§2.2 挖掘机
2.2.1 概 述
挖掘机(excavating machinery)是用于挖取土壤和其他松散材料或剥离土层的机械。第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。
由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上装配液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968—1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。
目前，机械式挖掘机已被液压挖掘机所取代。除大型采矿挖掘机外，中小型挖掘机都是液压挖掘机。尤其是规格齐全的履带式液压挖掘机，均采用先进的液压技术和计算机技术，可以配备多种工作装置，这种挖掘机使用可靠，生产率高。
2.2.2 挖掘机的分类
挖掘机产品的划分如表2.2.1所示。
表2.2.1 挖掘机械产品类、组、型、特征划分表
2.2.3 单斗挖掘机
1.单斗挖掘机的分类
单斗挖掘机是挖掘机械中使用最普遍的机械。有专用型和通用型，专用型挖掘机供矿山采掘用，通用型挖掘机主要用在各种建设的施工中。单斗挖掘机的工作装置根据建设工程的需要可以换抓斗、装载、起重、碎石和钻孔等多种工作装置，扩大了挖掘机的使用范围。单斗挖掘机有许多种类，除了按传动的类型不同可以分为机械式和液压式以外，还可以按工作装置的不同分为正铲、反铲、拉铲、抓铲等。如图2.2.1所示。
图2.2.1 单斗挖掘机分类图
正铲挖掘机的铲斗铰装于斗杆端部，由动臂支持，其挖掘动作由下向上，斗齿尖轨迹常呈弧线，适于开挖停机面以上的土壤。
反铲挖掘机的铲斗也与斗杆铰接，其挖掘动作通常由上向下，斗齿轨迹呈圆弧线，适于开挖停机面以下的土壤。
抓铲挖掘机的铲斗由两个或多个颚瓣铰接而成，颚瓣张开，掷于挖掘面时，瓣的刃口切入土中，利用钢索或液压缸收拢颚瓣，挖抓土壤。松开颚瓣即可以卸土。抓铲挖掘机常用于基坑或水下挖掘，挖掘深度大，也可以用于装载颗粒物料。
2.技术生产率及其提高措施
(1)技术生产率
单斗挖掘机的技术生产率主要取决于铲斗的容量、工作速度及被挖的土质，可以按下列公式计算
式中:QW——挖掘机的技术生产率(m3/h);
q——铲斗的几何容量(m3);
n——挖掘机每小时的工作次数，按下列公式计算
式中:t1——挖掘机挖土时间(s);
t2——自挖土处转至卸土时间(s);
t3——调整卸料位置和卸土时间(s);
t4——空斗返回挖掘面时间(s);
t5——空斗放至挖掘面始点时间(s)。
kH——铲斗充满系数，为铲斗所装土体积与铲斗几何容积之比，因土的性质和工作装置的型式不同而不同。如正铲，kH=0.75～1.50;
kp——松散系数，如表2.2.2所示。
表2.2.2 土壤松散系数表
(2)实际生产率
在实际使用时，挖掘机的生产率可以按下列公式计算
式中:QZ——挖掘机的实际生产率(m3/h);
kB——时间利用系数(0.7～0.85);
kW——土壤阻力系数，一般为0.05～1.0。
(3)提高挖掘机生产率的措施
提高挖掘机的生产率应从施工组织设计与技术操作过程两方面进行。
①施工组织设计方面
在设计施工组织时，要满足与挖掘机配合运输的车辆尽量达到挖掘机的最大生产能力，而装载的容量应该为斗容量的倍数。挖掘机装车时，应尽量采用装运“双放”法、这样可以使挖掘机装满一辆，紧接着又装下一辆。由于两车分别停放在挖掘机铲斗卸土所能及的圆弧线上，铲斗顺转装满一车，反转又可以装满另一车，从而提高装车效率。运输车辆的行驶路线，在施工组织中应事先拟定好，避免进出车辆相互干扰，以利于车辆运行。
②施工技术操作过程方面
挖掘机驾驶员应具有熟练的操作技能，以缩短每一个工作循环的时间。
另外，挖掘机的技术状况、铲斗斗齿的锋利程度等，对挖掘机生产率都有影响。在施工中须注意斗齿的磨损情况，损坏后应及时修复或更换新齿。
3.单斗挖掘机的选用原则
(1)单斗挖掘机的适用范围
单斗挖掘机的各种工作装置适用范围如下:
①正铲挖掘机用于挖掘停机面以上的土壤，其挖掘和推压能力(机械式)较大，适于在Ⅰ～Ⅳ级土壤或爆破后Ⅴ～Ⅵ级岩石中工作。
②反铲挖掘机用于挖掘停机面以下的土壤，可以在Ⅰ～Ⅳ级土壤或爆破后Ⅴ～Ⅵ级岩石中工作，反铲装置带有吊钩也用于管道的敷设作业。
③拉铲挖掘机宜于挖掘停机面以下的掌子，并适合水下作业。拉铲的挖掘能力受铲斗自重的限制，一般只能挖掘Ⅰ～Ⅳ级土壤。
④抓斗挖掘机可以在提升高度和挖掘深度范围内用来挖掘停机面以上或以下的掌子，特别适合挖掘深且边坡陡直的基坑和深井，可以进行水下作业，其挖掘深度一般比拉铲大20%～40%，抓斗的挖掘能力因受自重限制，只能挖掘一般土料、砂砾和松散物料。
(2)单斗挖掘机的选型
单斗挖掘机有许多品种型式。由于工程规模、施工条件、使用场合各不相同，对挖掘机的要求也不一样。选择适合于具体情况，优质、高效率的挖掘机，对于提高施工质量、加快施工进度、降低工程造价、改善劳动条件都有很大作用。单斗挖掘机的选型主要从如下三方面考虑:
①根据设计的总工程量、高峰工程量、施工期限、工程造价、设备投资、自然条件、开挖层次等方面的因素，来选择合适的机型。
②根据土壤的性质、级别、施工方法、工作面位置等因素来选择工作装置的型式。
③根据施工现场的动力供应条件，地层的稳定性和抗陷系数，内部道路质量和坡度大小以及非运输性行走距离和频繁程度等因素，来确定单斗挖掘机的动力装置和行走装置的型式。
2.2.4 液压单斗挖掘机
建筑工程中常见的挖掘机为液压单斗挖掘机。液压单斗挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。这种机械主要是通过铲斗挖掘、装载土壤或石块，并旋转至一定的卸料位置(通常是运输车辆)卸载，是一种集挖掘、装载、卸料于一体的高效施工机械。广泛应用于建筑施工、市政工程、道路桥梁、机场港口、农田水电、国防工事等土石方施工和露天矿场的采掘作业中。
1.基本构造
液压单斗挖掘机主要由工作装置、回转机构、回转平台、行走装置、动力装置、液压系统、电气系统和辅助系统等组成。工作装置是可以更换的，可以根据作业对象和施工的要求进行选用。如图2.2.2所示为EX200V型液压单斗挖掘机的构造简图。
1—铲斗;2—连杆;3—摇杆;4—斗杆;5—铲斗油缸;
6—斗杆油缸;7—动臂油缸;8—动臂;9—回转支承;
10—回转驱动装置;11—燃油箱;12—液压油箱;13—控
制阀;14—液压泵;15—发动机;16—水箱;17—液压油
冷却器;18—平台;19—中央回转接头;20—行走装置;
21—操作系统;22—驾驶室
图2.2.2 EX200V型液压单斗挖掘机构造简图
(1)工作装置
液压挖掘机的常用工作装置有反铲、抓斗、正铲、起重和装载等，同一种工作装置也有许多不同形式的结构，以满足不同工况的需求，最大程度的发挥挖掘机的效能。在建筑工程和公路工程的施工中多采用反铲液压挖掘机。如图2.2.2所示为反铲工作装置，其主要由动臂8、斗杆4、铲斗1、连杆2、摇杆3及动臂油缸7、斗杆油缸6、铲斗油缸5等组成。各部件之间的连接以及工作装置与回转平台的连接全部采用铰接，通过三个油缸伸缩配合，实现挖掘机的挖掘、提升和卸土等动作。
调节三个液压缸的伸缩长度可以使铲斗在不同的工作位置进行挖掘，这些液压缸的伸缩不等，可以组合成各种铲斗挖掘位置。各种位置可以形成一个最大的斗齿尖活动范围(即斗尖所能控制的工作范围)，如图2.2.3所示的包络图。图2.2.3中可以显示挖掘机的铲斗尖所能达到的最大挖掘深度A，最大挖掘半径D，最大挖掘高度B及最大卸载高度C，这些尺寸就是挖掘机的主要工作尺寸。
2.2.3 挖掘机工作范围包络图
(2)回转平台
如图2.2.2所示，回转平台上布置有发动机15、驾驶室22、液压泵装置14、回转驱动装置10、回转支承9、多路控制阀13、液压油箱12和燃油箱11等部件。工作装置铰接在平台的前端。回转平台通过回转支承与行走装置连接，回转驱动装置使平台相对底盘360°全回转，从而带动工作装置绕回转中心转动。
(3)回转机构
如图2.2.4所示，回转机构由回转驱动装置1和回转支承2组成。回转支承连接平台与行走装置，承受平台上的各种弯矩、扭矩和载荷。采用单排滚珠式回转支承，由外圈3、内圈4、滚球5、隔离块6和上下封圈7等组成。滚球之间用隔离块隔开，内圈4固定在行走架上，外圈3固定在回转平台上。
1—回转驱动装置;2—回转支承;
3—外圈;4—内圈;5—滚球;
6—隔离块;7—上下封圈
图2.2.4 回转机构简图
驱动装置给回转机构提供动力，由制动补油阀、回转马达及二级行星减速器和回转小齿轮等组成。
(4)行走装置
液压挖掘机的行走装置是整个挖掘机的支承部分，支承整机自重和工作荷载，完成工作性和转场性移动。行走装置分为履带式和轮胎式，常用的为履带式底盘。
履带式行走装置如图2.2.5所示。由行走架1、中心回转接头2、行走驱动装置3、驱动轮4、托链轮5、支重轮6、引导轮8、履带9和履带张紧装置7等组成。
履带行走装置的特点是牵引力大，接地比压小、转弯半径小、机动灵活，但行走速度低，通常在0.5～0.6km/h，转移工地时需用平板车搬运。
1—行走架;2—中心回转接头;3—行走驱动装置;
4—驱动轮;5—托链轮;6—支重轮;7—履带张紧装置;
8—引导轮;9—履带
图2.2.5 履带式行走装置简图
(5)液压系统
液压挖掘机的液压系统都是由一些基本回路和辅助回路组成，包括限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流调速和节流限速回路、行走限速回路、支腿顺序回路、支腿锁止回路和先导阀操纵回路等，由上述这些基本回路和辅助回路构成具有各种功能的液压系统。液压挖掘机液压系统大致上有定量系统、变量系统和定量、变量复合系统等三种类型。
①定量系统
在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随外荷载而变化，通常依靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式，可以分为单泵单回路定量系统、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。
②变量系统
在液压挖掘机采用的变量系统中，是通过容积变量来实现无级调速的，其调速方式有三种:变量泵—定量马达调速、定量泵—变量马达调速和变量泵—变量马达调速。
单斗液压挖掘机的变量系统多采用变量泵—定量马达的组合方式实现无级变量，且都是双泵双回路。根据两个回路的变量有无关联，分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机构，油泵的流量变化只受自身所在回路压力变化的影响，与另一回路的压力变化无关，即两个回路的油泵各自独立地进行恒功率调节变量，两个油泵各自拥有一半发动机输出功率;全功率变量系统中的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵的摆角始终相同、同步变量、流量相等。决定流量变化的是系统的总压力，两个油泵的功率在变量范围内是不相同的。
2.主要技术性能
液压挖掘机的主要参数有:斗容量、机重、功率、最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大卸载高度、最小旋转半径、回转速度、行走速度、接地比压、液压系统工作压力等。其中主要参数有三个，即标准斗容量、机重和额定功率，用来作为液压挖掘机的分级标志参数，反映液压挖掘机级别的大小。我国液压挖掘机的规格按照国际标准已由原来的斗容量分级改为机重分级，常见的液压挖掘机有3t、4t、5t、6t、8t、10t、12t、16t、20t、21t、22t、23t、25t、26t、28t、30t、32t等。
(1)标准斗容量
标准斗容量是指挖掘Ⅳ级土壤时，铲斗堆尖时斗容量(m3)。标准斗容量直接反映了挖掘机的挖掘能力和效果，并以此选用施工中的配套运输车辆。为充分发挥挖掘机的挖掘能力，对于不同级别的土壤可以配备相应不同斗容的铲斗。
(2)机重
机重是指带标准反铲或正铲工作装置的整机重量(t)。机重反映了机械本身的重量级，对技术参数指标影响很大，影响挖掘能力的发挥，功率的充分利用和机械的稳定性，故机重反映了挖掘机的实际工作能力。
(3)额定功率
额定功率是指发动机在正常运转条件下，飞轮输出净功率(kW)。额定功率反映了挖掘机的动力性能，是机械正常运转的必要条件。
3.特点
(1)液压挖掘机的优点:
①挖掘力及牵引力大，传动平稳，传动比大，作业效率高。不需要庞大复杂的中间传动，简化了机构，重量可以比同级的机械传动挖掘机减轻30%，降低了接地比压，因而大大改善了挖掘机的技术性能。
②各元件可以相对独立布置，各零部件位置同心度无严格要求，可以达到结构紧凑，合理布局，易于改进变型。更换工作装置时简单方便，扩大了其使用范围。
③液压传动有防止过载的能力，使用安全可行，操纵简便、灵活、省力，使司机工作条件得到改善。
(2)液压挖掘机的缺点:
①液压元件加工精度要求高，装配要求严格，制造较为困难。使用中维修保养要求技术较高，难度较大。
②液压油受温度影响较大，总效率较低，有时有噪音和振动。
2.2.5 多斗挖掘机
多斗挖掘机是利用多个铲斗连续挖掘、运送和卸料的挖掘机械。把铲斗换成铲刀或铣刀即可以改制成滚切式或铣切式挖掘机，其特点是连续作业、生产率高、单位能耗较小，可以用于露天矿剥离与采矿、开挖运河、修筑路堑、装卸散料和挖掘沟渠等。
多斗挖掘机一般用于挖掘Ⅳ级以下土壤，土中夹杂物最大不得超过铲斗切削边缘宽度的0.2～0.25。其所开挖的工作面具有光滑、平整的特点，一般不必再用人工或其他机械来加工修整。用多斗挖掘机施工的主要优点就是生产率高，特别适用于土质单一、工作性质相同的大型土方工程中。在不需要经常调移、土方作业比较集中的地区，使用多斗挖掘机是非常经济合理的。此时的能耗和单位施工成本都比单斗挖掘机低。但是，由于其工作装置的特殊性，在使用上也受到限制，转移工地比较困难。
多斗挖掘机的基本工作原理为:在轮架周沿上，按一定间距安装铲斗，工作时铲斗随斗链的移动或轮架的回转，在挖掘面上自下而上进行挖土。当铲斗升至顶部，土壤由于自重卸于连续运载的带式输送机上运出。为使每个铲斗的运动轨迹不重复上一个铲斗的轨迹，作业时，机械需匀速运行或回转，使铲斗的运动轨迹为斗链或斗轮的运动和机械的运行或回转运动的合成。
多斗挖掘机有链斗式、斗轮式、滚切式和铣切式。按工作运行方向与铲斗装置平面平行或垂直，又可以分为纵向挖掘和横向挖掘两种。中小型多斗挖掘机多采用双履带行走装置，大型挖掘机则采用多履带或轨道行走装置。
多斗挖掘机的动力装置和传动系统包括发动机、机械或液压传动装置、操纵机构和附属设备等。中小型多斗挖掘机多用内燃机驱动，大型机则多用电力驱动。
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