某斗輪挖掘機研發(fā)

蘇運動

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024；2.智能采礦裝備技術(shù)全國重點實驗室， 山西 太原 030024）

0 引言

斗輪挖掘機[1]是采、運、排連續(xù)開采工藝中完成采掘工作的重要設(shè)備，特別適合應用于露天礦山、大型土石方工程等用于開采量大、服務年限長大型工程。斗輪挖掘機運用于露天礦連續(xù)生產(chǎn)工藝的剝離和開采，屬多鏟斗連續(xù)開采，與單斗礦用挖掘機間斷生產(chǎn)相比，其生產(chǎn)效率有很大提高。除此以外，斗輪挖掘機具有沖擊載荷小、功率波動平穩(wěn)，易于操作維護，使用壽命長，能分層選采，更具有相對質(zhì)量輕、能耗低、生產(chǎn)成本低、對地比壓小、工作尺寸大、運輸坡度大、易實現(xiàn)現(xiàn)代化管理等優(yōu)點，是實現(xiàn)露天礦高效開采的首選設(shè)備。

太原重工股份有限公司生產(chǎn)的某斗輪挖掘機采用緊湊型（指生產(chǎn)率較高、但工作尺寸不是很大的結(jié)構(gòu)）機型，全回轉(zhuǎn)，雙履帶行走，斗輪臂、卸料臂升降由液壓缸傳動。斗輪挖掘機通過裝在斗輪上的12 個鏟斗，在斗輪和斗輪臂回轉(zhuǎn)的同時，各鏟斗連續(xù)參加挖掘，挖到鏟斗中的物料轉(zhuǎn)到斗輪上方時，通過斗輪體內(nèi)的斜槽漏至斗輪臂上的膠帶機，然后轉(zhuǎn)載至卸料臂膠帶機，即可向緊接著的A 型皮帶車、汽車等運輸工具上卸料，運往指定地點。

1 某斗輪挖掘機主要技術(shù)參數(shù)

某斗輪挖掘機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某斗輪挖掘機主要技術(shù)參數(shù)

2 某斗輪挖掘機工作原理及組成

此斗輪挖掘機在松散物料且斗輪滿斗的工況下，理論生產(chǎn)率可以達到3 100 m3/h（松方）。

此斗輪挖掘機的有效工作能力依賴于物料的性能及松散度，并且還與該設(shè)備的有效運行時間有關(guān)，設(shè)備的有效運行時間主要取決于下游轉(zhuǎn)運設(shè)備故障率情況。

此斗輪挖掘機的行走機構(gòu)采用履帶裝置結(jié)構(gòu)。在回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的作用下，該設(shè)備的上部機構(gòu)及斗輪臂可在±360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，卸料臂可相對于上部機構(gòu)進行±105°獨立旋轉(zhuǎn)。斗輪及斗輪臂通過液壓油缸完成俯仰動作。

在斗輪旋轉(zhuǎn)和斗輪臂回轉(zhuǎn)的共同作用下，物料被以“月牙形”[2]切割。然后，在錐形輪的作用下，通過溜槽到達斗輪皮帶，再通過卸料皮帶機轉(zhuǎn)運物料。當垂直物料面被挖掘完成后，該斗輪挖掘機按照一個提前設(shè)定好的距離行進，工作狀態(tài)按此重復進行。

所有驅(qū)動單元的控制，都可以在司機室里實現(xiàn)。卸料臂的回轉(zhuǎn)也可以通過司機室來完成。

高壓電通過電纜漏斗車上的高壓電纜輸送至斗輪挖掘機，且電纜通過電纜架導引。下車裝置所需電力經(jīng)過滑環(huán)輸送到達相關(guān)部位。

斗輪挖掘機主要由底架和履帶架、中部平臺組件、配重臂架組件、斗輪臂俯仰油缸、斗輪臂組件、卸料臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)、吊架組件、卸料臂架組件、司機室、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、液壓和潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及安全裝置和附件以下部件組成，如圖1 所示。

圖1 斗輪挖掘機主要部件

3 某斗輪挖掘機機械系統(tǒng)

底架為箱型結(jié)構(gòu)，位于履帶裝置之間，通過4 個位置的焊接與履帶架相連；履帶裝置與底架共同組成了機器底盤；回轉(zhuǎn)軸承連同外齒圈通過螺栓固定在底架上，支撐著整個上部結(jié)構(gòu)；中央立軸通過螺栓固定在底架下部，支撐著外齒圈及位于上部平臺頂部的卸料臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)；在底架的頂部，滑環(huán)裝配環(huán)繞著中央立軸，為上部結(jié)構(gòu)與底架之間供電。潤滑油泵位于履帶之間，固定在底架外側(cè)結(jié)構(gòu)上。

履帶裝置由2 條平行的履帶組成；底架安裝在2 條履帶之間，與兩側(cè)履帶架剛性連接；底架將載荷傳遞給履帶單元，最終通過底架及履帶傳遞到地面；履帶鏈以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性使得履帶不必更改水平位置而繼續(xù)在不規(guī)整的地面行走；每條履帶獨立驅(qū)動，履帶裝置通過控制履帶的行走速度、剎車、轉(zhuǎn)向來完成行駛動作。

斗輪主回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動裝置是2 套按195°布置的完全相同的電氣驅(qū)動裝置，每套驅(qū)動裝置由1 臺電動機通過安全聯(lián)軸器驅(qū)動1 臺斜齒行星齒輪減速機；制動器采用盤式制動器，與回轉(zhuǎn)軸承齒圈嚙合的回轉(zhuǎn)小齒輪安裝在斜齒行星齒輪的輸出軸端；在上部結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)過程中，回轉(zhuǎn)小齒輪與固定在底架上的回轉(zhuǎn)齒圈嚙合，回轉(zhuǎn)速度由變頻器電氣控制；斗輪驅(qū)動在斗輪臂相對斗輪的另一側(cè)，斗輪由1 臺電動機驅(qū)動，通過1 個液力聯(lián)軸器和萬向軸將扭矩傳遞至斗輪減速機，帶液力聯(lián)軸器的電機安裝在斗輪臂邊側(cè)的固定平臺上；扭矩臂將驅(qū)動扭矩傳遞到斗輪臂；斗輪減速機通過法蘭連接固定到斗輪軸上，減速機由1 個油泵進行強制潤滑。卸料臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動安裝在卸料臂轉(zhuǎn)盤上，它由1 臺電氣制動的電動機驅(qū)動，電動機通過安全聯(lián)軸器連接至回轉(zhuǎn)減速機；斜齒行星齒輪減速機的輸出軸端設(shè)計在卸料臂轉(zhuǎn)盤平臺面下方，軸端上安裝著與回轉(zhuǎn)齒圈嚙合的回轉(zhuǎn)小齒輪，齒圈通過圓柱銷固定在底架上，回轉(zhuǎn)小齒輪與齒圈的嚙合完成卸料臂的回轉(zhuǎn)運動。

斗輪臂和卸料臂皮帶輸送機主要由以下部分組成：刮泥板、驅(qū)動滾筒、輸送機驅(qū)動裝置（含左、右兩套）、傳送托輥、緩沖托輥、回程滾筒、犁形刮泥板、緩沖滾筒、鋼制刮泥板、導向托輥、改向托輥、回程托輥。

回轉(zhuǎn)平臺是環(huán)梁結(jié)構(gòu)，配重臂和塔架都焊接在平臺上。上部結(jié)構(gòu)的按195°方向布置的2 套回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)安裝在平臺上；司機室位于平臺的右側(cè)，朝向斗輪，司機室觀察斗輪挖掘動作的視野很好；變壓器、電氣室、液壓潤滑室、工作人員室和配重都在配重臂上；塔架的2 個焊接桿通過十字橫梁連接在頂部，1 個電纜卷筒座安裝在十字橫梁上。斗輪臂通過特殊軸承安裝在兩個塔架桿之間，斗輪臂的提升和下降動作通過液壓缸來實現(xiàn)，提升和油缸安裝在平臺和斗輪臂上，斗輪以及斗輪驅(qū)動系統(tǒng)安裝在斗輪臂的頂部；皮帶輸送系統(tǒng)（斗輪臂皮帶和卸料臂皮帶）安裝在斗輪臂和卸料臂的中心，物料通過中轉(zhuǎn)槽由斗輪臂皮帶傳送至卸料臂皮帶，卸料臂通過特殊的軸承安裝在卸料臂轉(zhuǎn)盤上，卸料臂的提升和下降動作通過牽引油缸來實現(xiàn)，拉緊油缸安裝在塔架十字橫梁頂部的旋轉(zhuǎn)軸和卸料臂張緊結(jié)構(gòu)上；斗輪挖掘機的上部結(jié)構(gòu)安裝有走臺、欄桿、梯子，方便到達主要部件進行清潔、維護、保養(yǎng)和維修工作。

4 某斗輪挖掘機電氣系統(tǒng)

某斗輪機的電氣系統(tǒng)采用變頻調(diào)速[3]，采用PLC控制；電氣系統(tǒng)為“上位人機界面+PLC 現(xiàn)場總線+變頻傳動”組成的三級控制系統(tǒng)，上位人機界面監(jiān)控整機的運行狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)運行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷，PLC 通過現(xiàn)場總線與整流回饋單元、各機構(gòu)逆變器、司機室控制等連接，實現(xiàn)分布式控制，整流回饋單元通過公用直流母線與各機構(gòu)逆變器相連，實現(xiàn)對各機構(gòu)變頻電動機轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制，供電單線圖如圖2 所示。

圖2 某斗輪挖掘機供電單線

設(shè)備的控制運行采用西門子PLC S7-300，CPU通過PROFIBUS 現(xiàn)場總線與分布式I/O、VFD、操作面板和就地設(shè)備進行連接起來，控制系統(tǒng)單線圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)單線

編程是依照標準程序設(shè)計并在西門子軟件基礎(chǔ)上編制的；設(shè)備是通過司機室來進行控制的，在司機室的操作臺上會裝備有1 個操作面板，所有設(shè)備操作信息，如連鎖、操作模式、報警、運行參數(shù)、工作小時數(shù)等均會顯示在屏幕上，而在電氣室設(shè)置的1 個操作面板則主要用來對設(shè)備進行維護、診斷和故障檢查處理。

5 某斗輪挖掘機液壓和干油集中潤滑系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由液壓泵站、2 個液壓缸和油管等主要部件組成；液壓泵站則包括機、油泵、油箱、閥門、管件和相關(guān)電氣元件，通過油管、油泵將壓力油供入到油缸，主油缸負責輪斗臂的俯仰運動，另外一個油缸則負責卸料臂的俯仰運動；系統(tǒng)中配有帶控制回路的比例閥，以防止懸臂俯仰過程中抖動，保證懸臂勻速升降，用比例閥控制液壓回路的開啟，從而使液壓油缸平穩(wěn)伸縮，防止失速，為了保證下降操作的平穩(wěn)運行，在液壓缸的活塞桿末端裝有1 個制動閥和1 個二級安全裝置（包含1 個減壓閥和1 個電子壓力傳感器以設(shè)定最大允許工作壓力）。帶有防管路破裂的閥塊裝置直接安裝在液壓缸的缸體上，所有潤滑管路和管線都進行合理布置，過壓和停機時，在液壓缸活塞桿末端的壓力傳感器的最大觸點將會動作。

上部油脂潤滑系統(tǒng)由1 套電動潤滑泵系統(tǒng)組成，布置在配重臂的液壓潤滑室內(nèi)，包括回轉(zhuǎn)80 個，膠帶驅(qū)動與張緊及斗輪臂、卸料臂、油缸連接銷軸12 個。

下部油脂潤滑系統(tǒng)由1 套電動潤滑泵系統(tǒng)組成，布置在底架梁后側(cè)，包括驅(qū)動輪、張緊輪、托鏈輪、兩輪小車、四輪小車軸承的潤滑，共42 個潤滑點。

6 結(jié)語

某斗輪挖掘機研制成功后可填補國內(nèi)同規(guī)格產(chǎn)品的空白，打破國外壟斷，每年可為我國節(jié)約大量的外匯。另外，國產(chǎn)化后設(shè)備銷售價只相當于同類進口價的70%～80%，備品備件價格只相當于同類進口價的50%～60%，則每年可為我國露天礦山用戶節(jié)約大量的設(shè)備購置費用和設(shè)備維護費用。同時履帶式斗輪挖掘機的研制將拉動相關(guān)配套件及材料、制造等產(chǎn)業(yè)投入，增加人員就業(yè)機會，社會效益也非常顯著。