一铲子能挖煤135吨，中国造矿用挖掘机世界最大最先进

出品| 网易新闻学院

作者| 汪泽，清华大学机械工程系博士研究生

2012年6月5日，中国自主研发设计制造的目前世界上规格最大、技术性能最先进、生产能力最高的矿用挖掘机WK-75正式下线，并成功交付使用。

（一）世界最大挖掘机长什么样？

这个挖掘机长这样：

你肯定会惊讶，这是挖掘机还是铲车啊，传说中红遍大江南北的挖掘机，难道不应该是这样的：

或者是这样的么？

我一定是看了假挖掘机（捂脸）。

相信我，你没有看错，上面那个大家伙也是挖掘机，只不过，我们平时看到的用来挖坑、盖房子、搬砖甚至开啤酒瓶、炒菜的挖掘机都属于液压式挖掘机（靠液压的方式传动），能看到挖掘机臂上的银白色液压杆，而今天要介绍的大型挖掘机WK-75则属于机械式，它没有液压装置，而是通过钢索滑轮组、钢丝绳、齿轮齿条等机械来进行动力传递。

所谓反常必有妖，这样造型“诡异”的挖掘机也是有着不同寻常的使命——它是矿用挖掘机，主要用于国内外大型露天煤矿、铁矿及有色金属矿山的剥离和采装作业，可以说和我们之前介绍过的矿用自卸车有着相同的应用环境。

（二）矿用挖掘机为什么一直在“做大”？

矿用机械必须满足的第一个要求就是：大！

WK-75号称世界最大，那么它到底有多大呢？让我们来看一组数据：

高度：从履带到顶部，高达23.5米，相当于8层楼高；

总重量：近2000吨，如果全部拆卸，需要40节火车皮才能一次运走；

体积：长37.5米，宽17.3米，体量比一个篮球场还要大；

铲斗：标准斗容75立方米，一斗可以挖掘135吨物料，每小时采矿能力达12000吨，应用于大型煤矿中，一个月的煤炭开采量可达到500万吨，相当于一座大型煤矿一年的产量。

（WK-75的铲斗）

得力于山西省丰富的煤炭资源，其实在WK-75之前，55立方米斗容的矿用挖掘机WK-55于2008年就在太原成功下线，这已经是当时世界上最大的矿用机械式挖掘机了。

那么，既然已经达成了世界第一的成就，为什么还要继续“做大”呢？这一切都源自于大型露天矿工作流程的改变。

以往的工作流程是：挖掘机将矿石挖起，装入车，再由卡车运至半移动破碎站的传送带上，进行破碎后输送。这时候大型的矿用挖掘机需要大型矿用车的配合，对工作环境有着一定的要求，盲目追求大型化是没有意义的。

但是现如今很多大露天矿采用了新型的自移式破碎站的半连续开采工艺，挖掘机在挖起矿石后直接装入破碎的料斗，经皮带传输系统传输，省去了汽车运输环节，不仅减少了污染、降低了成本，而且生产线的生产能力由过去每小时3000吨猛增到9000～12000吨。这种情况下WK-55已经不满足生产要求了。因此生产更大的家伙是大势所趋。

（三）WK-75矿用挖掘机攻克了哪些技术难点？

正所谓罗马不是一天建成的，生产WK-75需要的是日积月累的技术沉淀。和大多数的工程装备一样，中国矿用挖掘机的自主研发也是实现了从模仿跟随到引领赶超的过程。

早在1961年5月，中国就模仿苏联的技术成功试制了国内第一台4立方米矿用挖掘机WK-4，该挖掘机在内蒙古赤峰平庄煤矿使用至今（不得不服气的质量）。

（1960年版5元纸币背面为从苏联引进和仿制的挖掘机）

1977年，国内首台10立方米矿用挖掘机WK-10试制成功，其第二代产品WK—10A型获1985年国家科学技术进步二等奖。

1983年，中国开始与美国开展合作，并于1986年3月生产出标准斗容19.11立方米的2300XP型挖掘机。但与外方合作并非长久之计，中国在合作中只能进行配套生产，无法掌握核心技术，导致20立方米以上大型挖掘机成为自主研制的瓶颈。

然后不用说，双方的合作闹掰，我们开始自己单干，经过不断探索，终于成功实现超越。这个过程中，有着数不清的技术难点需要攻坚，这里选几个WK-75的技术挑战分享给大家。

1.机械系统：大功率变频驱动技术应用于齿轮-齿条推压式系统

WK-75采用齿轮-齿条推压式的传动方式，其原理和常见的液压式挖掘机有较大不同。

（WK-75铲斗工作示意图）

从图中可以看出，当WK-75处于工作状态，齿轮-齿条所产生的作用力以及钢丝绳的拉力共同作用，使得铲斗举起。它所采用的齿轮-齿条传动方式刚性强，针对露天矿中针对铲装松散度差、块状多、爆破差且有根底的物料产装效率高。

在具体设计施工中，WK-75率先将大功率变频驱动技术成功集成创新应用于齿轮-齿条推压式系统中，采用了自主创新的重型低速重载传动机构和重载结构件设计及制造技术。此外，WK-75还应用了智能化控制技术、运行状态监测和故障诊断技术、高效除尘装置等多项世界领先的最新技术。

这一切使其具有工作循环时间短、节能降耗、稳定可靠、使用寿命长、操作更加人性化等多种优点。

2.电气系统：交流变频电机及其控制系统代替美国可控硅供电技术

当时与美国公司闹掰了，我们没有获得的一项重要技术就是可控硅供电技术。可控硅，又称晶闸管，是电力电子技术中不可或缺的元件，在交流电变直流电的整流过程中有着重要的应用。

这项技术之所以重要，是因为美国的电驱动-传动系统中，采用的是“晶闸管变流器-直流电动机”，将交流电转换成直流电后，驱动直流电机运行。可控硅的特点是可以以小博大，通过很小的功率来控制几千伏的高压电。但同样也有着静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通，在矿用挖掘机恶劣的工作条件下，经常会出现很大的过载冲击，因此，即使美国公司的技术先进，他们的产品也不可避免地出现维修工作量大、效率较低等问题。

而WK-75则创新性地在电气设计上使用了交流变频电机及其控制系统，取代了传统的可控硅供电和直流电动机系统，使得电力的传导和电机的驱动全部采用交流电的模式，这样的模式采用变压器就可以搞定，在一定程度上避免了外部环境对系统的冲击，同时提升了工作效率。

同时电气传动采用了能量回馈式大功率交流变频驱动方案，是当今世界上交流传动方面的最先进技术。在这种方案中，铲斗每一次下降制动及系统制动时产生的能量，均可转化为电能回馈到电网，实现能力回收，节能且环保。

3. 加工装配：大零件生产装配超过已有加工能力，许多过程专门设计调整

尽管有了可行的技术方案，WK-75这样的大家伙的实际生产装配过程也是不简单，光是焊接过程中的焊条就用了40多吨。

很多巨大的零部件已经超过了现有加工设备的最大能力。比如WK-75的底架梁长9.4米，宽5.7米，而当时工厂中最大的天桥铣床的宽度仅有5.6米，怎么办？最后工厂的技术人员将天桥铣床的横梁限位临时拆除，才完成零件的加工。

底架梁重大138吨，超过厂房内行车的100吨的最大起重量，为此特意增加4个起吊点，使用两台行车联合起吊。

在加工中央枢轴、提升卷筒以及制动轮、驱动轮这样的大部件的时候，为保证质量和精度，工人们专门设计自制了一套用于加工这些部件的新型刀具，使之达到了工艺要求。

技术人员甚至还想出了以车床取代磨床这样的点子，有效解决了在中央枢轴的抛光过程中磨床不够大的问题。

结语：

WK-75是中国自主研发生产的，世界上规格最大、技术性能最先进、生产能力最高的矿用挖掘机，是中国制造的一项世界之最。

但是如果我们的目光仅仅落到这台挖掘机的“大”上，显然有些不够全面。要知道，该机的绝妙之笔在于“创新”二字。从机械结构、电气系统的设计方案，到具体加工生产环节，均采用了世界领先的创新技术。

正是凭借着创新精神，国产重大装备实现了从“模仿、跟随”到“引领、赶超”质的飞跃。

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编辑| 史文慧