宋波

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

機(jī)電與自動(dòng)化

斗輪裝置結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求的研究

宋波

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

對斗輪挖掘機(jī)的核心部件斗輪裝置的組成、結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了探討；并對斗輪裝置的鏟斗、斗輪體、斗齒及斗輪軸等部件的結(jié)構(gòu)形式、材料特性等進(jìn)行了研究；提出了各部件的設(shè)計(jì)要求，為斗輪挖掘機(jī)斗輪裝置的研究與設(shè)計(jì)提供了參考。

斗輪裝置；鏟斗；斗輪體；斗齒；斗輪軸

0 引言

輪斗挖掘機(jī)在大中型水利或土方工程中，可以用來挖掘、裝載或轉(zhuǎn)運(yùn)土方。在露天礦中可以用來剝離表土，挖掘有用礦物，向車輛進(jìn)行裝載，最常用的是將物料裝入膠帶輸送機(jī)，也可以進(jìn)行倒堆作業(yè)。輪斗挖掘機(jī)是連續(xù)作業(yè)設(shè)備中比較理想的一種連續(xù)挖掘設(shè)備[1]。以輪斗挖掘機(jī)為主要開采設(shè)備的連續(xù)開采工藝主要有[2]：“輪斗挖掘機(jī)-帶式輸送機(jī)”工藝；“輪斗挖掘機(jī)-運(yùn)輸排土橋”工藝。

連續(xù)開采工藝能實(shí)現(xiàn)礦物和剝離物從采剝、運(yùn)輸?shù)脚艞?處理的不間斷作業(yè)，具有效率高、生產(chǎn)能力大、運(yùn)營成本低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是，由于受輪斗挖掘機(jī)單位挖掘力低等不利因素的制約，導(dǎo)致本工藝目前在國內(nèi)沒有得到廣泛應(yīng)用，而斗輪挖掘機(jī)的挖掘力主要取決于其核心部件斗輪裝置。

1 斗輪挖掘機(jī)的組成

斗輪挖掘機(jī)主要由履帶行走裝置、底座、平臺、可回轉(zhuǎn)的上部結(jié)構(gòu)、斗輪臂、斗輪裝置、變幅卷揚(yáng)機(jī)和卸料臂組成。作為斗輪挖掘機(jī)的核心部件，斗輪裝置的結(jié)構(gòu)及性能影響著斗輪挖掘機(jī)的切削能力和切削特性，所以對斗輪裝置結(jié)構(gòu)及性能等進(jìn)行研究尤為必要。

2 斗輪裝置的結(jié)構(gòu)形式

斗輪裝置結(jié)構(gòu)形式有3種：有格式斗輪、半格式斗輪和無格式斗輪[4]。

2.1 有格式斗輪

在有格式斗輪中，每個(gè)鏟斗的下面由半圓形的滑板在斗輪體內(nèi)形成一個(gè)封閉的空間，被稱做格槽，物料沿格槽移動(dòng)到斗輪體外側(cè)，并經(jīng)卸料板滑落到斗輪臂膠帶輸送機(jī)上。為了保證物料只能在卸料區(qū)離開格槽，在斗輪臂上安裝一個(gè)固定擋料板將斗輪密封住，使物料達(dá)到卸料區(qū)才能被卸掉。由于物料沿?fù)趿习灞砻婊?，所以擋料板很容易產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。格槽盡可能延伸接近斗輪中心，以便獲得足夠的傾角，使物料能夠滑落到斗輪臂輸送膠帶上。膠帶輸送機(jī)正常位于旋轉(zhuǎn)的斗輪軸的下方，對斗輪的切削幾何條件是不利的。物料從格槽里滑出時(shí)，半圓形的格槽表面也會(huì)受到嚴(yán)重磨損，因此，要制造一定數(shù)量的不同形狀的備用耐磨板。

2.2 半格式斗輪

半格式鏟斗下方空間被平面封閉住，空間的體積可以任意選擇。半格式格槽在斗輪直徑方向被固定在斗輪臂上的擋料滑板所封閉，環(huán)形擋料板環(huán)繞在斗輪內(nèi)側(cè)，向上一直延伸到卸料區(qū)，它完全連續(xù)地將物料封閉在半格槽內(nèi)。因此半格槽內(nèi)的物料只有到達(dá)卸料區(qū)范圍內(nèi)才能卸出。物料通過卸料板卸到斗輪臂膠囊輸送機(jī)上。半格式格槽的傾斜角及徑向尺寸的大小決定了必要的斗輪直徑。

斗輪臂膠帶機(jī)可以布置在斗輪旋轉(zhuǎn)軸的上方。這樣，它的切削幾何條件要比有格式斗輪有利得多。半格式格槽的磨損表面是用標(biāo)準(zhǔn)的耐磨板覆蓋。從而減少了必要的備用零件。

2.3 無格式斗輪

無格式斗輪的鏟斗下方空間完全是由斗輪體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所確定的。物料在無格式斗輪內(nèi)在徑向被環(huán)形擋料板封住，鏟斗只有處在卸料區(qū)初始端才能開始卸料。物料落到斗輪的卸料板上，并從斗輪側(cè)面卸到斗輪臂輸送機(jī)上。斗輪鏟斗下方的環(huán)形空間與鏟斗容積之和是計(jì)算理論生產(chǎn)能力的依據(jù)。在容積分開計(jì)算的情況下，鏟斗容積一般應(yīng)有明確規(guī)定。無格式斗輪的直徑一般比較小一些，因?yàn)殓P斗下方的空間高度比半格式斗輪要小。

斗輪臂輸送機(jī)膠帶可以布置在斗輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，這樣可以獲得比有格式斗輪更好的切削幾何條件。由于無格式斗輪具有以上特點(diǎn)，因而在斗輪設(shè)計(jì)中成為優(yōu)先選擇的結(jié)構(gòu)形式。

3 斗輪裝置的組成及各結(jié)構(gòu)部件的研究

3.1 斗輪裝置的組成

斗輪裝置由鏟斗、斗輪體、斗輪軸等部分組成。

3.2 斗輪裝置各結(jié)構(gòu)部件的研究

3.2.1 鏟斗的研究

鏟斗包括斗齒和斗體，斗體由斗唇、斗耳、斗底和斗座焊接而成[5]。

1）鏟斗結(jié)構(gòu)形式的研究。鏟斗是沖壓或焊接而成的金屬結(jié)構(gòu)件，一般采用16 Mn鋼板沖壓而成。鏟斗的高度從切削側(cè)邊特定的高度逐漸降低，一直到鏟斗與斗輪體相連接的后側(cè)邊，高度降低到零。切削刃的形狀可以是矩形、梯形或是圓形。鏟斗的切削邊或切削刃是由足夠厚的鋼板制造的，在切削唇邊鑲裝耐磨材料作防護(hù)板。鏟斗其余部分結(jié)構(gòu)開關(guān)的設(shè)計(jì)必須考慮容易裝滿和卸空物料，并避免鏟斗側(cè)壁與邊坡斜面相接觸。

根據(jù)切削刃不同形狀鏟斗可以分成矩形、梯形、半圓形鏟斗[6]。予切刃和切削斗的切削曲線決定了鏟斗的切屑截面，而與斗形無關(guān)。切削橫截面的主要特性參數(shù)：切屑厚度t；切屑寬度b；切削橫截面面積A=b×t；當(dāng)斗輪處于斗輪平面與斗輪上部結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸線共面時(shí)，矩形和梯形鏟斗的切削長度：L=b+t

半圓形鏟斗切削長度如圖1所示。

圖1 半圓形鏟斗切削長度

式中L1是切屑厚度為t時(shí)實(shí)際切削長度。從圖1中可以看出在任何情況下L1均大于t。因此半圓形鏟斗相對梯形斗來說要承擔(dān)更大的切削力。實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，半圓形鏟斗要求的切削能量比梯形鏟斗高40%。

對堅(jiān)硬的土壤其切削力不完全取決于單位長度上的切削力KL。半圓形鏟斗由于其切削幾何條件不變，因而采掘堅(jiān)硬土壤比其它斗形更為優(yōu)越，這一點(diǎn)已得到證實(shí)。

半圓形鏟斗的不足之處是在切深tmax相同的條件下，其斗容I1比梯形鏟斗小。切削截面的開頭也會(huì)因所采用的斗形和斗輪相對工作坡面的位置而有很大區(qū)別。但是不管切削截面形狀怎樣不同其尺寸和容積是不變的。然而切削長度卻有很大差別，而且它取決于多種因素：矩形鏟斗和梯形鏟斗只有在斗輪平面通過上部結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心軸線，尤其當(dāng)以鏟斗拐角向前切削時(shí)才能實(shí)現(xiàn)二者有相同的切削長度。如果斗輪平面不與回轉(zhuǎn)軸線共面，那么在相反的兩個(gè)回轉(zhuǎn)方向上鏟斗的切削長度將有很大的差別。外凸的鏟斗拐角在兩個(gè)回轉(zhuǎn)方向上都參與切削，而內(nèi)凹的鏟斗拐角僅在一個(gè)回轉(zhuǎn)方向中參與切削，而在其相反的回轉(zhuǎn)方向上不與直面接觸。由于切削長度差別很大，因而在2個(gè)回轉(zhuǎn)方向上的切削過程也不一樣。在切削特別硬的物料中這一點(diǎn)尤應(yīng)注意。2個(gè)回轉(zhuǎn)方向上切屑面積A是相同的。與其相比當(dāng)采用半圓形鏟斗時(shí)斗輪在任何位置和2個(gè)回轉(zhuǎn)方向上，其切屑形狀與切削長度均近似相同。因此半圓形鏟斗的切削刃在相同切削條件下性能最佳。

在實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)現(xiàn)，對堅(jiān)硬物料用半圓形鏟斗代替梯形鏟斗，斗輪的切削特性可以得到很大的改善。這不僅調(diào)整了挖掘狀態(tài)也調(diào)整了物料的塊度。矩形和梯形鏟斗在2個(gè)回轉(zhuǎn)方向上切屑橫截面形狀不同，因而在一個(gè)回轉(zhuǎn)方向上挖掘的物料塊度大，而在另一個(gè)方向塊度小。而半圓形鏟斗切削刃在2個(gè)回轉(zhuǎn)方向上切屑橫截面形狀相同，被切削物料的尺寸在2個(gè)回轉(zhuǎn)方向上也相同。使用理想的切屑橫截面的不對稱鏟斗，可以稍微改善矩形中梯形鏟斗的切削狀況。然而，理想的切屑橫截面只能在斗輪處于某個(gè)位置而且在某一切削高度下才可能實(shí)現(xiàn)。如果斗唇上安裝有斗齒，則安裝在矩形和梯形鏟斗側(cè)邊上的斗齒主要承受斗齒方向上的力。

相對而言，門齒受到的側(cè)向力也很大。而且與斗輪線速度相關(guān)的回轉(zhuǎn)速度越高，這些力越大。而半圓形鏟斗的斗齒負(fù)荷比較一致。在每個(gè)具體工況條件下，斗輪鏟斗斗形的選擇應(yīng)該根據(jù)斗輪挖掘機(jī)所挖掘的土壤特性來決定。

對于易于挖掘的均質(zhì)物料，梯形鏟斗優(yōu)于半圓形鏟斗，因?yàn)樵谙嗤筛吆筒蓪捪缕涠啡葺^大。對這類物料，切削特性的差別并不重要。對難以采掘和易于形成大塊的物料，使用半圓形鏟斗有其優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵谇邢鬟^程中半圓形鏟斗負(fù)荷分布均勻、被挖掘物料的密度也相同、切削較軟的物料只要在鏟斗切削刃上復(fù)加耐磨材料保護(hù)層就可提高切削刃壽命。梯形鏟斗拐角處的切削刃磨損嚴(yán)重。因此應(yīng)安裝易于更換和修復(fù)的特殊角齒。在許多情況下，這種斗齒也用于鏟斗的主切削刃。結(jié)果幾乎承擔(dān)了全部切削工作。這就減輕了切削刃的負(fù)荷和磨損。另外，如果采掘硬物料，采用斗齒來代替斗唇切削是合理的。

2）切削刃與斗齒。按照斗輪的工作方式，鏟斗只能用它的斗唇和斗唇前邊的切削刃切削物料。鏟斗拐角處對切削起很大作用，因此會(huì)受到很嚴(yán)重的磨損，必須特別注意保護(hù)以防止磨損。矩形或梯形鏟斗的拐角通常采用圓弧過渡。鏟斗受到嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，必須進(jìn)行修理或者更換新的鏟斗。

當(dāng)必須采掘高研磨性物料時(shí)，在斗唇上安裝斗齒代替斗唇切削，從而保護(hù)斗唇不受磨損。斗齒可用螺栓或楔塊連接在鏟斗上。螺栓連接拆接拆裝比較困難，致使更換斗齒需要較長的時(shí)間。因此這種連接只適用于斗齒壽命相對較長的情況。楔塊連接方式，斗齒在斗唇的齒座里并且用楔塊卡住，這樣拆裝都比較容易，更換斗齒節(jié)省時(shí)間。

斗唇或斗齒的刃口都應(yīng)經(jīng)常保持鋒利。粗印的斗唇或斗齒要消耗較多的功率。因此，磨損的斗齒要注意經(jīng)常更換。對已磨損的斗齒可在斗齒尖端覆蓋硬質(zhì)材料加以修復(fù)。斗唇和斗齒幾何形狀必須符合設(shè)計(jì)要求，以使鏟斗切削時(shí)不與采掘工作面接觸。這意味著切削刃應(yīng)當(dāng)在鏟斗不受阻礙的情況下進(jìn)行挖掘。

斗齒的壽命主要取決于挖掘物料的性質(zhì)[7]。雖然可分析物料性質(zhì)對斗齒壽命的影響，但預(yù)算斗齒的壽命還是困難的。斗齒的實(shí)際壽命只能從設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中獲得，然后再采取適當(dāng)措施加以提高。通常用碳化物作為斗齒切削刃的耐磨層，采用堆焊方法使其附在基體上。

斗齒基本的材料一般采用具有適當(dāng)強(qiáng)度的鑄鋼，以便能夠承受斗齒切削刃傳給鏟斗的力。

3）鏟斗與斗輪體的連接。通常在靠近斗唇的末端用兩銷軸將鏟斗安裝在斗輪體上，第3個(gè)連接點(diǎn)是通過1個(gè)楔形連接件，在鏟斗的中心線部位將鏟斗安裝在斗輪體橫梁上。這種連接方式非常容易將鏟斗從斗輪體上拆下。鏟斗與斗輪體的連接也可采用將鏟斗焊接到斗輪體上的方法，然后安裝容易拆卸的分離式斗唇。鏟斗與斗輪體內(nèi)部是相通的。

4）鏟斗容積。鏟斗容積是由斗輪體和切削面所限定的體積[8]。

5）鏟斗的裝料。鏟斗在采掘工作面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，使物料裝滿鏟斗。如果鏟斗僅僅用一側(cè)邊挖掘，松散的物料將會(huì)移落到鏟斗的自由側(cè)邊及后部。因?yàn)樗缮⒌奈锪舷窳黧w一樣，只有當(dāng)切削刃在切削過程中到達(dá)水平位置時(shí)，自由流動(dòng)的物料才有可能完全裝滿鏟斗。

如果采掘低于斗輪半徑高度的臺階，鏟斗空間就不可能被充分利用，因此，達(dá)不到生產(chǎn)能力。當(dāng)斗輪挖掘機(jī)用于采掘較低的臺階時(shí)，必須考慮這些因素。

6）鏟斗的卸料。鏟斗卸料必須在斗輪圓周的相對限定區(qū)域中進(jìn)行。當(dāng)鏟斗經(jīng)過卸料區(qū)間時(shí)，鏟斗中的所有物料必須卸到斗輪卸料板上。不應(yīng)還有物料繼續(xù)隨鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)，否則會(huì)在履帶行走平面上造成污染，從而增加了必須重復(fù)挖掘的工作量。為了避免出現(xiàn)物料卸不凈而隨鏟斗繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，朝卸料區(qū)方向應(yīng)增加鏟斗寬度，以使鏟斗容易卸料。同樣，還必須避免鏟斗拐角出現(xiàn)直角。鏟斗中的物料由于鏟斗的圓周速度產(chǎn)生的離心作用而被卸出。但作用在物料上的離心力不能變得太大，否則物料將不能從鏟斗中卸出來。

3.2.2 斗輪體的研究

斗輪體的研究包括斗輪體結(jié)構(gòu)形式的研究以及斗輪體與斗輪軸的連接方式研究。

1）斗輪體結(jié)構(gòu)形式的研究。斗輪體是用鋼板焊成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并具有如下功能：在斗輪軸與鏟斗之間起到剛性連接作用，并傳遞這些部件之間的所有力和力矩；由鏟斗卸出的物料必須經(jīng)由斗輪體再卸到與斗輪體平行安裝的膠帶上；將斗輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給鏟斗。

斗輪體的結(jié)構(gòu)有如下幾種不同形式：雙腹板結(jié)構(gòu)的斗輪體；帶輪輻的單腹板斗輪體；單腹板錐形結(jié)構(gòu)的斗輪體。對于不同形式的斗輪體，其質(zhì)量的差別是很小的，因此質(zhì)量并不影響對斗輪結(jié)構(gòu)形式的選擇。

2）斗輪體與斗輪軸的連接。斗輪體通常是由螺栓連接到斗輪軸上，因?yàn)樵诙份嗇S上焊接很困難。采用螺栓連接可避免焊接引起的焊接應(yīng)力和焊接變形。為使2個(gè)部件良好配合，需要較高的制造精度。為減少在工地裝配的困難，必須在車間將斗輪體和斗輪軸裝配在一起，以便為在工地能夠正確、迅速地裝配提供條件。螺栓連接必須能夠傳遞很大的交變載荷。兩個(gè)零件之間不允許發(fā)生任何相對運(yùn)動(dòng)。常用的有效方法是采用預(yù)緊螺栓連接，這樣，可以通過兩個(gè)相配合的零件之間所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞力。

3.2.3 斗輪軸的研究

斗輪軸的研究包括斗輪軸的材料研究、結(jié)構(gòu)形式研究、加工方法研究等。

斗輪軸是連接斗輪、斗輪驅(qū)動(dòng)裝置，以及斗輪臂架的重要部件。它應(yīng)安全地傳遞斗輪和軸承之間的很大并頻繁變化的力和力矩，以及在斗輪和減速器之間的載荷。為滿足上述需要，斗輪軸材料應(yīng)選用具有很高屈服強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度的合金鋼，以適應(yīng)被動(dòng)載荷。合金鋼熱處理后形成細(xì)晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。大直徑的斗輪軸被鉆成中空結(jié)構(gòu)，目的是為了更好地進(jìn)行熱處理及減輕質(zhì)量。

斗輪軸的機(jī)加工必須十分仔細(xì)，在橫斷面上不允許直徑有突然的變化以及開槽，從軸坯件的制造到最終加工完成都應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行。對于巨型挖掘機(jī)的斗輪軸，從坯件階段到交貨需要一年的周期。因此，建議在使用期間對斗輪軸定期檢查，及早發(fā)現(xiàn)可能的損壞，以便對制造新斗輪軸的早期工作做出安排。

4 結(jié)語

對斗輪挖掘機(jī)核心部件斗輪裝置的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究探討，并對斗輪裝置中鏟斗、斗輪體、斗齒以及斗輪軸的結(jié)構(gòu)選擇、材料選擇、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等進(jìn)行了闡述，為斗輪挖掘機(jī)斗輪裝置的后續(xù)研究與設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］李曉豁.露天采礦機(jī)械［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］姬長生.露天采礦方法［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2014.

［3］謝和平，王金華.中國煤炭科學(xué)產(chǎn)能［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2014.

［4］王書杰，才慶祥，李樹學(xué).嚴(yán)寒地區(qū)露天煤礦輪斗挖掘機(jī)應(yīng)用研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006（1）：88-94.

［5］劉強(qiáng)，張連梅，張曉林，等.斗輪挖掘機(jī)鏟斗設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2014（1）.

［6］《斗輪挖掘機(jī)》編譯組.斗輪挖掘機(jī)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1979.

［7］王春樂.斗輪挖掘機(jī)斗齒的研制［J］.鑄造設(shè)備研究，2003（2）.

［8］許承中，馮先.斗輪挖掘機(jī)鏟斗設(shè)計(jì)［J］.工程機(jī)械，1981.

【責(zé)任編輯：解連江】

Research of structure and design requirements for bucket wheel device

SONG Bo
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,ShenYang 110015,China)

This article discusses the composition and structure of the bucket wheel excavator core components,and researches the structure form and material properties of the bucket,the bucket wheel body,bucket teeth and bucket wheel axle,and puts forward the design requirements of parts,which provides the references for the research and design of bucket wheel device for bucket wheel excavator.

bucket wheel device;bucket;bucket wheel body;bucket teeth;bucket wheel axle

TD422.2

B

1671-9816（2017）05-0042-04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.012

宋波.斗輪裝置結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求的研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（5）：42-45.

2016-12-02

煤炭科學(xué)研究總院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2015ZYJ009）

宋波（1984—），女，遼寧大連人，碩士，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司礦山設(shè)備研究所，主要從事大型露天礦山設(shè)備的研發(fā)工作。