轮斗挖掘机在露天矿的应用选型分析

蒋雪卿

（塔克拉夫特诺恩采矿技术（北京）有限公司，北京100027）

轮斗挖掘机在露天矿的应用选型分析

蒋雪卿

（塔克拉夫特诺恩采矿技术（北京）有限公司，北京100027）

轮斗挖掘机连续采装剥离物的工艺在露天矿中广泛应用，总结一套轮斗挖掘机的程序和计算方法，便于用户和设计人员选型采购，逐步介绍了有效工作时间、设备可工作率、设备效率、设备设计能力和平均能力的计算，轮斗切割力与物料特性的匹配，以及轮斗主要参数的确定方法。

轮斗挖掘机；连续工艺系统；经济性；设备能力计算

在大型露天矿中，采用轮斗挖掘机连续采装剥离物的工艺越来越广泛，其采装运成本远远低于其它半连续或单斗卡车间断工艺，而其灵活性也使移设周期大大缩短。用户在选用轮斗挖掘机时，需考虑因素较多，程序繁琐，选型过程很长。就选型时的主要内容归纳总结，便于用户今后选型采购，缩短采购时间，使采购风险可控。

1 轮斗挖掘机工艺系统的应用和经济性

1986年云南省小龙潭沼坝露天矿首次使用WUD400/700型轮斗挖掘机、胶带机和PL-1000型排土机组成的连续工艺系统；1994年内蒙古元宝山露天矿开始采用类似的两条连续工艺系统，由塔克拉夫公司SRs1602型轮斗挖掘机、胶带机及A2Rs-B5000型排土机组成，分两个台阶作业，且在几年后达到设计产能；2003年黑岱沟露天矿也投入4套连续工艺系统，由克虏伯SchRs710/1X15型轮斗挖掘机、胶带机和排土机组成。

2014年扎哈淖尔露天矿投产了一套新的轮斗挖掘机SRs2000、胶带机、排土机ARs-7900连续工艺系统，用于第四系剥离物生产。峰值小时产能达到并超过6 600 m3松方。

这里以元宝山露天矿连续工艺应用为例，连续系统产能和成本统计见表1和表2[1]。

表1 轮斗挖掘机年度产量统计万m3

从上述中可以看出，连续工艺单位剥离成本比半连续工艺低36%，比间断工艺低82%。

目前元宝山露天矿对于使用连续工艺系统积累了丰富的经验，培养了生产、检修维护及管理连续工艺系统的员工队伍，从而在成本控制、优化生产等方面展示了轮斗挖掘机连续工艺系统广泛的应用前景[2]。

表2 历年单位剥离物成本统计元/m3

2 连续工艺系统的组成及轮斗挖掘机的生产工艺

轮斗挖掘机系统中，挖掘机通常又分为挖掘机主体、转载车和漏斗车、电缆车；胶带机系统包括工作面胶带机、连接/提升胶带机、排土面胶带机等，根据工艺需要，长度、布置会不同；排土机包括排土机主体和卸料车，卸料车与排土机沿排土胶带机行走，根据工艺要求在沿线任意位置将其上物料转载入排土机上，然后排入排土场，轮斗挖掘机连续工艺系统组成如图1。

图1 轮斗挖掘机连续工艺系统组成

轮斗挖掘机及转载车、漏斗车/电缆车组成挖掘机系统，在一个或多个工作平盘上对采掘作业台阶逐层挖掘，通过斗轮将物料卸到挖掘臂胶带上，再通过卸料臂、转载车及漏斗车，物料被转载到地面胶带机系统，一直输送到排土机。

挖掘机在此连续工艺系统中是关键设备，其生产能力主要决定了整个系统的生产能力，斗轮及斗轮臂是实现采装运工艺的关键部件，其参数决定了斗轮挖掘机的性能。重点讨论轮斗挖掘机的生产能力计算及关键参数选型。

在连续工艺系统设计交流中发现，用户最关心的是轮斗挖掘机如何实现目标产量，也就是轮斗挖掘机的选型问题。归结起来，问题可分解为轮斗挖掘机年工作时间怎么算，全年不同季节时段轮斗挖掘机的工作效率，挖掘机与下游设备的匹配及可工作率，不同物料特性对挖掘机的影响，根据目标年产量如何确定小时产能等。

3 物料性能与挖掘机斗齿切割力的匹配

在露天矿剥离生产工艺中，采用轮斗挖掘机对以第四系和第三系软岩为主的剥离物采装作业是最经济的，前面已经论述。以扎哈淖尔露天矿为例，第四系分别为泥岩、粉砂岩、碳质泥岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砂砾岩岩石等。第三系，主要由灰白～灰褐色砾岩，含砾粗砂岩、灰黄色泥岩夹灰白色砂砾岩、细砂岩，黄、灰、灰褐、红褐色泥岩（含白色砾石）组成[3]。

第四系粉细砂容重物料密度ρ为1.95 t/m3，松散系数1.3～1.4，抗压强度为p为0.147～0.539 MPa，物料与轮斗的摩擦系数μ。岩石在冷冻条件下，强度大大提高，当处于-15°C时强度增加10倍左右。

3.1 挖掘机斗齿切割力的计算

根据塔克拉夫长期向全球露天矿提供轮斗挖掘机的经验，类比推荐一个型号，对其切割性能做试算，然后根据结果做参数修正。初始参数设置如下：

设计能力Qth（松方），m3/h；

斗轮驱动功率N，kw；

斗轮直径D，m；

轮斗数量e；

斗唇长度Lm，m；

斗齿总宽度b，m；

分层采掘时切割层厚度hs≤fhs×D，分层系数fhs，根据D和总采掘高度决定，不大于0.5 m；

斗轮对物料的提升高度H=fH×D，提升高度系数fH取值0.5～0.7，与斗轮结构有关，m；

斗轮转速nSR，min-1；每分钟卸料次数nS=e× nSR；

切割线速度vs=π×D×nSR/60，m/s；

轮斗进给切入厚度t=ft×Qth/（60×nS）/(π D Lm)，进给量系数ft，与斗轮结构有关，m；

瞬时切入物块平均厚度tm=t×（1-cos ψ）/ ψ，单层采掘时瞬时切割弧线包角ψ，m；

瞬时参与切割的轮斗数nk；

切割面积Asp；Asp=fA×Qth/vs/3 600，面积系数fA，取值0.8～1.2，与工况有关，m2；

线切割力算法[4]：

其中，η为轮斗传动效率，μ为与物料摩擦系数，计算时需要统一量纲。

表3是某项目调研期间对采样块的实测结果，按照MT/T796—1998煤和岩石切割力的测定[5]计算的切割阻力及通过计算得出的折合斗齿的线切割力。

表3 实测岩石取样折合挖掘机斗齿的线切割阻力表

对比公式（1）和（2）中计算的轮斗的斗齿切割力与表3中折算的预期切割阻力，若计算切割力大于或等于切割阻力，轮斗选型与装机功率匹配，否则修正初始输入值复算，直至二力平衡，斗轮参数确定。

3.2轮斗臂长确定

轮斗臂长由挖掘高度、采幅宽度、轮斗直径、工作台阶坡面角，安全距离等几何参数确定。

最大采掘高度hmax，满足矿田地面不平度导致的台阶高度有变化[6]；

正常采掘高度h，分多层挖掘；

正面边坡角α，通常60°左右；

侧面边坡角β，通常50°左右；

工作面胶带机至平盘边坡安全距离≥12 m；

工作面胶带机至工作台阶边坡底安全距离≥20 m；

采掘带宽度，例如三采一移3×B或两采一移2×B；取决于采区总体工艺布置；轮斗挖掘机工艺布置参数如图2。

图2 轮斗挖掘机工艺布置参数

4 轮斗挖掘机能力计算

4.1 年有效工作时间计算

全年小时数Tan=8 760 h/a；

在北方地区需要考虑由于冰冻期产能大幅下降，若在冰冻期工作，经济性不合理，所以通常需考虑冬歇期的非工作时间，

Tst=Tm×30×24=24 Tsd，h/a；

若计划维护时间按每年2周，每月1班，每周0.5班，每天1 h计算，全年计划维护时间为

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

工作面胶带机移设时间按工作面推进计划，每年移设Qsh次，这包括采掘面和排土面胶带机及转载点相关胶带机的移设，改变胶带长度，硫化胶带，胶带重新矫正等工作耗时，每次移设周期大约5 d，那么移设时间，

Tsh=Qsh×5×24，h/a；

计划交接班时间，按每班30 min计，

Tb=（Tan-Ts）t×0.5/8，h/a；

全年有效工作时间

Teff=Tan-Tst-Tmt-Tst-Tb，h/a；

4.2 非计划停机时间计算

非计划停机时间与机器设备本身故障率Rf有关，通常大型设备如轮斗挖掘机和排土机的故障率会在设计及建造过程中考虑并严格限制，并在设备供货合同中规定。每台套机器可靠工作率Rop=1-Rf。轮斗挖掘机连续工艺系统中各设备的可工作率为：

轮斗挖掘机Rop-BWE；

转载车，Rop-BW；

漏斗车，Rop-HP；

可移设工作面胶带机，Rop-BCV；

其它胶带机Rop-cv；

排土工作面胶带机，Rop-DCV；

卸料车，Rop-TC；

排土机，Rop-SP；

轮斗挖掘机连续工艺系统可按工作率统计，

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

轮斗挖掘机连续工艺系统非计划停机时间

Tf-sys=Teff×（1-Rop）

4.3 对冻土和非冻土的工作时间分配

在北方地区，冬季生产时会遇到存在一定厚度的冻土层，根据地质测试报告和长期气候的统计数据，可以按如下采掘带模型计算冻土比例和除冬歇期外的对冻土和非冻土的工作时间分配。采掘带中冻土比例如图3。

图3 采掘带中冻土比例

每年总工作天数Topd=365-30×Tm-14= 351-30×Tm；

年结冰天数Tfro由气候统计数据得到，结冰期间工作天数Top-fro由气候统计数据得到,

对冻土的工作时间比例Rop-fro=（Top-fro/Topd）× 100%

对非冻土的工作时间比例Rop-no=1-Rop-fro

4.4 轮斗挖掘机设计能力Qop和实际能力计算[7]

初定轮斗挖掘机正常工作时的设计小时能力Qop。由于采掘过程中挖掘机并不能总是满载挖掘，挖掘过程中要前后移动和左右回转，采掘带效率ηblock；物料成分、含水量、松软度、台阶高度等随矿田区域变化，设定此种变化率为土壤系数ηsoil，会在0.8至1之间；挖掘机长期工作后完成一个采掘带后，需要变换采掘带，做采掘带外部调整，需要一些时间，这里设相对于这种情况的采掘时间率为定义为长期系数ηlong；实际挖掘小时能力至少应考虑这3个因素，不排除其它干扰因素，

Qoph=Qop×ηblock×ηsoil×ηlong，m3/h

由于冻土的切割阻力增大，上述系数如采掘带系数ηblock，土壤系数ηsoil，长期系数*ηlong都会相应改变，对冻土的实际挖掘小时能力也会明显减少，

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

结冰期内实际的采掘带是非冻土带覆盖冻土层，如图示15%结冰表土层，85%非结冰物料，实际冻土带的小时挖掘能力减少，实际比例以勘测为准，

Qop-winter=Qoph-fro×15%+Coph×85%

全年总工作天数内平均有效挖掘能力，

Qaverage=Qoph×Rop-no+Qop-winter×Rop-fro

4.5 年生产能力估算

按松方计算的可实现年生产能力

Qan=Caverage×Teff×Rop-BS，m3/a

按实方计算的可实现年生产能力Qan/松散系数，此数据可在生产中实地测量得到验证。

至此，轮斗挖掘机的小时能力可以推算出来。如果按上述计算得到的年生产能力不满足设计要求，小时能力需要修正，直到满足年生产能力要求。

在轮斗挖掘机能力计算中许多系数如采掘带效率，长期系数，设备可工作率等，需从实际运行统计以及对矿田、物料性能的勘测得到，与相关设备的质量及生产管理、操作维护人员熟练程度密切相关。元宝山矿使用经验表明，操作维护及其管理团队在熟练使用运行后，根据实际情况适当调整采掘工艺，对局部设计做了修改，产能大幅提高。

5 应用案例

以2014年扎哈淖尔露天矿投产的连续工艺系统为例，选型计算和测试结果如下。

5.1 计算结果

前期选型时的计算结果及参数如下[8]：

剥离物料：第三系，第四系；

设计峰值松方能力6 600 m3/h，平均松方能力4 575 m3/h；平均实方能力3 520 m3/h，年产实方能力≥10 Mm3/a

斗轮直径12.2 m；

斗数16；

装机功率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；

两采一移2×50 m；

最大切割力110 kN/m，斗齿切割力200 kN/m；连续系统可工作率0.80～0.85。

5.2 实际测试结果

实际验收测试在2014年秋冬季，平均小时松方产能达到4 580 m3/h，实方产能3 270 m3/h，连续系统可工作率达到了0.9。

由于前期对物料测试有较大偏差，物料实际密度远大于合同规定值，以重量计和土方计产能有较大差别，长期产能统计有待进一步完善。

6 结语

由于轮斗挖掘机连续工艺系统的经济性，在露天矿剥离物采装运生产中被业界广泛认可。广大用户及设计选型人员充分理解并掌握主要设备供应商的机型关键参数及相关计算，会减少设备系统的复杂性造成的疑惑，也有助于相关人员在选型时思路清晰，系统准确地确定关键参数。

在轮斗挖掘机能力计算中，许多系数如采掘带效率，长期系数，设备可工作率等，需从实际项目大量数据统计以及对矿田、物料性能的实际勘测得到，与相关设备的质量及生产管理、操作维护人员熟练程度密切相关，所举案例是以塔克拉夫公司在全球项目的统计结果，仅作参考。由于该连续系统设备的大型化和复杂性，从关键设备和参数入手做了逐一分析，实际选型中还会涉及许多相关事宜，需要就实际情况研究确定。

［1］王晨光.连续工艺在元宝山露天煤矿的应用［J］.露天采矿技术，2016，31（3）：30-33.

［2］白羽.轮斗挖掘机冬季作业存在的问题及解决措施［J］.露天采矿技术，2015（2）：39-40.

［3］伊敏煤电有限责任公司三号露天煤矿可行性研究报告［R］.沈阳：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，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煤和岩石切割力的测定［S］.

［6］姚勇.轮斗挖掘机在白音华一号矿应用的可行性分析［J］.露天采矿技术，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.扎哈淖尔连续工艺系统测试报告［R］.

【责任编辑：张东旭】

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

蒋雪卿.轮斗挖掘机在露天矿的应用选型分析［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：26-30.

2016-08-07

蒋雪卿（1967—），女，高级工程师，研究生，现就职于塔克拉夫特诺恩采矿技术有限公司。