0 前言

我国地下矿用铲运机研制工作虽然起步较晚, 但起点较高, 发展较快, 初步形成一定生产规模, 研制水平有了长足进步。但与世界先进水平相差甚远, 产品技术水平较低, 可靠性较差, 规格不全、批量小, 严格制约其工作效率和经济效益的提高, 难以满足矿山工业发展的需要。因此论述地下矿用铲运机的现状和新发展, 推广国外新型、高效的铲运机技术, 优化产品结构, 对加速我国地下矿用铲运机的发展具有现实意义.

1 新产品不断推出

国外地下矿用铲运机产品规格齐全、品种多样、系列更趋完善, 可满足不同类型矿山、不同采矿方法和不同地质条件的需要。近年来, 其发展趋势是以围绕提高效率、降低成本为核心, 继续向无轨化、大型化、微形化、液压化、动力电气化和高度自动化方向发展^[1]。

1.1 CTX系列铲运机

法国EM公司重新设计推出的新产品: ①以CTXIHE取代CT500HE, 斗容从0.38m³提高到0.4m³, 载重量由600kg提高到700kg, 机宽850mm, 电动机功率22kW, 通过85m长电缆供电。②用CTX10代替CT10000和CT12000, 载重量13.5t。③还有CTX3(2.2m³)、CTX4(4m³)、CTX5(6m³)和CTX6(8m³)等新型产品。

该系列铲运机底盘坚固, 结构简单, 组合件和焊接件数量少, 机器功率与重量比更为合理。铲斗易于装载物料, 可缩短装载时间, 耐磨性有所提高。液压系统简化, 改进了控制转向和制动系统, 司机室仪表盘有报警器和信号灯。

1.2 EJC130D型铲运机

Tamrock公司推出, 斗容1.8~2.5m³, 载重量5.9t。按人机工程学设计司机室, 使司机工作环境更为舒适; 设有人工操作液压闸, 供卸载、举升和转向使用; 四轮上装有全封闭多重湿式盘式制动器, 制动更迅速、可靠; 采用可调节变速箱, 调速方便; 机架采用组合整体钢板结构, 可提高刚度和使用寿命; 后机架按陡坡大倾角和在难行区段有最大机动性进行仿制, 改善了通过性能^[2]。

1.3 Toro650D型铲运机

Tamrock公司推出的新一代铲运机, 载重量15t。装有快速运动铲斗和Z型连杆系统的动臂, 较高的满载运输速度。钢制管路、部件集中布置, 提高了结构的坚固性和可靠性。用posi-Torque差速器和轮承重量的优化分配, 提高了轮胎寿命, 且能减少燃油消耗。CECAM监测系统有助于铲运机工作参数的严格控制。中央润滑系统可减少常规润滑费用。

1.4 2500E型铲运机

Tamrock公司和卢基公司1995年5月研制的第一台2500E型铲运机在马尔姆贝里耶特矿使用, 装载能力比目前市场上铲运机高30%;故障低, 可降低维修工时, 节省维修费用。到1996年2月连续作业1050h, 生产工效为600t/h, 在运距大于120m时, 一台2500E型铲运机一周出矿53000t。该机斗容10m³、载重能力25t。配有350m电缆, 安在水平电缆盘上, 电缆盘转速快, 铲运机运行速度快, 缩短了铲运机循环作业时间。液压圆盘制动器具有良好的制动性能。采用宽铲斗可以保护轮胎不受损伤。运转平稳、操作简单, 牵引力和铲取力较大, 使铲运机装载一次即满斗, 铲斗与大臂动作迅速, 铲斗装满时间只需20S。司机室设有2台电视屏幕能显示铲运机后面和侧面运转情况。电动机噪音小、无环境污染, 可减少井下通风量^[3]。

1.5 L6A型铲运机

Schopf公司推出, 斗容3.5m³, ,有效载重量6.5t, 铲取力130kN。该机结构紧凑, 能在6m宽巷道侧面装车。设有弹簧施压液压释放制动器以及用于工作制动、停车制动和紧急制动回路, 120kW的柴油机, 旋转铰接装置, Clark变速箱和固定后桥提供足够空间, 配备有封闭式隔音司机室^[4]。

1.6 R1700型铲运机

澳大利亚Elphinstone公司推出, 斗容5.3m³, 载重量12t, 功率231kW。燃油消耗少, 尾气中有害成分排放少, 使矿井通风费用减少。装有电子控制分析编程器(ECAP)对发动机监控, 使铲装时间减少30%~40%, 坡道重载行驶时可保证车速^[3]。

2 新结构不断涌现 2.1 工作机构

出现了推卸式铲斗, 卸载速度由液压控制, 有较大卸载高度与卸载距离。卸载速度快, 对粘性物料也能卸净, 可在不增加巷道顶板高度情况下提高卸载高度。易损零部件用插销连接, 便于迅速更换。动臂采用Z型连杆机构, 它与高压液压系统相结合, 可为铲运机铲斗提供更大的铲取力, 能快速装载矿岩, 从而缩短装、卸作业循环时间。它的铰点少、杆件少, 便于维护保养, 减少维修时间和费用, 并为司机提供良好视野, 能够准确进行各种操作。还具有可控卸载速度, 减少因振动冲击对铲斗和连杆的损坏, 以及抖掉粘性物料的性能。

2.2 传动机构

可调式变速箱是近年来出现的一种新型变速机构, 它有一个可调式变矩器, 通过改变导轮叶片安装角使铲运机前进、后退工作范围达到无级调节; 工作循环不用换档, 减少换档冲击; 能合理地分配调整牵引力和液压系统功率, 使发动机转速恒定, 工作平稳。无离合器等易损件, 延长了变速箱使用寿命。浮动式驱动桥, 并带轮边行星减速器, 可增大车轮上的驱动扭矩, 提供较大的轮缘牵引力, 且使传动系统中其他零部件扭矩减小, 改善受力情况, 提高了传动系统中各零部件的可靠性。自锁差速器结构简单, 锁紧性能稳定, 工作可靠, 能有效防止打滑, 提高了铲运机通过能力^[3]。

2.3 铰接转向机构

采用了中央铰接液压转向, 在中央铰接点, 使用了大直径硬度较高的钢销轴和青铜轴瓦, 以提高耐久性和更换性。也有的铲运机的中央铰接点使用可调的圆锥滚动轴承, 能自动对中, 改善受力情况, 使铲运机在不平的路面上运行平稳。

2.4 制动系统

采用全封闭湿式多盘制动器, 使制动更加平稳、可靠、耐久, 使用期内无需调整。新出现的集工作制动、驱车制动、紧急制动和强制冷却为一体的湿式多盘制动器, 进一步提高了制动性能和可靠性。

2.5 操作系统

采用先导阀或电气控制阀使操作更加轻便; 采用集中润滑、自动润滑简化维护作业; 采用全封闭司机室, 设有空气净化和隔音装置, 进一步改善司机工作条件, 电动铲运机采用水平电缆盘及电气保护装置, 提高了安全性和可靠性; 采用现场摄像机、微电脑等技术对铲运机实行遥测、遥控。在驱动方式上仍处于柴油与电动并存阶段, 而电动铲运机比例呈上升趋势, 并出现电缆拖曳式和蓄电池供电与架线式和电缆拖曳式供电的双能源电动铲运机。

3 自动化技术发展迅速

21世纪是自动化、机电一体化大发展的时代, 为迎接时代的挑战, 国外一些制造铲运机的厂商应用微电子技术, 开发和研制出一批新型、高效、优质的产品, 以实现远距离遥控和危险作业的任务。

3.1 遥控和自动化

瑞典LKAB公司基律纳铁矿的KUJ2000计划采用遥控和自动化铲运机, 从分段崩落法采场放矿口装矿运至矿石溜井, 操纵人员在775m水平的控制中心工作, 每个人员可遥控3台铲运机。铲运机装载和卸载是遥控的, 而铲运机在放矿口与溜井之间是自动控制的。LKAB公司与Tamrock公司合作进行了铲运机遥控和自动化试验。在运输道路上, 埋设了控制导线, 以测定铲运机的行驶位置, 并输入计算机与事先确定行驶路线速度图进行比较, 将相应指令通过无线电发送给铲运机上控制接收机, 对行驶方向或速度做出必要调整, 视频监控器可使操作人员在任何时候都能控制^[5]。

3.2 计算机监控系统

Tamrock公司研究的CECAM计算机监控系统, 可简化铲运机实际性能和作业参数检验工作。该系统安在Toro型铲运机上, 通过El-Equip公司Multi-com系统, 将设备上信息传给地面上的计算机显示在操作用窗口式软件屏幕上, 将4台铲运机接到这个系统上, 就可按日、周、月监测设备和生产。可以收集铲斗载荷、每班装卸次数、运距和发动机工作小时数据; 可提供发动机的油压、温度、转速, 变速箱的温度与压力, 以及有关燃料与液压系统等参数的监测数据, 有利于提高设备效率^[4]。

3.3 电子监测系统

美国Wagner公司的Roek Tough电子监测系统, 是一种多模块式微处理机系统, 可监测铲运机各项作业参数, 并按两个限值来对比每个输入的数值, 当数值大于或小于警戒线时便向操作人员发出超限状态警告; 若超过临界值则令铲运机停止作业。该监测系统可选配一种无线电通讯模块与全线网络联通使用^[4]。

3.4 自动导向系统

加拿大于90年代初研制成功了铲运机自动导向系统, 并在Wagner ST-5型铲运机上配备了遥控和光导系统, 铲运机从放矿点向溜井卸矿点卸载, 能自动导向运行, 可向前向后行驶, 直线运行速度1m/s, 曲线运行速度0.3m/s。光导系统方便灵活, 并且可用于单机或多机控制的简单或复杂的运输网络, 可一人远距离监控多台铲运机。光导线路用一根具有光反射性能的条带安在巷道顶板上, 只靠电视摄像机镜头上安装小型光源照射即可实现自动导向控制。

3.5 自动装载系统

诺兰达技术中心在铲运机自动化技术研究开发领域处于领先地位, 在玛塔加米艾尔迪约矿, 对安装在3.8m³, 斗容铲运机上的自动装载系统成功的进行了测试。当铲运机开到矿堆前装矿时, 操作者使用一种标准远距离遥控器, 向安装在铲运机上的计算机发出指令, 控制铲运机运行, 接到指令后计算机控制铲斗下放到接触地面为止, 然后铲斗插入矿堆, 当来自矿堆阻力不再存在时, 铲运机此时认为铲斗已装满, 并测出铲斗有效载重量。试验表明:自动化装载时每斗载重量较人工装载时每斗载重量提高6%^[6]。

3.6 遥控和制导系统

加拿大国际镍公司北铜崖镍矿进行了铲运机遥控和制导系统试验。该系统使用高速、大容量的矿用计算机生产网络, 以及三维视频系统和无线电遥控装置, 在装载、卸载时遥控一台铲运机。装载后操作人员利用一种制导系统调度铲运机由放矿点行驶到溜矿井。在溜矿井处卸载作业遥控完成后, 再用制导系统控制铲运机返回放矿点, 开始下一工作循环作业, 从而实现一人控制遥控多台铲运机, 提高了生产效率、降低成本, 增加安全性, 特别对难于开采和有危险的作业具有更大的潜力。如果一人控制2~3台铲运机, 生产效率每工班能提高20%~30%;操作人员远离工作面, 不仅减少对背部和听力的损伤, 而且会减少落石击伤; 铲运机利用率的提高, 人员需要量的减少, 操作更加稳定, 使维修工作量大为减少。

3.7 摄像和遥控装置

瑞典辛克格吕万锌矿在载重量7t的GHH公司LF型铲运机上装有摄像机和遥控装置, 并于90年代初投入使用。铲运机(由摄像机跟踪)沿着刷在巷道顶板上的白色条带运行, 使其从放矿点向溜井卸矿点行驶。装载机卸载则由操作人员在控制室内进行遥控作业。交接班不中断铲运机工作, 有效的利用工作时间, 一人可操作多台铲运机, 提高了生产效率。操作人员远离工作面, 提高了安全性。

4 结语

综上所述, 铲运机的机械结构和自动化是当今各矿山公司和制造厂商最重要的研究开发领域之一, 并在90年代已取得突破性进展。在美国科罗拉多矿业学院1995年6月召开的第三届国际矿山机械化和自动化研讨会上, 两主席L.Ozdemir和K.Hanna指出:“毫无疑问矿业界未来生存和经济竞争力将有赖于涉及范围更加广泛机械化与自动化技术的应用”, “人工智能监测与控制技术也已开始在矿山生产每个方面的自动化寻找各自发展途径”。铲运机正向着智能化方向发展, 其最终目的是机器人化, 实现包括物质流、产品信息流在内的控制过程中体力与脑力劳动的自动化, 把人从繁重的、危险的劳动中解放出来, 并带来显著的经济效益和社会效益。