中国煤科10大创新成果┃宋波高工：国产首台套高寒地区大切割力紧凑型轮斗挖掘机研发及应用

2025年08月15日 12:02 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

中国煤科科技创新10大成果专栏

为破解我国露天煤矿单斗-卡车间断开采工艺效率低等难题，中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司联合国家能源集团宝日希勒露天煤矿，针对蒙东近水平褐煤露天矿，研发了国产首台大切割力紧凑型轮斗挖掘机BWE3900，突破了高寒环境轮斗连续开采九大关键技术，理论产能3900 m³/h，线切割力200 kN/m，采掘高度15 m，全变频驱动智能化控制，可在-48℃运行。2025年10月将完成工业试验，轮斗连续采煤系统年产500万t，打破国外垄断，为露天矿连续少人开采提供国产化解决方案，推动采煤工艺革新与装备升级。

文章来源：《智能矿山》2025年第7期“中国煤科科技创新10大成果专栏”

第一作者：宋波，高级工程师，现任中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司数字与智能产业中心副总经理，主要从事露天开采技术研究及装备国产化应用。E-mail：smy_sunshine@qq.com

作者单位：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司

引用格式：宋波，孙龙，刘畅. 国产首台套高寒地区大切割力紧凑型轮斗挖掘机研发及应用[J].智能矿山，2025，6(7)：54-60.

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我国露天采煤量呈逐年上升趋势，由2003年的0.8亿t增加到2024年约12亿t，占全部煤炭产量的比例由4.65%提高到约25%，预计露天煤矿产量及其占比还将进一步提高。露天煤矿开采的煤层中近水平或缓倾斜煤层>88%，煤层倾角一般为0°～10°、抗压强度为6～40 MPa，开采条件较简单，较为适合轮斗连续开采工艺的应用。

轮斗挖掘机研发背景

国内各大露天煤矿开采工艺80%以上均为单斗-卡车工艺，以国家能源集团为例，目前在产露天煤矿平均开采深度达170 m，部分露天煤矿后期最大深度>400 m，普遍存在以下3个方面的问题。

（1）随着开采深度不断增大，卡车运输成本升高、效率降低、安全及环境等问题日益凸显。

（2）矿山日常生产受雨、雪、雾、风沙等极端恶劣天气影响甚为严重，生产安全性和稳定性受到挑战。

（3）露天矿智能化建设过程中，单斗-卡车间断工艺系统，实现无人化智能开采所面临的“卡脖子”难题短时间内难以突破。

因此，露天煤矿实现全连续少（无）人化开采，已经成为实现安全、绿色、高效、智能开采目标的迫切需求。以国能宝日希勒能源有限公司露天煤矿（简称宝日希勒露天煤矿）为代表的蒙东地区褐煤露天矿，煤层多为近水平或缓倾斜煤层，倾角一般为0°～10°，抗压强度为16 MPa，开采条件较简单，类比国外露天矿的实践可知，适合应用轮斗连续开采工艺，轮斗连续开采工艺也是最易实现少（无）人化开采的先进工艺，能够迅速提升露天煤矿智能化建设的进程和效果。

国内外露天煤矿应用的轮斗挖掘机主要由德国ThyssenKrupp、TAKRAF、sandvik等公司垄断，设备价格高且在国内露天矿山的应用存在多方面的不适应现象，难以广泛应用。

虽然20世纪70年代开始，云南昆明重型机器厂等企业尝试研制过轮斗挖掘机，并在小龙潭和布沼坝露天矿的采煤及剥离中应用，但受限于当时的研发和装备制造水平，设备理论能力仅为1 700 m³/h，规格偏小。2013年，大连通用机械有限公司生产的全液压紧凑型轮斗挖掘机在沈阳院设计的生产运营项目中应用，采煤成本明显下降，但设备生产能力较小，运行过程中暴露出了4个方面的主要问题。

（1）切割力不足，单轴抗压强度超过10 MPa的煤层（夹矸）开采效率明显下降，超过15 MPa时基本无法正常开采。

（2）开采作业时斗齿断齿、脱落及磨损严重，铲斗开裂，设备维修耗时长，备件消耗量大，开机率低。

（3）开采煤矸复合结构煤层时的间断切削振动，对设备关键部件的疲劳损伤问题突出，主要承载结构强度不够，甚至出现卸料臂断裂等重大事故。

（4）备品备件消耗不规律、库存数量多、资金压占数额大、运维成本高昂。

以上问题表明产品缺乏系统全面的基础理论研究。中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司（简称沈阳设计院）研发团队结合国家能源集团露天煤矿的分布区域、煤层赋存特点、开采技术条件和高质量发展的现实需求，基于宝日希勒露天煤矿，深入研究采煤方法、斗轮装置、斗齿材料及参数、整机结构、设备控制系统等关键核心技术，研发出整套适合我国蒙东地区褐煤露天矿特点的全连续开采关键技术及成套装备并实现示范应用，可解决露天矿采煤连续化运输和高可靠性稳定运行的行业共性难题，推动我国露天行业的技术进步和全面发展。

高寒地区大切割力紧凑型轮斗挖掘机的研究没有成熟的经验可供借鉴，必须依靠自主创新。在此背景下，沈阳设计院研制了国产首台大切割力紧凑型轮斗挖掘机BWE3900。

轮斗挖掘机技术原理与主要参数

轮斗挖掘机根据结构形式不同，分为巨型轮斗挖掘机和紧凑型轮斗挖掘机。巨型轮斗挖掘机一般具有伸缩式斗轮臂和配重臂，结构复杂，机体质量大，移动灵活性差，维护管理难度大。

紧凑型轮斗挖掘机具备结构尺寸小、质量轻、作业灵活机动和易于操作等优点，紧凑型轮斗挖掘机为常规型轮斗挖掘机，尤其在我国轮斗连续工艺应用较少的背景下，紧凑型轮斗挖掘机的操作使用模式，矿山管理人员更容易接受和掌握。

紧凑型轮斗挖掘机在采掘作业时，行走系统保持静止，受料臂俯仰至最大上仰角度，斗轮装置在竖直面内自转运动，同时受料臂在水平面内回转运动，通过2个方向的复合运动，实现一定高度范围内物料的高效开采。当受料臂在采宽范围内完成1次回转挖掘后，轮斗挖掘机通过行走系统前进一段进齿距离后，重复下，1次采掘作业。此过程重复进行，完成1个分层高度内物料的采掘。

紧凑型轮斗挖掘机主要由斗轮装置、受料臂、门型承载架、中心转载溜槽、排料臂、液压缸俯仰装置、行走系统、小回转系统、大回转系统等结构组成，紧凑型轮斗挖掘机结构示意如图1所示。

图1 紧凑型轮斗挖掘机结构示意

结合宝日希勒露天煤矿赋存条件与开采参数，首台大切割力紧凑型轮斗挖掘机BWE3900的主要技术参数见表1。

表1 BWE3900紧凑型轮斗挖掘机主要技术参数

轮斗挖掘机的关键技术

轮斗挖掘机外形尺寸大、机构变化复杂、多机构同步运动，沈阳设计院全国煤矿智能化卓越团队在轮斗挖掘机的研发过程中从挖掘切割物料过程、关键部件设计到整机稳定性等方面，解决系列关键技术难题。

（1）建立整机技术参数理论计算体系，包括工艺、切削、功率、减速机、液压以及铰轴类技术参数的系统计算和多专业设计软件的综合应用技术。

（2）轮斗挖掘机的切割力和功率的精准预测技术，实现为轮斗挖掘机的铲斗及整机设计提供基础数据，煤样切割压力试验如图2所示。

图2 煤样切割压力试验

（3）大型非标重载钢结构的可靠性设计优化技术，完成了多执行机构多工作姿态下复杂载荷的非标钢结构设计、局部应力防控和优化。

（4）斗轮装置切削煤岩粒度预测和控制技术，实现精准控制挖掘物料粒度，避免大块物料在运输过程中发生卡料堵料，影响连续工艺系统的稳定运行，离散元粒度仿真模拟分析如图3所示，不同角度斗齿切削粒度模拟分析如图4所示。

图3 离散元粒度仿真模拟分析

图4 不同角度斗齿切削粒度模拟分析

（5）整机多工况的参数化稳定性（抗倾翻特性）分析技术，叠加各执行机构在不同作业姿态下的工况条件，实现设备在大切割力、风速20 m/s、满载极限工况下，满足正常连续采煤工作，不同挖掘姿态下的整机抗倾翻特性分析如图5所示。

图5 不同挖掘姿态下的整机抗倾翻特性分析

（6）轮斗挖掘机刚柔耦合多体动力学模型仿真，实现轮斗挖掘机的整机零部件设计和优化，挖掘作业时的整机动态受力云图如图6所示。

图6 挖掘作业时的整机动态受力云图

（7）受料臂高刚度俯仰铰点结构的减振技术，减少受料臂振动，提高受料臂的疲劳寿命，提高整机可靠性、安全性和稳定性，不同数量铲斗挖掘时的载荷变化规律如图7所示。

图7 不同数量铲斗挖掘时的载荷变化规律

（8）多级平衡梁式重载履带行走机构的设计理论方法，较传统履带底盘，整机抗倾翻能力提升70%，多级平衡梁式履带行走机构如图8所示。

图8 多级平衡梁式履带行走机构

（9）偏载工况下双液压缸支撑的比例阀控制技术，实现偏载工况双液压缸动态的协调优化与同步伸缩，实现平衡采煤。

（10）轮斗开采全过程的自主导航和精准站位技术，实现轮斗挖掘机高效自动挖掘。

（11）缓倾煤层轮斗连续开采工艺设计理论，实现轮斗连续工艺系统的优化设计，使系统效能最大化。

轮斗挖掘机技术创新点

轮斗挖掘机研制过程中，在连续工艺设计理论、煤岩切割机理、关键结构设计及设备智能化方面均取得了6项重要成果。

（1）基于切割比能耗的切割功率预测方法

以斗齿线性切割岩石试验数据为基础，拟合了斗齿几何参数、切割参数与斗齿切割岩石切割比能值的关系函数，构建了实际开采中斗齿参数和切割参数预测岩石比能值的模型，建立了以小时产量和比能值估算斗齿切割岩石消耗能量的方法，实现了设备所需切割功率的精准预测。

（2）斗轮装置切削煤岩粒度模拟分析及控制技术

建立以斗齿切割试验数据为基础的煤岩接触参数标定方法，构建基于离散元理论的煤岩颗粒间的黏结接触模型，建立铲斗挖掘物料的离散元模型，模拟斗齿作用下煤岩破碎行为，精准仿真斗轮装置切割煤岩的物理过程；基于轮斗挖掘机的挖掘运动与切片参数，建立了铲斗切割煤岩的数学模型，揭示斗轮装置回转与自转复合切割运动过程中煤岩切片宽度和厚度的变化规律。基于仿真和解析2种方式进行轮斗挖掘机的挖掘粒度优化，有效控制轮斗挖掘机挖掘物料粒度。

（3）轮斗挖掘机刚柔耦合动力学模型仿真方法

基于轮斗挖掘机的结构、运动和受力特点，建立了以受料臂、排料臂及门型承载梁为柔性体的自转和回转两自由度的轮斗挖掘机刚柔耦合多体动力学模型，采用图形分析与受料臂理论调速规律相结合的方法，构建了挖掘阻力随挖掘位置变化的理论曲线，进行了轮斗挖掘机整机的刚柔耦合多体动力学分析，实现了轮斗挖掘机回转挖掘过程中各柔性体部件的动应力的高精度仿真，为整机结构优化提供可靠数据支撑。

（4）多级平衡梁式重载履带行走机构设计

基于上部结构重心变化区域范围，明确了整机重心位置与履带行走机构轮压的分布的关系，在接地比压限制条件下，基于全工况下重心位置的变化规律，建立以最小转弯阻力为目标函数的数学模型，实现履带行走机构的几何结构参数和动力参数精准计算。

（5）轮斗开采全过程自主导航和精准站位技术

建立视觉、激光雷达、超声波、倾角等多源数据信息融合算法，实现对环境信息全面感知和对设备自身姿态的精准获取，综合利用北斗导航、地面基站和姿态传感器校准技术，测量和校准轮斗连续工艺系统装备的位置，建立挖掘作业全过程系统设备位姿变化与设备行走和站位的解析关系，编制系统设备的位置和姿态模糊控制的算法，实现轮斗连续开采工艺系统设备的自主导航和实时精准站位。

（6）缓倾煤层轮斗连续开采工艺设计理论

针对缓倾煤层赋存特点，考虑台阶高、切片高、坡面角、采宽、台阶布置、工作面布置、工作平盘宽、采移组合方式等方面因素影响，提出轮斗连续工艺开采参数优化设计方法；考虑内部影响因素（有效生产能力、物料提升功率、轮斗回转功率、开采台阶高度、整机对地比压、设备大修周期、智能化扩展性、平均故障间隔、线切割功率、采掘带宽度、大修天数、能耗产量比等）和外部影响因素（气温适应性、风力适应性、雷雨适应性、煤岩硬度、倾角适应性、褶皱断层适应性、出料粒度适应性、选采适应性等）的基础上，提出轮斗连续采煤工艺系统的适用场景和设备配套标准；建立间断-连续混合工艺上下、分段台阶2种协同开采模型，提出厚煤层两套轮斗连续工艺协同布置方法。

实践应用及成效分析

轮斗挖掘机已于2024年9月在宝日希勒露天煤矿完成“一步式”组装；于2025年1月在－39 ℃的极寒工况条件下进行了采煤试验，轮斗挖掘机连续挖掘作业试验，整机运行平稳，挖掘动力强劲，煤流稳定粒度均匀，挖掘作业全自动化运行，无需人工操作，自主挖掘动作流畅，首次采煤试验取得圆满成功，极寒工况下的首次采煤试验如图9所示，轮斗挖掘机现场采掘原煤粒度如图10所示。

图9 极寒工况下的首次采煤试验

图10 轮斗挖掘机现场采掘原煤粒度

沈阳设计院以构建露天煤矿自主开采+多机协同的连续系统少人化开采作业模式，建成高寒地区露天矿首台套轮斗连续采煤工艺系统示范工程为总体目标，将于2025年10月完成连续工艺系统工业性试验，整套系统包含轮斗挖掘机、转载机、受料车及工作面带式输送机各1台。

在该地区环境气候恶劣，冬天最低气温-48°，夏天气温+40°，且昼夜温差大，煤质偏硬，平均抗压强度为16 MPa，煤层层里发育较好，但节里发育不完善的条件下，验证设备结构、材料和配件的可靠性和稳定性，宝日希勒露天煤矿轮斗连续工艺系统如图11所示。

图11 宝日希勒露天煤矿轮斗连续工艺系统

轮斗连续采煤系统年产500万t，经测算，与单斗-卡车间断开采工艺相比，省去爆破、卡车和1次破碎环节，预计吨煤生产成本降低5.67元/t，年节约运输成本预计2 835万元，单套系统减人50%，全套系统100%电驱动，总碳排放量约为2.861 2 kgCO₂/（kW·h），助力露天煤矿实现高效与低碳生产的目标。

结语

国产首台套高寒地区大切割力紧凑型轮斗挖掘机的研发及应用，成功攻克了高寒环境下设备运行的系列难题，实现了大切割力与紧凑型设计的有机结合，填补了国内在露天矿连续开采核心装备领域的技术空白，还增强了我国工程机械在国际市场的竞争力，提升了国内大型加工制造产业的技术水平，推动国内露天开采工艺由间断开采工艺向连续开采工艺的技术变革。

露天产能占比不断提升以及智能化建设的推进，安全、高效、绿色、智能轮斗连续开采工艺成为露天煤矿及非煤矿山的首选开采工艺，连续化开采工艺大型集成化装备的研制已迫在眉睫。未来，将继续优化设备性能，拓展应用范围，并进一步探索智能化升级路径，为我国露天矿山建设贡献更多创新力量。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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《智能矿山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

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