土方施工机械之单斗挖掘机Word格式文档下载.docx
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WS
隧道式单斗挖掘机
轮
胎
L
（轮）
WL
轮胎式机械单斗挖掘机
WLD
轮胎式电动单斗挖掘机
WLY
轮胎式液压单斗挖掘机
其具体表示方法为四组符号：
二、单斗挖掘机的构造与工作原理
1．机械式单斗挖掘机的构造与工作原理
机械式单斗挖掘机主要由工作装置、回转支承装置、行走装置、动力装置及附属设备等部分组成，如图2-5-1所示。
其中工作装置包括铲斗、提升机构、推压机构、动臂、斗底开启机构等。
回转支承装置包括回转机构、回转平台、回转支承机构等；
行走装置主要有履带式和轮胎式两种。
图2-5-1机械式单斗挖掘机外形图
1-工作装置；
2-回转平台；
3-行走装置
图2-5-2所示为机械式单斗挖掘机正铲工作装置的工作原理图。
挖掘开始时，挖掘机靠近工作面，开挖位置在推压轴之下，斗前面与工作面夹角最大（40～45），斗齿容易切入。
工作时斗齿的切入深度由推压轴控制，操纵提升钢索提升铲斗，同时推压轴把斗柄推向工作面。
铲斗提升与推压轴同时动作，在运动中使铲斗装满土石料，离开工作面后回转到卸载处卸载，然后再回转到工作面，开始下一次的挖掘工作。
机械式单斗挖掘机常用的工作装置除正铲工作装置外，还有反铲、拉铲等型式的工作装置，如图2-5-3所示。
图2-5-3机械式单斗挖掘机工作装置主要型式图
a）正铲；
b）反铲；
c）拉铲；
d）抓斗e）打桩
2．液压式单斗挖掘机的构造与工作原理
单斗液压挖掘机主要由工作装置、回转机构、动力装置、传动机构、行走装置和辅助设备等组成，如图2-5-4所示。
常用的全回转式（转角大于360°
）挖掘机，其动力装置、传动机构的主要部分和回转机构、辅助设备及驾驶室等都装在可回转的平台上，通称为上部转台，因而又把这类机械概括成由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。
工作装置如图2-5-5所示，主要由铲斗1、斗杆2、动臂3及铲斗油缸7、斗杆油缸6和动臂油缸5等组成，有正铲、反铲、抓斗等工作装置型式（图2-5-6）。
图2-5-4单斗液压挖掘机的总体构造
1-柴油机；
2-机棚；
3-液压泵；
4-液控多路阀；
5-液压油箱；
6-回转减速器；
7-液压马达；
8-回转接头；
9-司机室；
10-动臂；
11-动臂油缸；
12-操纵台；
13-斗齿；
14-铲斗；
15-斗杆油缸；
16-斗杆；
17-铲斗油缸；
18-平衡重；
19-转台；
20-行走减速器、液压马达；
21-托轮；
22-履带；
Ⅰ-工作装置；
Ⅱ-上部转台；
Ⅲ-行走装置
液压式单斗挖掘机的工作原理如图2-5-5所示。
柴油机13驱动两个液压泵11、12，把高压油输送到两个分配阀9，操纵分配阀将高压油再送往有关的液压执行元件（液压缸或液压马达），驱动相应的机构进行工作。
挖掘机作业时，接通回转装置液压马达，上部转台转动，带动工作装置转到挖掘地点，同时，操纵动臂油缸小腔进油，油缸活塞杆回缩，使动臂下降至铲斗接触挖掘面为止，然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸，使其大腔进油、活塞杆伸长，迫使铲斗进行挖掘和装载工作。
铲斗装满后，切断斗杆油缸和铲斗油缸油路并操纵动臂油缸大腔进油，使动臂升离挖掘面，随之接通回转马达，使铲斗转到卸载地点，再操纵斗杆和铲斗油缸活塞杆回缩，使铲斗反转卸土。
卸完土，将工作装置转至挖掘地点进行下一次的挖掘作业。
图2-5-5液压式单斗挖掘机基本结构图及传动示意图
1-铲斗；
2-斗杆；
3-动臂；
4-连杆；
5、6、7-液压缸；
8-安全阀；
9-分配阀；
10-油箱；
11、12-液压泵；
13-发动机；
图2-5-6液压单斗挖掘机工作装置主要型式图
a）反铲；
b）正铲或装载；
c）抓斗；
d）起重
图2-5-6液压式单斗挖掘机工作装置主要型式图
三、单斗挖掘机的使用技术
1．作业过程
带各种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、卸料和返回四个工作过程。
下面以机械式单斗挖掘机为例介绍挖掘机的作业过程。
（1）正铲挖掘机
正铲挖掘机（图2-5-7）的工作装置是由动臂2、斗柄5和斗口朝上的铲斗1组成。
图2-5-7正铲工作过程简图
2-动臂；
3-铲斗提升钢索；
4-鞍形座；
5-斗柄；
6-斗底；
7-运输车辆；
Ⅰ～Ⅵ-工作过程
正铲工作过程是：
①挖掘过程先将铲斗下放到工作面底部（Ⅰ），然后提升铲斗，同时使斗柄向前推压（有的小型挖掘机依靠动臂下降的重力来施压），斗内装满土料（Ⅱ→Ⅲ）
②回转过程先将铲斗向后退出工作面（Ⅳ），然后回转，使动臂带着铲斗转到卸料处上空（Ⅴ）。
在此过程中可适当调整铲斗的伸出程度和高度以适应卸料要求。
③卸料过程打开斗底卸料（Ⅵ）
④返回过程回转挖掘机转台，使动臂带着空斗返回挖掘面，同时放下铲斗，斗底在惯性作用下自动关闭（Ⅵ→Ⅰ）
机械传动式正铲挖掘机适宜挖掘和装载停机面以上的Ⅰ～Ⅳ级土壤和松散物料。
（2）反铲挖掘机
机械传动式的反铲挖掘机（图2-5-8）的工作装置由动臂5、斗口朝下的铲斗2等组成。
动臂由前支架7及相应的钢索支持。
反铲工作过程是：
先将铲斗向前伸出，让动臂带着铲斗落在工作面上（Ⅰ）；
然后将铲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，使斗内装满土（Ⅱ）；
将斗保持（Ⅱ）状态连同动臂一起提升到（Ⅲ），再回转至卸料处进行卸料。
反铲有斗底可打开式与不可打开式两种。
前者可打开斗底准确地卸料于车辆上（Ⅳ），后者需将铲斗向前伸出，使斗口朝下卸料（Ⅴ）
机械传动式反铲挖掘机适宜停机面以下的挖掘，例如挖掘基坑及沟槽等。
机械传动式反铲挖掘过程由于只是依靠铲斗的自身重力切土，所以只适宜挖掘轻级和中级土壤。
（3）拉铲挖掘机
机械传动式拉铲挖掘机（图2-5-9）的工作装置由格栅形动臂与带链索的悬挂铲斗1组成。
铲斗的上部和前部是敞开的。
拉铲工作过程是：
首先用提升钢索2将铲斗提升到位置（Ⅰ），拉收和放松牵引钢索3，使斗在空中前后摆动（视情况也可以不摆动），然后共同放松提升索和牵引索，铲斗就被抛掷在工作面上（Ⅱ→Ⅲ）。
然后拉动牵引索，铲斗在自重作用下切入土中，使铲斗装满土壤（Ⅳ）（一般情况下当铲斗拉移3～4米长的距离时，即可装满）。
然后提升铲斗，同时放松牵引索，使铲斗保持在斗底与水平面成8°
～12°
仰角，不让土料撒出。
在提升铲斗的同时将挖掘机回转到卸料处。
卸料时制动提升索，放松牵引索，斗口就朝下卸料。
再转回工作面进行下一次挖掘。
图2-5-9拉铲工作过程简图
2-提升钢索；
3-牵引钢索；
4-卸料索；
5-动臂；
Ⅰ～Ⅳ-工作过程
拉铲挖掘机适宜停机面以下的挖掘，特别适宜开挖河道等工程。
拉铲由于靠铲斗的自身重力切土，所以只适宜挖掘一般土料和砂砾。
（4）抓斗挖掘机
抓斗挖掘机（图2-5-10）的工作装置是一种带双瓣或多瓣的抓斗1。
抓斗通过提升索2悬挂在动臂上。
斗瓣的开闭由闭合索3来执行，为了不使斗在空中旋转，由一根定位索5来保证，定位索的一端固定在抓斗上，另一端与动臂连接。
图2-5-10抓斗的工作原理图
1-抓斗；
2-提升索；
3-闭合索；
4-动臂；
5-定位索；
Ⅰ～Ⅳ-抓斗工作过程
抓斗的工作过程是：
首先固定提升索2放松闭合索3，使斗瓣张开。
然后同时放松提升索2和闭合索3，让张开的抓斗落在工作面上，并在自重作用下切入土中（Ⅰ）。
再然后收紧闭合索3，抓斗在闭合过程中抓满土料（Ⅱ）。
当抓斗完全闭合后，以同一速度提升索2和闭合索3将抓斗提升（Ⅲ），同时使挖掘机转到卸料位置。
卸料时固定提升索，放松闭合索，斗瓣张开，卸出土料（Ⅳ）。
抓斗挖掘机适宜停机面以上和以下的挖掘，卸料时无论是卸在车辆上或弃土堆上都很方便。
由于抓斗是垂直上下运动，所以特别适合挖掘桥基桩孔、陡峭的深坑以及水下土方等作业。
但抓斗的挖掘能力也受自重的限制，只能挖取一般土料、砂砾和松散料。
液压式挖掘机一般只带正铲、反铲、抓斗和起重工作装置，其工作循环和机械式挖掘机基本相同。
由于其挖掘、提升和卸料等动作是靠油缸来实现的，因此其工作能力比同级机械式挖掘机要高。
其正铲、反铲的作业范围如图2-5-11所示，两者对停机面以上、以下的作业面都能挖掘。
由于正铲、拉铲、抓斗挖掘机的通用性不及反铲挖掘机，因此，在公路建设中以全液压反铲挖掘机的应用居多。
2．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和正向开挖两种。
①侧向开挖法
挖掘机只开挖一侧工作面，另一侧作为运输汽车的运输路线（图2-5-12）。
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，其动臂平均回转角小于90°
，而且运输汽车可以直线进出，不需调头和倒驶，缩短了工作循环的时间，可提高生产率。
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（图2-5-13）。
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，运输线路较窄，汽车要倒进去或在窄道上调头，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。
（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（图2-5-14a）。
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（即机械每停置一处，在180°
的回转范围挖掘），则汽车只能停在挖掘机侧面，动臂要作90°
回转才能卸料。
图2-5-14反铲挖掘机沟端开挖法
a）沟端开挖法；
b）沟端分段开挖法
此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（2-5-14b），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。
此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。
②沟侧开挖法
采用沟侧开挖法，汽车在沟端受料，动臂作小于90º
回转即可卸料（图2-5-15）。
此法每次挖掘宽度（沟宽）只能在其挖掘半径范围以内，缺点是所开挖过的沟边坡较大。
（3）拉铲挖掘机的基本作业方法
拉铲挖掘机的作业方法与反铲的基本相同，但其挖掘半径较大，挖得较深。
可以一侧弃土，也可以两侧弃土，详见图2-5-16。
3．路基施工作业
单斗挖掘机在公路工程中常用来开挖路堑和填筑路堤，一般均需自卸汽车配合。
在进行路基土方施工前，应根据现场的施工条件，如地形、取送土位置、土壤等级、土方量、施工进度要求等，选择适宜的铲斗、斗形、斗容量，然后根据既定的挖掘机性能设计决定施工方案。
（1）开挖路堑
①正铲挖掘机开挖路堑
在开挖路堑时，应严格按照路堑纵横断面图去土。
为了正确作出路堑开挖施工方案，首先应根据既定挖掘机的性能（动臂和斗杆长度、挖掘半径、挖掘高度）按比例设计出挖掘机的工作断面图，然后用它在同一比例的路堑断面图上套绘出各种布置方案的工作断面图，从中确定最佳施工方案。
该最佳施工方案应使掘进道数目、运输道路的转移次数和所留土角最少；
工作面的最大高度不应超出该类土壤和该型挖掘机所容许的高度，掘进道具有较大的缓坡以利运输和排水。
挖掘机的工作断面图上应标明各掘进道桩号、机械和自卸汽车的位置以及工作面的曲线轮廓等，并且在路堑纵断面图的若干个里程桩号处也应有工作断面图，以精确定出挖掘机位置、工作道路和计算挖掘土方（参阅图2-5-17）。
用正铲挖掘机开挖路堑时，一般先采用正向开挖，按其断面大小分层纵向掘进，然后根据路堑宽度要求选取侧向开挖或联合开挖法。
a.侧向开挖路堑
侧向开挖路堑适用于开挖深路堑。
图2-5-17所示为侧向分层开挖路堑时挖掘机在横断面上停置的位置和顺序。
第一掘进道工作面因自卸汽车停在路堑边沿受料，因此挖掘高度较低。
其它各个掘进道按图示顺序进行，自卸汽车停在前一个掘进道的边沿受料。
挖掘机在挖完一个掘进道到达尽头时，可退回或回头反向开挖下一掘进道。
图2-5-17挖掘机的工作断面图
挖掘机开挖后在路堑边坡上留下的“土角”，可用拉铲挖掘机（亦可用推土机）来进行调整。
b.正向开挖法开挖路堑
正向开挖法开挖路堑主要用于深度在挖掘机的最大挖掘高度范围以内的路堑。
图2-5-18所示为正向开挖法开挖路堑。
挖掘机一次向前开挖全路堑至设计标高，自卸汽车则与挖掘机停留在同一水平面的后面或两侧。
路堑较宽时，需多次掘进，才能全部挖完（图2-5-19）。
当开挖有纵向陡坡的短堑时，虽然也可用正向开挖法施工，但因修筑运输道路困难，而且生产率很低，不如侧向开挖好。
反铲挖掘机开挖路堑方法与上类似。
②拉铲挖掘机开挖路堑
拉铲挖掘机适用于土壤松软且直接弃土于附近弃土堆的路堑开挖。
为了充分发挥挖掘机的性能，提高生产率，在施工前也应进行周密的施工组织设计，要充分考虑施工现场条件、路堑断面形状、土方量及弃土堆的位置与距离、动臂在平面上的转角、最大挖掘半径等因素。
工作面尺寸大小、形式、机械运行方向、汽车行驶路线、弃土堆形状等与正铲挖掘机施工图所规定的相同。
如果两侧弃土开挖路堑，弃土堆的位置离路堑中心线的距离在挖掘机卸料半径范围以内时，则挖掘机可停置在路堑中线上（图2-5-20a）进行全断面开挖。
反之，则采取两掘进道开挖。
如果一侧弃土开挖路堑时，挖掘机应沿路堑边缘作业（2-5-20b）
显然，图2-5-17的全部的挖掘工作也可由全液压反铲挖掘机独立完成，其施工作业过程留给读者自行分析。
（2）填筑路堤
由取土坑或取土场取土填筑路堤时，对挖掘机来说工作比较简单，只要按照前面介绍的挖掘机的基本作业技术进行操作，在选定的取土场开辟有利地形的工作面，以最经济合理的施工方法挖出所要求的土壤，即可利用自卸汽车运去填筑路堤。
但是，挖掘机如何与自卸汽车配合施工，必须有很好的组织工作。
①正铲挖掘机配合汽车运输填筑路堤
图2-5-21为正铲挖掘机配合自卸汽车填筑路堤时的汽车运行路线图。
图中挖掘机在取土场按四个掘进道掘进取土，并在汽车装载土壤后按土壤性质及好坏，分两路运送。
不适用的卸往弃土场，适用于填筑路堤的土即直接运往路堤卸土。
卸土时应在边坡桩界内，分层铺垫，每层厚度30～60cm。
卸完后用推土机进行平整压实，也可由汽车自压或用压路机压实。
反铲挖掘机类似。
挖掘机与汽车配合作业时，除需配够所需汽车的数量外，还必须和配合挖掘机修筑路堤的其它平整、压实等机械（如推土机、平地机、压路机等）的工作量相平衡。
这样才能使所有参加施工的机械发挥最大的工效。
图2-5-22为正铲挖掘机开挖路堑配合汽车运土填筑路堤流水作业机械配套平面运行路线图。
图2-5-22正铲挖掘机开挖路堑配合汽车运土填筑路堤流水作业机械配套运行路线图
1-自卸汽车；
2-压路机；
3-推土机；
4-正铲挖掘机；
5-运土进出道；
6-路堑堑沟
设计流水作业法施工组织时，应根据工程总量、路段长度、流水作业方向和速度以及施工期限，并以挖掘机为本流水作业的主导机械，按主导机械的生产率（按路段工程总量标出主体机械数量）分别估算其它配合机械（推土机、平地机、压路机）和设备的数量。
反铲挖掘机填筑路堤与上类似。
②拉铲挖掘机配合运输汽车填筑路堤
拉铲挖掘机配合汽车填筑路堤时，其运输道路的布置、汽车数量的估算以及平整、压实等机械的配合和正铲挖掘机基本相同，图2-5-23为拉铲挖掘机与运输汽车配合装土工作图。
由于拉铲铲斗在卸土时有甩土动作，因此挖掘机司机必须有熟练的操作技术，才能胜任。
4．挖掘机生产率的计算
挖掘机的生产率是指在单位时间内从工作面中挖取并卸入汽车或弃土堆的土方量（自然方）。
其计算公式如下：
式中：
q——铲斗容量，m3；
T——每一工作循环时间，s；
km——铲斗充满系数；
ks——土壤松散系数；
kx——校正系数；
ksh——时间利用系数。
挖掘机每一工作循环时间T为挖掘时间、自挖掘面回转到卸料处的时间、在卸料处调整铲斗位置和卸料所需时间、空斗返回挖掘面所需时间和空斗放到挖掘面所需时间之和。
T与机械的技术状况、司机操作的熟练程度和施工组织等有关。
铲斗充满系数km是指铲斗所装松土量与铲斗平装容量之比。
它与土壤性质和铲斗型式有关，见表2-5-2。
铲斗充满系数km表2-5-2
铲斗型式
土壤级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ～Ⅵ
正铲
1.0～1.20
1.15～1.4
0.75～0.95
0.55～0.70
0.30～0.50
拉铲
1.0～1.15
1.20～1.4
0.80～0.90
0.50～0.65
抓斗
0.8～1.0
0.90～1.1
0.50～0.70
0.40～0.45
0.20～0.30
土壤松散系数ks是指土壤在松散以后的体积与松散前原来体积之比。
它是确定土石方机械工作量的重要因素之一，其值取决于土壤级别和铲斗容量的大小，见表2-5-3。
土壤的松散系数ks表2-5-3
斗容量
Ⅴ
Ⅵ
爆破好的
爆破不好的
0.25～0.75
1.12
1.22
1.27
1.35
1.46
1.50
1.00～2.00
1.10
1.20
1.25
1.32
1.44
1.48
3.00～15
1.08
1.17
1.28
1.41
1.45
校正系数kx是指挖掘机工作面高度和铲斗回转角度对挖掘机生产率的影响大小，见表2-5-4。
校正系数kx（正铲挖掘机）表2-5-4
工作面高度
（最佳高度的%）
铲斗回转角度
30°
45°
60°
75°
90°
120°
150°
180°
40
－
0.93
0.89
0.85
0.80
0.72
0.65
0.59
60
1.03
0.96
0.91
0.81
0.73
0.66
80
1.04
0.98
0.86
0.77
0.69
1.26
1.16
1.07
1.00
0.88
0.79
0.71
120
1.11
0.97
0.70
140
160
1.13
0.90
0.75
0.67
0.62
时间利用系数ksh反映机械的作业效率。
它和施工条件（地形、现场大小、地表排水状况、地面承载力、气候、施工规范和施工方法等）与工程管理水平（司机的技术熟练程度和工作态度、设备技术状况、施工组织等）有关。
一般施工机械的时间利用系数见表2-5-5。
施工机械的时间利用系数ksh表2-5-5
施工条件
工程管理水平
最好
良好
一般
较差
0.84
0.76
0.78
0.60
0.63
0.61
0.57
0.52
5．提高挖掘机生产率的措施
提高挖掘机生产率的措施可从两方面考虑。
在施工组织设计时，应使运输汽车的运量和挖掘机生产率相匹配；
汽车的装载容量应为挖掘机斗容量的倍数（最好为3到5倍）；
汽车的行驶路线良好，以利行车；
挖掘机给汽车装载时，应优先采用“双放”法（图2-5-24），不使挖掘机等候汽车。
在施工过程中应尽力缩短挖掘机每一工作循环时间。
为此，必须保持机械良好的技术状况；
挖掘机司机要有熟练的操作技术水平，每一工作循环各过程的操作要进行联合动作；
斗齿要锐利，以减少铲装时间。
6．挖掘机的选用
（1）若开挖停机面以下的较坚实的土石方，选用反铲单斗液压挖掘机为宜，由于它对停机面以上的土石方亦具备一定挖掘能力，因而在施工中得到最为广泛的应用。
（2）若开挖停机面以下较松的土方和砂石、稀泥等，选取拉铲或抓斗单斗挖掘机较经济，尤其是进行水下开挖作业。
（3）若开挖停机面以上的土石方，往往选用正铲单斗液压挖掘机最宜，若土质松散，选用抓斗挖掘机较经济。
（4）若开挖隧道，则应选用具有特种工作装置和较小转台回转半径的专用于隧道、坑道、地铁等狭窄工作环境的隧道挖掘机。
（5）若开挖面积大，挖掘深度又是一般单斗挖掘机不便施工，且土质在IV级以下的土方，则选取多斗挖掘机较适宜。
（6）若施工现场无法进出平板拖车，或者施工现场不允许履带碾压，则选用轮胎式挖掘机为宜，反之，选用履带式挖掘机。
（7）挖掘机的台数与斗容必须与现场允许的汽车通过能力相匹配，单台挖掘机的生产率必须与配套汽车和工期相匹配。
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