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第五章挖掘机械 第一节 概 述一、 用途 挖掘机学是用来进行土、石方开挖的一种工程机械，按作业特点分为周期性作业式和连续性作业式两种，前者为单斗挖掘机，后者为躲斗挖掘机。由于单斗挖掘机是挖掘机械的一个主要机种，也是各类工程施工中普遍使用的机械，可以挖掘VI级以下的土层和爆破后的岩层，因此，本章着重介绍单斗挖掘机。但都挖掘机的主要用途是：在筑路工程中用来开挖堑壕，在建筑工程中用来开挖基础，在水利工程中用来开挖沟渠、运河和疏通河道，在采石场、露天采矿等工程中用于矿石的剥离和挖掘等；此外还可对碎石、煤等疏松物料进行装载作业；更换工作装置后还可以进行起重、浇筑、安装、打桩、夯土和拔桩等工作。二、 分类及表示方 单斗挖掘机可以按一下几个方面来分类：（1） 安动力装置分为电驱动式、内燃机驱动式、复合驱动式等：（2） 按传动装置分为机械传动式、半液压传动式、全液压传动式；（3） 按行走机构分为履带式、轮胎式、汽车式；（4） 按照工作装置在水平面可回转的范围分为全回转式(360)和非回转式（270）。 挖掘机的类代号用字母W表示，主参数为整机的机重。如WLY表示轮胎式液压挖掘机，WY100表示机重为10t的履带式液压挖掘机。不同厂家，挖掘机的代号表示方法各不相同。三、 挖掘机械的工作过程单斗挖掘机的工作装置主要有正铲、反铲、拉铲和抓斗等形式（图5-1），它们都属于循环作业式机械。每个工作循环包括挖掘、回转、卸料和返回四个过程。（一） 机械式单斗内挖掘机的工作过程 正铲挖掘机（图5-2）的工作装置由动臂2、斗杆5和铲斗1组成。 正铲的工作过程为（1） 挖掘过程：先将铲斗放下到工作面底部（），然后提升铲斗，同时使斗杆向前推压（有的小型挖掘机依靠动臂下降的重力来施压），完成挖掘（）。（2） 回转过程：先将铲斗向后退出工作面（），然后回转，使动臂带着铲斗转到卸料的位置（）。同时可适当调整斗的伸出度和高度适应卸料要求，以提高工效。（3） 卸料过程：开启斗底卸料（）。（4） 返回过程：回转挖掘机转台，使动臂带着控斗返回挖掘面，同时放下铲斗，斗底在惯性最用下自动关闭（）。机械传动式正铲挖掘机适宜挖掘和装载停机面以上的级土壤和松散物料。机械传动的反铲挖掘机（图5-3）的工作装置由动臂5、斗杆4和铲斗2组成。动臂由前支架7支持。反铲的工作过程为：（1） 先将铲斗向前伸出，让动臂带着铲斗落在工作面上（）（2） 先将斗向着挖掘机方向拉转，于是它就在动臂和铲斗等重力以及牵引索的拉力作用下完成挖掘（）。（3） 将铲斗保持所示状态连同动臂一起提升到所示状态，再回转至卸料处进行卸料。反铲有斗底可开启式（）与不可开启式（）两种。反铲挖掘机适宜挖掘停机面以下的土，例如挖掘基坑及沟槽等。机械传动的反铲挖掘过程由于只是依靠铲斗自身重力切土，所以只适宜于挖掘轻级和中级土壤。机械传动的拉铲挖掘机（图5-4）的工作装置没有斗杆，而是由格栅型动臂与带钢索的悬挂铲斗1组成。铲斗的上部和前部是敞开的。拉铲的工作过程：（1）首先拉收和放松牵引钢索3 ，使铲斗在空中前后摆动（视情况也可以不摆），将铲斗以提升钢索2提升到位置，然后同时放松提升钢索和牵引钢索，铲斗被顺势抛掷宰工作面上（），铲斗在自重作用下切入土中。（2） 拉动牵引钢索，使铲斗装满土壤（）。（3）然后提升铲斗，同时放松牵引钢索，使铲斗保持在斗底与水平面成812仰角，防止铲斗倾翻卸料。（4）在提升铲斗的同时将挖掘机回转至卸料处，放松牵引钢索使斗口朝下卸料。（5）挖掘机转回工作面进行下一次挖掘。拉铲挖掘机适宜挖掘停机面以下的土，特别适宜于开挖河道等工程。由于拉铲靠铲斗自重切土进行挖掘，所以只适宜挖掘一般土料和砂砾等。抓斗挖掘机（图5-5）的工作装置是一种带两瓣或多瓣的蚌形抓斗1。抓斗用提升索2悬挂在动臂4 上。斗瓣的启闭由闭合索3 来执行。为了不使爪斗在空中旋转，用一根定位索5来定位。定位索的一端与抓斗固定，另一端与动臂连接。抓斗的工作过程为：（1） 放松闭合索3，固定提升索，使斗瓣张开。（2） 同时放松提升索和闭合索，让张开的抓斗落在工作面上，并借自重切入土中（）。（3） 逐渐收紧闭合索，抓斗在闭合过程中装满土料（）。（4） 当抓斗完全闭合后，提升索和闭合索收紧，并以同一速度将抓斗提升（），同时将挖掘机转至卸料位置。（5） 放松闭合索，使斗瓣张开，卸出土料。（）抓斗挖掘机适宜挖掘停机面以上和一下的土，卸料时无论是卸在车辆上或弃土堆上都很方便，特别适合挖掘垂直而狭窄的桥基桩孔、陡峭的深坑以及水下土方等作业。但抓斗手自重限制，只能挖取一般土料、砂砾和松散料。（二）液压传动式单斗挖掘机的工作过程液压传动式单斗挖掘机一般只带正铲、反铲、抓斗和起重工作装置，其工作循环和机械传动式的挖掘机基本不相同。由于其挖掘、提升和卸料等动作是靠液压油缸来实现的，因此其工作能力比同级机械传动的挖掘机要高。其正铲、反铲的作业范围如图5-6所示，两者对停机面上下的作业都能挖掘。四、挖掘机的主要技术参数单斗液压挖掘机的技术参数有：斗容量、机重、额定功率、最大挖掘半径、最大掘深度、最大卸载高度、最小回转半径、回转速度和液压系统的工作压力等。其中主要参数有标准斗容量、机重和额定功率三个，用来作为液压挖掘分级的标志性参数，反映液压挖掘机级别大小。标准斗容量：指挖掘级土壤时，铲斗堆尖时斗容量（）。它直接反应了挖掘机的挖掘能力。机重：指带标准反铲或正铲工作装置的整机重量（t），反映机械本身的级别和实际工作能力，影响挖掘机能力的发挥、功率的利用率和机械的稳定性。额定功率：指发动机正常工作条件下，飞轮的净输出功率（kW），反映了挖掘机的力性能。第二节单斗挖掘机构造一、工作原理和总体构造单斗挖掘机主要由发动机、机架、传动系统、行走装置、回转装置、操纵控制系统和驾驶室等部分组成。机架是整机的骨架，它支承在行走装置上。处行走装置外，发动机、变速器和工作装置等零部件均安装在机架上。传动系统将发动机的动力传递给工作装置、回转机构和行走装置，可分为机械传动和液压传动。机械传动广泛应用于老式挖掘机，而现代挖掘机主要采用液压传动传递动力。单斗液压挖掘机由液压泵、液压马达、液压油缸、控制阀以及液压管路等液压元件组成。工作装置可以根据施工要求和作业对象的不同进行更换。图5-7 所以为单斗液压挖掘机的总体结构简图，工作装置主要由动臂8、斗杆4、铲斗1、连杆2、摇杆3 、动臂油缸7 、斗杆油缸6 和铲斗油缸5等组成。各构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，通过三个油缸的伸缩配合，实现挖掘机的挖掘、提升和卸土等作业过程。二、传动系统（一）机械传动履带式单斗挖掘机传动系统示意图如图5-8所示，它是一个机械传动系统。发动机1输出的动力经主离合器2与链式减速器3传给换向机构水平轴48。然后分成两条传动路线：一路由圆柱齿轮4、5、11将动力传递至主卷扬轴12，驱动主卷筒回转，控制铲斗的动作；另一路由换向机构经垂直轴42、一个两档变速器43 ，通过圆柱齿轮28、26分别将动力传递给回转立轴29和行走立轴30。结合爪型离合器27，回转立轴29带动回转小齿轮绕固定的大齿圈41回转，从而带动回转平台向右或左回转。结合爪型离合器25，行走立轴30经锥形齿轮传动将动力传给行走水平轴37，再通过左右行走爪形离合器32和链传动把动力传递给左右驱动链轮，左右爪形离合器32可将一边行走装置的动力切断而使机械转向。机械单斗挖掘机的传动系统，一般由以下机构组成：（1）主卷扬机构。它主要由卷筒、提升钢索、链传动、离合器和制动器等组成。对正铲而言，执行铲斗的提升，斗杆的伸缩和斗底的启闭等动作；对反铲而言，执行铲斗的伸出和牵引（拉回）动作；对拉铲而言，执行铲斗的升降和启闭动作。（2）回转机构。执行转台以上所有装置的回转动作。（3）变幅机构。执行动臂的升降动作。（4）换向机构。执行转台回转与行走机构的换向动作，以便进行挖掘和卸料作业。（5）行走机构。行走机械的进退行驶动作。（二）液压传动图5-9为一种单斗挖掘机液压传动示意图。如图所示，柴油机驱动两个油泵11、12，把压力有输送到两个分配阀中。操纵分配阀将压力油在送往有关液压执行元件，这样就可以驱动相应的机构工作，以完成所需要的动作。三、回转装置回转平台是液压挖掘机重要组成部分之一。在转台上安装有发动机、液压系统、操纵系统和驾驶室等，另外还有回转装置。回转平台中间装有多路中心回转接头，可将液压油传至底座上的行走液压马达、推土板液压缸等执行元件上。液压挖掘机的回转装置由回转支承装置（起支承作用）和回转驱动装置（驱动转台回转）组成。图5-10为液压挖掘机的回转装置示意图。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相连，回转驱动装置使平台相对于行走装作回转运动，并带动工作装置绕其回转中心转动。挖掘机回转支承的主要结构形式有转柱式回转支承和滚动轴承式回转支承两种。滚动轴承式回转支承是一个大直径的滚动轴承，与比普通轴承相比，它的转速很慢，常用的结构形式有单排滚球式和双排滚球式两种。单排滚球式回转支承（图5-10）主要由内圈、外圈、隔离体、滚动体和上下密封装置等组成。钢球之间由滚动体隔开，内圈或外圈被加工成内齿圈或外齿圈。内齿圈。内齿圈固定在行走架上，外圈与回转平台固联。回转驱动装置与回转平台固联，一般由回转驱动小齿轮的组成。通过驱动小齿轮与内齿圈的啮合传动，回转驱动装置在自转的同时绕内齿圈作公转运动，从而带动平台作360转动。转柱式回转支承的结构中回转体与支承轴组成转柱，插入轴承座的轴承中。轴承座用螺栓固定宰机架上。摆动油缸的外壳也固定在机架上，它的输出轴插入下轴承中。驱动回转体相对于机架转动。工作装置铰接在回转体上，随回转体一起回转，回转角度不大于180。四、 行走装置行走装置是挖掘机的支承部分，它承载整机重量和工作载荷并完成行走任务，一般有履带式和轮带式两种，常用的是履带式行走地盘。单斗液压挖掘机的履带式行走装置都采用液压传动，且基本构造大致相同。图5-11所示是目前挖掘机履带式行走装置的一种典型形式。（一） 履带式行走装置的构造履带式行走装置主要由行走架、中心回转接头、行走驱动装置、驱动轮、引导轮和履带及张紧装置等组成。行走架（图5-12）由形底架、履带架和回转支承底座组成。压力油经多路换向阀和中央回转接头进入行走液压马达。通过减速箱把马达输出的动力传给驱动轮。驱动轮沿着履带铺设的轨道滚动，驱动整台机器前进或后退。驱动轮大都采用整体铸件，其作用是把动力给履带，要求能与履带正确啮合，传动平稳，并要求当履带因连接销套磨损而伸长后仍能保证可靠地传递动力。引导轮用来引导履带正确绕转，防止跑偏和脱轨。国产履带式挖掘机多采用光面引导轮，它采用直轴式结构及浮动轴封。每条履带设有张紧装置，调整履带保持一定的张紧度，现代液压挖掘机都采用液压张紧装置。行走驱动多数采用高速小扭矩马达或低速大扭矩液压马达驱动，左右两条履带分别由两个液压马达驱动，独立传动。图5-13所示为液压挖掘机的行走驱动机构，它有双速液压马达经一级正齿轮减速，带动驱动链轮。当两个液压马达旋转方向相同时，履带直线行驶时，如一侧液压马达转动，并同时制动另一侧马达，则挖掘机绕制动履带的接地中心转向；若使左右液压马达以相反方向转动，则挖掘机可实现绕整机接地中心原地转向。（二）轮胎式行走装置的构造轮胎式液压行走装置如图5-14所示。行走液压马达直接与变速器相连接（变速器安装在底盘上），动力通过变速器由传动轴输出给前后驱动桥，或再经轮边减速器驱动车轮。轮胎式单斗液压挖掘机的行走速度不高，其后桥常采用刚性连接，结构简单。前桥轴可以悬挂摆动，如图5-15所以。车架与前桥4通过中间的摆动铰销铰接。铰销的两侧设有两个悬挂液压油缸3，它的一端与车架1连接，活塞杆端与前桥4连接。挖掘机工作时，控制阀2把两个液压缸的工作腔与油箱的通路切断，此时液压缸将前桥的平衡悬挂锁住，减少了摆动，提高了作业稳定性；行走时控制阀2左移，使两个悬挂液压缸的工作腔相通，并与油箱接通。前桥便能适应路面的高低坡度而上下摆动，使轮胎与地面保持足够的附着力。五、工作装置（一）机械单斗挖掘机的工作装置1.机械式正铲图5-16所示为机械单斗挖掘机的正铲工作装置，它主要由动臂、斗柄、铲斗和机械操纵系统的组成。机械操纵系统有动力铰盘和钢索滑轮系统组成。动臂为箱形截面，上下两端均成叉形，上叉内装提升钢索的定滑轮，下叉与回转平台的耳座铰接。变幅卷筒引出的变幅钢索操纵动臂变幅；主卷扬筒引出的提升钢索操纵铲斗的升降。动臂中部装有推压轴，轴上装有左右两个鞍形座和推压驱动小齿轮。斗柄的左右两杆插在鞍形座内，推压齿轮通过链传动装置驱动，并与推压齿条相啮合。齿轮正反旋转式，可以使斗柄的左右两杆来回伸缩，以适应铲斗工作的需要。2.机械式反铲反铲工作装置由铲斗、斗柄、动臂和钢索滑轮系等组成。钢索和滑轮安装在前支架上，前支架的下端铰接在转台上，上端由可调节的拉杆或钢索支持。动臂有单杆和双杆两种，杆的中部安装有牵引钢索的导向滑轮，顶部与斗柄铰接。斗柄的尾部装有动滑轮和升降索。斗柄的下端装有铲斗，斗柄与铲斗铰接处装有牵引索，牵引索和升降索都卷绕在主卷扬机构的左右两个卷筒上，同时操纵两索能实现挖掘和卸料作业。（二）液压单斗挖掘机的工作装置液压挖掘机的工作装置最常用的是反铲和正铲，也可以更换抓斗和拉铲工作装置。1.反铲工作装置图5-17为反铲工作装置简图。如图所示工作装置主要由动臂、斗杆、连杆和铲斗组成，分别由动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸驱动，完成挖掘、回转等作业过程。三个液压油缸配合工作可以使铲斗在不同的位置挖掘，组成许多铲斗挖掘位置。动臂和斗杆是工作装置的主要构件，由高强度钢板焊接而成，多采用整体式结构，等强度设计。另外，工作装置的结构决定了挖掘机的工作尺寸，并影响整机的工作性能和稳定性。铲斗的结构如图5-18 所示，它的形状和大小与作业对象有很大关系，在同一台挖掘机上可以装配不同形式的铲斗。常用的反铲斗的斗齿结构普遍采用橡胶卡销和螺栓连接式。2、正铲工作装置单斗液压挖掘机的正铲结构如图5-19所示，主要由动臂2、动臂油缸1、铲斗5、斗底油缸4等组成。铲斗的斗底利用液压缸来启动，斗杆6铰接在动臂的顶端，由双作用的斗杆油缸7使其转动。斗杆油缸的一端铰接在动臂上，另一端铰接在斗杆上。其铰接形式有两种：一种是铰接在斗杆的前端；另一端是铰接在斗杆的尾端。其铲斗的结构与反铲挖掘机的相似。为了换装方便，正反铲斗常做成通用的。3、抓斗工作装置液压抓斗根据作业对象的不同，其结构形式主要有梅花抓斗和双颚式抓斗两种形式，双颚式抓斗多作用于土方作业。图5-20、图5-21分别为梅花抓斗和双颚式抓斗的结构外形示意图。梅花抓斗是多瓣的（4瓣或5瓣），每一瓣由一只油缸来执行启闭动作。油缸缸体端和活塞杆端分别铰链和斗瓣背面的耳环上。每个油缸并联在一条供油回路上，已使斗瓣的启闭动作协调统一。双颚式抓斗是由一个双作用油缸来执行抓斗的启闭动作。与钢丝绳式抓斗相比，液压式抓斗的抓取力大很多，生产率高，作业质量好。但其挖掘深度受动臂和斗杆的限制，因此挖掘深度较小。但可以在斗杆和抓斗之间加几节加长杆，以满足挖掘深度的要求。六、 液压控制系统单斗液压挖掘机的传动系统将柴油机的动力传递给工作装置、回转装置和行走装置等机构进行工作，它的多种动作都由各种不同液压元件所组成的液压传动系统来实现的。液压传动系统常按主泵的数量、功率、调节方式和回路的数量来分类。单斗液压挖掘机上的液压控制系统一般有单泵回路定量系统、双泵回路定量系统、双泵回路分功率调节变量系统和双泵双路全功率调节变量系统等形式，按油液循环方式的不同还可分为开式系统和闭式系统。在定量系统中，液压泵的输出流量不变，各液压元件在泵的固定流量下工作，泵的功率按固定流量和最大工作压力确定。在变量系统中，最长见的是双泵双回路恒功率变量系统，可分为分功率变量与全功率变量调节系统。分功率调节是在系统的各个工作回路上分别装一台恒功率变量泵和恒功率调节器，发动机的功率平均输出到每个工作泵。全功率调节是控制系统中所有的流量变化只用一个恒定功率调节器控制，从而达到同步变量。单斗液压挖掘机一般采用开式系统，原因是单斗液压挖掘机的油缸工作频繁，发热量大。该系统的个执行元件的回油直接返回油箱，系统组成简单，散热条件好，但油箱容量大，使低压油路与空气接触，空气易渗入管路造成振动。闭式系统中的执行元件的回油直接返回油泵，该系统结构紧凑，油箱小，进回油路都有一定的压力，空气不容易进入管路，运转比较平稳，避免了换向时的冲击，但系统较复杂，散热条件差，一般应用在液压挖掘机回转机构等局部系统中。100型全液压挖掘机采用双泵回路定量液压系统，其原因如图5-22所示，径向柱塞泵18出来的高压油分成两个回路，分别进入两组四路组合阀，形成两个独立的回路。进入第一组四路组合阀的高压油，可以分别驱动回转马达16、铲斗油缸3、辅助油缸及右行走马达26。由执行元件返回到四路组合阀进入合流阀13，当四个动作元件全部不工作时通过零位串联的油道直接进入合流阀，该阀是液控的二位三通阀（由工况选择阀及与之串联在一个邮路上的二位三通电磁阀联合控制）。通过操作合流阀可以将第一部分路的高压油并入第二部分路的进油阀，进行合流，也可以直接通到第二分路的四路组合回油部分的限速阀5，经过限速阀后通入背压阀22、冷却器21、滤清器27、再回到油箱19。进入第二组四路组合阀的高压油，可以分别控制动臂油缸4斗杆油缸2、左行走马达10及推土油缸7。油液由执行元件返回到回路组合阀，并进入限速阀5中，当四个动作元件全部不工作时，则通过阀内的零位串联通道直接进入限速阀5。油液由限速阀在进入背压阀流回到油箱19。此液压系统的特点：（1）双泵回路液压系统满足了挖掘机的两个执行元件同步动作要求（如斗杆与铲斗缸同时挖掘，动臂提升与转台回转时动作等）。（2）系统采用双泵合流，通过况选择阀出来的液控口。需要合流时，踩下脚踏板即可实现。（3）液压回路中设有限速阀，可以在挖掘机 下坡时起限速作用，但在作业时不起限速作用，它是一个双信号液控节流阀，由两组来自换向阀的压力型号进入限速阀的液控口，当两路进口压力低于1.21.5MPa时，限速阀自动开始对回油节流，起限速阀对挖掘机挖掘作业不起限速作用。（4）设有补油回路是为了防止液压马达由于回转制动或机器下而造成的行驶超速和在回油路中产生吸空现象。液压油经背压油路进入补油阀，向马达补油，以保证马达工作可靠及有效制动。（5）液压系统的总回路上设有背压阀，使液压系统的回油管中保持1.21.5MPa的压力，防止液压系统吸空。第三节 挖掘机的使用六、 挖掘机的使用（一） 工作循环 挖掘机各个机构的动作和一个作业循环中各个机构动作