马立峰，杨 佐，张 珏，王志霞，吴凤彪，姚振强

(1.太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室，山西 太原 030024；3.太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024)

0 前言

随着国内露天开采技术和工艺的发展，露天矿逐步采用“爆破-电铲-自移式破碎机-皮带输送机-排岩机-排土场”的半连续开采生产工艺，相比于传统卡车运输工艺，半连续开采生产工艺机械化程度高，生产集中，成本低，污染小。排岩机作为露天矿半连续开采工艺中的关键设备，将开采出的岩土连续地排弃堆集在指定位置，随着矿山企业生产能力的增加，排岩机使用越来越广泛，并逐步向智能化、大型化发展。

1 排岩机的主要结构

履带式排岩机按照结构可主要分为悬臂式和履带桥式两大类，如图1、图2所示。

图1 悬臂式排岩机

悬臂式排岩机主要由卸料悬臂皮带机系统、受料臂皮带机系统、配重系统、回转装置、液压系统、润滑系统、尾车、履带行走装置等组成。履带桥式排岩机由若干个履带行走机构支承臂架结构，臂架结构上安装有皮带输送机及卸料行走小车，卸料行走小车与排料臂臂架结构平移，一次排土范围较广，且移设次数较少，移设方便。但是履带桥式排岩机结构庞大，设备成本较高，且对工作场地环境的平整度要求也很高。相比于履带桥式排岩机，悬臂式排岩机机动性、工作环境条件适应性强，因此悬臂式排岩机应用较为广泛。图3所示为应用于平朔集团东露天矿的瑞典山特维克生产的PA200 1800/50+50悬臂式排岩机。

图3 PA200 1800/50+50排岩机

2 排岩机的发展及现状

2.1 国外排岩机发展现状

排岩机在国外的起步较早，上世纪50年代德国、苏联就开始针对露天开采研发排岩机[1]。国外的大型露天开采设备经过半个多世纪的发展，结构已十分成熟，许多排岩机的生产厂家都有自己独有的技术和生产标准，且能根据客户要求进行单独设计或参数化设计。

目前国外仍在生产排岩机的厂家主要有德国克虏伯集团、MAN TAKRAF集团、瑞典的山特维克集团等[2]。克虏伯集团生产的排岩机产量大、种类全、质量好，市场占有率高。上世纪90年代克虏伯公司研发生产的Absetzer760和Absetzer761型排岩机是世界上生产能力最大的排岩机，于“Hambach”矿新区投入使用[3]。其输送带带速可达9 m/s，生产能力可达30 000 m3/h，刷新矿山机械中大型排土设备单台年排土量的最高世界纪录[4]。

2.2 国内排岩机发展现状

国内排岩机的生产可追溯到上世纪70年代，分为两个阶段。一是与国外企业联合生产阶段。1977年抚顺挖掘机厂与辽宁煤炭、天津工机等研究院根据国外技术联合试制了PS-1000型排岩机并投入到露天开采工作中。大连重工于1985年也开始研制用于露天开采工艺的排岩机，额定生产能力为2 000 m3/h，之后与德国的MANTAKRAF集团合作研制出生产能力为5 000 m3/h 的ARS3000·50型排岩机，并投入到元宝山露天矿的生产中。1995年太原重工与德国克虏伯集团合作研发排岩机。二是独立自主生产阶段。90年代北方重工、大连重工开始尝试独立研发排岩机，开启了国内排岩机研发的起点。华电重工独立研制出具有自主知识产权的SP1400型排岩机，提升了国产品牌的竞争力，填补了国内空白[5]。目前国内生产能力最大的排岩机为太原重工自主研发的排岩机，额定生产能力达到9 000 t/h，最大生产能力超过10 000 t/h，在山西省太钢集团袁家村铁矿已投入使用。

图4 太原重工生产的9 000 t/h排岩机

随着机械、电气、液压等学科的发展，排岩机技术由以前单纯的机械技术实现“机电液一体化”，排岩机开始追求更好的稳定性、可靠性、安全性、人机交互性和更精准的控制性，随着液压驱动系统、PLC电气控制系统及其他新型技术和工艺的广泛应用，排岩机的工作效率更高、能耗更低、更环保。

3 应用在排岩机上的典型技术

3.1 输送技术

随着排岩机大型化技术的日益成熟，排岩机的生产能力得到很大的提高，国外最先进的排岩机料臂输送机的带速可达10 m/s，在国内太重生产的9 000 t/h排岩机带速可达到4.5 m/s。为了克服高带速带来的磨损，一是保证输送系统的零部件有较高的制造安装精度，如托辊轴、滚筒转轴与孔配合面需要降低表面粗糙度，控制托辊的径向跳动误差[6]，采用角接触球轴承等尽量减小表面不平造成的运动副接触面之间的摩擦磨损；二是托辊采用高耐磨托辊，即在托辊表面涂装高耐磨材料防护层；三是根据带速确定托辊的选择和布置方式,如带速高于4 m/s时，为减小摩擦磨损、防止跑偏，托辊可采用槽形前倾托辊组、调心托辊组等，理论与工作实践证明普通托辊、前倾托辊、调心托辊安装数量的比例为10∶2∶1时效果较好[7]，为防止输送带跑偏，输送机上都加装了防跑偏装置和纠偏装置，如自纠偏托辊组等。随着技术的发展，排岩机高带速输送机对托辊及高速轴承的密封性及可靠性也提出了新要求，目前正尝试利用托辊浸淋水检测技术对托辊和轴承进行技术检测[8]。

3.2 转载抗磨减振技术

目前排岩机在生产中存在的一个主要问题是转载点处的物料对输送带、溜槽导料槽、头罩的冲击磨损较大，物料对输送带的冲击会引起输送带和臂架的横向振动，对溜槽和头罩的冲击会加剧其内壁磨损，缩短使用寿命。

针对上述问题，采用的理论方法是对溜槽和头罩的形状和材料进行优化。对头罩型形状的设计采用了EDEM离散元仿真优化设计，确定物料流与前护板的合适角度与距离[9]，利用EDEM离散元与颗粒碰撞理论对腔型优化，确定合适的腔型与落料管的曲线尺寸[10]，减小岩土物料对转载内壁的冲击。

在机械结构上，主要采用卸料小车与缓冲装置，卸料小车位于转载点溜槽出口处，其作用一方面是收集经过溜槽出口的物料防止洒落；另一方面是防止物料直接冲击到输送带上。卸料小车上安装有耐磨衬板，且小车内部有许多突出的缓冲板，缓冲板形成阶梯结构，使物料堆积形成缓冲坡，间接减缓后续物料对输送带的冲击力。目前缓冲结构主要采用缓冲托辊和缓冲床两种方式，即在转载点卸料小车下部安装缓冲床或者缓冲托辊，利用缓冲床和缓冲托辊的高缓冲性能将冲击力平稳的传递到排料臂臂架上。

3.3 抑尘除尘技术

排岩机扬尘最严重的地方主要集中在受料臂卸料车处、转载溜槽出口处、排料臂末端排料点处，排岩机的抑尘治理也主要围绕这三个位置进行。转载点处除尘方法是减小转载点处物料转运高度差，并用防尘布进行密封遮盖，抑制扬尘产生[11]。受料臂段和排料段处的除尘抑尘方法主要是利用水和抑尘剂对岩土进行初步润湿，利用防尘罩等密闭设施辅助防尘[12,13]。即在受料臂起点处，安装淋水雾化装置向岩土喷淋水及抑尘剂，使岩土运输至受料臂输送机处即被初步润湿，防止在受料臂输送机上产生扬尘，运输过程中水的浸润渗透与挥发也可以减轻转载站泥泞问题。在排料臂末端安装雾化炮，向岩土料流与土堆的结合部位喷淋，可以使水与粉尘粒子凝结，减少扬尘产生。有些设备上已经使用气动喷嘴呈螺旋分布的喷淋设备，利用多层螺旋雾幕技术抑尘[14]。

目前微米级干雾除尘技术是应用在运输过程中比较先进的技术之一[15]。理论方法是通过EDEM离散元理论及气固两相流理论，对运输过程中岩土颗粒与气流进行仿真分析。这种方法可以得到输送系统内气流的压力梯度和速度分布，确定粉尘颗粒运动轨迹[16]，通过优化输送设备的腔型尺寸的方法抑制扬尘产生。对于高寒地区或寒冷的冬季，需要给抑尘剂添加防冻剂，并对水管和雾化喷淋装置安装防冻设施，排岩机的供水线路较长，需要在沿途水管上安装保暖层或涡流加热装置。另外，电场除尘技术也是现在比较先进和广泛使用的除尘抑尘技术[17]，但目前在排岩机上使用还不成熟[18,19]。

3.4 液压控制技术

液压技术在排岩机上的应用主要是液压俯仰机构和液压张紧机构。液压俯仰机构主要实现排料臂绕铰接点上下摆动改变倾角，实现岩土的分层堆积。由于这个过程中负载、重心都会变化，液压系统在排岩机上应用之初存在着流量、压力不稳定、冲击载荷过大、活塞杆速度突变等问题，反应在整机上是排料臂俯仰不能迅速精确控制、机械结构间冲击载荷过大，影响排岩机的稳定性。目前液压俯仰系统引入定差减压型压力补偿器和负载敏感变量泵，使排料臂俯仰动作能迅速精确平稳的实现[20]。液压张紧机构主要是输送带张紧机构[21]。排岩机工况多变，每种工况要求的输送带张紧力不同，传统的张紧机构必须停机后人为调整，采用液压张紧机构，操作员可不停机通过工控机控制液压缸工作，实现输送带张力自动调整，提高了工作效率。工业的发展又对排岩机的空间性和灵活性提出新的要求，为提高排岩机的灵活性，国内外研究者正在尝试将排岩机的臂架及输送机做成液压可伸缩式。其中，臂架可以通过固定钢架与活动钢架配合，液压缸活塞缸作为动力源实现[22]。

3.5 电气控制技术

排岩机正向着更高的自动化、智能化及更好的人机交互性发展，这主要是依赖于电气控制技术的应用。目前排岩机主要的电气控制系统主要有输送控制系统、回转控制系统、行走控制系统等。排岩机的回转、履带行走等力源都是电动机，因此必须设计可靠的电机控制系统，才能控制排岩机平稳准确地回转与移动。输送控制系统主要通过控制输送机实现岩土输送，为提高输送系统的平稳性，减小输送过程中输送带动张力突变引起的冲击，排岩机输送机系统多采用Harrison启动曲线、配合软起动设备及CST可控启动传输系统。CST可控启动传输系统是集机、电、液、微电子技术为一体的高科技产品，是皮带输送机实现软启动性能最理想的控制产品[23]。

4 结束语

排岩机的发展过程中涵盖了机械、液压、电气、控制等多领域的技术。经过几十年的发展，虽然国内产品技术取得了长足的进步，但为了提高生产能力，不断增加输送带的宽度、提高带速，这样使得受料臂、排料臂、行走履带尺寸、门座结构的刚度等相应增大，出现排岩机整机稳定性的下降，关键部件的结构不能满足使用要求等问题。因此，今后需要在排岩机整机的稳定性、关键部件可靠性等方面加强理论研究，并向高人机交互性、低能耗、高效率等方向发展。