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    國內外大型礦用液壓挖掘機的分析與研究

    發布時間:2018-11-15 點擊數:1028

         液壓挖掘機是通過發動機(或電動機)直接驅動或經分動箱帶動液壓泵,經液壓油管和控制閥組、液壓缸或液壓馬達等組成的液壓系統來驅動各執行元件(包括工作裝置、回轉裝置和行走裝置等),實現挖掘機的各種動作的。工作質量大于200t的,用于露天礦山開采或土方工程的液壓挖掘機被定義為礦用液壓挖掘機。

        隨著市場經濟的迅猛發展,礦山資源的開采設備與技術也是飛速發展,使之生產效率大大提高。隨著長期開采的深入發展,開采環境也越來越復雜,由淺入深,由近漸遠,由陸地至海洋。世界最大露天礦(油頁巖礦等)的年采剝總量已達到20億t,美國莫倫西銅礦、賓厄姆銅鉬礦和紐曼山鐵礦等露天金屬礦的年采剝總量也都已超過1億t,年生產千萬噸礦石的德興銅礦、司家營鐵礦和鞍鋼齊大山鐵礦等是我國現代化大型露天金屬礦的代表?,F代大型露天礦與傳統露天礦相比,具有規模大、采礦設備的總臺(套)數少以及采礦作業的人員少等優勢。筆者以為,采礦設備也應不斷吸取各領域的優秀經驗,面向國家經濟的需求,科學發展,實現環境的可持續發展,所以大型化、智能化發展是其必然趨勢!

        1液壓挖掘機的優缺點

        與機械式挖掘機相比,礦用液壓挖掘機由于采用了液壓傳動裝置,而在結構、技術性能和使用效果等方面具有很大的優越性。

        (1)結構簡單、布置緊湊,質量小,行走速度快,接地比壓低,牽引力大,爬坡能力強,機動靈活性好。對于斗容量相同的挖掘機,液壓挖掘機比機械式挖掘機的質量小40%~60%,因而行走牽引力與機重的比值大于機械式挖掘機,具有良好的爬坡能力,接地比壓僅為機械式挖掘機的1/3~1/4;液壓挖掘機可以選擇發動機驅動,相對于電動機驅動的機械式挖掘機而言,沒有機架尾部高壓電纜的限制,可以適應涉水等復雜工作條件;陷入泥沼或凹坑時,可以通過自身的工作裝置支撐進行自救。

        (2)采用高壓變量的液壓系統,傳動簡單,工作平穩,易于操縱和控制。液壓傳動可實現無級變速,調速范圍大;通過液壓油傳遞動力和各種閥門進行控制,使頻繁作業的挖掘機動作平穩,安全可靠。

        (3)采用液壓先導伺服操縱和各種自動監控系統,使司機操作輕便、靈活和準確。

        (4)鏟斗具有良好的運動軌跡,通過液壓缸的復合動作可以使鏟斗平行向前推移,也可以使鏟斗按曲線或圓弧軌跡進行挖掘,使液壓挖掘機可進行選擇性開采,并且能夠自行清理和平整停機工作面,對于大型正鏟礦用液壓挖掘機來說尤為重要??梢园吹V石的分布層選采礦石,提高礦石開采的回收率,減少工作面上的輔助設備,降低開采礦石的成本,這也是在礦山開采方面用大型或巨型液壓挖掘機來代替機械鏟的一個重要原因。

        (5)礦用液壓挖掘機采用功能化與模塊化設計,整機由工作裝置(包括鏟斗、動臂和斗桿)、上車部分(包括動力裝置、冷卻裝置、司機室底座、司機室、平衡重和回轉支承等)和下車部分(包括履帶行走裝置和底架梁)3個功能模塊組成,縮短了現場安裝調試時間,減輕了現場工作強度,提高了維修保養便利性。

        礦用液壓挖掘機的不足主要有以下3點:

        (1)液壓元件的加工精度和裝配質量要求很高,在施工現場排除故障和進行維修比較困難;

        (2)液壓油的品質、黏度和清潔度對系統的傳動效率和液壓元件的壽命有很大影響,液壓油的黏度受工作環境溫度影響很大,需要根據不同季節更換液壓油;

        (3)礦用液壓挖掘機對物料的爆破要求比較高,而國內礦山在爆破技術有限的條件下,機械式挖掘機更能適應復雜的工況作業。

        2國外發展概況及技術分析

        目前生產大型礦用液壓挖掘機的制造廠商主要集中在德國、日本和美國等工程機械制造強國,著名的生產企業有卡特彼勒(源于“0&K”)、利勃海爾、小松(源于德馬克)以及日立等公司,呈現“四足鼎立”的態勢。在2010年前,四大廠商基本都建立了較為完整的從200t級到800t級的礦用挖掘機系列化產品(見表1),且技術水平基本相當,自成體系,都能夠快速完成裝載循環,具有巨大的生產力。同時,為了滿足不同用戶的使用習慣和現場工況條件,都推出了正反鏟2種機型,而且為了降低客戶的運行成本,很多型號都可選配電動機版本,以代替耗油巨大的柴油發動機。

    國外大型礦用液壓挖掘機

    國外大型礦用液壓挖掘機

        2.1動力配置

        四大廠家的礦用液壓挖掘機均有電動機和發動機驅動的2種可選擇配置,如表2所列。電動機驅動型液壓挖掘機適用于基礎條件好、有高壓電源的露天礦山;發動機驅動型液壓挖掘機適用于新建的露天礦山,尤其是沒有引入高壓電源或者電網容量有限的情況下,只能采用發動機作為動力源。發動機驅動型液壓挖掘機機動靈活,可以在涉水的工作場所挖掘作業;同機型配置中電動機功率小于發動機功率,考慮到電的性價比高于燃油,沒有污染物排放問題,電動機驅動型液壓挖掘機更加節能環保。

    國外大型礦用液壓挖掘機動力配置

    國外大型礦用液壓挖掘機動力配置

        2.2工作裝置的對比分析

        礦用液壓挖掘機按照工作裝置可分為正鏟式和反鏟式,反鏟主要用于停機面以下的挖掘,正鏟主要用于停機面以上的挖掘或爆破后巖石和散狀物料的裝載。正鏟早期的液壓缸設計都類似反鏟,即液壓缸布置在相互鉸接的2個部件上,如鏟斗液壓缸一端在斗桿上,一端在鏟斗或鏟斗連桿上,也就是說,只有鏟斗液壓缸有動作才能驅動鏟斗和斗桿發生相對轉動。這種設計簡單明確,但是也帶來操作上的復雜性,駕駛員必須時常做出復合動作以控制鏟斗。進入20世紀90年代后,國外各大廠商都對液壓缸布置進行了改進。

        (1)卡特彼勒的工作裝置采用了具有專利的TriPower技術,也被稱作強力三角。TriPower通過增加一對連桿并用一對連接件把動臂液壓缸、翻斗液壓缸和連桿連接起來,用連接件連接動臂,從幾何上保證了一種聯動機制。無論動臂和斗桿如何動作,只要翻斗液壓缸不動作,那么鏟斗相對地面的角度基本不變,從而簡化了操作,大大降低了司機的操作難度,并且在動力學得到更大的挖掘力和破碎力。

        (2)小松、利勃海爾和日立的液壓挖掘機的工作裝置均采用了將鏟斗液壓缸直接鉸接在動臂本體上的結構形式。相對于鏟斗液壓缸鉸接與斗桿上,該結構形式具有2個優點:一是由于鏟斗液壓缸閉鎖力,而增加了斗桿液壓缸的推壓力;二是能保持鏟斗的切削后角基本不變。小松與利勃海爾采用了等長雙并列斗桿液壓缸,而日立采用了斗桿液壓缸+平推液壓缸上下布置的組合方式。

        2.3上車平臺布置的對比分析

        礦用液壓挖掘機的上車包括動力裝置、平衡重、冷卻裝置、司機室底座和司機室等部件,在動力裝置的平臺布置形式上各有特色。

        (1)在200~400t大型礦用液壓挖掘機系列里,只有卡特彼勒采用了雙動力配置形式(如圖1所示),并且動力裝置與回轉平臺平行布置。雙動力配置的優勢主要體現在:①即使在1臺發動機失效的情況下,依然能夠生產并確保操作員的安全;②即便使用1臺發動機,也能夠將液壓挖掘機移到安全區域進行維修;③發動機可以相互對照比較,從而簡化并加快了故障排除過程,維修保養更方便。

    卡特彼勒6040型液壓挖掘機的動力配置

    卡特彼勒6040型液壓挖掘機的動力配置  

        雙動力配置的缺點有:①設備的故障點和維修工作量增大;②平臺布置空間相對增大;③動力裝置重心靠前,需要增大平衡重,整機質量偏重。

        小松、日立和利勃海爾都采用了單動力配置形式(如圖2所示),并且動力裝置與回轉平臺垂直布置。單動力配置的優點有:①整機結構簡單可靠,設備成本相對低;②平臺布置空間更加緊湊,動力裝置的重心靠后,節省平衡重,整機質量較輕;③動力裝置的散熱效果更好。

    小松PC4000型液壓挖掘機的動力配置

    小松PC4000型液壓挖掘機的動力配置  

        (2)在400t以上的大型礦用液壓挖掘機系列里,由于發動機、液壓泵和分動箱等主要元器件的規格限制,雖然四家廠商都采用了雙動力配置形式,但是上車各功能模塊的空間布置形式也有所區別??ㄌ乇死绽^續沿襲了200~400t的空間布置形式,動力裝置與回轉平臺平行布置,液壓油箱放置中間;日立的布置形式跟卡特彼勒類似;小松與利勃海爾的雙動力裝置與回轉平臺垂直布置,液壓油箱布置在冷卻裝置附近(如圖3所示)。

    小松PC5500型液壓挖掘機的動力配置

    小松PC5500型液壓挖掘機的動力配置

        采用平行布置的優點是液壓油箱容積大,冷卻裝置空間大,利于選型設計,發動機周圍走臺空間寬敞;缺點是尾部回轉半徑長,液壓管路布置比較復雜。采用垂直布置的優點是整機布局緊湊,尾部回轉半徑小,動力裝置通風散熱效果好,缺點是液壓油箱及冷卻風扇可用空間有限,需要特殊設計。2種布置形式各有利弊,四家廠商針對自身元器件選型、功能配置、設計風格等形成了系列化、標準化的產品。

    卡特彼勒 6040 型液壓挖掘機的動力配置

    卡特彼勒 6040 型液壓挖掘機的動力配置

        2.4液壓回路的對比分析

        小松和日立的產品采用開式回轉回路,卡特彼勒和利勃海爾采用閉式回轉回路。

        開式回路的典型特點:

        (1)結構簡單,散熱性、可冷卻性和油液的可過濾性良好,有利于保證和提高主要元件的使用壽命;

        (2)回轉由主泵供油,能提高主泵的利用率,同時減少了元件,管路布置較簡單,節省空間;

        (3)泵布置在油箱近旁或在油箱下方,以保證泵的自吸需求;

        (4)與閉式回路帶補油回路的泵相比,開式回路允許泵的工作轉速較低,同排量條件下的使用功率較低。

        閉式回路的典型特點:

        (1)泵的工作壓力高,轉速高,一般最高工作壓力可達38MPa;

        (2)馬達制動過程中,可回收設備慣性產生的制動功率;

        (3)結構復雜,散熱性和油液的可過濾性差,影響元件的工作可靠性和使用壽命。

        3國外產品在國內的應用

        在國內露天礦山領域,大型礦用挖掘設備一直以來被機械式挖掘機所壟斷,如今,大型礦用液壓挖掘機已經在國內露天礦山開始使用,其應用情況如表3所列。如大唐錫林浩特礦業擁有2臺日立EX3600和2臺卡特6040液壓挖掘機,包頭白云鄂博巴潤鐵礦擁有5臺利勃海爾R9350和2臺小松PC5500液壓挖掘機。伊敏露天煤礦2013年投入使用的日立EX8000液壓挖掘機是目前國內露天礦山使用的最大液壓挖掘機,自重達780t,電動機總功率為2400kW,斗容為40m3。從2008—2014年,國內露天礦山共進口24臺(套)250t以上級別的礦用液壓挖掘機,其中400t級的液壓挖掘機占到了60%。

        國內礦山用戶選擇電動機驅動型液壓挖掘機的原因有:一方面油價高,運行成本很高;另一方面是發動機維修費用非常高,且電動機的故障率較低。

    國外礦用液壓挖掘機在國內的應用情況

    國外礦用液壓挖掘機在國內的應用情況 

        4國內發展概況

        我國大型礦用液壓挖掘機的研發起步比較晚,1992年,太原重工與德馬克合作生產的H121液壓挖掘機,第一個超過100t挖掘機,工作摶量為115t;2008—2012年,太原重工相繼推出了WYD260(工作質量為260t,斗容為15m3)、WYD390(工作質量為390t,斗容為22m3)電動機驅動型正鏟式液壓挖掘機并在國內露天礦山現場投入使用,打破了國外廠商的壟斷地位。四川邦立重機也是國內較早開發大型液壓挖掘機的企業,2012年研制成功了CED2200-8電動型正鏟式液壓挖掘機,工作質量為220t。中聯重科在2012年上海Bauma展上展出了ZE300ELS發動機驅動型正鏟式液壓挖掘機,工作質量為298t,斗容為17m3。徐工集團在2014年上海Bauma展上展出了XE4000發動機驅動型反鏟式液壓挖掘機,工作質量為390t,斗容為22m3,是國內目前最大噸位的反鏟式液壓挖掘機。

        受到低迷的礦山市場的影響,國內廠商的開發和研制還只是停留在某幾種機型,缺少在現場實際使用的經驗,得不到持續的改進和后續機型的補充,機電液相關技術有待提高,還沒有形成成熟的標準化的系列化產品。

        5結論

        大型礦用液壓挖掘機具有爬坡能力強、接地比壓低、可分層挖掘、電動機和發動機驅動可供選擇、正鏟和反鏟可供選擇等優點。液壓技術將是新技術發展的趨勢,隨著液壓技術的不斷成熟,故障排查技術與能力逐漸提高,憑借其靈活的操縱性,全面的動作軌跡,復雜工況適應能力,礦用液壓挖掘機必將在今后的露天開采行業越來越廣泛地運用。

        通過對國外四大廠商成熟產品的性能對比分析,為今后我國大型礦用液壓挖掘機產品系列化研發提供參考和借鑒。

        (1)電動機驅動型礦用液壓挖掘機更節能環保;

        (2)400t以下液壓挖掘機適合單動力垂直布置,400t以上液壓挖掘機適合雙動力并列布置;

        (3)開式回路主泵利用率高,元件壽命長,是大型礦用挖掘機液壓回路的發展方向。

    是通過發動機(或電動機)直接驅動或經分動箱帶動液壓泵,經液壓油管和控制閥組、液壓缸或液壓馬達等組成的液壓系統來驅動各執行元件(包括工作裝置、回轉裝置和行走裝置等),實現挖掘機的各種動作的。工作質量大于200t的,用于露天礦山開采或土方工程的液壓挖掘機被定義為礦用液壓挖掘機。

        隨著市場經濟的迅猛發展,礦山資源的開采設備與技術也是飛速發展,使之生產效率大大提高。隨著長期開采的深入發展,開采環境也越來越復雜,由淺入深,由近漸遠,由陸地至海洋。世界最大露天礦(油頁巖礦等)的年采剝總量已達到20億t,美國莫倫西銅礦、賓厄姆銅鉬礦和紐曼山鐵礦等露天金屬礦的年采剝總量也都已超過1億t,年生產千萬噸礦石的德興銅礦、司家營鐵礦和鞍鋼齊大山鐵礦等是我國現代化大型露天金屬礦的代表?,F代大型露天礦與傳統露天礦相比,具有規模大、采礦設備的總臺(套)數少以及采礦作業的人員少等優勢。筆者以為,采礦設備也應不斷吸取各領域的優秀經驗,面向國家經濟的需求,科學發展,實現環境的可持續發展,所以大型化、智能化發展是其必然趨勢!

        1液壓挖掘機的優缺點

        與機械式挖掘機相比,礦用液壓挖掘機由于采用了液壓傳動裝置,而在結構、技術性能和使用效果等方面具有很大的優越性。

        (1)結構簡單、布置緊湊,質量小,行走速度快,接地比壓低,牽引力大,爬坡能力強,機動靈活性好。對于斗容量相同的挖掘機,液壓挖掘機比機械式挖掘機的質量小40%~60%,因而行走牽引力與機重的比值大于機械式挖掘機,具有良好的爬坡能力,接地比壓僅為機械式挖掘機的1/3~1/4;液壓挖掘機可以選擇發動機驅動,相對于電動機驅動的機械式挖掘機而言,沒有機架尾部高壓電纜的限制,可以適應涉水等復雜工作條件;陷入泥沼或凹坑時,可以通過自身的工作裝置支撐進行自救。

        (2)采用高壓變量的液壓系統,傳動簡單,工作平穩,易于操縱和控制。液壓傳動可實現無級變速,調速范圍大;通過液壓油傳遞動力和各種閥門進行控制,使頻繁作業的挖掘機動作平穩,安全可靠。

        (3)采用液壓先導伺服操縱和各種自動監控系統,使司機操作輕便、靈活和準確。

        (4)鏟斗具有良好的運動軌跡,通過液壓缸的復合動作可以使鏟斗平行向前推移,也可以使鏟斗按曲線或圓弧軌跡進行挖掘,使液壓挖掘機可進行選擇性開采,并且能夠自行清理和平整停機工作面,對于大型正鏟礦用液壓挖掘機來說尤為重要??梢园吹V石的分布層選采礦石,提高礦石開采的回收率,減少工作面上的輔助設備,降低開采礦石的成本,這也是在礦山開采方面用大型或巨型液壓挖掘機來代替機械鏟的一個重要原因。

        (5)礦用液壓挖掘機采用功能化與模塊化設計,整機由工作裝置(包括鏟斗、動臂和斗桿)、上車部分(包括動力裝置、冷卻裝置、司機室底座、司機室、平衡重和回轉支承等)和下車部分(包括履帶行走裝置和底架梁)3個功能模塊組成,縮短了現場安裝調試時間,減輕了現場工作強度,提高了維修保養便利性。

        礦用液壓挖掘機的不足主要有以下3點:

        (1)液壓元件的加工精度和裝配質量要求很高,在施工現場排除故障和進行維修比較困難;

        (2)液壓油的品質、黏度和清潔度對系統的傳動效率和液壓元件的壽命有很大影響,液壓油的黏度受工作環境溫度影響很大,需要根據不同季節更換液壓油;

        (3)礦用液壓挖掘機對物料的爆破要求比較高,而國內礦山在爆破技術有限的條件下,機械式挖掘機更能適應復雜的工況作業。

        2國外發展概況及技術分析

        目前生產大型礦用液壓挖掘機的制造廠商主要集中在德國、日本和美國等工程機械制造強國,著名的生產企業有卡特彼勒(源于“0&K”)、利勃海爾、小松(源于德馬克)以及日立等公司,呈現“四足鼎立”的態勢。在2010年前,四大廠商基本都建立了較為完整的從200t級到800t級的礦用挖掘機系列化產品(見表1),且技術水平基本相當,自成體系,都能夠快速完成裝載循環,具有巨大的生產力。同時,為了滿足不同用戶的使用習慣和現場工況條件,都推出了正反鏟2種機型,而且為了降低客戶的運行成本,很多型號都可選配電動機版本,以代替耗油巨大的柴油發動機。

    國外大型礦用液壓挖掘機

    國外大型礦用液壓挖掘機

        2.1動力配置

        四大廠家的礦用液壓挖掘機均有電動機和發動機驅動的2種可選擇配置,如表2所列。電動機驅動型液壓挖掘機適用于基礎條件好、有高壓電源的露天礦山;發動機驅動型液壓挖掘機適用于新建的露天礦山,尤其是沒有引入高壓電源或者電網容量有限的情況下,只能采用發動機作為動力源。發動機驅動型液壓挖掘機機動靈活,可以在涉水的工作場所挖掘作業;同機型配置中電動機功率小于發動機功率,考慮到電的性價比高于燃油,沒有污染物排放問題,電動機驅動型液壓挖掘機更加節能環保。

    國外大型礦用液壓挖掘機動力配置

    國外大型礦用液壓挖掘機動力配置

        2.2工作裝置的對比分析

        礦用液壓挖掘機按照工作裝置可分為正鏟式和反鏟式,反鏟主要用于停機面以下的挖掘,正鏟主要用于停機面以上的挖掘或爆破后巖石和散狀物料的裝載。正鏟早期的液壓缸設計都類似反鏟,即液壓缸布置在相互鉸接的2個部件上,如鏟斗液壓缸一端在斗桿上,一端在鏟斗或鏟斗連桿上,也就是說,只有鏟斗液壓缸有動作才能驅動鏟斗和斗桿發生相對轉動。這種設計簡單明確,但是也帶來操作上的復雜性,駕駛員必須時常做出復合動作以控制鏟斗。進入20世紀90年代后,國外各大廠商都對液壓缸布置進行了改進。

        (1)卡特彼勒的工作裝置采用了具有專利的TriPower技術,也被稱作強力三角。TriPower通過增加一對連桿并用一對連接件把動臂液壓缸、翻斗液壓缸和連桿連接起來,用連接件連接動臂,從幾何上保證了一種聯動機制。無論動臂和斗桿如何動作,只要翻斗液壓缸不動作,那么鏟斗相對地面的角度基本不變,從而簡化了操作,大大降低了司機的操作難度,并且在動力學得到更大的挖掘力和破碎力。

        (2)小松、利勃海爾和日立的液壓挖掘機的工作裝置均采用了將鏟斗液壓缸直接鉸接在動臂本體上的結構形式。相對于鏟斗液壓缸鉸接與斗桿上,該結構形式具有2個優點:一是由于鏟斗液壓缸閉鎖力,而增加了斗桿液壓缸的推壓力;二是能保持鏟斗的切削后角基本不變。小松與利勃海爾采用了等長雙并列斗桿液壓缸,而日立采用了斗桿液壓缸+平推液壓缸上下布置的組合方式。

        2.3上車平臺布置的對比分析

        礦用液壓挖掘機的上車包括動力裝置、平衡重、冷卻裝置、司機室底座和司機室等部件,在動力裝置的平臺布置形式上各有特色。

        (1)在200~400t大型礦用液壓挖掘機系列里,只有卡特彼勒采用了雙動力配置形式(如圖1所示),并且動力裝置與回轉平臺平行布置。雙動力配置的優勢主要體現在:①即使在1臺發動機失效的情況下,依然能夠生產并確保操作員的安全;②即便使用1臺發動機,也能夠將液壓挖掘機移到安全區域進行維修;③發動機可以相互對照比較,從而簡化并加快了故障排除過程,維修保養更方便。

    卡特彼勒6040型液壓挖掘機的動力配置

    卡特彼勒6040型液壓挖掘機的動力配置  

        雙動力配置的缺點有:①設備的故障點和維修工作量增大;②平臺布置空間相對增大;③動力裝置重心靠前,需要增大平衡重,整機質量偏重。

        小松、日立和利勃海爾都采用了單動力配置形式(如圖2所示),并且動力裝置與回轉平臺垂直布置。單動力配置的優點有:①整機結構簡單可靠,設備成本相對低;②平臺布置空間更加緊湊,動力裝置的重心靠后,節省平衡重,整機質量較輕;③動力裝置的散熱效果更好。

    小松PC4000型液壓挖掘機的動力配置

    小松PC4000型液壓挖掘機的動力配置  

        (2)在400t以上的大型礦用液壓挖掘機系列里,由于發動機、液壓泵和分動箱等主要元器件的規格限制,雖然四家廠商都采用了雙動力配置形式,但是上車各功能模塊的空間布置形式也有所區別??ㄌ乇死绽^續沿襲了200~400t的空間布置形式,動力裝置與回轉平臺平行布置,液壓油箱放置中間;日立的布置形式跟卡特彼勒類似;小松與利勃海爾的雙動力裝置與回轉平臺垂直布置,液壓油箱布置在冷卻裝置附近(如圖3所示)。

    小松PC5500型液壓挖掘機的動力配置

    小松PC5500型液壓挖掘機的動力配置

        采用平行布置的優點是液壓油箱容積大,冷卻裝置空間大,利于選型設計,發動機周圍走臺空間寬敞;缺點是尾部回轉半徑長,液壓管路布置比較復雜。采用垂直布置的優點是整機布局緊湊,尾部回轉半徑小,動力裝置通風散熱效果好,缺點是液壓油箱及冷卻風扇可用空間有限,需要特殊設計。2種布置形式各有利弊,四家廠商針對自身元器件選型、功能配置、設計風格等形成了系列化、標準化的產品。

    卡特彼勒 6040 型液壓挖掘機的動力配置

    卡特彼勒 6040 型液壓挖掘機的動力配置

        2.4液壓回路的對比分析

        小松和日立的產品采用開式回轉回路,卡特彼勒和利勃海爾采用閉式回轉回路。

        開式回路的典型特點:

        (1)結構簡單,散熱性、可冷卻性和油液的可過濾性良好,有利于保證和提高主要元件的使用壽命;

        (2)回轉由主泵供油,能提高主泵的利用率,同時減少了元件,管路布置較簡單,節省空間;

        (3)泵布置在油箱近旁或在油箱下方,以保證泵的自吸需求;

        (4)與閉式回路帶補油回路的泵相比,開式回路允許泵的工作轉速較低,同排量條件下的使用功率較低。

        閉式回路的典型特點:

        (1)泵的工作壓力高,轉速高,一般最高工作壓力可達38MPa;

        (2)馬達制動過程中,可回收設備慣性產生的制動功率;

        (3)結構復雜,散熱性和油液的可過濾性差,影響元件的工作可靠性和使用壽命。

        3國外產品在國內的應用

        在國內露天礦山領域,大型礦用挖掘設備一直以來被機械式挖掘機所壟斷,如今,大型礦用液壓挖掘機已經在國內露天礦山開始使用,其應用情況如表3所列。如大唐錫林浩特礦業擁有2臺日立EX3600和2臺卡特6040液壓挖掘機,包頭白云鄂博巴潤鐵礦擁有5臺利勃海爾R9350和2臺小松PC5500液壓挖掘機。伊敏露天煤礦2013年投入使用的日立EX8000液壓挖掘機是目前國內露天礦山使用的最大液壓挖掘機,自重達780t,電動機總功率為2400kW,斗容為40m3。從2008—2014年,國內露天礦山共進口24臺(套)250t以上級別的礦用液壓挖掘機,其中400t級的液壓挖掘機占到了60%。

        國內礦山用戶選擇電動機驅動型液壓挖掘機的原因有:一方面油價高,運行成本很高;另一方面是發動機維修費用非常高,且電動機的故障率較低。

    國外礦用液壓挖掘機在國內的應用情況

    國外礦用液壓挖掘機在國內的應用情況 

        4國內發展概況

        我國大型礦用液壓挖掘機的研發起步比較晚,1992年,太原重工與德馬克合作生產的H121液壓挖掘機,第一個超過100t挖掘機,工作摶量為115t;2008—2012年,太原重工相繼推出了WYD260(工作質量為260t,斗容為15m3)、WYD390(工作質量為390t,斗容為22m3)電動機驅動型正鏟式液壓挖掘機并在國內露天礦山現場投入使用,打破了國外廠商的壟斷地位。四川邦立重機也是國內較早開發大型液壓挖掘機的企業,2012年研制成功了CED2200-8電動型正鏟式液壓挖掘機,工作質量為220t。中聯重科在2012年上海Bauma展上展出了ZE300ELS發動機驅動型正鏟式液壓挖掘機,工作質量為298t,斗容為17m3。徐工集團在2014年上海Bauma展上展出了XE4000發動機驅動型反鏟式液壓挖掘機,工作質量為390t,斗容為22m3,是國內目前最大噸位的反鏟式液壓挖掘機。

        受到低迷的礦山市場的影響,國內廠商的開發和研制還只是停留在某幾種機型,缺少在現場實際使用的經驗,得不到持續的改進和后續機型的補充,機電液相關技術有待提高,還沒有形成成熟的標準化的系列化產品。

        5結論

        大型礦用液壓挖掘機具有爬坡能力強、接地比壓低、可分層挖掘、電動機和發動機驅動可供選擇、正鏟和反鏟可供選擇等優點。液壓技術將是新技術發展的趨勢,隨著液壓技術的不斷成熟,故障排查技術與能力逐漸提高,憑借其靈活的操縱性,全面的動作軌跡,復雜工況適應能力,礦用液壓挖掘機必將在今后的露天開采行業越來越廣泛地運用。

        通過對國外四大廠商成熟產品的性能對比分析,為今后我國大型礦用液壓挖掘機產品系列化研發提供參考和借鑒。

        (1)電動機驅動型礦用液壓挖掘機更節能環保;

        (2)400t以下液壓挖掘機適合單動力垂直布置,400t以上液壓挖掘機適合雙動力并列布置;

        (3)開式回路主泵利用率高,元件壽命長,是大型礦用挖掘機液壓回路的發展方向。

    是通過發動機(或電動機)直接驅動或經分動箱帶動液壓泵,經液壓油管和控制閥組、液壓缸或液壓馬達等組成的液壓系統來驅動各執行元件(包括工作裝置、回轉裝置和行走裝置等),實現挖掘機的各種動作的。工作質量大于200t的,用于露天礦山開采或土方工程的液壓挖掘機被定義為礦用液壓挖掘機。

        隨著市場經濟的迅猛發展,礦山資源的開采設備與技術也是飛速發展,使之生產效率大大提高。隨著長期開采的深入發展,開采環境也越來越復雜,由淺入深,由近漸遠,由陸地至海洋。世界最大露天礦(油頁巖礦等)的年采剝總量已達到20億t,美國莫倫西銅礦、賓厄姆銅鉬礦和紐曼山鐵礦等露天金屬礦的年采剝總量也都已超過1億t,年生產千萬噸礦石的德興銅礦、司家營鐵礦和鞍鋼齊大山鐵礦等是我國現代化大型露天金屬礦的代表?,F代大型露天礦與傳統露天礦相比,具有規模大、采礦設備的總臺(套)數少以及采礦作業的人員少等優勢。筆者以為,采礦設備也應不斷吸取各領域的優秀經驗,面向國家經濟的需求,科學發展,實現環境的可持續發展,所以大型化、智能化發展是其必然趨勢!

        1液壓挖掘機的優缺點

        與機械式挖掘機相比,礦用液壓挖掘機由于采用了液壓傳動裝置,而在結構、技術性能和使用效果等方面具有很大的優越性。

        (1)結構簡單、布置緊湊,質量小,行走速度快,接地比壓低,牽引力大,爬坡能力強,機動靈活性好。對于斗容量相同的挖掘機,液壓挖掘機比機械式挖掘機的質量小40%~60%,因而行走牽引力與機重的比值大于機械式挖掘機,具有良好的爬坡能力,接地比壓僅為機械式挖掘機的1/3~1/4;液壓挖掘機可以選擇發動機驅動,相對于電動機驅動的機械式挖掘機而言,沒有機架尾部高壓電纜的限制,可以適應涉水等復雜工作條件;陷入泥沼或凹坑時,可以通過自身的工作裝置支撐進行自救。

        (2)采用高壓變量的液壓系統,傳動簡單,工作平穩,易于操縱和控制。液壓傳動可實現無級變速,調速范圍大;通過液壓油傳遞動力和各種閥門進行控制,使頻繁作業的挖掘機動作平穩,安全可靠。

        (3)采用液壓先導伺服操縱和各種自動監控系統,使司機操作輕便、靈活和準確。

        (4)鏟斗具有良好的運動軌跡,通過液壓缸的復合動作可以使鏟斗平行向前推移,也可以使鏟斗按曲線或圓弧軌跡進行挖掘,使液壓挖掘機可進行選擇性開采,并且能夠自行清理和平整停機工作面,對于大型正鏟礦用液壓挖掘機來說尤為重要??梢园吹V石的分布層選采礦石,提高礦石開采的回收率,減少工作面上的輔助設備,降低開采礦石的成本,這也是在礦山開采方面用大型或巨型液壓挖掘機來代替機械鏟的一個重要原因。

        (5)礦用液壓挖掘機采用功能化與模塊化設計,整機由工作裝置(包括鏟斗、動臂和斗桿)、上車部分(包括動力裝置、冷卻裝置、司機室底座、司機室、平衡重和回轉支承等)和下車部分(包括履帶行走裝置和底架梁)3個功能模塊組成,縮短了現場安裝調試時間,減輕了現場工作強度,提高了維修保養便利性。

        礦用液壓挖掘機的不足主要有以下3點:

        (1)液壓元件的加工精度和裝配質量要求很高,在施工現場排除故障和進行維修比較困難;

        (2)液壓油的品質、黏度和清潔度對系統的傳動效率和液壓元件的壽命有很大影響,液壓油的黏度受工作環境溫度影響很大,需要根據不同季節更換液壓油;

        (3)礦用液壓挖掘機對物料的爆破要求比較高,而國內礦山在爆破技術有限的條件下,機械式挖掘機更能適應復雜的工況作業。

        2國外發展概況及技術分析

        目前生產大型礦用液壓挖掘機的制造廠商主要集中在德國、日本和美國等工程機械制造強國,著名的生產企業有卡特彼勒(源于“0&K”)、利勃海爾、小松(源于德馬克)以及日立等公司,呈現“四足鼎立”的態勢。在2010年前,四大廠商基本都建立了較為完整的從200t級到800t級的礦用挖掘機系列化產品(見表1),且技術水平基本相當,自成體系,都能夠快速完成裝載循環,具有巨大的生產力。同時,為了滿足不同用戶的使用習慣和現場工況條件,都推出了正反鏟2種機型,而且為了降低客戶的運行成本,很多型號都可選配電動機版本,以代替耗油巨大的柴油發動機。

    國外大型礦用液壓挖掘機

    國外大型礦用液壓挖掘機

        2.1動力配置

        四大廠家的礦用液壓挖掘機均有電動機和發動機驅動的2種可選擇配置,如表2所列。電動機驅動型液壓挖掘機適用于基礎條件好、有高壓電源的露天礦山;發動機驅動型液壓挖掘機適用于新建的露天礦山,尤其是沒有引入高壓電源或者電網容量有限的情況下,只能采用發動機作為動力源。發動機驅動型液壓挖掘機機動靈活,可以在涉水的工作場所挖掘作業;同機型配置中電動機功率小于發動機功率,考慮到電的性價比高于燃油,沒有污染物排放問題,電動機驅動型液壓挖掘機更加節能環保。

    國外大型礦用液壓挖掘機動力配置

    國外大型礦用液壓挖掘機動力配置

        2.2工作裝置的對比分析

        礦用液壓挖掘機按照工作裝置可分為正鏟式和反鏟式,反鏟主要用于停機面以下的挖掘,正鏟主要用于停機面以上的挖掘或爆破后巖石和散狀物料的裝載。正鏟早期的液壓缸設計都類似反鏟,即液壓缸布置在相互鉸接的2個部件上,如鏟斗液壓缸一端在斗桿上,一端在鏟斗或鏟斗連桿上,也就是說,只有鏟斗液壓缸有動作才能驅動鏟斗和斗桿發生相對轉動。這種設計簡單明確,但是也帶來操作上的復雜性,駕駛員必須時常做出復合動作以控制鏟斗。進入20世紀90年代后,國外各大廠商都對液壓缸布置進行了改進。

        (1)卡特彼勒的工作裝置采用了具有專利的TriPower技術,也被稱作強力三角。TriPower通過增加一對連桿并用一對連接件把動臂液壓缸、翻斗液壓缸和連桿連接起來,用連接件連接動臂,從幾何上保證了一種聯動機制。無論動臂和斗桿如何動作,只要翻斗液壓缸不動作,那么鏟斗相對地面的角度基本不變,從而簡化了操作,大大降低了司機的操作難度,并且在動力學得到更大的挖掘力和破碎力。

        (2)小松、利勃海爾和日立的液壓挖掘機的工作裝置均采用了將鏟斗液壓缸直接鉸接在動臂本體上的結構形式。相對于鏟斗液壓缸鉸接與斗桿上,該結構形式具有2個優點:一是由于鏟斗液壓缸閉鎖力,而增加了斗桿液壓缸的推壓力;二是能保持鏟斗的切削后角基本不變。小松與利勃海爾采用了等長雙并列斗桿液壓缸,而日立采用了斗桿液壓缸+平推液壓缸上下布置的組合方式。

        2.3上車平臺布置的對比分析

        礦用液壓挖掘機的上車包括動力裝置、平衡重、冷卻裝置、司機室底座和司機室等部件,在動力裝置的平臺布置形式上各有特色。

        (1)在200~400t大型礦用液壓挖掘機系列里,只有卡特彼勒采用了雙動力配置形式(如圖1所示),并且動力裝置與回轉平臺平行布置。雙動力配置的優勢主要體現在:①即使在1臺發動機失效的情況下,依然能夠生產并確保操作員的安全;②即便使用1臺發動機,也能夠將液壓挖掘機移到安全區域進行維修;③發動機可以相互對照比較,從而簡化并加快了故障排除過程,維修保養更方便。

    卡特彼勒6040型液壓挖掘機的動力配置

    卡特彼勒6040型液壓挖掘機的動力配置  

        雙動力配置的缺點有:①設備的故障點和維修工作量增大;②平臺布置空間相對增大;③動力裝置重心靠前,需要增大平衡重,整機質量偏重。

        小松、日立和利勃海爾都采用了單動力配置形式(如圖2所示),并且動力裝置與回轉平臺垂直布置。單動力配置的優點有:①整機結構簡單可靠,設備成本相對低;②平臺布置空間更加緊湊,動力裝置的重心靠后,節省平衡重,整機質量較輕;③動力裝置的散熱效果更好。

    小松PC4000型液壓挖掘機的動力配置

    小松PC4000型液壓挖掘機的動力配置  

        (2)在400t以上的大型礦用液壓挖掘機系列里,由于發動機、液壓泵和分動箱等主要元器件的規格限制,雖然四家廠商都采用了雙動力配置形式,但是上車各功能模塊的空間布置形式也有所區別??ㄌ乇死绽^續沿襲了200~400t的空間布置形式,動力裝置與回轉平臺平行布置,液壓油箱放置中間;日立的布置形式跟卡特彼勒類似;小松與利勃海爾的雙動力裝置與回轉平臺垂直布置,液壓油箱布置在冷卻裝置附近(如圖3所示)。

    小松PC5500型液壓挖掘機的動力配置

    小松PC5500型液壓挖掘機的動力配置

        采用平行布置的優點是液壓油箱容積大,冷卻裝置空間大,利于選型設計,發動機周圍走臺空間寬敞;缺點是尾部回轉半徑長,液壓管路布置比較復雜。采用垂直布置的優點是整機布局緊湊,尾部回轉半徑小,動力裝置通風散熱效果好,缺點是液壓油箱及冷卻風扇可用空間有限,需要特殊設計。2種布置形式各有利弊,四家廠商針對自身元器件選型、功能配置、設計風格等形成了系列化、標準化的產品。

    卡特彼勒 6040 型液壓挖掘機的動力配置

    卡特彼勒 6040 型液壓挖掘機的動力配置

        2.4液壓回路的對比分析

        小松和日立的產品采用開式回轉回路,卡特彼勒和利勃海爾采用閉式回轉回路。

        開式回路的典型特點:

        (1)結構簡單,散熱性、可冷卻性和油液的可過濾性良好,有利于保證和提高主要元件的使用壽命;

        (2)回轉由主泵供油,能提高主泵的利用率,同時減少了元件,管路布置較簡單,節省空間;

        (3)泵布置在油箱近旁或在油箱下方,以保證泵的自吸需求;

        (4)與閉式回路帶補油回路的泵相比,開式回路允許泵的工作轉速較低,同排量條件下的使用功率較低。

        閉式回路的典型特點:

        (1)泵的工作壓力高,轉速高,一般最高工作壓力可達38MPa;

        (2)馬達制動過程中,可回收設備慣性產生的制動功率;

        (3)結構復雜,散熱性和油液的可過濾性差,影響元件的工作可靠性和使用壽命。

        3國外產品在國內的應用

        在國內露天礦山領域,大型礦用挖掘設備一直以來被機械式挖掘機所壟斷,如今,大型礦用液壓挖掘機已經在國內露天礦山開始使用,其應用情況如表3所列。如大唐錫林浩特礦業擁有2臺日立EX3600和2臺卡特6040液壓挖掘機,包頭白云鄂博巴潤鐵礦擁有5臺利勃海爾R9350和2臺小松PC5500液壓挖掘機。伊敏露天煤礦2013年投入使用的日立EX8000液壓挖掘機是目前國內露天礦山使用的最大液壓挖掘機,自重達780t,電動機總功率為2400kW,斗容為40m3。從2008—2014年,國內露天礦山共進口24臺(套)250t以上級別的礦用液壓挖掘機,其中400t級的液壓挖掘機占到了60%。

        國內礦山用戶選擇電動機驅動型液壓挖掘機的原因有:一方面油價高,運行成本很高;另一方面是發動機維修費用非常高,且電動機的故障率較低。

    國外礦用液壓挖掘機在國內的應用情況

    國外礦用液壓挖掘機在國內的應用情況 

        4國內發展概況

        我國大型礦用液壓挖掘機的研發起步比較晚,1992年,太原重工與德馬克合作生產的H121液壓挖掘機,第一個超過100t挖掘機,工作摶量為115t;2008—2012年,太原重工相繼推出了WYD260(工作質量為260t,斗容為15m3)、WYD390(工作質量為390t,斗容為22m3)電動機驅動型正鏟式液壓挖掘機并在國內露天礦山現場投入使用,打破了國外廠商的壟斷地位。四川邦立重機也是國內較早開發大型液壓挖掘機的企業,2012年研制成功了CED2200-8電動型正鏟式液壓挖掘機,工作質量為220t。中聯重科在2012年上海Bauma展上展出了ZE300ELS發動機驅動型正鏟式液壓挖掘機,工作質量為298t,斗容為17m3。徐工集團在2014年上海Bauma展上展出了XE4000發動機驅動型反鏟式液壓挖掘機,工作質量為390t,斗容為22m3,是國內目前最大噸位的反鏟式液壓挖掘機。

        受到低迷的礦山市場的影響,國內廠商的開發和研制還只是停留在某幾種機型,缺少在現場實際使用的經驗,得不到持續的改進和后續機型的補充,機電液相關技術有待提高,還沒有形成成熟的標準化的系列化產品。

        5結論

        大型礦用液壓挖掘機具有爬坡能力強、接地比壓低、可分層挖掘、電動機和發動機驅動可供選擇、正鏟和反鏟可供選擇等優點。液壓技術將是新技術發展的趨勢,隨著液壓技術的不斷成熟,故障排查技術與能力逐漸提高,憑借其靈活的操縱性,全面的動作軌跡,復雜工況適應能力,礦用液壓挖掘機必將在今后的露天開采行業越來越廣泛地運用。

        通過對國外四大廠商成熟產品的性能對比分析,為今后我國大型礦用液壓挖掘機產品系列化研發提供參考和借鑒。

        (1)電動機驅動型礦用液壓挖掘機更節能環保;

        (2)400t以下液壓挖掘機適合單動力垂直布置,400t以上液壓挖掘機適合雙動力并列布置;

        (3)開式回路主泵利用率高,元件壽命長,是大型礦用挖掘機液壓回路的發展方向。

     

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