先进制造领域技术预测课题组
一 、 综合分析
矿山机械是各种有用矿物 (黑色金属 、 有色金属、 煤和其它非金属矿) 开采和选别工艺过程中使用的机械设备。矿山机械在水利、 电站、 铁路、 公路、 港口、 城市建设及军事工程中也广泛使用, 是机械工业的重要组成部分 。经过近50 年来的新建 、 扩建 、 改建 , 以及技术引进 、 自主开发, 到目前已形成门类比较齐全 、已具相当规模 , 基本满足国内需求 , 并有部分产品或成套设备已打入国际市场。
但是 , 矿山机械就产品而言 , 在制造质量、外观质量、 可靠性、 寿命, 以及设计水平和试验手段等方面与先进工业国家相比尚有一定的差距 ;在组织结构方面, 多为 “大而全” 、 “小而全” 的粗放型企业, 由于重复建设 , 造成行业任务不足 , 企业效益滑坡 。 因此 , 改革、 改制、 改造和加强管理是摆在矿山机械制造业面前的重任, 发展和拓宽服务领域是矿山机械制造业的唯一出路 , 提高产品质量 、 全心全意为用户服务是矿山机械制造业走出困境的途径 。目前 , 全国从事矿山机械制造的企业约600 余家 , 其中机械系统的重点 、 骨干企业 37 家 , 煤炭系统重点骨干企业36家 , 建材系统重点 、 骨干企业 9 家 , 冶金 、 有色 、 军工及其它系统重点、 骨干企业约20余家 , 即矿山机械制造业全国约有 100 余家重点骨干企业。
矿山机械制造业年工业总产值约 100 余亿元, 其中重点骨干企业约占 70 %;矿山机械总产量约 60 万 t, 重点骨干企业产量约占 60 %; 原机械部系统重点骨干企业工业总产值约 25 ～
30亿元 , 产品产量 15 ～ 20 万 t 。
矿山机械制造业现生产采掘 、 提升 、 破碎粉磨 、 洗选 、 筛分 、 矿山专用设备六大类 , 19 小类, 872 个品种产品 , 其中主要品种 185 种 。
(一)产品发展方向
1.露天开采设备
(1) 国外露天矿设备主要向高可靠性 、节能 、高舒适性 、自动工况监视和自动控制方向发展, 采用了可控硅供电 、交流变频调速 、油脂集中润滑 、减震 、司机室的增压净化 、空调和消声等措施 , 工况监测和微机自动控制手段 , 因此, 我们要加速引进技术的消化吸收 , 大力提高采掘设备的制造质量 、技术水平和使用可靠性 。
(2)重视成套设备的合理匹配 , 提高成套设备的综合效益。
(3)重视辅助作业的机械化及其配套。
(4)适应我国高寒地区 , 主要是内蒙需要的软岩褐煤露天连续开采技术装备。
2.地下开采设备
钻爆法凿井常规的建井工艺 , 向以抓岩机为中心的竖井掘进组合机组方向发展 ;在厚表土流沙层上使用强力竖井钻机将逐渐取代冻结法钻井。
3.提升设备 提升设备的发展方向是提高产品的机械性能、 安全可靠性、 寿命和效率, 扩大产品的使用范围 。将采用计算机辅助助设计 、 PC 控制 、动态设计 、 远控和自控、 动态检测等技术, 块式及角移式制动技术 、 气动制动技术 、 机组供电调整技术 、 继电器控制技术将受到限制或行将被淘汰 。
4.破碎粉磨设备
(1)流程工艺方面 , 向简化流程 、多破少磨方向发展, 即采用大破碎比的破碎机 , 对中硬以下矿石采用锤式 、反击式等冲击式破碎机 ;对中硬以上物料, 采用超细圆锥破碎机等 。
(2)产品结构方向, 向超微粉磨方向发展 。
(3)采用高性能耐磨材料, 提高使用寿命 。
5.分选设备
(1)为适应多种矿物和不同杂质的分选要求 , 分选设备向高效和多样化发展。
(2)细粒物料脱水和煤泥水处理设备迅速发展 。高效浓缩机在某些领域正在替代普通浓缩机 ;带挤压膜的全自动压滤机用于选矿厂可替代真空过滤—干燥联合工艺 , 大大提高脱水效果 ;加压过滤机 、 水平带式过滤机等多种新型过滤机得到迅速发展。
(3)单机自动化和机电一体化技术发展迅速。
(4)移动式选矿洗煤厂进一步发展 。
(5)提高设备的可靠性和耐用性。
(二)重点发展的产品
1.采掘设备
2.提升设备
3.破碎粉磨设备
4.筛分设备
5.洗选设备
二 、 矿山机械重点发展产品预测分析
(一)采掘设备
1.产品结构现状
矿山开采是发展能源 、 交通和原材料等基础工业的第一道工序 。当前 , 煤炭、 冶金、 有色、 化工和建材等工业的矿山开采, 主要有露天开采和地下开采两种方式 。采掘设备就是为露天和地下开采的表层剥离 、 凿井 、 巷道掘进、 煤和各种有用矿物的回采、 装载和运输服务的机械设备。 各种矿业产品产量的增加, 各类矿山企业经济效益的提高 , 都离不开采掘设备产品质量和技术水平的提高 。 因此 , 采掘设备是发展能源、 交通和原材料等基础工业的支柱, 是发展国民经济的关键性技术装备 。
采掘设备也广泛使用于大型水电 、 建筑工程和国防施工中。
采掘设备包括钻孔机械 、装药机械 、凿井机械(含竖井钻机和天开钻机)、露天矿用挖掘机械、矿用装载机械和运输及采场辅助机械等。
经过近 50年的发展 , 尤其是经过 “六五” 和“七五” 期间的技术引进和技术改造 , 我国矿山机械的研制技术水平有了长足地进步和提高, 已初步形成了比较完整的科研 、 设计体系和生产制造基地 。通过 “八五” 以来的技术引井 、 设备进口和重大技术装备的攻关研究 , 采掘设备的科研、 制造能力和技术水平也有了迅速地壮大和提高。
我国的矿山机械制造行业虽已能够批量制造常用的采掘设备 , 其品种满足率约为85%～ 90 %, 并可提供具有 80 年代水平的年产 2000万 t 级大型露天矿成套设备 , 制造斗容为 16 和 23m3 的挖掘机、 载重154t 的电动轮自卸汽车等 , 但大型化 、 成套和机电一体化能力差 , 高技术水平产品的开发进展较慢。
从统计的采掘设备生产数量 、 品种以及现有设备的构成比例看, 其主要问题在于 :
(1)大型设备数量少、 成套性差;
(2)品种不齐 , 适用于水平或缓倾斜煤层开采使用的无运输开采设备———大型拉铲 、高效率的连续开采成套设备中的大型轮斗式挖掘机 , 90年代已研制3600m3/ h 在元宝山投入运行, 其装备水平还很低 , 露天采矿机品种也不全 ;
(3)缺少多功能的联合设备 , 如牙轮 、 潜孔联合钻机和联合钻采设备等;
(4) 地下开采使用的高效率的无轨采 、装 、 运设备不配套。 80 年代以来 , 中国有色工业总公司组织攻关 , 使成套水平有了提高, 进口和研制了一部分内燃和电动铲运机 , 但与先进的液压凿岩 、 运输和各种辅助机械都还存在很大差距 ;
(5)采掘设备的产品品种杂乱 , 尤其进口的地下铲运机规格、 型号很乱, 产品的优化程度不高 。
2.市场需求趋势
在国家重点支持能源 、 交通和原材料等基础工业发展的产业政策指引下 , 煤炭、 冶金和各种非金属矿山的开采将进一步发展, 采掘设备的产品产量也将相应的增加 。
根据矿山开采大型化和重点发展煤炭露天开采的产业政策 , 采掘设备中主采设备市场需求趋势是向大型和小型两极化发展。
从品种结构上看 , 3100m3/h紧凑型轮斗式挖掘机 、 露天采矿机 、 中型液压挖掘机 、 多功能钻机和电液铲斗式装岩机等均属于新开发产品 , 是改变产品结构状况 , 提高产品技术水平的新产品;4m3 以上挖掘机中的 6 ～ 8m3 挖掘机 、 3600m3/ h 轮斗式挖掘机 、 WB-15/90 型拉铲和1m3 中心回转抓岩机等则属增补系列 , 扩大规格的产品 , 其中6 ～ 8m3 挖掘机是为与 68t 自卸汽车和60t 铁路翻斗车配套的产品 , 从产品产量上应予保证和增加 。
从进入深部开采的老露天矿山和地下开采矿山技术改造的实际需求出发 , 近几年应积极提供露天半连续开采成套设备和地下矿无轨采、 装、 运成套设备。
3.发展方向和重点
采掘设备应加速已引进技术的消化吸收 , 提高采掘设备的制造质量、 技术水平和使用可靠性。开发的重点是:
(1)结合矿山开采大型化的需要 , 发展大型成套设备;
(2)发展生产率高的连续式开采成套设备 , 主要是大型轮斗式挖掘机, 用于表层开采的露天采矿机 ;研制先进的地下连续式装载设备 ;
(3)适应老露天矿山技术改造的需要 , 发展半连续式开采成套设备, 主要是煤用或矿用可移动式破碎机 ;大力开展架线式及蓄电池式无轨电动设备的研制 ;
(4)发展地下开采矿山急需的中小型无轨采 、 装 、 运成套设备;
(5)发展高效 、 节能的矿用液压挖掘机和大倾角带式运输机;
(6)在地下开采矿山和各种危险作业地区应优先开发距控和遥控装载机 、 铲运机和运矿车 , 以及通用底盘的辅助车辆等 ;
(7)对使用量大面广的老产品积极更新换代 , 用节能 、 节材的新产品替代老产品, 提高整个矿山开采的技术装备水平 。
4.待开发的重点产品
(1)大型露天矿连续式开采成套设备 (轮斗式挖掘机、 露天采矿机、 大型拉铲、 大型轮式装载机、 多功能钻机等)。
(2)地下开采矿山成套设备 (内燃或电动铲运机、 装岩机、 井下装药车、 井下撬毛机、井下通用底盘的辅助车辆等)。
(二)提升设备
提升设备是矿井重要和关键设备之一 , 主要用于金属矿 、 非金属矿的竖井和斜井 。 我国约有 100 余家生产各类绞车的企业 , 年产量约
2 万台 ,260个可供品种中主要品种40 个 。
提升设备中 , 大型矿井提升机产量占总产量的 1 %, 产值约占30 %, 其余各类绞车虽然数量占总数的99 %, 产值约占 70 %。
近年来 , 提升设备虽然在产品品种 、 技术水平方面有一定发展 , 如洛矿所研制的F 系列提升机, 采用大扭矩平面摩擦副技术 , 提高传递能力 , 使整机性能得以提高 ;双倍首绳提升机适应井深不断延伸的需要。 但总的水平不高, 与国外先进国家相比仍有较大差距 , 尤其与大型矿井提升配套的电机 、 电控方面差距更大 。 多年来 , 大型提升设备几乎没有外销, 而进口设备却不断增加 。各种小绞车能满足国内矿山需要 , 且有少量产品外销。
国外在大型矿井提升机方面 , 发展了内装式摩擦提升机 。 我国开滦矿务局已引进一台直径4m , 电动机功率1250kW的落地式内装摩擦提升机 , 但国内对此机的开发研制工作进展缓慢 。
1.市场需求趋势
性能好 、 可靠性高、 量大面广的各类绞车和提升系统机电液一体化的高水平大型成套设备, 市场需求略呈上升趋势 , 对其性能要求更高 。 尤其在提高机械化水平 、 适应中小煤矿的技术改造需要的设备上更是如此 。
2.发展方向和重点
为提高提升设备的机械性能 、 安全可靠性 、 寿命和效率 , 扩大产品的使用范围 , 将采用计算机辅助设计、 PC 控制 、 动态设计 、 远控和自控 、 动态检测等技术 ;块式及角移式制动技术 、 气动制动技术、 机组供电调整技术、继电器控制技术将受到限制或行将被淘汰。
开发的重点是 :
(1)高效 、 低能耗 、 PC 控制的大型提升成套设备 , 主要是多绳提升机、 大型箕斗、 装卸载设备和更换钢丝绳设备, 以及配套的大型电机与电控装置等 ;
(2)扩大产品使用范围 , 提高产品经济效益的加宽型系列;
(3)提高防爆性能 、 使用寿命、 可靠性和降低噪声的产品;
(4)效率高 、 寿命长 、 低耗能和遥控自控的调车、 耙矿、 气动和其他绞车设备。
3.待开发的重点产品
(1)大型多绳摩擦式提升机;
(2)多绳缠绕式提升机;
(3)井下防爆提升绞车与提升机;
(4)绞车(调车绞车、运输绞车、气动绞车);
(5)露天矿用大型电耙设备;
(6)大型多绳提升机辅助设备。
(三)破碎粉磨设备
破碎粉磨设备广泛应用于冶金 、 选矿 、 水泥 、 化工 、 火电厂 、 基础建设部门。 我国每年约有7 亿t 的各类矿物和石料将需要破碎 , 有 5 亿 t 的物料将需要粉磨 , 所以 , 破碎粉磨设备是矿山机械各大类中生产数量最多的一类, 约占矿山机械产量中总重的 50 %左右 。
我国现有生产的各种破碎粉磨设备已能成套装备大中型选矿厂 、 水泥厂 、 火电站 , 以及各项施工建设的需要 。
破碎粉磨设备分破碎机和磨机两小类 。两小类产品的重量比, 即破碎机∶磨机 =0.6∶1 。破碎机中以颚式破碎机所占比重最大 , 占破碎机总产量的58 %, 占破磨设备总产量的 21 %。破碎粉磨设备产品构成存在的主要问题 :
一是品种少 , 有缺门产品 。 主要缺少超细碎破碎机 、 移动式破碎机组 ;缺门产品是超微粉碎设备 ;废旧轮胎处理设备、 垃圾处理设备等, 虽然国内目前有许多企业致力于超微粉碎等的研究 , 但是 , 尚无定型和标准化的产品 。
二是质量低 、 耗材耗能高 。 最常用的颚式破碎机仅相当于国外 60 年代水平, 衬板寿命只有国外的 1/3 ;板锤 、 锤头 、 辊皮及磨机衬板 、 磨辊 、 磨环等消耗大量钢材 。据统计 , 每年国内约耗 100万 t 以上钢材 。 同时 , 破碎粉磨设备又是耗能大户 , 破磨设备耗能约占选矿厂总能耗的40 %, 占水泥厂的 60 %, 占火电厂的 40 %, 所以, 节能也是破磨设备的关键 。
改革开放以来 , 由于技术引进和自行开发研制, 破磨设备质量和水平都有较大的提高 。如火电厂用双进双出直吹式钢球磨煤机 、 MPS 磨机、 风扇磨煤机、 HP 磨等 , 逐渐取代钢球磨煤机 ;水泥厂用辊压机、 立式磨等, 超细破碎的圆锥破碎机也得到推广 。
1.市场需求趋势
近年来 , 矿山机械制造行业很不景气, 但生产破磨设备的厂家 , 尤其是中等规模企业效益较好 , 说明破磨设备市场广阔, 需求量也较大 。 按使用部门划分 , 选矿厂单系列年处理能力300 万 t, 热电厂 600MW 机组 、 水泥厂日产 4000t 级及以下规模的破碎粉磨设备 , 国内已能满足需要, 引进技术消化吸收 , 国产化后可以替代进口 。
目前 , 破碎粉磨设备方面, 应加紧研制适应化工 、 陶瓷 、 建材 、 电子行业急需的高效 、节能 、 节材设备 , 以及超微粉碎设备 。
从长远看 , 因破碎粉磨设备是耗能、 耗材大户, 因此 , 应该制订能耗 、 材耗指标标准 , 凡达不到标准的产品应限令停产 , 或予以淘汰, 以促进破磨产品的更新换代 。
2.发展方向和重点
一是流程工艺向简化流程 、 多碎少磨方向发展。简化工艺流程, 就是采用大破碎比的破碎机 , 对中硬以下矿石采用单段锤式 、 反击式等冲击式破碎机 , 对中硬以上物料采用超细圆锥破碎机、 新型反击式破碎机等。
二是产品结构向超微粉碎方面发展 。随着高科技的发展, 需要大量的功能材料 , 如超导材料 、 电子材料 、 磁性材料 、 光通讯材料 、 结构材料 、 含氩合金等都具有特殊的功能 , 而生产微米级均一高纯度的金属粉、 非金属粉是满足上述要求的重要前提, 医药 、 化妆品等也急需超微粉体 。所以 , 工业发达国家争先恐后发展超微粉碎技术 , 视其为材料革命的重要组成部分, 甚至有人提出超微粉碎技术是一个国家技术水平高低的重要指标 。超微粉碎又向粉碎分级一体化的方向发展 。
三是攻克耐磨材料 , 提高使用寿命。破磨设备消耗的耐磨材料每年多达100 万 t 。 因此 , 节省耐磨材料无疑是降低破磨成本的重要途径 。 国内许多单位致力于耐磨材料的研究, 在材质 、 热处理 、 耐磨件的结构方面反工艺技术都进行了大量研究工作 , 并取得可喜成果 。
破碎粉磨设备中关键产品绝大部分采取引进国外先进技术 , 对加速缩短与世界先进水平差距 、满足国内急需是非常重要的, 同时 , 应对这些引进技术积极消化吸收 、创新 , 实现国产化, 并尽快向用户提供产品 , 满足用户急需 。
3.待开发的重点产品
(1)双转子反击式破碎机;
(2)超微粉碎机;
(3)废旧轮胎处理设备;
(4)复摆颚式破碎机。
(四)筛分设备
筛分设备除用于物料的粒度分级外 , 还用于物料的脱水和洗净 。 筛分设备广泛应用于黑色金属与有色金属矿山 , 煤炭 、 化工矿山与非金属矿山, 建筑工业等工业部门 。几乎所有的矿石 、 石料加工企业都要使用筛分设备 。
筛分设备的主要品种是振动筛 , 约占整个筛分设备的 95 %。 其他品种有滚轴筛、 圆筒筛、 摇动筛等, 这些设备大部分已被淘汰或正逐步被淘汰 。
振动筛的主要品种轻型和中型的圆振动筛 、 直线振动筛、 重型筛、 共振筛、 等厚筛、概率筛等, 占振动筛品种的约 91 %, 产品产量约占 95 %, 产品产值约占87 %。
我国振动筛大部分产品技术水平低 、 故障多 、 可靠性差 , 结构工艺不够合理 , 通用化、系列化程度差, 维修不方便 , 规格品种少 , 不能适用各种工矿条件下筛分作业的要求 。 低水平的ZD、 DD 型单轴振动筛与 ZS 、 DS 型双轴振动筛以及 50年代仿苏 、 仿波兰的产品 (型号较杂乱主要为 SZZ 、 SZ 、 SSZ 型)产量 (台数)约占75 %。 较先进的产品为引进美国技术制造的 ZKX 型直线振动筛 、 YA 型圆振动筛 , 引进日本技术制造的ZK 型振动筛以及我国目前开发的 ZKB 型自同步直线振动筛 、 YK 型圆振动筛 , 以及等厚筛、 概率筛等产品只占振动筛产量(台数) 的 25 %。 我国振动筛由于产品质量问题 , 基本没有形成出口能力, 只有少量产品向发展中国家出口 。 而引进产品很多 , 美国 、 日本 、 法国 、 德国 、 瑞典 、 苏联 、波兰等国各种类型的产品都有, 成套设备引进较多 , 如宝山钢铁公司原料场 、 焦化厂 、 电厂 、 炼铁厂等都有大量的日本振动筛 , 开滦矿务局范各庄选煤厂引进德国USK 型与 USL 型振动筛 , 兖州矿务局兴隆庄选煤厂引进美国
TH 型与 TI型振动筛等 。
1.市场需求趋势
国内筛分设备市场主要是煤炭工业 , 约占 50 %～ 60 %。 在煤炭工业 , 振动筛产品除了大型设备以外基本能满足市场需求 。 但迫切要求提供高效、 高可靠性的优良产品。
金属矿山 、 采石场 、 冶金部门对振动筛的需求逐年增加 , 速度较快。由于缺乏大型、 重型、 特重型筛分设备(密度在 1.6t/ m3 以上的物料筛分分级需要) 及细粒级物料筛分设备, 供需矛盾突出 。
(1)高效 , 满足各种工矿条件下筛分作业的要求;
(2)高可靠性 , 振动筛在整个寿命期内, 除正常的维修外 , 尽可能的不出故障 ;
(3)优化零部件, 采用新技术 , 推出新结构 ;
(4)产品大型化;
(5)零部件通用化、 系列化、 标准化;
(6)降低噪声。
3.待开发的重点产品
(1)新基型YK 、 ZKB 型振动筛系列 ;
(2)细粒物料筛分设备。
(五)洗选设备
经过几十年的发展 , 我国洗选机械已形成包括主机和配套件在内的完整的生产体系 , 国产洗选设备基本能满足国内需要, 尤其是通过引进技术和自行开发 , 我国洗选产品的水平有了明显的提高 , 新开发的产品品种规格近200 个 , 大多具有较先进水平 , 不少新产品正在逐步推广使用, 但总的来说 , 我国洗选机械产品技术水平低 , 279 个产品中具有70 ～ 80 年代水平的仅占 20 %, 型号杂乱, 品种规格不全 , 部分产品质量差 , 可靠性低 , 使用寿命短, 效率不高 。
在选矿方面 , 浮选机 、 磁选机品种较多 , 大型化发展较快 , 常规的浮选机 、 磁选机品种规格基本满足要求 ;水力旋流器和细粒筛分机等分级设备的品种和数量不断增加 , 老式螺旋分级机的产量明显下降 。
脱水设备发展较慢 , 大型浓缩机 、 大型搅拌槽和供精矿用的各式压滤机是当前急需产品 。
在选煤方面 , 跳汰机 、 浮选机品种较多, 我国已能生产大型筛下和筛侧空气室跳汰机 ; 浮选机正朝大型化方向发展 , 其基本结构型式是机械搅拌式, 其它类型很少 ;重介选煤应用也较广泛 , 块煤主要采用斜轮, 其它结构形式很少 ;末煤多采用重介旋流器 , 发展速度不快, 浓缩机基本采用周边传动 , 比较落后 。 煤用脱水设备的生产已达到 70 年代水平, 各种型式的末煤离心机 , 盘式过滤机在选煤厂普遍采用 , 新型的沉降过滤式离心机正在推广, 各种规格的室式压滤机还有带式压滤机已作为煤泥水处理把关设备 , 在选煤厂广泛使用 , 但仍满足不了生产发展的要求。 为进一步降低产品水分, 用户迫切希望开发效率更高的脱水设备 。
为促进洗选工业的发展 , 我国引进了数个大型选煤厂 、 选矿厂及其相应的成套洗选设备 。洗选设备出口少 , 且仅限于发展中国家。
1.市场需求趋势
我国黑色 、 有色 、 化工矿山选矿处理能力 , 合计每年递增1500 ～ 2000 万 t/ 年 , 选煤处理能力每年递增10000 ～ 1500 万 t/ 年 ;选矿设备年需求量预计为8000 ～ 12000t , 主要选煤
设备的年需求量为10000 ～ 15000t 。
2.发展方向和重点
(1)为适应多种矿物和不同煤质的洗选要求 , 洗选机械向高效和多样化方向发展。
水力旋流器和细粒分级机有逐渐代替螺旋分级机的趋势 。
动筛跳汰机已作为块煤拣矸的新型设备问世。
筛下空气室跳汰机的处理能力和分选效果已高于侧鼓式跳汰机, 有替代后者的趋势 。
大直径圆筒形重介旋流器 , 入料上限可达
100mm , 大大简化选煤工艺, 提高选煤效率 。
用大型浮选机 、 浮选柱代替小浮选机可缩小占地面积 、 降低能耗、 提高分选效率。
煤用矿浆准备器正在替代搅拌槽 , 而矿用大型搅拌槽的开发迫在眉睫。
(2)细粒物料脱水和煤泥水处理设备迅速发展 。
高效浓缩机在某些领域正在替代普通浓缩机 。
卧式螺旋卸料过滤式离心机处理粉煤取得较好效果 。
带挤压膜的全自动压滤机用于选矿厂可替代真空过滤 ———干燥联合工艺 , 大大提高脱水效率。
加压过滤机 、 水平带式过滤机等多种新型过滤设备迅速发展 。
(3)单机自动化和机电一体化技术发展迅速 。
跳汰机 、全自动压滤机 、沉降过滤离心机 、浮选机 、高效浓缩机 、旋流器等多种设备 , 均开始采用微机对各种参数实行自动控制 。
(4)移动式选矿选煤厂进一步发展提高 。
(5)提高设备的可靠性和耐用性 , 一些新型耐磨材料得到应用、 推广, 如陶瓷及橡胶衬里 、 橡胶叶轮 、 硬镍铸铁 、 聚氨脂筛板等 。
应优选发展的产品 :
(1) 发展量大面广的高效 、节能产品 , 研制、高效浓缩机、粗粒浮选机、低磁场磁选机等。
(2)发展大型关键设备 , 研制国内各行业急需的、 直径45m 以上的中心传动自动提耙浓缩机 , 直径 5m 以上的大型搅拌槽 。
(3)加强对细物料分级脱水设备和煤泥水处理设备的研究 , 如发展粉煤脱水用卧式过滤式离心机、 圆盘加压过滤机、 深锥浓缩机、 水力旋流器等。
(4)发展单机自动化和机电一体化产品 , 研制筛下空气室跳汰机新系列, 带挤压膜全自动压滤机等 。
(5)对引进技术产品进一步消化 、 提高国产化率 , 并形成系列。要使设备具有可靠性、耐用性。
(6)发展成套小型选矿选煤设备 , 如日处理量50 ～ 500t 移动式选矿厂 。
3.待开发的重点产品
(1)全自动筛下空气室跳汰机;
(2)动筛跳汰机;
(3)大型中心传动浓缩机;
(4)高效浓缩机;
(5)粉煤卧式过滤式离心机;
(6)水平带式真空过滤机;
(7)圆盘加压过滤机;
(8)带挤压膜全自动压滤机;
(9)大型搅拌槽 。
三 、 矿山机械制造业关键技术
1.半连续 、 连续工艺的大型露天矿成套技术
2.矿用变频调速技术
3.矿用行星齿轮传动装置及其相关技术开发和研究
4.节能 、 节材技术
5.现代设计方法在矿山机械中的应用技术
四 、 矿山机械制造业关键技术分析
(一)半连续、 连续工艺的大型露天矿成套技术
1.技术概要
发展以斗轮式挖掘机为主的采掘设备 , 年产达到 2000 —3000 万吨能力的大型半连续、连续式成套设备。 该项技术包括破碎站型式、工艺布置、 设备选用、 料仓结构、 移动方式、自动控制等方面的研究。
2.选择依据
国内为元宝山 、 准格尔等大型煤矿提供的成套设备都是外国公司承包, 其机械设备的 70 —80 %为国内合作制造 。 但是电气和工艺部分由国外提供 , 所占费用为总工程的70 %。为此必须下决心立足国内开发大型连续和半连续工艺设备 。
3.国内外发展趋势
国外开发的生产率高的连续式采掘设备 , 使用大型斗轮式挖掘机进行露天开采, 代表产品3100m3/ h 紧紧式斗轮式挖掘机 , 而在井下积极发展连续式装载设备。 国内只有斗容16m3 和 32m3 装载机 , 拉铲机效率低, 大型斗轮式挖掘机及其它配套产品如牙轮钻 、 液压凿岩机 、 装药车等都与工业发达国家存在较大的差距 。 要完成 3000m3/h —4000m3/ h 半连续 、连续式生产线 , 必须解决相应的配套设备 。
4.研究内容和目标
(1)半连续 、 连续生产工艺装备研究和设备造型;
(2) 开发单斗生产能力2000m3/h —
3
4000m / h 露天挖掘机 ;
(3)斗容 15m3 臂长 90m拉铲机 ;
(4)井下装药车, 装药效率200—300kg/ h 。立足国内设计 , 大型露天矿成套设备在
“十五” 期间实现国产化并投入运行。
(二)矿用变频调速技术
1.技术概要
交流变频调速控制系统用于三相鼠笼电动机的控制装置一般由二至三个部分组成 , 它们分别为整流(回馈)单元 、 逆变单元以及反馈检测设备等 。整流 (回馈)单元将电网输入的固定频率的电网电压经过整流桥变为直流电压, 逆变器再把直流电压转变成频率幅值可调的交流电压供给电动机 。 通过频率变化使电动机的同步速度改变 , 从而改变电动机的运行速度, 这样就可以根据需要进行无级调速控制 。
变频器的输出电压随其输出频率和负载力矩而定 , 一直可以增长到电动机的额定电压 , 同时, 电机频率也达到额定值 。 在这一范围内 , 变频器为恒转矩输出 ;速度超过这一点时, 速度越高 , 输出转矩越小 , 在这一范围内 , 变频器为恒功率输出, 以提高空载时的效率 。
变频器可以测量电动机的定子电流和转子速度 , 这些信号被送到鼠笼电动机的数学模型中, 电机模型计算出电动机的有效电流和磁通量 , 并把定子电流分为转矩部分和磁通部分 。由于两部分电流可以分别控制 , 所以电动机的转矩是可以变化的而磁通保持恒定。
如果电机过载 , 并且有效电流超过设定的电流限制 , 输出频率将自动减少。电流极限可以设置为装置或电动机的电流极限值。
电动机的速度调节却是无级平滑进行的 。
2.选择依据
随着变频调速器的广泛普及应用 , 国内大多数企业对变频调速器的优越性体会越来越深 , 它不仅满足生产工艺过程的要求, 提高产品的产量和质量 , 而且可以大幅度节约电能 , 降低生产成本, 发达国家的矿山开采设备 , 如单斗挖掘机已在80 年代后期使用能量再生 , 公用直流母线变频调速技术和可编程序控制器, 国内许多先进的矿山对其开采设备均已提出运行可靠 、高效 、易维修 、节能等方面的要求 。
变频调速传动是现代电气传动的主要发展方向 , 它在单斗挖掘机 、 矿用卷扬提升设备等方面广泛采用, 为使矿山开采设备尽快赶上国外先进水平 , 应尽快在电气控制方面采用先进的调速方法 。
3.国内外发展趋势
目前国产的露天开采设备 , 如拉铲 、 单斗挖掘机 、 提升机均采用直流发电机 —直流电动机的调速系统, 这种调速方案虽然调速性能基本满足挖掘设备的要求 , 但直流电机故障率高 , 维修工作量大, 系统效率低 。因此 , 先进调速方法的使用势在必行 。
近 20 年来国外挖掘机生产技术发展迅速 , 其中电气传动技术走过了一条三绕组的G —M 机组 —可控硅励磁的G —M 机组 —电磁滑差离合器配合可控硅励磁的G—M 机组 —可控硅供电的直流电动机驱动 —微计算机(集成块)控制的交流变频调速的曲折道路。 目前挖掘机的供电方式产生了根本性的改变, 笨重的 G —M 机组首当其冲被淘汰 , P(H 公司早在1975年就在 P(H —2800 挖掘机上实现了可控硅供电 , 但其功率因数较低, 运行时需要大量笨重的补偿装置 , B(E 公司于 1981 年在 395 —B 型挖掘机上实现了交流变频调速技术, Marion 公司也进行了仿制 , 但其制动能量均不能回馈电网 。
变频调速是现代电气传动的主要发展方向之一 。它在实现生产过程自动化、 提高产品质量、 方便维修及节能等方面, 都有着其它调速方式难以媲美之处 。 因此变频调速得以风靡世界 。 近年来 , 国内外许多企业先后生产或引进变频调速装置并开发应用, 取得了良好经济效益 。 挖掘机变频调速技术代表了当今世界上挖掘机行业电气传动技术的最高水平 。
随着电子技术的不断发展 , 大功率元件技术的成熟, 国外发达国家已在露天开采设备如拉铲 、 单斗挖掘机等设备上开始使用交流变频调速技术 , 它除了具有卓越的调速性能、 节电效果上, 还有非常显著的易维修的特点 , 是矿山设备技术改造和产品更新换代的理想设备 。
4.研究内容和目标
大功率变频技术不断成熟 , 但在国产的单斗挖掘机如wk-4、 wk-10 及合作生产的 16m3 挖掘设备上尚未使用变频技术, 国外 B (E 公司生产的395 —B 型挖掘机 80年代定型产品, 虽然电气传动采用西门子公司生产的 Acutrol 变频调速系统 , 但其系统制动时能量不能回馈电网, 到90 年代开始研制能量回馈电网的技术 , 为此 , 如何将大功率的变频器使用在国产单斗挖掘机上, 尤其是提升机构使用大功率变频器及能量回馈电网技术需要进一步的研究和工业运行试验 。如何 “采用公共母线馈电, 母线从三相硅整流桥得到直流电源 , 逆变器分别供给提升电动机 、 推压电动机 、 回转电动机 、 行走电动机 , 某个机构再生制动时 , 其再生能量回馈电网, 提高系统的效率 , 减少维修工作量” 这是研究的主要内容 。
“十五” 期间 , 使国产的单斗挖掘机 wk4、 wk-10 及将来的16m3 挖掘机、 拉铲等均使用变频器调速 , 使得国产矿山挖掘设备电气传动技术赶上发达国家水平 , 为我国矿山提供运行更可靠 , 性能更好、 效率更高、 维修更方便的高水平的挖掘设备。
(三)矿用行星齿轮传动装置
及其相关技术开发和研究
1.技术概要
行星齿轮传动与定轴线齿轮传动比较具有下列特点 , 即结构紧凑, 体积小 , 重量轻 , 承载能力高 , 传动功率和传动比范围大, 传动效率高 , 输入轴和输出轴同轴线等 。充分利用行星齿轮传动的技术特点 , 研制出适用于矿山机械工况条件(低速 、 重载 、 频繁正反转)和配套专用行星齿轮传动装置 , 根据实际工作参数, 合理计算选择传动参数和技术要求 , 解决相应的润滑和密封问题 。 对现有的平台布置 、行走履带传动装置的结构型式和相关的大型结构件的结构型式进行技术改进 , 以适应行星传动机构的布置。
2.选择依据
参照国内外先进技术 , 特别是消化吸收引进美国 P (H 公司的P (H2800XPB型挖掘机的先进技术 , 针对国产大型矿用挖掘机机械设计方面的主要滞后点 ———传动机构进行有效的研究和设计, 以期提高国产大型矿用挖掘机的整机性能和技术水平 , 缩小同发达国家在技术上的差距 , 提高国产大型矿用挖掘机在国际市场上的竞争能力。
3.国内外发展趋势
目前 , 国内大型矿用机械式单斗挖掘机 (4m3 及其以上)均未采用行星齿轮传动装置, 只是在较小型的工程用单斗液压挖掘机上大规模地采用了行星齿轮传动装置 。 其规格较小 , 传动功率和力矩也较小 , 且均为由液压马达直接带动的行星齿轮传动装置, 没有电力驱动的行星齿轮传动装置 。 较大规模的行星齿轮传动装置则需要依靠进口 。
从目前来看 , 国外的大型矿用挖掘机大部分都不同程度地采用了行星齿轮传动装置。 如美国P(H 公司的P (H2800XPB 型 、 P (H4100 型 、 P (H5700 型等新设计的大型矿用挖掘机在行走和回转机构上已采用了行星齿轮传动装置 ;俄罗斯的(((-10 型挖掘机的提升和回转机构也采用了行星齿轮传动装置 。从目前的趋势看 , 为了提高挖掘机整机的性能 , 大部分大型矿用挖掘机都根据实际情况的需要, 不同程度地采用了先进的行星齿轮传动装置 。
主要技术突破点为如何尽快研制出适用于矿山挖掘机械工况条件 (低速、 重载、 频繁正反转)和国产大型矿用挖掘机配套使用的专用行星齿轮传动装置, 根据实际工作参数 , 合理计算选择传动参数和技术要求 , 解决相应的润滑和密封问题。 并对现有的平台布置、 行走履带传动装置的结构型式和相关的大型结构件的结构型式进行技术改进, 以适应行星传动机构的布置 。
4.研究内容和目标
应用先进的计算机技术 , 研究行星齿轮传动装置的CAD 技术 , 合理计算选择传动参数和技术要求 , 改进现有结构型式。 “十五” 期间 , 在部分大型矿用挖掘机上采用行星齿轮传动装置 , 以便提高国产大型矿用挖掘机的整机性能和技术水平, 缩小同发达国家在技术上的差距 , 增强国产大型矿用挖掘机在国际市场上的竞争能力 。
(四)节能 、 节材技术
1.技术概要
矿山是能源消耗大户 , 由于它的生产工艺及操作环境, 大量能源在这里被消耗掉 。 因此 , 在安全可靠生产的同时要抓好节能 、 节材工作。
破碎 、 粉磨设备直接与矿物接触 , 而使矿岩破碎粉磨的设备 , 不仅消耗大量的能源, 而且也消耗大量的钢材 。 多年来 , 世界各国都一直在研制节能设备和耐磨新材料 , 并取得了一定的进展。
尾矿回收利用 , 或多种共生矿物回收 , 不仅可以减少占地面积, 减少环境污染 , 而且可以变废为宝 , 增加企业效益 。
2.选择依据
节能 、 节材是我国节能法规定的 :研究节能 、 节材技术 , 一方面可以推广节能 、 节材新产品, 又可以使因重复建设造成的产品供大于求的不合理结构得以改善 , 淘汰落后产品 。
随着我国经济的高速发展 , 废旧物资越来越多 , 如废旧轮胎 、 废旧塑料制品等等, 这些废弃物如果得不到处理 , 随地放置 , 一方面污染环境 , 一方面占用大量土地。 而这些废弃物经破碎、 粉磨处理后, 还可以再利用 。
我国因地质赋存条件 , 使许多共生矿存在 , 而在建国初期所建的选矿厂 , 只能回收单一的金属元素 , 而使其余金属当做尾矿而废弃 。目前我国尚无有效回收尾矿金属的装备 , 致使尾矿占用大量土地 。开发综合回收尾矿中各有用金属元素的设备 , 不仅省去开采成本 、破碎粉磨成本(这两项成本占选矿成本的 90 %), 回收后的金属元素单位成本可降至最低点 。 所以 , 尾矿回收和多种共生有用矿物综合回收技术也是当前亟待解决的关键技术。
3.国内外发展趋势
国外在破碎设备方面选择了双转子反击式破碎机 , 其板锤耐磨寿命可达 720小时以上 , 采用给矿给水双闭环自动控制系统及数学模型 , 收回尾矿多种共生矿物 , 效果显著。 我国虽然对耐磨材料的攻关已有多年, 也研制出不少新材料 , 改进了工艺 , 制订了相应的材料标准 , 但现在仍以高锰钢占绝对优势, 新钢种的推广不利 。 节能的新产品也研制出数种 , 如单段锤式破碎机、 辊压机等, 但因价格因素 , 推广也不普遍 。另外 , 我国目前尚无有效回收尾矿金属的装置 , 致使尾矿占用大量土地。
国外在废旧轮胎治理方面 , 建立了废旧轮胎处理厂, 经回收的废旧轮胎处理后 , 可以回收胶粒或胶粉 , 制成再生胶或作为制做轮胎的辅料。我国主要用做再生胶, 但处理工艺不但劳动强度大 , 环境污染也严重 。
随着我国经济的高速发展 , 环境问题已摆到重要位置。固、 液、 汽的治理, 正是选矿设备应拓宽的服务领域 , 如何将洗选设备利用到环保领域 , 是洗选设备的发展方向之一。
4.研究内容和目标
(1)制订矿机产业节能 、 节材产品的强制性标准。
(2)研制矿用斗齿 、 履带 、 球磨衬板等耐磨材料, 使其寿命达到进口产品水平 。
(3)针对破碎 、 球磨 、 选矿出现的大量粉尘与污水, 研究矿用粉尘有用物综合回收和处理技术 。
(4)研制球磨机给矿给水双闭环回收设备与自动控制系统。
目标 :在“十五”期间针对一个破碎、洗选厂实现生产工艺先进、设备寿命长、污水处理达标、有用金属得到回收的高度自动化生产线。
(五)现代设计方法在矿山机械中的应用技术
1.技术概要
该技术彻底摈弃了传统的静态设计的设计理论 、 方法和手段, 以产品的寿命设计为目标 , 对影响机械产品寿命的载荷 、 几何尺寸 、使用材料的机械特性等参数进行测试 、 矢量分析 、 仿真 、 优化 、 预测产品的寿命, 以确定产品机械强度的最佳设计参数 , 达到机械产品的有限寿命设计的目的 。它代表了当今世界机械产品设计的发展水平和发展方向。
机械强度有限寿命设计计算机辅助工程 (CAE)技术是机械产品虚拟技术(虚拟设计 、虚拟试验 、 虚拟制造)的重要组成部分 。其基本特点是由计算机把计算机辅助测试 (CAT) 和计算机辅助设计(CAD) 融为一体 , 将涉及机械设备寿命的有关学科 (实验力学 、 材料力学、 计算力学、 工程力学、 金属材料学、 应用数学、 数字信息传输技术、 计算机软、 硬件技术、 机械设计技术)以“专家系统” 的形式进入多学科交叉的闭环寿命设计流程 , 以 “专家工程站” 为硬件依托, 实施跨学科的合作 , 在计算机上进行裂纹形成和裂纹扩展的仿真 , 最终达到以机械设备设计寿命为约束目标的优化定型设计。 这种机械强度有强寿命CAB 现代设计方法对传统的经验设计来说 , 从设计理论 、 设计方法 、 设计手段上都是一个深层次的变革 , 对它的研究掌握不仅能提高我国机械行业的自主开发能力, 与国际先进水平接轨 , 而且对积累我国的科技基础数据 , 改进我国科研、 高校的学科设置、 教材内容都将起到直接的推动作用, 有关寿命定量设计的信息都以数字信号出现 , 一旦进入虚拟设计网络 , 网上可以开展跨行业、 跨部门的合作交流, 这种以高技术引导我国机械行业进入国际市场的合作 、竞争并走出困境将起到极其重要的作用 。
2.选择依据
改革开放以来 , 我国的矿山 、 煤矿 、 油田 、 港口 、 钢铁 、 运输 、 大型水利工程等领域引进了大批机械设备 。 与此形成鲜明对比的是国内机械行业大中型企业却连年效益滑坡 , 不仅出口受阻 , 而且连国内基建项目中的设备也很难中标 。 我国机械设计水平和工业发达国家相差一个很大的台阶, 这已经是不可否认的事实 , 目前的状况不仅是产品开发和更新换代周期远远落后 , 更重要的是设计质量无法与之抗衡 。在世界市场上 , 用户在设备使用周期 、 项目投产回报率等方面对设备的要求已不是强度指标 , 而是寿命指标 , 机械强度寿命已经从定性设计发展到了定量设计 , 这个定量设计的概念是 :在设计阶段即对影响寿命的各因素定量采集 、 分析 、 优化直至定量设计出产品的寿命指数来满足用户的要求 。
由于我国目前的机械设计水平非常落后 , 对我国的机械工业造成了多方面的不利影响, 突出表现在 :
(1)产品开发和更新换代周期很长 , 资源浪费严重;
(2)机械产品尤其是重大技术装备多次引进 , 形不成自主开发能力, 有许多进口重大技术装备达不到设计指标 。
(3)由于不具备机械产品有限寿命设计的技术和手段 , 产品的市场竞争力差, 在国际市场上 , 只能凭借低廉的价格向经济欠发达国家出口一些技术含量不高的产品 。
(4)由于设计技术落后 , 机械产品设计人员的培养仍沿用传统模式, 与国际机械产品寿命定量设计的先进水平的差距越拉越大 。 因此 , 开发 、 推广 、 应用机械强度有限寿命设计计算机辅助工程(CAE)技术 、 逐步实现我国机械产品设计理论 、 设计方法 、 设计手段的深层次变革和更新 , 直至其质的飞跃, 以高技术引导我国机械行业进入国际市场的合作与竞争 , 使机械行业走出困境已刻不容缓 。
3.国内外发展趋势
机械强度有限寿命设计计算机辅助 (CAE)技术是80年代初从工业发达国家发展起来的现代设计技术 , 在欧 、 美工业发达国家已得到推广应用 。
1982年 , 美国联邦政府 Bettelle实验室统计出因疲劳寿命设计不当造成的事故损失达国民经济总产值的 4.4 %, 为了抢占市场 , 减少事故损失, 本世纪 80 年代以来工业发达国家竞相开始研究和应用机械强度有限寿命设计技术 , 而其CAE 技术也发展到了很高的水平 , 如德国 CAEBAR 公司的 CAR无线电遥测硬件系统及数据处理系统和英国 ncode 高科技国际有限公司的疲劳分析软件系统 , 其用户包括欧、 美主要国家的国防、 航空航天、 汽车、 工程机械、 铁路、 冶金等领域的政府部门和重要研究单位与企业。
国内 CAE 技术的开发 , 推广与应用工作刚刚起步 , 十余年来, 通过与德国OEASAR 等公司的交流与合作 , 经过该院CAE 中心科技人员的不懈努力和开发 , 其机械强度有限寿命设计 CAE 技术取得了显著的成绩, 完成了十余项国家重大科研课题 。
如河北迁安铁矿引进美国制造技术生产的 16m3 矿用挖掘机随机工况下的整机机电设计参数反求(该项目节省设计技术转让费 100 万美元 , 获国家重大技术装备成果将特等奖),大秦线秦皇岛煤码头引进德国 6000t/ h 斗轮取料机反力矩梁断裂实测分析及寿命改型设计 、秦皇岛煤码头四期工程大型引进设备三车翻车机、 5400t/h 堆料机 、 6400t/h 门式取料机 、 6400t/h 悬臂取料机 、 6400t/ h 装船机等散料装御系统全流程工作性能验收实测、 元宝山露天矿引进德国3600t/h 轮斗连续开采设备工作性能验收等 。
4.主要研究内容和目标
(1)通过引进国外最先进的技术 , 在开发相应硬件和软件接口的同时, 进行消化吸收和二次创新 , 在国民经济相关的重要行业和领域 , 配备并逐步普及先进的硬件和软件系统。
(2)通过大量而艰巨的攻关 , 建立完善支撑CAE 技术应用的载荷谱数据库 、 几何应力集中系数数据库 、 材料特性数据库 。
(3) 通过建立 CAE 技术培训基地 , 逐步改革高校机械设计教学手段, 培养众多的 CAE 技术开发与应用人才 。
目标 :
配备具有国际最新水平的硬件和软件系统 , 完善材料特性数据库和几何应力集中数据库 , 培养众多的CAE 技术应用人才 , 推动高校机械设计教学的改革 , 力争在“十五”末期, 实现我国机械设计理论 , 设计方法和设计手段的全面更新 , 使之产生质的飞跃。 使我国机械行业的设计从点到面, 逐步和世界先进水平接轴 。
