臂式斗輪堆取料機關鍵技術現(xiàn)狀探討

中國電力建設集團長春發(fā)電設備有限公司 吉林長春 130033

臂式斗輪堆取料機 (以下簡稱“斗輪機”)是散狀物料的主要裝卸搬運設備之一。隨著科學技術的高速發(fā)展及技術性能要求的不斷提高，斗輪機的設計難度和復雜程度不斷增加。傳統(tǒng)經驗類比設計方法弊端突顯，因此先進的設計方法和理念逐漸應用于斗輪機產品設計中。對關鍵技術的研究逐漸成為斗輪機研究領域的熱點，原有制約斗輪機發(fā)展的一些關鍵技術問題不斷被突破，斗輪機關鍵技術的研究水平和解決方案代表了當前斗輪機的技術水平。筆者結合當前斗輪機技術發(fā)展狀況，綜述了近年來關鍵技術取得的研究進展，探求其現(xiàn)階段的解決方案，希望對斗輪機行業(yè)的健康發(fā)展及技術深入研究有所幫助。

1 斗輪機技術發(fā)展現(xiàn)狀

國內斗輪機先后經歷了小機型自主設計、整機購進技術模仿、中外技術合作、關鍵技術自主研發(fā)等發(fā)展階段[1]。每經歷一次技術變革，國內斗輪機的設計開發(fā)能力都得到明顯提高。目前我國已經躋身于世界大型散料裝卸設備生產和出口強國之列，設計研發(fā)能力與世界同步。產品在滿足國內市場的同時，遠銷至亞洲的日本、越南、印度、菲律賓，大洋洲的澳大利亞，拉丁美洲的巴西、阿根廷、委內瑞拉，非洲的莫桑比克、利比里亞、南非等全世界多個國家和地區(qū)，主要服務用戶遍及港口、電廠、冶金、礦山等諸多行業(yè)，其間不乏巴西淡水河谷、澳大利亞必和必拓與力拓等礦業(yè)巨頭。國內斗輪機行業(yè)已經具備參與國際斗輪機市場競爭的能力[2]，打破了歐、美、日等發(fā)達國家和地區(qū)長期的市場壟斷。斗輪機的技術研發(fā)水平主要體現(xiàn)在產品設計所能滿足的標準規(guī)范、設備最大額定生產率和關鍵技術的研究水平等技術指標上。

(1)相關標準規(guī)范 目前國內斗輪機行業(yè)已經掌握了國內外散料運輸裝卸機械各相關標準規(guī)范，主要包括國際通用 ISO 5049 標準、歐洲搬運機械聯(lián)合會 FEM 2.131/132 標準、澳大利亞 AS 4324.1 標準及IEC 國際電工標準等，同時也可以兼顧用戶特殊要求的用戶本國及其他國際標準。具體項目可按不同用戶要求，構建不同的標準規(guī)范組合，設計和制造各種類型斗輪機產品。

(2)最大額定生產率 目前國內斗輪機最大額定生產率已達到國際先進水平，幾乎能滿足國內外各行業(yè)市場需求。國產的斗輪機回轉半徑最長可達 65 m，為世界懸臂最長的臂式斗輪機之一，目前應用于寶鋼馬跡山港項目；國產額定生產率最大的斗輪機，取料額定生產率為 8 000 t/h，堆料額定生產率為 10 500 t/h，應用于馬來西亞 VMMP 項目及巴西淡水河谷鐵礦項目；國產取料機最大額定生產率為 14 400 t/h，堆料機最大額定生產率為 14 500 t/h，二者同時也是當前世界同類最大設備，應用于澳大利亞 Roy Hill 鐵礦項目。

可以看出，設計所能滿足的標準規(guī)范和最大額定生產率體現(xiàn)了斗輪機技術水平滿足市場需求的能力，而關鍵技術研究水平決定了斗輪機的技術性能先進性和自動化程度，是實現(xiàn)技術指標的前提和基礎。因此，關鍵技術的研究水平決定了斗輪機的技術水平和發(fā)展方向，對關鍵技術的研究成為斗輪機研究領域的熱點。

2 斗輪機關鍵技術研究現(xiàn)狀

關健技術研究水平制約著斗輪機技術性能指標，決定其作業(yè)能力、可靠性、自動化程度及節(jié)能環(huán)保等技術性能。這些技術的發(fā)展受科學技術發(fā)展水平的影響，先進的設計方法和理念的引入賦予其新的內涵，目前主要有離散元仿真技術、參數化設計優(yōu)化技術、智能化控制技術及多元化環(huán)保技術等。

2.1 離散元仿真技術

斗輪機作為散狀物料的裝卸設備，轉運的物料為粒度小于 300 mm 的散狀物料。目前普遍采用離散元法對散狀物料的力學特性進行研究。該方法從提出到廣泛應用，一直受計算機硬件與軟件的制約。EDEM是英國 DEM Solutions 公司開發(fā)的一款實用的現(xiàn)代化離散元建模仿真和分析軟件[3]，21 世紀初國內引進并應用于巖土工程、采礦工程、礦山機械、帶式運輸機等研究領域[4]。隨著國內高校和科研院所研究的深入，該軟件逐漸被熟知，應用領域也逐漸擴大。大連華銳重工、華電重工等斗輪機制造企業(yè)也通過產學研將其應用于斗輪機的研發(fā)和優(yōu)化中，目前主要用于斗輪機挖掘取料機理和料流模擬仿真研究。該軟件的應用，實現(xiàn)了斗輪機 (斗輪機構、轉運料斗等部件)由經驗設計到直觀模擬仿真感性設計質的飛躍。

2.1.1 挖掘取料機理仿真技術

斗輪機構是斗輪機的取料功能單元，其設計理論來源于斗輪挖掘機，很多設計參數需要針對所運物料做試驗獲得，每個工程項目都進行試驗并不現(xiàn)實，因此業(yè)內設備制造企業(yè)均參照規(guī)范，通過經驗類比來完成設計。但設計確定斗輪機構幾何尺寸、運動參數及驅動功率等參數時，需要涉及許多經驗數據的選取，在可選范圍內選取不同的數值對選型結果影響很大，且選取的數據無法準確反映一些個體的特殊情況 (如物料含水率、物料粒度、超載挖掘工況及料堆塌料事故等)。因此，在沒有準確試驗數據作為技術支撐的前提下，經驗類比設計會導致結果不十分準確，易出現(xiàn)個案不能滿足技術指標要求的情況。EDEM 軟件的應用有助于解決該問題。

楊公波等人[5]在國內較早應用 EDEM 軟件對斗輪機構取料過程進行仿真研究，發(fā)現(xiàn)了斗輪的挖掘阻力隨斗輪轉速增大而增大的變化規(guī)律，指出經驗設計中忽視轉速影響的弊端；且在自重卸料的轉速范圍內，鏟斗物料的卸料區(qū)間隨轉速增大而整體向轉動方向偏移并越發(fā)分散。該研究顯示，可以在不做試驗的情況下，通過軟件仿真直觀反映出斗輪機構挖掘力、轉速、轉角、斗內物料的質量及能耗等參數的變化規(guī)律，并可以得到料流的走向和區(qū)域，這對斗輪機構的參數確定及溜槽等卸料受料裝置的設計都很必要，能有效避免出現(xiàn)堵料、撒料問題。

胡雄等人[6]采用 EDEM 軟件對斗輪機挖掘過程進行仿真分析，探索物料挖掘量對挖掘阻力的影響：正常挖掘時，斗輪的滿斗率應控制在 70%～80% 之間；當物料堆突然塌陷，作業(yè)鏟斗全部埋入料堆時，最大阻力值約為正常值的 2 倍。鄭培等人[7]在此基礎上繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，塌料事故下的斗輪挖掘阻力隨著斗輪被埋鏟斗數及被埋深度的增加而呈指數增加。上述研究表明，EDEM 軟件可以多角度模擬斗輪機構的作業(yè)工況，使特殊事故時斗輪機的載荷變化分析成為可能，為斗輪機事故原因的分析提供了理論支持。

2.1.2 料流模擬仿真技術

斗輪機堆取料作業(yè)需要機載帶式輸送機與設備中心部的轉運料斗共同完成，兩者與系統(tǒng)帶式輸送機共同構建了一條物料進出設備的轉運通道。設備的轉運料斗由多個導料槽及溜料斗組成，其中包括堆取料作業(yè)時的 2 個物料沖擊轉運點。傳統(tǒng)經驗設計只能校驗料斗的通流面積及流速是否滿足料流的通過，設計水平停留在保證料斗不堵料，但對料流沖擊引起的輸送帶跑偏、襯板磨損過快等問題一直未能找到滿意的解決方案。EDEM 軟件的引入，為解決上述問題提供了新的思路。

何振亞[8]利用 EDEM 軟件對臂式取料機的物料轉載料斗的料流進行模擬仿真分析。通過軟件仿真，可以直觀得到合理的料流曲線。通過改變料斗形狀及落點來調整料流沖擊力，可以從根本上解決輸送帶的跑偏問題。

李宇紅等人[9]選取煤作為仿真物料，利用 EDEM軟件對帶式輸送機頭部轉運點和溜料斗進行仿真模擬。研究發(fā)現(xiàn)，拋物線形的頭罩與弧線形溜料斗導流性能好，能控制磨損與沖擊。頭罩設計時，料流沖擊方向與水平方向夾角不能小于 20°，溜料斗的傾角也應大于一定范圍的物料等量摩擦角。該研究為轉運料斗的設計提供了理論支撐。

王延高等人[10]在利用 SolidWorks 建模及 EDEM軟件仿真基礎上，找出傳統(tǒng)溜料斗存在的問題原因，并按仿真料流曲線對料斗進行了改造?？梢钥闯?，EDEM 軟件與其他三維制圖軟件的兼容性很好。

從上述研究可以看出，EDEM 軟件在料流模擬仿真技術上的成功應用，克服了原有經驗設計的不足，推進了斗輪機的技術革新。但該軟件模擬仿真結果應用于實際工程也有一定局限性。首先，按仿真曲線設計料斗形狀增加了制造的難度和成本，且有些材質的耐磨襯板根本無法按要求的特殊曲線加工；其次，斗輪機機型大小不同，導致用于布置料斗的門座、轉盤及回轉支承等部件的中心位置空間有限，曲線形料斗存在安裝空間不足的問題；此外，國內港口、電廠等行業(yè)斗輪機需要轉運多種物料，不同產地的物料特性多變，加之季節(jié)環(huán)境因素的影響，也使料斗的仿真結果難以適應全部工況要求。

2.2 參數化設計優(yōu)化技術

斗輪機屬于單件小批、非標定制產品，每臺新產品研發(fā)設計工作量很大，參數化設計是現(xiàn)代設計理念提高工作效率的必然要求。參數化設計實現(xiàn)的理論方法和技術路線靈活多樣，常用的有基于幾何約束的變量幾何法、幾何推理的人工智能法及構造過程的構造法等[11]。目前斗輪機參數化設計常用的方法為變量幾何法，實際應用中表現(xiàn)為 3 種情況：參數化圖紙設計，參數化結構分析優(yōu)化，以及將兩者組合在一起的參數化設計優(yōu)化平臺系統(tǒng)。

張寶國等人[12]利用 Inventor 軟件對斗輪機關鍵零部件的參數化圖紙設計進行研究，實現(xiàn)方法為變量幾何法。通過 Excel 表設置參數表進行幾何約束，并使用參數表驅動三維模型單元完成新零件繪圖設計，提高了同類零件設計和繪制的工作效率。

武帥等人[13]利用 APDL 語言編輯驅動參數，建立斗輪機斗輪輪體的參數化 ANSYS 有限元模型，采用變量幾何法，以最大應力和最小實體為幾何約束條件，完成了斗輪體的輕量化優(yōu)化設計，實現(xiàn)了有限元分析與優(yōu)化設計方法的有機結合。

葉南海等人[14]開發(fā)了參數化設計優(yōu)化平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用 VB 語言搭建平臺，集成了基于 Inventor的參數化圖紙設計、基于 APDL 參數化有限元分析和多目標優(yōu)化，實現(xiàn)了兩者的有機結合，對于提高斗輪機產品研發(fā)效率有很高價值。

由此可見，參數化設計技術已經在斗輪機設計研究中得以應用，雖然采用的方法各異，但殊途同歸，最終目的均為利用參數化設計方法，縮短產品設計研發(fā)周期，提高工作效率。目前，國內部分高校 (中南大學、湖南大學、武漢理工大學等)，以及大連華銳重工、華電重工和泰富重工等斗輪機制造企業(yè)也針對斗輪機參數化設計開展了不同程度的研究[15-17]，如表1 所列。

通過對上述研究成果分析可以看出，國內斗輪機參數化研究還是停留在主要部件層面，而對斗輪機整機系統(tǒng)的參數化設計則幾乎沒有開展。主要原因是斗輪機為非標產品，機型形式受裝卸工藝制約，整機機構參數受應用領域、物料特性、使用環(huán)境等多方面因素影響，目前很難實現(xiàn)標準化和通用化。非標產品實現(xiàn)單一機型參數化設計意義不大。因此目前斗輪機參數化設計仍停留在主要部件的參數化研究階段。

2.3 智能化控制技術

斗輪機智能化控制技術一直是行業(yè)的研究熱點和發(fā)展趨勢。21 世紀初，德國、日本等發(fā)達國家已經進行了斗輪機智能化控制的研究和應用。以德國為代表的歐洲全自動模式為典型的智能化控制模式[18]，目前歐洲斗輪機行業(yè)已經發(fā)展為第 4 代智能化控制系統(tǒng)技術。國內近幾年也加大了斗輪機智能化控制研發(fā)力度，據悉泰富重工已經引進了歐洲第 4 代斗輪機智能控制系統(tǒng)，并以此為基礎自主研發(fā)了適應國內市場的定制化的斗輪機智能化控制系統(tǒng)[19]。同時該公司也意識到單機智能化控制的局限性，在國內首次提出了智能化料場的創(chuàng)新概念。國內在斗輪機智能化控制技術研究方面已經接近國外先進水平，但由于國內斗輪機應用行業(yè)及領域發(fā)展不均，智能化控制技術的實際應用與發(fā)達國家相比還存在一定差距。

2.3.1 智能化控制研究現(xiàn)狀

國內外斗輪機智能化控制系統(tǒng)的組成并無差別，主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分[20]。硬件系統(tǒng)由斗輪機控制系統(tǒng)和中控室中央控制系統(tǒng)兩部分組成；軟件系統(tǒng)由斗輪機自動作業(yè)系統(tǒng)、料堆可視化軟件系統(tǒng)、料場料堆及物料管理軟件系統(tǒng)、堆取料作業(yè)設備調度軟件系統(tǒng)、料場設備防碰撞軟件系統(tǒng)及堆取料設備遠程管理軟件系統(tǒng)等部分組成。其中硬件系統(tǒng)組件 PLC、工控機操作站、中控室服務器、3D 激光掃描系統(tǒng)及 RTK-GPS 系統(tǒng)等元件，國內選用品牌和產品性能與國外幾乎相同，均采用西門子、ABB、施耐德、研華等國際知名品牌。目前國內和國外存在差距的仍為軟件系統(tǒng)。不可否認國內專業(yè)工控軟件開發(fā)的實力與國外存在一定的差距。斗輪機單機智能化主要包含斗輪機自身的料場定位和斗輪機設備間防撞。近年來，國內學者也做了一些研究，剪欣等人[21]對料堆可視化系統(tǒng)方面進行了研究，利用 3D 激光掃描成像系統(tǒng)，優(yōu)化算法處理，提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。劉鵬飛等人[22]基于機器人運動學原理，研究斗輪機作業(yè)空間運動軌跡，對斗輪機自動作業(yè)和防碰撞均有研究價值。但很多研究處于實驗室階段，很難立即應用于工程實際。斗輪機智能化控制軟件系統(tǒng)性能與國外發(fā)達國家相比存在一定差距，主要表現(xiàn)在圖像處理周期長，實時性差、穩(wěn)定性低等方面，一直未得到圓滿解決。

2.3.2 智能化控制應用局限性

目前，寶鋼馬跡山港、華能曹妃甸港、青島港、煙臺港、廈門港及煙臺港等多個港口已經實現(xiàn)了斗輪機智能化控制[23-24]，浙能溫州電廠、華能海門電廠等多個電廠也進行了斗輪機智能化控制改造[25]。雖然國內在斗輪機智能化控制技術研究上取得了一定成效，但全行業(yè)推廣仍存在一定的局限性。主要原因是實現(xiàn)斗輪機智能化控制是多方協(xié)同工作的結果，單機智能化不等于料場智能化。目前很多港口和電廠的基礎設施與裝卸工藝存在問題[26]，單機轉運物料種類過多，現(xiàn)有堆料工藝料堆堆積形狀不規(guī)則，需要配料、混料的情況也很多，給全面智能化控制帶來很大難度。另外，實現(xiàn)智能化控制對斗輪機設備的可靠性要求較高，國內各斗輪機制造廠商產品質量良莠不齊，短時間無法同步達到智能化控制質量需求。要實現(xiàn)真正的全行業(yè)料場智能化控制，還有很長的路要走。

2.4 多元化環(huán)保技術

斗輪機作業(yè)時揚塵污染環(huán)境一直是制約設備發(fā)展的重要因素，因此斗輪機環(huán)保技術研究一直備受業(yè)內關注。目前斗輪機的環(huán)保技術表現(xiàn)出多元化的特點，主要包括封塵、減塵和抑塵三方面技術內容。封塵技術是指國家環(huán)保政策要求，儲料場應采用封閉或半封閉存儲；減塵技術是指在斗輪機設計中采取必要措施，減少斗輪機各揚塵點的產塵量；抑塵技術是指采用降塵裝置對斗輪機揚塵點進行除塵處理，分為露天煤場和封閉煤場 2 種情況。原有斗輪機條形煤場多數進行了鋼結構網架煤棚的封閉改造[25]，從根本上杜絕斗輪機作業(yè)時對周邊環(huán)境的污染，因此減塵技術和抑塵技術是目前斗輪機環(huán)保技術研究的重點。

斗輪機減塵技術主要有以下解決方案：對斗輪機物料轉運點實行導料槽、護罩的封閉設計，增加 2 層以上的防塵擋簾，防止粉塵外溢；采用離散元 EDEM軟件仿真設計新型料斗，降低料流沖擊，減少揚塵；采用新型的迷宮式的防溢裙板，防止轉運點撒料，也能有效減少粉塵產生。

斗輪機抑塵技術通常采用噴水除塵的方式。近年來業(yè)內進行了大量的研究，噴水除塵包括 3 種方式，噴淋除塵、高壓微霧除塵和干霧除塵[27]，需要根據具體情況綜合選擇。封閉煤場建議選擇斗輪機干霧除塵系統(tǒng)和料場除塵系統(tǒng) (可移動遠程射霧器)組合工作方式，可以達到理想的環(huán)保效果[28]。對于露天料場，當料場周圍設有抑風裝置，料場風力常年較小，物料對水比較敏感時，建議選擇高壓微霧除塵系統(tǒng)和干霧抑塵系統(tǒng) (如料場供水水質不理想，建議不要選擇高壓微霧除塵系統(tǒng))；當料場風力不穩(wěn)定，且料場周圍沒有很好的抑風措施，建議選擇噴淋除塵系統(tǒng)[29]。

黎勝龍等人[30]提出了一種智能控制噴霧除塵技術，引入了環(huán)境監(jiān)測元件并集成高壓微霧除塵、干霧抑塵 2 種除塵裝置。環(huán)境監(jiān)測元件可監(jiān)測并根據作業(yè)環(huán)境粉塵濃度、風速和溫度的變化，自動切換噴霧除塵裝置工作模式，達到理想抑塵效果。該除塵裝置自動化水平較高，適應性廣，屬于將智能化控制技術應用于除塵裝置設計的有效嘗試，代表了當前抑塵技術的研究水平和發(fā)展方向。

國內斗輪機環(huán)保技術的理論研究已經做了大量工作，基本滿足當前斗輪機行業(yè)對環(huán)保技術的要求。目前主要存在的問題是現(xiàn)有智能化除塵裝置還無法滿足多種物料運輸時根據環(huán)境智能化切換工作參數和模式，有待進一步研發(fā)和完善；微霧除塵及干霧除塵系統(tǒng)造價昂貴，噴嘴、微米級干霧機等主要元件國產性能不可靠，大多還依賴進口；國內除塵系統(tǒng)生產配套廠家規(guī)模不一，產品質量良莠不齊，產品整體可靠性有待提高。

3 關鍵技術解決方案探討

近年來國內外學者針對斗輪機關鍵技術進行了大量的研究，取得了一定進展，推動了斗輪機的技術發(fā)展與進步，但在工程實際應用中仍存在一些局限性。筆者通過分析，提出如下解決方案。

3.1 離散元技術解決方案

國內復雜的斗輪機應用環(huán)境導致離散元仿真技術的應用存在局限性?？梢詤⒄諊馕锪陷斔托袠I(yè)的解決方法，采用物理試驗與虛擬仿真相結合的方法進行研究。斗輪機裝卸輸送多種物料時，首先分析各物料特性，從中選出一種典型物料，對其進行剪切測試，建立模型，對安息角及摩擦角進行試驗測試。理論與試驗相結合能更加準確得到物料流動性的運動特征參數[31]，這對轉運料斗系統(tǒng)設計非常關鍵。建議國內斗輪機行業(yè)加以借鑒，變粗放型設計為精細化設計，使國內斗輪機細節(jié)設計水平與世界接軌。

3.2 參數化技術解決方案

國內斗輪機非標產品的差異性導致參數化技術應用存在局限性。斗輪機整機參數化目前存在一定難度，因此可以探究應用參數化設計技術對斗輪機進行模塊化設計[32]，將斗輪機分成若干功能模塊，按特定的系列對單個功能模塊采用參數化設計。模塊化設計是系列化和標準化的前提，相信隨著模塊化設計逐漸成熟和有序推進，斗輪機整機也可以逐步實現(xiàn)參數化設計。

3.3 智能化控制技術解決方案

國內斗輪機不同行業(yè)基礎設施和裝卸工藝問題導致智能化控制技術應用存在局限性。建議國家加大智能化控制軟件系統(tǒng)的研發(fā)投入和扶持力度，向科研實力強的斗輪機制造企業(yè)政策傾斜，鼓勵制造企業(yè)與高校、科研院所產學研合作，以縮短研發(fā)周期，盡早滿足工程實際需要；港口、電力、鋼鐵、礦山、石化、冶金等行業(yè)應根據自身條件，合理制定可操作的智能化實施目標。原有條件較好的項目有序進行局部智能化改造，新建項目則應按全面智能化考慮并預留接口；工程設計規(guī)劃單位應合理統(tǒng)籌規(guī)劃整個智能化料場，斗輪機制造企業(yè)應提高產品整體質量和可靠性。只有用戶、設計院和制造企業(yè)三方協(xié)同合作，才能實現(xiàn)斗輪機智能化的全行業(yè)推廣。

3.4 環(huán)保技術解決方案

針對斗輪機環(huán)保技術應用中存在的相關問題，應緊跟國家環(huán)保政策導向，開發(fā)針對多種物料特性的定制化智能控制系統(tǒng)，以適應整機智能化控制的需要。加大主要進口元件的國產化研發(fā)，降低系統(tǒng)成本。盡快制定行業(yè)質量管控體系和技術標準，規(guī)范配套廠家產品生產流程，促進產品質量升級，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

4 結語

斗輪機技術發(fā)展水平受關鍵技術研究進展和解決方案的制約?，F(xiàn)有關健技術的研究狀況，一定程度上能夠滿足當前國內外斗輪機市場的發(fā)展需求，但存在一定局限性，還有很大的提升空間，需要進一步攻關，探求更加科學合理的解決方案，并應用于工程實際，從而帶動和促進斗輪機技術水平的穩(wěn)步提升。