矿用电铲技术工艺发展趋势分析
第一节 产品技术发展现状
国内，目前可以生产矿用挖掘机（电铲）的有中国一重、衡阳衡冶重机和抚顺挖掘机公司等企业，但只有太重具备独立设计制造大型电铲的能力，其他企业只能通过合作生产或只能独立制造小型电铲。而在拉铲方面，太原重工则在国内占据垄断地位。
目前国产矿用挖掘机与国外同类产品的主要差距一是缺乏大斗容铲的设计制造能力，二是在产品开发周期、铲斗寿命和设备供电系统的技术水平等方面尚有不足。但是太原重工在电铲斗容方面已经有了长足的进展，其WK-55型电铲斗容56立方，为目前世界第一，打破了国外企业在大斗容电铲方面的垄断。
太重是我国最早生产大型矿用挖掘设备的企业。通过引进消化吸收国外先进技术，2005年，太重研制成功我国第一台具有完全自主知识产权的WK－20型矿用挖掘机并投入使用，打破了国外企业对我国露天矿山大型矿用挖掘机的垄断，探索出了一条自行开发研制大型矿用挖掘机的新路。2007年，太原重型机械制造集团自主研制生产出KW-35型矿用挖掘机。这是我国目前最大的矿山挖掘设备。
但随着社会的不断发展和技术的不断进步，现实生产对电铲电控提出了更高的要求。目前广泛应用的电磁控制技术，在生产实际中的控制性能上还是不够理想，存在许多缺陷。首先表现在系统动态响应慢、动态指标欠佳。磁性触发器有固定的时间常数，对于由多系统组成的电铲，难以满足不同系统对动态特性的要求，另外从系统结构看，磁性触发器组成的调节系统，电压调节器和电流调节器共用一个环，它所实现的电铲特性不理想，电流环在起动过程中的主导作用得不到充分的体现，且电机的最大起动力矩维持时间不长，导致电机后劲不足，转速降较大，故不能保证电机长时间的最大出力。若要保证较长时间的最大出力，必须提高截止点电流，这样不利于电机换向，直接影响电机的使用寿命。
为了改进矿山电铲在矿山高温、多尘、振动大的恶劣工作环境中，经常会出现接触不良、脱焊等现象，故障发生率高的问题，我国一些科研机构正在尝试
研究一些新型的电铲控制技术，已开发出电铲卡车优化调度系统，该系统通过对电铲位置、状态、速度、运行方向、时间等信息的采集，实现对电铲车工作位置与状态的实时跟踪、显示，优化调度车队运行，及时准确地查询、统计当时的生产情况。
第二节 产品工艺特点或流程
1、结构组成
电铲的结构主要由下车系统（行走装置）、上车系统（回转装置）、工作装置、润滑系统、供气系统等组成。下车系统是由履带板、履带框架、支重轮、前导轮、后导轮、驱动轮、车体、回转齿圈、回转滚圈、行走传动机构等组成。
下车系统承载着整机的工作重量，并用来完成电铲的行走。上车系统是将物料由挖掘面运送至运输装置的重要装置，是由回转框架、平台、配重箱、机舱、A形架、提升回转传动机构、电气控制柜等组成。工作装置是电铲工作的主要部件，它由动臂、斗杆、铲斗、传动机构组成。动臂为焊接结构，具有大的断面模数和良好的抗扭刚度，有足够大的质量，以免铲斗插人土壤挖掘后动臂抬起。铲斗是电铲的主要工作部件，它直接承受被挖掘矿石的作用力，因而磨损较大，斗杆也是电铲挖掘过程中的主要部件之一，它的作用是连接和支持铲斗，并将推压作用传递给铲斗，铲斗在推压和提升力的共同作用下完成挖掘土壤的动作。
2、结构特点和工作方式
矿用电铲有独立行走机构，增加了机器的机动性，电铲的车体整件有可靠的大截面结构，在工厂精确加工，现场与履带架、行走电机座及中心轴柱进行装配；履带框架与车体采用简单的螺柱和硬化定位销系统、低维护的抗剪止口大型高锰钢铸造前导轮、整体转动淬硬的支重轮保证了其长期寿命要求；履带板采用箱型铸造结构，适应各种行走路面；回转使用多电机驱动，缩短了起、制动时间。
优化的平台布置使电铲有极好的维护空间、大型的机房，超宽结构减少了尾部回转半径；锻造的中心轴柱，可在上部平台调整，有可靠的过盈，底端的螺帽使安装更加方便；提升装置采用双电机驱动，改善了受力条件；推压采用高锰钢宽型齿条，挖掘切削力大，稳定性好，适用各种采矿条件，采用特种背连三角皮带减震和缓冲，有PLC控制的自动张紧装置，使其具有最佳的张紧，从而增加了皮带、轴承和传动轴的寿命；斗杆运用有限元进行可靠性设计；铲斗采用了可调式小拉杆、液压缓冲器装置，铲斗优化的几何尺寸增加了电铲的装满系数。
电铲在一个挖掘周期中，先是钢绳提升铲斗，同时推压轴把斗杆推向工作面，铲斗的提升和推压同时动作，在运动中铲斗装满矿石，然后离开工作面，回转到卸载处，卸载以后再次回转到工作面开始下一轮的挖掘工作。由此可以把挖掘过程分成三个阶段五个动作，三个阶段是：挖掘装载、满载回转、空载回转，五个动作为：移近、铲入、提起、转身、倒出。
1、矿用液压挖掘机
近年来，矿用液压挖掘机发展迅速，无论新建露天矿山，还是老矿山技术改造，已普遍采用液压挖掘机。它具有重量轻、行走速度快、机动灵活、调度时间短、作业率高；售价低、投资少。机械更新快；传动系统简单、平稳可靠、维修保养方便；操作省力，工作环境好；液压元件寿命长、可靠性高等，比机械挖掘机有更多的优点。目前在露天开采中，已取代了中小型机械挖掘机。
在液压挖掘机领域，节能控制的目的不仅仅是提高燃油利用率，更重要的意义在于能够取得一系列降低使用成本的效果。资料显示，工程机械将近40％的故障来自液压系统，15％左右的故障来自发动机。采用节能技术后，可以提高发动机功率的利用率，减少液压系统功率损失，使动力系统与负载所需功率更好地匹配，降低了发动机和液压元件的工作强度，提高了设备在使用中的可靠性。
从国内外发展状况来看，液压挖掘机的节能控制有以下发展趋势：
1）电液比例控制智能化
电液比例控制在80年代初就开始应用于工程机械，到目前已经在液压挖掘机上得到了大量应用。电液比例技术用于工程机械，可以省去复杂、庞大的液压信号传递管路，用电信号传递液压参数，不但能加快系统响应，而且使整个挖掘机动力系统控制更方便、灵活。进入90年代后，随着计算机技术的发展，电液比例控制更进一步“智能化”，电液比例泵和比例阀的应用日益增多，从而出现了“智能化液压挖掘机”。这种智能化主要体现在以下几个方面。首先，计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数，如压力、柴油机转速等，并能根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能状态。其次，能够完成一些半自动操作，如平地、斜坡的修整等，对司机的熟练程度要求降低，但工作质量却能够得到大幅度提高。第三，能够根据监测到的运行参数进行故障诊断，便于挖掘机的维护。这些功能的出现，使挖掘机性能得以大幅度提高。
2）柴油机电喷控制
在传统的机械调速柴油机上，喷油泵的循环供油量、喷油提前角等都受到转速影响，使柴油机性能难以进一步提高。在柴油机上应用电喷控制后，可以使泵的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响，从而使挖掘机能够一直工作在最佳状态，而且加快了响应速度。开发柴油机电喷控制器是提高挖掘机节能性的一个重要环节。
3）负荷传感控制将继续发展
负荷传感控制从20世纪70年代开始兴起，各工程机械液压件生产厂商纷纷推出了一系列有关产品。这种系统具有良好的节能性和操纵性，即使不熟练的司机也能很快适应。比例流量分配阀的出现进一步推动了负荷传感技术在挖掘机上的应用，使挖掘机操纵性进一步提高，解决了西方国家由于熟练司机的缺乏而带来的问题。因此，负荷传感控制挖掘机在发达国家的需求将会进一步上升。
4）六通多路阀继续存在
尽管采用四通阀的负荷传感系统能提供精确操作，但并非所有场合都需要精确操作，而且熟练司机也能用非负荷传感系统挖掘机完成精确操作。更重要的是，负荷传感系统价格较高，限制了它在发展中国家的应用。目前，世界上许多著名的挖掘机生产厂商，其产品中既有使用四通阀的负荷传感控制挖掘机，也有使用六通阀液压系统如正流量、负流量控制的挖掘机。成熟的制造技术和低廉的价格将会使六通多路阀继续发挥作用。
5）进一步改进阀控节能控制
在采用六通多路阀的液压系统中，仍然有许多可以改进的地方，如操纵性、节能性等，至今国外各挖掘机生产厂仍在
研究。
6）多功能组合
为提高挖掘机性能，各种节能措施的结合将更加广泛。在以往的系统中，液压泵上已经集成有多种功能，但由于各种条件的限制，一般不超过三种。如液压泵中，就集成有压力切断、正流量控制和功率限制功能，目前市场上比较流行的各种液压泵原理图中，也都集成有多种功能。随着液压技术的发展，有可能在泵上集成更多的功能。
7）可变参数控制
为使挖掘机更好地适应各种工况下的负载要求，动力系统内部一些控制元件的设定参数将不再是固定值，而是能随着挖掘机具体工作状况而改变。例如，在日立建机生产的EX系列挖掘机上，负荷传感阀上的压力补偿器设定压差就能随工作状况而改变，增强了挖掘机工作时的适应性。可以预测，在将来的挖掘机动力系统中，将会有更多的控制参数可以调节，从而使挖掘机工作效率更高、操纵更容易。
8）泵—发动机匹配控制将进一步“智能化”
借助计算机控制技术，泵与发动机的匹配控制将进一步实现“智能化”，两者之间的结合将更密切，实现一体化控制。在这种控制中，控制器能根据工作状况的变化，自动对液压泵和发动机进行调整，在保证输出功率满足工作需要的同时，使燃油消耗量最低。
9）现场总线技术和嵌入式系统将大量应用
随着液压挖掘机“智能化”程度的提高，各种传感器、控制器将遍布挖掘机各处，这将导致挖掘机内部充斥各种导线、接头，使控制系统变得复杂、可靠性降低。解决这一问题的方法是采用现场总线，用一条串行线将所有的传感器、控制器和执行器连接起来，在保证系统具有强大功能的同时，具有简单的结构和高可靠性。目前，在行走机械领域，已经有了这样一种现场总线，称为CAN总线，但还未在挖掘机上得到普遍应用。电子技术的发展使控制芯片的体积更小，功能更强，在挖掘机上几乎不占任何空间，能完全嵌入到各种部件内部，这也是将来挖掘机控制系统的发展方向。
2、自动保护系统技术开发
由于露天矿山环境的恶劣，使得电铲在长期高温及大量粉末污染的环境下容易发生严重的磨损性故障，因而
研究和开发完善的自动润滑系统、自动灭火系统和独立的气动系统，另外对电铲的通风、采暖、防尘、净化、除霜等装置进行改善，使矿用电铲的操作条件优化，形成良好的自我保护和防护，保证电铲最佳的工作性能和最低的挖掘成本。
3、数字化电气系统控制
现有电铲的电气系统运行过程的信息反映不完整，更不可能在整个机组的控制中达到信息共享。近年来，微机自动化技术已经得到了广泛的应用，国产设备和技术已日益成熟，并为广大用户所接受。在矿用电铲的系统设计中将数字控制系统与电气控制系统融合，开发具有统结构简洁，抗干扰能力强，维护简便的整套电铲全数字化电气控制系统，利用该系统进行更精确、更高效的性能来提高整机的工作性能。
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