中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄

為破解我國露天煤礦單斗-卡車間斷開采工藝效率低等難題，中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合國家能源集團(tuán)寶日希勒露天煤礦，針對蒙東近水平褐煤露天礦，研發(fā)了國產(chǎn)首臺大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)BWE3900，突破了高寒環(huán)境輪斗連續(xù)開采九大關(guān)鍵技術(shù)，理論產(chǎn)能3900 m3/h，線切割力200 kN/m，采掘高度15 m，全變頻驅(qū)動智能化控制，可在-48℃運行。2025年10月將完成工業(yè)試驗，輪斗連續(xù)采煤系統(tǒng)年產(chǎn)500萬t，打破國外壟斷，為露天礦連續(xù)少人開采提供國產(chǎn)化解決方案，推動采煤工藝革新與裝備升級。

文章來源：《智能礦山》2025年第7期“中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄”

第一作者：宋波，高級工程師，現(xiàn)任中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司數(shù)字與智能產(chǎn)業(yè)中心副總經(jīng)理，主要從事露天開采技術(shù)研究及裝備國產(chǎn)化應(yīng)用。E-mail：smy_sunshine@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司

引用格式：宋波，孫龍，劉暢. 國產(chǎn)首臺套高寒地區(qū)大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)研發(fā)及應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(7)：54-60.

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我國露天采煤量呈逐年上升趨勢，由2003年的0.8億t增加到2024年約12億t，占全部煤炭產(chǎn)量的比例由4.65%提高到約25%，預(yù)計露天煤礦產(chǎn)量及其占比還將進(jìn)一步提高。露天煤礦開采的煤層中近水平或緩傾斜煤層>88%，煤層傾角一般為0°～10°、抗壓強度為6～40 MPa，開采條件較簡單，較為適合輪斗連續(xù)開采工藝的應(yīng)用。

輪斗挖掘機(jī)研發(fā)背景

國內(nèi)各大露天煤礦開采工藝80%以上均為單斗-卡車工藝，以國家能源集團(tuán)為例，目前在產(chǎn)露天煤礦平均開采深度達(dá)170 m，部分露天煤礦后期最大深度>400 m，普遍存在以下3個方面的問題。

（1）隨著開采深度不斷增大，卡車運輸成本升高、效率降低、安全及環(huán)境等問題日益凸顯。

（2）礦山日常生產(chǎn)受雨、雪、霧、風(fēng)沙等極端惡劣天氣影響甚為嚴(yán)重，生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。

（3）露天礦智能化建設(shè)過程中，單斗-卡車間斷工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)無人化智能開采所面臨的“卡脖子”難題短時間內(nèi)難以突破。

因此，露天煤礦實現(xiàn)全連續(xù)少（無）人化開采，已經(jīng)成為實現(xiàn)安全、綠色、高效、智能開采目標(biāo)的迫切需求。以國能寶日希勒能源有限公司露天煤礦（簡稱寶日希勒露天煤礦）為代表的蒙東地區(qū)褐煤露天礦，煤層多為近水平或緩傾斜煤層，傾角一般為0°～10°，抗壓強度為16 MPa，開采條件較簡單，類比國外露天礦的實踐可知，適合應(yīng)用輪斗連續(xù)開采工藝，輪斗連續(xù)開采工藝也是最易實現(xiàn)少（無）人化開采的先進(jìn)工藝，能夠迅速提升露天煤礦智能化建設(shè)的進(jìn)程和效果。

國內(nèi)外露天煤礦應(yīng)用的輪斗挖掘機(jī)主要由德國ThyssenKrupp、TAKRAF、sandvik等公司壟斷，設(shè)備價格高且在國內(nèi)露天礦山的應(yīng)用存在多方面的不適應(yīng)現(xiàn)象，難以廣泛應(yīng)用。

雖然20世紀(jì)70年代開始，云南昆明重型機(jī)器廠等企業(yè)嘗試研制過輪斗挖掘機(jī)，并在小龍?zhí)逗筒颊訅温短斓V的采煤及剝離中應(yīng)用，但受限于當(dāng)時的研發(fā)和裝備制造水平，設(shè)備理論能力僅為1 700 m3/h，規(guī)格偏小。2013年，大連通用機(jī)械有限公司生產(chǎn)的全液壓緊湊型輪斗挖掘機(jī)在沈陽院設(shè)計的生產(chǎn)運營項目中應(yīng)用，采煤成本明顯下降，但設(shè)備生產(chǎn)能力較小，運行過程中暴露出了4個方面的主要問題。

（1）切割力不足，單軸抗壓強度超過10 MPa的煤層（夾矸）開采效率明顯下降，超過15 MPa時基本無法正常開采。

（2）開采作業(yè)時斗齒斷齒、脫落及磨損嚴(yán)重，鏟斗開裂，設(shè)備維修耗時長，備件消耗量大，開機(jī)率低。

（3）開采煤矸復(fù)合結(jié)構(gòu)煤層時的間斷切削振動，對設(shè)備關(guān)鍵部件的疲勞損傷問題突出，主要承載結(jié)構(gòu)強度不夠，甚至出現(xiàn)卸料臂斷裂等重大事故。

（4）備品備件消耗不規(guī)律、庫存數(shù)量多、資金壓占數(shù)額大、運維成本高昂。

以上問題表明產(chǎn)品缺乏系統(tǒng)全面的基礎(chǔ)理論研究。中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司（簡稱沈陽設(shè)計院）研發(fā)團(tuán)隊結(jié)合國家能源集團(tuán)露天煤礦的分布區(qū)域、煤層賦存特點、開采技術(shù)條件和高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實需求，基于寶日希勒露天煤礦，深入研究采煤方法、斗輪裝置、斗齒材料及參數(shù)、整機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)備控制系統(tǒng)等關(guān)鍵核心技術(shù)，研發(fā)出整套適合我國蒙東地區(qū)褐煤露天礦特點的全連續(xù)開采關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備并實現(xiàn)示范應(yīng)用，可解決露天礦采煤連續(xù)化運輸和高可靠性穩(wěn)定運行的行業(yè)共性難題，推動我國露天行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和全面發(fā)展。

高寒地區(qū)大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)的研究沒有成熟的經(jīng)驗可供借鑒，必須依靠自主創(chuàng)新。在此背景下，沈陽設(shè)計院研制了國產(chǎn)首臺大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)BWE3900。

輪斗挖掘機(jī)技術(shù)原理與主要參數(shù)

輪斗挖掘機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，分為巨型輪斗挖掘機(jī)和緊湊型輪斗挖掘機(jī)。巨型輪斗挖掘機(jī)一般具有伸縮式斗輪臂和配重臂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)體質(zhì)量大，移動靈活性差，維護(hù)管理難度大。

緊湊型輪斗挖掘機(jī)具備結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量輕、作業(yè)靈活機(jī)動和易于操作等優(yōu)點，緊湊型輪斗挖掘機(jī)為常規(guī)型輪斗挖掘機(jī)，尤其在我國輪斗連續(xù)工藝應(yīng)用較少的背景下，緊湊型輪斗挖掘機(jī)的操作使用模式，礦山管理人員更容易接受和掌握。

緊湊型輪斗挖掘機(jī)在采掘作業(yè)時，行走系統(tǒng)保持靜止，受料臂俯仰至最大上仰角度，斗輪裝置在豎直面內(nèi)自轉(zhuǎn)運動，同時受料臂在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運動，通過2個方向的復(fù)合運動，實現(xiàn)一定高度范圍內(nèi)物料的高效開采。當(dāng)受料臂在采寬范圍內(nèi)完成1次回轉(zhuǎn)挖掘后，輪斗挖掘機(jī)通過行走系統(tǒng)前進(jìn)一段進(jìn)齒距離后，重復(fù)下，1次采掘作業(yè)。此過程重復(fù)進(jìn)行，完成1個分層高度內(nèi)物料的采掘。

緊湊型輪斗挖掘機(jī)主要由斗輪裝置、受料臂、門型承載架、中心轉(zhuǎn)載溜槽、排料臂、液壓缸俯仰裝置、行走系統(tǒng)、小回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、大回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，緊湊型輪斗挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 緊湊型輪斗挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)示意

結(jié)合寶日希勒露天煤礦賦存條件與開采參數(shù)，首臺大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)BWE3900的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 BWE3900緊湊型輪斗挖掘機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

輪斗挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

輪斗挖掘機(jī)外形尺寸大、機(jī)構(gòu)變化復(fù)雜、多機(jī)構(gòu)同步運動，沈陽設(shè)計院全國煤礦智能化卓越團(tuán)隊在輪斗挖掘機(jī)的研發(fā)過程中從挖掘切割物料過程、關(guān)鍵部件設(shè)計到整機(jī)穩(wěn)定性等方面，解決系列關(guān)鍵技術(shù)難題。

（1）建立整機(jī)技術(shù)參數(shù)理論計算體系，包括工藝、切削、功率、減速機(jī)、液壓以及鉸軸類技術(shù)參數(shù)的系統(tǒng)計算和多專業(yè)設(shè)計軟件的綜合應(yīng)用技術(shù)。

（2）輪斗挖掘機(jī)的切割力和功率的精準(zhǔn)預(yù)測技術(shù)，實現(xiàn)為輪斗挖掘機(jī)的鏟斗及整機(jī)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，煤樣切割壓力試驗如圖2所示。

圖2 煤樣切割壓力試驗

（3）大型非標(biāo)重載鋼結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計優(yōu)化技術(shù)，完成了多執(zhí)行機(jī)構(gòu)多工作姿態(tài)下復(fù)雜載荷的非標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、局部應(yīng)力防控和優(yōu)化。

（4）斗輪裝置切削煤巖粒度預(yù)測和控制技術(shù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制挖掘物料粒度，避免大塊物料在運輸過程中發(fā)生卡料堵料，影響連續(xù)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，離散元粒度仿真模擬分析如圖3所示，不同角度斗齒切削粒度模擬分析如圖4所示。

圖3 離散元粒度仿真模擬分析

圖4 不同角度斗齒切削粒度模擬分析

（5）整機(jī)多工況的參數(shù)化穩(wěn)定性（抗傾翻特性）分析技術(shù)，疊加各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同作業(yè)姿態(tài)下的工況條件，實現(xiàn)設(shè)備在大切割力、風(fēng)速20 m/s、滿載極限工況下，滿足正常連續(xù)采煤工作，不同挖掘姿態(tài)下的整機(jī)抗傾翻特性分析如圖5所示。

圖5 不同挖掘姿態(tài)下的整機(jī)抗傾翻特性分析

（6）輪斗挖掘機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型仿真，實現(xiàn)輪斗挖掘機(jī)的整機(jī)零部件設(shè)計和優(yōu)化，挖掘作業(yè)時的整機(jī)動態(tài)受力云圖如圖6所示。

圖6 挖掘作業(yè)時的整機(jī)動態(tài)受力云圖

（7）受料臂高剛度俯仰鉸點結(jié)構(gòu)的減振技術(shù)，減少受料臂振動，提高受料臂的疲勞壽命，提高整機(jī)可靠性、安全性和穩(wěn)定性，不同數(shù)量鏟斗挖掘時的載荷變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同數(shù)量鏟斗挖掘時的載荷變化規(guī)律

（8）多級平衡梁式重載履帶行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計理論方法，較傳統(tǒng)履帶底盤，整機(jī)抗傾翻能力提升70%，多級平衡梁式履帶行走機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 多級平衡梁式履帶行走機(jī)構(gòu)

（9）偏載工況下雙液壓缸支撐的比例閥控制技術(shù)，實現(xiàn)偏載工況雙液壓缸動態(tài)的協(xié)調(diào)優(yōu)化與同步伸縮，實現(xiàn)平衡采煤。

（10）輪斗開采全過程的自主導(dǎo)航和精準(zhǔn)站位技術(shù)，實現(xiàn)輪斗挖掘機(jī)高效自動挖掘。

（11）緩傾煤層輪斗連續(xù)開采工藝設(shè)計理論，實現(xiàn)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，使系統(tǒng)效能最大化。

輪斗挖掘機(jī)技術(shù)創(chuàng)新點

輪斗挖掘機(jī)研制過程中，在連續(xù)工藝設(shè)計理論、煤巖切割機(jī)理、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)備智能化方面均取得了6項重要成果。

（1）基于切割比能耗的切割功率預(yù)測方法

以斗齒線性切割巖石試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合了斗齒幾何參數(shù)、切割參數(shù)與斗齒切割巖石切割比能值的關(guān)系函數(shù)，構(gòu)建了實際開采中斗齒參數(shù)和切割參數(shù)預(yù)測巖石比能值的模型，建立了以小時產(chǎn)量和比能值估算斗齒切割巖石消耗能量的方法，實現(xiàn)了設(shè)備所需切割功率的精準(zhǔn)預(yù)測。

（2）斗輪裝置切削煤巖粒度模擬分析及控制技術(shù)

建立以斗齒切割試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的煤巖接觸參數(shù)標(biāo)定方法，構(gòu)建基于離散元理論的煤巖顆粒間的黏結(jié)接觸模型，建立鏟斗挖掘物料的離散元模型，模擬斗齒作用下煤巖破碎行為，精準(zhǔn)仿真斗輪裝置切割煤巖的物理過程；基于輪斗挖掘機(jī)的挖掘運動與切片參數(shù)，建立了鏟斗切割煤巖的數(shù)學(xué)模型，揭示斗輪裝置回轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)復(fù)合切割運動過程中煤巖切片寬度和厚度的變化規(guī)律?；诜抡婧徒馕?種方式進(jìn)行輪斗挖掘機(jī)的挖掘粒度優(yōu)化，有效控制輪斗挖掘機(jī)挖掘物料粒度。

（3）輪斗挖掘機(jī)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型仿真方法

基于輪斗挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)、運動和受力特點，建立了以受料臂、排料臂及門型承載梁為柔性體的自轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)兩自由度的輪斗挖掘機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，采用圖形分析與受料臂理論調(diào)速規(guī)律相結(jié)合的方法，構(gòu)建了挖掘阻力隨挖掘位置變化的理論曲線，進(jìn)行了輪斗挖掘機(jī)整機(jī)的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)分析，實現(xiàn)了輪斗挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)挖掘過程中各柔性體部件的動應(yīng)力的高精度仿真，為整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

（4）多級平衡梁式重載履帶行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

基于上部結(jié)構(gòu)重心變化區(qū)域范圍，明確了整機(jī)重心位置與履帶行走機(jī)構(gòu)輪壓的分布的關(guān)系，在接地比壓限制條件下，基于全工況下重心位置的變化規(guī)律，建立以最小轉(zhuǎn)彎阻力為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)履帶行走機(jī)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力參數(shù)精準(zhǔn)計算。

（5）輪斗開采全過程自主導(dǎo)航和精準(zhǔn)站位技術(shù)

建立視覺、激光雷達(dá)、超聲波、傾角等多源數(shù)據(jù)信息融合算法，實現(xiàn)對環(huán)境信息全面感知和對設(shè)備自身姿態(tài)的精準(zhǔn)獲取，綜合利用北斗導(dǎo)航、地面基站和姿態(tài)傳感器校準(zhǔn)技術(shù)，測量和校準(zhǔn)輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)裝備的位置，建立挖掘作業(yè)全過程系統(tǒng)設(shè)備位姿變化與設(shè)備行走和站位的解析關(guān)系，編制系統(tǒng)設(shè)備的位置和姿態(tài)模糊控制的算法，實現(xiàn)輪斗連續(xù)開采工藝系統(tǒng)設(shè)備的自主導(dǎo)航和實時精準(zhǔn)站位。

（6）緩傾煤層輪斗連續(xù)開采工藝設(shè)計理論

針對緩傾煤層賦存特點，考慮臺階高、切片高、坡面角、采寬、臺階布置、工作面布置、工作平盤寬、采移組合方式等方面因素影響，提出輪斗連續(xù)工藝開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法；考慮內(nèi)部影響因素（有效生產(chǎn)能力、物料提升功率、輪斗回轉(zhuǎn)功率、開采臺階高度、整機(jī)對地比壓、設(shè)備大修周期、智能化擴(kuò)展性、平均故障間隔、線切割功率、采掘帶寬度、大修天數(shù)、能耗產(chǎn)量比等）和外部影響因素（氣溫適應(yīng)性、風(fēng)力適應(yīng)性、雷雨適應(yīng)性、煤巖硬度、傾角適應(yīng)性、褶皺斷層適應(yīng)性、出料粒度適應(yīng)性、選采適應(yīng)性等）的基礎(chǔ)上，提出輪斗連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)的適用場景和設(shè)備配套標(biāo)準(zhǔn)；建立間斷-連續(xù)混合工藝上下、分段臺階2種協(xié)同開采模型，提出厚煤層兩套輪斗連續(xù)工藝協(xié)同布置方法。

實踐應(yīng)用及成效分析

輪斗挖掘機(jī)已于2024年9月在寶日希勒露天煤礦完成“一步式”組裝；于2025年1月在－39 ℃的極寒工況條件下進(jìn)行了采煤試驗，輪斗挖掘機(jī)連續(xù)挖掘作業(yè)試驗，整機(jī)運行平穩(wěn)，挖掘動力強勁，煤流穩(wěn)定粒度均勻，挖掘作業(yè)全自動化運行，無需人工操作，自主挖掘動作流暢，首次采煤試驗取得圓滿成功，極寒工況下的首次采煤試驗如圖9所示，輪斗挖掘機(jī)現(xiàn)場采掘原煤粒度如圖10所示。

圖9 極寒工況下的首次采煤試驗

圖10 輪斗挖掘機(jī)現(xiàn)場采掘原煤粒度

沈陽設(shè)計院以構(gòu)建露天煤礦自主開采+多機(jī)協(xié)同的連續(xù)系統(tǒng)少人化開采作業(yè)模式，建成高寒地區(qū)露天礦首臺套輪斗連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)示范工程為總體目標(biāo)，將于2025年10月完成連續(xù)工藝系統(tǒng)工業(yè)性試驗，整套系統(tǒng)包含輪斗挖掘機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、受料車及工作面帶式輸送機(jī)各1臺。

在該地區(qū)環(huán)境氣候惡劣，冬天最低氣溫-48°，夏天氣溫+40°，且晝夜溫差大，煤質(zhì)偏硬，平均抗壓強度為16 MPa，煤層層里發(fā)育較好，但節(jié)里發(fā)育不完善的條件下，驗證設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料和配件的可靠性和穩(wěn)定性，寶日希勒露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 寶日希勒露天煤礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)

輪斗連續(xù)采煤系統(tǒng)年產(chǎn)500萬t，經(jīng)測算，與單斗-卡車間斷開采工藝相比，省去爆破、卡車和1次破碎環(huán)節(jié)，預(yù)計噸煤生產(chǎn)成本降低5.67元/t，年節(jié)約運輸成本預(yù)計2 835萬元，單套系統(tǒng)減人50%，全套系統(tǒng)100%電驅(qū)動，總碳排放量約為2.861 2 kgCO?/（kW·h），助力露天煤礦實現(xiàn)高效與低碳生產(chǎn)的目標(biāo)。

結(jié) 語

國產(chǎn)首臺套高寒地區(qū)大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用，成功攻克了高寒環(huán)境下設(shè)備運行的系列難題，實現(xiàn)了大切割力與緊湊型設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，填補了國內(nèi)在露天礦連續(xù)開采核心裝備領(lǐng)域的技術(shù)空白，還增強了我國工程機(jī)械在國際市場的競爭力，提升了國內(nèi)大型加工制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，推動國內(nèi)露天開采工藝由間斷開采工藝向連續(xù)開采工藝的技術(shù)變革。

露天產(chǎn)能占比不斷提升以及智能化建設(shè)的推進(jìn)，安全、高效、綠色、智能輪斗連續(xù)開采工藝成為露天煤礦及非煤礦山的首選開采工藝，連續(xù)化開采工藝大型集成化裝備的研制已迫在眉睫。未來，將繼續(xù)優(yōu)化設(shè)備性能，拓展應(yīng)用范圍，并進(jìn)一步探索智能化升級路徑，為我國露天礦山建設(shè)貢獻(xiàn)更多創(chuàng)新力量。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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