回顾采矿历史，生产率的阶梯型增长主要就是由设备的进步而产生的。在过去的20多年里，采矿机械化程度得到快速发展，极大地改变了采矿方法和工艺，推动了采矿技术的发展。 近30年来，地下矿山领先装备进步使生产效率提高了约3～5倍甚至更高。而露天矿依靠装备进步改进生产工艺、提高经济效益和扩大开采边界的效果更为明显。目前，露天矿的数量虽明显减少，但规模却在急速增大。世界最大的露天矿（油页岩矿等）的年采剥总量已达到20亿t，美国莫伦西铜矿、宾厄姆铜钼矿、纽曼山铁矿等许多露天金属矿的年采剥总量也都已超过1亿t，年生产千万吨矿石的德兴铜矿、司家营铁矿和鞍钢齐大山铁矿等是我国现代化大型露天金属矿的代表。现代大型露天矿与传统露天矿相比，具有规模大、采矿设备的总台（套）数少以及采矿作业的人员少等优势。 采矿设备大型化及其智能化 地球上的矿物资源逐渐枯竭，品位逐步下降，为维持人类对矿物资源的需求，同时使矿业开采公司有利可图，人们逐渐将目光投向了低品位矿体。扩大工作面尺寸，使用大型设备，加大开采规模等，这是提高矿山企业经济效益最有效的方式之一。 近20多年来，采矿设备大型化的趋势十分明显，特别是没有作业空间限制的露天矿设备，工作质量达数百上千吨、乃至数千吨的设备种类繁多。例如P&H公司5700XPA型电动挖掘机的工作质量达1 500t，最大电机功率近4 000 kW。 在采矿设备大型化的同时，随着微电子技术和卫星无线通讯技术的飞速发展，采矿设备在开发和应用方面逐步开始了自动化和智能化进程。目前采矿设备的自动化和智能化已经取得了实质性的进步。无论在露天矿还是在地下矿，无人驾驶程式化控制和集中控制的采矿设备已经进入实际应用阶段。在今后的20年里，完善的自动化和信息技术将会在采矿设备得到更广泛的应用，也会更大程度上改变采矿方法和提高采矿技术水平。 牙轮钻机技术发展与现状 半个多世纪来，露天矿穿孔设备经历几种形式的演变，牙轮钻机最终凭借钻孔孔径大和穿孔效率高等优点成为大、中型露天矿目前采用的穿孔设备。 世界上主要生产牙轮钻机的3家公司都在美国：比塞洛斯公司（BE，已被卡特彼勒并购）、英格索兰公司（IR，已被阿特拉斯·科普柯公司并购）和P&H公司(已被久益国际并购) 。比塞洛斯和英格索兰公司是生产牙轮钻机历史悠久的公司，而P&H公司是1991年收购了加德纳-丹佛公司的牙轮钻机生产线后进入牙轮钻机市场的。 比塞洛斯公司是世界最大、历史较悠久而技术先进的牙轮钻机制造厂之一。49-R 和65-R、67-R及其派生系列是该公司目前主要的产品，代表了21世纪初的世界先进水平。其中，49-R型牙轮钻机的特点包括：电动无链齿条齿轮加压提升系统可保持轴压力均匀，提高钻进速度，延长钻头寿命；无链可反转履带行走系统可快速使钻机定位，4 s内自动找平；高效螺杆空压机可增大压缩空气量，快速排除孔底岩渣，加快钻孔速度；由PLC管理全部钻机功能提高生产效率和安全性；可编程的钻机控制系统可实现自动钻进，提高钻进效率。 为满足铁燧石中钻孔的需要，该公司在49-R型钻机的基础上又研制出了更大型59-R型钻机，轴压力达585～630 kN，排渣风速达35.56 m/s，孔径达406～445 mm。59-R型钻机在履带架、找平千斤顶、液压系统、钻架、加压提升机构、回转小车、主空压机和可编程序控制等方面都较49-R型钻机有所改进和完善，其在铁矿钻孔速度达28.3m/h，钻头寿命达3 317 m。 英格索兰公司以潜孔冲击器和潜孔钻机闻名于世，在矿用牙轮钻机方面主要生产全液压牙轮、潜孔两用钻机。其主要产品有DM-25、DM-45E、DM-50E、DM-H和DM-M等型号。其特点是全部动作由液压驱动，整机动力则任选柴油发动机或电力。20世纪80年代初，公司推出DM-H型钻机，轴压为500 kN，孔径为311～381 mm。采用液压挖掘机式履带行走装置，由两台液压马达分别传动两条履带，提高了机动性，移位作业时间由几小时减少到几分钟。20世纪80年代中期到90年代陆续推出了性能不断完善的DM-M型、DM-M2型和DM-M3型钻机。图1是英格索兰公司推出的大轴压的Pit Viper Series 351型牙轮钻机，该机型轴压为570 kN，排气量为6 500 m3/min，排气压力为0.76 MPa。 此外，英格索兰公司研究开发的钻机监测系统(IRDMS)，能使操作手从控制台监视钻进速度、孔深、总进尺以及已钻出的孔数等钻进参数。同时，还可以诊断出关键件的温度、压力、过滤器状况等与机械和系统功能有关的故障，并能把数据传输给钻机外的计算机，或者与矿山无线系统联网。 P&H公司牙轮钻机系列包括3种型号：P&H 70A 型，其轴压力为408 kN，最大孔径达311mm；P&H 100B 型，轴压力为590 kN， 孔径最大达445 mm；P&H120A型， 轴压力为680 kN，孔径最大达559 mm 。 所有P&H钻机均装备以PLC为基础的控制系统，把钻机上全部控制和显示功能集合成一体。可控制钻机的自动钻进、自动找平、主压缩空气供应、自动润滑、液压系统和马达动作、回转动作和传动、提升运动和传动以及行走运动等工作。同时，监测钻机的液压和空气过滤器、钻进深度和钻孔速度、作业参数及在各种传动中的任何故障，压缩空气和油的临界温度、PLC的输入和输出状态等全部信息都能在驾驶室的计算机上显示。 我国从20世纪60年代起就开始研制牙轮钻机，经过多次改型和淘汰，现在还在生产和使用的有KY和YZ两大系列12种型号。主要研制和生产单位有：洛阳矿山机械工程设计研究院、南昌凯马有限公司（原江西采矿机械厂）和中钢衡重公司（原衡阳有色冶金机械厂）等。 南昌凯马KY系列牙轮钻机，全部配套件均立足国内，因而制造成本相对低廉，主要有KY-250型和KY-310型及其派生产品。洛矿院和南昌凯马合作开发的KY-250A型钻机在包钢白云鄂博铁矿f16～f20的矿岩上穿孔，日穿孔效率为 128～199.5 m/台·日，最高为644 m/台·日，超过了比塞洛斯公司的45-R在该矿日最高进尺570 m的纪录，并获得国家科技进步特等奖，国家质量金奖。 KY-310型钻机轴压0～490 kN，钻进速度0～4.5 m/min，爬坡能力为12°，行走速度0～0.78 km/h。钻机采用了交流变频电机驱动，顶部回转，减速机—封闭链条—齿轮齿条连续加压，高钻架，电动、气动、液压联合操纵，压气排渣工作机构，可在f≥5的各种矿岩上穿凿 310 mm、孔深为18 m(不接杆)的爆破炮孔。 中钢衡重公司主要生产YZ-35型和YZ-55型及其派生产品。YZ-35型钻机也是获国家质量金奖的产品，性能超过比塞洛斯公司的45-R。YZ-55型钻机是目前我国生产的最大型号的牙轮钻机。 为增大钻头的推进力度，YZ-55型钻机在回转系统和主传动机构设计了3个交流变频电机，以满足提高电压和频率的需要，这一设计在国内尚属首创。此外，中钢衡重还在YZ-55型牙轮钻机上应用了可编程控制器PLC、人机界面HMI技术，改进了空压机并将机棚与驾驶室分离等，增强了整机的防腐防锈功能。 国产牙轮钻机已达到美国20世纪90年代初的技术水平，主要由湘潭电气设备制造有限责任公司提供采用交流变频技术电气控制系统配套，整机技术性能及智能化、自动化程度都有了显著提升。目前，国内许多企业正在研制新型多功能边坡钻机和自动化程度较高的无链推压无链行走的新一代牙轮钻机。 牙轮钻机的自动化发展 微电子技术的飞速发展，为牙轮钻机作业的自动化提供了技术保证。国外牙轮钻机自动化的发展可以概括如下： （1）计算机控制的监视器除了监视设备作业状态外，还有多种监测功能和诊断功能，可以随时通过各种传感器把回转电机转速（r/min）、回转电机电流 (A)、加压电机电流 (A)、钻进速度(m/min)、钻孔深度(m)和钻头排渣空气压力（MPa）等信息传给司机。这些信息为司机正确操纵钻机提供了帮助，保持钻机无故障作业，提高作业率和钻进效率。可以与调度室进行无线数据传输，调度室可根据提供的信息向司机下达改进操作参数的指令。 （2）从钻机自动化找平、自动接卸钻杆、自动润滑等局部自动化作业，逐步发展成包括控制钻杆回转速度和扭矩、轴压力和钻进速度及排渣风量，以不超过预定的极限值为依据的自动调节，垂直和水平以及扭曲振动不超范，保持钻机自动化平稳钻进作业。计算机自动化系统通过各种传感器把采集的模拟信号经过模数转换后与事先存入微机中的整定值进行比较，超范时微机自动发出指令操纵执行器，自动调节各种动作，使之实现自动化钻进。 （3）用模式识别技术分析钻进参数，把已知矿岩的类型划分成模式空间，然后未知的模式就能按照这个含有学习模式的区域进行分类。在钻进中可以得到钻进参数与孔深的记录图、轴压力与回转力矩的散点图等钻孔性能参数数据，然后进行地质辨别并作出标记，把不同数据间隔标记成几种不同的矿岩种类。钻孔性能参数数据可精确地指示出矿物层深度位置和厚度以及有关岩石状态，还有助于改进爆破设计和挖掘作业。 钻机关键系统的改进和完善 （1）比塞洛斯公司的49-R型牙轮钻机上应用了直流电动机传动的无链齿条齿轮加压提升系统。这种系统取消了传动链、张紧装置、各种链轮和用于加压的液压马达、以及悬挂在A型架上的主机构，并把液压加压和电机传动提升两种动力源合为一种直流电机传动。与旧的封闭链齿条齿轮系统相比有结构简单、故障少、可靠性高和传动效率高等诸多优点。P&H公司也在20世纪90年代后推出的钻机上采用了新的无链加压提升系统。 （2）普遍采用可反转液压马达传动履带行走系统，通过齿轮传动履带行走，取消了离合器，每条履带都有自己的动力，可实现原地转弯，可在条件不好的工作面上把钻机置于合适位置。取消链传动系统和离合器减少了故障，提高了可靠性。该系统已成为美国制造大型牙轮钻机厂家普遍采用的行走系统。 （3）新的直流电机具有更大的抗冲击和抗振动能力，有更好的温度稳定性；整流子有较大的导电表面，可产生较低的电流密度；数量较多的大电刷可在电流变化率高的情况下无火花换向，电机寿命延长；静态直流系统采用数字式控制取代了模拟方法，改善了对电机和整机的控制特性；扩大了各种保护功能，对钻进、接卸钻头和钻杆等很容易配置成符合特定要求的作业方式；能实现对电机温升、电枢开路、磁场过载或开路、晶闸管开路、相序不平衡或反相以及线路频率变化等故障的检测。 （4）在电气控制系统上普遍采用交流变频技术，钻机在调速性能、控制精度、节能降耗上有了很大的提升。 除上述外，各家钻机企业还按照客户要求，有针对性地对自己生产的钻机进行改进和完善。例如，比塞洛斯公司采用电制动代替气动弹簧制动，这样淘汰了辅助空压机系统。 操作手作业环境得到改善 按人机工程学设计的舒适、无尘、无噪声、无振动且有空调的驾驶室，能发挥操作手的最大主观能动性，使其操纵的机器产生最高生产效率。目前国外牙轮钻机制造企业都力争改进驾驶室的设计，为操作手创造一个舒适的作业环境。此外，各家制造企业还按倾翻防护系统(ROPS)标准来设计驾驶室，即使钻机倾翻到下一个台阶时，驾驶室能保护操作手不受伤害。有的驾驶室里还配备了立体声音响、微波炉、电冰箱以及厕所。 露天装载设备的发展现状
现代大型露天矿使用的装载设备主要有电动机械式挖掘机、液压挖掘机和轮式装载机3种。电动机械式挖掘机一直是大型和超大型露天矿的主导装载设备。目前，生产大型电动机械式挖掘机的公司主要有美国的久益P&H公司、比塞洛斯公司（1997年收购马里恩Marion公司，2010年被卡特彼勒公司整体收购），俄罗斯奥姆斯（OMZ）矿山设备公司和乌拉尔重型机器厂，中国有太原重工股份有限公司、第一重型机械集团、抚顺矿业集团机械制造厂、中钢衡重和首钢矿业公司机械厂等，此外，河北宣工集团等也正在涉足电动机械式挖掘机的研发和生产。其中，美国几乎垄断了全球电动机械式挖掘机市场，中国近几年国产电动机械式挖掘机的增长势头迅猛，斗容量15 m3以上的电动机械式挖掘机基本被太原重工垄断。 美国P&H公司是世界上著名的生产大型矿用机械的主要企业，矿用电动机械式正铲挖掘机国际市场占有率第一，其产品的技术水平代表了当代国际先进水平，采用齿轮齿条刚性推压方式，电气系统采用可控硅供电和直流电动机驱动，目前国内主要有2300XPC、2800XPC和4100XPC型及其系列变形产品在应用。P&H公司于1991年推出的5700型电动机械式挖掘机，整机质量达1 667 t，铲斗容量60 m3。P&H最大型号的电动机械式挖掘机9160工作质量7718 t，斗容量122.3 m3，臂长129.5 m。 原比塞洛斯公司是另一家全球著名的大型矿用挖掘机制造企业。其主导产品采用钢丝绳柔性推压方式，斗杆为圆形截面的高强度免扭结构，电气系统采用交流变频控制技术。目前国内主要应用的产品有295、395、495型及其系列变形产品。原比塞洛斯公司已经推出的特大型795型电动机械式正铲挖掘机，其铲斗一次标准挖装能力高达122.5 t，铲斗容量为68.8m3。该公司生产的最大矿用电动机械式正铲挖掘机1950型，整机重量达6 350 t，铲斗容量80 m3，单斗挖装能力高达143 t，吊臂长度61 m，设备高度67 m。 俄罗斯奥姆斯（OMZ）矿山设备公司和乌拉尔重型机器厂生产的电铲均为前苏联时期的згк系列矿用挖掘机，其产品的标准斗容量都在30 m3以下。例如згк-5、згк-12.5和згк-15等型号电铲。
我国正在使用的згк系列电铲控制系统也基本上被国产化升级改造。 太原重工股份有限公司是我国唯一生产大中小型矿用电动挖掘机全系列的大型企业。其产品占据着国内80%以上的市场，并在近几年有少量产品打入国际市场。其代表产品有WK-4、WK-10和WK-20型电动机械式挖掘机。 在国家加快振兴装备制造业政策的激励下，在吸收消化美国P&H系列挖掘机制造技术的基础下，汇集多年生产4 m3、10m3电动机械式挖掘机的成功经验后，太原重工于2005年自主开发斗容量为20 m3的WK-20型电动机械式挖掘机。2006年3月，我国第一台具有完全自主知识产权的20m3大型挖掘机正式投入矿山生产。20 m3大型挖掘机的研制成功标志着我国电动机械式挖掘机制造技术的成熟，探索出了一条我国自行研发制造电动机械式挖掘机的新路子。 2007年，太原重工为准格尔煤矿生产2台WK-35型（斗容量为35m3）大型电动机械式挖掘机。2008年，太原重工为平朔露天煤矿成功试制了2台WK-55型（图4为太原重工WK-55型电动机械式挖掘机，斗容量为55 m3）大型电动机械式挖掘机，于2009年11月末正式交付生产使用单位。目前，太原重工WK-75型电动机械式挖掘机（斗容量为75 m3）也已进入生产试制阶段。 太原重工电动机械式挖掘机的电气控制系统主要由湘潭电气设备制造有限责任公司（简称湘控）生产配套。同时国内各大矿山使用的电动机械式挖掘机也基本上由湘控进行技术改造，湘控也是国内唯一一家具有对国外电动机械式挖掘机电气系统进行国产化改造的高新技术企业。 制造大型装载设备的新技术
汽车载重量的加大，为大型装载设备的发展提出了要求。而高新材料和微电子技术的进步、大功率柴油机和大规格轮胎相继研制成功，为装载设备大型化发展创造了条件。20世纪末，大型装载设备的制造公司陆续采用新技术、新结构和新工艺， 使大型装载设备变得更先进、更可靠、效率更高。在21世纪，更加灵活可靠的、造价较低的大型装载设备登上了露天开采的舞台。 原Marion公司对电动机械式挖掘机的工作装置进行优化设计，合理确定结构尺寸，使铲斗在不同挖掘位置都具有足够的切削力，特别是204M型超前电动机械式挖掘机是电动机械式挖掘机发展140多年后出现的新机型，其可变铲斗切削角的特点是合理运用了杠杆、滑轮和三角结构，使其在机重、功率相仿情况下比传统挖掘机切削力增大2.5倍，斗容量增加33%。 P&H公司仍然采用双斗杆齿条推压结构，但采取增加起重臂上段长度减小斗杆长度的措施来提高铲斗在挖掘位置上提升力的有效利用；同时采用原理简单的可变速电机DC驱动系统，降低了维修费用；新型诊断系统可在电子部件发生故障时对其诊断，并在屏幕上显示应采取的正确动作；载重量监测系统可以实时计量出装入汽车的每一斗物料的实际重量，以及铲装总重量和总体积，其称量精度可达2%左右，从而防止矿用载重汽车的过载和欠载。 原比塞洛斯公司的电动机械式挖掘机工作装置采用了单梁圆形斗杆，可以承受扭转力；三级缓冲减振作用减轻了挖掘过程中的冲击动载荷；取消了提梁的扁形铲斗具有高效快装持点。AC动力驱动系统可实现异步电动机变频调速、平滑起动和制动，电力保养简单、能耗低，供电电压允许瞬时波动范围为-30%～10%，不会损坏零件。 太原重工应用大型矿用挖掘机载荷谱及挖掘轨迹研究的成果，基于虚拟样机的整机性能分析和仿真优化设计技术，实现结构件的三维参数设计及有限元分析等。大量采用优质低合金高强度调质、齿轮表面渗碳淬火、磨齿和齿根喷丸强化等先进工艺手段，采用驱动轮高置的近似链轮-链条驱动的履带驱动系统，大大提高了设备结构件、传动件等零部件的使用寿命。 露天开采设备的智能化发展进程及趋势
20世纪70年代以前，露天矿设备在实践中较多注重推行先进的制造技术。进入20世纪80年代以后，随着微电子技术和卫星无线通讯技术的飞速发展，露天矿设备在开发和应用方面逐步开始了自动化和智能化进程。首先是车载监控，早期的电动机械式挖掘机仪表及监控系统是这方面的工作先驱，它可以向驾驶员提供维护报警、向管理部门提供生产维护方面的数据。例如，原比塞洛斯公司开发了以微处理机为基础的电动挖掘机分析系统（见图5），用于提高挖掘机效率与改善性能指标方面的分析服务。后来又开发了一些专用功能模块，将它们与一个完整的、交互式的机器管理系统联网，进行作业成本分析、采矿计划反馈以及维护控制。再后来开发了车载监控技术，用于监控机器的完好状态和提供相关维护信息。目前国外生产的露天矿大型穿孔、装载和运输设备一般都配有车载监控分析系统。 与此同时，矿山调度系统逐步在露天矿得到推广。它们由人工调度进步为自动调度，监控目标也由重点设备发展为全矿范围的监控。首先是美国模块采矿系统(Modular Mining Systems)公司推出一种名为Dispatch的矿山管理系统，应用于露天矿的优化运输生产中。起初这个系统只是用于运输汽车的调度，如今已经发展成集成化的系统，可以全面提供实时数据和前期生产数据，也可与用于监测机况的机载可编程逻辑控制器和卫星定位系统连接，进行实时的设备监控。 温科国际采矿系统公司(Wenco Int. Mining Systems)开发集成化车铲作业与管理系统，目的是用模拟方法生成开采计划来解决卡车挖掘机调度、以及用于设备维护的故障诊断与监控。该系统在不断地完善和升级，现在可以支持利用GPS的管理信息系统。而阿德奥尔特(Adort)公司的Charlemagne系统，可以按班编制设备利用计划和保证品位控制。它的目标是在相应的约束条件下使产量最大，如在电铲与卸裁点之间选取最优的汽车运行路线并计算电铲生产能力。 在视线范围内的机器远距离控制也开始在露天矿得到应用，美国西雅里塔(Sierrita)矿在1台卡特彼勒992C型装载机上，应用了黑匣子自动化公司(Blackbox Automation Co.)安装的视线范围内无线电远距离控制系统。无人驾驶电动挖掘机的应用也在扩大，今后露天矿将在集中控制室内进行远距离操作。 未来露天矿设备的控制与监视系统将通过遥测技术全面与矿山调度与维护管理信息系统连接在一起。采矿设备的发展拥有广阔的空间，更多先进技术的应用也加快了设备升级换代的步伐。随着国家经济建设的不断增强，更多的国外厂家着力于中国市场，对我们既是一种挑战也是一个机遇。在引进国外采矿设备的同时，我们要吸取其先进的制造技术，更要提高自主创新能力，达到并超过国际同类产品水平。 |
