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矿用机械式挖掘机技术概论

2011-1-10 20:53| 发布者: 巨车网| 查看: 1039| 评论: 0|原作者: 王晓明|来自: 《研究与探讨》

摘要:   矿用挖掘机是露天矿山单斗-汽车开采工艺系统和半连续开采工艺系统中必不可少的关键采装设备。随着国内外露天矿山生产规模的日趋扩大,采矿工艺和设备技术水平日益提高,为了进一步提高企业的经济效益和劳动生产 ...
  矿用挖掘机是露天矿山单斗-汽车开采工艺系统和半连续开采工艺系统中必不可少的关键采装设备。随着国内外露天矿山生产规模的日趋扩大,采矿工艺和设备技术水平日益提高,为了进一步提高企业的经济效益和劳动生产率,降低生产成本,更大规格的矿用挖掘机已经开始逐步取代小规格的挖掘设备,露天采装设备(挖掘机)向大型化发展已经是不可逆转的大趋势。几乎所有的露天矿山在新建、改建和扩建中均选择了性能更加完善、技术水平更先进、可靠性更好、生产效率更高、更易于维护和保养、设备消耗更低、使用寿命更长、价格功能比更优的大规格矿用挖掘机。

 
  一、大型矿用挖掘机的现状

  目前国际上开发生产大型矿用挖掘机的企业主要有美国 P&H 公司、美国 Bucyrus 公司、中国太原重工股份有限公司、俄罗斯奥姆斯(OMZ)矿山设备公司和乌拉尔重型机器厂等。

  美国 P&H 公司是世界上著名的生产大型矿用机械正铲式挖掘机的主要企业,在国际市场上的占有率居世界第一位,产品的技术水平代表了当代国际先进水平。其产品采用齿轮齿条刚性推压方式,电气系统采用可控硅供电和直流电动机驱动。目前其主要代表产品为 2300XPC,2800XPC 和 4100XPC及其派生产品(见表 1)。


  美国 BUCYRUS 公司是世界上另一个著名的生产大型矿用机械正铲式挖掘机的主要企业。其主导产品采用钢绳柔性推压方式,斗杆采用圆形截面的高强度免扭结构,电气系统采用先进的交流变频及其控制技术。目前主要代表产品为 295,395,495及其派生产品。主要性能见表 2。


  太原重工股份有限公司(以下简称 “太重”)是我国唯一生产大、中、小型矿用机械正铲式挖掘机全系列产品的大型国有企业,具有四十多年的生产制造历史,占据着国内 80%以上的市场。20 世纪自主开发研制出了 WK-4(标准铲斗容量为 4 m3),WK-8(标准铲斗容量为 8 m3),WK-10B(标准铲斗容量为 10 m3)等成熟的、批量生产的矿用挖掘机。1983 年从美国 P&H 公司引进技术,合作制造了 P&H2300XP( 标 准 铲 斗 容 量 为 16.8 m3),P&H2300XPA( 标准铲斗容量为 20.65 m3),P&H2800XP( 标 准 铲 斗 容 量 为 22.9 m3)和P&H2800XPB(标准铲斗容量为 35.2 m3)等大型矿用挖掘机,合作期限超过 20 年,共生产了 14 台整机产品。2004 年后,又相继自主开发研制成功了具有自有品牌和自主知识产权的 WK-12(标准铲斗容量为 12 m3),WK-20(标准铲斗容量为 20 m3),WK-27(标准铲斗容量为 27 m3),WK-35(标准铲斗容量为 35 m3),WK-55(标准铲斗容量为 55 m3)系列大型矿用挖掘机,使其产品系列进一步完善,至今已经生产了各类挖掘设备 1 200 余台。太重凭着自身的不断创新和努力开拓,异军突起,成功跻身世界大型矿用挖掘机制造企业三强的行列(见表 3)。


  俄罗斯奥姆斯矿山设备公司和乌拉尔重型机器厂的产品均为前苏联的 згк 系列矿用挖掘机,其产品的标准铲斗容量均在 30 m3以下。

  二、大型矿用挖掘机的技术发展趋势

  随着科学技术的飞速发展,更多先进成熟的技术被成功集成应用于大型矿用挖掘机的设计和制造过程中,为矿用挖掘机整体技术水平的提升提供了必要保证。矿用挖掘机在整机工作尺寸、结构尺寸参数、性能参数、机械结构设计、机械传动机构设计、润滑系统设计、气路控制系统设计、电气系统设计、辅助系统设计以及零部件的制造等方面均不同程度地采用了一些新理论、新技术、新方法、新材料、新工艺,以进一步提高产品的性能和可靠性。

  1)现代设计方法和手段的应用提高了整机的性能和可靠性。大型矿用挖掘机载荷谱及挖掘轨迹研究成果的应用,建立了整机性能参数、工作尺寸、不同挖掘物料载荷谱以及合理挖掘轨迹之间的数学模型,为产品设计提供了科学、可靠的依据。

  基于虚拟样机的整机性能分析和仿真优化设计技术的应用,优化了整机性能,实现了产品的三维设计和部分零部件的参数化设计。

  大型矿用挖掘机主要传动系统动态分析研究成果的应用,实现了系统三维实体动态仿真分析,提高了传动系统零部件的可靠性和使用寿命。

  大型矿用挖掘机主要部件结构优化设计技术的应用,实现了结构件的三维参数化设计、优化设计和有限元分析等

  2)新材料、新工艺的应用,提高了大型结构件的可靠性。在铲斗、斗杆、起重臂、回转平台、A 形架、底架、履带架以及大型齿轮箱的设计和制造过程中大量采用优质低合金高强度调质和正火钢板、优质焊接材料和严格的焊接工艺,大大提高了焊接结构件的强度和刚度,降低了结构件的重量。通过局部或整体退火处理,有效地消除了焊接结构件的残余应力,避免了主要基础结构件的早期失效现象,提高了基础结构件的使用寿命。

  3)新材料、新工艺的应用,提高了传动零件的可靠性。广泛采用硬齿面齿轮传动技术。在传动系统的轴类和齿轮类零件的设计和制造过程中采用了优质低碳合金钢锻造,整体调质,轮齿表面渗碳淬火,磨齿,齿形修缘,齿根喷丸强化等先进工艺手段和措施,提高了该类零件的抗弯、抗扭强度和表面接触强度,提高了传动零件的使用寿命。

  4)新材料、新工艺的应用,提高了主要承力零件的可靠性。在各主要承力销轴类、支重轮、环轨等零件的设计和制造过程中采用了优质中碳合金钢,整体调质的先进工艺,提高了零件的使用寿命。铲斗斗唇、整体斗齿、斗唇护套、推压齿条、张紧轮、后导轮、履带板等零部件采用优质高锰钢铸造,提高了零部件耐磨性。

  5)整体结构铲斗的应用,提高了铲斗的使用寿命。在整体铲斗的易磨损部位采用焊接性能好、综合机械性能高、表面硬度高、使用寿命长的复合耐磨板,有效地保护了铲斗本体。

  6)高性能组合斗齿的应用,减少了维护时间,提高了设备的生产效率。高性能的组合斗齿可以根据不同的挖掘物料选择不同材料特性的齿座和齿尖,减少了齿尖材料的浪费,大幅度缩短了更换齿尖的时间,提高了整机的可用率和生产效率。

  7)模块化设计的、全封闭的提升、回转和行走减速箱。采用模块化设计的、全封闭的提升、回转和行走减速箱,提高了齿轮的啮合精度,便于安装和维护。其中回转和行走减速机为行星结构,且零部件具有通用型。

  8)新型履带驱动系统的采用,提高了系统的可靠性。采用驱动轮高置的近似链轮-链条驱动的履带驱动系统。履带板和驱动轮的啮合部位在靠近连接销的中心线处。与传统的驱动轮系统相比,其接合长度大大增加,压力角明显减小。新的履带驱动系统将消除节距干涉,降低驱动轮和履带板在啮合时的相对滑行量,从而减少驱动轮和履带板的磨损。另外,驱动轮凸块和履带板间啮合压力角的减小几乎消除它们在载荷作用下分离的可能性,将改善履带板和履带连接销的受力状况,提高履带驱动系统的使用寿命并减少维护工作量。

  9)电气系统。电气系统采用 “上位综合监控系统+PLC+基础变频传动” 控制方案,提高控制水平和调速性能,PLC 实现整机运行的时序逻辑控制,变频传动驱动各机构协调动作,实现可控运行; 在挖掘机上采用监控系统,对各种信号进行综合显示、监控,实现运行状态监控与故障诊断; 三级数据之间交换通过 PROFIBUS DP 总线实现,信息交换量大,提高工艺控制的软件化程度。较直流机组系统节能 17%,工作效率提高 10%,功率因数可达到 1,对电网无谐波污染。

  10)整机运行状态监控及故障诊断系统。全数字化的整机运行状态监控及故障诊断系统可提高整机的操控性能,包括整机机械传动系统、电气系统、辅助系统、润滑系统、压气操纵系统等的温度、压力、流量及电气运行参数的监控及故障诊断系统,工作装置的实时运行显示系统,挖掘工况下提升-推压操作最优化控制系统,物料自动称重和计量系统,远程监控与故障诊断系统等。

  综上所述,矿用挖掘机作为大型露天矿成套设备的代表性产品,标志着一个国家露天采矿装备的整体发展水平,其整机技术水平必将随着科技发展水平的提高而不断提升。

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