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40 第 39 卷 2011 年第 6 期 铲 装 运 本栏目编辑 严 瑾 挖掘机生产能力计算方法的研究 林贵瑜1 王新中2 周 扬1 1东北大学 辽宁沈阳 110004 2太原重工股份有限公司 摘要 挖掘机的生产能力既是挖掘机的一项主要的技术指标 也是一项综合指标 而工作循环时间又 是确定挖掘机生产能力的关键因素 在综合分析影响生产能力因素的基础上 结合 WK 系列挖掘机 首次提出了工作循环 挖掘时间和回转时间的经验计算公式 为最终确定和提高挖掘机的生产能力奠 定了基础 关键词 挖掘机 生产率 工作循环时间 挖掘时间 回转时间 中图分类号 TU621 文献标识码 A 文章编号 1001 3954 2011 06 0040 04 Study on methods of calculating excavator productivity LIN Guiyu1 WANG Xinzhong2 ZHOU Yang1 1Northeastern University Shenyang 110004 Liaoning China 2Taiyuan Heavy Industry Co Ltd Abstract The productivity is not only one of main technical indexes but a complex index and the working cycle time is the main factor to determine the loader productivity Based on analysing the factors affecting the productivity experiential calculation methods for working cycle time excavating time and turning time are proposed with WK series excavators being taken for example which offers references for finally determining and enhancing the loader productivity Keywords excavator productivity working cycle time excavating time turning time 挖 掘机的生产能力分为额定生产能力 也称理论 生产能力 技术生产能力 有效生产能力和实 际生产能力 4 种 挖掘机的理论生产能力只取决于其组成 电动机 的功率 工作机构的线性尺寸 挖掘机构的计算容积 和形状以及工作机构的传动系统和运动速度 它是与 一定的工艺要求相适应的 用于比较各种类型的挖掘 机在同一工作条件下的工作能力 挖掘机的技术生产能力是指在具体的开采技术条 件下 挖掘机最大可能的小时生产能力 挖掘机的有效生产能力是指在具体工况下 挖掘 机连续工作时的实际小时生产能力 挖掘机的实际生产能力是指根据技术 工艺和管 理情况所消耗的时间与停歇时间 设备完成的或实际 上可能完成的工作量 分为台班 台月和台年生产能 力 挖掘机的理论生产能力是设计出来的 是确定 其技术生产能力 有效生产能力和实际生产能力的基 础 1 影响生产能力的因素 1 1 挖掘机的铲斗容积与运输设备的匹配 实际经验和研究表明 运输设备的容积与铲斗容 积的最佳比值为 3 4 1 126 1 2 岩石块度对生产能力及总成本的影响 岩石的块度 dcp 是指其平均线性尺寸 1 127 爆破后 的岩石最佳块度用最大允许块度 dH 0 753 E E 为铲 斗容积 和平均块度 dcp 来评价 1 2 1 设备的生产能力对岩石块度的要求 对挖掘机 运输设备和破碎机的生产能力来说 要求岩石块度越小越好 设备生产能力与岩石块度的 关系曲线 1 74如图 1 所示 图 1 中 4 条曲线分别为不同 铲斗容积时的设备生产能力 由图 1 可知 岩石块度 作者简介 林贵瑜 男 1957 年生 1982 年毕业于吉林工业大 学矿山机械专业 副教授 主要研究方向为矿山机械设计 41 铲 装 运 本栏目编辑 严 瑾 第 39 卷 2011 年第 6 期 最大与最小时的设备生产能力几乎相差 1 倍 1 4 6 m3 2 8 m3 3 12 5 m3 4 20 m3 图 1 设备生产能力与岩石块度的关系曲线 Fig 1 Curves of relationship between equipment productivity and rock size 1 2 2 岩石块度对总成本的影响 合理的岩石块度应使挖掘机的生产能力最高 同 理 也应使完成一个周期生产过程的单位费用的总和 最小 单位费用与岩石 或矿石 块度的关系曲线 1 74 如图 2 所示 其中 a b 为不同矿山矿石的单位挖 掘费用与其块度的关系曲线 c 为岩石的单位挖掘 费用与其块度的关系曲线 图 2 单位挖掘费用与爆破后岩石块度的关系曲线 Fig 2 Curves of relationship between unit excavating cost and explosive rock size 实际经验和研究表明 联合使用铲斗容积 E 为 4 8 m3 的挖掘机和载重为 27 75 t 自卸汽车或者 100 t 的自翻车的铁路运输 对于易爆和中等难爆的岩 石 爆破后的最佳岩石块度 dcp 0 15 0 20 3 E 对 于铲斗容积 E 为 4 5 m3 的挖掘机 爆破后的最佳岩 石块度 dcp 30 35 cm 而爆破后最佳矿石块度 dcp 20 25 cm 1 2 3 挖掘厚度对生产能力的影响 实际经验和研究表明 挖掘厚度过大或过小都直 接影响挖掘机的生产能力 挖掘厚度 t 和铲斗宽度 b 的最佳比值为 0 1 0 33 2 1 2 4 岩石块度对挖掘比阻力的影响 主动挖掘力是否满足实际挖掘阻力要求 直接 影响挖掘机的生产能力 在露天矿 挖掘经爆破后的 岩石是最为普遍的作业 其挖掘力 提升力 切向力 和挖掘比阻力 KF 首先取决于爆破后岩石的连接程度 和块度 其次取决于岩石的强度和质量密度 挖掘 比阻力 KF 与爆破后岩石块度的比例线段 1 91如图 3 所 示 图 3 中 为岩石的质量密度 KP 为岩石的松散系 数 从图 3 中可以看出 随着松散系数 KP 从 1 4 降 到 1 05 KF 从 0 5 1 0 105 Pa 增大到 7 9 105 Pa 即随着质量密度 和岩石块度 dcp 的增加 KF 值 成比例增加 用铲斗容积 E 为 3 5 m3 单斗挖掘机 采掘块度大的硬岩 KP 1 05 dcp 50 cm 3 t m3 时 挖掘机近似处于停机状态 图 3 挖掘比阻力与爆破后岩石块度的比例线段 Fig 3 Proportional line of relationship between excavating specifi c resistance and explosive rock size 1 2 5 岩石块度与松散系数等参数的关系 挖掘爆破后的岩石时 铲斗中岩石的松散系数 KP 挖掘机的满斗系数 KH 和挖掘系数 KW 主要取决于 爆破后岩石的块度和铲斗的几何尺寸 1 127 128 Kp 和 KH 的平均值如表 1 和表 2 所列 块度 dcp 0 8 3 E 的岩石 为不合格块度 不能挖掘 1 2 6 其他因素 其他因素如生产管理以及挖掘方式等合理与否 都直接影响生产能力 因此 挖掘机的生产能力是一 个综合指标 涉及的因素和环节也比较多 直接反映 出企业的设计水平和管理水平以及国家的工业水平 应该用企业的综合成本进行评价 42 第 39 卷 2011 年第 6 期 铲 装 运 本栏目编辑 严 瑾 表 1 挖掘爆破后的岩石时 铲斗中岩石松散系数 KP 的平均值 Tab 1 Average of loose factor KP of rocks in bucket at excavating exploded rocks Kp 平均值 岩石块度 dcp cm 10152535455565758595105 铲 斗 容 积 E m3 4 01 35 1 40 1 53 1 65 1 82 1 95 2 00 2 05 6 01 34 1 38 1 48 1 60 1 75 1 86 1 95 2 00 2 03 8 01 33 1 36 1 43 1 53 1 65 1 78 1 90 1 96 2 01 2 05 10 0 1 32 1 35 1 42 1 50 1 60 1 72 1 83 1 91 1 99 2 02 2 05 12 5 1 31 1 34 1 40 1 46 1 55 1 66 1 77 1 86 1 95 2 00 2 03 15 0 1 31 1 33 1 39 1 44 1 52 1 63 1 74 1 82 1 92 1 99 2 02 20 0 1 30 1 32 1 37 1 42 1 49 1 58 1 68 1 78 1 86 1 93 1 99 25 0 1 30 1 32 1 35 1 40 1 46 1 54 1 64 1 74 1 82 1 89 1 95 35 0 1 30 1 31 1 33 1 39 1 43 1 50 1 58 1 66 1 74 1 81 1 87 40 0 1 30 1 31 1 33 1 39 1 42 1 48 1 55 1 62 1 71 1 78 1 84 50 0 1 30 1 31 1 33 1 37 1 41 1 46 1 52 1 58 1 66 1 74 1 79 80 0 1 30 1 31 1 32 1 34 1 38 1 41 1 45 1 50 1 56 1 62 1 69 表 2 挖掘爆破后的岩石时 挖掘机满斗系数 KH 的平均值 Tab 2 Average of full bucket factor KH of excavator at excavating exploded rocks KH 的 平均值 岩石块度 dcp cm 152535455565758595105 铲 斗 容 积 E m3 4 01 151 080 930 720 450 220 10 6 01 171 121 00 820 600 400 250 15 8 01 181 151 080 920 730 530 370 250 16 10 01 181 151 080 980 820 630 470 320 220 12 12 51 181 161 091 00 880 720 550 380 270 16 15 01 181 161 101 030 950 800 680 520 360 25 20 01 191 171 111 061 00 900 800 650 520 40 25 01 191 171 121 091 040 970 870 760 650 53 35 01 201 181 151 121 081 030 970 870 780 70 40 01 201 181 161 141 101 051 010 930 840 76 50 01 201 181 171 151 121 081 030 970 880 80 2 提高挖掘机理论生产能力的方法 通过对影响挖掘机生产能力因素的分析 除合理 的管理制度之外 从现场调研中发现 技术上采取以 下方法可提高生产能力 1 合理的岩石爆破块度及合理匹配的运输设备 容积与铲斗容积 2 缩短挖掘循环时间 如回转角减小 15 可使 生产能力大约增加 10 1 126 3 在软岩中采用半约束的挖掘方式 以最大的 提升速度和推压速度进行挖掘 从工作面外部向内部 顺序切割 对于爆破后的岩石 按划分的区段进行挖 掘 对于致密的岩石 采用混合方式挖掘 单独挖掘 时采用全约束的挖掘方式 剩余的部分则采用任意挖 掘的方式 这样可以缩短挖掘时间 3 挖掘机理论生产能力的计算 挖掘机理论生产能力的计算是指一台挖掘机在 计算条件 下连续工作 1 h 所得到的生产率 计算 条件 3 114包括以下几个方面 1 土壤为 计算土壤 2 工作面高度为标准高度 对于正铲挖掘机 工作面高度等于推压轴高度 等于最大挖掘高度的 0 70 0 75 倍 分析美国 P H 挖掘机 4 得出工作面 高度为最大挖掘高度的 0 58 0 60 倍 3 挖掘半径为平均半径 卸载高度和卸载半径 都不大于最大值的 0 90 倍 4 工作速度为计算速度 回转 90 后堆弃物 料 5 挖掘机工作时 充分利用机器的可能性 各 动作尽可能同时进行 挖掘机每小时的理论生产能力的计算公式为 Q 60Ef 3 600E T 1 式中 Q 为理论生产率 m3 h f 为每分钟工作循环 次数 T 为每一工作循环时间 s 而每一工作循环时 间 T th ts t h tw s 2 式中 th 为满斗从工作面回转到卸载处的时间 s ts 为卸载时间 1 126 s ts 值如表 3 所列 1 126 t h 为空斗从 卸载处返回工作面的时间 s tw 为挖掘时间 s 表 3 挖掘机向运输设备卸载的作业时间 Tab 3 Discharging time of rocks from excavators to transportation vehicles 卸载时间 ts s 松散和爆破后 的岩石 dcp 0 4 3 E 粘土质中等湿度和 爆破后的岩石 dcp 0 4 3 E 粘土质的 粘性岩石 铲斗容积 E m3 3 80 81 64 3 5 0 12 351 01 95 3 5 8 根据公式 3 87 th 0 123 3 J 1 37 h2 2 Pmax h s 3 式中 J 为转动惯量 kg m2 h 为效率 为转动 角 rad Pmax 为功率 kW 认为回转时间与铲斗容 积无直接关系 与回转角度和转速有关 将功率 P J t 式中 为回转角速度 s 1 t 为启动时间 s 代入式 3 认为 t h thmin 经推导并整理 整个回转 时间 thmin 13 18 3 2 n s 4 式中 为回转角 rad 2 n 为回转速度 r min 对于采矿型挖掘机 前苏联提出挖掘时间的经验 计算公式 1 125 为 43 铲 装 运 本栏目编辑 严 瑾 第 39 卷 2011 年第 6 期 tw 194dcp 2 E E 0 11E 0 6 s 5 其中 dcp 0 43 E m 挖掘机铲斗容积越大 岩石块度 岩石可挖性 对挖掘时间的影响越小 对于大型挖掘机而言 当 dcp 从 15 30 cm 增大到 150 cm 时 将导致 tw 值成倍增 加 如果 dcp 0 8 3 E 为不合格岩块 不能挖掘 根据在太原重工股份有限公司的现场测试 将式 5 修正 得出 tw 40 45 dcp 2 E E 0 11E 0 6 s 6 式 6 中第 1 项 第 2 项分别表示岩石块度 铲斗容 积对挖掘时间的影响 WK 系列挖掘机的工作循环时间 5 11 如表 4 所 列 经计算得到式 7 及图 4 中所示曲线 T 0 000 3E3 0 029 4E2 0 92E 21 24 s 7 表 4 WK 系列挖掘机的工作循环时间 Tab 4 Working cycle times of WK series excavators 铲斗容积 E m3481020273555 8 工作循环时间 s 回转 90 252628303230 30 70 35 90 据式 7 计算所得 的工作循环时间 s 24 47 26 87 27 80 30 28 30 55 30 2833 16 误差 2 123 35 0 700 93 1 700 93 5 30 注 由 70 折算而得 图 4 挖掘机工作循环时间与铲斗容积的关系曲线 Fig 4 Curves of relationship between working cycle time of excavators and bucket volume 前苏联给出的采矿型挖掘机的理论生产能力 1 126 如表 5 所列 根据式 4 7 计算得出的采矿型挖掘 机的理论生产能力如表 6 所列 表 5 前苏联给出的采矿型挖掘机的理论生产能力 Tab 5 Theoretical productivities of mining excavators offered by former Soviet Union 指标 铲斗容积 E m3 23 58 12 516 20 挖掘时间 tw s6 88 99 1010 12 回转时间 th s1415 1619 2222 工作循环时间 T s20 2223 2528 3232 34 表 6 根据式 4 7 计算得出的采矿型挖掘机的理论生产能力 Tab 6 Theoretical productivities of mining excavators obtained by calculating with formula 4 7 指标 铲斗容积 E m3 35812 51620 挖掘时间 tw s 据式 6 7 66 8 09 8 61 9 43 9 64 9 80 据式 5 24 7 522 5020 9319 7019 0918 58 据式 4 计算所得的