輪斗挖掘機在露天礦的應(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)一套輪斗挖掘機的程序和計算方法，便于用戶和設(shè)計人員選型采購，逐步介紹了有效工作時間、設(shè)備可工作率、設(shè)備效率、設(shè)備設(shè)計能力和平均能力的計算，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；連續(xù)工藝系統(tǒng)；經(jīng)濟性；設(shè)備能力計算

在大型露天礦中，采用輪斗挖掘機連續(xù)采裝剝離物的工藝越來越廣泛，其采裝運成本遠遠低于其它半連續(xù)或單斗卡車間斷工藝，而其靈活性也使移設(shè)周期大大縮短。用戶在選用輪斗挖掘機時，需考慮因素較多，程序繁瑣，選型過程很長。就選型時的主要內(nèi)容歸納總結(jié)，便于用戶今后選型采購，縮短采購時間，使采購風(fēng)險可控。

1 輪斗挖掘機工藝系統(tǒng)的應(yīng)用和經(jīng)濟性

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、膠帶機和PL-1000型排土機組成的連續(xù)工藝系統(tǒng)；1994年內(nèi)蒙古元寶山露天礦開始采用類似的兩條連續(xù)工藝系統(tǒng)，由塔克拉夫公司SRs1602型輪斗挖掘機、膠帶機及A2Rs-B5000型排土機組成，分兩個臺階作業(yè)，且在幾年后達到設(shè)計產(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、膠帶機和排土機組成。

2014年扎哈淖爾露天礦投產(chǎn)了一套新的輪斗挖掘機SRs2000、膠帶機、排土機ARs-7900連續(xù)工藝系統(tǒng)，用于第四系剝離物生產(chǎn)。峰值小時產(chǎn)能達到并超過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)計見表1和表2[1]。

表1 輪斗挖掘機年度產(chǎn)量統(tǒng)計萬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于使用連續(xù)工藝系統(tǒng)積累了豐富的經(jīng)驗，培養(yǎng)了生產(chǎn)、檢修維護及管理連續(xù)工藝系統(tǒng)的員工隊伍，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)計元/m3

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

輪斗挖掘機系統(tǒng)中，挖掘機通常又分為挖掘機主體、轉(zhuǎn)載車和漏斗車、電纜車；膠帶機系統(tǒng)包括工作面膠帶機、連接/提升膠帶機、排土面膠帶機等，根據(jù)工藝需要，長度、布置會不同；排土機包括排土機主體和卸料車，卸料車與排土機沿排土膠帶機行走，根據(jù)工藝要求在沿線任意位置將其上物料轉(zhuǎn)載入排土機上，然后排入排土場，輪斗挖掘機連續(xù)工藝系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 輪斗挖掘機連續(xù)工藝系統(tǒng)組成

輪斗挖掘機及轉(zhuǎn)載車、漏斗車/電纜車組成挖掘機系統(tǒng)，在一個或多個工作平盤上對采掘作業(yè)臺階逐層挖掘，通過斗輪將物料卸到挖掘臂膠帶上，再通過卸料臂、轉(zhuǎn)載車及漏斗車，物料被轉(zhuǎn)載到地面膠帶機系統(tǒng)，一直輸送到排土機。

挖掘機在此連續(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系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，斗輪及斗輪臂是實現(xiàn)采裝運工藝的關(guān)鍵部件，其參數(shù)決定了斗輪挖掘機的性能。重點討論輪斗挖掘機的生產(chǎn)能力計算及關(guān)鍵參數(shù)選型。

在連續(xù)工藝系統(tǒng)設(shè)計交流中發(fā)現(xiàn)，用戶最關(guān)心的是輪斗挖掘機如何實現(xiàn)目標產(chǎn)量，也就是輪斗挖掘機的選型問題。歸結(jié)起來，問題可分解為輪斗挖掘機年工作時間怎么算，全年不同季節(jié)時段輪斗挖掘機的工作效率，挖掘機與下游設(shè)備的匹配及可工作率，不同物料特性對挖掘機的影響，根據(jù)目標年產(chǎn)量如何確定小時產(chǎn)能等。

3 物料性能與挖掘機斗齒切割力的匹配

在露天礦剝離生產(chǎn)工藝中，采用輪斗挖掘機對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、細砂巖，黃、灰、灰褐、紅褐色泥巖（含白色礫石）組成[3]。

第四系粉細砂容重物料密度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，強度大大提高，當(dāng)處于-15°C時強度增加10倍左右。

3.1 挖掘機斗齒切割力的計算

根據(jù)塔克拉夫長期向全球露天礦提供輪斗挖掘機的經(jīng)驗，類比推薦一個型號，對其切割性能做試算，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)計能力Qth（松方），m3/h；

斗輪驅(qū)動功率N，kw；

斗輪直徑D，m；

輪斗數(shù)量e；

斗唇長度Lm，m；

斗齒總寬度b，m；

分層采掘時切割層厚度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；

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

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

瞬時參與切割的輪斗數(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為輪斗傳動效率，μ為與物料摩擦系數(shù)，計算時需要統(tǒng)一量綱。

表3是某項目調(diào)研期間對采樣塊的實測結(jié)果，按照MT/T796—1998煤和巖石切割力的測定[5]計算的切割阻力及通過計算得出的折合斗齒的線切割力。

表3 實測巖石取樣折合挖掘機斗齒的線切割阻力表

對比公式（1）和（2）中計算的輪斗的斗齒切割力與表3中折算的預(yù)期切割阻力，若計算切割力大于或等于切割阻力，輪斗選型與裝機功率匹配，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輪斗臂長確定

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

最大采掘高度hmax，滿足礦田地面不平度導(dǎo)致的臺階高度有變化[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；

工作面膠帶機至平盤邊坡安全距離≥12 m；

工作面膠帶機至工作臺階邊坡底安全距離≥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；輪斗挖掘機工藝布置參數(shù)如圖2。

圖2 輪斗挖掘機工藝布置參數(shù)

4 輪斗挖掘機能力計算

4.1 年有效工作時間計算

全年小時數(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)濟性不合理，所以通常需考慮冬歇期的非工作時間，

Tst=Tm×30×24=24 Tsd，h/a；

若計劃維護時間按每年2周，每月1班，每周0.5班，每天1 h計算，全年計劃維護時間為

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

工作面膠帶機移設(shè)時間按工作面推進計劃，每年移設(shè)Qsh次，這包括采掘面和排土面膠帶機及轉(zhuǎn)載點相關(guān)膠帶機的移設(shè)，改變膠帶長度，硫化膠帶，膠帶重新矯正等工作耗時，每次移設(shè)周期大約5 d，那么移設(shè)時間，

Tsh=Qsh×5×24，h/a；

計劃交接班時間，按每班30 min計，

Tb=（Tan-Ts）t×0.5/8，h/a；

全年有效工作時間

Teff=Tan-Tst-Tmt-Tst-Tb，h/a；

4.2 非計劃停機時間計算

非計劃停機時間與機器設(shè)備本身故障率Rf有關(guān)，通常大型設(shè)備如輪斗挖掘機和排土機的故障率會在設(shè)計及建造過程中考慮并嚴格限制，并在設(shè)備供貨合同中規(guī)定。每臺套機器可靠工作率Rop=1-Rf。輪斗挖掘機連續(xù)工藝系統(tǒng)中各設(shè)備的可工作率為：

輪斗挖掘機Rop-BWE；

轉(zhuǎn)載車，Rop-BW；

漏斗車，Rop-HP；

可移設(shè)工作面膠帶機，Rop-BCV；

其它膠帶機Rop-cv；

排土工作面膠帶機，Rop-DCV；

卸料車，Rop-TC；

排土機，Rop-SP；

輪斗挖掘機連續(xù)工藝系統(tǒng)可按工作率統(tǒng)計，

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

輪斗挖掘機連續(xù)工藝系統(tǒng)非計劃停機時間

Tf-sys=Teff×（1-Rop）

4.3 對凍土和非凍土的工作時間分配

在北方地區(qū)，冬季生產(chǎn)時會遇到存在一定厚度的凍土層，根據(jù)地質(zhì)測試報告和長期氣候的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以按如下采掘帶模型計算凍土比例和除冬歇期外的對凍土和非凍土的工作時間分配。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)計數(shù)據(jù)得到，結(jié)冰期間工作天數(shù)Top-fro由氣候統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到,

對凍土的工作時間比例Rop-fro=（Top-fro/Topd）× 100%

對非凍土的工作時間比例Rop-no=1-Rop-fro

4.4 輪斗挖掘機設(shè)計能力Qop和實際能力計算[7]

初定輪斗挖掘機正常工作時的設(shè)計小時能力Qop。由于采掘過程中挖掘機并不能總是滿載挖掘，挖掘過程中要前后移動和左右回轉(zhuǎn)，采掘帶效率ηblock；物料成分、含水量、松軟度、臺階高度等隨礦田區(qū)域變化，設(shè)定此種變化率為土壤系數(shù)ηsoil，會在0.8至1之間；挖掘機長期工作后完成一個采掘帶后，需要變換采掘帶，做采掘帶外部調(diào)整，需要一些時間，這里設(shè)相對于這種情況的采掘時間率為定義為長期系數(shù)ηlong；實際挖掘小時能力至少應(yīng)考慮這3個因素，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，長期系數(shù)*ηlong都會相應(yīng)改變，對凍土的實際挖掘小時能力也會明顯減少，

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

結(jié)冰期內(nèi)實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，實際凍土帶的小時挖掘能力減少，實際比例以勘測為準，

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

按松方計算的可實現(xiàn)年生產(chǎn)能力

Qan=Caverage×Teff×Rop-BS，m3/a

按實方計算的可實現(xiàn)年生產(chǎn)能力Qan/松散系數(shù)，此數(shù)據(jù)可在生產(chǎn)中實地測量得到驗證。

至此，輪斗挖掘機的小時能力可以推算出來。如果按上述計算得到的年生產(chǎn)能力不滿足設(shè)計要求，小時能力需要修正，直到滿足年生產(chǎn)能力要求。

在輪斗挖掘機能力計算中許多系數(shù)如采掘帶效率，長期系數(shù)，設(shè)備可工作率等，需從實際運行統(tǒng)計以及對礦田、物料性能的勘測得到，與相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量及生產(chǎn)管理、操作維護人員熟練程度密切相關(guān)。元寶山礦使用經(jīng)驗表明，操作維護及其管理團隊在熟練使用運行后，根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整采掘工藝，對局部設(shè)計做了修改，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，選型計算和測試結(jié)果如下。

5.1 計算結(jié)果

前期選型時的計算結(jié)果及參數(shù)如下[8]：

剝離物料：第三系，第四系；

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

斗輪直徑12.2 m；

斗數(shù)16；

裝機功率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 實際測試結(jié)果

實際驗收測試在2014年秋冬季，平均小時松方產(chǎn)能達到4 580 m3/h，實方產(chǎn)能3 270 m3/h，連續(xù)系統(tǒng)可工作率達到了0.9。

由于前期對物料測試有較大偏差，物料實際密度遠大于合同規(guī)定值，以重量計和土方計產(chǎn)能有較大差別，長期產(chǎn)能統(tǒng)計有待進一步完善。

6 結(jié)語

由于輪斗挖掘機連續(xù)工藝系統(tǒng)的經(jīng)濟性，在露天礦剝離物采裝運生產(chǎn)中被業(yè)界廣泛認可。廣大用戶及設(shè)計選型人員充分理解并掌握主要設(shè)備供應(yīng)商的機型關(guān)鍵參數(shù)及相關(guān)計算，會減少設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性造成的疑惑，也有助于相關(guān)人員在選型時思路清晰，系統(tǒng)準確地確定關(guān)鍵參數(shù)。

在輪斗挖掘機能力計算中，許多系數(shù)如采掘帶效率，長期系數(shù)，設(shè)備可工作率等，需從實際項目大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及對礦田、物料性能的實際勘測得到，與相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量及生產(chǎn)管理、操作維護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目的統(tǒng)計結(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，實際選型中還會涉及許多相關(guān)事宜，需要就實際情況研究確定。

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

［3］伊敏煤電有限責(zé)任公司三號露天煤礦可行性研究報告［R］.沈陽：中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，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定［S］.

［6］姚勇.輪斗挖掘機在白音華一號礦應(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)測試報告［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。