆结构，可显著减低开斗钢丝绳上所需力的大小，提升了钢丝绳使用寿命；由于使用了套环固定钢丝绳，钢丝绳为圆弧形折弯，且与套环不产生摩擦损耗，提升了钢丝绳使用寿命；由于使用了旋转环，在开斗作业时，钢丝绳自身的扭转载荷可通过旋转环释放，提升了钢丝绳使用寿命。

3 改造效果

2018年11月，改造后的电铲在黑龙江某露天矿开始进行工业性试验。经过三个月的实际检验，改造后的开斗系统克服了物料坚硬、黏结等问题，开斗流畅，钢丝绳寿命显著提高，设备出动率大为提高，经济效益显著。新型电铲开斗系统，具有以下优点：

（1）使用直流调速器，精确控制开斗直流电机的输出扭矩，实现了开斗钢丝绳力的精确控制，在开斗工况下可以有效开斗，在非开斗工况下可以保证钢丝绳处于张紧状态，不会下垂也不会意外开斗，保障了人员和设备安全；（2）使用两级杠杆结构，两级杠杆之间采用链条连接，在保证有效开斗的情况下，二级杠杆有效地减少钢丝绳的受力，提升钢丝绳寿命。并且链条连接使用寿命也得到提升；（3）钢丝绳绳头连接采用了套环与旋转环结构，有效保护了钢丝绳折弯、磨损、扭转带来的损伤，提升了钢丝绳寿命；（4）不需要电阻进行力矩调节，节约了大量电能。