挖掘机的应用及工作原理

1.挖掘机的用途及工作对象

挖掘机是工程机械中的一个主要机种，是土石方施工工程中的主要机械设备之一。

各种类型与功能的挖掘机械，在国民经济建设的许多行业，如工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中被广泛采用。据统计，工程施工中有60%以上的土石方量是靠挖掘机来完成的。在各类工程施工中，挖掘机主要用于完成下列工作：

（1）开挖路堑或山体土层时，可以实现Ⅰ～Ⅴ类土和纹理清晰、风化严重的砂岩石的直接开挖，同时可用于建筑物或厂房基础的开挖。

（2）挖掘土料，剥离采矿场覆盖层。

（3）采石场、隧道内、地下厂房和堆料场中的装载作业。

（4）开挖沟渠、运河和疏浚水道。

（5）更换工作装置后可进行混凝土浇筑、起重、安装、打桩、夯土等作业。

另外，由于履带式挖掘机自重大、工作速度低，一般情况下不考虑采用履带式挖掘机运土。

2.挖掘机的分类、特点及适用范围

1）分　类

挖掘机按用途及结构特征分为周期作业式的单斗挖掘机和连续作业式的多斗挖掘机两大类。单斗挖掘机又分为建筑型单斗挖掘机、采矿型单斗挖掘机、剥离型单斗挖掘机、塔索型单斗挖掘机和隧道挖掘机五种，其中建筑型单斗挖掘机应用最广，有履带式和轮胎式两种。多斗挖掘机常用的有链斗式挖掘机、轮斗式挖掘机等。

挖掘机按工作装置与主机的连接方式分为刚性连接和挠性连接两类。前者包括正铲、反铲、刨铲和刮铲挖掘机，后者包括拉铲挖掘机等。

2）特点及适用范围

（1）建筑型单斗挖掘机

建筑型单斗挖掘机具有正铲、反铲、拉铲、抓斗、起重吊钩等工作装置（见图1-1），其中以反铲为主，可进行多种作业。反铲挖掘机结构如图1-2所示。

图1-1　建筑型单斗挖掘机工作装置的主要形式

图1-2　反铲挖掘机结构

1—配重；2—发动机；3—液压油箱；4—回转机构；5—驾驶室；6—动臂油缸；7—斗柄油缸；8—动臂；9—斗柄；10—铲斗；11—铲斗油缸。

正铲挖掘机适用于开挖含水量不大于27%的Ⅰ～Ⅳ级土壤，主要用于开挖挖掘机停机面以上的挖掘面（停机面以下也可以挖掘一定的深度）、运距超过1 km、有运输道路的挖运土方工程；挖掘集中的土堆及松散堆集的矿石、碎石、砂子和煤等；挖掘大于正铲最小回转半径的路堑、基坑、沟渠等工程；配备自卸汽车和其他运输工具，进行填筑路堤和其他一些回填土方工程。

反铲挖掘机主要用于开挖停机面以下的Ⅰ～Ⅳ级土壤（停机面以上者，难以装斗），适用于开挖基坑、沟渠和水下挖土。其挖出的土由自卸汽车运走，也可直接甩在坑渠两边。

拉铲挖掘机由于有抛斗的工作特点，难以采用液压操纵，所以至今只能用钢索操纵。其适合于开挖停机面以下Ⅰ～Ⅲ级土壤，如路堑、基坑、河道和管沟等。被开挖的土壤不论其含水量的大小、水上或水下作业，均可用拉铲来挖掘。拉铲挖掘机还可以用来填筑路堤。

抓斗挖掘机由于受其铲斗自重的限制，只能挖掘停机面以上或以下的一般土壤（Ⅰ～Ⅱ级）、砾石和其他松散物料，尤其适用于挖掘基坑与桩孔，也可用于水下挖掘工作，常在码头、仓库等处装载碎石、煤等松散物料。

建筑型单斗挖掘机多数是小型挖掘机，斗容量一般较小，在2 m3以下。近年来，也有斗容量2～6 m3、自身质量达200 t的建筑型挖掘机出厂。

单斗挖掘机一般用一台柴油机驱动，也有用一台或多台电动机驱动的。其行走装置有履带式和轮胎式两种，行驶速度快，能远距离自行转场，且机体重心低、运行稳定性好。单斗挖掘机操纵主要采用液压或气压形式，适用于挖掘Ⅰ～Ⅴ类土及爆破后的坚硬岩石。

（2）采矿型单斗挖掘机

其主要工作装置为正铲，个别配有拉铲装置和起重装置，斗容量较大，一般为2～8 m3。采矿型单斗挖掘机大部分为机械式，主要用于露天矿的挖掘和装载作业。

（3）剥离型单斗挖掘机

剥离型单斗挖掘机有履带式和步行式两种，用于露天矿表层剥离、大型基建工程、河道疏浚和挖掘、土壤改良等工程中。履带式为正铲工作装置，斗容量一般为4～53 m3。步行式工作装置为拉铲，斗容量一般为4～76.5 m3，行走装置采用步行机构，接地比压小。

（4）隧道挖掘机

隧道挖掘机具有特种工作装置和较小的转台尾部回转半径，专用于隧道、坑道、地铁等狭窄的工作环境。

（5）多斗挖掘机

多斗挖掘机是一种由若干个挖斗连续循环进行挖掘作业的挖掘机械，主要用于Ⅳ类以下土壤的挖取土方或开挖沟渠、剥离采料场或露天矿场上的浮土、修理坡道以及装卸松散物料等作业。

链斗式多斗挖掘机：挖斗连接在挠性构件（斗链）上。现代链斗式多斗挖掘机的挖掘深度已超过40 m，高度达到27 m，斗容量达2.5 m3，生产率达到3 000 m3/h，机体质量达3 500 t。

轮斗式多斗挖掘机：挖斗固定在刚性构件（斗轮）上，以刚性斗轮取代斗链，并用简单高效的输送带将土运出，因此，其具有切削力大、切削速度快、生产效率高、运转平稳、动载荷小、卸土简便、可靠性高等优点。斗轮装在动臂端部，动臂长度和倾角可调，转台可旋转，故能挖出多种多样的掌子面，理论生产率为70～15 000 m3/h，上下挖掘总采掘高度为3～77 m，斗轮直径为1.9～2.2 m，斗容量为0.05～8.6 m3，斗臂长为5～10.5 m，动力装置功率为45～14 300 kW，机体质量为17.5～7 250 t。

3.挖掘机的基本工作过程

带各种基本工作装置的单斗挖掘机是循环作业式机械，每一工作循环包括挖掘、回转、卸土和返回4个工作过程。

1）正铲挖掘机的基本工作过程

（1）挖掘过程

利用动臂油缸、斗柄油缸和铲斗油缸的工作，使动臂或斗柄带动铲斗下移至工作面最下部，并切入土层一定深度，借助动臂、斗柄或铲斗的向上摆动，在工作面上挖出一层弧形的土层（称内弧形挖掘带，见图1-3），土被装入铲斗内。

图1-3　正铲挖掘机的挖掘过程

根据铲斗向上摆动的驱动形式不同，正铲挖掘机的挖掘方式可分为4种。① 动臂挖掘，即铲斗与斗柄相对固定，由动臂摆动实现挖掘。② 斗柄挖掘，即铲斗、动臂相对静止，由斗柄摆动实现挖掘。③ 铲斗挖掘，即动臂、斗柄相对静止，由铲斗摆动实现挖掘。④ 组合挖掘，即利用动臂、斗柄和铲斗三部分联合运动实现某种特殊形体工作面的挖掘。(www.xing528.com)

挖掘开始时通常以停机面作为起点向上逐层挖掘，随着挖掘层次的增多，起点可逐渐向停机面以下转移。

（2）回转过程

在土装满铲斗后，先将铲斗返离工作面，然后转动回转平台，使动臂带着铲斗转到卸土处上空。在回转过程中，可适当调节铲斗的伸出度和离地高度，以适应卸土的要求。应该注意，挖掘机不能进行横扫作业（铲斗插入土层中，回转平台转动，带动铲斗回转切土），避免动臂、斗柄或铲斗被折断。

（3）卸土过程

正铲挖掘机的卸土方式有两种：一是开斗卸土，利用斗底油缸活塞伸缩，打开斗底，将土卸入运输车辆内或就地弃土；二是转斗卸土，利用铲斗油缸活塞的伸缩带动铲斗转动，借助土层重力卸入运输车辆或地面。

应该指出的是，由于开斗卸土的挖掘机铲斗的特殊结构，斗底通过铰链与斗体结合，在特殊工作状态下，斗底与斗体之间形成一种钳口，借助这个钳口可以实现对大体积石块、小型构件或其他大体积物体进行夹持搬运和装卸，从而做到多功能工作。

（4）返回过程

旋转回转平台，使动臂带着空斗返回挖掘面，在此过程中放下铲斗，斗底在油缸作用下关闭。

2）反铲挖掘机的基本工作过程

全液压反铲挖掘机的基本工作过程见图1-4，与全液压正铲挖掘机工作过程类似，所不同的是铲斗在动臂或斗柄的带动下，在工作面上部由上向下运动实现挖掘，其挖掘面也是呈内弧面。

图1-4　反铲挖掘机的挖掘过程

3）拉铲挖掘机的基本工作过程

拉铲挖掘机的基本工作过程与前述挖掘机工作过程类似，见图1-5中的步骤Ⅰ～Ⅳ。

图1-5　拉铲挖掘机的挖掘过程

1—铲斗；2—提升钢索；3—牵引钢索；4—卸料钢索；5—起重臂；Ⅰ～Ⅳ—挖掘过程。

4.单斗挖掘机的基本作业方法

1）正铲挖掘机的基本作业方法

正铲挖掘机的基本作业方法有侧向开挖法和正向开挖法两种。

（1）侧向开挖法

挖掘机只开挖一侧工作面，另一侧作为汽车的运输路线（见图 1-6）。汽车与挖掘机平行，在挖掘机侧面受料。此方式的主要优点是，挖掘机卸土时，其动臂回转角小于90°，避免了运输汽车的倒车，缩短了工作循环的时间，可提高生产率。

图1-6　正铲挖掘机侧向开挖法

（2）正向开挖法

挖掘机以最大挖掘宽度在挖掘断面上进行前方挖土，运输汽车在机后两侧受料，运输路线位于挖掘机开行路线的正面（见图1-7）。此方式的优点是机械移位次数较少；缺点是挖掘机动臂回转角度大于90°，增加了工作循环的时间，降低了生产率。此外，其运输线路较窄，汽车要倒进去或在窄道上掉头，造成施工现场拥挤，影响挖掘机卸料。因此，该方法只限于挖掘工地进口处时使用。

图1-7　正铲挖掘机正向开挖法

2）反铲挖掘机的基本作业方法

反铲挖掘机的开挖方法有沟端开挖法和沟侧开挖法两种。

（1）沟端开挖法

开挖时，挖掘机沿着沟端逐渐倒退，逐渐向后开挖，如图1-8（a）所示。汽车停在沟侧，动臂只要回转40°～45°即可卸料。如果所挖沟宽为机械最大挖掘半径的2倍时（即机械每停置一处，在180°的回转范围内挖掘），汽车只能停在挖掘机侧面，反铲要做90°回转才能卸料。

该方法在挖掘更宽的渠道（超过最大挖掘半径的2倍）时，可分段开挖，如图1-8（b）所示，机械在倒退挖到尽头后，由该端转换位置反向开挖毗邻一段。该方法每段的挖掘宽度不宜过大，以汽车能在沟侧行驶为原则，以减少每一工作循环的时间，提高机械生产率。

图1-8　反铲挖掘机沟端开挖法

（2）沟侧开挖法

反铲在沟侧开挖，汽车在沟端受料，机械做90°回转卸料（见图1-9）。该方法每次挖掘宽度（沟宽）只能在其挖掘半径范围以内，其缺点是所挖沟的边坡较大。

图1-9　反铲挖掘机沟侧开挖法

3）拉铲挖掘机的基本作业方法

拉铲挖掘机的基本作业法与反铲挖掘机基本相同（见图1-10），但其挖掘半径较大，挖得较深，可以一侧弃土，也可两侧弃土。

图1-10　拉铲挖掘机开挖法