某斗輪挖掘機研發

蘇運動

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

0 引言

斗輪挖掘機[1]是采、運、排連續開采工藝中完成采掘工作的重要設備，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生產工藝的剝離和開采，屬多鏟斗連續開采，與單斗礦用挖掘機間斷生產相比，其生產效率有很大提高。除此以外，斗輪挖掘機具有沖擊載荷小、功率波動平穩，易于操作維護，使用壽命長，能分層選采，更具有相對質量輕、能耗低、生產成本低、對地比壓小、工作尺寸大、運輸坡度大、易實現現代化管理等優點，是實現露天礦高效開采的首選設備。

太原重工股份有限公司生產的某斗輪挖掘機采用緊湊型（指生產率較高、但工作尺寸不是很大的結構）機型，全回轉，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的同時，各鏟斗連續參加挖掘，挖到鏟斗中的物料轉到斗輪上方時，通過斗輪體內的斜槽漏至斗輪臂上的膠帶機，然后轉載至卸料臂膠帶機，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參數

某斗輪挖掘機主要技術參數見表1。

表1 某斗輪挖掘機主要技術參數

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，并且還與該設備的有效運行時間有關，設備的有效運行時間主要取決于下游轉運設備故障率情況。

此斗輪挖掘機的行走機構采用履帶裝置結構。在回轉支撐結構的作用下，該設備的上部機構及斗輪臂可在±360°范圍內旋轉，卸料臂可相對于上部機構進行±105°獨立旋轉。斗輪及斗輪臂通過液壓油缸完成俯仰動作。

在斗輪旋轉和斗輪臂回轉的共同作用下，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定好的距離行進，工作狀態按此重復進行。

所有驅動單元的控制，都可以在司機室里實現。卸料臂的回轉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過滑環輸送到達相關部位。

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、卸料臂回轉機構、吊架組件、卸料臂架組件、司機室、回轉機構、液壓和潤滑系統、電氣系統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

底架為箱型結構，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，支撐著整個上部結構；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機構；在底架的頂部，滑環裝配環繞著中央立軸，為上部結構與底架之間供電。潤滑油泵位于履帶之間，固定在底架外側結構上。

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；履帶鏈以及轉向系統的靈活性使得履帶不必更改水平位置而繼續在不規整的地面行走；每條履帶獨立驅動，履帶裝置通過控制履帶的行走速度、剎車、轉向來完成行駛動作。

斗輪主回轉機構的驅動裝置是2 套按195°布置的完全相同的電氣驅動裝置，每套驅動裝置由1 臺電動機通過安全聯軸器驅動1 臺斜齒行星齒輪減速機；制動器采用盤式制動器，與回轉軸承齒圈嚙合的回轉小齒輪安裝在斜齒行星齒輪的輸出軸端；在上部結構的回轉過程中，回轉小齒輪與固定在底架上的回轉齒圈嚙合，回轉速度由變頻器電氣控制；斗輪驅動在斗輪臂相對斗輪的另一側，斗輪由1 臺電動機驅動，通過1 個液力聯軸器和萬向軸將扭矩傳遞至斗輪減速機，帶液力聯軸器的電機安裝在斗輪臂邊側的固定平臺上；扭矩臂將驅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。卸料臂回轉驅動安裝在卸料臂轉盤上，它由1 臺電氣制動的電動機驅動，電動機通過安全聯軸器連接至回轉減速機；斜齒行星齒輪減速機的輸出軸端設計在卸料臂轉盤平臺面下方，軸端上安裝著與回轉齒圈嚙合的回轉小齒輪，齒圈通過圓柱銷固定在底架上，回轉小齒輪與齒圈的嚙合完成卸料臂的回轉運動。

斗輪臂和卸料臂皮帶輸送機主要由以下部分組成：刮泥板、驅動滾筒、輸送機驅動裝置（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。

回轉平臺是環梁結構，配重臂和塔架都焊接在平臺上。上部結構的按195°方向布置的2 套回轉驅動系統安裝在平臺上；司機室位于平臺的右側，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，提升和油缸安裝在平臺和斗輪臂上，斗輪以及斗輪驅動系統安裝在斗輪臂的頂部；皮帶輸送系統（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盤上，卸料臂的提升和下降動作通過牽引油缸來實現，拉緊油缸安裝在塔架十字橫梁頂部的旋轉軸和卸料臂張緊結構上；斗輪挖掘機的上部結構安裝有走臺、欄桿、梯子，方便到達主要部件進行清潔、維護、保養和維修工作。

4 某斗輪挖掘機電氣系統

某斗輪機的電氣系統采用變頻調速[3]，采用PLC控制；電氣系統為“上位人機界面+PLC 現場總線+變頻傳動”組成的三級控制系統，上位人機界面監控整機的運行狀態及故障信息，實現運行狀態模擬顯示與故障自診斷，PLC 通過現場總線與整流回饋單元、各機構逆變器、司機室控制等連接，實現分布式控制，整流回饋單元通過公用直流母線與各機構逆變器相連，實現對各機構變頻電動機轉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

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

圖3 控制系統單線

編程是依照標準程序設計并在西門子軟件基礎上編制的；設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，所有設備操作信息，如連鎖、操作模式、報警、運行參數、工作小時數等均會顯示在屏幕上，而在電氣室設置的1 個操作面板則主要用來對設備進行維護、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

液壓系統由液壓泵站、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伸縮，防止失速，為了保證下降操作的平穩運行，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。

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

下部油脂潤滑系統由1 套電動潤滑泵系統組成，布置在底架梁后側，包括驅動輪、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 結語

某斗輪挖掘機研制成功后可填補國內同規格產品的空白，打破國外壟斷，每年可為我國節約大量的外匯。另外，國產化后設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約大量的設備購置費用和設備維護費用。同時履帶式斗輪挖掘機的研制將拉動相關配套件及材料、制造等產業投入，增加人員就業機會，社會效益也非常顯著。