馬立峰，楊 佐，張 玨，王志霞，吳鳳彪，姚振強(qiáng)

(1.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)露天開(kāi)采技術(shù)和工藝的發(fā)展，露天礦逐步采用“爆破-電鏟-自移式破碎機(jī)-皮帶輸送機(jī)-排巖機(jī)-排土場(chǎng)”的半連續(xù)開(kāi)采生產(chǎn)工藝，相比于傳統(tǒng)卡車(chē)運(yùn)輸工藝，半連續(xù)開(kāi)采生產(chǎn)工藝機(jī)械化程度高，生產(chǎn)集中，成本低，污染小。排巖機(jī)作為露天礦半連續(xù)開(kāi)采工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，將開(kāi)采出的巖土連續(xù)地排棄堆集在指定位置，隨著礦山企業(yè)生產(chǎn)能力的增加，排巖機(jī)使用越來(lái)越廣泛，并逐步向智能化、大型化發(fā)展。

1 排巖機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

履帶式排巖機(jī)按照結(jié)構(gòu)可主要分為懸臂式和履帶橋式兩大類(lèi)，如圖1、圖2所示。

圖1 懸臂式排巖機(jī)

懸臂式排巖機(jī)主要由卸料懸臂皮帶機(jī)系統(tǒng)、受料臂皮帶機(jī)系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、尾車(chē)、履帶行走裝置等組成。履帶橋式排巖機(jī)由若干個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)支承臂架結(jié)構(gòu)，臂架結(jié)構(gòu)上安裝有皮帶輸送機(jī)及卸料行走小車(chē)，卸料行走小車(chē)與排料臂臂架結(jié)構(gòu)平移，一次排土范圍較廣，且移設(shè)次數(shù)較少，移設(shè)方便。但是履帶橋式排巖機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)備成本較高，且對(duì)工作場(chǎng)地環(huán)境的平整度要求也很高。相比于履帶橋式排巖機(jī)，懸臂式排巖機(jī)機(jī)動(dòng)性、工作環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)，因此懸臂式排巖機(jī)應(yīng)用較為廣泛。圖3所示為應(yīng)用于平朔集團(tuán)東露天礦的瑞典山特維克生產(chǎn)的PA200 1800/50+50懸臂式排巖機(jī)。

圖3 PA200 1800/50+50排巖機(jī)

2 排巖機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外排巖機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

排巖機(jī)在國(guó)外的起步較早，上世紀(jì)50年代德國(guó)、蘇聯(lián)就開(kāi)始針對(duì)露天開(kāi)采研發(fā)排巖機(jī)[1]。國(guó)外的大型露天開(kāi)采設(shè)備經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)已十分成熟，許多排巖機(jī)的生產(chǎn)廠(chǎng)家都有自己獨(dú)有的技術(shù)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，且能根據(jù)客戶(hù)要求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)或參數(shù)化設(shè)計(jì)。

目前國(guó)外仍在生產(chǎn)排巖機(jī)的廠(chǎng)家主要有德國(guó)克虜伯集團(tuán)、MAN TAKRAF集團(tuán)、瑞典的山特維克集團(tuán)等[2]。克虜伯集團(tuán)生產(chǎn)的排巖機(jī)產(chǎn)量大、種類(lèi)全、質(zhì)量好，市場(chǎng)占有率高。上世紀(jì)90年代克虜伯公司研發(fā)生產(chǎn)的Absetzer760和Absetzer761型排巖機(jī)是世界上生產(chǎn)能力最大的排巖機(jī)，于“Hambach”礦新區(qū)投入使用[3]。其輸送帶帶速可達(dá)9 m/s，生產(chǎn)能力可達(dá)30 000 m3/h，刷新礦山機(jī)械中大型排土設(shè)備單臺(tái)年排土量的最高世界紀(jì)錄[4]。

2.2 國(guó)內(nèi)排巖機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)排巖機(jī)的生產(chǎn)可追溯到上世紀(jì)70年代，分為兩個(gè)階段。一是與國(guó)外企業(yè)聯(lián)合生產(chǎn)階段。1977年撫順挖掘機(jī)廠(chǎng)與遼寧煤炭、天津工機(jī)等研究院根據(jù)國(guó)外技術(shù)聯(lián)合試制了PS-1000型排巖機(jī)并投入到露天開(kāi)采工作中。大連重工于1985年也開(kāi)始研制用于露天開(kāi)采工藝的排巖機(jī)，額定生產(chǎn)能力為2 000 m3/h，之后與德國(guó)的MANTAKRAF集團(tuán)合作研制出生產(chǎn)能力為5 000 m3/h 的ARS3000·50型排巖機(jī)，并投入到元寶山露天礦的生產(chǎn)中。1995年太原重工與德國(guó)克虜伯集團(tuán)合作研發(fā)排巖機(jī)。二是獨(dú)立自主生產(chǎn)階段。90年代北方重工、大連重工開(kāi)始嘗試獨(dú)立研發(fā)排巖機(jī)，開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)排巖機(jī)研發(fā)的起點(diǎn)。華電重工獨(dú)立研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SP1400型排巖機(jī)，提升了國(guó)產(chǎn)品牌的競(jìng)爭(zhēng)力，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白[5]。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力最大的排巖機(jī)為太原重工自主研發(fā)的排巖機(jī)，額定生產(chǎn)能力達(dá)到9 000 t/h，最大生產(chǎn)能力超過(guò)10 000 t/h，在山西省太鋼集團(tuán)袁家村鐵礦已投入使用。

圖4 太原重工生產(chǎn)的9 000 t/h排巖機(jī)

隨著機(jī)械、電氣、液壓等學(xué)科的發(fā)展，排巖機(jī)技術(shù)由以前單純的機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)“機(jī)電液一體化”，排巖機(jī)開(kāi)始追求更好的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、人機(jī)交互性和更精準(zhǔn)的控制性，隨著液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)及其他新型技術(shù)和工藝的廣泛應(yīng)用，排巖機(jī)的工作效率更高、能耗更低、更環(huán)保。

3 應(yīng)用在排巖機(jī)上的典型技術(shù)

3.1 輸送技術(shù)

隨著排巖機(jī)大型化技術(shù)的日益成熟，排巖機(jī)的生產(chǎn)能力得到很大的提高，國(guó)外最先進(jìn)的排巖機(jī)料臂輸送機(jī)的帶速可達(dá)10 m/s，在國(guó)內(nèi)太重生產(chǎn)的9 000 t/h排巖機(jī)帶速可達(dá)到4.5 m/s。為了克服高帶速帶來(lái)的磨損，一是保證輸送系統(tǒng)的零部件有較高的制造安裝精度，如托輥軸、滾筒轉(zhuǎn)軸與孔配合面需要降低表面粗糙度，控制托輥的徑向跳動(dòng)誤差[6]，采用角接觸球軸承等盡量減小表面不平造成的運(yùn)動(dòng)副接觸面之間的摩擦磨損；二是托輥采用高耐磨托輥，即在托輥表面涂裝高耐磨材料防護(hù)層；三是根據(jù)帶速確定托輥的選擇和布置方式,如帶速高于4 m/s時(shí)，為減小摩擦磨損、防止跑偏，托輥可采用槽形前傾托輥組、調(diào)心托輥組等，理論與工作實(shí)踐證明普通托輥、前傾托輥、調(diào)心托輥安裝數(shù)量的比例為10∶2∶1時(shí)效果較好[7]，為防止輸送帶跑偏，輸送機(jī)上都加裝了防跑偏裝置和糾偏裝置，如自糾偏托輥組等。隨著技術(shù)的發(fā)展，排巖機(jī)高帶速輸送機(jī)對(duì)托輥及高速軸承的密封性及可靠性也提出了新要求，目前正嘗試?yán)猛休伣芩畽z測(cè)技術(shù)對(duì)托輥和軸承進(jìn)行技術(shù)檢測(cè)[8]。

3.2 轉(zhuǎn)載抗磨減振技術(shù)

目前排巖機(jī)在生產(chǎn)中存在的一個(gè)主要問(wèn)題是轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的物料對(duì)輸送帶、溜槽導(dǎo)料槽、頭罩的沖擊磨損較大，物料對(duì)輸送帶的沖擊會(huì)引起輸送帶和臂架的橫向振動(dòng)，對(duì)溜槽和頭罩的沖擊會(huì)加劇其內(nèi)壁磨損，縮短使用壽命。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用的理論方法是對(duì)溜槽和頭罩的形狀和材料進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)頭罩型形狀的設(shè)計(jì)采用了EDEM離散元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定物料流與前護(hù)板的合適角度與距離[9]，利用EDEM離散元與顆粒碰撞理論對(duì)腔型優(yōu)化，確定合適的腔型與落料管的曲線(xiàn)尺寸[10]，減小巖土物料對(duì)轉(zhuǎn)載內(nèi)壁的沖擊。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，主要采用卸料小車(chē)與緩沖裝置，卸料小車(chē)位于轉(zhuǎn)載點(diǎn)溜槽出口處，其作用一方面是收集經(jīng)過(guò)溜槽出口的物料防止灑落；另一方面是防止物料直接沖擊到輸送帶上。卸料小車(chē)上安裝有耐磨襯板，且小車(chē)內(nèi)部有許多突出的緩沖板，緩沖板形成階梯結(jié)構(gòu)，使物料堆積形成緩沖坡，間接減緩后續(xù)物料對(duì)輸送帶的沖擊力。目前緩沖結(jié)構(gòu)主要采用緩沖托輥和緩沖床兩種方式，即在轉(zhuǎn)載點(diǎn)卸料小車(chē)下部安裝緩沖床或者緩沖托輥，利用緩沖床和緩沖托輥的高緩沖性能將沖擊力平穩(wěn)的傳遞到排料臂臂架上。

3.3 抑塵除塵技術(shù)

排巖機(jī)揚(yáng)塵最嚴(yán)重的地方主要集中在受料臂卸料車(chē)處、轉(zhuǎn)載溜槽出口處、排料臂末端排料點(diǎn)處，排巖機(jī)的抑塵治理也主要圍繞這三個(gè)位置進(jìn)行。轉(zhuǎn)載點(diǎn)處除塵方法是減小轉(zhuǎn)載點(diǎn)處物料轉(zhuǎn)運(yùn)高度差，并用防塵布進(jìn)行密封遮蓋，抑制揚(yáng)塵產(chǎn)生[11]。受料臂段和排料段處的除塵抑塵方法主要是利用水和抑塵劑對(duì)巖土進(jìn)行初步潤(rùn)濕，利用防塵罩等密閉設(shè)施輔助防塵[12,13]。即在受料臂起點(diǎn)處，安裝淋水霧化裝置向巖土噴淋水及抑塵劑，使巖土運(yùn)輸至受料臂輸送機(jī)處即被初步潤(rùn)濕，防止在受料臂輸送機(jī)上產(chǎn)生揚(yáng)塵，運(yùn)輸過(guò)程中水的浸潤(rùn)滲透與揮發(fā)也可以減輕轉(zhuǎn)載站泥濘問(wèn)題。在排料臂末端安裝霧化炮，向巖土料流與土堆的結(jié)合部位噴淋，可以使水與粉塵粒子凝結(jié)，減少揚(yáng)塵產(chǎn)生。有些設(shè)備上已經(jīng)使用氣動(dòng)噴嘴呈螺旋分布的噴淋設(shè)備，利用多層螺旋霧幕技術(shù)抑塵[14]。

目前微米級(jí)干霧除塵技術(shù)是應(yīng)用在運(yùn)輸過(guò)程中比較先進(jìn)的技術(shù)之一[15]。理論方法是通過(guò)EDEM離散元理論及氣固兩相流理論，對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中巖土顆粒與氣流進(jìn)行仿真分析。這種方法可以得到輸送系統(tǒng)內(nèi)氣流的壓力梯度和速度分布，確定粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡[16]，通過(guò)優(yōu)化輸送設(shè)備的腔型尺寸的方法抑制揚(yáng)塵產(chǎn)生。對(duì)于高寒地區(qū)或寒冷的冬季，需要給抑塵劑添加防凍劑，并對(duì)水管和霧化噴淋裝置安裝防凍設(shè)施，排巖機(jī)的供水線(xiàn)路較長(zhǎng)，需要在沿途水管上安裝保暖層或渦流加熱裝置。另外，電場(chǎng)除塵技術(shù)也是現(xiàn)在比較先進(jìn)和廣泛使用的除塵抑塵技術(shù)[17]，但目前在排巖機(jī)上使用還不成熟[18,19]。

3.4 液壓控制技術(shù)

液壓技術(shù)在排巖機(jī)上的應(yīng)用主要是液壓俯仰機(jī)構(gòu)和液壓張緊機(jī)構(gòu)。液壓俯仰機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)排料臂繞鉸接點(diǎn)上下擺動(dòng)改變傾角，實(shí)現(xiàn)巖土的分層堆積。由于這個(gè)過(guò)程中負(fù)載、重心都會(huì)變化，液壓系統(tǒng)在排巖機(jī)上應(yīng)用之初存在著流量、壓力不穩(wěn)定、沖擊載荷過(guò)大、活塞桿速度突變等問(wèn)題，反應(yīng)在整機(jī)上是排料臂俯仰不能迅速精確控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)間沖擊載荷過(guò)大，影響排巖機(jī)的穩(wěn)定性。目前液壓俯仰系統(tǒng)引入定差減壓型壓力補(bǔ)償器和負(fù)載敏感變量泵，使排料臂俯仰動(dòng)作能迅速精確平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)[20]。液壓張緊機(jī)構(gòu)主要是輸送帶張緊機(jī)構(gòu)[21]。排巖機(jī)工況多變，每種工況要求的輸送帶張緊力不同，傳統(tǒng)的張緊機(jī)構(gòu)必須停機(jī)后人為調(diào)整，采用液壓張緊機(jī)構(gòu)，操作員可不停機(jī)通過(guò)工控機(jī)控制液壓缸工作，實(shí)現(xiàn)輸送帶張力自動(dòng)調(diào)整，提高了工作效率。工業(yè)的發(fā)展又對(duì)排巖機(jī)的空間性和靈活性提出新的要求，為提高排巖機(jī)的靈活性，國(guó)內(nèi)外研究者正在嘗試將排巖機(jī)的臂架及輸送機(jī)做成液壓可伸縮式。其中，臂架可以通過(guò)固定鋼架與活動(dòng)鋼架配合，液壓缸活塞缸作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)[22]。

3.5 電氣控制技術(shù)

排巖機(jī)正向著更高的自動(dòng)化、智能化及更好的人機(jī)交互性發(fā)展，這主要是依賴(lài)于電氣控制技術(shù)的應(yīng)用。目前排巖機(jī)主要的電氣控制系統(tǒng)主要有輸送控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、行走控制系統(tǒng)等。排巖機(jī)的回轉(zhuǎn)、履帶行走等力源都是電動(dòng)機(jī)，因此必須設(shè)計(jì)可靠的電機(jī)控制系統(tǒng)，才能控制排巖機(jī)平穩(wěn)準(zhǔn)確地回轉(zhuǎn)與移動(dòng)。輸送控制系統(tǒng)主要通過(guò)控制輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)巖土輸送，為提高輸送系統(tǒng)的平穩(wěn)性，減小輸送過(guò)程中輸送帶動(dòng)張力突變引起的沖擊，排巖機(jī)輸送機(jī)系統(tǒng)多采用Harrison啟動(dòng)曲線(xiàn)、配合軟起動(dòng)設(shè)備及CST可控啟動(dòng)傳輸系統(tǒng)。CST可控啟動(dòng)傳輸系統(tǒng)是集機(jī)、電、液、微電子技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，是皮帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)性能最理想的控制產(chǎn)品[23]。

4 結(jié)束語(yǔ)

排巖機(jī)的發(fā)展過(guò)程中涵蓋了機(jī)械、液壓、電氣、控制等多領(lǐng)域的技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，雖然國(guó)內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但為了提高生產(chǎn)能力，不斷增加輸送帶的寬度、提高帶速，這樣使得受料臂、排料臂、行走履帶尺寸、門(mén)座結(jié)構(gòu)的剛度等相應(yīng)增大，出現(xiàn)排巖機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性的下降，關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足使用要求等問(wèn)題。因此，今后需要在排巖機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定性、關(guān)鍵部件可靠性等方面加強(qiáng)理論研究，并向高人機(jī)交互性、低能耗、高效率等方向發(fā)展。