輪斗挖掘機在我國的發展狀況及應用前景

趙環帥

（1．中國煤炭科工集團唐山研究院， 河北 唐山市 063012；2．天地科技股份有限公司唐山分公司， 河北 唐山市 063012；3．天地（唐山）礦業科技有限公司， 河北 唐山市 063012）

0 前 言

輪斗挖掘機也稱為斗輪挖掘機，是在鏈斗挖掘機、單斗挖掘機和其它采掘設備的基礎上逐步發展起來的，目前是連續化作業設備中比較理想的一種多斗挖掘設備，也是目前世界上最大成套挖掘設備之一。

輪斗挖掘機具有連續化作業、生產能力大、效率高、適應復雜煤層選采、運輸坡度大、操作簡單、維修方便、易實現現代化管理等諸多優點，特別適合于大型露天礦高效率地開采作業，所以目前主要應用在露天礦中剝離表土、挖掘有用礦物、倒堆作業、向車輛或運輸帶進行裝載等，另外在混料堆置場、儲料場、大型水利和土方工程中也得到日益廣泛的應用。

近些年來，在一些國外工業發達國家，如德國、美國、俄羅斯、捷克、奧地利等，輪斗挖掘機發展迅速并得到普遍應用，這些國家所制造的輪斗挖掘機不僅有專用型，而且還有系列化的產品，目前在全世界近40個國家的露天煤礦中得到了廣泛的應用。

1 工作原理及結構特點

1．1 工作原理

輪斗挖掘機在挖掘物料時機器不行走，主要依靠其前端的斗輪旋轉與臂架回轉構成的復合運動不斷將物料切下并裝入輪斗內，當鏟斗隨著輪斗轉到一定高度時，物料由于重力作用落至受料輸送帶，再經料斗卸到卸料輸送帶上，裝入汽車或輸送機等運輸工具，運往指定地點。若一層物料挖盡后機器移動或臂架降落，再進行下一層物料的挖掘，這樣從頂部逐層向下挖掘，被挖下物料的厚度由機器前進距離或臂架伸縮量來控制，寬度由回轉速度決定，一般而言，高度不超過斗輪直徑的0．7倍。輪斗挖掘機的行走是輔助性的，作業是連續性的，鏟斗只用于挖掘，物料的輸送用帶式輸送機。

1．2 結構特點

輪斗挖掘機主要以下由6個部分組成。

（1）行走系統：目前大多數輪斗挖掘機采用履帶式行走系統，少數采用步行式行走系統。從相關資料來看，中、小型輪斗挖掘機大多采用雙履帶，而大型輪斗挖掘機采用多履帶（三履帶或四履帶），可以減少設備對地面的比壓。

（2）回轉系統：由轉臺與回轉驅動裝置等組成，轉臺上有動力裝置、驅動裝置、控制設備和操縱室等，由于采用了回轉支撐軸承，驅動裝置可使轉臺繞垂直軸回轉360°。

（3）工作系統：由斗輪、臂架、變幅機構和驅動裝置等組成。斗輪安裝在臂架的前端，為一個均布若干個鏟斗的旋轉輪。臂架后端鉸接在轉臺的門架上，通過鋼絲繩或液壓油缸使臂架轉動，從而使斗輪在不同工作面上進行挖掘作業。臂架長度主要有固定的與可伸縮的兩種。斗輪驅動裝置由電動機、安全聯軸器和減速機等組成，布置在臂架前端的側面，用于驅動斗輪旋轉。

（4）輸送系統：由受料輸送帶、料斗和卸料輸送帶等組成；另外，連接橋式輪斗挖掘機則在連接橋上還裝有轉載輸送帶。

（5）電力驅動系統：除部分小型輪斗挖掘機目前采用柴油發電機組外，其他輪斗挖掘機均采用了外電源變流機組。

（6）液壓系統：主要采用液壓油缸驅動斗輪臂和卸料臂升降。

2 發展狀況

我國的輪斗挖掘機設計和制造業起步比較晚。目前，基本上還處在對國外的早期技術的消化吸收階段，1960年和1972年曾從國外引進過幾臺輪斗挖掘機。

1976年，我國自行研制了 WUD400／700型輪斗挖掘機，并在云南省小龍潭露天煤礦成功應用，為我國其他礦山使用連續開采工藝系統提供了寶貴的經驗。在1975年曾經設計過型號為 WLD1300／（5－7）30的輪斗挖掘機。云南省小龍潭露天煤礦于1986年采用了我國自行研制的第一臺 WD520／（0．9）15中型輪斗挖掘機，機器的結構形式采用國外流行的履帶行走式，但該機生產能力比較低，僅為525m3／h。我國的內蒙古元寶山煤礦也成功地采用了輪斗挖掘機，所用機器的生產能力為600m3／h，是引進德國技術，由國內加工制造的。另外，我國應用輪斗挖掘機比較多的還有大型取料場，如港口、電場、煤氣廠等，秦皇島港務局從德國引進了生產能力為6000t／h的輪斗挖掘機，長春發電設備廠自行設計生產專門用于大型料場取料的斗輪取料機，生產能力為600～2400t／h。

目前，我國主要采用輪斗挖掘機的露天礦有：SRs1602．25．0／3．0型斗輪挖掘機是中國與德國曼塔克拉夫公司聯合研制的，目前在元寶山露天煤礦中得到應用；C3100ZG型輪斗挖掘機是黑岱溝露天煤礦從德國克虜伯公司引進的；K900型輪斗挖掘機在伊敏河礦區中應用；云南省小龍潭礦務局布沼壩礦在用的VABE550型斗輪挖掘機，是由奧地利與中國聯合制造的緊湊型采掘設備。這些地方采用的輪斗挖掘機大多為中外聯合研制。

內蒙古蒙東能源集團扎哈淖爾分公司于2009年12月25日與德國TenovaTAKRAF公司簽訂采購了一臺SRs2000型輪斗挖掘機用于擴能工程，計劃在2013年10月試運行。這臺輪斗挖掘機功率為1250kW，設計生產能力為6600t／h，臂長為44m，最大采掘高度30m，將是東亞最大的輪斗挖掘機。

但從總體而言，我國輪斗挖掘機無論在技術上，還是在制造水平上，與國外先進國家相比，還存在一定差距，其機型的種類與生產的數量遠不能滿足我國露天開采的需求。

3 存在的問題

（1）輪斗挖掘機與其配套的輔助設備比較復雜，在使用上存在一定的局限性。

（2）設備單機較笨重，移動能力較低，靈活性差。

（3）挖掘力小，對于采掘物料的物理性能比較敏感，在巖塊過大和過硬的巖層中，直接作業比較困難，一般不適于在硬巖中使用。

（4）鏟斗的構造和輪斗的直徑對土層的厚度有一定要求，為了發揮效率，挖掘土層厚度不應小于輪斗直徑之半。

（5）輪斗挖掘機成套設備系統的初期投資大，準備時間長，在設計、選型時較為復雜。

（6）由于輪斗挖掘機組屬于串聯作業，若不能保證系統的穩定性和可靠性，連續采掘工藝系統就會喪失其優點，達不到預期的目標。

（7）輪斗挖掘機在采掘粘性物料時，卸載難，容易出現輪斗和轉載點處的堵塞現象。

（8）輪斗挖掘機系專用設備，專用性強，工作裝置一般不能更換。

4 發展趨勢

4．1 研制生產率更高的巨型輪斗挖掘機

由于世界各產煤國家的露天礦規模不斷擴大、相應需要有大型采礦設備與之配套。輪斗挖掘機向大型化發展，不僅可以提高生產能力，增加工作面采寬和挖掘高度等開采參數，而且可以減小設備的配套數量及提高經濟效益。德國在輪斗挖掘機的研制和開發方面一直走在世界前列，繼研制日產量為24 X104m3的型號之后，目前其正在開發日產量約為30×104～50×104m3的巨型機，幾乎每10年最大型號的輪斗挖掘機，日生產率增加10×104m3。

4．2 標準化、系列化、通用化

輪斗挖掘機結構龐大，設計和生產周期長，成本很高，隨著產品數量和規格的增多以及維修問題的突出，迫切需要產品實行標準化、系列化和通用化，1980年代以來，隨著中、小型輪斗挖掘機產品數量、規格和型號的增多，一些國家的制造廠家推出了標準型，比如德國呂貝克公司的S系列、克虜伯公司的C系列、德國馬克公司的HD系列、奧倫斯坦科佩爾公司的S和SH系列，對各類輪斗挖掘機實行標準化、系列化、通用化，可使產品制造過程簡化，生產成本降低，有利于維護檢修。

4．3 提高自動化程度

在大型輪斗挖掘機上，操作系統的自動化程度不斷提高，如輪斗挖掘機的自動給進、自動灰白和自動變幅，及其恒生產率、恒功率控制，提高安全保護，通訊能力以及挖掘過程的檢測自動化等，從而降低操作者的勞動強度，改善勞動條件，提高生產率。

4．4 研制切割力大的輪斗挖掘機

由于連續開采工藝在各國軟巖露天礦應用成功并加以推廣，因此需要能采挖堅硬物料的輪斗挖掘機。斗輪切割力是影響輪斗挖掘機挖掘生產能力的最主要方面，目前主要采用的方法是：通過提高機器的功率，采用高強度的斗齒，優化斗齒形狀和斗唇形狀以及研制“緊湊型”輪斗挖掘機等方式，提高輪斗挖掘機的切割力。德國SCHRS－14／3－20型輪斗挖掘機最大切割力達到270kg／cm，捷克KU－800型輪斗挖掘機的切割力已達到了120kg／cm。前蘇聯生產的輪斗挖掘機單位切割力達到206N／cm2。

4．5 液壓技術在中、小型輪斗挖掘機應用

1970年代，液壓技術廣泛應用于中、小型輪斗挖掘機，許多國家生產了全液壓驅動輪斗挖掘機，這不僅可以降低機重、提高生產率，操作方便，還改善了使用性能。因此液壓技術在輪斗挖掘機上的應用會日益廣泛。

4．6 根據具體情況，研究不同的輪斗挖掘機

由于各國露天礦地理條件以及煤質、煤厚的差異性，所以對作為連續開采設備的輪斗挖掘機提出不同的要求，因此根據各露天煤礦開采實際和具體的礦山條件等因素，開發適合其特點的合理輪斗挖掘機也是未來的一個重要趨勢。

4．7 輪斗挖掘機結構的不斷改進

目前隨著輪斗挖掘機設計、制造水平及使用經驗的不斷提高，輪斗挖掘機的結構也得到了不斷的改進與完善。比如：輪斗的結構從有格式發展到無格式；臂架從伸縮式發展到固定式；行走機構從軌道式發展到履帶式；履帶式從雙履帶發展到多履帶。而每次改進都極大地推動了輪斗挖掘機技術的發展，所以，不斷改進其結構，使之逐步的完善與優化也是未來輪斗挖掘機發展的一個重要發展趨勢。

4．8 加強輪斗挖掘機相關研究工作

在輪斗挖掘機的基礎理論研究、總體結構設計、使用壽命延長、自動化程度提高、系統可靠度增強及采掘工藝完善等方面進行了深入的研究，隨著科學技術的發展，各種新相關技術與先進的有限元分析軟件將會在輪斗挖掘機得到不同程度的應用，必將極大提高其設計與分析水平。

5 應用前景

按照煤炭工業“十二五”規劃，預計到2015年我國的煤炭產量達到37．9億t，比2010年增長5．5億t。規劃特別強調，新井建設以大型現代化煤礦為主，優先建設大型露天礦。目前，世界最大的露天煤礦年產量已達50～60Mt／a，年產量在20Mt／a以上的露天煤礦則遍及主要的產煤國家。我國的露天煤田主要分布在內蒙、山西、陜西、新疆、云南等邊遠省區，煤層賦存條件復雜。以大型機械化設備及連續開采工藝為主體的露天煤炭產能在整個煤炭產量中的比例愈來愈大，是我國煤炭生產集中化開發的一個發展趨勢。

作為一個產煤大國，隨著能源需求量的不斷增加以及國家對煤炭工業的重大部署，我國會加大對主要分布在內蒙、山西、陜西、新疆、云南等邊遠省區老露天煤田或新發現露天煤田開發力度，而這些地區工業基礎相對薄弱、人煙稀少，煤層多為近水平賦存。從可持續發展的方針來看，在大力提高煤質、發展選采的同時，最重要的是要努力保護環境，改善邊遠地區的脆弱生態系統。因此，我國的露天開采工藝必須在適應環境要求和資源條件的基礎上，以發展綜合工藝為主，避免采用單一化，即礦山條件適合什么工藝就采用什么工藝。而從目前來看，應用范圍最廣的單斗倒堆和少量連續不僅工藝效率低、用人多、運量小、占地多，而且不適于邊遠地區的開采。

目前煤礦露天采礦普遍采用半連續生產工藝，首先采用鉆孔爆破，然后采用挖掘機，電鏟等挖采裝車運輸，勞動強度大，并且所采的煤大小不等，仍需要進行多次破碎作業，才能達到使用粒度的要求，另外，僅能實現煤礦的開采，而不能實現煤礦的連續化作業，并且這種開采工藝降低了綜合機械化程度與采煤工作效率，同時也增加勞動強度，進一步提高了露天采煤的開采成本。而目前我國露天煤礦的大型機械裝備仍需要進口，引進這些露天裝備，國家每年都需要花費大量的外匯。為此，工業和信息化部、科技部、財政部、國資委、海關總署聯合發布了《重大技術裝備自主創新指導目錄》，目錄指出2000萬噸級以上大型露天礦成套設備的國產化是我國目前迫切需要解決的關鍵問題。因此大力發展高產、高效綜采工作面關鍵技術與裝備，提高露天礦采煤綜合機械化水平，是我國煤礦露天開采增加提效的主要途徑。

輪斗挖掘機是連續化作業設備中比較理想的一種多斗挖掘設備，也是目前世界上最大的成套挖掘設備之一，特別適合于大型露天煤礦連續高效率地作業。近20年，我國露天采礦工業迅速發展，通過引進技術自主研發相結合，國產輪斗挖掘機的技術有了很大的進步和提高。實現國產化，這對我國露天礦產量的提高、推動露天采礦工業的進步起到了積極的促進作用。

綜上所述，無論從我國未來露天煤礦的政策，還是從輪斗挖掘機技術發展上來看，輪斗挖掘機在我國應用前景廣闊，具有重大的發展空間與研究價值。

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