斗轮装置结构及设计要求的研究

宋波

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

机电与自动化

斗轮装置结构及设计要求的研究

宋波

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

对斗轮挖掘机的核心部件斗轮装置的组成、结构形式进行了探讨；并对斗轮装置的铲斗、斗轮体、斗齿及斗轮轴等部件的结构形式、材料特性等进行了研究；提出了各部件的设计要求，为斗轮挖掘机斗轮装置的研究与设计提供了参考。

斗轮装置；铲斗；斗轮体；斗齿；斗轮轴

0 引言

轮斗挖掘机在大中型水利或土方工程中，可以用来挖掘、装载或转运土方。在露天矿中可以用来剥离表土，挖掘有用矿物，向车辆进行装载，最常用的是将物料装入胶带输送机，也可以进行倒堆作业。轮斗挖掘机是连续作业设备中比较理想的一种连续挖掘设备[1]。以轮斗挖掘机为主要开采设备的连续开采工艺主要有[2]：“轮斗挖掘机-带式输送机”工艺；“轮斗挖掘机-运输排土桥”工艺。

连续开采工艺能实现矿物和剥离物从采剥、运输到排弃/处理的不间断作业，具有效率高、生产能力大、运营成本低、自动化程度高等优点[3]。但是，由于受轮斗挖掘机单位挖掘力低等不利因素的制约，导致本工艺目前在国内没有得到广泛应用，而斗轮挖掘机的挖掘力主要取决于其核心部件斗轮装置。

1 斗轮挖掘机的组成

斗轮挖掘机主要由履带行走装置、底座、平台、可回转的上部结构、斗轮臂、斗轮装置、变幅卷扬机和卸料臂组成。作为斗轮挖掘机的核心部件，斗轮装置的结构及性能影响着斗轮挖掘机的切削能力和切削特性，所以对斗轮装置结构及性能等进行研究尤为必要。

2 斗轮装置的结构形式

斗轮装置结构形式有3种：有格式斗轮、半格式斗轮和无格式斗轮[4]。

2.1 有格式斗轮

在有格式斗轮中，每个铲斗的下面由半圆形的滑板在斗轮体内形成一个封闭的空间，被称做格槽，物料沿格槽移动到斗轮体外侧，并经卸料板滑落到斗轮臂胶带输送机上。为了保证物料只能在卸料区离开格槽，在斗轮臂上安装一个固定挡料板将斗轮密封住，使物料达到卸料区才能被卸掉。由于物料沿挡料板表面滑移，所以挡料板很容易产生严重磨损。格槽尽可能延伸接近斗轮中心，以便获得足够的倾角，使物料能够滑落到斗轮臂输送胶带上。胶带输送机正常位于旋转的斗轮轴的下方，对斗轮的切削几何条件是不利的。物料从格槽里滑出时，半圆形的格槽表面也会受到严重磨损，因此，要制造一定数量的不同形状的备用耐磨板。

2.2 半格式斗轮

半格式铲斗下方空间被平面封闭住，空间的体积可以任意选择。半格式格槽在斗轮直径方向被固定在斗轮臂上的挡料滑板所封闭，环形挡料板环绕在斗轮内侧，向上一直延伸到卸料区，它完全连续地将物料封闭在半格槽内。因此半格槽内的物料只有到达卸料区范围内才能卸出。物料通过卸料板卸到斗轮臂胶囊输送机上。半格式格槽的倾斜角及径向尺寸的大小决定了必要的斗轮直径。

斗轮臂胶带机可以布置在斗轮旋转轴的上方。这样，它的切削几何条件要比有格式斗轮有利得多。半格式格槽的磨损表面是用标准的耐磨板覆盖。从而减少了必要的备用零件。

2.3 无格式斗轮

无格式斗轮的铲斗下方空间完全是由斗轮体的结构特点所确定的。物料在无格式斗轮内在径向被环形挡料板封住，铲斗只有处在卸料区初始端才能开始卸料。物料落到斗轮的卸料板上，并从斗轮侧面卸到斗轮臂输送机上。斗轮铲斗下方的环形空间与铲斗容积之和是计算理论生产能力的依据。在容积分开计算的情况下，铲斗容积一般应有明确规定。无格式斗轮的直径一般比较小一些，因为铲斗下方的空间高度比半格式斗轮要小。

斗轮臂输送机胶带可以布置在斗轮旋转轴的上方，这样可以获得比有格式斗轮更好的切削几何条件。由于无格式斗轮具有以上特点，因而在斗轮设计中成为优先选择的结构形式。

3 斗轮装置的组成及各结构部件的研究

3.1 斗轮装置的组成

斗轮装置由铲斗、斗轮体、斗轮轴等部分组成。

3.2 斗轮装置各结构部件的研究

3.2.1 铲斗的研究

铲斗包括斗齿和斗体，斗体由斗唇、斗耳、斗底和斗座焊接而成[5]。

1）铲斗结构形式的研究。铲斗是冲压或焊接而成的金属结构件，一般采用16 Mn钢板冲压而成。铲斗的高度从切削侧边特定的高度逐渐降低，一直到铲斗与斗轮体相连接的后侧边，高度降低到零。切削刃的形状可以是矩形、梯形或是圆形。铲斗的切削边或切削刃是由足够厚的钢板制造的，在切削唇边镶装耐磨材料作防护板。铲斗其余部分结构开关的设计必须考虑容易装满和卸空物料，并避免铲斗侧壁与边坡斜面相接触。

根据切削刃不同形状铲斗可以分成矩形、梯形、半圆形铲斗[6]。予切刃和切削斗的切削曲线决定了铲斗的切屑截面，而与斗形无关。切削横截面的主要特性参数：切屑厚度t；切屑宽度b；切削横截面面积A=b×t；当斗轮处于斗轮平面与斗轮上部结构回转轴线共面时，矩形和梯形铲斗的切削长度：L=b+t

半圆形铲斗切削长度如图1所示。

图1 半圆形铲斗切削长度

式中L1是切屑厚度为t时实际切削长度。从图1中可以看出在任何情况下L1均大于t。因此半圆形铲斗相对梯形斗来说要承担更大的切削力。实验测试发现，半圆形铲斗要求的切削能量比梯形铲斗高40%。

对坚硬的土壤其切削力不完全取决于单位长度上的切削力KL。半圆形铲斗由于其切削几何条件不变，因而采掘坚硬土壤比其它斗形更为优越，这一点已得到证实。

半圆形铲斗的不足之处是在切深tmax相同的条件下，其斗容I1比梯形铲斗小。切削截面的开头也会因所采用的斗形和斗轮相对工作坡面的位置而有很大区别。但是不管切削截面形状怎样不同其尺寸和容积是不变的。然而切削长度却有很大差别，而且它取决于多种因素：矩形铲斗和梯形铲斗只有在斗轮平面通过上部结构回转中心轴线，尤其当以铲斗拐角向前切削时才能实现二者有相同的切削长度。如果斗轮平面不与回转轴线共面，那么在相反的两个回转方向上铲斗的切削长度将有很大的差别。外凸的铲斗拐角在两个回转方向上都参与切削，而内凹的铲斗拐角仅在一个回转方向中参与切削，而在其相反的回转方向上不与直面接触。由于切削长度差别很大，因而在2个回转方向上的切削过程也不一样。在切削特别硬的物料中这一点尤应注意。2个回转方向上切屑面积A是相同的。与其相比当采用半圆形铲斗时斗轮在任何位置和2个回转方向上，其切屑形状与切削长度均近似相同。因此半圆形铲斗的切削刃在相同切削条件下性能最佳。

在实际应用中常常发现，对坚硬物料用半圆形铲斗代替梯形铲斗，斗轮的切削特性可以得到很大的改善。这不仅调整了挖掘状态也调整了物料的块度。矩形和梯形铲斗在2个回转方向上切屑横截面形状不同，因而在一个回转方向上挖掘的物料块度大，而在另一个方向块度小。而半圆形铲斗切削刃在2个回转方向上切屑横截面形状相同，被切削物料的尺寸在2个回转方向上也相同。使用理想的切屑横截面的不对称铲斗，可以稍微改善矩形中梯形铲斗的切削状况。然而，理想的切屑横截面只能在斗轮处于某个位置而且在某一切削高度下才可能实现。如果斗唇上安装有斗齿，则安装在矩形和梯形铲斗侧边上的斗齿主要承受斗齿方向上的力。

相对而言，门齿受到的侧向力也很大。而且与斗轮线速度相关的回转速度越高，这些力越大。而半圆形铲斗的斗齿负荷比较一致。在每个具体工况条件下，斗轮铲斗斗形的选择应该根据斗轮挖掘机所挖掘的土壤特性来决定。

对于易于挖掘的均质物料，梯形铲斗优于半圆形铲斗，因为在相同采高和采宽下其斗容较大。对这类物料，切削特性的差别并不重要。对难以采掘和易于形成大块的物料，使用半圆形铲斗有其优点。因为在切削过程中半圆形铲斗负荷分布均匀、被挖掘物料的密度也相同、切削较软的物料只要在铲斗切削刃上复加耐磨材料保护层就可提高切削刃寿命。梯形铲斗拐角处的切削刃磨损严重。因此应安装易于更换和修复的特殊角齿。在许多情况下，这种斗齿也用于铲斗的主切削刃。结果几乎承担了全部切削工作。这就减轻了切削刃的负荷和磨损。另外，如果采掘硬物料，采用斗齿来代替斗唇切削是合理的。

2）切削刃与斗齿。按照斗轮的工作方式，铲斗只能用它的斗唇和斗唇前边的切削刃切削物料。铲斗拐角处对切削起很大作用，因此会受到很严重的磨损，必须特别注意保护以防止磨损。矩形或梯形铲斗的拐角通常采用圆弧过渡。铲斗受到严重损坏时，必须进行修理或者更换新的铲斗。

当必须采掘高研磨性物料时，在斗唇上安装斗齿代替斗唇切削，从而保护斗唇不受磨损。斗齿可用螺栓或楔块连接在铲斗上。螺栓连接拆接拆装比较困难，致使更换斗齿需要较长的时间。因此这种连接只适用于斗齿寿命相对较长的情况。楔块连接方式，斗齿在斗唇的齿座里并且用楔块卡住，这样拆装都比较容易，更换斗齿节省时间。

斗唇或斗齿的刃口都应经常保持锋利。粗印的斗唇或斗齿要消耗较多的功率。因此，磨损的斗齿要注意经常更换。对已磨损的斗齿可在斗齿尖端覆盖硬质材料加以修复。斗唇和斗齿几何形状必须符合设计要求，以使铲斗切削时不与采掘工作面接触。这意味着切削刃应当在铲斗不受阻碍的情况下进行挖掘。

斗齿的寿命主要取决于挖掘物料的性质[7]。虽然可分析物料性质对斗齿寿命的影响，但预算斗齿的寿命还是困难的。斗齿的实际寿命只能从设备正常运转过程中获得，然后再采取适当措施加以提高。通常用碳化物作为斗齿切削刃的耐磨层，采用堆焊方法使其附在基体上。

斗齿基本的材料一般采用具有适当强度的铸钢，以便能够承受斗齿切削刃传给铲斗的力。

3）铲斗与斗轮体的连接。通常在靠近斗唇的末端用两销轴将铲斗安装在斗轮体上，第3个连接点是通过1个楔形连接件，在铲斗的中心线部位将铲斗安装在斗轮体横梁上。这种连接方式非常容易将铲斗从斗轮体上拆下。铲斗与斗轮体的连接也可采用将铲斗焊接到斗轮体上的方法，然后安装容易拆卸的分离式斗唇。铲斗与斗轮体内部是相通的。

4）铲斗容积。铲斗容积是由斗轮体和切削面所限定的体积[8]。

5）铲斗的装料。铲斗在采掘工作面上运动时，使物料装满铲斗。如果铲斗仅仅用一侧边挖掘，松散的物料将会移落到铲斗的自由侧边及后部。因为松散的物料像流体一样，只有当切削刃在切削过程中到达水平位置时，自由流动的物料才有可能完全装满铲斗。

如果采掘低于斗轮半径高度的台阶，铲斗空间就不可能被充分利用，因此，达不到生产能力。当斗轮挖掘机用于采掘较低的台阶时，必须考虑这些因素。

6）铲斗的卸料。铲斗卸料必须在斗轮圆周的相对限定区域中进行。当铲斗经过卸料区间时，铲斗中的所有物料必须卸到斗轮卸料板上。不应还有物料继续随铲斗转动，否则会在履带行走平面上造成污染，从而增加了必须重复挖掘的工作量。为了避免出现物料卸不净而随铲斗继续转动的现象，朝卸料区方向应增加铲斗宽度，以使铲斗容易卸料。同样，还必须避免铲斗拐角出现直角。铲斗中的物料由于铲斗的圆周速度产生的离心作用而被卸出。但作用在物料上的离心力不能变得太大，否则物料将不能从铲斗中卸出来。

3.2.2 斗轮体的研究

斗轮体的研究包括斗轮体结构形式的研究以及斗轮体与斗轮轴的连接方式研究。

1）斗轮体结构形式的研究。斗轮体是用钢板焊成的环状结构，并具有如下功能：在斗轮轴与铲斗之间起到刚性连接作用，并传递这些部件之间的所有力和力矩；由铲斗卸出的物料必须经由斗轮体再卸到与斗轮体平行安装的胶带上；将斗轮轴的旋转运动传给铲斗。

斗轮体的结构有如下几种不同形式：双腹板结构的斗轮体；带轮辐的单腹板斗轮体；单腹板锥形结构的斗轮体。对于不同形式的斗轮体，其质量的差别是很小的，因此质量并不影响对斗轮结构形式的选择。

2）斗轮体与斗轮轴的连接。斗轮体通常是由螺栓连接到斗轮轴上，因为在斗轮轴上焊接很困难。采用螺栓连接可避免焊接引起的焊接应力和焊接变形。为使2个部件良好配合，需要较高的制造精度。为减少在工地装配的困难，必须在车间将斗轮体和斗轮轴装配在一起，以便为在工地能够正确、迅速地装配提供条件。螺栓连接必须能够传递很大的交变载荷。两个零件之间不允许发生任何相对运动。常用的有效方法是采用预紧螺栓连接，这样，可以通过两个相配合的零件之间所产生的摩擦力来传递力。

3.2.3 斗轮轴的研究

斗轮轴的研究包括斗轮轴的材料研究、结构形式研究、加工方法研究等。

斗轮轴是连接斗轮、斗轮驱动装置，以及斗轮臂架的重要部件。它应安全地传递斗轮和轴承之间的很大并频繁变化的力和力矩，以及在斗轮和减速器之间的载荷。为满足上述需要，斗轮轴材料应选用具有很高屈服强度与拉伸强度的合金钢，以适应被动载荷。合金钢热处理后形成细晶粒的显微结构。大直径的斗轮轴被钻成中空结构，目的是为了更好地进行热处理及减轻质量。

斗轮轴的机加工必须十分仔细，在横断面上不允许直径有突然的变化以及开槽，从轴坯件的制造到最终加工完成都应严格进行。对于巨型挖掘机的斗轮轴，从坯件阶段到交货需要一年的周期。因此，建议在使用期间对斗轮轴定期检查，及早发现可能的损坏，以便对制造新斗轮轴的早期工作做出安排。

4 结语

对斗轮挖掘机核心部件斗轮装置的结构形式进行了研究探讨，并对斗轮装置中铲斗、斗轮体、斗齿以及斗轮轴的结构选择、材料选择、设计要点等进行了阐述，为斗轮挖掘机斗轮装置的后续研究与设计提供了参考。

［1］李晓豁.露天采矿机械［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］姬长生.露天采矿方法［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2014.

［3］谢和平，王金华.中国煤炭科学产能［M］.北京：煤炭工业出版社，2014.

［4］王书杰，才庆祥，李树学.严寒地区露天煤矿轮斗挖掘机应用研究［J］.采矿与安全工程学报，2006（1）：88-94.

［5］刘强，张连梅，张晓林，等.斗轮挖掘机铲斗设计［J］.科技创业家，2014（1）.

［6］《斗轮挖掘机》编译组.斗轮挖掘机［M］.北京：煤炭工业出版社，1979.

［7］王春乐.斗轮挖掘机斗齿的研制［J］.铸造设备研究，2003（2）.

［8］许承中，冯先.斗轮挖掘机铲斗设计［J］.工程机械，1981.

【责任编辑：解连江】

Research of structure and design requirements for bucket wheel device

SONG Bo
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,ShenYang 110015,China)

This article discusses the composition and structure of the bucket wheel excavator core components,and researches the structure form and material properties of the bucket,the bucket wheel body,bucket teeth and bucket wheel axle,and puts forward the design requirements of parts,which provides the references for the research and design of bucket wheel device for bucket wheel excavator.

bucket wheel device;bucket;bucket wheel body;bucket teeth;bucket wheel axle

TD422.2

B

1671-9816（2017）05-0042-04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.012

宋波.斗轮装置结构及设计要求的研究［J］.露天采矿技术，2017，32（5）：42-45.

2016-12-02

煤炭科学研究总院科技创新基金项目（2015ZYJ009）

宋波（1984—），女，辽宁大连人，硕士，现就职于中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司矿山设备研究所，主要从事大型露天矿山设备的研发工作。