矿用挖掘机自19世纪末就开始应用于露天采矿工程，经过近百年的研究和改进，在动力能源方面、机械结构形式及操控性能等方面，都取得了重大的发展。矿用挖掘机具有铲取挖掘力大、作业稳定、安全可靠和生产效率高等突出的优点，至今仍然是露天采矿工程及其他土石方工程中主要的挖掘和装载设备。矿用挖掘机根据斗容量的大小可分为小型（2m3以下）、中型（3～8m3）、重型（10～15m3）和巨型（15m3以上）这四种。
图1：电铲（机械铲）和液压铲 一、巨型电铲的发展现状与趋势 目前国际上能够生产巨型电铲（机械铲）的厂家主要有美国P&H公司、美国BUCYRUS（已被Caterpillar公司收购）和中国太原重工股份有限公司。 美国P&H公司是世界上著名的生产巨型电铲挖掘机的主要企业， P&H公司电铲采用双斗杆齿条推压结构，通过增加起重臂上段长度来提高铲斗在挖掘位置上提升力的有效利用；电气系统采用可控硅供电和直流电动机驱动；诊断系统可在电子部件发生故障时对其诊断，并在屏幕上显示应采取的正确动作；载重检测系统可实时计量出装入汽车的每一斗物料的实际重量，以及铲装总量，称量精度可控制在2%左右，从而有效的防止矿用汽车的过载和欠载。（P&H公司的主要代表产品技术参数见表1） 美国BUCYRUS公司是另一家生产巨型电铲的主要企业，BUCYRUS公司电铲工作装置采用单梁圆形斗杆，可以承受扭转力；三级缓冲减振系统降低了工作过程中的冲击动载荷；电气系统采用先进的交流变频及其控制技术，可实现异步电动机变频调速、平滑起动和制动，电力保养简单、能耗低，供电电压允许瞬时波动范围+10%～30%,不会损坏零件。BUCYRUS公司的主要代表产品技术参数见表1） 中国太原重工股份有限公司（以下简称“太重”）是我国唯一一家能够生产巨型电铲的企业。太重公司电铲采用齿轮-齿条推压系统。电气系统采用整流/回馈公用直流母线变频调速系统。控制系统以PLC为核心，采用上位监控、现场总线和变频调速的三级控制系统。太重电铲目前占据着国内80%以上的市场。太重目前已经成功跻身于世界大型电铲制造企业三强的行业。（太重公司的主要代表产品的技术参数见表1。 表1：巨型矿用电铲技术参数
巨型矿用液压铲的发展趋势和采用的先进技术主要有以下几个方面： （1）增大铲斗容量。近二十年来，随着矿山建设规模和运输设备的大型化，电铲的铲斗容量已普遍增大。目前最大的电铲有太重公司制造的WK-75型电铲（标准斗容75m3）和WK-55型电铲（标准斗容55m3）、BUCYRUS公司制造的495B型电铲（标准斗容40m3）和P&H公司制造的PH 4100型电铲（标准斗容42.8m3）。 （2）优化结构设计并加强使用可靠性，提高设备生产率和适应能力，使得设备能够在各种恶劣环境下得工作。 （3）采用脉冲交流变频技术和全功率调节变量系统，提高功率因数，降低电耗，获得较理想的挖掘特性，同时减少维护工作量，提高设备利用率。 （4）采用先进的设计方法精确计算关键部件的应力分布，提高设备性能和可靠性。改进铲斗设计，增大斗容和装满系数。 （5）采用新材料、新工艺和新技术。结构件采用特殊碳钢、高强度钢、耐磨合金钢。采用先进的加工制造工艺，重视制造质量、实验室检测以及用户服务等工作。 二、巨型矿用液压铲的发展现状与趋势 随着液压技术的发展和矿山开采的需求，液压铲也随之发展起来，在露天矿上得以推广使用，而规格数量越来越多。大型液压挖掘机的开发大约从上世纪70年代开始，经过近50年的发展，液压挖掘机的工作重量最大已超过1000t，铲斗斗容突破了50m3。 巨型矿用液压铲市场长期以来由美国Terex公司（已被Caterpillar公司收购）、德国Libherr公司、日本Hitachi公司和Komatsu公司所垄断。这些国外著名公司的产品不但数量多，质量和性能也非常好。 Terex公司（Caterpillar公司）是全球生产制造巨型液压铲的著名企业，其液压铲成功的运行在世界各大洲，其产品系列齐全，无论何种工况，都能提供适合的设备。Terex公司生产的RH400是目前最大的液压铲，该机标准斗容为50m3。RH400配备了双发动机（两台水冷式柴油发动机或一对电动机）提供动力，装有“强力三角机构”（Tri-power），能够使铲斗保持水平作业，在不增加能耗的情况下，挖掘力可提高40%，同时缩短循环时间。配备电液伺服发动机-泵载荷自动调节系统，按最佳的性能调节泵的输出，从而有效的利用发动机的功率，并实时监测、存储、显示和诊断整机的各种数据的故障。其冷却系统采用双独立液压油冷却系统，使油箱回油腔的热回油直接到达冷却器，与液压铲的工作状态相分离，极大的提高了冷却系统的工作效率，使系统保持在稳定的温度状态。回转机构采用稳固耐用的三列辊柱内齿环回转轴承，行走装置采用先进的全液压履带自动张紧装置。润滑系统由微电子控制实现全自动集中润滑。其液压缸全部采用末程缓冲技术。RH400型液压铲装备亲情空调驾驶室、触摸操作屏与实时监控系统，而且设有厨房、洗衣房和洗澡间。这些配置确保了设备技术先进、性能可靠、能耗低、效率高、寿命长、操作灵活轻便和安全可靠。（Terex公司的主要代表产品技术参数见表2） 德国Libherr公司是另外一家能够生产巨型液压铲的公司。德国Libherr公司液压铲行走装置的导向轮与充氮气的缓冲装置连接，可以有效的防止传动装置和驱动轮受冲击载荷，增强底盘的可靠性。其加工制造厂全部采用集成制造系统，缩短了生产周期，保证了产品的制造质量。（德国Libherr公司的主要产品技术参数见表2） 日本Hitachi公司和日本Komatsu公司制造的液压铲都集中了当代最先进的技术。日本Hitachi公司于2004年成功研发了EX8000巨型液压铲，其铲斗容量为40m3，最大工作重量780t。EX8000液压铲动臂装有自动适应坡度挖掘控制系统，以遥控监视系统实现挖掘机定位，并由激光读数控制代替司机操作。日本Komatsu公司的PC8000巨型液压铲，其铲斗容量为42m3，最大工作重量710t，配备两台Komatsu SDA16V160柴油发动机，最大功率可达2800kW。（日本Hitachi公司和日本Komatsu公司的主要代表产品技术参数见表2） 我国自主研制巨型矿用液压铲起步较晚，目前仅太重集团研制出了国内最大的液压铲WYD260型液压铲，其斗容为15m3，工作重量为270t，主要适用于采煤作业，配合90～136t卡用汽车适用。其驱动系统采用鼠笼式异步电动机，输出功率为1000kW。（WYD260型液压铲的技术参数见表2） 表2：巨型矿用液压铲技术参数
巨型矿用液压铲的发展趋势和采用的先进技术主要有以下几个方面： （1）状态检测和故障诊断技术。状态检测及故障诊断系统通过安装在机器关键部位的传感器，实时监控机器运行时重要参数的量值和主要部件的工作状态。当参数超出正常范围或状况异常时，通过声光报警及显示故障代码等方式提醒驾驶员及时处理，以防伤害驾驶员或者引起机器某个系统严重损坏。故障诊断以信号分析和处理为基础，通过检测，定量掌握机器震动、温度、压力、压强等状态参数，预测机器的工作性能和可靠性，并对故障原因、部位和危险程度进行识别与评价，决定维修方法，既识别现状又预测未来。同时各种智能算法也引入进来，神经网络、模糊控制、进化算法等的应用，为故障诊断专家系统的建立，奠定了一定的基础。 （2）电液技术。电液比例控制能够接受模拟或数字信号，是输出的流量或压力连续成比例地受到控制，对液压系统的参数进行控制。电液比例控制的主要特点有：使系统可靠性提高；使系统的功能得到扩展；为系统的维护和现代化的管理奠定了坚实的基础 （3）虚拟现实技术。虚拟现实技术是一种探讨如何实现人与机器之间理想交互方式的三维的、基于感知信息的临场反应，并为用户的行为所控制。虚拟现实技术将使计算机图形接口的视窗消失，用户可以进入到计算机生成的环境中去与机器进行直观自然的交互。 （4）GPS及无线遥控系统技术。GPS在液压铲上的使用，可根据需要得到精确和实时的定位信息，为实现高精度自动化控制与远程诊断提供了必须的条件。由于液压铲在经常在一些恶劣的环境下工作，要求机器能够远距离操纵和无人驾驶，人在机器工作环境以外，通过人眼直接观察或借助摄像机观察机器的动作及工作环境，由人操作遥控手柄带动机器人工作。无线电电液比例技术的发展，使得液压铲及其他几乎所有工程机械都能实现遥控。 （5）机器自动化和机器人化技术。为了使机器人化工程机械能具有接近熟练驾驶员的能力和作业效果，需要通过识别，作对应处理，对应控制和知觉控制，例如液压铲的铲斗出力和速度随土壤条件而变，在非结构化的环境中工作，其作业对象的几何、力学特性复杂多变，随时可能遇到无法预见的工况，如巨石障碍、塌方等，因而难以事先规划出回避意外障碍的作业路径。根据油缸压力和位移的反馈信息，利用模糊控制机理进行动态挖掘阻力的推理和判断，通过启发式试探，可实现局部自主的避障。 三、液压铲与电铲（机械铲）的比较 （1）工作装置的运动特性 电铲的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗和拉绳系统构成。电铲（机械铲）铲斗刚性地固定在斗杆上，由绳子将其拉入到要挖掘机的物料中，只能在一个方向作强制的圆弧运动，无法使挖斗跟随矿层。液压铲的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗和液压系统构成。液压铲的动臂、斗杆和铲斗可以完全相互独立的操作，这样就使得液压铲的工作区域大大增加，使得铲斗可以在任何有断层的恰当位置处工作。图2所示如液压铲与机械铲作业范围示意图，从图中可以看出液压铲的作业范围比电铲（机械铲）的作业范围更广。
图2：液压铲与电铲（机械铲）作业范围 图3所示为电铲（机械铲）与液压铲挖掘力的示意图。电铲（机械铲）绳拉力在垂直方向的分力是铲斗的挖掘力，一般情况下挖掘力只能达到绳静静态拉力的28%～60%。液压铲在其铲斗的前部有理想的支点，因此可以使挖掘力全部作用到铲斗上。
图3：液压铲与电铲（机械铲）挖掘力 电铲（机械铲）只能在一个方向发挥其挖掘力，为抵抗其挖掘力，机身的重量必须很大才能与之平衡，因此电铲（机械铲）的整机重量很大。液压铲的挖掘功能与挖掘机的体积大小无关，不需要有很大的平衡功能，同时液压传动装置可以极大的简化机械传动的中间零部件，因此在斗容相同的情况下，液压铲的重量比电铲（机械铲）要小40%～50%左右。 电铲（机械铲）不能保持地面整洁，所以必须配用装载机或推土机清理路面，保证运输车辆轮胎的安全。液压铲在其铲斗的前部有理想的支点，因此可以使挖掘力全部作用到铲斗上，并且铲斗转动可以有很大转动范围，因此能够使用最有效的挖掘角度进行工作，这一点是电铲（机械铲）无法做到的。液压铲由于其独特的工作装置，因此无需配用其他辅助设备即可很方便的清理路面同时还可以有效对清理路面。 （2）传动装置 液压铲采用液压传动，能够在很大范围内实现无极调速，达到最大的传动比和较低的稳定转速，同时设置了各种安全阀、过载阀、溢流阀和限速阀等，有效地保证了传动的平稳安全。在挖掘作业频繁换向的情况下，能够保持动作平衡，极大的降低冲击载荷，液压油还能吸收部分冲击能量，减少冲击和振动。 （3）行走装置 液压铲采用两个液压马达分别驱动左右履带，可以在很小的工作场地内绕履带台车的中心实现准确的转向控制和原地转向功能，液压铲的接地比压小，可以在承载能力较低的工作场地通行，使其行动不受限制。由于液压铲的工作装置是刚性连接，在最困难的工况下，可以用工作装置进行自救。电铲（机械铲）至少要绕某一履带的中心作转弯的动作，对场地的要求大，而且对地面破坏的程度也大。 （4）使用寿命和维护 液压铲的基本使用寿命在60000小时左右按，可以相应地进行零部件更换，这样液压铲离开工作面进行修理的时间较短。液压铲的主要元件很轻而且初始状态很清洁，对于驱动相对电铲较小的上车结构，可以大大减少对机械部分的检修。 电铲（机械铲）一般采用静态受力的设计方法进行设计，这种方法能够延长设备的使用寿命。一般情况下电铲工作到15000到18000小时就需要大修，这种情况下电铲离开工作面的时间至少几个星期。 表3：液压铲与电铲主要性能对比
四、结论 巨型液压铲不仅可顺应为降低采掘运输成本而不断加大矿山自卸车的趋势，而且与电铲（机械铲）相比，巨型液压铲具有结构简单、操作方便、运动灵活和易于维护保养等优点，同时在降低运营成本方面也具有很大优势。虽然电铲在长期中仍将是大型露天矿山的主要装载设备，但液压铲占用资金少，技术更新快，预期将以较快的速度广发应用于矿山生产。 |
