土方机械与桩工机械

第10章　土方机械与桩工机械

土方机械是土方工程机械化施工所用机械和设备的总称，用以进行铲、挖、运、卸、填、压等作业。常用的土方机械有挖掘机、装载机、推土机、铲运机及各种碾压夯实机械设备。本章简要介绍单斗挖掘机、推土机和装载机。

桩工机械是进行桩基础工程施工的机械设备。本章简单介绍常用的柴油打桩锤、打桩架和钻孔机。

10.1　单斗挖掘机

单斗挖掘机是用单个铲斗开挖和装载土石方的挖掘机械。它可以单独地进行建筑物基础的开挖，还可以配合运输车辆进行远距离卸土。

10.1.1　单斗挖掘机的类型

（1）按行走装置的形式分

它有履带式、轮胎式、汽车式、步履式等。最常用的是履带式和轮胎式。履带式挖掘机 （见图10.1）与地面附着面积大，压强小，重心低，稳定性好，应用最广。轮胎式挖掘机行驶速度快，机动性好，可在一般城市道路上行驶。

图10.1　履带式单斗挖掘机

（2）按传动方式分

它有机械式、液压式和混合式。液压式挖掘机具有挖掘力大、传动性能好、工作平稳、能实现无级调速且调速范围大，操作灵活、省力，易实现自动控制，机构布置合理紧凑等优点。因此，现在生产的中小型单斗挖掘机几乎都采用液压传动。液压挖掘机的主要缺点是加工精度高，装配、维修保养的技术要求较高，液压油的黏度受温度影响较大，易漏油。

（3）按用途分

它有专用型和通用型两种。专用型挖掘机一般只有一种工作装置，进行专一作业，适用于矿山、隧道、深井等挖掘、装载作业。通用型挖掘机是多功能、多用途的机械。它具有多种可以更换的工作装置，可根据不同的施工需要进行合理选用。

（4）按工作装置形式分

它有反铲、正铲、抓铲、装载、起重等形式（见图10.2）。反铲挖掘方向朝向机身，用于挖掘停机面以下的土壤，工作灵活，使用最广，是液压挖掘机中的基本工作装置形式。正铲挖掘方向向前（离开机身），主要用于挖掘停机面以上的土壤或装载松散材料，大型矿用挖掘机多用正铲。抓铲主要用于小面积深挖，如挖井、深坑等。

10.1.2　单斗挖掘机的基本组成与作业过程

如图10.2所示，单斗（反铲）液压挖掘机由工作装置Ⅰ、行走装置Ⅱ、上部转台Ⅲ3大部分组成。动力装置、传动操纵机构和辅助设施均装在上部转台上。反铲工作装置由铲斗1、斗杠2、动臂3、连杆4、铲斗液压缸5、斗杆液压缸6、动臂液压缸7等组成。这些部件之间的联系以及动臂与转台、动臂液压缸与转台的联系全部采用铰接，通过液压缸活塞杆的伸缩来实现作业过程的各种动作。

图10.2　液压单斗挖掘机工作装置
（a）反铲　（b）正铲或装载　（c）抓铲　（d）起重
1—铲斗；2—斗杆；3—动臂；4—连杆；5，6，7—液压缸Ⅰ—工作装置；Ⅱ—行走装置；Ⅲ—上部转台

其作业过程是：操纵斗杆与铲斗液压缸（活塞杆伸出）使铲斗切削土壤并装土；斗装满时，操纵动臂液压缸（活塞杆伸出），使动臂连同铲斗升到卸土高度，并同时操纵上部转台回转至卸土位置，操纵斗杆与铲斗液压缸（活塞杆回缩）使铲斗反转并卸土；操纵上部转台回转到挖掘位置，并同时操纵动臂液压缸（活塞杆回缩）使动臂铲斗下降至挖掘面进行下一作业循环。每一作业循环均由以上所述的挖掘装斗—提升回转—转斗卸土—空斗返回4个工序所组成。

当挖掘机挖完一段土后，整机移动一段距离，以便继续作业。因此单斗挖掘机是一种周期循环作业的自行式土方机械。

10.1.3　单斗挖掘机的特点及生产率

（1）单斗挖掘机的主要特点

①挖掘力大。可以挖Ⅳ级（指硬黄土、含石块的黏土等）及Ⅳ级以下的土壤和爆破后的岩石。

②一机多用，使用范围大。更换相应的工作装置后，可进行挖、装、填、夯、抓、刨、吊、钻等多种作业。土方工程通用型挖掘机，其可换工作装置多达70余种。

③生产率高。挖土作业时，一台斗容量为1m3的单斗挖掘机，台班生产率相当于300～400名工人的日工作量。由于用单斗挖掘机进行土方施工有很明显的经济效益，因此，各种类型的挖掘机已广泛应用在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘及现代化军事工程等机械化施工中。

（2）单斗挖掘机的生产率

单斗挖掘机的生产率Q可计算为

10.2　推土机

推土机是以拖拉机或专用牵引车为主机，并在其前端装上推土装置的施工机械。它主要进行推运土方和石碴、平整场地、填沟压实等作业，还可清除树根，给铲运机助铲和预松土以及牵引各种拖式土方机械等作业。

10.2.1　推土机的类型

（1）按行走装置形式分

它有履带式（见图10.3）和轮胎式（见图10.4）两类。履带式推土机的履带板有多种形式，以适应在不同地面上行走，按履带接地比压大小，又分为高比压推土机（接地比压98kPa以上，用于石质地面行走）、中比压推土机（接地比压58～96kPa，普通推土机）和低比压推土机（接地比压10～29.5kPa，湿地或沼泽地推土机）。轮胎式推土机大多采用宽基轮胎，全轮驱动，以提高牵引性能并改善通过性能，其接地比压为200～350kPa。由于履带式推土机接地比压小，附着牵引性好，后端还可以装松土齿耙、铰盘和反铲装置等，故目前应用广泛。

图10.3　履带式推土机

图10.4　轮胎式推土机

（2）按传动方式分

它有机械传动、液力机械传动和全液压传动3种。液力机械传动已逐渐代替机械传动。由于引进国外制造技术，全液压传动也得到发展。

（3）按发动机的功率大小分

它有小型、中型、大型、特大型4种等级。国产推土机多是中型和大型。目前，世界上最大型的推土机功率为735.5kW，最小为5.15kW。

10.2.2　推土机的工作装置和作业过程

推土机的主要工作装置是推土装置。推土装置分为固定式（见图10.5）和回转式两种（见图10.6）。固定式推土刀与主机纵向轴线固定为90°，只能正向推土，故又称直铲式。回转式推土刀可在水平面内向左或向右回转一个角度，约25°，还可在垂直平面内相对水平面转动0 ～9°。回转式推土刀向左或向右偏斜作业时，刀前碎土沿着推土刀表面斜向移动而卸于一侧，故又称斜铲式。

如图10.5和图10.6所示分别为液压操纵的固定式推土装置和回转式推土装置，将此装置安装在主机前端即可工作。顶推架1末端和升降液压缸3上端均与主机铰接。升降液压缸用来操纵推土刀升降。下降时，在液压缸的作用下，使刀片8强制切入土中。只要同时调节左右两侧斜撑杆2，就可改变推土刀的切削角。在回转式推土装置中，同时改变左右两侧撑杆2，6在顶推架上的支点位置，推土刀就在水平面内向左或向右转动一角度，形成斜铲，实现侧向卸土。

图10.5　固定式推土装置
1—顶推架；2—斜撑杆；3—推土刀升降油缸；4—推土板；5—球形铰；6—水平撑杆；7—销联接；8—刀片

图10.6　回转式推土装置
1—顶推架；3—推土刀升降油缸；4—推土板；5—中间球铰；2，6—撑杆；7—铰接；8—刀片

推土机作业时，将推土刀切入土中，依靠主机的前进动力，铲起一层土壤，并堆积在推土板前，待逐渐堆满后，略提起推土刀，使刀刃贴着地面推移碎土，将土推运到卸土处，提刀卸土，然后倒车或调头返回铲土处。在运土过程中，由于土壤会从推土刀两端流失，故其经济运距一般在100m以内。为了减少土壤从推土刀两端流失，直铲式推土刀两端焊有侧板。

10.2.3　推土机的生产率计算

推土机的生产率是指单位时间内所完成的土方量或平整场地的面积。根据如图10.7所示铲刀前的积土，推土机的生产率可按以下方法分别计算：

（1）推土作业的生产率Qt（m3/h）

式中　V——每铲最大推土量，m3，常用经验公式计算，V＝0.86BH，B为铲刀宽度，H为铲刀高度；

图10.7　推土机铲刀

Kt——时间利用系数，取Kt＝0.85～0.90；

Kn——推土量损漏系数，取Kn＝0.5～1.0；

Ky——坡度影响系数；

T——作业循环时间，s，则

式中　l1——切土距离，一般为6～10m；

l2——运土距离，一般小于100m，60m最佳；

v1，v2，v3——切土、运土、返回速度，m/s；

t5——推土机调头时间，可取10s；

t6——换挡时间，每次换挡时间取4～5s。

（2）平整场地作业的生产率Qp（m2/h）

式中　B——铲刀宽度，m；

α——铲刀水平回转角；

m——相邻两次平整时重叠部分宽度，m；

L——平整地段长度，m；

n——每段地的平整次数；

v——推土机平地速度，取0.8～1.0m/s；

t5——推土机调头时间，取t5＝10s。

（3）提高生产率的主要措施

①加强机械的维护保养，使推土机经常保持良好的状态。

②减少辅助时间，加快作业循环，提高时间利用率。

③遇硬土时，用松土机预先松土，或在铲土刀后面加装钢齿，在倒退时进行松土。

④土质松软时，可将铲刀两侧的挡土板加长，提高铲刀前的堆土量。

⑤正确选择运行路线，尽量利用下坡推土，或分批集中，一次推送。条件允许的大面积土方作业，可采用多机并进式推土。

10.3　装载机

10.3.1　装载机的结构及分类

装载机在建筑施工中主要用于装松散土和短距离运土，也可用作松软土的表层剥离、地面的平整和松散材料的收集清理工作。它与自卸汽车配合作业，具有较高的生产率。

图10.8　轮胎式装载机

装载机的主要结构一般由发动机、传动系统、工作装置、行走机构、操纵系统、机架及机身等部分组成。

装载机按行走装置不同，可分为轮胎式和履带式两种。轮胎式装载机（见图10.8）具有机动灵活，行驶速度快，并可在一定距离内自铲自运的工作特点，因而得到广泛应用。

装载机按传动形式，可分为机械传动、电传动、液压传动及液力机械传动4种。液力机械传动是目前装载机普遍采用的一种形式。

10.3.2　装载机的工作装置及工作过程

装载机的工作装置如图10.9所示。它由铲斗1、连杆2、动臂3、摇臂4等组成。它们互相铰接，形成连杆机构，以实现作业动作。通过转斗液压缸5带动摇臂和连杆使铲斗转动，以便铲斗在最好的角度铲土和翻转卸土。动臂的另一端铰接在机架上，通过动臂液压缸6推动动臂转动，使动臂带动铲斗下降至铲土位置或升高至卸土位置。

装载机进行装卸作业的过程是：机械驶近料堆，放下动臂，铲斗插入料堆，待插入一定深度后转斗装满，举升动臂至运输高度，倒车调头，驶向卸料地点，提臂至卸料位置，铲斗倾翻卸料，再返回装料处进行下一循环。每一循环均包括铲装、运载、卸料、返回4个工序。

图10.9　装载机的工作装置
1—铲斗；2—连杆；3—动臂；4—摇臂；5—转斗液压缸；6—动臂液压缸

10.3.3　装载机的生产效率计算

装载机的生产效率是指在单位时间内装载物料的质量，单位为t/h。生产率Q一般计算为

式中　V——铲斗容积，m3；

K充——铲斗充填系数，它表示不同物料能装满铲斗的程度，一般取0.5～1.25；

γ——物料的密度，t/m3；

K时——时间利用系数，工作时间与实际运转时间之比，一般取0.75～0.85；

T——每一工作循环所需时间的总时间，s。

显然，影响装载机生产效率的主要因素有两个方面：一是受现场条件、工作方法、操作方法等使用因素影响；二是装载机自身技术因素的影响。

图10.10　筒式柴油打桩锤的结构示意图1—上活塞；2—汽缸；3—燃油泵；4—下活塞；5—桩；6—桩帽；7—吸、排气口；8—导向装置

10.4　桩工机械

桩工机械是用于完成预制桩的打入、沉入、压入、拔出或灌注桩的成孔等作业的机械。桩工机械按其工作原理，可分为冲击式、振动式、静压式及成孔灌注式4类。常用的桩工机械有柴油打桩锤、振动桩锤、静力压桩机、各种钻孔机以及与桩锤配套使用的各种打桩架等。桩锤与桩架合在一起称为打桩机。

10.4.1　筒式柴油打桩锤

筒式柴油打桩锤（简称柴油锤）是根据单缸二冲程柴油发动机的原理设计制造的打桩设备，应用最广泛。如图10.10所示为柴油锤的结构示意图。它主要由汽缸2、上活塞1、下活塞4、燃油泵3及导向装置8等组成。整个打桩锤置于桩5上进行工作。上活塞（即冲击体，其下端呈球形）在汽缸2中做上下往复运动。汽缸下部有固定的下活塞，下活塞除了封住汽缸下端外，其上端面还有凹形球碗，以贮柴油，并且承受上活塞的冲击力，故又称砧子。桩帽6是个缓冲垫，保护桩头，以免把桩头打坏。

柴油锤的工作原理是：当上活塞在重力作用下降落时，燃油泵把适量燃油喷入下活塞凹形球碗中；上活塞继续下落，封闭吸排气口，压缩空气；当上活塞打击在下活塞上部时，对桩进行冲击使桩下沉；同时凹形球碗中的燃油受冲击而雾化，与汽缸内受压缩的高温气体混合燃烧产生爆发力，又给桩一个下沉力，使桩再度下沉，并使上活塞向上跳动；上活塞上升时，经吸排气口进行排气吸气，燃油泵吸入适量燃油；当上活塞上升失去动能时，便又靠自重下落，进行排气，重复上述过程。由此可知，柴油锤打桩时，是利用上活塞下落的冲击力和柴油燃烧—爆发力使桩下沉。

柴油锤的一个重要特点是：地层越硬，上活塞弹跳得越高，这样就自动调节了冲击力。其缺点是：软地层打桩时，因反跳力不大，工作往往中断，需要重新启动；此外打斜桩效果较差；还有，打桩时的振动、噪声和废气对空气的污染问题有待解决。

10.4.2　打桩架

打桩架是和打桩锤配套使用的设备。其主要作用是悬挂各种桩锤、钻机以及起吊桩、料斗，并给桩锤导向等。

打桩架按其移动方式不同，可分为轨道式、履带式、步履式等形式。下面仅介绍使用最广泛的履带式打桩架。

如图10.11所示，履带式打桩架是以通用型履带起重机为主机，以起重机吊臂悬挂桩架立柱，在起重机底盘与立柱之间用一个支撑架，以保持立柱稳定。为了调整立柱的垂直度，下部支撑架18上装有立柱垂直度调整螺母19。为了便于运输，立柱由若干立柱节组成。立柱上有桩锤导轨，用于沉桩导向。立柱顶部有滑轮组，用以提升桩锤或吊钩。

这种桩架的优点是机动性好，安装简便、改装容易，可由起重机改装成打桩架，又可由打桩架改为起重机，所以是一机多用。缺点是横向承载能力较弱。

10.4.3　钻孔机

钻孔机是钻孔灌注桩、钻孔打入预制桩的成孔设备。根据地质条件的不同，采用的钻机和钻头也不同。常用的有螺旋钻孔机、潜水钻孔机、转盘钻孔机等。

螺旋钻孔机按钻杆长短，可分为长螺旋式（钻杆长度在10m以上）和短螺旋式；按其行走机构不同，可分为汽车式和履带式。

如图10.12所示为汽车式长螺旋钻孔机的构造简图。它主要由机头、钻杆、钻头、钻架及汽车底盘等组成。其中，机头又主要由电动机、减速器、机头架等组成。钻杆是一根焊有螺旋叶片的无缝钢管。螺旋叶片的外径就是桩孔直径。长螺旋钻杆大多分段制作，再用法兰联接。钻头是一块扇形钢板（见图10.13），通过接头2装在钻杆1下端，钢板端部镶装有硬质合金刀头，作切削土壤用。钻架是机头、钻杆的导向装置，其作用是悬挂机头和钻杆，并使机头升降时稳定和准确就位钻杆等，其构造形式类似前面所讲的桩架立柱。

长螺旋钻孔机的工作原理类似麻花钻，边钻边自动排渣。钻孔时，机头电动机的动力经减速器转换成低速大扭矩的形式驱动钻杆，使钻头切削土壤，切下的土壤沿着钻杆的螺旋叶片连续上升，自动排到地面上。

长螺旋钻孔机具有无振动、无污染、噪声低、效率高等优点，适用于地下水位较低的地区和城市施工。

图10.11　履带式打桩架
1—立柱底座；2—立柱第一节；3—立柱第二节；4—吊钩；5—柴油锤；6—立柱第三节；7—立柱第四节；8，10—顶部吊桩滑轮；9，11—顶部吊锤滑轮；12—中部导向滑轮；3—变幅滑轮；14—原机起重臂；15—牵引钢丝绳；16—提升钢丝绳；17—变幅滑轮；18—水平支撑架；19—立柱垂直度调整螺母；20—起重机机体；21—联接轴；22—起落架滑轮；23—滑轮架

图10.12　汽车式长螺旋钻孔机
1—机头；2—中间导向器；3—导向器；4—支腿；5—滑轮组；6—底梁；7—压重铁；8—支架；9—汽车；10—卷扬机；11—斜撑；12—操纵室；13—支承座；14—钻架

图10.13　螺旋钻杆及钻头
1—螺旋钻杆；2—钻头接头；3—切削刀；4—导向尖；5—合金刀

复习题

1.单斗挖掘机有哪些类型？

2.简述单斗挖掘机的作业过程。

3.推土机的固定式推土刀和回转式推土刀各有何特点？

4.推土机的生产率如何计算？

5.试述装载机工作装置的组成与作业过程。

6.装载机的生产率如何计算？

7.简述筒式柴油打桩锤的工作原理及特点。