论文部分内容阅读
摘 要：挖掘机是露天矿山开采的必需设备，新矿山或老矿山在选购挖掘机时都选购10立方以上的大型挖掘机。但一些老矿山中的四立方挖掘仍在使用。四立方挖掘机是上世纪50年代的产品，由于是开式传动、传动链长，造成故障率高、维护成本高、出动率低，是老矿山亟待要解决的问题。“四立电动挖掘机”升级后就完全解决了这一难题。
关键词：挖掘机;维护保养;开式传动;行星减速机;免维护。
挖掘机是露天开采的主要设备，它能达到完全机械化、效率高。据统计一台四立方米单斗挖掘机在Ⅵ级土壤中的挖掘工作相当于1500人的劳动量。可见其惊人的生产能力。
随着国内外露天矿山生产规模的日趋扩大，采矿工艺和设备技术水平日益提高，为了进一步提高企业的经济效益和劳动生产率，降低生产成本，更大规格的矿用挖掘机已经开始逐步取代小规格的挖掘设备，露天采装设备（挖掘机）向大型化发展已经是不可逆转的大趋势。
目前，我国新开发的露天矿已经很少选用四立方电动挖掘机，一般都选用十立方及以上更大规格的电动挖掘机。四立方电动挖掘机只有老礦山还在使用，而且数量还不少。
随着高性能材料以及行星减速机的出现，大型电动挖掘机在设计制造过程中已经得到广泛应用。几乎所有的露天矿山在新建、改建和扩建中均选择了性能更加完善、技术水平更先进、可靠性更好、生产效率更高、更易于维护和保养、设备消耗更低、使用寿命更长、价格功能比更优的大规格矿用挖掘机。
目前矿山正在使用的“四立方电动挖掘机”如何提高使用性能已经势在必行。
四立方挖掘升级设计理念：
1. 利用现代设计方法和手段提高整机的性能和可靠性。挖掘机载荷谱及挖掘轨迹研究成果的应用， 建立了整机性能参数、工作尺寸、不同挖掘物料载荷谱以及合理挖掘轨迹之间的数学模型， 为产品设计提供了科学、可靠的依据。基于虚拟样机的整机性能分析和仿真优化设计技术的应用，优化了整机性能，实现了产品的三维设计和部分零部件的参数化设计。矿用挖掘机主要传动系统动态分析研究成果的应用，实现了系统三维实体动态仿真分析， 提高了传动系统零部件的可靠性和使用寿命。矿用挖掘机主要部件结构优化设计技术的应用，实现了结构件的三维参数化设计、优化设计和有限元分析等。
2. 新材料、新工艺的应用，提高了大型结构件的可靠性。在铲斗、斗杆、起重臂、回转平台、A 形架、底架、履带架以及大型齿轮箱的设计和制造过程中大量采用优质低合金高强度调质和正火钢板、优质焊接材料和严格的焊接工艺，大大提高了焊接结构件的强度和刚度，降低了结构件的重量。通过局部或整体退火处理，有效地消除了焊接结构件的残余应力， 避免了主要基础结构件的早期失效现象，提高了基础结构件的使用寿命。
3. 新材料、新工艺的应用， 提高了传动零件的可靠性。广泛采用硬齿面齿轮传动技术。在传动系统的轴类和齿轮类零件的设计和制造过程中采用了优质低碳合金钢锻造，整体调质， 轮齿表面渗碳淬火，磨齿，齿形修缘，齿根喷丸强化等先进工艺手段和措施，提高了该类零件的抗弯、抗扭强度和表面接触强度， 提高了传动零件的使用寿命。
4. 新材料、新工艺的应用， 提高了主要承力零件的可靠性。在各主要承力销轴类、支重轮、环轨等零件的设计和制造过程中采用了优质中碳合金钢， 整体调质的先进工艺， 提高了零件的使用寿命。铲斗斗唇、整体斗齿、斗唇护套、推压齿条、张紧轮、后导轮、履带板等零部件采用优质高锰钢铸造，提高了零部件耐磨性。
5. 整体结构铲斗的应用，提高了铲斗的使用寿命。在整体铲斗的易磨损部位采用焊接性能好、综合机械性能高、表面硬度高、使用寿命长的复合耐磨板，有效地保护了铲斗本体。
6. 高性能组合斗齿的应用， 减少了维护时间，提高了设备的生产效率。高性能的组合斗齿可以根据不同的挖掘物料选择不同材料特性的齿座和齿尖，减少了齿尖材料的浪费，大幅度缩短了更换齿尖的时间，提高了整机的可用率和生产效率。
7、模块化设计的、全封闭的提升、回转和行走减速箱。采用模块化设计的、全封闭的提升、回转和行走减速箱， 提高了齿轮的啮合精度，便于安装和维护。
8、新型履带驱动系统的采用，提高了系统的可靠性。采用驱动轮高置的近似链轮-链条驱动的履带驱动系统。履带板和驱动轮的啮合部位在靠近连接销的中心线处。与传统的驱动轮系统相比， 其接合长度大大增加， 压力角明显减小。新的履带驱
动系统将消除节距干涉，降低驱动轮和履带板在啮合时的相对滑行量，从而减少驱动轮和履带板的磨损。另外，驱动轮凸块和履带板间啮合压力角的减小几乎消除它们在载荷作用下分离的可能性，将改善履带板和履带连接销的受力状况，提高履带驱动系统的使用寿命并减少维护工作量。
9、电气系统。电气系统采用“上位综合监控系统+PLC+基础变频传动” 控制方案，提高控制水平和调速性能，PLC 实现整机运行的时序逻辑控制，变频传动驱动各机构协调动作，实现可控运行;在挖掘机上采用监控系统，对各种信号进行综合显示、监控，实现运行状态监控与故障诊断;三级数据之间交换通过PROFIBUS DP 总线实现，信息交换量大，提高工艺控制的软件化程度。较直流机组系统节能17%，工作效率提高10%，功率因数可达到1， 对电网无谐波污染。
10、整机运行状态监控及故障诊断系统。全数字化的整机运行状态监控及故障诊断系统可提高整机的操控性能，包括整机机械传动系统、电气系统、辅助系统、润滑系统、压气操纵系统等的温度、压力、流量及电气运行参数的监控及故障诊断系统， 工作装置的实时运行显示系统， 挖掘工况下提升-推压操作最优化控制系统， 物料自动称重和计量系统， 远程监控与故障诊断系统等。
四立方电动挖掘机重点升级部份简介：
一、电气控制系统：采用变频控制系统，PLC+人机界面控制。节电、故障率低，对设备起到很好的保护作用。
二、机械部份的升级：
1. 推压齿轮和齿条，采用锻造整体合金钢加工，避免由于铸造缺陷造成的故障。使用寿命保证2年以上。（原铸造使用不到1年）
2. 提升系统采用行星减速提升机构，去掉原有的开式传动方式。提升卷扬设计为卡套式结构，方便提升钢丝绳的更换。提升卷杨与减速系统合为一体，使得机棚内干净、简捷、宽敞，除定期更换提升钢丝绳外，整体机构免维护。
3. 回转系统是由两套相同的减速器同时传动，输出到回转立轴小齿轮上，与底架梁的回转大齿轮啮合。减速机选用两套相同行星回转减速系统，确保无故障运行。
4. 履带装置及行走机构：采用上驱位传动、独立行走系统。履带装置中的支承轮增加到每侧4个、共8个，再加2个拉紧轮。拉紧轮装在拉紧方轴上。主动轴与驱动轮及行星减速机采用渐开线花键联结，取消多余的传动链，确保无故障运行。
5. 所有结构件采用高强钢焊接为箱形结构件，确保5年免维修。
“四立方电动挖掘机”升级总体采用模块化设计，可以对原4立电铲进行部件更换。新制结构件大部份选用低合金高强板焊接，最大限度减少铸件。行走选用独立行走行星减速机，回转两套回转行星减速机，提升选用内藏式行星减速机直接对提升卷扬。这些减速机均为专业减速机厂家生产，能确保3万小时免维护，从而使整机故障率大大降低，除斗齿、提升钢丝绳等易损件定期更换外，设备基本上是“无故障运行”，从而大大提高电铲出动率。
参考文献：
[1] 王拥军， 张先明. 四立方电铲电气控制系统的改进[J]. 云南煤炭， 2009， 000（002）：46-47.
[2] 张骥. 电动挖掘机动力与传动系统设计及仿真[D]. 青岛大学， 2015.
[3] 杨志勇， 刘初升， 王亚东. 立井施工新型电动挖掘机液压系统设计[J]. 液压与气动， 2012.
（抚顺矿业集团机械制造厂，辽宁 抚顺 113000）
关键词：挖掘机;维护保养;开式传动;行星减速机;免维护。
挖掘机是露天开采的主要设备，它能达到完全机械化、效率高。据统计一台四立方米单斗挖掘机在Ⅵ级土壤中的挖掘工作相当于1500人的劳动量。可见其惊人的生产能力。
随着国内外露天矿山生产规模的日趋扩大，采矿工艺和设备技术水平日益提高，为了进一步提高企业的经济效益和劳动生产率，降低生产成本，更大规格的矿用挖掘机已经开始逐步取代小规格的挖掘设备，露天采装设备（挖掘机）向大型化发展已经是不可逆转的大趋势。
目前，我国新开发的露天矿已经很少选用四立方电动挖掘机，一般都选用十立方及以上更大规格的电动挖掘机。四立方电动挖掘机只有老礦山还在使用，而且数量还不少。
随着高性能材料以及行星减速机的出现，大型电动挖掘机在设计制造过程中已经得到广泛应用。几乎所有的露天矿山在新建、改建和扩建中均选择了性能更加完善、技术水平更先进、可靠性更好、生产效率更高、更易于维护和保养、设备消耗更低、使用寿命更长、价格功能比更优的大规格矿用挖掘机。
目前矿山正在使用的“四立方电动挖掘机”如何提高使用性能已经势在必行。
四立方挖掘升级设计理念：
1. 利用现代设计方法和手段提高整机的性能和可靠性。挖掘机载荷谱及挖掘轨迹研究成果的应用， 建立了整机性能参数、工作尺寸、不同挖掘物料载荷谱以及合理挖掘轨迹之间的数学模型， 为产品设计提供了科学、可靠的依据。基于虚拟样机的整机性能分析和仿真优化设计技术的应用，优化了整机性能，实现了产品的三维设计和部分零部件的参数化设计。矿用挖掘机主要传动系统动态分析研究成果的应用，实现了系统三维实体动态仿真分析， 提高了传动系统零部件的可靠性和使用寿命。矿用挖掘机主要部件结构优化设计技术的应用，实现了结构件的三维参数化设计、优化设计和有限元分析等。
2. 新材料、新工艺的应用，提高了大型结构件的可靠性。在铲斗、斗杆、起重臂、回转平台、A 形架、底架、履带架以及大型齿轮箱的设计和制造过程中大量采用优质低合金高强度调质和正火钢板、优质焊接材料和严格的焊接工艺，大大提高了焊接结构件的强度和刚度，降低了结构件的重量。通过局部或整体退火处理，有效地消除了焊接结构件的残余应力， 避免了主要基础结构件的早期失效现象，提高了基础结构件的使用寿命。
3. 新材料、新工艺的应用， 提高了传动零件的可靠性。广泛采用硬齿面齿轮传动技术。在传动系统的轴类和齿轮类零件的设计和制造过程中采用了优质低碳合金钢锻造，整体调质， 轮齿表面渗碳淬火，磨齿，齿形修缘，齿根喷丸强化等先进工艺手段和措施，提高了该类零件的抗弯、抗扭强度和表面接触强度， 提高了传动零件的使用寿命。
4. 新材料、新工艺的应用， 提高了主要承力零件的可靠性。在各主要承力销轴类、支重轮、环轨等零件的设计和制造过程中采用了优质中碳合金钢， 整体调质的先进工艺， 提高了零件的使用寿命。铲斗斗唇、整体斗齿、斗唇护套、推压齿条、张紧轮、后导轮、履带板等零部件采用优质高锰钢铸造，提高了零部件耐磨性。
5. 整体结构铲斗的应用，提高了铲斗的使用寿命。在整体铲斗的易磨损部位采用焊接性能好、综合机械性能高、表面硬度高、使用寿命长的复合耐磨板，有效地保护了铲斗本体。
6. 高性能组合斗齿的应用， 减少了维护时间，提高了设备的生产效率。高性能的组合斗齿可以根据不同的挖掘物料选择不同材料特性的齿座和齿尖，减少了齿尖材料的浪费，大幅度缩短了更换齿尖的时间，提高了整机的可用率和生产效率。
7、模块化设计的、全封闭的提升、回转和行走减速箱。采用模块化设计的、全封闭的提升、回转和行走减速箱， 提高了齿轮的啮合精度，便于安装和维护。
8、新型履带驱动系统的采用，提高了系统的可靠性。采用驱动轮高置的近似链轮-链条驱动的履带驱动系统。履带板和驱动轮的啮合部位在靠近连接销的中心线处。与传统的驱动轮系统相比， 其接合长度大大增加， 压力角明显减小。新的履带驱
动系统将消除节距干涉，降低驱动轮和履带板在啮合时的相对滑行量，从而减少驱动轮和履带板的磨损。另外，驱动轮凸块和履带板间啮合压力角的减小几乎消除它们在载荷作用下分离的可能性，将改善履带板和履带连接销的受力状况，提高履带驱动系统的使用寿命并减少维护工作量。
9、电气系统。电气系统采用“上位综合监控系统+PLC+基础变频传动” 控制方案，提高控制水平和调速性能，PLC 实现整机运行的时序逻辑控制，变频传动驱动各机构协调动作，实现可控运行;在挖掘机上采用监控系统，对各种信号进行综合显示、监控，实现运行状态监控与故障诊断;三级数据之间交换通过PROFIBUS DP 总线实现，信息交换量大，提高工艺控制的软件化程度。较直流机组系统节能17%，工作效率提高10%，功率因数可达到1， 对电网无谐波污染。
10、整机运行状态监控及故障诊断系统。全数字化的整机运行状态监控及故障诊断系统可提高整机的操控性能，包括整机机械传动系统、电气系统、辅助系统、润滑系统、压气操纵系统等的温度、压力、流量及电气运行参数的监控及故障诊断系统， 工作装置的实时运行显示系统， 挖掘工况下提升-推压操作最优化控制系统， 物料自动称重和计量系统， 远程监控与故障诊断系统等。
四立方电动挖掘机重点升级部份简介：
一、电气控制系统：采用变频控制系统，PLC+人机界面控制。节电、故障率低，对设备起到很好的保护作用。
二、机械部份的升级：
1. 推压齿轮和齿条，采用锻造整体合金钢加工，避免由于铸造缺陷造成的故障。使用寿命保证2年以上。（原铸造使用不到1年）
2. 提升系统采用行星减速提升机构，去掉原有的开式传动方式。提升卷扬设计为卡套式结构，方便提升钢丝绳的更换。提升卷杨与减速系统合为一体，使得机棚内干净、简捷、宽敞，除定期更换提升钢丝绳外，整体机构免维护。
3. 回转系统是由两套相同的减速器同时传动，输出到回转立轴小齿轮上，与底架梁的回转大齿轮啮合。减速机选用两套相同行星回转减速系统，确保无故障运行。
4. 履带装置及行走机构：采用上驱位传动、独立行走系统。履带装置中的支承轮增加到每侧4个、共8个，再加2个拉紧轮。拉紧轮装在拉紧方轴上。主动轴与驱动轮及行星减速机采用渐开线花键联结，取消多余的传动链，确保无故障运行。
5. 所有结构件采用高强钢焊接为箱形结构件，确保5年免维修。
“四立方电动挖掘机”升级总体采用模块化设计，可以对原4立电铲进行部件更换。新制结构件大部份选用低合金高强板焊接，最大限度减少铸件。行走选用独立行走行星减速机，回转两套回转行星减速机，提升选用内藏式行星减速机直接对提升卷扬。这些减速机均为专业减速机厂家生产，能确保3万小时免维护，从而使整机故障率大大降低，除斗齿、提升钢丝绳等易损件定期更换外，设备基本上是“无故障运行”，从而大大提高电铲出动率。
参考文献：
[1] 王拥军， 张先明. 四立方电铲电气控制系统的改进[J]. 云南煤炭， 2009， 000（002）：46-47.
[2] 张骥. 电动挖掘机动力与传动系统设计及仿真[D]. 青岛大学， 2015.
[3] 杨志勇， 刘初升， 王亚东. 立井施工新型电动挖掘机液压系统设计[J]. 液压与气动， 2012.
（抚顺矿业集团机械制造厂，辽宁 抚顺 113000）