地下铲运机的发展及结构原理介绍 ln

地下铲运机的发展及结构原理介绍

地下铲运机

第一章：国内外地下铲运机的现状和发展趋势“地下铲运机”一词系参考英文“LHD unit"(Load-haul-dump unit)，即装—运—卸设备演绎而来。地下铲运机是以柴油机或以拖曳电缆供电的电动机为原动机、液压或液力-机械传动、铰接式车架、轮胎行走、前端前卸式铲斗的装载、运输和卸载设备。主要用于地下矿山和隧道工程。地下铲运机机身低矮、驾驶室横向布置、采用光面或半光面地下矿用耐切割工程轮胎且装有柴油机尾气净化装置。

按动力源来分，可分为以柴油机为动力的内燃铲运机和以电动机为动力的电动铲运机。

按斗容来分，大致可分为：

小型铲运机：斗容1.5m3及以下的铲运机；

中型铲运机：斗容2～4m3的铲运机；

大型铲运机：斗容4m3以上的铲运机。

此外，原中国有色金属工业总公司所属的衡阳有色冶金机械总厂和金川有色金属公司第二机械厂生产的地下铲运机型号采用了“CY”系列或“JCY”系列命名方法。

为简便起见，以下所使用的“铲运机”一词，均指“地下铲运机”。

一、20世纪60 --70年代：地下铲运机发展和推广的年代

进入20世纪70年代，国外地下铲运机技术已渐趋成熟，形成了系列化产品。当时的铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机，为此，需采用低污染柴油机并在机上设置柴油机尾气净化装置，采用贵金属

催化净化器（和/或）水洗涤箱，还需增设通风设施，加大地下通风量来稀释柴油机尾气，并将其排出坑外，以便为矿山提供合乎卫生标准的作业条件，从而使矿山通风费用几乎成倍增加。如果用电动铲运机取代所用的全部内燃铲运机，则所需通风量可减少一半以上。

广泛的试验和实践表明，电动铲运机具有低污染；低热量（热量不到同级内燃铲运机的30%），低噪声；维修量很小；功率损失小等优点。缺点是：拖曳电缆限制了机器的机动性能和活动范围，也限制了运行速度，在运距较长，或矿点分散，或者在各采场或各分层频繁进行调动的地方使用，其技术性能和经济效果还不如内燃铲运机。此外，电动铲运机还需要增加电缆，卷缆装置及供电设施的设备投资；电缆易于磨损和损坏，需定期更换，并需加强检查和保护。

二、20世纪80～90年代：地下铲运机迅速发展和技术进步的年代

80年代，由于世界矿业不景气，矿山机械产品的市场竞争更趋激烈。许多采矿与工程设备制造公司进行了兼并或联合，优化资源组合，以增强市场竞争力。如美国瓦格纳( Wagner)公司并人瑞典阿特拉斯.柯普柯(Atlas Copco)公司，成为后者的子公司；法国塞柯玛(Secoma)公司并入艾姆科(Eimco)公司；随后艾姆科公司又与贾维斯·克拉克(larvis CLark)公司合并，在加拿大组成EJC公司。到90年代，法国采矿设备(E.M.)公司、加拿大EJC公司相继并人芬兰汤姆洛克(Tamrock)公司；随后汤姆洛克公司又与瑞典山特维克（Sandvik）公司合并，组成山特维克·汤姆洛克公司；以生产工程车辆传动部件著称的美国克拉克-赫斯（CLark Hurth）公司并人美

国德纳(DANA)公司，成为德纳公司斯佩塞(Spieer)非公路车辆零部件集团的一部分，C1ark Hurth的品牌已由DANA Spieer品牌取代。

90年代以来，国外采矿界已逐渐不再强调铲运机向大型化发展的问题，而是把更多注意力集中到设备性能的改善、提高可靠性和现代化的问题上来。

(1)动力机出现了重大的变革。地下铲运机一直采用德国道依茨（Deutz）公司的FL912/913/413w系列风冷涡流燃烧室式柴油机。80年代中期，美国底特律(Detroit)柴油机公司推出了柴油机电子控制系统( DDEC)，接受来自司机和传感器传递的各种电子信号（柴油机压力、温度、转速等），精确控制燃油喷油量和喷油时间，指示故障的位置，进行故障诊断，从而可使发动机的燃油消耗减少3%-5%，并缩短加速时间，改善冷启动性能，改善废气排放，使发动机的使用寿命大大延长。

同时，还有一些知名的柴油机公司，诸如道依茨、卡特皮勒、康明斯等公司也相继推出了不同型式的电子控制式水冷柴油机。如道依茨( Deutz)公司开发的1012、1013、1015系列水冷柴油机，功率65～400kW，额定转速2100 - 2500r／min，提供电子控制和涡轮增压。

(4)多用化、组合化。为了满足不同矿山和不同作业的需要，各铲运机制造厂家在提供标准配置的机型外，还按不同的矿石物理机械性质和作业条件提供各种可选件。如根据矿石密度配备不同斗容和斗形的铲斗；根据卸载方式配置标准的前卸式铲斗外，还可提供推卸式铲斗、侧卸式铲斗和高举升型铲斗；根据作业环境，配置风冷柴油机

或水冷柴油机；根据作业条件，配置带安全顶棚的通用驾驶室或全封闭空凋驾驶室，手动操纵或遥控操纵铲运机；有的机型还可根据用户的要求，在较短时间内将柴油动力设备更换成电动设备，或将电动设备更换成柴油动力设备。

(5)变速箱采用电/液换挡和电子控制技术。液力机械传动式铲运机主要采用美国克拉克(Clark)公司的定轴式动力换挡变速箱，这种简单可靠的变速箱除了发展“可调式”技术解决启动、换挡时的机械冲击问题外，还推出了电／液换挡和电子控制技术，如LH514和LH514E。

(6)驱动桥采用防滑差速器、全封闭湿式多盘制动器和光面耐切割轮胎。国外铲运机大多数采用克拉克公可的行星刚性驱动桥。80年代以来，铲运机驱动桥内广泛采用自锁式防滑差速器( NO-SPIN)。这种差速器能随路面条件的变化自动分配传动力矩，从而提高了机器的通过性，防止车轮打滑现象，减少轮胎磨损。一般，中小型铲运机的前桥采用防滑差速器，后桥采用标准差速器；大中型铲运机的前桥采用标准差速器，后桥采用防滑差速器。近几年来，出现了一种“有限打滑差速器”，这种差速器除了具有防滑差速器的优点外，还可消除自锁式防滑差速器接合时的振动负荷，能直接将打滑的扭矩加到牵引力大的一侧车轮上，使它获得更好的牵引效果。它与防滑差速器的不同之处是：当一个车轮打滑时，它的另一个车轮只能利用整个车桥的大部分附着力，而防滑差速器的另一个车轮却可百分之百地利用整个车桥的附着力，特别是在铲掘作业时前桥负荷最大，这样大的负荷

若让单个车轮的传动元件承受可能很困难，甚至承受不了。因此，近几年有的大中型铲运机前桥采用“有限打滑差速器”，后桥采用防滑差速器。

国外铲运机工作制动从80年代就开始采用全封闭湿式多盘制动器，90年代以来得到普遍应用。这种制动器是全封闭式的，可防止泥沙、污物的浸入，采用油冷和多盘制动结构，圆盘间隙不用调整且允许滑转传递扭矩，特别适用于重车下长坡制动工况。它制动稳定、性能良好、简化维护保养，使用寿命长。这种制动器分为液压制动、无压松闸式(LCB)液压制动器和弹簧制动、液压松闸式(SAHR)弹簧制动器两种类型。有一种新型液压制动器称为行星液冷制动器(PLCB)，它装在轮边减速器内，维修时不需要拆卸轮胎、轮辋与行星轮毂。弹簧制动器是一种新型安全型制动器，若制动油管破裂或油压下降到一定值时立即制动，且停车、紧急与工作制动三者合一，只需采用单回路制动，因而大大简化了制动系统。国外铲运机普遍采用光面或块状深花纹矿用耐切割工程轮胎，这种轮胎承载能力大，接地比压较小，耐磨、抗刺扎能力强，使用寿命长。

(7)液压系统不断完善提高。

1)大中型铲运机液压系统工作压力有提高的趋势。工作系统压力由14MPa提高至16～21MPa；转向系统压力由10～12MPa提高至16～21MPa。如TORO301D和安期生ACY-3L型铲运机工作压力为2lMPa，转向压力为21MPa等。

2)液压系统动力元件仍以高压齿轮泵占统治地位，但有的大中型

铲运机制动／转向系统采用柱塞式压力补偿变量泵，以充分利用发动机功率，并减少系统发热量。

3)大中型铲运机工作装置系统几乎全都采用先导控制，有的转向系统也采用先导控制，以减轻司机的劳动强度，简化管路布置。

4)液压回路中广泛采用集成块，以减少泄漏，简化管路，便于维修，最大限度提高能量效率。

5)采用世界名牌厂家的优质液压元件，提高液压系统的可靠性。Rexruth公司的控制阀，Parker公司的密封件和蓄能器，Mico公司的制动阀等。

6)提高液压油的清洁度和过滤精度。如E.M.公司的集中式过滤油箱(FIM)，过滤能力大，过滤精度高，减少了背压损失，降低了油温，提高了滤芯使用寿命，避免了油泵的气穴现象和外来污染。

(8)注重环保和安全。由于地下作业条件和环境十分恶劣，因此现代铲运机特别重视人机工程学的设计。使操作系统适应人的生理、心理特点，符合人体功能的要求，取得人机的协调、操作迅速准确和理想的视觉效果，以形成舒适安全的工作环境，减轻操作疲劳，提高工作效率，维护人身健康。为此，现代铲运机采取如下措施：

1)液压系统普遍采用先导控制，使操作轻便。

2)采用电/液换挡或电子自动换挡，减轻司机操作疲劳。

3)驾驶室更趋宽敞、舒适，操作手柄、按钮及仪表盘布置符合人机工程学要求，仪表显示和声光报警完善、齐全，安全顶棚采用落石撞击保险结构。

4)大型铲运机按人机工程学设计驾驶室，具有密封、防尘、隔音、减振、防倾翻、防落石撞击和空调的功能，司机座椅舒适、可调。使用更为安全、高效。

(9)发展遥控铲运机（视距遥控）。为了在环境恶劣和危险地区作业，国外从70年代中期就开始发展铲运机的视距遥控。操作人员位于作业区内的危险范围外，直接观察和用遥控设备控制铲运机。各主要厂家都生产了不同遥控系统的这种遥控铲运机，在矿山取得了良好的效果。在山东黄金的新城金矿有应用。

(10)重视和发展自动化技术。随着社会对环境越来越严格的要求和电子信息技术的迅速发展，铲运机自动化技术的发展引起了人们更大的兴趣和关注。1991年，澳大利亚芒特艾萨矿业公司在希尔顿矿开发出一种称为Telelader的遥控铲运机，其遥控系统是在其前后设置2台摄像机，但未设任何导向装置，该铲运机已在矿山生产中使用，隧道无线电(Tunnel Radio)公司为铲运机遥控自动化项目研制的TRAylll系统软件，该系统可对来自和去往移动机械的信息提供位置显示、报告和电子邮件通信等功能。该系统已丁1999年在瑞典LKAB 公司基鲁纳铁矿的2台TOR0 2500E型铲运机上做了12个月的试验，获得了零故障和l00%装载率的成绩。其导航系统是利用位于铲运机上的激光扫描器测量巷道侧壁上反射带条的角度实现的。加拿大国际镍公司正在追求一种称之为“遥控采矿”(Telemining)的全新的采矿工艺，它是“利用现代的新技术，包括地下通迅、定位、信息处理、监测和控制系统，去操作采矿设备和系统”这种系统正在该公司萨德

伯里的矿山中使用。遥控作业的铲运机上前后安装2台摄像机操作控制站里装有4台电视屏幕、控制机器及铲斗动作的脚踏板和操纵杆。机上控制设备通过视频系统跟踪一串悬挂在顶板上的灯，引导铲运机行进。在这台设备行驶时，操作人员可控制第2台设备装卸。用这种方式1名操作人员可同时操作3台铲运机。山特维克·汤姆洛克公司与国际镍公司等几家公司合作，已经启动了一个革命性的矿山自动化计划(MAP)，这使得以在危险地区的机器自主方式工作为特征的机器人（自动化）采矿展示出现实可能性。该公司研制成功的机器人（自动化）式的新型TOR0 1250型铲运机正在国际镍公司所属矿山进行生产试验。

三、进入21世纪：地下铲运机进入成熟发展阶段

目前，已进入21世纪，国外地下铲运机在经历了将近40年的发展和技术进步之后，已经进人成熟发展阶段。在经历了激烈竞争和兼并、联合等变动之后，目前世界铲运机主要生产厂家有：

(1)山特维克·汤姆洛克(Sandvik Tamrock)公司

该公司拥有TORO、EJC和E．M.三家世界著名铲运机公司的实力，生产斗容0.5～l0m3、载重量1000～25000kg整个系列的内燃和电动铲运机，其销售量占世界铲运机市场份额的50%。该公司研制的机器人（自动化）式的新型铲运机在国际镍公司所属矿山的生产试验已经取得成功，并进人商业化阶段。

(2)阿特拉斯·科普柯·瓦格纳(Atlas Copc Wagner)公司

该公司是制造出世界上第一台称之为“地下铲运机”的著名铲运

机生产厂家，生产S和EST系列、斗容0.76—9.7m3、载重量1361--17500kg的内燃和电动铲运机，其产品在中国的市场占有率较大，在世界铲运机市场也举足轻重。该公司1996年推出了新一代ST 1000型内燃铲运机，目前已更新到第二代ST 1010型。

(3)G，H．H．公司

G.H.H公司也是世界上著名的铲运机生产厂家，生产LF系列、斗容1.5～8.5m3、载重量3500～17000kg的内燃和电动铲运机，70—80年代，其LF-4.1型等产品在中国占有较大的市场份额，其地下铲运机技术对中国有较大的影响。

第二章五矿邯邢矿业公司铲运机使用情况

一、安徽开发矿业

3立方柴油铲运机ACY-3L 北京安期生技术有限公司6立方柴油铲运机LH514 山特维克

6立方电动铲运机LH514E 山特维克

二、中冶建设公司

3立方柴油铲运机ACY-3L 北京安期生技术有限公司三、北洺河铁矿

2立方柴油铲运机WJ-2C 南昌凯马公司

3立方柴油铲运机CY-3 中钢衡重公司

4立方柴油铲运机CY-4 中钢衡重公司

4立方电动铲运机TORO 400E 山特维克

四、西石门铁矿

2立方柴油铲运机ACY-2 北京安期生技术有限公司2立方柴油铲运机CY-2 中钢衡重公司

第三章铲运机基本知识

一、原动机:

1、柴油机：（油铲）

（1）主要参数：额定转速/额定功率/额定扭矩；

（2）构造：电气系统/润滑系统/进、排气系统/燃油系统/冷却系统等；

（3）控制方式：机械式/电控式；

（4）冷却方式：风冷/水冷；通风与冷却液；

2、电动机：（电铲）

交流电压380V、550V或1000V三相电动机；

二、动力传动系统：三种方式

1、液力-机械传动：发动机（电动机）--变矩器--变速箱--传动轴--前、后桥差速器--四轮终传动；

2、液压-机械传动：发动机（电动机）--液压泵—液压马达—机械分动箱--传动轴--前、后桥差速器--四轮终传动；

3、液压传动：发动机（电动机）--液压泵—四轮液压马达终传动；

三、制动系统：

1、行车制动：采用全封闭液压制动、弹簧释放的湿式多盘制动器；小型设备为毂式刹车；

2、停车制动：停车制动作用在前桥上，制动形式为弹簧制动，液压释放

3、紧急制动：电-液阀；

四、液压系统：

组成：泵（齿轮、柱塞、叶片）—液压阀（滑阀）—液压油缸（液压马达）--辅助装置（管路、滤芯、冷却器、油箱等）；

故障：清洁/温度；

参数：压力/额定压力/流量；

1、工作系统：泵（双联）--双联滑阀—大臂油缸和翻斗油缸；

2、转向系统：泵（双联）--滑阀（转阀）--转向油缸；铰接式转向；

3、制动系统：泵（双联）--控制阀—制动器；

4、电缆卷筒系统：泵—控制阀—液压马达；

五、电气系统：直流单线制，电压24V；

1、电源电路: 电瓶/电源开关/发电机；

2、启动电路：启动马达/钥匙开关；

3、仪表电路：压力表/温度表/电压表/计时表/转速表/报警装置等；

4、灯光电路：前、后灯光照明；

5、动力电路：电动机/电缆卷筒/电缆等；

6、发动机/变速箱控制电路；

第四章铲运机工作装置

一、铲运机工作装置的总体结构

工作装置是地下铲运机铲装物料的装置，它的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数。因此，工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的挖掘效果、工作循环时间(包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位的时间)、外形尺寸和发动机功率等，不同类型的工作装置其组成是不同的。图1-2所示的工作装置为Z型反转六杆机构，由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。

图2-1铲运机工作装置简图

1--前车架;2--转斗油缸;3--摇臂;3--连杆;4--铲斗

5--动臂;7--举升油缸(两个) 整个工作装置铰接在车架上。铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料，动臂与车架及与动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。

二、铲运机工作装置工作原理及工作过程

地下铲运机是一种装运卸一体化的自行式设备，它的工作过程均可以反映在工作装置上，而工作装置的各种工况由举升油缸和转斗油缸的长度共同决定，它的工作过程由五种工况组成：

1、插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底与地面呈3o~50°倾角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。

2、铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。

3、举升工况：收斗后，利用举升油缸使动臂转动到适当的卸载位置。

4、卸载工况：在卸载点，利用转斗油缸使铲斗翻转，向溜井料仓或运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。

5、自动放平工况：铲斗在最高举升位置45’卸载后，保持转斗油缸长度不变，将动臂放至铲掘位置时，斗底与地平面的后角为30o~50o。

观看铲运机工作装置动画

第五章铲运机的传动系统

一、传动系统图

1. 后桥

2.变矩器

3.主传动轴

4.变速箱

5. 过桥轴承

6.前桥

二、传动系统的由来

（一）车辆行驶的要求:

1、正常行驶的速度范围：6~10倍；

2、牵引力变化范围：10~15倍；

3、能够倒驶；

4、能够切断动力；

5、能迅速制动；

6、能够修正或改变方向；

（二）动力装置性能的不足：

1、转速变化范围不广，最大转速约为可用的最低转速的1.5～

2.75倍。

2、转矩变化范围狭窄。

3、不能双向旋转（倒转）。

4、低速下不能输出功率,即不能带负荷启动。

三、地下铲运机传动方案

地下铲运机通常采用液力机械传动系统，对于地下铲运机：斗容在1m3以上采用液力机械传动系统；斗容在1m3以下采用静液压传动系统或液力机械传动系统。

（一）液力机械传动系统

其优点是：能充分利用动力机的功率，并在一定范围内自动适应外界阻力的变化，进行无级调速。在外界阻力突然增大时，可避免动力机过载及机件损坏。操作平稳，工作可靠。

其缺点是：传动效率较低，结构复杂，制造和维修成本高。

（二）液力机械传动系统典型的传动路线如图：

（三）静液压传动系统

1、高速方案是采用高速液压马达和机械传动，即液压机械传动系统；

2、低速方案是采用轮边低速大扭矩液压马达传动，即全液压传动系统。

四、变矩器

（一）变矩器的作用

柴油机的扭矩适应性系数小，不能满足地下车辆经常过载与载荷频繁变化的要求。为了解决这个问题，在柴油机后面加上液力变矩器。

加变矩器后同机械传动相比具有的优缺点：

1、优点：使车辆具有自动适应性；提高车辆的使用寿命；提高车辆的通过性能；提高车辆的舒适性；简化车辆的操作。

2、缺点：与一般机械传动相比，成本高，变矩器本身的效率低，维修制造成本高。

（二）变矩器的参数测试

1、变矩器的压力正常值为1.69～1.96Mpa,变矩器压力偏差不能超过0.04Mpa。

2、最高油温不允许超过121℃。正常工作油温在82.2℃～

93.3℃。

3、最高油温的测试方法：挂三档、踩刹车、车不动，发动机的转速控制在1500rpm,运转25分钟，变矩器油温不超过121℃。

五、变速箱

（一）变速箱的作用

1、改变动力机与主驱动轮间传动比，从而改变车辆的牵引力和行驶速度，以适应车辆在作业与行驶工况中的需要。

2、使车辆倒退行驶。

3、当变速箱空档时，动力机传给驱动轮的动力被切断，以便动力机启动；或者在动力机运转的情况下，可以使车辆在较长的时间内停车。起分动箱的作用，如车辆为全驱动时，动力机的动力经变速箱分别传给前桥和后桥。

4、变速变扭（严禁空档下坡）

（二）变速箱分类：按齿轮结构：行星齿轮传动；定轴齿轮传动

1、行星齿轮传动优点：结构简单；加工、装配精度易保证，造价低。缺点：尺寸、重量大。主要应用在汽车上。

2、定轴齿轮传动优点：结构紧凑；多点啮合、传递功率大；便于系列化。缺点：结构复杂，造价高；加工、装配精度要求高。主要应用在工程机械上。

六、驱动桥

（一）驱动桥的作用：驱动桥作为底盘传动系的主要组成部分，其主要功用是：增大由发动机传来的扭矩；将扭矩分配给左、右驱动轮，并使两边车轮具有差速功能；承受路面和车架传来的各种作用力。

（二）驱动桥的结构：驱动桥主要结构包括：主传动、差速器、轮边减速器、制动器、桥壳、半轴等部件。

（三）主传动：主传动为螺旋锥齿轮，承载能力大、效率高。作用是增大扭矩和改变扭矩的传递方向。（四）差速器：差速器是使驱动车轮在转向或不平路面上行驶时，左右驱动轮以不同的角速度旋转。

分为：普通差速器；防滑差速器

（五）轮边减速：轮边减速器为行星减速结构，进一步增大输出扭矩。

（六）制动器：制动器采用全封闭液压湿式多片制动，制动平稳、可靠、适应恶劣工作环境。

七、传动轴

（一）传动轴的作用：主要用于连接非同心轴线或在工作中有相对位置变化的两个部件之间的动力传递。

（二）传动轴又称万向传动装置，一般由万向节、传动轴、中间支撑组成。

（三）万向节：万向节有弹性和刚性两种。刚性万向节可以保证在周间夹角变化时可靠地传递运动，并且有较高的传动效率。

（四）万向节的组成：润滑油嘴、油封、滚针轴承、轴承座、垫圈、十字轴、连接法兰等。

（五）传动轴的连接方式：圆法兰与牙嵌式（C型法兰）

（1）圆法兰式（2）牙嵌式

八、轮胎与轮辋

（一）轮胎

1、轮胎的组成：外胎、内胎、内台垫（衬带）。

2、轮胎的作用：支撑整车；缓冲；提供驱动力，制动力；提供侧向力。

3、轮胎的合理使用

1）适当的车速：避免超速

2）适当的轮胎负荷：超载140％，寿命缩短50％

3）良好的车况：避免漏油腐蚀轮胎、车轮安装不对中4、良好的路面：让开坡度、排水区域5、适当的充气压力（对于地下装载机，一般充气压力0.34～0.55MPa，而且前轮压力高于后轮。压力过高：中部磨损过大、橡胶过渡拉伸破裂、接地面积少牵引力大大减少、打滑、空转、缓冲性减少、摆动增加、车辆控制难、花纹易损。压力过低：受力集中、变形大、径向裂纹、帘线疲劳断裂、增加侧胎断裂、较高内热产生热裂、接地面积过大磨损不均。

6、防止轮胎过热。

（二）轮辋

1、轮辋的组成：轮辋体、挡圈、锁环

2、轮辋的合理使用：

（1）使用标准轮胎轮辋；

（2）不可超负荷运行；

（3）充气时不允许敲击锁圈或其它部件；