一鏟子能挖煤135噸，中國礦用挖掘機攻克了哪些技術難點？

中國製造了世界最大最先進的礦用挖掘機，它攻克了很多技術難點——機械系統：大功率變頻驅動技術應用於齒輪-齒條推壓式系統；電氣系統：交流變頻電機及其控制系統代替美國可控硅供電技術；加工裝配：大零件生產裝配超過已有加工能力，許多過程專門設計調整。

出品| 網易新聞學院

作者| 汪澤，清華大學機械工程系博士研究生

2012年6月5日，中國自主研發設計製造的目前世界上規格最大、技術性能最先進、生產能力最高的礦用挖掘機WK-75正式下線，並成功交付使用。

（一）世界最大挖掘機長什麼樣？

這個挖掘機長這樣：

你肯定會驚訝，這是挖掘機還是鏟車啊，傳說中紅遍大江南北的挖掘機，難道不應該是這樣的：

或者是這樣的么？

我一定是看了假挖掘機（捂臉）。

相信我，你沒有看錯，上面那個大傢伙也是挖掘機，只不過，我們平時看到的用來挖坑、蓋房子、搬磚甚至開啤酒瓶、炒菜的挖掘機都屬於液壓式挖掘機（靠液壓的方式傳動），能看到挖掘機臂上的銀白色液壓桿，而今天要介紹的大型挖掘機WK-75則屬於機械式，它沒有液壓裝置，而是通過鋼索滑輪組、鋼絲繩、齒輪齒條等機械來進行動力傳遞。

所謂反常必有妖，這樣造型「詭異」的挖掘機也是有著不同尋常的使命——它是礦用挖掘機，主要用於國內外大型露天煤礦、鐵礦及有色金屬礦山的剝離和采裝作業，可以說和我們之前介紹過的礦用自卸車有著相同的應用環境。

（二）礦用挖掘機為什麼一直在「做大」？

礦用機械必須滿足的第一個要求就是：大！

WK-75號稱世界最大，那麼它到底有多大呢？讓我們來看一組數據：

高度：從履帶到頂部，高達23.5米，相當於8層樓高；

總重量：近2000噸，如果全部拆卸，需要40節火車皮才能一次運走；

體積：長37.5米，寬17.3米，體量比一個籃球場還要大；

鏟斗：標準斗容75立方米，一斗可以挖掘135噸物料，每小時採礦能力達12000噸，應用於大型煤礦中，一個月的煤炭開採量可達到500萬噸，相當於一座大型煤礦一年的產量。

（WK-75的鏟斗）

得力于山西省豐富的煤炭資源，其實在WK-75之前，55立方米斗容的礦用挖掘機WK-55於2008年就在太原成功下線，這已經是當時世界上最大的礦用機械式挖掘機了。

那麼，既然已經達成了世界第一的成就，為什麼還要繼續「做大」呢？這一切都源自於大型露天礦工作流程的改變。

以往的工作流程是：挖掘機將礦石挖起，裝入車，再由卡車運至半移動破碎站的傳送帶上，進行破碎後輸送。這時候大型的礦用挖掘機需要大型礦用車的配合，對工作環境有著一定的要求，盲目追求大型化是沒有意義的。

但是現如今很多大露天礦採用了新型的自移式破碎站的半連續開採工藝，挖掘機在挖起礦石後直接裝入破碎的料斗，經皮帶傳輸系統傳輸，省去了汽車運輸環節，不僅減少了污染、降低了成本，而且生產線的生產能力由過去每小時3000噸猛增到9000～12000噸。這種情況下WK-55已經不滿足生產要求了。因此生產更大的傢伙是大勢所趨。

（三）WK-75礦用挖掘機攻克了哪些技術難點？

正所謂羅馬不是一天建成的，生產WK-75需要的是日積月累的技術沉澱。和大多數的工程裝備一樣，中國礦用挖掘機的自主研發也是實現了從模仿跟隨到引領趕超的過程。

早在1961年5月，中國就模仿蘇聯的技術成功試製了國內第一台4立方米礦用挖掘機WK-4，該挖掘機在內蒙古赤峰平庄煤礦使用至今（不得不服氣的質量）。

（1960年版5元紙幣背面為從蘇聯引進和仿製的挖掘機）

1977年，國內首台10立方米礦用挖掘機WK-10試製成功，其第二代產品WK—10A型獲1985年國家科學技術進步二等獎。

1983年，中國開始與美國開展合作，並於1986年3月生產出標準斗容19.11立方米的2300XP型挖掘機。但與外方合作並非長久之計，中國在合作中只能進行配套生產，無法掌握核心技術，導致20立方米以上大型挖掘機成為自主研製的瓶頸。

然後不用說，雙方的合作鬧掰，我們開始自己單幹，經過不斷探索，終於成功實現超越。這個過程中，有著數不清的技術難點需要攻堅，這裡選幾個WK-75的技術挑戰分享給大家。

1.機械系統：大功率變頻驅動技術應用於齒輪-齒條推壓式系統

WK-75採用齒輪-齒條推壓式的傳動方式，其原理和常見的液壓式挖掘機有較大不同。

（WK-75鏟斗工作示意圖）

從圖中可以看出，當WK-75處於工作狀態，齒輪-齒條所產生的作用力以及鋼絲繩的拉力共同作用，使得鏟斗舉起。它所採用的齒輪-齒條傳動方式剛性強，針對露天礦中針對鏟裝鬆散度差、塊狀多、爆破差且有根底的物料產裝效率高。

在具體設計施工中，WK-75率先將大功率變頻驅動技術成功集成創新應用於齒輪-齒條推壓式系統中，採用了自主創新的重型低速重載傳動機構和重載結構件設計及製造技術。此外，WK-75還應用了智能化控制技術、運行狀態監測和故障診斷技術、高效除塵裝置等多項世界領先的最新技術。

這一切使其具有工作循環時間短、節能降耗、穩定可靠、使用壽命長、操作更加人性化等多種優點。

2.電氣系統：交流變頻電機及其控制系統代替美國可控硅供電技術

當時與美國公司鬧掰了，我們沒有獲得的一項重要技術就是可控硅供電技術。可控硅，又稱晶閘管，是電力電子技術中不可或缺的元件，在交流電變直流電的整流過程中有著重要的應用。

這項技術之所以重要，是因為美國的電驅動-傳動系統中，採用的是「晶閘管變流器-直流電動機」，將交流電轉換成直流電後，驅動直流電機運行。可控硅的特點是可以以小博大，通過很小的功率來控制幾千伏的高壓電。但同樣也有著靜態及動態的過載能力較差；容易受干擾而誤導通，在礦用挖掘機惡劣的工作條件下，經常會出現很大的過載衝擊，因此，即使美國公司的技術先進，他們的產品也不可避免地出現維修工作量大、效率較低等問題。

而WK-75則創新性地在電氣設計上使用了交流變頻電機及其控制系統，取代了傳統的可控硅供電和直流電動機系統，使得電力的傳導和電機的驅動全部採用交流電的模式，這樣的模式採用變壓器就可以搞定，在一定程度上避免了外部環境對系統的衝擊，同時提升了工作效率。

同時電氣傳動採用了能量回饋式大功率交流變頻驅動方案，是當今世界上交流傳動方面的最先進技術。在這種方案中，鏟斗每一次下降制動及系統制動時產生的能量，均可轉化為電能回饋到電網，實現能力回收，節能且環保。

3. 加工裝配：大零件生產裝配超過已有加工能力，許多過程專門設計調整

儘管有了可行的技術方案，WK-75這樣的大傢伙的實際生產裝配過程也是不簡單，光是焊接過程中的焊條就用了40多噸。

很多巨大的零部件已經超過了現有加工設備的最大能力。比如WK-75的底架梁長9.4米，寬5.7米，而當時工廠中最大的天橋銑床的寬度僅有5.6米，怎麼辦？最後工廠的技術人員將天橋銑床的橫樑限位臨時拆除，才完成零件的加工。

底架梁重大138噸，超過廠房內行車的100噸的最大起重量，為此特意增加4個起吊點，使用兩台行車聯合起吊。

在加工中央樞軸、提升捲筒以及制動輪、驅動輪這樣的大部件的時候，為保證質量和精度，工人們專門設計自製了一套用於加工這些部件的新型刀具，使之達到了工藝要求。

技術人員甚至還想出了以車床取代磨床這樣的點子，有效解決了在中央樞軸的拋光過程中磨床不夠大的問題。

結語

WK-75是中國自主研發生產的，世界上規格最大、技術性能最先進、生產能力最高的礦用挖掘機，是中國製造的一項世界之最。

但是如果我們的目光僅僅落到這台挖掘機的「大」上，顯然有些不夠全面。要知道，該機的絕妙之筆在於「創新」二字。從機械結構、電氣系統的設計方案，到具體加工生產環節，均採用了世界領先的創新技術。

正是憑藉著創新精神，國產重大裝備實現了從「模仿、跟隨」到「引領、趕超」質的飛躍。

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編輯| 史文慧

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