中國煤科10大創(chuàng)新成果┃宋波高工：國產(chǎn)首臺套高寒地區(qū)大切割力緊湊型輪斗挖掘機研發(fā)及應用

2025年08月15日 12:02 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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，中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司聯(lián)合國家能源集團寶日希勒露天煤礦，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BWE3900，突破了高寒環(huán)境輪斗連續(xù)開采九大關鍵技術，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)任中煤科工集團沈陽設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研究及裝備國產(chǎn)化應用。E-mail：smy_sunshine@qq.com

作者單位：中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司

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研發(fā)及應用[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%，預計露天煤礦產(chǎn)量及其占比還將進一步提高。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)開采工藝的應用。

輪斗挖掘機研發(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，以國家能源集團為例，目前在產(chǎn)露天煤礦平均開采深度達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、風沙等極端惡劣天氣影響甚為嚴重，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）人化開采的先進工藝，能夠迅速提升露天煤礦智能化建設的進程和效果。

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

雖然20世紀70年代開始，云南昆明重型機器廠等企業(yè)嘗試研制過輪斗挖掘機，并在小龍?zhí)逗筒颊訅温短斓V的采煤及剝離中應用，但受限于當時的研發(fā)和裝備制造水平，設備理論能力僅為1 700 m3/h，規(guī)格偏小。2013年，大連通用機械有限公司生產(chǎn)的全液壓緊湊型輪斗挖掘機在沈陽院設計的生產(chǎn)運營項目中應用，采煤成本明顯下降，但設備生產(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、脫落及磨損嚴重，鏟斗開裂，設備維修耗時長，備件消耗量大，開機率低。

（3）開采煤矸復合結構煤層時的間斷切削振動，對設備關鍵部件的疲勞損傷問題突出，主要承載結構強度不夠，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)全面的基礎理論研究。中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司（簡稱沈陽設計院）研發(fā)團隊結合國家能源集團露天煤礦的分布區(qū)域、煤層賦存特點、開采技術條件和高質(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)、整機結構、設備控制系統(tǒng)等關鍵核心技術，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)開采關鍵技術及成套裝備并實現(xiàn)示范應用，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)的技術進步和全面發(fā)展。

高寒地區(qū)大切割力緊湊型輪斗挖掘機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，沈陽設計院研制了國產(chǎn)首臺大切割力緊湊型輪斗挖掘機BWE3900。

輪斗挖掘機技術原理與主要參數(shù)

輪斗挖掘機根據(jù)結構形式不同，分為巨型輪斗挖掘機和緊湊型輪斗挖掘機。巨型輪斗挖掘機一般具有伸縮式斗輪臂和配重臂，結構復雜，機體質(zhì)量大，移動靈活性差，維護管理難度大。

緊湊型輪斗挖掘機具備結構尺寸小、質(zhì)量輕、作業(yè)靈活機動和易于操作等優(yōu)點，緊湊型輪斗挖掘機為常規(guī)型輪斗挖掘機，尤其在我國輪斗連續(xù)工藝應用較少的背景下，緊湊型輪斗挖掘機的操作使用模式，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個方向的復合運動，實現(xiàn)一定高度范圍內(nèi)物料的高效開采。當受料臂在采寬范圍內(nèi)完成1次回轉(zhuǎn)挖掘后，輪斗挖掘機通過行走系統(tǒng)前進一段進齒距離后，重復下，1次采掘作業(yè)。此過程重復進行，完成1個分層高度內(nèi)物料的采掘。

緊湊型輪斗挖掘機主要由斗輪裝置、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)等結構組成，緊湊型輪斗挖掘機結構示意如圖1所示。

圖1 緊湊型輪斗挖掘機結構示意

結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BWE3900的主要技術參數(shù)見表1。

表1 BWE3900緊湊型輪斗挖掘機主要技術參數(shù)

輪斗挖掘機的關鍵技術

輪斗挖掘機外形尺寸大、機構變化復雜、多機構同步運動，沈陽設計院全國煤礦智能化卓越團隊在輪斗挖掘機的研發(fā)過程中從挖掘切割物料過程、關鍵部件設計到整機穩(wěn)定性等方面，解決系列關鍵技術難題。

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

（2）輪斗挖掘機的切割力和功率的精準預測技術，實現(xiàn)為輪斗挖掘機的鏟斗及整機設計提供基礎數(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）大型非標重載鋼結構的可靠性設計優(yōu)化技術，完成了多執(zhí)行機構多工作姿態(tài)下復雜載荷的非標鋼結構設計、局部應力防控和優(yōu)化。

（4）斗輪裝置切削煤巖粒度預測和控制技術，實現(xiàn)精準控制挖掘物料粒度，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）整機多工況的參數(shù)化穩(wěn)定性（抗傾翻特性）分析技術，疊加各執(zhí)行機構在不同作業(yè)姿態(tài)下的工況條件，實現(xiàn)設備在大切割力、風速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)下的整機抗傾翻特性分析

（6）輪斗挖掘機剛?cè)狁詈隙囿w動力學模型仿真，實現(xiàn)輪斗挖掘機的整機零部件設計和優(yōu)化，挖掘作業(yè)時的整機動態(tài)受力云圖如圖6所示。

圖6 挖掘作業(yè)時的整機動態(tài)受力云圖

（7）受料臂高剛度俯仰鉸點結構的減振技術，減少受料臂振動，提高受料臂的疲勞壽命，提高整機可靠性、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構的設計理論方法，較傳統(tǒng)履帶底盤，整機抗傾翻能力提升70%，多級平衡梁式履帶行走機構如圖8所示。

圖8 多級平衡梁式履帶行走機構

（9）偏載工況下雙液壓缸支撐的比例閥控制技術，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航和精準站位技術，實現(xiàn)輪斗挖掘機高效自動挖掘。

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

輪斗挖掘機技術創(chuàng)新點

輪斗挖掘機研制過程中，在連續(xù)工藝設計理論、煤巖切割機理、關鍵結構設計及設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測方法

以斗齒線性切割巖石試驗數(shù)據(jù)為基礎，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系函數(shù)，構建了實際開采中斗齒參數(shù)和切割參數(shù)預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)了設備所需切割功率的精準預測。

（2）斗輪裝置切削煤巖粒度模擬分析及控制技術

建立以斗齒切割試驗數(shù)據(jù)為基礎的煤巖接觸參數(shù)標定方法，構建基于離散元理論的煤巖顆粒間的黏結接觸模型，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，精準仿真斗輪裝置切割煤巖的物理過程；基于輪斗挖掘機的挖掘運動與切片參數(shù)，建立了鏟斗切割煤巖的數(shù)學模型，揭示斗輪裝置回轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)復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?種方式進行輪斗挖掘機的挖掘粒度優(yōu)化，有效控制輪斗挖掘機挖掘物料粒度。

（3）輪斗挖掘機剛?cè)狁詈蟿恿W模型仿真方法

基于輪斗挖掘機的結構、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剛?cè)狁詈隙囿w動力學模型，采用圖形分析與受料臂理論調(diào)速規(guī)律相結合的方法，構建了挖掘阻力隨挖掘位置變化的理論曲線，進行了輪斗挖掘機整機的剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析，實現(xiàn)了輪斗挖掘機回轉(zhuǎn)挖掘過程中各柔性體部件的動應力的高精度仿真，為整機結構優(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構設計

基于上部結構重心變化區(qū)域范圍，明確了整機重心位置與履帶行走機構輪壓的分布的關系，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)彎阻力為目標函數(shù)的數(shù)學模型，實現(xiàn)履帶行走機構的幾何結構參數(shù)和動力參數(shù)精準計算。

（5）輪斗開采全過程自主導航和精準站位技術

建立視覺、激光雷達、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備自身姿態(tài)的精準獲取，綜合利用北斗導航、地面基站和姿態(tài)傳感器校準技術，測量和校準輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)裝備的位置，建立挖掘作業(yè)全過程系統(tǒng)設備位姿變化與設備行走和站位的解析關系，編制系統(tǒng)設備的位置和姿態(tài)模糊控制的算法，實現(xiàn)輪斗連續(xù)開采工藝系統(tǒng)設備的自主導航和實時精準站位。

（6）緩傾煤層輪斗連續(xù)開采工藝設計理論

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、整機對地比壓、設備大修周期、智能化擴展性、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（氣溫適應性、風力適應性、雷雨適應性、煤巖硬度、傾角適應性、褶皺斷層適應性、出料粒度適應性、選采適應性等）的基礎上，提出輪斗連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)的適用場景和設備配套標準；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。

實踐應用及成效分析

輪斗挖掘機已于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行了采煤試驗，輪斗挖掘機連續(xù)挖掘作業(yè)試驗，整機運行平穩(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 輪斗挖掘機現(xiàn)場采掘原煤粒度

沈陽設計院以構建露天煤礦自主開采+多機協(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，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、轉(zhuǎn)載機、受料車及工作面帶式輸送機各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，驗證設備結構、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)，預計噸煤生產(chǎn)成本降低5.67元/t，年節(jié)約運輸成本預計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。

結語

國產(chǎn)首臺套高寒地區(qū)大切割力緊湊型輪斗挖掘機的研發(fā)及應用，成功攻克了高寒環(huán)境下設備運行的系列難題，實現(xiàn)了大切割力與緊湊型設計的有機結合，填補了國內(nèi)在露天礦連續(xù)開采核心裝備領域的技術空白，還增強了我國工程機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)開采工藝的技術變革。

露天產(chǎn)能占比不斷提升以及智能化建設的推進，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)化設備性能，拓展應用范圍，并進一步探索智能化升級路徑，為我國露天礦山建設貢獻更多創(chuàng)新力量。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術刊物。

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