礦用電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)研究及改進(jìn)分析

宋莊

（中鐵九局集團(tuán)有限公司路橋分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

機(jī)械式挖掘機(jī)又稱(chēng)電鏟，是利用齒輪、鏈條、鋼索滑輪組等傳動(dòng)件傳遞動(dòng)力的單斗挖掘機(jī)，其生產(chǎn)已有百年歷史。電鏟露天礦山“爆破-挖掘-運(yùn)輸”是開(kāi)采工藝方式中最重要的設(shè)備之一，其作業(yè)對(duì)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(yè)后，會(huì)在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，將鏟斗運(yùn)動(dòng)至運(yùn)輸車(chē)輛車(chē)斗的上方，然后通過(guò)開(kāi)斗系統(tǒng)打開(kāi)鏟斗斗底，物料會(huì)在重力的作用下滑落至運(yùn)輸車(chē)輛的料斗內(nèi)。因此，開(kāi)斗系統(tǒng)是電鏟作業(yè)過(guò)程中極其重要的功能，該系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，就必須進(jìn)行停機(jī)維修，將必然導(dǎo)致整個(gè)礦山生產(chǎn)流程陷入混亂。

1 現(xiàn)狀分析

最常見(jiàn)的電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)在開(kāi)斗工況下，通過(guò)直流開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)穿過(guò)鞍座和斗桿上導(dǎo)向滑輪的鋼絲繩進(jìn)行纏繞，拉動(dòng)斗栓解鎖斗底實(shí)現(xiàn)開(kāi)斗功能。當(dāng)卸料完成后，斗底會(huì)在重力作用下自動(dòng)完成閉鎖功能并進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。開(kāi)斗系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是在開(kāi)斗狀態(tài)鋼絲繩需要一個(gè)較大驅(qū)動(dòng)力，而在其他時(shí)間，鋼絲繩僅僅需保持一定的張緊力，避免鋼絲繩下垂出現(xiàn)意外即可。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。

圖1 原開(kāi)斗系統(tǒng)

這種傳統(tǒng)的開(kāi)斗系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)容易等優(yōu)點(diǎn)。但是，電鏟是礦山主要采掘設(shè)備，使用十分頻繁，工作條件及其惡劣。由于礦石及物料的復(fù)雜性，經(jīng)常會(huì)造成挖掘作業(yè)時(shí)卡住斗栓的情況，此時(shí)，就需要提高電機(jī)輸出扭矩導(dǎo)致開(kāi)斗瞬間沖擊載荷極大提高，嚴(yán)重影響鋼絲繩壽命；或者多次重復(fù)開(kāi)斗動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)斗動(dòng)作，導(dǎo)致電鏟的生產(chǎn)效率降低，影響經(jīng)濟(jì)效益。另外，鋼絲繩直接連接到斗底杠桿端部，斗底經(jīng)常處于與礦石塊摩擦撞擊的惡劣條件下，繩頭部位更易過(guò)度磨損斷裂，造成鋼絲繩使用壽命大大降低。當(dāng)受力過(guò)大時(shí)，鋼絲繩會(huì)在沖擊載荷下瞬間斷裂，危及設(shè)備及操作人員安全。同時(shí)，非開(kāi)斗工況下，通過(guò)變阻器來(lái)改變直流電動(dòng)機(jī)回路電流及轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制鋼絲繩張緊力，但此時(shí)電能直接通過(guò)變阻器發(fā)熱損耗，造成極大的能量損失。因此，如何保證開(kāi)斗成功率、提高鋼絲繩壽命、降低能耗就成了亟需解決的問(wèn)題。

2 開(kāi)斗系統(tǒng)研發(fā)與改造

通過(guò)反復(fù)的論證及與現(xiàn)場(chǎng)工況相結(jié)合，我們基于原有開(kāi)斗系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一種新型電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用直流調(diào)速器和直流電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)直流電控系統(tǒng)，精準(zhǔn)控制電機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩張緊力的精確控制，防止意外開(kāi)斗情況的發(fā)生，保障人員設(shè)備的安全。在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)部分，采用杠桿機(jī)構(gòu)放大開(kāi)斗力，改善了系統(tǒng)受力情況，并且在杠桿機(jī)構(gòu)和斗底杠桿間采用金屬鏈條連接來(lái)傳遞拉力，即使斗底板杠桿處出現(xiàn)惡劣工況，鏈條的使用壽命遠(yuǎn)高于鋼絲繩。鋼絲繩與第一級(jí)杠桿的連接采用套環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)連接結(jié)構(gòu)，減少鋼絲繩的過(guò)度磨損、扭轉(zhuǎn)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(hù)頻次，提升了電鏟的作業(yè)效率，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。詳見(jiàn)圖2、3。

如圖2所示，改進(jìn)后的開(kāi)斗系統(tǒng)，可以使用380V 50Hz三相交流電源作為動(dòng)力源，通過(guò)變流器分別給直流電機(jī)的電樞和磁場(chǎng)提供電源，然后通過(guò)控制直流調(diào)速器實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的扭矩精確控制，最終實(shí)現(xiàn)開(kāi)斗大扭矩與待機(jī)小扭矩的復(fù)雜工況。

圖2 新型開(kāi)斗系統(tǒng)圖

如圖3所示，在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流電機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒對(duì)鋼絲繩進(jìn)行收放動(dòng)作。鋼絲繩繞過(guò)導(dǎo)向滑輪后再通過(guò)套環(huán)繩夾旋轉(zhuǎn)環(huán)等連接連接在一級(jí)杠桿上。一級(jí)杠桿與斗底杠桿通過(guò)金屬鏈條連接。通過(guò)上述連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)開(kāi)斗系統(tǒng)執(zhí)行開(kāi)斗作業(yè)工況時(shí)，通過(guò)控制直流調(diào)速器實(shí)現(xiàn)輸出端的電流增大，直流電機(jī)扭矩增加，進(jìn)而作用在鋼絲繩上的力增大，鋼絲繩上的開(kāi)斗力經(jīng)過(guò)一級(jí)杠桿11的放大后，通過(guò)鏈條和斗底杠桿再次進(jìn)行放大，直至斗栓被拉出，斗底板解鎖打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)可靠有效的開(kāi)斗作業(yè)。

圖3 開(kāi)斗機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

由于使用了直流調(diào)速器，非開(kāi)斗工況下，可精確控制直流電機(jī)的輸出扭矩，進(jìn)而開(kāi)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(yè)車(chē)輛而造成危險(xiǎn)，并且可有效防止意外開(kāi)斗情況的發(fā)生，保障了周邊人員和設(shè)備的安全。由于使用了兩級(jí)杠桿結(jié)構(gòu)，可顯著減低開(kāi)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(huán)固定鋼絲繩，鋼絲繩為圓弧形折彎，且與套環(huán)不產(chǎn)生摩擦損耗，提升了鋼絲繩使用壽命；由于使用了旋轉(zhuǎn)環(huán)，在開(kāi)斗作業(yè)時(shí)，鋼絲繩自身的扭轉(zhuǎn)載荷可通過(guò)旋轉(zhuǎn)環(huán)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(kāi)始進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的實(shí)際檢驗(yàn)，改造后的開(kāi)斗系統(tǒng)克服了物料堅(jiān)硬、黏結(jié)等問(wèn)題，開(kāi)斗流暢，鋼絲繩壽命顯著提高，設(shè)備出動(dòng)率大為提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。新型電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用直流調(diào)速器，精確控制開(kāi)斗直流電機(jī)的輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)斗鋼絲繩力的精確控制，在開(kāi)斗工況下可以有效開(kāi)斗，在非開(kāi)斗工況下可以保證鋼絲繩處于張緊狀態(tài)，不會(huì)下垂也不會(huì)意外開(kāi)斗，保障了人員和設(shè)備安全；（2）使用兩級(jí)杠桿結(jié)構(gòu)，兩級(jí)杠桿之間采用鏈條連接，在保證有效開(kāi)斗的情況下，二級(jí)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(huán)與旋轉(zhuǎn)環(huán)結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)了鋼絲繩折彎、磨損、扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的損傷，提升了鋼絲繩壽命；（4）不需要電阻進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)，節(jié)約了大量電能。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)改動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徹底解決了礦用電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)開(kāi)斗成功率低、鋼絲繩壽命短、能耗較高等缺點(diǎn)，保證了整機(jī)設(shè)備開(kāi)斗工作的穩(wěn)定運(yùn)行，是具有較大推廣意義的新一代開(kāi)斗系統(tǒng)。