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斗轮堆取料机发展趋势
The Trend of Bucket Wheel Stacker and Reclaimer
www.bulkcn.com  2008-9-7
吕明荟 李毅民

  斗轮堆取料机作为一种连续、高效的散状物料装卸输送机械已经被广泛地应用到港口、电厂、钢厂、矿山等行业中。
  在国外,斗轮堆取料机作为散状物料装卸机械的使用是从上世纪初期开始,它是由斗轮挖掘机演变而来的。我国从六十年代中期开始研发斗轮堆取料机,国内最早的设备为 KL-1型斗轮堆取料机和30.25型斗轮堆取料机,分别由大连工矿车辆厂(大连重工·起重集团有限公司前身)和哈尔滨重型机器厂研制。经过四十余年的发展,国内斗轮堆取料机的设计和制造水平有了长足的进步和提高,尤其是上世纪八十年代后期计算机技术的应用和结构有限元分析计算的使用使得设计手段得到了极大的改善;同时从上世纪八十年代初期开始到现在已经有几十次的产品进口、技术引进、合作制造,几乎囊括了德国、法国、日本、美国、意大利、奥地利等世界上知名的散状物料装卸机械公司的产品,这些项目的实施对国内制造商提高产品的设计和制造水平起到了极大的促进作用,使我国的斗轮堆取料机设计和制造技术发生了巨大的变化;另外,通过技术的不断创新,国内的制造商设计和制造性能优良的斗轮堆取料机产品逐渐地满足了国内外用户的要求。
1.斗轮堆取料机的现状
  国内斗轮堆取料机的发展在近五、六年里十分的迅速,尤其受国民经济固定资产投资加速的影响,国内的需求量增长比较大,是近十几年来所少有的,主要表现在港口、电厂、钢铁企业的煤炭和铁矿石的料场增长迅速;能源、原材料工业的发展也给斗轮堆取料机产业的发展创造了十分良好的市场环境。由于市场需求的增加,激发了国内制造企业对斗轮堆取料机研发和创新的信心,特别是一些大型堆取料机的研发提高了国内企业自行设计制造大型设备的能力。国内斗轮堆取料机不论在产量上还是在质量上都有非常大的提高,这五、六年里新增斗轮堆取料机的总和几乎达到五、六年前所制造的斗轮堆取料机设备数量的总和。
1.1斗轮堆取料机的堆料和取料能力普遍提高
  在港口方面,由于运输散料的船只的载货量越来越大,因此所使用的斗轮取料机的生产能力由过去的1500-3000吨/时发展到现在的3000-6700吨/时;堆料机的生产能力达到了4000-8500吨/时;在电厂方面,国家从节能减排、环境保护的角度出发,对新上电厂的发电机组的装机容量作出了规定,小发电机组的电厂不允许建设,这样相应的大型发电机组每天所需要的煤炭量在增加,所以电厂的斗轮堆取料机的生产能力现在基本上是不小于1000吨/时;在冶金行业,炼铁高炉的容量也逐渐变大,使得烧结设备的能力也在增加,因此除二次混匀料场有使用比较小堆取能力的设备外,大多数设备的堆、取料能力都在1000吨/时以上。
1.2中小型堆取料机逐渐转变为以液压整体俯仰形式为主
  中小型臂式斗轮堆取料机形式由过去的以连杆和钢丝绳卷扬驱动的非整体俯仰形式逐渐转变为液压驱动的整体俯仰形式,这样,悬臂皮带机可以随着悬臂俯仰系统同时俯仰,悬臂皮带机在俯仰过程中呈直线形布置。这些新技术的应用逐渐被大多数用户所接受。
1.3产品的主要配套件由进口产品和国产产品组成
  在配套件的选型方面,用户往往根据资金的情况来选择设备的配置。在电机、减速机、电缆卷筒、回转支承大轴承等方面,资金相对宽裕的用户选择进口产品,资金不太充裕的用户选择国产产品。近年来,国内在电缆卷筒、减速机、电机等配套产品的质量上比十几年前有了较大的提高,其中的国内合资公司的产品成为国内用户和制造厂家的主要选择产品。
1.4电气驱动与控制系统中已经普遍采用PLC可编程控制器和变频器调速
  目前,斗轮堆取料机控制系统几乎全都采用PLC可编程序控制器作为产品的控制单元。变频器、变频电机的使用使设备的调速系统更加的可靠。在回转驱动、大车走行驱动的电气系统中普遍使用变频器和变频电机作为调速控制系统。回转装置和大车走行装置的调速性能的改善使得设备运行得更加平稳。
1.5产品设计和制造质量现状
  在斗轮堆取料机行业的整体上,设备的设计和制造质量与五、六年前相比有了提高。但产品的设计和制造的细节需要进行改进,尤其在产品的机构设计,结构设计的细节的处理上与国外先进公司的产品存在较大的差距。因此,提高产品细节方面的设计和制造方面的质量与水平是国内产品制造商需要迫切解决的问题。在机构方面,产品的设计中规范化的工作需要进一步的加强;在结构方面,一方面存在着部分设备相对自重偏大的情况,另一方面存在设备重量过轻而导致其刚度和强度不
足的问题。电气与控制系统的产品的硬件与国外公司的产品基本上没有太多的区别,而在PLC软件设计上存在一定的差距。这些差距其中也包括产品设计的可靠性,PLC程序编制的规范性,一次仪表的设计和选型的可靠性等方面。在液压设计和制造方面,一些产品的系统设计原理不够完善和合理;液压站、液压管路的制造和安装质量还有待进一步提高。上述问题归根结底还是需要在设计和制造的细节工作需要加强。
国外部分公司产品的设计质量目前看来也存在着一定的问题,主要表现在有的公司的设计质量不高,一些机构和结构的应用不够合理,导致产品的修改量加大。产品存在的问题偏多,这可能与国外产业变化和产业转移等因素有关。
1.6国内用户所使用的堆取料机以国内企业自主设计制造的产品为主
  国内市场上的产品除少数用户使用由国外设计,国内制造的产品外,大多数用户采用国内企业自主设计制造的产品。近年来在斗轮堆取料机市场上几乎没有进口产品,其根本的原因是直接进口或者由国外总承包的产品的价格远高于国内自主设计制造的产品。大型或特大型产品国内基本上能够自主设计制造来满足用户的要求。如营口港矿石码头工程堆取料机、大连港矿石码头二期工程堆取料机、马迹山矿石码头二期工程堆取料机、曹妃甸港工程的堆取料机、秦皇岛港的四期预留取料机、四期扩容的堆料机和取料机、以及五期工程取料机等项目均采用了国内自主设计制造的产品。
2斗轮堆取料机的发展趋势
斗轮堆取料机的发展是向着大型化、自动化的方向发展。并且随着产品设计和制造质量的提高逐渐地走向世界。
2.1设备能力向大型化方向发展
  斗轮堆取料机向大型化方向发展是一种必然,尤其是港口使用的斗轮堆取料机。由于承载船只的装载能力的不断扩大,并出现了20-30万吨的特大型散货船,为提高装船和卸船的速度,就需要一些大能力的堆取料机。目前,国内的最大堆取料机的堆料能力达到8500吨/时,取料能力达到6700吨/时;国外设备的堆料能力达到10000吨/时,取料能力达到12500吨/时。国内特大型堆取料机设备主要应用在北方的煤炭装船港口,如秦皇岛港、天津港、黄骅港、京唐港、曹妃甸港。其中大连重工·起重集团有限公司于2005年为秦皇岛港自行设计制造了6000吨/小时的设备,是目前国内自行设计最大的斗轮取料机;2007年为首钢项目设计制造了堆料能力为8500吨/时回转半径为55米目前国内自主设计制造的最大的堆取料机。国外的特大型设备主要应用在澳大利亚的煤炭码头和铁矿石码头以及巴西的矿山和码头,为了提高出口铁矿石的附加值,巴西部分港口的矿山的铁矿石在经过均化处理后再出口,所以,在港口散状物料的装卸中出现了使用特大型滚筒混匀取料机(5000吨/时)的情况。
    国内的电厂、钢厂所使用的斗轮堆取料机的能力也在逐渐的变大。电厂所用的斗轮堆取料机由于卸车或者卸船能力的增加和每天需要煤炭的增加正在开始向着1500-2000吨/时的能力过渡。钢厂烧结和炼铁能力的增加斗轮堆取料机也在向着1500-2000吨/时过渡。
2.2.设备选型更加多样化和环保化
  过去,电厂或钢厂的一次料场大多数选择臂式斗轮堆取料机作为散状物料装卸机械的主要设备。现在,为了实现设备和输送系统更加符合环保的要求,一些电厂或钢厂选用刮板取料机和堆料机的组合来替代斗轮堆取料机,并将设备安装到长条形或圆形大棚里,减少了粉尘对环境的污染;同时还均化了物料。目前,国外的一些钢厂使用了条形料场和刮板取料机;国内的少量电厂开始使用圆形料场作为发电厂的封闭式料场,并采用了圆形料场的刮板取料机。
2.3.液压整体俯仰式堆取料机成为中小型设备的主要机型
  过去,臂式斗轮堆取料机俯仰机构通常采用钢丝绳卷扬驱动或液压油缸驱动的非整体俯仰形式的。现在,采用液压整体俯仰形式的斗轮堆取料机是中小型斗轮堆取料机的发展趋势。由于受到设备结构受力和重心变化较大因素的影响,在回转半径大于50米的大型或特大型斗轮堆取料机一般不采用整体俯仰的机型。
2.4产品配套件的国际化
  由于部分国产配套件不能满足许多用户对产品高质量的要求,仍然会有更多的用户选择进口产品和合资企业的产品作为斗轮堆取料机的主要配套件。这里主要包括减速机、电缆卷筒、夹轨器、电动机、回转支承轴承、普通轴承、关节轴承、液压元件、电气与控制元件等等。
2.5国际市场潜力巨大
  煤炭和铁矿石的国际大物流的发展带动了斗轮堆取料机产业的发展。由于国内制造的斗轮堆取料机产品在价格上具有较强的竞争优势,许多企业的产品已经走出国门。近年来,国内一些厂家的产品出口到巴西、印度、伊朗、美国、东南亚等国家。出口的形式有合作制造出口,也有自主设计出口的。出口的商务形式有直接与外方签订合同,也有和国内外某个总承包商签订合同出口的。
据报道,仅2007年1月份,中国的铁矿石的进口量就增长25%,铁矿石的运量占全球散货运输总量的25%。因此,作为散料装卸机械的主要设备__斗轮堆取料机的使用数量在不断地增加。
2.6液压驱动系统的应用
  液压驱动系统逐渐成为斗轮堆取料机俯仰系统驱动形式的主流。由于液压驱动系统具有性能可靠、寿命长、维修工作量少等原因,大多数的用户和制造商愿意采用液压系统作为俯仰系统驱动,而使用钢丝绳卷扬系统的俯仰系统的用户相对地在减少,但仍会有一定的数量的用户愿意采用钢丝绳卷扬系统作为设备的俯仰驱动装置。随着液压技术和液压元器件质量的不断提高,液压俯仰驱动系统会更加完善。在主控制换向阀方面,要求较高的设备现在都采用比例换向阀作为换向控制阀。采用比例换向阀后能够减少液压俯仰系统的启动和停止过程中的冲击和震动。
  部分产品的斗轮驱动装置使用液压马达形式作为驱动单元。但和机械驱动形式的应用量相比较还是比较少,其原因可能和其价格有关。另外一方面,液压马达驱动单元的维护技术要求相对比较高,维修难度也比较大,为此,部分用户对此感觉维护比较困难。
同时,也有少量产品的斗轮驱动装置采用小液压马达和减速机相结合的驱动形式。但其市场容量很小。
2.7 PLC控制和变频器调速系统被大量的使用和普及
  随着PLC控制系统和变频器价格的降低,斗轮堆取料机使用PLC系统控制和变频器调速系统已经属于最基本的要求。在斗轮堆取料机控制方面,PLC系统控制和变频器调速得到普及。斗轮堆取料机设备上基本不采用中间继电器作为主要控制元件。采用PLC和变频器后设备的信号传输和数据通讯更加方便,速度控制更加容易,逻辑控制和时间控制更加方便。
2.8无人化系统将会逐渐应用到料场系统中
  计算机技术的发展使运算速度加快,数据存储和读取更加方便。各种网络技术使得数据传输更加容易,为斗轮堆取料机无人化创造了硬件条件。所谓堆取料机全  自动无人化概要地讲就是由操作人员在中控室选择料堆位置,按启动按钮,堆取料机自动寻位进行自动堆取料作业。国外的iSAM AG和西门子公司是从事料场设备无人化集成较早的公司。无人化斗轮堆取料机的操作是操作人员在中控室可通过电脑屏幕监控堆取料机的各种运行和故障信息,必要时可进行手动干预。堆取料机完全自动,设备上无人进行操作运行。
  目前在西方发达国家港口用的斗轮堆取料机大部分实现了全自动无人化运行,其它国家也在计划和准备定购全自动无人化的斗轮堆取料机。如韩国浦项制铁有计划采购该种斗轮堆取料机,印度、巴西等用户也有使用无人化斗轮堆取料机的意向。国内的一些用户也在考虑上全自动无人化控制的斗轮堆取料机项目。国内项目中宝钢马迹山港已实施自动无人操作斗轮堆取料机项目。综上所述,在可以预期的将来,斗轮堆取料机全自动无人化是国内外用户的发展方向。
系统组成:
a.料堆识别系统:
  据对当前发达国家料场自动化技术的了解来看,激光扫描三维图像识别技术是最成熟最理想的图像识别技术,通过三维激光扫描建立起三维料场中料堆图形数据库。
b.工业电视系统:
  由于是无人化操作,斗轮堆取料机设有完备的ITV系统,所有图像模拟信号均通过光纤传入中控室,中控室可控制机上所有摄像头的移动和伸缩,并可进行画面切换。机上转运落料点处,电缆卷筒和司机室等均设有大变焦,广角度带可调云台的彩色摄像头,操作人员在中控室通过设在设备上的摄像头进行监控操作。
c.主要检测装置:
大机定位检测:
  斗轮堆取料机的回转,俯仰,走行位置检测采用GPS全球卫星定位系统或传统的编码器检测技术。系统必须安全可靠,检测误差不大于5cm或0.1°。
斗轮力矩检测:
  斗轮堆取料机可通过检测斗轮传动装置的力矩或电机电流来确定料斗挖掘物料的情况,从而调节俯仰角度,回转速度和走行进尺距离。
d.通讯系统:
  设备和中控室采用光纤以太网进行通讯。考虑通讯系统必须安全可靠,可以加一套无线以太网作为备用。
e.控制系统:
  控制系统由上位机,PLC及其它控制装置与驱动设备组成。
  控制系统将通过料堆识别系统采集到的料场料堆适时状态数据经过计算和处理存储在上位机里。当中央控制室的操作者给出某斗轮堆取料机的工作指令后,该设备会自动运行到指定的料堆处进行取料或堆料作业,并通过检测装置来自动调整设备的位置与状态。
2.9光纤以太网通讯和无线以太网通讯的使用
  电缆卷筒一直是地面和机上动力和控制信号连接的主要方式,十几年前开始就有光纤应用到电缆卷筒上使控制信号能够不受干扰的传输到地面。无线以太网的应用是另外一项先进的通讯技术。现在,这些技术正在越来越多的被应用到堆取料机上。
2.10系统通讯网络化
  在设备上各个电气系统之间的联系逐渐向网络化的方向发展,如变频器与PLC的通讯,PLC与司机室的通讯等等。网络化使用的产品主要有西门子公司的PROFINET PROFIBUS, AB公司的CONTROLNET 昆腾公司的MODBUS 等通讯模块。网络化的设计大大简化的产品的布线,使得设备的电气控制系统更加简洁。
2.11 国内斗轮堆取料机生产许可证工作已经开始实施
  随着散料装卸运输行业的规范化管理,国家将对斗轮堆取料机行业实行许可证制度。现在已经开始对各个从事斗轮堆取料机制造的企业发放许可证。未经国家发放许可证的企业将不允许制造斗轮堆取料机,对于使用者来说也不允许采购无生产许可证的企业制造的斗轮堆取料机。
3.结束语
  随着现代技术的发展和用户对斗轮堆取料机产品质量和性能要求的不断提高,斗轮堆取料机的产品还会不断的发展和完善。通过技术进步和创新,相信会有更好更多的产品投入使用。也相信会有更多的中国产品走出国门,走向世界。

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