斗輪堆取料機液壓傳動與控制技術現狀及發展

徐萬鑫，李景恒，杜 海

中國電建集團長春發電設備有限公司 吉林長春 130033

液壓傳動具有體積小、輸出力量大、調速范圍廣、易于控制、傳動平穩可靠等優點，廣泛應用于國民生產的各個領域[1]。液壓傳動與控制技術的發展水平和普及程度，已經成為衡量一個國家工業化水平的重要標志之一。斗輪堆取料機 (以下簡稱“斗輪機”)作為一種廣泛應用的散料裝卸輸送設備，其產品的技術升級創新也得益于液壓傳動與控制技術的發展，有效地推動了斗輪機行業的發展進步。液壓傳動技術豐富了斗輪機機型結構形式，提高了其額定生產率。筆者分析了近年來斗輪機液壓傳動與控制技術的研究進展和應用現狀，并對其發展方向進行了展望，希望對斗輪機液壓技術的研究和探索有所幫助。

1 液壓技術在斗輪機應用的發展歷程及現狀

1.1 國內斗輪機液壓技術歷程和現狀

國內斗輪機的技術發展一直受液壓傳動與控制技術發展水平的影響。20 世紀 60 年代，國內開始自主開發了 DQ3025、DQ5030 等小型斗輪機，機型結構形式為活動配重四連桿搖臂式[2]。其主要傳動機構(斗輪機構、俯仰機構、回轉機構、行走機構等)均采用機械傳動，主要原因是當時國內液壓傳動控制技術比較落后，加之發達國家的技術封鎖，國產液壓元件可靠性差，無法滿足斗輪機等重型機械的工程實際需要。

從20 世紀70 年代開始，隨著改革開放政策的深入，國內液壓傳動技術的研究步入正軌，技術水平得以提高。在此期間，國內斗輪機制造企業為火力發電廠輸煤系統設計的 DQ8030 系列斗輪機，已經逐漸開始采用液壓傳動方式，其機型結構形式也開始出現整體俯仰式。斗輪機機型結構形式受主機俯仰機構驅動方式制約。若主機俯仰采用鋼絲繩卷揚機械傳動方式，由于鋼絲繩承載的單方向性，為保證鋼絲繩不出現過松脫槽、張力不均等問題，上部結構只能作成門柱不參與變幅，前臂架及配重架通過拉桿連接繞門柱上的不同鉸點定軸轉動變幅的四連桿搖臂式。該結構的缺點是活動鉸點眾多，且多在設備高處，優點是變幅時上部結構重心變化小。而液壓傳動方式液壓缸可以承受拉壓兩方向載荷，上部結構中門柱、前臂架、配重架及拉桿可通過固定鉸點連接成一個整體參與變幅。因此，液壓驅動俯仰的斗輪機既可作成搖臂式，也可作成整體俯仰式。整體俯仰式除支撐鉸點外，沒有活動鉸點，結構形式更簡單，減少了設備高處活動鉸點潤滑、檢修的難度和維護量。液壓技術在斗輪機上的應用，豐富了其結構形式。這期間長春發電設備總廠 (中國電建集團長春發電設備有限公司的前身)為蘭州西固電廠一期工程設計生產的 DQ800/1200·30斗輪機，機型為整體俯仰式，其斗輪機構、回轉機構、俯仰機構均采用液壓傳動，其中斗輪機構與回轉機構采用高速液壓馬達+行星減速器的驅動形式[3]，俯仰機構采用雙作用活塞液壓缸驅動形式，3 個機構的液壓控制回路分別獨立布置并集成于同一液壓站，3 個回路均采用開式控制。斗輪機構及回轉機構采用高速液壓馬達+減速器驅動方式的原因是當時國內低速大轉矩液壓馬達性能還無法達到市場要求。隨著低速大轉矩液壓馬達技術成熟，高速液壓馬達+減速器驅動方式已經逐漸被淘汰。

20 世紀 80 年代末，國內斗輪機企業開始與國外知名散料設備制造公司 (如日本三井三池公司、德國MAN 公司、日本三菱重工、德國諾爾公司、法國凱亞公司、德國克虜伯公司、奧地利奧鋼聯公司等)合作或引進技術，液壓傳動技術在斗輪機上的應用逐漸成熟。這期間國內引進和制造的斗輪機，主機俯仰機構大多采用液壓傳動方式。液壓傳動功率質量比大的優點為大型斗輪機的開發提供了有利條件。當時的國家重點工程秦皇島煤碼頭二、三、四期取料機主機俯仰機構及斗輪機構均采用液壓傳動方式，取料額定生產率達到 6 000 t/h。液壓傳動與控制技術應用和普及，有效促進了國內斗輪機機型結構形式的更新換代，使其向 2 個方向發展：中小型 (回轉半徑＜50 m)斗輪機的機型由鋼絲繩卷揚機械驅動的四連桿搖臂式逐漸發展成液壓驅動的整體俯仰式[4]；大型及特大型斗輪機機型逐漸發展為液壓驅動的臂架俯仰四連桿搖臂式，2 種結構形式已發展為現在的行業主流。液壓傳動技術同樣也豐富了斗輪機尾車的結構形式，產生了液壓半趴尾車、液壓全趴尾車、液壓驅動變幅雙尾車等多種結構形式，滿足各種料場不同輸送工藝的需要。

目前國產斗輪機各主要工作機構采用液壓傳動方式非常普遍，技術已經成熟，特別是主機俯仰機構，中小機型斗輪機原鋼絲繩卷揚機械傳動方式幾近消失。斗輪機采用液壓傳動方式的機構主要有主機俯仰機構、斗輪機構、帶式輸送機張緊裝置、尾車變幅機構、司機室調平裝置及導料槽翻板機構等[5]，其主要元件及控制方式等基本情況如表 1 所列。

(1)斗輪機構液壓系統 目前斗輪機構配套的液壓系統執行元件均為低速大轉矩液壓馬達。該類液壓馬達具有抗沖擊能力強、質量輕、轉動慣量小、輸出轉速范圍廣、易于調速和控制等特點，適合斗輪機取料運行工況要求。當斗輪機構運行所需液壓馬達的輸出轉矩小于 110 kN·m，排量小于 40 L/r 時，可以選用國產 NJM 系列內曲線徑向柱塞馬達，采用閉式常規閥回路驅動控制；當輸出轉矩大于 110 kN·m，排量大于40 L/r 時，國產液壓馬達技術參數已經無法滿足斗輪機工作要求。對于額定生產率高的斗輪機，目前首選力士樂公司生產的赫格隆品牌 CB 系列內曲線徑向柱塞馬達[6]。該系列液壓馬達采用閉式伺服液壓系統驅動，系統能實現 PID 閉環控制，并具備獨立的 SPIDER控制器。該控制器集合多種傳感器和編碼器，具有對液壓馬達轉速、液壓泵壓力、排量，以及液壓系統油溫、補油壓力、油箱液位等工作參數進行狀態監控、故障預判及報警等多種功能，能有效控制和保護液壓馬達可靠運行。該公司生產的大功率 CBM 系列液壓馬達，最大額定輸出轉矩可達 1 200 kN·m，能實現斗輪機最大取料能力 20 000 t/h，可以涵蓋當前國內外各行業斗輪機項目需求。目前國內使用該系列馬達的斗輪機最大額定生產率為 10 000 t/h，分別應用于大連華銳重工生產的出口幾內亞 DQK 10000/7500·40 斗輪機項目，以及上海振華重工生產的出口巴西淡水河谷投資的阿曼薩哈 QLK10000·50 取料機項目。

表1 斗輪機液壓驅動機構主要元件及控制方式Tab.1 Main components and control mode of hydraulic drive of bucket wheel stacker-reclaimer

(2)帶式輸送機張緊液壓系統 隨著斗輪機額定生產率不斷增大，原有斗輪機機載帶式輸送機的重錘張緊裝置無法滿足實際需求，國內外斗輪機制造企業參照長距離帶式輸送機設計經驗開始采用液壓張緊方式。目前斗輪機機載帶式輸送機張緊液壓系統有手動張緊系統和自動張緊系統 2 種方式[7]，手動液壓張緊系統結構簡單，但無法實現長時間保壓，需配合機械鎖緊裝置使用；自動液壓張緊系統結構復雜，能實現液壓缸力隨輸送帶張緊力變化，滿足張緊力變化要求[8]。目前大型斗輪機機載帶式輸送機主要采用手動液壓張緊方式，如圖 1 所示。自動張緊方式 2 個液壓缸同步及保壓性能的可靠性還有待提高，因此在大型斗輪機帶式輸送機上應用并不多見。

圖1 帶式輸送機手動張緊系統Fig.1 Manual tensioning system of belt conveyor

(3)主機俯仰及其他系統 主機俯仰及尾車變幅等其他液壓系統屬于異步電動機驅動液壓泵帶動液壓缸工作的開式系統，液壓原理理論研究及生產配套在國內已經比較成熟。系統液壓泵、控制閥件及附件，小型斗輪機一般采用國產元件，如北京華德、上海立新、榆次液壓等，大中型斗輪機采用進口元件，如德國力士樂、美國派克、美國伊頓、日本油研等，各品牌市場占有率如圖 2 所示。力士樂進入斗輪機行業較早，占有很大的市場份額，目前國內生產的大型、超大型斗輪機幾乎均采用該品牌液壓系統。國內斗輪機廠家很少自身組裝生產液壓系統，均由進口知名品牌液壓公司的國內投資工廠或指定代理商配套供貨[9]。每個品牌供應商產品的種類和設計理念不盡相同，因此其提供配套的液壓系統也存在一定差異，需各斗輪機制造企業根據斗輪機具體工況要求宏觀協調把控。

圖2 斗輪機液壓品牌市場占有率Fig.2 Market share of hydraulic brand of bucket wheel stacker-reclaimer

1.2 國外斗輪機液壓技術歷程和現狀

國外斗輪機的設計制造始于 20 世紀 50 年代。早期的斗輪機研發經驗源自斗輪挖掘機，液壓技術在國外斗輪機應用已經十分成熟，德國呂貝克公司早期制造的斗輪機可以實現傳動機構全液壓驅動[10]。21 世紀初，國外斗輪機液壓技術水平相較于國內優勢明顯，主要表現在液壓原理的合理性、制造質量、檢修維護等方面，如表 2 所列。

近年來，隨著國內斗輪機行業迅速崛起，承接國際大型斗輪機項目的機會增多，對液壓傳動與控制技術要求越來越高。目前國外知名斗輪機制造商德國克虜伯、德國 FAM 公司、奧鋼聯公司及日本三菱重工等生產的斗輪機配套液壓系統技術水平與國內無明顯差異[9]。斗輪機配套液壓系統所選用的液壓元件屬于普通工業用途，不存在出口技術限制，因此國內大型斗輪機液壓系統原理、控制方式及液壓元件均采用進口產品，為國外知名液壓供應商配套，產品總體質量上國內外沒有太大差別，主要差距在于國內基礎附件的研發與生產能力。

目前國外生產的斗輪機，除回轉機構外與國內沒有區別。德國 FAM 公司、克虜伯公司等生產的大型或特大型斗輪機，回轉機構采用低速大轉矩馬達直接驅動。國內斗輪機回轉機構幾乎沒有采用液壓馬達驅動方式，而是采用變頻器控制變頻電動機+行星減速器機械傳動方式，主要原因在于國產低速大轉矩馬達性能不能滿足要求，需要整機進口，由于關稅原因進口馬達價格昂貴，影響設備整體造價。目前變頻器質量及變頻控制技術已經非常成熟，兩者的性能差距也越來越小。

2 斗輪機液壓技術研究進展

液壓傳動與控制技術的應用促進了斗輪機的技術升級，國內學者對斗輪機液壓傳動技術，如液壓系統仿真技術、電液比例控制技術、安全可靠性及液壓同步控制等方面進行了大量的研究工作，推動了斗輪機液壓技術的發展。

2.1 液壓系統仿真

隨著計算機技術的飛速發展，應用于各領域的計算機仿真軟件不斷興起，為新產品的開發提供了強有力的工具。國內學者也將流體領域的仿真軟件用于斗輪機液壓系統及元件的研究，為斗輪機液壓傳動技術水平提升助力。

于茂友[11]利用 AMESim 軟件對斗輪機主機俯仰液壓系統進行仿真研究，得到了 2 個液壓缸無桿腔外負載、活塞速度、有桿腔外負載隨時間的變化規律。該研究為進一步研究斗輪機液壓系統參數變化規律和載荷沖擊提供了理論支撐。

肖艷軍等人[12]利用 AMESim 軟件對斗輪機主機俯仰液壓系統同步問題進行仿真研究，找到了 2 個液壓缸受力不均是運動不同步的主要原因。通過在系統上加裝分流閥，控制 2 個液壓缸進出流量平分，實現了其工作同步。該研究為排除系統故障提供了新的思路。

吳野等人[13]利用 FLUENT 軟件對斗輪機液壓缸管路防爆閥進行研究，可直觀了解閥內和管路油液的流速和壓降的變化，對于研究閥件的動作特性和元件選型有很大幫助。

仿真軟件應用領域廣闊，可以用于液壓系統及液壓元件的開發研究及故障原因尋找，使斗輪機液壓系統研究更加直觀，為開發和研究特大型斗輪機液壓系統提供了有效手段，可縮短研發周期，有利于提高斗輪機液壓系統的產品性能。斗輪機制造企業也應引進應用相關軟件，促進斗輪機整體技術提升。

2.2 電液比例控制技術

電液比例控制技術屬于新興的液壓控制技術，是液壓技術與微電子技術、計算機技術的有機結合[14]。電液比例控制能實現輸入按預定曲線規律變化的控制信號，閥芯隨之連續成比例地移動開啟，實現對液壓閥的比例線性控制。隨著斗輪機設備的大型化與高端化，該技術也逐漸在斗輪機主機俯仰機構、斗輪機構及回轉機構配套的液壓系統中得以應用。

(1)主機俯仰機構系統 電液比例控制技術用于主機俯仰機構液壓系統，其作用是控制俯仰動作的啟停。斗輪機屬于體形龐大的重型機械，目前特大型斗輪機最大回轉半徑 (即懸臂長)已經達到 65 m，因此液壓缸帶動斗輪機上部結構俯仰運動時，控制俯仰動作啟停的換向閥開閉瞬間都會產生一定的液壓沖擊，導致液壓缸活塞出現短時小幅振蕩，由于斗輪機懸臂長，液壓缸小幅伸縮運動在懸臂端部會放大為200～500 mm 的振幅，對斗輪機結構和作業非常不利。大型斗輪機主機俯仰液壓系統采用電液比例換向閥，控制液壓缸伸縮運動的方向和啟停，并調節其運行速度，液壓原理如圖 3 所示，工作時由控制單元提供 4～20 mA 的模擬電流信號控制比例閥閥芯的開口度并呈線性變化，從而調節液壓缸的運動方向、啟停和速度[15]。比例閥集成位移反饋單元，可按要求編輯電流曲線斜坡時間，使液壓缸動作時減少沖擊，控制懸臂端部振幅，并能保證 2 個液壓缸動作速度基本一致。

圖3 主機俯仰電液比例系統原理Fig.3 Working principle of electro-hydraulic proportional system for pitching of main body

(2)斗輪及回轉機構系統 電液比例控制技術在斗輪機構或回轉機構液壓系統中的應用，主要用于閉式泵的流量控制[16-17]。斗輪機構或回轉機構均采用低速大轉矩馬達作為執行元件，為保證馬達工作特性，需采用閉式回路控制。大型斗輪機目前一般選用力士樂 A4CSG 系列變量軸向柱塞泵，該泵自帶 EP 電液比例控制單元，可以根據電磁鐵電流變化比例調節液壓泵的流量。斗輪機構和回轉機構在工作中，液壓泵需要帶載啟動。該液壓泵 EP 電液比例控制單元可以有效控制斜盤的角度，保證液壓泵柱塞在啟動時不會被外載沖擊損壞。斗輪機構及回轉機構在工作中經常會出現過載堵轉，EP 電液比例控制單元可以實現恒壓控制功能，調節流量以保證系統安全，并可以帶載快速恢復啟動。此外，回轉機構為實現斗輪機構等量取料功能，設備的回轉速度需按 1/cosφ曲線變化，只需在 EP 電液比例控制單元的電磁鐵輸入相應的控制曲線電流，就很容易實現所需的馬達轉速輸出，進而滿足回轉機構轉速要求。

電液比例控制技術的應用，使斗輪機液壓系統的控制水平得到很大提升，對斗輪機的平穩運行非常有利。

2.3 安全可靠性

安全可靠性是對斗輪機所有配套液壓系統最基本的要求。在斗輪機各液壓系統中，主機俯仰機構液壓系統的作用是實現斗輪機上部結構俯仰運動，由于斗輪機上部結構體形與質量大，且是其他工作機構和輔助平臺的載體，因此對液壓系統的安全可靠性要求更高。液壓系統設計時，除了提高系統超溫、超壓等保護開關的精度外，還要從以下 4 個方面加以考慮。

(1)冗余設計 對于服務于港口或冶金礦山的斗輪機，多數為大型或特大型設備，工作級別為全日制重型工作制[18]，對設備的可靠性要求高，設備的檢修時間很短，因此設計時需要采用冗余設計，以提高系統的可靠性。電動機及液壓泵組為 1 用 1 備，出現故障時可及時切換，不影響斗輪機正常工作。

(2)防爆閥設計 斗輪機主機俯仰液壓系統液壓站和液壓缸之間通過硬管路連接，液壓缸下鉸點附近需要采用高壓軟管連接，如圖 4 所示。由于液壓缸在工作中繞其下鉸軸轉動，因此高壓軟管頻繁彎折。為避免高壓膠管老化破裂，油液外泄，導致斗輪機上部結構在重力作用下速度失控的嚴重事故，需要在斗輪機液壓缸進出油口處安裝防爆閥[19]。若出現軟管破裂，系統失壓的情況，防爆閥及時關閉，防止缸內油液外泄，對斗輪機起到安全保護作用。防爆閥的設置非常必要，是斗輪機主機俯仰液壓系統安全性的硬性要求。

圖4 防爆閥及膠管Fig.4 Explosion-proof valve and hose

(3)背壓閥設計 斗輪機上部結構繞支撐鉸點作定軸轉動變幅時，其重心繞變幅鉸點前后擺動，主機俯仰液壓系統液壓缸的外負載會出現大小和方向的變化，這要求系統應克服負載變化對液壓缸開鎖回路的影響。系統設計時須在回路設置背壓閥[20]，在液壓缸非驅動油路側施加背壓，抵御和緩沖變載沖擊。背壓閥可以由節流閥、順序閥、平衡閥等元件擔任，可根據不同系統要求選取。

(4)減速閥設計 斗輪機上部結構在俯仰運動過程中制動的瞬間，慣性載荷和重力勢能會在液壓缸工作腔內產生液壓沖擊，產生噪聲、振動及造成液壓缸密封件或缸體的疲勞損壞。設計該系統時，應在液壓缸的進出油口設置減速閥 (即雙溢流制動閥)解決該問題[21]。減速閥由 2 個溢流閥和 2 個單向閥組合而成，溢流閥的設定壓力通常高于系統額定壓力 2～3 MPa，以過濾俯仰運動中各種載荷產生的液壓沖擊，保護液壓缸密封件、活塞及缸體；單向閥可以給非工作油腔補油，避免吸空而出現噪聲、氣蝕等影響運行平穩性的問題。

2.4 液壓同步控制

為提高斗輪機主機俯仰及尾車變幅運動的平穩性，通常采用 2 根液壓缸支撐機架。所配液壓系統為單液壓泵驅動 2 個并聯液壓缸共同運動，存在雙液壓缸運行的同步問題[22]。由于斗輪機主機上部結構機架剛性大，機械剛性即可保證雙缸的同步運動，因此主機俯仰系統一般不考慮雙缸同步問題。但液壓半趴尾車和液壓變幅全功能尾車機架剛性相對較弱，需要考慮 2 個液壓缸的同步問題。

長春發電設備總廠研發了一種新型的液壓半趴尾車[23]，如圖 5 所示，可實現液壓驅動同步及機械精準定位。在尾車機架上對應變幅輸送帶托架位置設置橫跨托架的弧形門架，變幅輸送帶托架上設置貫通軸，穿過對應弧形門架上條形孔。貫通軸兩端分別固定擋板，擋板上安裝滾壓在門架邊柱上的擋輥。工作時，變幅輸送帶托架沿槽形軌道由擋輥制約在軌道上滑行，消除液壓缸運行的偏擺側向力，有效杜絕了液壓缸的不同步問題。

陶楠[24]對液壓驅動變幅的雙尾車 2 個液壓缸的同步機理進行了分析，指出額定生產率＜500 t/h 的斗輪機，機架上對中布置的尾車可采用機械剛性強制同步方式；額定生產率＞1 500 t/h 的斗輪機，機架上對中布置的尾車可采用調速閥控制液壓缸同步；對于跨雙系統偏心布置的尾車，應采用同步馬達控制液壓缸同步。并提出需要從機架和液壓系統設計兩方面共同考慮，解決液壓缸不同步問題。該研究對尾車的設計提供了參考。

3 斗輪機液壓技術發展趨勢與建議

斗輪機所配液壓系統是為其堆取料作業的工作機構服務，其發展受斗輪機技術發展方向的制約。目前斗輪機正向著大型化、智能化、綠色環保的方向發展[25]，因此斗輪機液壓傳動與控制技術將向以下方向發展。

(1)大型化與模塊化 斗輪機的大型化需要更大功率的液壓系統來保證其正常工作，導致液壓系統的工作壓力和流量等技術參數均需增大。液壓系統動力、控制及執行元件均需增大型號，液壓站、液壓馬達及液壓缸等零部件的體積增大，質量增加，需要斗輪機提供足夠的布置空間，增加檢修和維護的難度，以及斗輪機承載結構的負擔。因此，在后續系統研發時，應考慮在液壓元件可靠性允許的前提下，適當提高液壓系統的額定壓力。目前國內大型斗輪機液壓系統的額定壓力已提至 25 MPa，俯仰液壓缸缸徑為 580 mm。若能進一步提高系統額定壓力，則可以有效減小液壓元件體積和質量。另外，隨著系統壓力和流量的增加，應盡快引入模塊化設計思想，液壓元件應盡量選用疊加閥和插裝閥，以利于提高系統集成度。液壓站及液壓缸旁控制閥塊模塊化，盡量減少連接管路，降低系統泄漏的概率，減少檢修和維護工作量。

圖5 液壓半趴尾車結構示意Fig.5 Structural sketch of hydraulic semi-lifting trailer

(2)高效節能化 斗輪機的大型化會導致配套液壓系統能耗的增加。如今節能環保已成為全行業的主題，需要更加重視提高液壓系統傳動效率[26]。在斗輪機液壓系統設計時，要充分引入節能的理念，選用變量泵、比例閥等液壓元件，優化液壓回路，采用容積調速等負載功率匹配技術，同時在液壓系統能量回收再利用方面也需加大研發力度。

(3)智能化 斗輪機的智能化控制，實現無人值守是設備發展的必然要求。斗輪機整機的自動化水平和可靠性程度均應達到規定要求，液壓系統也需要技術升級以滿足整機智能化要求。因此斗輪機配套液壓系統需要提高壓力、溫度傳感器等檢測元件的精度與可靠度，并可實時反饋給控制系統。液壓系統控制形式由開式系統變為閉式系統，液壓控制閥件應采用比例或伺服閉環控制方式，實現系統具有自檢和故障排查能力，提高系統自動化水平，為實現斗輪機整機智能化打好基礎。

(4)環保化 目前國家政策對環保空前重視，斗輪機的環保要求日趨嚴格。斗輪機在封閉的煤棚環境內工作已成新常態。封閉的環境工作會導致粉塵濃度增加，因此需要液壓系統在提高元件控制精度的同時，加大對粉塵敏感性的研究，研發提高液壓油清潔度的裝置，保證液壓系統可靠運行。此外，封閉環境對液壓控制元件的防爆也提出新要求，也將是新的研究方向。

4 結語

液壓傳動與控制技術促進了斗輪機技術革新，提高了斗輪機額定生產率，豐富了斗輪機的機型結構形式。斗輪機研發人員多年來對液壓傳動與控制技術在斗輪機應用的研究取得了較大的進展，一定程度上滿足了斗輪機技術發展的需求。

國內外市場環境和政策的改變，對斗輪機發展提出了新的要求，也為斗輪機液壓傳動與控制技術指明了新的發展方向。斗輪機液壓技術將向著大型化、模塊化、高效節能化、智能化以及環保化等方向發展，繼續為斗輪機整機技術提升和發展助力。