礦用電鏟開斗系統研究及改進分析

宋莊

（中鐵九局集團有限公司路橋分公司，遼寧 沈陽 110000）

機械式挖掘機又稱電鏟，是利用齒輪、鏈條、鋼索滑輪組等傳動件傳遞動力的單斗挖掘機，其生產已有百年歷史。電鏟露天礦山“爆破-挖掘-運輸”是開采工藝方式中最重要的設備之一，其作業對象通常是露天礦山地表的覆土、砂石和各種爆破后的巖石和礦物。

電鏟在完成挖掘作業后，會在回轉機構的驅動下，將鏟斗運動至運輸車輛車斗的上方，然后通過開斗系統打開鏟斗斗底，物料會在重力的作用下滑落至運輸車輛的料斗內。因此，開斗系統是電鏟作業過程中極其重要的功能，該系統一旦出現故障，就必須進行停機維修，將必然導致整個礦山生產流程陷入混亂。

1 現狀分析

最常見的電鏟開斗系統在開斗工況下，通過直流開斗電動機驅動卷揚機對穿過鞍座和斗桿上導向滑輪的鋼絲繩進行纏繞，拉動斗栓解鎖斗底實現開斗功能。當卸料完成后，斗底會在重力作用下自動完成閉鎖功能并進入下一個工作循環。開斗系統最顯著的特點是在開斗狀態鋼絲繩需要一個較大驅動力，而在其他時間，鋼絲繩僅僅需保持一定的張緊力，避免鋼絲繩下垂出現意外即可。具體實現方法如圖1所示。

圖1 原開斗系統

這種傳統的開斗系統具有結構簡單、調節容易等優點。但是，電鏟是礦山主要采掘設備，使用十分頻繁，工作條件及其惡劣。由于礦石及物料的復雜性，經常會造成挖掘作業時卡住斗栓的情況，此時，就需要提高電機輸出扭矩導致開斗瞬間沖擊載荷極大提高，嚴重影響鋼絲繩壽命；或者多次重復開斗動作來實現開斗動作，導致電鏟的生產效率降低，影響經濟效益。另外，鋼絲繩直接連接到斗底杠桿端部，斗底經常處于與礦石塊摩擦撞擊的惡劣條件下，繩頭部位更易過度磨損斷裂，造成鋼絲繩使用壽命大大降低。當受力過大時，鋼絲繩會在沖擊載荷下瞬間斷裂，危及設備及操作人員安全。同時，非開斗工況下，通過變阻器來改變直流電動機回路電流及轉矩，進而控制鋼絲繩張緊力，但此時電能直接通過變阻器發熱損耗，造成極大的能量損失。因此，如何保證開斗成功率、提高鋼絲繩壽命、降低能耗就成了亟需解決的問題。

2 開斗系統研發與改造

通過反復的論證及與現場工況相結合，我們基于原有開斗系統，開發了一種新型電鏟開斗系統。該系統采用直流調速器和直流電機作為動力系統，通過直流電控系統，精準控制電機扭矩，實現鋼絲繩張緊力的精確控制，防止意外開斗情況的發生，保障人員設備的安全。在機械傳動系統部分，采用杠桿機構放大開斗力，改善了系統受力情況，并且在杠桿機構和斗底杠桿間采用金屬鏈條連接來傳遞拉力，即使斗底板杠桿處出現惡劣工況，鏈條的使用壽命遠高于鋼絲繩。鋼絲繩與第一級杠桿的連接采用套環和旋轉環連接結構，減少鋼絲繩的過度磨損、扭轉和折彎，極大地提升鋼絲繩接頭的使用壽命。鋼絲繩壽命的提升，降低了電鏟的維護頻次，提升了電鏟的作業效率，具有較大的經濟效益。詳見圖2、3。

如圖2所示，改進后的開斗系統，可以使用380V 50Hz三相交流電源作為動力源，通過變流器分別給直流電機的電樞和磁場提供電源，然后通過控制直流調速器實現輸出電流的精確控制，進而實現了直流電機的扭矩精確控制，最終實現開斗大扭矩與待機小扭矩的復雜工況。

圖2 新型開斗系統圖

如圖3所示，在機械傳動系統中，直流電機通過減速機驅動卷筒對鋼絲繩進行收放動作。鋼絲繩繞過導向滑輪后再通過套環繩夾旋轉環等連接連接在一級杠桿上。一級杠桿與斗底杠桿通過金屬鏈條連接。通過上述連接結構，當開斗系統執行開斗作業工況時，通過控制直流調速器實現輸出端的電流增大，直流電機扭矩增加，進而作用在鋼絲繩上的力增大，鋼絲繩上的開斗力經過一級杠桿11的放大后，通過鏈條和斗底杠桿再次進行放大，直至斗栓被拉出，斗底板解鎖打開，從而實現可靠有效的開斗作業。

圖3 開斗機械傳動系統示意圖

由于使用了直流調速器，非開斗工況下，可精確控制直流電機的輸出扭矩，進而開斗鋼絲繩上的張緊力也可精確控制，保證鋼絲繩不至于在自重作用下下垂掛作業車輛而造成危險，并且可有效防止意外開斗情況的發生，保障了周邊人員和設備的安全。由于使用了兩級杠桿結構，可顯著減低開斗鋼絲繩上所需力的大小，提升了鋼絲繩使用壽命；由于使用了套環固定鋼絲繩，鋼絲繩為圓弧形折彎，且與套環不產生摩擦損耗，提升了鋼絲繩使用壽命；由于使用了旋轉環，在開斗作業時，鋼絲繩自身的扭轉載荷可通過旋轉環釋放，提升了鋼絲繩使用壽命。

3 改造效果

2018年11月，改造后的電鏟在黑龍江某露天礦開始進行工業性試驗。經過三個月的實際檢驗，改造后的開斗系統克服了物料堅硬、黏結等問題，開斗流暢，鋼絲繩壽命顯著提高，設備出動率大為提高，經濟效益顯著。新型電鏟開斗系統，具有以下優點：

（1）使用直流調速器，精確控制開斗直流電機的輸出扭矩，實現了開斗鋼絲繩力的精確控制，在開斗工況下可以有效開斗，在非開斗工況下可以保證鋼絲繩處于張緊狀態，不會下垂也不會意外開斗，保障了人員和設備安全；（2）使用兩級杠桿結構，兩級杠桿之間采用鏈條連接，在保證有效開斗的情況下，二級杠桿有效地減少鋼絲繩的受力，提升鋼絲繩壽命。并且鏈條連接使用壽命也得到提升；（3）鋼絲繩繩頭連接采用了套環與旋轉環結構，有效保護了鋼絲繩折彎、磨損、扭轉帶來的損傷，提升了鋼絲繩壽命；（4）不需要電阻進行力矩調節，節約了大量電能。

4 結語

本設計改動小，結構簡單，徹底解決了礦用電鏟開斗系統開斗成功率低、鋼絲繩壽命短、能耗較高等缺點，保證了整機設備開斗工作的穩定運行，是具有較大推廣意義的新一代開斗系統。