趙環(huán)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(yè)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(shè)備的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，目前是連續(xù)化作業(yè)設(shè)備中比較理想的一種多斗挖掘設(shè)備，也是目前世界上最大成套挖掘設(shè)備之一。

輪斗挖掘機具有連續(xù)化作業(yè)、生產(chǎn)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(xiàn)現(xiàn)代化管理等諸多優(yōu)點，特別適合于大型露天礦高效率地開采作業(yè)，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(yè)、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(yè)發(fā)達國家，如德國、美國、俄羅斯、捷克、奧地利等，輪斗挖掘機發(fā)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)與臂架回轉(zhuǎn)構(gòu)成的復合運動不斷將物料切下并裝入輪斗內(nèi)，當鏟斗隨著輪斗轉(zhuǎn)到一定高度時，物料由于重力作用落至受料輸送帶，再經(jīng)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(zhuǎn)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(yè)是連續(xù)性的，鏟斗只用于挖掘，物料的輸送用帶式輸送機。

1．2 結(jié)構(gòu)特點

輪斗挖掘機主要以下由6個部分組成。

（1）行走系統(tǒng)：目前大多數(shù)輪斗挖掘機采用履帶式行走系統(tǒng)，少數(shù)采用步行式行走系統(tǒng)。從相關(guān)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(shè)備對地面的比壓。

（2）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置等組成，轉(zhuǎn)臺上有動力裝置、驅(qū)動裝置、控制設(shè)備和操縱室等，由于采用了回轉(zhuǎn)支撐軸承，驅(qū)動裝置可使轉(zhuǎn)臺繞垂直軸回轉(zhuǎn)360°。

（3）工作系統(tǒng)：由斗輪、臂架、變幅機構(gòu)和驅(qū)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(zhuǎn)輪。臂架后端鉸接在轉(zhuǎn)臺的門架上，通過鋼絲繩或液壓油缸使臂架轉(zhuǎn)動，從而使斗輪在不同工作面上進行挖掘作業(yè)。臂架長度主要有固定的與可伸縮的兩種。斗輪驅(qū)動裝置由電動機、安全聯(lián)軸器和減速機等組成，布置在臂架前端的側(cè)面，用于驅(qū)動斗輪旋轉(zhuǎn)。

（4）輸送系統(tǒng)：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(zhuǎn)載輸送帶。

（5）電力驅(qū)動系統(tǒng)：除部分小型輪斗挖掘機目前采用柴油發(fā)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(tǒng)：主要采用液壓油缸驅(qū)動斗輪臂和卸料臂升降。

2 發(fā)展狀況

我國的輪斗挖掘機設(shè)計和制造業(yè)起步比較晚。目前，基本上還處在對國外的早期技術(shù)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?zhí)堵短烀旱V成功應用，為我國其他礦山使用連續(xù)開采工藝系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗。在1975年曾經(jīng)設(shè)計過型號為 WLD1300／（5－7）30的輪斗挖掘機。云南省小龍?zhí)堵短烀旱V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(jié)構(gòu)形式采用國外流行的履帶行走式，但該機生產(chǎn)能力比較低，僅為525m3／h。我國的內(nèi)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(chǎn)能力為600m3／h，是引進德國技術(shù)，由國內(nèi)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(wù)局從德國引進了生產(chǎn)能力為6000t／h的輪斗挖掘機，長春發(fā)電設(shè)備廠自行設(shè)計生產(chǎn)專門用于大型料場取料的斗輪取料機，生產(chǎn)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(lián)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(qū)中應用；云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局布沼壩礦在用的VABE550型斗輪挖掘機，是由奧地利與中國聯(lián)合制造的緊湊型采掘設(shè)備。這些地方采用的輪斗挖掘機大多為中外聯(lián)合研制。

內(nèi)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(shè)計生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)的數(shù)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(shè)備比較復雜，在使用上存在一定的局限性。

（2）設(shè)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(yè)比較困難，一般不適于在硬巖中使用。

（4）鏟斗的構(gòu)造和輪斗的直徑對土層的厚度有一定要求，為了發(fā)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(shè)備系統(tǒng)的初期投資大，準備時間長，在設(shè)計、選型時較為復雜。

（6）由于輪斗挖掘機組屬于串聯(lián)作業(yè)，若不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，連續(xù)采掘工藝系統(tǒng)就會喪失其優(yōu)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(xiàn)輪斗和轉(zhuǎn)載點處的堵塞現(xiàn)象。

（8）輪斗挖掘機系專用設(shè)備，專用性強，工作裝置一般不能更換。

4 發(fā)展趨勢

4．1 研制生產(chǎn)率更高的巨型輪斗挖掘機

由于世界各產(chǎn)煤國家的露天礦規(guī)模不斷擴大、相應需要有大型采礦設(shè)備與之配套。輪斗挖掘機向大型化發(fā)展，不僅可以提高生產(chǎn)能力，增加工作面采寬和挖掘高度等開采參數(shù)，而且可以減小設(shè)備的配套數(shù)量及提高經(jīng)濟效益。德國在輪斗挖掘機的研制和開發(fā)方面一直走在世界前列，繼研制日產(chǎn)量為24 X104m3的型號之后，目前其正在開發(fā)日產(chǎn)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(chǎn)率增加10×104m3。

4．2 標準化、系列化、通用化

輪斗挖掘機結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)計和生產(chǎn)周期長，成本很高，隨著產(chǎn)品數(shù)量和規(guī)格的增多以及維修問題的突出，迫切需要產(chǎn)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(chǎn)品數(shù)量、規(guī)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(chǎn)品制造過程簡化，生產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)率。

4．4 研制切割力大的輪斗挖掘機

由于連續(xù)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(chǎn)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(yōu)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(lián)生產(chǎn)的輪斗挖掘機單位切割力達到206N／cm2。

4．5 液壓技術(shù)在中、小型輪斗挖掘機應用

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

4．6 根據(jù)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(zhì)、煤厚的差異性，所以對作為連續(xù)開采設(shè)備的輪斗挖掘機提出不同的要求，因此根據(jù)各露天煤礦開采實際和具體的礦山條件等因素，開發(fā)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(jié)構(gòu)的不斷改進

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

4．8 加強輪斗挖掘機相關(guān)研究工作

在輪斗挖掘機的基礎(chǔ)理論研究、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用壽命延長、自動化程度提高、系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，各種新相關(guān)技術(shù)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(shè)計與分析水平。

5 應用前景

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

作為一個產(chǎn)煤大國，隨著能源需求量的不斷增加以及國家對煤炭工業(yè)的重大部署，我國會加大對主要分布在內(nèi)蒙、山西、陜西、新疆、云南等邊遠省區(qū)老露天煤田或新發(fā)現(xiàn)露天煤田開發(fā)力度，而這些地區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱、人煙稀少，煤層多為近水平賦存。從可持續(xù)發(fā)展的方針來看，在大力提高煤質(zhì)、發(fā)展選采的同時，最重要的是要努力保護環(huán)境，改善邊遠地區(qū)的脆弱生態(tài)系統(tǒng)。因此，我國的露天開采工藝必須在適應環(huán)境要求和資源條件的基礎(chǔ)上，以發(fā)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(xù)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(qū)的開采。

目前煤礦露天采礦普遍采用半連續(xù)生產(chǎn)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(yè)，才能達到使用粒度的要求，另外，僅能實現(xiàn)煤礦的開采，而不能實現(xiàn)煤礦的連續(xù)化作業(yè)，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(yè)和信息化部、科技部、財政部、國資委、海關(guān)總署聯(lián)合發(fā)布了《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導目錄》，目錄指出2000萬噸級以上大型露天礦成套設(shè)備的國產(chǎn)化是我國目前迫切需要解決的關(guān)鍵問題。因此大力發(fā)展高產(chǎn)、高效綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)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(xù)化作業(yè)設(shè)備中比較理想的一種多斗挖掘設(shè)備，也是目前世界上最大的成套挖掘設(shè)備之一，特別適合于大型露天煤礦連續(xù)高效率地作業(yè)。近20年，我國露天采礦工業(yè)迅速發(fā)展，通過引進技術(shù)自主研發(fā)相結(jié)合，國產(chǎn)輪斗挖掘機的技術(shù)有了很大的進步和提高。實現(xiàn)國產(chǎn)化，這對我國露天礦產(chǎn)量的提高、推動露天采礦工業(yè)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(shù)發(fā)展上來看，輪斗挖掘機在我國應用前景廣闊，具有重大的發(fā)展空間與研究價值。

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