蔣雪卿

（塔克拉夫特諾恩采礦技術(shù)（北京）有限公司，北京100027）

輪斗挖掘機(jī)在露天礦的應(yīng)用選型分析

蔣雪卿

（塔克拉夫特諾恩采礦技術(shù)（北京）有限公司，北京100027）

輪斗挖掘機(jī)連續(xù)采裝剝離物的工藝在露天礦中廣泛應(yīng)用，總結(jié)一套輪斗挖掘機(jī)的程序和計(jì)算方法，便于用戶(hù)和設(shè)計(jì)人員選型采購(gòu)，逐步介紹了有效工作時(shí)間、設(shè)備可工作率、設(shè)備效率、設(shè)備設(shè)計(jì)能力和平均能力的計(jì)算，輪斗切割力與物料特性的匹配，以及輪斗主要參數(shù)的確定方法。

輪斗挖掘機(jī)；連續(xù)工藝系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)性；設(shè)備能力計(jì)算

在大型露天礦中，采用輪斗挖掘機(jī)連續(xù)采裝剝離物的工藝越來(lái)越廣泛，其采裝運(yùn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它半連續(xù)或單斗卡車(chē)間斷工藝，而其靈活性也使移設(shè)周期大大縮短。用戶(hù)在選用輪斗挖掘機(jī)時(shí)，需考慮因素較多，程序繁瑣，選型過(guò)程很長(zhǎng)。就選型時(shí)的主要內(nèi)容歸納總結(jié)，便于用戶(hù)今后選型采購(gòu)，縮短采購(gòu)時(shí)間，使采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)可控。

1 輪斗挖掘機(jī)工藝系統(tǒng)的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)性

1986年云南省小龍?zhí)墩訅温短斓V首次使用WUD400/700型輪斗挖掘機(jī)、膠帶機(jī)和PL-1000型排土機(jī)組成的連續(xù)工藝系統(tǒng)；1994年內(nèi)蒙古元寶山露天礦開(kāi)始采用類(lèi)似的兩條連續(xù)工藝系統(tǒng)，由塔克拉夫公司SRs1602型輪斗挖掘機(jī)、膠帶機(jī)及A2Rs-B5000型排土機(jī)組成，分兩個(gè)臺(tái)階作業(yè)，且在幾年后達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能；2003年黑岱溝露天礦也投入4套連續(xù)工藝系統(tǒng)，由克虜伯SchRs710/1X15型輪斗挖掘機(jī)、膠帶機(jī)和排土機(jī)組成。

2014年扎哈淖爾露天礦投產(chǎn)了一套新的輪斗挖掘機(jī)SRs2000、膠帶機(jī)、排土機(jī)ARs-7900連續(xù)工藝系統(tǒng)，用于第四系剝離物生產(chǎn)。峰值小時(shí)產(chǎn)能達(dá)到并超過(guò)6 600 m3松方。

這里以元寶山露天礦連續(xù)工藝應(yīng)用為例，連續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)能和成本統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1和表2[1]。

表1 輪斗挖掘機(jī)年度產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)萬(wàn)m3

從上述中可以看出，連續(xù)工藝單位剝離成本比半連續(xù)工藝低36%，比間斷工藝低82%。

目前元寶山露天礦對(duì)于使用連續(xù)工藝系統(tǒng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了生產(chǎn)、檢修維護(hù)及管理連續(xù)工藝系統(tǒng)的員工隊(duì)伍，從而在成本控制、優(yōu)化生產(chǎn)等方面展示了輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用前景[2]。

表2 歷年單位剝離物成本統(tǒng)計(jì)元/m3

2 連續(xù)工藝系統(tǒng)的組成及輪斗挖掘機(jī)的生產(chǎn)工藝

輪斗挖掘機(jī)系統(tǒng)中，挖掘機(jī)通常又分為挖掘機(jī)主體、轉(zhuǎn)載車(chē)和漏斗車(chē)、電纜車(chē)；膠帶機(jī)系統(tǒng)包括工作面膠帶機(jī)、連接/提升膠帶機(jī)、排土面膠帶機(jī)等，根據(jù)工藝需要，長(zhǎng)度、布置會(huì)不同；排土機(jī)包括排土機(jī)主體和卸料車(chē)，卸料車(chē)與排土機(jī)沿排土膠帶機(jī)行走，根據(jù)工藝要求在沿線任意位置將其上物料轉(zhuǎn)載入排土機(jī)上，然后排入排土場(chǎng)，輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)組成

輪斗挖掘機(jī)及轉(zhuǎn)載車(chē)、漏斗車(chē)/電纜車(chē)組成挖掘機(jī)系統(tǒng)，在一個(gè)或多個(gè)工作平盤(pán)上對(duì)采掘作業(yè)臺(tái)階逐層挖掘，通過(guò)斗輪將物料卸到挖掘臂膠帶上，再通過(guò)卸料臂、轉(zhuǎn)載車(chē)及漏斗車(chē)，物料被轉(zhuǎn)載到地面膠帶機(jī)系統(tǒng)，一直輸送到排土機(jī)。

挖掘機(jī)在此連續(xù)工藝系統(tǒng)中是關(guān)鍵設(shè)備，其生產(chǎn)能力主要決定了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，斗輪及斗輪臂是實(shí)現(xiàn)采裝運(yùn)工藝的關(guān)鍵部件，其參數(shù)決定了斗輪挖掘機(jī)的性能。重點(diǎn)討論輪斗挖掘機(jī)的生產(chǎn)能力計(jì)算及關(guān)鍵參數(shù)選型。

在連續(xù)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流中發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)最關(guān)心的是輪斗挖掘機(jī)如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量，也就是輪斗挖掘機(jī)的選型問(wèn)題。歸結(jié)起來(lái)，問(wèn)題可分解為輪斗挖掘機(jī)年工作時(shí)間怎么算，全年不同季節(jié)時(shí)段輪斗挖掘機(jī)的工作效率，挖掘機(jī)與下游設(shè)備的匹配及可工作率，不同物料特性對(duì)挖掘機(jī)的影響，根據(jù)目標(biāo)年產(chǎn)量如何確定小時(shí)產(chǎn)能等。

3 物料性能與挖掘機(jī)斗齒切割力的匹配

在露天礦剝離生產(chǎn)工藝中，采用輪斗挖掘機(jī)對(duì)以第四系和第三系軟巖為主的剝離物采裝作業(yè)是最經(jīng)濟(jì)的，前面已經(jīng)論述。以扎哈淖爾露天礦為例，第四系分別為泥巖、粉砂巖、碳質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和砂礫巖巖石等。第三系，主要由灰白～灰褐色礫巖，含礫粗砂巖、灰黃色泥巖夾灰白色砂礫巖、細(xì)砂巖，黃、灰、灰褐、紅褐色泥巖（含白色礫石）組成[3]。

第四系粉細(xì)砂容重物料密度ρ為1.95 t/m3，松散系數(shù)1.3～1.4，抗壓強(qiáng)度為p為0.147～0.539 MPa，物料與輪斗的摩擦系數(shù)μ。巖石在冷凍條件下，強(qiáng)度大大提高，當(dāng)處于-15°C時(shí)強(qiáng)度增加10倍左右。

3.1 挖掘機(jī)斗齒切割力的計(jì)算

根據(jù)塔克拉夫長(zhǎng)期向全球露天礦提供輪斗挖掘機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，類(lèi)比推薦一個(gè)型號(hào)，對(duì)其切割性能做試算，然后根據(jù)結(jié)果做參數(shù)修正。初始參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)計(jì)能力Qth（松方），m3/h；

斗輪驅(qū)動(dòng)功率N，kw；

斗輪直徑D，m；

輪斗數(shù)量e；

斗唇長(zhǎng)度Lm，m；

斗齒總寬度b，m；

分層采掘時(shí)切割層厚度hs≤fhs×D，分層系數(shù)fhs，根據(jù)D和總采掘高度決定，不大于0.5 m；

斗輪對(duì)物料的提升高度H=fH×D，提升高度系數(shù)fH取值0.5～0.7，與斗輪結(jié)構(gòu)有關(guān)，m；

斗輪轉(zhuǎn)速nSR，min-1；每分鐘卸料次數(shù)nS=e× nSR；

切割線速度vs=π×D×nSR/60，m/s；

輪斗進(jìn)給切入厚度t=ft×Qth/（60×nS）/(π D Lm)，進(jìn)給量系數(shù)ft，與斗輪結(jié)構(gòu)有關(guān)，m；

瞬時(shí)切入物塊平均厚度tm=t×（1-cos ψ）/ ψ，單層采掘時(shí)瞬時(shí)切割弧線包角ψ，m；

瞬時(shí)參與切割的輪斗數(shù)nk；

切割面積Asp；Asp=fA×Qth/vs/3 600，面積系數(shù)fA，取值0.8～1.2，與工況有關(guān)，m2；

線切割力算法[4]：

其中，η為輪斗傳動(dòng)效率，μ為與物料摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)需要統(tǒng)一量綱。

表3是某項(xiàng)目調(diào)研期間對(duì)采樣塊的實(shí)測(cè)結(jié)果，按照MT/T796—1998煤和巖石切割力的測(cè)定[5]計(jì)算的切割阻力及通過(guò)計(jì)算得出的折合斗齒的線切割力。

表3 實(shí)測(cè)巖石取樣折合挖掘機(jī)斗齒的線切割阻力表

對(duì)比公式（1）和（2）中計(jì)算的輪斗的斗齒切割力與表3中折算的預(yù)期切割阻力，若計(jì)算切割力大于或等于切割阻力，輪斗選型與裝機(jī)功率匹配，否則修正初始輸入值復(fù)算，直至二力平衡，斗輪參數(shù)確定。

3.2輪斗臂長(zhǎng)確定

輪斗臂長(zhǎng)由挖掘高度、采幅寬度、輪斗直徑、工作臺(tái)階坡面角，安全距離等幾何參數(shù)確定。

最大采掘高度hmax，滿(mǎn)足礦田地面不平度導(dǎo)致的臺(tái)階高度有變化[6]；

正常采掘高度h，分多層挖掘；

正面邊坡角α，通常60°左右；

側(cè)面邊坡角β，通常50°左右；

工作面膠帶機(jī)至平盤(pán)邊坡安全距離≥12 m；

工作面膠帶機(jī)至工作臺(tái)階邊坡底安全距離≥20 m；

采掘帶寬度，例如三采一移3×B或兩采一移2×B；取決于采區(qū)總體工藝布置；輪斗挖掘機(jī)工藝布置參數(shù)如圖2。

圖2 輪斗挖掘機(jī)工藝布置參數(shù)

4 輪斗挖掘機(jī)能力計(jì)算

4.1 年有效工作時(shí)間計(jì)算

全年小時(shí)數(shù)Tan=8 760 h/a；

在北方地區(qū)需要考慮由于冰凍期產(chǎn)能大幅下降，若在冰凍期工作，經(jīng)濟(jì)性不合理，所以通常需考慮冬歇期的非工作時(shí)間，

Tst=Tm×30×24=24 Tsd，h/a；

若計(jì)劃維護(hù)時(shí)間按每年2周，每月1班，每周0.5班，每天1 h計(jì)算，全年計(jì)劃維護(hù)時(shí)間為

Tmt=2×7×24+（Tan-Ts）t×（Tan-Ts）t×8/30 +（Tan-Ts）t×0.5×8/7+1），h/a；

工作面膠帶機(jī)移設(shè)時(shí)間按工作面推進(jìn)計(jì)劃，每年移設(shè)Qsh次，這包括采掘面和排土面膠帶機(jī)及轉(zhuǎn)載點(diǎn)相關(guān)膠帶機(jī)的移設(shè)，改變膠帶長(zhǎng)度，硫化膠帶，膠帶重新矯正等工作耗時(shí)，每次移設(shè)周期大約5 d，那么移設(shè)時(shí)間，

Tsh=Qsh×5×24，h/a；

計(jì)劃交接班時(shí)間，按每班30 min計(jì)，

Tb=（Tan-Ts）t×0.5/8，h/a；

全年有效工作時(shí)間

Teff=Tan-Tst-Tmt-Tst-Tb，h/a；

4.2 非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間計(jì)算

非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間與機(jī)器設(shè)備本身故障率Rf有關(guān)，通常大型設(shè)備如輪斗挖掘機(jī)和排土機(jī)的故障率會(huì)在設(shè)計(jì)及建造過(guò)程中考慮并嚴(yán)格限制，并在設(shè)備供貨合同中規(guī)定。每臺(tái)套機(jī)器可靠工作率Rop=1-Rf。輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)中各設(shè)備的可工作率為：

輪斗挖掘機(jī)Rop-BWE；

轉(zhuǎn)載車(chē)，Rop-BW；

漏斗車(chē)，Rop-HP；

可移設(shè)工作面膠帶機(jī)，Rop-BCV；

其它膠帶機(jī)Rop-cv；

排土工作面膠帶機(jī)，Rop-DCV；

卸料車(chē)，Rop-TC；

排土機(jī)，Rop-SP；

輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)可按工作率統(tǒng)計(jì)，

Rop=Rop-BWE×Rop-BW×Rop-HP×Rop-BCV×Rop-CV× Rop-DCV×Rop-TC×Rop-SP；

輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間

Tf-sys=Teff×（1-Rop）

4.3 對(duì)凍土和非凍土的工作時(shí)間分配

在北方地區(qū)，冬季生產(chǎn)時(shí)會(huì)遇到存在一定厚度的凍土層，根據(jù)地質(zhì)測(cè)試報(bào)告和長(zhǎng)期氣候的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以按如下采掘帶模型計(jì)算凍土比例和除冬歇期外的對(duì)凍土和非凍土的工作時(shí)間分配。采掘帶中凍土比例如圖3。

圖3 采掘帶中凍土比例

每年總工作天數(shù)Topd=365-30×Tm-14= 351-30×Tm；

年結(jié)冰天數(shù)Tfro由氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到，結(jié)冰期間工作天數(shù)Top-fro由氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到,

對(duì)凍土的工作時(shí)間比例Rop-fro=（Top-fro/Topd）× 100%

對(duì)非凍土的工作時(shí)間比例Rop-no=1-Rop-fro

4.4 輪斗挖掘機(jī)設(shè)計(jì)能力Qop和實(shí)際能力計(jì)算[7]

初定輪斗挖掘機(jī)正常工作時(shí)的設(shè)計(jì)小時(shí)能力Qop。由于采掘過(guò)程中挖掘機(jī)并不能總是滿(mǎn)載挖掘，挖掘過(guò)程中要前后移動(dòng)和左右回轉(zhuǎn)，采掘帶效率ηblock；物料成分、含水量、松軟度、臺(tái)階高度等隨礦田區(qū)域變化，設(shè)定此種變化率為土壤系數(shù)ηsoil，會(huì)在0.8至1之間；挖掘機(jī)長(zhǎng)期工作后完成一個(gè)采掘帶后，需要變換采掘帶，做采掘帶外部調(diào)整，需要一些時(shí)間，這里設(shè)相對(duì)于這種情況的采掘時(shí)間率為定義為長(zhǎng)期系數(shù)ηlong；實(shí)際挖掘小時(shí)能力至少應(yīng)考慮這3個(gè)因素，不排除其它干擾因素，

Qoph=Qop×ηblock×ηsoil×ηlong，m3/h

由于凍土的切割阻力增大，上述系數(shù)如采掘帶系數(shù)ηblock，土壤系數(shù)ηsoil，長(zhǎng)期系數(shù)*ηlong都會(huì)相應(yīng)改變，對(duì)凍土的實(shí)際挖掘小時(shí)能力也會(huì)明顯減少，

Qoph-fro=Qop×ηblock-fro×ηsoil-fro×ηlong-fro

結(jié)冰期內(nèi)實(shí)際的采掘帶是非凍土帶覆蓋凍土層，如圖示15%結(jié)冰表土層，85%非結(jié)冰物料，實(shí)際凍土帶的小時(shí)挖掘能力減少，實(shí)際比例以勘測(cè)為準(zhǔn)，

Qop-winter=Qoph-fro×15%+Coph×85%

全年總工作天數(shù)內(nèi)平均有效挖掘能力，

Qaverage=Qoph×Rop-no+Qop-winter×Rop-fro

4.5 年生產(chǎn)能力估算

按松方計(jì)算的可實(shí)現(xiàn)年生產(chǎn)能力

Qan=Caverage×Teff×Rop-BS，m3/a

按實(shí)方計(jì)算的可實(shí)現(xiàn)年生產(chǎn)能力Qan/松散系數(shù)，此數(shù)據(jù)可在生產(chǎn)中實(shí)地測(cè)量得到驗(yàn)證。

至此，輪斗挖掘機(jī)的小時(shí)能力可以推算出來(lái)。如果按上述計(jì)算得到的年生產(chǎn)能力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，小時(shí)能力需要修正，直到滿(mǎn)足年生產(chǎn)能力要求。

在輪斗挖掘機(jī)能力計(jì)算中許多系數(shù)如采掘帶效率，長(zhǎng)期系數(shù)，設(shè)備可工作率等，需從實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)以及對(duì)礦田、物料性能的勘測(cè)得到，與相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量及生產(chǎn)管理、操作維護(hù)人員熟練程度密切相關(guān)。元寶山礦使用經(jīng)驗(yàn)表明，操作維護(hù)及其管理團(tuán)隊(duì)在熟練使用運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整采掘工藝，對(duì)局部設(shè)計(jì)做了修改，產(chǎn)能大幅提高。

5 應(yīng)用案例

以2014年扎哈淖爾露天礦投產(chǎn)的連續(xù)工藝系統(tǒng)為例，選型計(jì)算和測(cè)試結(jié)果如下。

5.1 計(jì)算結(jié)果

前期選型時(shí)的計(jì)算結(jié)果及參數(shù)如下[8]：

剝離物料：第三系，第四系；

設(shè)計(jì)峰值松方能力6 600 m3/h，平均松方能力4 575 m3/h；平均實(shí)方能力3 520 m3/h，年產(chǎn)實(shí)方能力≥10 Mm3/a

斗輪直徑12.2 m；

斗數(shù)16；

裝機(jī)功率1 250 kW；

正常挖掘高度27 m，最大挖掘高度30 m，挖掘深度3 m；

兩采一移2×50 m；

最大切割力110 kN/m，斗齒切割力200 kN/m；連續(xù)系統(tǒng)可工作率0.80～0.85。

5.2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

實(shí)際驗(yàn)收測(cè)試在2014年秋冬季，平均小時(shí)松方產(chǎn)能達(dá)到4 580 m3/h，實(shí)方產(chǎn)能3 270 m3/h，連續(xù)系統(tǒng)可工作率達(dá)到了0.9。

由于前期對(duì)物料測(cè)試有較大偏差，物料實(shí)際密度遠(yuǎn)大于合同規(guī)定值，以重量計(jì)和土方計(jì)產(chǎn)能有較大差別，長(zhǎng)期產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)有待進(jìn)一步完善。

6 結(jié)語(yǔ)

由于輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在露天礦剝離物采裝運(yùn)生產(chǎn)中被業(yè)界廣泛認(rèn)可。廣大用戶(hù)及設(shè)計(jì)選型人員充分理解并掌握主要設(shè)備供應(yīng)商的機(jī)型關(guān)鍵參數(shù)及相關(guān)計(jì)算，會(huì)減少設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性造成的疑惑，也有助于相關(guān)人員在選型時(shí)思路清晰，系統(tǒng)準(zhǔn)確地確定關(guān)鍵參數(shù)。

在輪斗挖掘機(jī)能力計(jì)算中，許多系數(shù)如采掘帶效率，長(zhǎng)期系數(shù)，設(shè)備可工作率等，需從實(shí)際項(xiàng)目大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及對(duì)礦田、物料性能的實(shí)際勘測(cè)得到，與相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量及生產(chǎn)管理、操作維護(hù)人員熟練程度密切相關(guān)，所舉案例是以塔克拉夫公司在全球項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，僅作參考。由于該連續(xù)系統(tǒng)設(shè)備的大型化和復(fù)雜性，從關(guān)鍵設(shè)備和參數(shù)入手做了逐一分析，實(shí)際選型中還會(huì)涉及許多相關(guān)事宜，需要就實(shí)際情況研究確定。

［1］王晨光.連續(xù)工藝在元寶山露天煤礦的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2016，31（3）：30-33.

［2］白羽.輪斗挖掘機(jī)冬季作業(yè)存在的問(wèn)題及解決措施［J］.露天采礦技術(shù)，2015（2）：39-40.

［3］伊敏煤電有限責(zé)任公司三號(hào)露天煤礦可行性研究報(bào)告［R］.沈陽(yáng)：中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，2014.

［4］Jakub Gottvald.Variance-based Sensitivity Analysis of Tangential Digging Forces of the Bucket Wheel Excavator SchRs1320［J］.Engineering Failure Analysis，August 2010.

［5］MT/T796—1998煤和巖石切割力的測(cè)定［S］.

［6］姚勇.輪斗挖掘機(jī)在白音華一號(hào)礦應(yīng)用的可行性分析［J］.露天采礦技術(shù)，2016，31（4）：45-48.

［7］H.Michael Breza.Productivity and Flexibility of Bucket wheel excavator and Overland conveyor systems，［J］. Mining Engineering，April，1993，347.

［8］塔克拉夫公司.扎哈淖爾連續(xù)工藝系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告［R］.

【責(zé)任編輯：張東旭】

Application selection analysis of bucket wheel excavator in open-pit mine

JIANG Xueqing
(TAKRAF Mining Technology Co.,Ltd.,Beijing 100027,China)

The process of continuous mining and stripping of wheel bucket excavator is widely used in open pit mine.The article summarizes a set of program and calculation method of wheel bucket excavator to facilitate the selection of users and designers, introduces effective working time,equipment working rate,equipment efficiency,equipment design capacity and the average capacity calculation,matching of wheel bucket cutting force and material characteristics,and determination method of main parameters of wheel bucket.

bucket wheel excavator;continuous process system;economy;equipment capacity calculation

TD422.2

B

1671－9816（2017）01－0026－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.008

蔣雪卿.輪斗挖掘機(jī)在露天礦的應(yīng)用選型分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：26-30.

2016-08-07

蔣雪卿（1967—），女，高級(jí)工程師，研究生，現(xiàn)就職于塔克拉夫特諾恩采礦技術(shù)有限公司。