电动式液压挖掘机与普通挖掘机的性能对比与使用条件.docx
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电动式液压挖掘机与普通挖掘机的性能对比与使用条件
专题
液压挖掘机与单斗机械式挖掘机性能的对比及液压挖掘机的适用条件
二期筹备处
电动式液压挖掘机与普通单斗机械式挖掘机的性能对比
前言：
由于传统的单斗机械式挖掘机生产作业可靠且对各种物料的适用性又很强、应用经验又十分成熟，其作为露天矿主采设备一直以来都是占有主导地位；但其缺点比如造价高、整机重量大、机动性较差、选采能力差、辅助设施及人员较多等也是非常明显的；在采掘大倾角、层数较多的煤层以及处理煤层顶低板等作业时传统的机械式挖掘机的效率就会极大地下降；因此有必要考虑采用代表新型技术的电动液压挖掘机。
但对于地处高纬度、冬季漫长、气温较低的矿山，特别是地处机修机加能力有限、维修设施不全的矿区，其客观的自然条件又制约了液压挖掘机的应用；但随着机械制造水平的不断的提高，液压挖掘机的可靠性得到了极大的提高、其应用领域也越来越广了；因为这两种挖掘机各具特点，所以有必要根据具体矿山的实际对电动液压挖掘机与普通挖掘机在作业性能上和运行经济指标上进行对比，以确定适于矿山实际的挖掘机种类。
传统的机械式单斗挖掘机在露天矿的应用已有逾百年的发展历史；目前已有斗容50－60m3的大型挖掘机投入应用。
而液压挖掘机只有几十年的发展史，到目前为止全球最大的液压挖掘机最大的机型斗容只在45m3左右。
但代表新技术的液压挖掘机经历了从半机械半液压到全液压的历程，目前已经占到全世界挖掘机保有量的95%以上，液压挖掘机利用其广泛的优势从最初的土方工程和道路建设已经应用到挖掘物料的各个方面，特别在机械式电铲应用的露天矿方面已经有逐步取代的趋势。
由于我国露天煤矿一直沿用机械式挖掘机，使用大型液压挖掘机的经验较少，特别是大型电动液压挖掘机的使用经验更少。
但近年来这种状况有了一定的改变；部分新型的大型现代化露天煤矿已逐步采用这种大型设备。
只有当矿山生产中的某几项需求成为主要矛盾时而某种设备的某几种特性有又能满足矿山生产的这些实际需求时，该设备的优势才变突出，所以要根据矿山的地质构造、矿岩的赋存条件、矿区的水文地质、气候等多方面的因素进行认真的比选，以期选择最适宜于本矿区特点的设备。
一、两种挖掘机性能的对比
1、有效卸载高度比较
首先，由下图可以看出，由于液压挖掘机在卸车时其铲斗时采用了前开斗设计，所以它较机械式挖掘力的底卸式设计的装车高度要高。
而且由于液压铲卸载时采用这种方式，先卸下的是一些粒度较小的物料，因此它可实现缓充装车，减少对卡车的冲击力；它装车时较准确，可充分装满车箱，可较容易避免出现装偏车现象。
图－1两种挖掘机卸载方式的比较
2、维护保养工作
液压挖掘机的基本使用寿命为60000小时，可以相应或按需进行零部件更换，这样挖掘机离开工作面进行修理的时间就比较短。
液压挖掘机的维修和保养是按元件使用周期和对油质的分析来安排的，逐步有间隔的更换零部件不会突然改变机器的残余价值。
液压挖掘机的主要元件很轻且原始状态很清洁，用这些元件来驱动相对机械式电铲较小的各个运行部件，可以大大减小对机械部分的检修。
而机械式电铲大都按静态受力情况设计的，这种传统的设计方法，要求操作人员和机械师能够具备基本的重型机械操作技能。
机械式电铲工作15000到18000小时则要进行大修，大修时间约需1－2个月；为了减少对生产作业的影响必须在这段时间里必须考虑使用别的设备代替它。
而液压挖掘机的检修较方便，一般大修时间只需2－3周，对生产作业的影响较小。
机械式挖掘机的钢丝绳、推压齿轮和齿条更换周期较短，特别是提升钢丝绳损坏后更换时间较长。
液压挖掘机日常的保养较简单，只需定期更换液压油及其滤芯。
由于液压挖掘机的线性尺寸较小，其绝大部分转动部件已采用了集中自动润滑，其动臂的手动润滑也较简单；但机械式挖掘机的线性尺寸较大，其手动润滑时间较长，这样就影响了其有效作业时间。
3、机动灵活性适应性方面
由于其整机重量一般只是同斗容机械式挖掘机的2分之1－2.5分之1。
所以，它的对地比压较小，可在站立水平较松软的物料上作业；液压挖掘机的两条履带可同时相相反的方向转动，所以它可以在原地转弯，这样就决定了其作业半径较机械式挖掘机较小。
由于其重量轻其行走部分采用液压马达驱动所以它在各个工作面之间调动较方便。
同时由于液压挖掘机可沿着任意方向挖掘，所以，它可在站立水平面上实现水平挖掘，这样可节省推土机整理工作面的费用。
由于液压挖掘机的爬坡能力最大可达40％，而机械式挖掘机的最大爬坡度只有18％左右，所以液压挖掘机在修筑道路、斜坡道等工程方面较机械式挖掘机有较大的优势；更重要的是由于它动作较灵活可实现不同层物料的分采分运。
4、设备购置费
液压挖掘机较机械式挖掘机可节省30％－40％的投资。
二、电动液压挖掘机在实际应用中各项技术经济指标的对比
根据目前所掌握的资料，胜利矿区的神华北电胜利能源有限公司的西一号露天煤矿与胜利东二号露天煤矿已有斗容15m3－21m3的大型电动液压挖掘机投入运营，现就将两个矿同斗容的两种挖掘机的运营成本进行分析对比：
1、现在就比较成熟的大型矿用电动液压挖掘机与同斗容的普通挖掘机的几个重要的指标进行对比：
（1）神华北电胜利能源有限公司的西一号露天煤矿两种挖掘机的运营成本对比
神华北电胜利能源有限公司所选用的电动液压挖掘机斗容为15m3：
并有两台14m3的机械式单斗挖掘机。
两台电动液压挖掘机EX2500原价分别为：
1685万元；1599万元。
两台机械式单斗挖掘机Wk-10B原价：
1480万元（06年）；现价：
1900
元。
型号
WK-10B
（1）
WK-10B
（2）
EX2500
生产厂家
太重
太重
日立
斗容（m³）
14
14
15
总耗电量（08年1月-08年6月）
647215
597269
296084
总电费（元）
328915.4
304516.8
150219.2
小时耗电量（度/小时）
221.6
180.4
484.6
单位耗电（元/m3）
0.213
0.182
0.517
变动单位成本（元/吨；不含人员计件工资）
0.546
0.435
0.518
固定单位成本（元/吨，折旧、财务费等）
0.360＋
0．423＋
0.293+
总单位成本（元/吨）
0.906
0.858
0.812
神华北电胜利能源有限公司西一号露天煤矿两种挖掘机运营成本对比图
下图中1、2号为机械式挖掘机；3号为电动液压挖掘机
（2）、下面两表为我矿目前拥有的电铲与液压铲正式投入使用以来的成本统计
根据目前掌握的资料，在我矿运行的EX3600E-6型电动液压挖掘机和相同斗容的WK-20系列机械式挖掘机具有相同的工况并处在相同的管理模式下，因此在我矿正在运行的这两种挖掘机具有典型意义。
为方便比较下图只列举了两种挖掘机运营成本中不同的项目，应此为不完全成本；
东二号露天煤矿两种挖掘机单位运营成本对比
型号
WK-20
EX3600E-6（液压铲）
单位运营成本（元/m3）
1.64（平均值）
1.30
注：
电费单价：
0.55元/度；
折旧：
设备的折旧按直线法提取，大型挖掘机的折旧期按15年计；
设备残值按原值的4％计取；
财务费主要提取贷款利息，月利率按0.5325%计；
美元与人民币的汇率按6.82元计；
由于两种挖掘机人员成本较接近，所以均不计；
以上单位成本计算对于两种挖掘机相近的费用单项均不计入，由以上统计计算结果可知，从单位成本上比较，电动式液压挖掘机较相同斗容的机械式挖掘机较稍有优势；在两种挖掘机在实际运营过程的变动成本中，由于电动液压挖掘机结构特点造成其耗电量几乎是机械式挖掘机的2倍，但固定成本中设备折旧项上，电动液压挖掘机的价格比同斗容的机械式更便宜，因此电动液压挖掘机的优势较更明显，这样就决定了电动液压挖掘机的运营成本相对较低。
当然由于这两个矿所投入使用的电动液压挖掘机的运行时间都不长，因此我们所收集的数据具有一定的局限性，不能完全代表这中设备在其整个服务年限中的运营成本。
2、两种挖掘机工作效率的对比
（1）神华北电胜利能源有限公司胜利西一号露天煤矿两种挖掘机生产效率对比分析
胜利矿区西一号矿电铲与电动液压铲运行状况统计
型号
WK-10B
（1）
WK-10B
（2）
EX2500
生产厂家
太重
太重
日立
斗容（m³）
14
14
15
总制度时间（08年1月-08年6月）（小时）
4392
4392
744
总出动时间（08年1月-08年6月）（小时）
3806.5
4107
741
总实动时间（08年1月-08年6月）（小时）
2921
3310
611
出动率
86.7%
93.5%
99.6%
实动率
66.5%
75.4%
82.1%
总挖掘量（08年1月-08年6月）（m3³）
1538959
1673925
290198.54
实际小时能力（m3/h）
526．86
505．71
474．95
以上统计时间虽然较短，但它还是可以在一定程度、一定的范围内反映出设备的可靠性。
由上表可看出，液压挖掘机的实动率较高、但其实际小时能力稍小，原因是由于液压挖掘机投入时间较短，其故障率很低；为了充分利用液压挖掘机机动灵活的特点，在矿山生产中将其分配到修筑坡道、采掘煤层间的架夹层等工程中，因此其能力没有得到充分的发挥。
胜利东二号矿电铲与液压铲运行情况的统计
设备名称
月份
内障率%
外障率%
实动率%
可用率%
电铲
4月
17.4
32.2
50.3
82.6
5月
10.3
20.0
69.7
89.7
6月
10.6
23.4
66
89.4
液压铲
4月
13.3
34.6
52.1
86.7
5月
1.8
20.3
39.1
98.2
6月
1.6
49.6
43.8
93.4
胜利东二号矿电铲与液压铲实际小时能力统计
挖掘机类型
设备编号
实际小时能力（m3/h）
机械式
1001
595．10
1002
543．89
1003
515．14
1004
667．87
平均
580．50
液压挖掘机
1101
588．20
1102
498．44
平均
543．32
由以上统计资料可以得出，尽管按照设备管理的标准要求，这辆中设备在实动率、可用率等指标上没有达到要求，但在比较这两种类型的挖掘机时，可以看到在刚投入运营时电动式液压挖掘机的故障率比机械式低，且小时生产能力较接近。
3、两种挖掘机挖掘力的比较
（1）机械式挖掘机
具备较大挖掘力的挖掘机可适应不同的物料，而且挖掘力的大小直接影响挖掘机小时生产能力的高低；所以挖掘力是挖掘机性能中较为重要的一个指标。
现就WK-20机械式挖掘机与EX3600-6电动液压挖掘机的理论挖掘力进行比较。
由于机械式电铲铲斗钢性地固定在斗杆上，由绳子将其拉入到要挖掘的物料中，只能在一个方向作强制的圆弧运动，而不是按所挖掘物料的构成进行工作，因此无法使铲斗随着岩层面进行挖掘。
而且它单靠铲斗挤压破碎后的物料滚入铲斗内，所以只有达到一定高度的工作面才能装满铲斗。
图－2机械式挖掘机受力分析示意图
如上图所示，由于机械式电铲只能在一个方向发挥其挖掘力，因此其工作装置的重量必须很大才能抵抗住其挖掘力，为与之平衡，机身的重量也相应地增加，因此机械式电铲的整机重量很大。
图－3机械式挖掘机挖掘力计算示意图
图－4机械式挖掘机挖掘力示意图
由以上示意图可知，WK-20电铲的挖掘力是由其提升与推压力共同作用形成的。
它仅有强制的挖掘曲线,无法进行选采，在开始挖掘位置（铲斗位于地面水平上），由于铲斗提升力和其水平方向的阻力（切向力）有较大夹角，必须有足够大的提升力才能产生克服水平阻力的水平分力。
因此电铲沿着地面水平方向挖掘能力较差。
此外在挖掘过程中，提升力除了克服挖掘阻力外，还要抵消部分推压力，即在电铲斗干在提升道推压轴高度以下时，其提升力始终被推压力的一个分力所抵消。
假如电铲在挖掘过程中的提升与推压均达到最大值，此时其挖掘力只有sinb（1540-745cosb）。
但即使是斗干到达推压轴高度时由于提升钢丝绳与斗干仍有一定的角度a，直至铲斗提升到最大挖掘高度时，斗干和提升钢丝绳相互垂直时,提升力与推压力之间的夹角较小，挖掘力较大,但此时挖掘机早已完成了挖掘作业。
由此可得出，机械式电铲铲斗上的挖掘力来自于绳拉力在垂直方向的分力，一般情况下，只有28%～60%的绳静态拉力能用于挖掘。
由机械式电铲的挖掘特性决定了其清理其工作面的能力有限，为了保证卡车作业并防止运输车辆的轮胎受损，必须另配装载机或推土机进行清理装车及卡车入换区域。
（2）液压挖掘机
而液压挖掘机破碎岩石靠斗干油缸提供的挤压力和铲斗油缸提供的破碎力的共同作用。
由于液压铲的结构特性决定了这两个力的夹角较小，极大地避免了这两个力之间的相互抵消。
而且其铲斗及动臂动作较灵活，在其铲斗的前部有理想的支点，因此可以使全部的挖掘力都作用到铲斗上。
其斗齿可沿着岩层的节理与裂隙进行挖掘，挖掘时将同时产生推压力（由斗杆油缸产生）和破碎力（即松动力，由铲斗油缸产生），所以其效率较高。
铲斗的松动力由铲斗油缸推力和其与铲斗的距离得出，因此铲斗的倾角和松动力有一定的关系，而不取决于动臂和斗杆的相对位置，因此也与挖掘的高度无关。
因为铲斗转动的范围很大，因此有可能使用最有效的挖掘角度以产生一个松动力，而机械式电铲是做不到的。
由下图可以看出，液压挖掘机铲斗低面设计成半圆弧形，这样就可以在挖掘物料时，当铲斗推动油缸和斗干的垂直与铲斗的分力作用在铲斗上时铲斗就会以其圆弧低面作为支点对物料形成一个挖掘力矩，由于物料被撬松，铲斗就会进一步插入物料的深部。
因此在较低的工作面条件下液压挖掘机仍然可保证其满斗率。
图－5液压挖掘机挖掘破碎岩石的原理示意图
由此可以得出，由于两种挖掘机破碎物料的原理不同，所以液压挖掘机的实际挖掘力较同斗容机械式挖掘机大。
4、胜利矿区目前所运行的两种液压挖掘机的不足之处
（1）在胜利东二号矿和胜利西一号矿使用的这两个型号的液压挖掘机的驾驶室和所配备的矿用卡车的驾驶室在同一侧，造成了在作业过程中在挖掘机进行反装车时挖掘机司机和卡车司机都处在盲区。
这样就难以采用侧工作面进行双测装车作业。
在实际作业中采用端工作面，当完成一个采掘带的作业时，液压铲不得不空程返回再进行下一个循环的作业。
（2）液压挖掘机电机启动方式上应完全采用变频调速启动，以保护电机并减少启动时设备对电网的冲击。
并采用目前先进的电控系统，根据挖掘作业的各个环节所需的功率自动控制电机的输出功率以节省电耗。
目前各个生产厂家所生产的电动挖掘机大多都采用了这种设计，极大地降低了其耗电量。
尽管我们分析的是两个矿挖掘机刚运行时的状况，所收集到的各种材料消耗指标及作业效率数据不能代表其全部服务年限；但液压挖掘机在设备购置费、生产效率较高、机动灵活、线性尺寸及整机重量较小、作业较平稳系统冲击小等优点是较为明显的。
作为一种更为先进的挖掘设备其特性将被越来越多的人所认可；随着其工作性能的不断改进，用户的维修力量的不断提升，其应用前景也会越来越广。
三、液压挖掘机的使用条件
首先在零配件供应方面要求及时并齐全，由于液压挖掘机是较先进的采矿设备，所有的动作均由液压马达所驱动，液压系统较复杂；必须配备具备较高的技术实力的维修队伍和完善的维修设备、实施。
同时要求有即使可靠的零配件供应。
其次就是要求设备操作维护人员要确保日常维护保养到位。
由于液压设备依靠液压油传递作用力实现各种挖掘动作，系统要求密闭清洁；只有完善的维护保养才能保证挖掘机的优越性能的发挥。
气候条件对液压挖掘机的影响也较大。
象胜利这样冬季漫长、气温较低的矿区，在液压挖掘机在冬季启动时，由于液压油较粘稠，造成挖掘机动作迟缓效率低下；持续时间大约在半小时之内。
因此需在冬季作业时使用冬季专用的液压油。
由于液压挖掘机的挖掘特性比机械式优越，它适宜挖掘的物料和机械式挖掘机相同。
但在对较薄层状物料进行选采时采用液压反铲效果较正铲好，但液压反铲的采高较小，因此作为露天矿的主采设备采装高台阶物料时选用液压正铲较合理。
二期筹备处李奋勇
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