大型排巖機(jī)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

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

隨著國內(nèi)露天開采技術(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”的半連續(xù)開采生產(chǎn)工藝，相比于傳統(tǒng)卡車運(yùn)輸工藝，半連續(xù)開采生產(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)開采工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，將開采出的巖土連續(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，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)、潤滑系統(tǒng)、尾車、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，卸料行走小車與排料臂臂架結(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，且對工作場地環(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 國外排巖機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

排巖機(jī)在國外的起步較早，上世紀(jì)50年代德國、蘇聯(lián)就開始針對露天開采研發(fā)排巖機(jī)[1]。國外的大型露天開采設(shè)備經(jīng)過半個(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)客戶要求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)或參數(shù)化設(shè)計(jì)。

目前國外仍在生產(chǎn)排巖機(jī)的廠家主要有德國克虜伯集團(tuán)、MAN TAKRAF集團(tuán)、瑞典的山特維克集團(tuán)等[2]?？颂敳瘓F(tuán)生產(chǎn)的排巖機(jī)產(chǎn)量大、種類全、質(zhì)量好，市場占有率高。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 國內(nèi)排巖機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(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。一是與國外企業(yè)聯(lián)合生產(chǎn)階段。1977年撫順挖掘機(jī)廠與遼寧煤炭、天津工機(jī)等研究院根據(jù)國外技術(shù)聯(lián)合試制了PS-1000型排巖機(jī)并投入到露天開采工作中。大連重工于1985年也開始研制用于露天開采工藝的排巖機(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、大連重工開始嘗試獨(dú)立研發(fā)排巖機(jī)，開啟了國內(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)，提升了國產(chǎn)品牌的競爭力，填補(bǔ)了國內(nèi)空白[5]。目前國內(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測技術(shù)對托輥和軸承進(jìn)行技術(shù)檢測[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)主要問題是轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的物料對輸送帶、溜槽導(dǎo)料槽、頭罩的沖擊磨損較大，物料對輸送帶的沖擊會(huì)引起輸送帶和臂架的橫向振動(dòng)，對溜槽和頭罩的沖擊會(huì)加劇其內(nèi)壁磨損，縮短使用壽命。

針對上述問題，采用的理論方法是對溜槽和頭罩的形狀和材料進(jìn)行優(yōu)化。對頭罩型形狀的設(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腔型優(yōu)化，確定合適的腔型與落料管的曲線尺寸[10]，減小巖土物料對轉(zhuǎn)載內(nèi)壁的沖擊。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，主要采用卸料小車與緩沖裝置，卸料小車位于轉(zhuǎn)載點(diǎn)溜槽出口處，其作用一方面是收集經(jīng)過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。卸料小車上安裝有耐磨襯板，且小車內(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巖土進(jìn)行初步潤濕，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)處即被初步潤濕，防止在受料臂輸送機(jī)上產(chǎn)生揚(yáng)塵，運(yùn)輸過程中水的浸潤滲透與揮發(fā)也可以減輕轉(zhuǎn)載站泥濘問題。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]。

目前微米級干霧除塵技術(shù)是應(yīng)用在運(yùn)輸過程中比較先進(jìn)的技術(shù)之一[15]。理論方法是通過EDEM離散元理論及氣固兩相流理論，對運(yùn)輸過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，并對水管和霧化噴淋裝置安裝防凍設(shè)施，排巖機(jī)的供水線路較長，需要在沿途水管上安裝保暖層或渦流加熱裝置。另外，電場除塵技術(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、沖擊載荷過大、活塞桿速度突變等問題，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、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

排巖機(jī)的發(fā)展過程中涵蓋了機(jī)械、液壓、電氣、控制等多領(lǐng)域的技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)取得了長足的進(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)不能滿足使用要求等問題。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。