大型排巖機技術發展及應用

馬立峰，楊 佐，張 玨，王志霞，吳鳳彪，姚振強

(1.太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024；3.太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024)

0 前言

隨著國內露天開采技術和工藝的發展，露天礦逐步采用“爆破-電鏟-自移式破碎機-皮帶輸送機-排巖機-排土場”的半連續開采生產工藝，相比于傳統卡車運輸工藝，半連續開采生產工藝機械化程度高，生產集中，成本低，污染小。排巖機作為露天礦半連續開采工藝中的關鍵設備，將開采出的巖土連續地排棄堆集在指定位置，隨著礦山企業生產能力的增加，排巖機使用越來越廣泛，并逐步向智能化、大型化發展。

1 排巖機的主要結構

履帶式排巖機按照結構可主要分為懸臂式和履帶橋式兩大類，如圖1、圖2所示。

圖1 懸臂式排巖機

懸臂式排巖機主要由卸料懸臂皮帶機系統、受料臂皮帶機系統、配重系統、回轉裝置、液壓系統、潤滑系統、尾車、履帶行走裝置等組成。履帶橋式排巖機由若干個履帶行走機構支承臂架結構，臂架結構上安裝有皮帶輸送機及卸料行走小車，卸料行走小車與排料臂臂架結構平移，一次排土范圍較廣，且移設次數較少，移設方便。但是履帶橋式排巖機結構龐大，設備成本較高，且對工作場地環境的平整度要求也很高。相比于履帶橋式排巖機，懸臂式排巖機機動性、工作環境條件適應性強，因此懸臂式排巖機應用較為廣泛。圖3所示為應用于平朔集團東露天礦的瑞典山特維克生產的PA200 1800/50+50懸臂式排巖機。

圖3 PA200 1800/50+50排巖機

2 排巖機的發展及現狀

2.1 國外排巖機發展現狀

排巖機在國外的起步較早，上世紀50年代德國、蘇聯就開始針對露天開采研發排巖機[1]。國外的大型露天開采設備經過半個多世紀的發展，結構已十分成熟，許多排巖機的生產廠家都有自己獨有的技術和生產標準，且能根據客戶要求進行單獨設計或參數化設計。

目前國外仍在生產排巖機的廠家主要有德國克虜伯集團、MAN TAKRAF集團、瑞典的山特維克集團等[2]。克虜伯集團生產的排巖機產量大、種類全、質量好，市場占有率高。上世紀90年代克虜伯公司研發生產的Absetzer760和Absetzer761型排巖機是世界上生產能力最大的排巖機，于“Hambach”礦新區投入使用[3]。其輸送帶帶速可達9 m/s，生產能力可達30 000 m3/h，刷新礦山機械中大型排土設備單臺年排土量的最高世界紀錄[4]。

2.2 國內排巖機發展現狀

國內排巖機的生產可追溯到上世紀70年代，分為兩個階段。一是與國外企業聯合生產階段。1977年撫順挖掘機廠與遼寧煤炭、天津工機等研究院根據國外技術聯合試制了PS-1000型排巖機并投入到露天開采工作中。大連重工于1985年也開始研制用于露天開采工藝的排巖機，額定生產能力為2 000 m3/h，之后與德國的MANTAKRAF集團合作研制出生產能力為5 000 m3/h 的ARS3000·50型排巖機，并投入到元寶山露天礦的生產中。1995年太原重工與德國克虜伯集團合作研發排巖機。二是獨立自主生產階段。90年代北方重工、大連重工開始嘗試獨立研發排巖機，開啟了國內排巖機研發的起點。華電重工獨立研制出具有自主知識產權的SP1400型排巖機，提升了國產品牌的競爭力，填補了國內空白[5]。目前國內生產能力最大的排巖機為太原重工自主研發的排巖機，額定生產能力達到9 000 t/h，最大生產能力超過10 000 t/h，在山西省太鋼集團袁家村鐵礦已投入使用。

圖4 太原重工生產的9 000 t/h排巖機

隨著機械、電氣、液壓等學科的發展，排巖機技術由以前單純的機械技術實現“機電液一體化”，排巖機開始追求更好的穩定性、可靠性、安全性、人機交互性和更精準的控制性，隨著液壓驅動系統、PLC電氣控制系統及其他新型技術和工藝的廣泛應用，排巖機的工作效率更高、能耗更低、更環保。

3 應用在排巖機上的典型技術

3.1 輸送技術

隨著排巖機大型化技術的日益成熟，排巖機的生產能力得到很大的提高，國外最先進的排巖機料臂輸送機的帶速可達10 m/s，在國內太重生產的9 000 t/h排巖機帶速可達到4.5 m/s。為了克服高帶速帶來的磨損，一是保證輸送系統的零部件有較高的制造安裝精度，如托輥軸、滾筒轉軸與孔配合面需要降低表面粗糙度，控制托輥的徑向跳動誤差[6]，采用角接觸球軸承等盡量減小表面不平造成的運動副接觸面之間的摩擦磨損；二是托輥采用高耐磨托輥，即在托輥表面涂裝高耐磨材料防護層；三是根據帶速確定托輥的選擇和布置方式,如帶速高于4 m/s時，為減小摩擦磨損、防止跑偏，托輥可采用槽形前傾托輥組、調心托輥組等，理論與工作實踐證明普通托輥、前傾托輥、調心托輥安裝數量的比例為10∶2∶1時效果較好[7]，為防止輸送帶跑偏，輸送機上都加裝了防跑偏裝置和糾偏裝置，如自糾偏托輥組等。隨著技術的發展，排巖機高帶速輸送機對托輥及高速軸承的密封性及可靠性也提出了新要求，目前正嘗試利用托輥浸淋水檢測技術對托輥和軸承進行技術檢測[8]。

3.2 轉載抗磨減振技術

目前排巖機在生產中存在的一個主要問題是轉載點處的物料對輸送帶、溜槽導料槽、頭罩的沖擊磨損較大，物料對輸送帶的沖擊會引起輸送帶和臂架的橫向振動，對溜槽和頭罩的沖擊會加劇其內壁磨損，縮短使用壽命。

針對上述問題，采用的理論方法是對溜槽和頭罩的形狀和材料進行優化。對頭罩型形狀的設計采用了EDEM離散元仿真優化設計，確定物料流與前護板的合適角度與距離[9]，利用EDEM離散元與顆粒碰撞理論對腔型優化，確定合適的腔型與落料管的曲線尺寸[10]，減小巖土物料對轉載內壁的沖擊。

在機械結構上，主要采用卸料小車與緩沖裝置，卸料小車位于轉載點溜槽出口處，其作用一方面是收集經過溜槽出口的物料防止灑落；另一方面是防止物料直接沖擊到輸送帶上。卸料小車上安裝有耐磨襯板，且小車內部有許多突出的緩沖板，緩沖板形成階梯結構，使物料堆積形成緩沖坡，間接減緩后續物料對輸送帶的沖擊力。目前緩沖結構主要采用緩沖托輥和緩沖床兩種方式，即在轉載點卸料小車下部安裝緩沖床或者緩沖托輥，利用緩沖床和緩沖托輥的高緩沖性能將沖擊力平穩的傳遞到排料臂臂架上。

3.3 抑塵除塵技術

排巖機揚塵最嚴重的地方主要集中在受料臂卸料車處、轉載溜槽出口處、排料臂末端排料點處，排巖機的抑塵治理也主要圍繞這三個位置進行。轉載點處除塵方法是減小轉載點處物料轉運高度差，并用防塵布進行密封遮蓋，抑制揚塵產生[11]。受料臂段和排料段處的除塵抑塵方法主要是利用水和抑塵劑對巖土進行初步潤濕，利用防塵罩等密閉設施輔助防塵[12,13]。即在受料臂起點處，安裝淋水霧化裝置向巖土噴淋水及抑塵劑，使巖土運輸至受料臂輸送機處即被初步潤濕，防止在受料臂輸送機上產生揚塵，運輸過程中水的浸潤滲透與揮發也可以減輕轉載站泥濘問題。在排料臂末端安裝霧化炮，向巖土料流與土堆的結合部位噴淋，可以使水與粉塵粒子凝結，減少揚塵產生。有些設備上已經使用氣動噴嘴呈螺旋分布的噴淋設備，利用多層螺旋霧幕技術抑塵[14]。

目前微米級干霧除塵技術是應用在運輸過程中比較先進的技術之一[15]。理論方法是通過EDEM離散元理論及氣固兩相流理論，對運輸過程中巖土顆粒與氣流進行仿真分析。這種方法可以得到輸送系統內氣流的壓力梯度和速度分布，確定粉塵顆粒運動軌跡[16]，通過優化輸送設備的腔型尺寸的方法抑制揚塵產生。對于高寒地區或寒冷的冬季，需要給抑塵劑添加防凍劑，并對水管和霧化噴淋裝置安裝防凍設施，排巖機的供水線路較長，需要在沿途水管上安裝保暖層或渦流加熱裝置。另外，電場除塵技術也是現在比較先進和廣泛使用的除塵抑塵技術[17]，但目前在排巖機上使用還不成熟[18,19]。

3.4 液壓控制技術

液壓技術在排巖機上的應用主要是液壓俯仰機構和液壓張緊機構。液壓俯仰機構主要實現排料臂繞鉸接點上下擺動改變傾角，實現巖土的分層堆積。由于這個過程中負載、重心都會變化，液壓系統在排巖機上應用之初存在著流量、壓力不穩定、沖擊載荷過大、活塞桿速度突變等問題，反應在整機上是排料臂俯仰不能迅速精確控制、機械結構間沖擊載荷過大，影響排巖機的穩定性。目前液壓俯仰系統引入定差減壓型壓力補償器和負載敏感變量泵，使排料臂俯仰動作能迅速精確平穩的實現[20]。液壓張緊機構主要是輸送帶張緊機構[21]。排巖機工況多變，每種工況要求的輸送帶張緊力不同，傳統的張緊機構必須停機后人為調整，采用液壓張緊機構，操作員可不停機通過工控機控制液壓缸工作，實現輸送帶張力自動調整，提高了工作效率。工業的發展又對排巖機的空間性和靈活性提出新的要求，為提高排巖機的靈活性，國內外研究者正在嘗試將排巖機的臂架及輸送機做成液壓可伸縮式。其中，臂架可以通過固定鋼架與活動鋼架配合，液壓缸活塞缸作為動力源實現[22]。

3.5 電氣控制技術

排巖機正向著更高的自動化、智能化及更好的人機交互性發展，這主要是依賴于電氣控制技術的應用。目前排巖機主要的電氣控制系統主要有輸送控制系統、回轉控制系統、行走控制系統等。排巖機的回轉、履帶行走等力源都是電動機，因此必須設計可靠的電機控制系統，才能控制排巖機平穩準確地回轉與移動。輸送控制系統主要通過控制輸送機實現巖土輸送，為提高輸送系統的平穩性，減小輸送過程中輸送帶動張力突變引起的沖擊，排巖機輸送機系統多采用Harrison啟動曲線、配合軟起動設備及CST可控啟動傳輸系統。CST可控啟動傳輸系統是集機、電、液、微電子技術為一體的高科技產品，是皮帶輸送機實現軟啟動性能最理想的控制產品[23]。

4 結束語

排巖機的發展過程中涵蓋了機械、液壓、電氣、控制等多領域的技術。經過幾十年的發展，雖然國內產品技術取得了長足的進步，但為了提高生產能力，不斷增加輸送帶的寬度、提高帶速，這樣使得受料臂、排料臂、行走履帶尺寸、門座結構的剛度等相應增大，出現排巖機整機穩定性的下降，關鍵部件的結構不能滿足使用要求等問題。因此，今后需要在排巖機整機的穩定性、關鍵部件可靠性等方面加強理論研究，并向高人機交互性、低能耗、高效率等方向發展。