铲运机类型及应用-施工机械

1.概述

铲运机是一种利用铲斗铲削土壤，并将碎土装入铲斗进行运送的铲土运输机械，能够完成铲土、装土、运土、卸土和分层填土、局部碾实的综合作业，适于中等距离运土。在铁路、道路、水利、电力和大型建筑工程中，用于开挖土方、填筑路堤、开挖河道、修筑堤坝、挖掘基坑、平整场地等工作。具有较高的工作效率和经济性。其应用范围与地形条件、场地大小、运土距离等有关。铲削Ⅲ级以上土壤时，需要预先松土。

铲运机由铲斗（工作装置）、行走装置、操纵机构和牵引机等组成，其工作过程包括：放下铲斗，打开斗门，向前开行，斗前刀片切削土壤，碎土进入铲斗并装满［图4-28（a）］；提起铲斗，关上斗门，进行运土［图4-28（b）］；到卸土地点后打开斗门，卸土，并调节斗的位置，利用刀片刮平土层［图4-28（c）］；卸土完毕，返回，重复上述过程。

图4-28　铲运机的作业过程

（a）铲土；（b）运土；（c）卸土
1—斗门；2—斗壁；3—斗体

铲运机分自行式和拖式两种，由于整个作业过程中，铲土时外载荷最大，故铲装时（或在陡坡上运土时），常配置有履带式推土机顶推铲运机的尾架进行助铲（助运），此种推土机称助铲机，一台助铲机可服务于2～3台铲运机。拖式铲运机［图4-29（a）］需要有拖拉机牵引作业，装有宽基低压轮胎，适用于土质松软的丘陵地带，其经济运距一般为50～500m。自行式铲运机［图4-29（b）］由牵引车和铲斗车两部分合成整体，中间用铰销连接，牵引车和铲斗车均为单轴，其经济运距可达1500m以上，具有结构紧凑、机动性大、行驶速度高等优点，得到广泛的应用。自行式铲运机也有履带式行走的，称为铲运推土机，接地比压小，但机运性差。

按照铲斗的操纵方式，有液压操纵铲运机［图4-29（b）］和钢丝绳操纵铲运机［图4-29（a）］两种，前者用液压缸控制铲削，铲斗刀片能够强制切土，操作灵便，动作平稳，得到广泛应用。后者靠钢丝绳滑轮组操纵，已趋淘汰。

图4-29　铲运机类型

（a）拖式；（b）自行式

按照铲斗卸土方法（图4-30），分强制卸土［图4-30（a）］、半强制卸土［图4-30（b）］和自由卸土［图4-30（c）］3种。强制卸土依靠活动的铲斗后壁向前推移，将土强制推出，卸土干净，但动力消耗大；半强制卸土的后斗壁与斗底连成整体，卸土时，斗底与后斗壁一起向前翻转，碎土在推力与重力双重作用下卸出，能够卸净两侧壁之间的土；自由卸土依靠整个铲斗向前翻转将碎土倒出，不能保证土的卸净，但动力消耗低，用于小型铲运机。

图4-30　铲运机铲斗卸土方式

（a）强制卸土；（b）半强制卸土；（c）自由卸土

大型铲运机还有在铲斗前部装上刮板升送器的，称升送式铲运机（图4-31），升送器是一个在运转链条上等距地装以刮板，使刀片削下的碎土直接落到升送器刮板上，由刮板将碎土送到斗内，可以基本上消除装土阻力（一般铲运机的装土阻力占机械牵引力的60%左右），因而在铲装过程中，不需要铲机协助。但是，机械总质量增加约10%～25%，铲装时间延长约30%。

图4-31　升送式铲运机

铲运机按照铲斗容量分小、中、大、特大4种型式，见表4-20。铲运机的类型和型号编制方法见表4-21。

表4-20　铲运机按斗容量分类

表4-21　铲运机分类和型号编制方法

如轮胎式铲运机CL——7，C——铲运机、L——轮胎式、7——铲斗容积（m3）、拖式铲运机CTY——9、C——铲运机、T——拖式、Y——液压操纵、9——铲斗容量（m3）。

2.自行轮胎式铲运机

国产CL7型自行式铲运机（图4-32）的铲斗容量7～9m3，由低压轮胎单轴牵引车和铲斗车两部分组成，采用液力变矩器、液压换挡行星齿轮变速箱、液压转向和车轮蹄式内胀式气制动等。铲斗由辕架6、斗门8、铲斗9、液压缸7、10、后轮11、尾架12组成，采用液压操纵。辕架呈拱形，有立轴与牵引车的中央框架3相连接，铲斗车与牵引车可以相对摆动20°，以适应不平地面的作业。铲斗后壁可以前移，以实现强制卸土，铲斗的提升、下降和铲土依靠提斗液压缸6，斗门的开闭依靠斗门液压缸9，后壁强制卸土依靠卸土液压缸。3组液压缸由泵经过多路换向阀驱动，操纵换向阀，可以实现铲斗强制铲土、斗门强制闭合和后壁强制卸土。

图4-32　CL7型自行式铲运机结构图（单位：mm）

1—发动机；2—驾驶室；3—前轮；4—中央框架；5—转向液压缸；6—辕架；7—提斗液压缸；8—斗门；9—铲斗；10—斗门液压缸；11—后轮；12—尾架

CL7型铲运机适用于开挖Ⅰ～Ⅲ级土壤，运距为800～3500m的大型土方工程。如运距为800～1500m（经济运距），铲削时常用一台58.8～74kW（80～100HP）功率的履带式推土机或117.77kW（160HP）功率的轮胎式推土机助铲，一台助铲机可服务于3台铲运机。如运距为1500～3500m时，一台助铲机可服务于5台铲运机。

自行式铲运机的工作装置包括转向枢架、辕架、前斗门或升运机械、铲运斗体及尾架等。

（1）转向枢架。自行式铲运机靠转向枢架连接牵引车和铲运斗。转向枢架一般通过一垂直铰与辕架相连，允许牵引车相对于辕架、铲运斗及后轴向左右各转一定的角度，以减小铲运机转变半径；转向枢架下部通过一纵向水平铰与牵引车相连，使牵引车可相对于辕架左右各摆一定角度，以保证铲运机在不平地面作业时全轮同时着地。另用限位块限制其摆量为±15°～±20°。如图4-33（a）所示，这种纵向单铰连接的缺点是横向稳定性差，因为当牵引车一侧轮胎落入凹处时，铲运斗经转向枢架作用到牵引车上的重力（垂直载荷）W的横向分力Wy形成的力矩WxH，使落在凹处的车轮加载、轮胎变形增加，而另一侧轮胎减载、轮胎变形减小，因此使牵引车更加倾斜，如此恶性循环，直到与限位块相抵时为止。

图4-33　转向枢架与牵引车的连接方式

（a）纵向单铰连接；（b）四杆机构连接

自行式铲运机转向枢架与牵引车连接的另一种方式，是类似WS16S—2型铲运机采用的4杆机构，如图4-33（b）所示。当牵引车一侧车轮落入凹处时，转向枢架向另一侧横移，前轴所受铲运机重力的合力的作用到P点，使落在凹处的车轮荷重减少，另一侧车轮的荷重增加，使牵引车的倾斜程度减少，因此可提高铲运机在不平地面上作业及运行时的稳定性。

国产CL7型自行式铲运机的铲运斗是靠转向枢架与牵引车连接，如图4-34所示。其转向枢架由上、下立轴，枢架体，水平轴等组成。枢架体3的下部带有向下的凹口，可通过水平轴6安装在牵引车后部的牵引梁5上。枢架体上部带有向后的凹口，可通过下立轴1和上立轴连接着曲梁前端的牵引座2，使铲运斗和牵引车呈铰接，有利于转向。

图4-34　CL7型铲运机转向枢架

1—下立轴；2—牵引座；3—枢架体；4—紧固螺栓；5—牵引梁；6—水平轴

（2）辕架。辕架主要由曲梁（俗称象鼻梁）和Π形架组成，如图4-35所示。曲梁2用钢板焊接成箱形断面，其后端焊接在横梁4的中部。臂杆5也为整体箱形断面，按等强度原则作变断面设计，其前部焊接在横梁的两端。因横梁在铲运机作业中主要受扭，故按圆形断面设计。连接座6为球形铰座。

图4-35　CL7型铲运机辕架

1—牵引架；2—曲梁；3—提升油缸支座；4—横梁；5—臂杆；6—铲运斗球销连接座

其他机型的辕架与CL7型铲运机的相似，只是在曲梁和横梁上设有安装斗门的油缸支架。

（3）铲运斗。自行式铲运机的铲运斗通常由斗体、前斗门、斗底门、卸土板（后壁）及尾架等组成。

1）前斗门。CL7型铲运机前斗门结构如图4-36所示，它由钢板及型钢焊接而成。斗门可绕球销连接座2转动，以实现启闭。侧板9可将斗门体和斗门臂连为一体，并加强斗门体的强度和刚度。

图4-36　CL7型铲运机前斗门结构图

1—斗门油缸支座；2—斗门球销连接座；3、10—加强槽钢；4—前壁；5、8—加强板；6—扁钢；7—前罩板；9—侧板；11—斗门臂

2）斗体。自行式铲运机的斗体结构如图4-37所示，它主要由对称的左、右侧板6，前、后斗底板3及13和后横梁12焊接而成。两侧对称地焊上辕架连接球轴9、前斗臂连接轴座10、斗门升降油缸连接轴座8、斗门切土油缸连接轴座11和铲运斗升降连接吊耳5等。斗体前端的铲刀2、铲齿1和侧刀片4是装配式连接的，磨损后可以更换。斗底门碰撞块7的作用是当斗底门向前推动时，其前端两侧的杠杆接触到碰撞块后斗底门的活动板就关闭；反之斗底门后退时活动板便打开。

图4-37　CL7型铲运机的斗体

1—铲齿；2—铲刀；3—前斗底板；4—侧刀片；5—铲运斗升降油缸连接吊耳；6—侧板；7—斗底门碰撞块；8—斗门升降油缸连接轴座；9—辕架连接球轴；10—斗门升降臂连接轴座；11—斗门切土油缸连接轴座；12—后横梁；13—后斗底板(www.xing528.com)

3）斗底门。CL7型铲运机铲运斗的斗底门是一活动部件（图4-38），这由4个悬挂轮系挂在斗体两侧的槽中。轮轴是偏心的，可以调整与底板3的间隙。斗底门的前部是一个活动板1，它可以转动。推杆4与铲运机后面的推拉杆连接。斗底门的作用主要是卸土，活动板在卸土时可以刮平铺层。在铲装过程中，活动板在斗体上的碰撞块的作用下关闭。后斗门即铲运斗的卸土板。推拉杠杆是两组V型杠杆，其上端用同一轴线的两销连接，下端销轴分别与斗底板和后斗门铰接。两V型杠杆中部的孔则分别与油缸活塞杆、油缸体铰接。斗底门与后斗门是联动的，由一个卸土油缸完成动作。联动过程中由于斗底门的移动力小于后斗门的，所以斗底门总是先移动，后斗门后移动。

图4-38　斗底门

1—活动板；2—悬挂轮系；3—底板；4—推拉杆

以上主要是介绍了推土机和铲运机的工作装置，除此之外，还有其他的一些施工机械的工作装置，如平地机的刮土工作装置、耙土装置、松土器，装载机的工作装置铲斗等。

3.拖式铲运机

图4-39所示是C3—6A型拖式铲运机的示意图，该机为双轴轮胎式机械操纵铲运机，斗容量6～8m3，由58.8～73.6kW（80～100HP）功率的履带式拖拉机牵引作业。

图4-39　C3—6A型拖式铲运机示意图（单位：mm）

1—拖杆；2—前轮；3—辕架；4—斗门；5—斗体；6—后轮；7—尾架

铲斗由斗体5、斗门4、强制卸土后壁等组成，斗门位于斗体前，斗体的前下方装有4段切土刀片，中间两段稍突出，以减小铲土阻力，后壁靠钢丝绳滑轮组可以向前移动，实现强制卸土。铲斗的升降和斗门的启闭分别利用两组钢丝绳滑轮组，由拖拉机后部的两个绞盘驱动，其中斗门滑轮组与卸土滑轮组相连接，只当斗门全开以后，后壁才能前移。铲斗后部通过两根半轴支承在后轮6上，前部通过辕架3支承在前轮2轴的中央，前轮轴上有拖杆1，借以拖挂在拖拉机后面。铲斗后部是尾架7，供助铲机或牵引其他机械用。

4.铲运机的选型

（1）铲运机的选型原则。

1）根据土的性质。①铲运Ⅰ、Ⅱ类土时，各型铲运机都能适用；Ⅲ类土时，应选择大功率的液压式铲运机；IV类土时，应预先进行翻松；②当土的含水率在25%以下时，最适宜用铲运机施工；如土的湿度较大时，应选择强制式或半强制式卸土的铲运机。

2）根据运土距离。①运距小于70m时，使用铲运机不经济，应采用推土机施工；②运距在70～300m时，可采用斗容在4m3以下的拖式铲运机施工；③运距在800m以内时，可采用6～9m3拖式铲运机施工；④运距大于800m时，应采用自行式铲运机。

3）根据土方数量。铲运机的斗容越大，施工速度越快，大量土方应采用大型铲运机。

（2）生产率计算。铲运机的生产率Q（m3／h）可按下式计算：

式中 V——铲斗的几何容量，m3；

kh——铲斗的充满系数，见表4-22；

表4-22　铲运机铲斗的充满系数kh

kB——机械时间利用系数，一般取0.8～0.9；

kp——土壤松散系数；

t——铲运机一个工作循环的延续时间，s，为：

式中 l1、l2、l3、l4——铲装，运送，卸土，回程的距离，m；

v1、v2、v3、v4——铲装，运送，卸土，回程的速度，m／s；

t1——总换挡时间，s；

t2——铲运机调头时间，s。

（3）牵引力计算。铲运机作业时所需要的牵引力，必须克服最大阻力，根据所需牵引力可以选择牵引机（拖式）或校核发动机功率（自行式）。

铲运机作业总阻力W，由运行阻力W1，土壤切削阻力W2，斗门前碎土推移阻力W3，斗内装土阻力W4和坡度阻力W5组成，即：

W1＝10G0ω（N）

式中 G0——铲运机连同铲斗内碎土的总质量，kg；

ω——运行阻力系数，坚实地面取ω≈0.2。

W2＝kbh（N）

式中 k——土壤切削比阻力，N／cm2；

b、h——铲斗刀片切入地面的宽度和深度，cm。

W3＝10Gμ1（N）

式中 μ1——土与土的摩擦系数；

G——斗门前小土堆的总质量，kg，取决于土堆体积和土壤容重。表4-23列有小土堆与铲斗容重的比值。

表4-23　斗门前小土堆体积与铲斗几何容量的比值

式中 H——铲斗装土高度，m，见表4-24；

表4-24　铲斗装土高度H

γ——土壤容重，kg／m3；

φ——土壤自然静止角，（°）。

W5＝10G0sinα（N）

式中 α—坡度，（°）。

所需牵引力：

T＝W1＋W2＋W3＋W4＋W5