臂式斗轮堆取料机关键技术现状探讨

中国电力建设集团长春发电设备有限公司 吉林长春 130033

臂式斗轮堆取料机 (以下简称“斗轮机”)是散状物料的主要装卸搬运设备之一。随着科学技术的高速发展及技术性能要求的不断提高，斗轮机的设计难度和复杂程度不断增加。传统经验类比设计方法弊端突显，因此先进的设计方法和理念逐渐应用于斗轮机产品设计中。对关键技术的研究逐渐成为斗轮机研究领域的热点，原有制约斗轮机发展的一些关键技术问题不断被突破，斗轮机关键技术的研究水平和解决方案代表了当前斗轮机的技术水平。笔者结合当前斗轮机技术发展状况，综述了近年来关键技术取得的研究进展，探求其现阶段的解决方案，希望对斗轮机行业的健康发展及技术深入研究有所帮助。

1 斗轮机技术发展现状

国内斗轮机先后经历了小机型自主设计、整机购进技术模仿、中外技术合作、关键技术自主研发等发展阶段[1]。每经历一次技术变革，国内斗轮机的设计开发能力都得到明显提高。目前我国已经跻身于世界大型散料装卸设备生产和出口强国之列，设计研发能力与世界同步。产品在满足国内市场的同时，远销至亚洲的日本、越南、印度、菲律宾，大洋洲的澳大利亚，拉丁美洲的巴西、阿根廷、委内瑞拉，非洲的莫桑比克、利比里亚、南非等全世界多个国家和地区，主要服务用户遍及港口、电厂、冶金、矿山等诸多行业，其间不乏巴西淡水河谷、澳大利亚必和必拓与力拓等矿业巨头。国内斗轮机行业已经具备参与国际斗轮机市场竞争的能力[2]，打破了欧、美、日等发达国家和地区长期的市场垄断。斗轮机的技术研发水平主要体现在产品设计所能满足的标准规范、设备最大额定生产率和关键技术的研究水平等技术指标上。

(1)相关标准规范 目前国内斗轮机行业已经掌握了国内外散料运输装卸机械各相关标准规范，主要包括国际通用 ISO 5049 标准、欧洲搬运机械联合会 FEM 2.131/132 标准、澳大利亚 AS 4324.1 标准及IEC 国际电工标准等，同时也可以兼顾用户特殊要求的用户本国及其他国际标准。具体项目可按不同用户要求，构建不同的标准规范组合，设计和制造各种类型斗轮机产品。

(2)最大额定生产率 目前国内斗轮机最大额定生产率已达到国际先进水平，几乎能满足国内外各行业市场需求。国产的斗轮机回转半径最长可达 65 m，为世界悬臂最长的臂式斗轮机之一，目前应用于宝钢马迹山港项目；国产额定生产率最大的斗轮机，取料额定生产率为 8 000 t/h，堆料额定生产率为 10 500 t/h，应用于马来西亚 VMMP 项目及巴西淡水河谷铁矿项目；国产取料机最大额定生产率为 14 400 t/h，堆料机最大额定生产率为 14 500 t/h，二者同时也是当前世界同类最大设备，应用于澳大利亚 Roy Hill 铁矿项目。

可以看出，设计所能满足的标准规范和最大额定生产率体现了斗轮机技术水平满足市场需求的能力，而关键技术研究水平决定了斗轮机的技术性能先进性和自动化程度，是实现技术指标的前提和基础。因此，关键技术的研究水平决定了斗轮机的技术水平和发展方向，对关键技术的研究成为斗轮机研究领域的热点。

2 斗轮机关键技术研究现状

关健技术研究水平制约着斗轮机技术性能指标，决定其作业能力、可靠性、自动化程度及节能环保等技术性能。这些技术的发展受科学技术发展水平的影响，先进的设计方法和理念的引入赋予其新的内涵，目前主要有离散元仿真技术、参数化设计优化技术、智能化控制技术及多元化环保技术等。

2.1 离散元仿真技术

斗轮机作为散状物料的装卸设备，转运的物料为粒度小于 300 mm 的散状物料。目前普遍采用离散元法对散状物料的力学特性进行研究。该方法从提出到广泛应用，一直受计算机硬件与软件的制约。EDEM是英国 DEM Solutions 公司开发的一款实用的现代化离散元建模仿真和分析软件[3]，21 世纪初国内引进并应用于岩土工程、采矿工程、矿山机械、带式运输机等研究领域[4]。随着国内高校和科研院所研究的深入，该软件逐渐被熟知，应用领域也逐渐扩大。大连华锐重工、华电重工等斗轮机制造企业也通过产学研将其应用于斗轮机的研发和优化中，目前主要用于斗轮机挖掘取料机理和料流模拟仿真研究。该软件的应用，实现了斗轮机 (斗轮机构、转运料斗等部件)由经验设计到直观模拟仿真感性设计质的飞跃。

2.1.1 挖掘取料机理仿真技术

斗轮机构是斗轮机的取料功能单元，其设计理论来源于斗轮挖掘机，很多设计参数需要针对所运物料做试验获得，每个工程项目都进行试验并不现实，因此业内设备制造企业均参照规范，通过经验类比来完成设计。但设计确定斗轮机构几何尺寸、运动参数及驱动功率等参数时，需要涉及许多经验数据的选取，在可选范围内选取不同的数值对选型结果影响很大，且选取的数据无法准确反映一些个体的特殊情况 (如物料含水率、物料粒度、超载挖掘工况及料堆塌料事故等)。因此，在没有准确试验数据作为技术支撑的前提下，经验类比设计会导致结果不十分准确，易出现个案不能满足技术指标要求的情况。EDEM 软件的应用有助于解决该问题。

杨公波等人[5]在国内较早应用 EDEM 软件对斗轮机构取料过程进行仿真研究，发现了斗轮的挖掘阻力随斗轮转速增大而增大的变化规律，指出经验设计中忽视转速影响的弊端；且在自重卸料的转速范围内，铲斗物料的卸料区间随转速增大而整体向转动方向偏移并越发分散。该研究显示，可以在不做试验的情况下，通过软件仿真直观反映出斗轮机构挖掘力、转速、转角、斗内物料的质量及能耗等参数的变化规律，并可以得到料流的走向和区域，这对斗轮机构的参数确定及溜槽等卸料受料装置的设计都很必要，能有效避免出现堵料、撒料问题。

胡雄等人[6]采用 EDEM 软件对斗轮机挖掘过程进行仿真分析，探索物料挖掘量对挖掘阻力的影响：正常挖掘时，斗轮的满斗率应控制在 70%～80% 之间；当物料堆突然塌陷，作业铲斗全部埋入料堆时，最大阻力值约为正常值的 2 倍。郑培等人[7]在此基础上继续研究发现，塌料事故下的斗轮挖掘阻力随着斗轮被埋铲斗数及被埋深度的增加而呈指数增加。上述研究表明，EDEM 软件可以多角度模拟斗轮机构的作业工况，使特殊事故时斗轮机的载荷变化分析成为可能，为斗轮机事故原因的分析提供了理论支持。

2.1.2 料流模拟仿真技术

斗轮机堆取料作业需要机载带式输送机与设备中心部的转运料斗共同完成，两者与系统带式输送机共同构建了一条物料进出设备的转运通道。设备的转运料斗由多个导料槽及溜料斗组成，其中包括堆取料作业时的 2 个物料冲击转运点。传统经验设计只能校验料斗的通流面积及流速是否满足料流的通过，设计水平停留在保证料斗不堵料，但对料流冲击引起的输送带跑偏、衬板磨损过快等问题一直未能找到满意的解决方案。EDEM 软件的引入，为解决上述问题提供了新的思路。

何振亚[8]利用 EDEM 软件对臂式取料机的物料转载料斗的料流进行模拟仿真分析。通过软件仿真，可以直观得到合理的料流曲线。通过改变料斗形状及落点来调整料流冲击力，可以从根本上解决输送带的跑偏问题。

李宇红等人[9]选取煤作为仿真物料，利用 EDEM软件对带式输送机头部转运点和溜料斗进行仿真模拟。研究发现，抛物线形的头罩与弧线形溜料斗导流性能好，能控制磨损与冲击。头罩设计时，料流冲击方向与水平方向夹角不能小于 20°，溜料斗的倾角也应大于一定范围的物料等量摩擦角。该研究为转运料斗的设计提供了理论支撑。

王延高等人[10]在利用 SolidWorks 建模及 EDEM软件仿真基础上，找出传统溜料斗存在的问题原因，并按仿真料流曲线对料斗进行了改造。可以看出，EDEM 软件与其他三维制图软件的兼容性很好。

从上述研究可以看出，EDEM 软件在料流模拟仿真技术上的成功应用，克服了原有经验设计的不足，推进了斗轮机的技术革新。但该软件模拟仿真结果应用于实际工程也有一定局限性。首先，按仿真曲线设计料斗形状增加了制造的难度和成本，且有些材质的耐磨衬板根本无法按要求的特殊曲线加工；其次，斗轮机机型大小不同，导致用于布置料斗的门座、转盘及回转支承等部件的中心位置空间有限，曲线形料斗存在安装空间不足的问题；此外，国内港口、电厂等行业斗轮机需要转运多种物料，不同产地的物料特性多变，加之季节环境因素的影响，也使料斗的仿真结果难以适应全部工况要求。

2.2 参数化设计优化技术

斗轮机属于单件小批、非标定制产品，每台新产品研发设计工作量很大，参数化设计是现代设计理念提高工作效率的必然要求。参数化设计实现的理论方法和技术路线灵活多样，常用的有基于几何约束的变量几何法、几何推理的人工智能法及构造过程的构造法等[11]。目前斗轮机参数化设计常用的方法为变量几何法，实际应用中表现为 3 种情况：参数化图纸设计，参数化结构分析优化，以及将两者组合在一起的参数化设计优化平台系统。

张宝国等人[12]利用 Inventor 软件对斗轮机关键零部件的参数化图纸设计进行研究，实现方法为变量几何法。通过 Excel 表设置参数表进行几何约束，并使用参数表驱动三维模型单元完成新零件绘图设计，提高了同类零件设计和绘制的工作效率。

武帅等人[13]利用 APDL 语言编辑驱动参数，建立斗轮机斗轮轮体的参数化 ANSYS 有限元模型，采用变量几何法，以最大应力和最小实体为几何约束条件，完成了斗轮体的轻量化优化设计，实现了有限元分析与优化设计方法的有机结合。

叶南海等人[14]开发了参数化设计优化平台系统，该系统采用 VB 语言搭建平台，集成了基于 Inventor的参数化图纸设计、基于 APDL 参数化有限元分析和多目标优化，实现了两者的有机结合，对于提高斗轮机产品研发效率有很高价值。

由此可见，参数化设计技术已经在斗轮机设计研究中得以应用，虽然采用的方法各异，但殊途同归，最终目的均为利用参数化设计方法，缩短产品设计研发周期，提高工作效率。目前，国内部分高校 (中南大学、湖南大学、武汉理工大学等)，以及大连华锐重工、华电重工和泰富重工等斗轮机制造企业也针对斗轮机参数化设计开展了不同程度的研究[15-17]，如表1 所列。

通过对上述研究成果分析可以看出，国内斗轮机参数化研究还是停留在主要部件层面，而对斗轮机整机系统的参数化设计则几乎没有开展。主要原因是斗轮机为非标产品，机型形式受装卸工艺制约，整机机构参数受应用领域、物料特性、使用环境等多方面因素影响，目前很难实现标准化和通用化。非标产品实现单一机型参数化设计意义不大。因此目前斗轮机参数化设计仍停留在主要部件的参数化研究阶段。

2.3 智能化控制技术

斗轮机智能化控制技术一直是行业的研究热点和发展趋势。21 世纪初，德国、日本等发达国家已经进行了斗轮机智能化控制的研究和应用。以德国为代表的欧洲全自动模式为典型的智能化控制模式[18]，目前欧洲斗轮机行业已经发展为第 4 代智能化控制系统技术。国内近几年也加大了斗轮机智能化控制研发力度，据悉泰富重工已经引进了欧洲第 4 代斗轮机智能控制系统，并以此为基础自主研发了适应国内市场的定制化的斗轮机智能化控制系统[19]。同时该公司也意识到单机智能化控制的局限性，在国内首次提出了智能化料场的创新概念。国内在斗轮机智能化控制技术研究方面已经接近国外先进水平，但由于国内斗轮机应用行业及领域发展不均，智能化控制技术的实际应用与发达国家相比还存在一定差距。

2.3.1 智能化控制研究现状

国内外斗轮机智能化控制系统的组成并无差别，主要包括硬件系统和软件系统两部分[20]。硬件系统由斗轮机控制系统和中控室中央控制系统两部分组成；软件系统由斗轮机自动作业系统、料堆可视化软件系统、料场料堆及物料管理软件系统、堆取料作业设备调度软件系统、料场设备防碰撞软件系统及堆取料设备远程管理软件系统等部分组成。其中硬件系统组件 PLC、工控机操作站、中控室服务器、3D 激光扫描系统及 RTK-GPS 系统等元件，国内选用品牌和产品性能与国外几乎相同，均采用西门子、ABB、施耐德、研华等国际知名品牌。目前国内和国外存在差距的仍为软件系统。不可否认国内专业工控软件开发的实力与国外存在一定的差距。斗轮机单机智能化主要包含斗轮机自身的料场定位和斗轮机设备间防撞。近年来，国内学者也做了一些研究，剪欣等人[21]对料堆可视化系统方面进行了研究，利用 3D 激光扫描成像系统，优化算法处理，提高了系统的实时性和稳定性。刘鹏飞等人[22]基于机器人运动学原理，研究斗轮机作业空间运动轨迹，对斗轮机自动作业和防碰撞均有研究价值。但很多研究处于实验室阶段，很难立即应用于工程实际。斗轮机智能化控制软件系统性能与国外发达国家相比存在一定差距，主要表现在图像处理周期长，实时性差、稳定性低等方面，一直未得到圆满解决。

2.3.2 智能化控制应用局限性

目前，宝钢马迹山港、华能曹妃甸港、青岛港、烟台港、厦门港及烟台港等多个港口已经实现了斗轮机智能化控制[23-24]，浙能温州电厂、华能海门电厂等多个电厂也进行了斗轮机智能化控制改造[25]。虽然国内在斗轮机智能化控制技术研究上取得了一定成效，但全行业推广仍存在一定的局限性。主要原因是实现斗轮机智能化控制是多方协同工作的结果，单机智能化不等于料场智能化。目前很多港口和电厂的基础设施与装卸工艺存在问题[26]，单机转运物料种类过多，现有堆料工艺料堆堆积形状不规则，需要配料、混料的情况也很多，给全面智能化控制带来很大难度。另外，实现智能化控制对斗轮机设备的可靠性要求较高，国内各斗轮机制造厂商产品质量良莠不齐，短时间无法同步达到智能化控制质量需求。要实现真正的全行业料场智能化控制，还有很长的路要走。

2.4 多元化环保技术

斗轮机作业时扬尘污染环境一直是制约设备发展的重要因素，因此斗轮机环保技术研究一直备受业内关注。目前斗轮机的环保技术表现出多元化的特点，主要包括封尘、减尘和抑尘三方面技术内容。封尘技术是指国家环保政策要求，储料场应采用封闭或半封闭存储；减尘技术是指在斗轮机设计中采取必要措施，减少斗轮机各扬尘点的产尘量；抑尘技术是指采用降尘装置对斗轮机扬尘点进行除尘处理，分为露天煤场和封闭煤场 2 种情况。原有斗轮机条形煤场多数进行了钢结构网架煤棚的封闭改造[25]，从根本上杜绝斗轮机作业时对周边环境的污染，因此减尘技术和抑尘技术是目前斗轮机环保技术研究的重点。

斗轮机减尘技术主要有以下解决方案：对斗轮机物料转运点实行导料槽、护罩的封闭设计，增加 2 层以上的防尘挡帘，防止粉尘外溢；采用离散元 EDEM软件仿真设计新型料斗，降低料流冲击，减少扬尘；采用新型的迷宫式的防溢裙板，防止转运点撒料，也能有效减少粉尘产生。

斗轮机抑尘技术通常采用喷水除尘的方式。近年来业内进行了大量的研究，喷水除尘包括 3 种方式，喷淋除尘、高压微雾除尘和干雾除尘[27]，需要根据具体情况综合选择。封闭煤场建议选择斗轮机干雾除尘系统和料场除尘系统 (可移动远程射雾器)组合工作方式，可以达到理想的环保效果[28]。对于露天料场，当料场周围设有抑风装置，料场风力常年较小，物料对水比较敏感时，建议选择高压微雾除尘系统和干雾抑尘系统 (如料场供水水质不理想，建议不要选择高压微雾除尘系统)；当料场风力不稳定，且料场周围没有很好的抑风措施，建议选择喷淋除尘系统[29]。

黎胜龙等人[30]提出了一种智能控制喷雾除尘技术，引入了环境监测元件并集成高压微雾除尘、干雾抑尘 2 种除尘装置。环境监测元件可监测并根据作业环境粉尘浓度、风速和温度的变化，自动切换喷雾除尘装置工作模式，达到理想抑尘效果。该除尘装置自动化水平较高，适应性广，属于将智能化控制技术应用于除尘装置设计的有效尝试，代表了当前抑尘技术的研究水平和发展方向。

国内斗轮机环保技术的理论研究已经做了大量工作，基本满足当前斗轮机行业对环保技术的要求。目前主要存在的问题是现有智能化除尘装置还无法满足多种物料运输时根据环境智能化切换工作参数和模式，有待进一步研发和完善；微雾除尘及干雾除尘系统造价昂贵，喷嘴、微米级干雾机等主要元件国产性能不可靠，大多还依赖进口；国内除尘系统生产配套厂家规模不一，产品质量良莠不齐，产品整体可靠性有待提高。

3 关键技术解决方案探讨

近年来国内外学者针对斗轮机关键技术进行了大量的研究，取得了一定进展，推动了斗轮机的技术发展与进步，但在工程实际应用中仍存在一些局限性。笔者通过分析，提出如下解决方案。

3.1 离散元技术解决方案

国内复杂的斗轮机应用环境导致离散元仿真技术的应用存在局限性。可以参照国外物料输送行业的解决方法，采用物理试验与虚拟仿真相结合的方法进行研究。斗轮机装卸输送多种物料时，首先分析各物料特性，从中选出一种典型物料，对其进行剪切测试，建立模型，对安息角及摩擦角进行试验测试。理论与试验相结合能更加准确得到物料流动性的运动特征参数[31]，这对转运料斗系统设计非常关键。建议国内斗轮机行业加以借鉴，变粗放型设计为精细化设计，使国内斗轮机细节设计水平与世界接轨。

3.2 参数化技术解决方案

国内斗轮机非标产品的差异性导致参数化技术应用存在局限性。斗轮机整机参数化目前存在一定难度，因此可以探究应用参数化设计技术对斗轮机进行模块化设计[32]，将斗轮机分成若干功能模块，按特定的系列对单个功能模块采用参数化设计。模块化设计是系列化和标准化的前提，相信随着模块化设计逐渐成熟和有序推进，斗轮机整机也可以逐步实现参数化设计。

3.3 智能化控制技术解决方案

国内斗轮机不同行业基础设施和装卸工艺问题导致智能化控制技术应用存在局限性。建议国家加大智能化控制软件系统的研发投入和扶持力度，向科研实力强的斗轮机制造企业政策倾斜，鼓励制造企业与高校、科研院所产学研合作，以缩短研发周期，尽早满足工程实际需要；港口、电力、钢铁、矿山、石化、冶金等行业应根据自身条件，合理制定可操作的智能化实施目标。原有条件较好的项目有序进行局部智能化改造，新建项目则应按全面智能化考虑并预留接口；工程设计规划单位应合理统筹规划整个智能化料场，斗轮机制造企业应提高产品整体质量和可靠性。只有用户、设计院和制造企业三方协同合作，才能实现斗轮机智能化的全行业推广。

3.4 环保技术解决方案

针对斗轮机环保技术应用中存在的相关问题，应紧跟国家环保政策导向，开发针对多种物料特性的定制化智能控制系统，以适应整机智能化控制的需要。加大主要进口元件的国产化研发，降低系统成本。尽快制定行业质量管控体系和技术标准，规范配套厂家产品生产流程，促进产品质量升级，提高系统的安全可靠性。

4 结语

斗轮机技术发展水平受关键技术研究进展和解决方案的制约。现有关健技术的研究状况，一定程度上能够满足当前国内外斗轮机市场的发展需求，但存在一定局限性，还有很大的提升空间，需要进一步攻关，探求更加科学合理的解决方案，并应用于工程实际，从而带动和促进斗轮机技术水平的稳步提升。