现代施工工程机械(第一篇)第五章-挖掘机械课件

第五章挖掘机械

第五章挖掘机械

第五章挖掘机械第一节概述第二节机械式单斗挖掘机构造第三节单斗液压挖掘机构造第四节挖掘机电子控制系统简介第五章挖掘机械第一节概述一、用途在基础工程中用来挖掘Ⅵ级以下的土层和爆破后的岩石，还可对松散物料进行装载作业。更换工作装置后还可进行起重、安装、打桩、夯土和拔桩等工作。二、分类按动力装置：电驱动式、内燃机驱动式、复合驱动式等。按传动装置：机械传动式、半液压传动式、全液压传动式。按行走装置：履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式。按工作装置的操纵方式:机械式和液压式。第五章挖掘机械1.机械式挖掘机工作装置的主要形式（图5-1）。

a）正铲；b）反铲；c）刨铲；d）刮铲；e）拉铲；f）抓斗；g）吊钩；h）桩锤；i）夯板第五章挖掘机械a）正铲：是机械式挖掘机的主要形式，主要挖掘停机面以上的工作面。

b）反铲：是机械式挖掘机的一种换用装置，主要挖掘停机面以下的工作面。

c）刨铲：用于平整场地。

e）拉铲：铲斗为挠性连接，适用于挖掘停机面以下的工作面。拉铲的挖掘能力受铲斗自重的限制，一般只适宜挖掘土料和砂砾。

d）刮铲：用来刮动停机面以上已经松动的土壤。

h)桩锤：用于进行打桩，挖掘机在换用桩锤工作装置就成为打桩机。

f)夯板：用于夯实土壤，故称为夯土机。第五章挖掘机械2.液压挖掘机液压挖掘机具有挖掘力大、动作平稳、作业效率高、结构紧凑、操纵轻便、更换工作装置容易等特点。其主要工作方式（图5-2）：

图5-2液压单斗挖掘机工作装置的主要型式

a）反铲；b）正铲；c）抓斗；d）吊钩第五章挖掘机械a）反铲：靠挖掘机动臂、斗杆和铲斗的自重和各工作液压缸的推动力。主要用于停机面以下的土方工程，也可以挖停机面以上的土方工程。是中小型液压挖掘机的主要工作装置。

b）正铲：主要用于挖掘停机面以上的工作面。卸土方式有两种：前卸式和底卸式。

c）抓斗：根据作业对象不同，液压抓斗结构形状也不相同。双颚式抓斗用于土方作业。液压挖掘机还可以配用其它装置完成不同的作业，如平整刮刀、液压镐、液压钻、松土器等。挖掘机属于循环作业式机械，每一个工作循环包括：挖掘、回转、卸料和返回四个过程。第五章挖掘机械三、液压挖掘机的主要技术参数单斗液压挖掘机的主要参数：斗容量、机重、额定功率、最大挖掘半径、最大挖掘深度、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，机重和额定功率三个，是液压挖掘机分级的标志性参数。标准斗容量：指挖掘Ⅳ级土壤时，铲斗堆尖时的斗容量（m3）。它直接反映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质量（t）。反映机械本身的级别和实际工作能力。额定功率：指发动机正常工作条件下，飞轮的净输出功率（kW），反映了挖掘机的动力性能。第五章挖掘机械四、液压挖掘机的发展概况近年来，由于电子技术的飞速发展及计算机的普遍使用，挖掘机开始由机电液一体化技术向自动化、智能化和机器人化的方向发展。采用机电液一体化技术的优点：（1）提高了作业质量和工作的舒适性。（2）采用机电液一体化技术可节约能源20％～30％。（3）使操纵简单省力，可实现无人或远距离操纵。（4）提高了安全性和可靠性，可进行状态自动监测和故障诊断。第五章挖掘机械

国外挖掘机上应用机电一体化技术，主要体现的方面：（1）泵－发动机电子负荷传感控制系统。（2）挖掘机工况检测与故障诊断系统。（3）无线遥控挖掘机。（4）作业过程的局部自主化控制（即半自动化液压挖掘机）。（5）全自动液压挖掘机。挖掘机的另一个发展方向是大型化和超大型化发展。第五章挖掘机械第二节机械式单斗挖掘机构造

机械式单斗挖掘机由三大部分组成，即工作装置1、转台2和行走装置3，如图5-3所示。图5-3机械挖掘机外形图

1－工作装置；2－转台；

3－行走装置第五章挖掘机械

工作装置1包括铲斗、动臂及提升用的主铰车和变幅铰车；转台2包括动力装置、传动装置和操纵装置（全部罩在机身内）；行走装置3包括车座、行走履带及其传动装置。一、正铲工作装置正铲工作装置由铲斗、斗杆、动臂、推压机构、滑轮钢索和斗底开闭机构等组成。正铲工作装置的结构型式有：单杆斗柄配双杆动臂和双杆斗柄配单杆动臂两种。前者多用于中小型（斗容小于1立方米）挖掘机上，后者多用于1立方米以上的挖掘机。第五章挖掘机械图5-4机械正铲工作装置1-铲斗；2-斗底开启索链；3-斗柄；4-推压齿条；5-鞍形座；6-推压轴；7-推压齿轮；8-动臂；9-提升钢索；10-主卷扬筒；11-变幅卷筒；12-变幅钢索；13-定滑轮；14-动滑轮

双斗柄配单杆动臂的正铲工作装置（图5-4），由动臂8、斗柄3、铲斗1和机械操纵系统等组成。第五章挖掘机械二、反铲工作装置反铲工作装置由铲斗、斗柄、动臂和钢索滑轮系等组成，如图5-5所示。

图5-5机械反铲工作装置1－动臂；2－圆弧铲斗；3－斗柄；4－前支架；5－牵引机构第五章挖掘机械

反铲斗有斗底可开启铲斗（如图5-6）和斗底不可开启铲斗（如图5-7）两种。斗底可开启的反铲斗卸料面积小（如车辆上卸料）。斗底不可开启的反铲斗，卸料时必须斗柄带着铲斗一起翻转，使斗口朝下，因此卸料面积较大。此种斗的后部呈弧形以利卸料。反铲斗的刃口多制成圆弧状，以减小挖掘阻力。第五章挖掘机械图5-6斗底可开启的反铲斗

1-斗体；2-斗底开启机构；3-安全突筋；4-斗底；

5-拱板；6-斗齿；7-螺钉；8-侧齿；9-铰销；10、12-销孔；11-拉杆

第五章挖掘机械图5-7斗底不能开启的铲斗1－斗齿；2－侧齿；3－斗体；4、5、6－销孔；7－拉杆第五章挖掘机械三、机械式拉铲与抓斗工作装置

1.拉铲工作装置

拉铲工作装置（图5-8）由动臂、铲斗和钢索三部分组成。

图5-8拉铲工作装置

1-机身；2-门形架；3-动臂升降钢索；4-滑轮组；5-悬挂钢索；6-动臂；7-滑轮；

8-铲斗升降钢索；9-悬挂连接器；10-卸土钢索；11-升降链条；12-铲斗；

13-牵引链条：14-横向连接器；15-牵引钢索；16-导向滑轮第五章挖掘机械

动臂6用角钢焊成格栅式桁架，分节拼装。各节之间用接盘和螺栓连接。采用这种结构可减轻动臂质量，扩大拉铲的工作范围。拉铲斗是一个簸箕形钢斗（图5-9），斗的后臂呈圆弧形。

图5-9拉铲斗1-斗壁；2-拱板；3-卸料索；4-侧刃；5-斗底；6-耳环；7-牵引链；8-牵引索；

9-提升链；10-铲斗提升钢索；11-连接器；12-横撑杆第五章挖掘机械2.抓斗工作装置抓斗工作装置是一个用钢索操纵的抓斗，抓斗由两个弧形斗瓣组成，如图5-10所示。图5-10钢索操纵的抓斗

a）闭合状态；

b）张开状态

1、13-斗齿；

2、18-拉杆；3-拉臂；

4、16-动滑轮组；

5、17、20-关斗钢索；

7、21-铲斗升降钢索；

8、19-定滑轮组；

10、22-钢索固定器；

12、14-斗瓣第五章挖掘机械四、机械传动系统机械式单斗挖掘机传动系统的组成：

1.主卷扬机构；

2.回转机构；

3.变幅机构；

4.换向机构；

5.行走机构。例：履带式单斗挖掘机的机械传动系统（图5-11）。第五章挖掘机械图5-11单斗挖掘机的机械传动1-发动机；2-主离合器；3-减速器；7-变幅卷筒轴；8、15、17-推压机构传动链轮；9-离合器；10-变幅卷筒；12-主卷扬轴；14、20-主卷筒离合器；16-右主卷筒；18-回缩钢索；19-推压钢索；21-推压卷筒；29-回转立轴；30-行走立轴；31、35-行走齿轮；33、36-行走链轮；34-驱动轮；37-行走水平轴；38-回转小齿轮；41-大齿圈；42-垂直轴；45、46、47-换向齿轮；48-换向机构水平轴；51-斗底开启卷筒第五章挖掘机械

发动机1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、两挡变速器43，经齿轮28、26分别将动力传给回转立轴29和行走立轴30。接合爪形离合器27，回转立轴29带动回转小齿轮绕固定的大齿圈41回转，从而带动回转平台回转。接合爪形离合器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，左右离合器32可将一边行走装置的动力切断而使机械转向。第五章挖掘机械第三节单斗液压挖掘机构造

单斗液压挖掘机由发动机、机架、传动系统、行走装置、工作装置、回转装置、操纵控制系统和驾驶室等组成。机架是整机的骨架，支承在行走装置上。

传动系是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。

液压系统由液压泵、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。第五章挖掘机械图5-12单斗液压挖掘机的总体结构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-回转支撑；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；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-驾驶室第五章挖掘机械一、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等工作装置。

1.反铲工作装置

图5-13反铲工作装置

1-斗杆油缸;2-动臂;3-液压管路;4-动臂油缸;5-铲斗;6-斗齿;7-侧齿;8-连杆;9-摇杆;10-铲斗油缸;11-斗杆第五章挖掘机械

反铲工作装置由动臂、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，组合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。第五章挖掘机械图5-14反铲铲斗结构

1-齿座；2-斗齿；3-橡胶卡销；4-卡销；5、6、7-斗齿板

铲斗形状和大小与作业对象有很大关系，结构如图5-14所示。铲斗斗齿结构如图5-15所示。

图5-15斗齿结构

a）螺栓连接方式；

b）橡胶卡销连接方式1－卡销；2－橡胶卡销；

3－齿座；4－斗齿第五章挖掘机械2.正铲工作装置单斗液压挖掘机的正铲工作装置（图5-16）由动臂2、动臂油缸1、铲斗5、斗底油缸4等组成。铲斗的斗底用液压缸开启，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。图5-16液压正铲工作装置

1动臂油缸；2-动臂；

3-加长臂;4-斗底开闭油缸;5-铲斗;6-斗杆;7-斗杆油缸；8-液压软管第五章挖掘机械3.抓斗工作装置根据作业对象的不同，液压抓斗结构型式有梅花抓斗（图5-17）和双颚式抓斗（图5-18）两种型式，双颚式抓斗多用于土方作业。图5-17梅花抓斗结构图图5-18双鄂式抓斗第五章挖掘机械4.液压锤液压锤是一种常用的换装工作装置（图5-19）。主要用来进行打桩、开挖冻土和岩层、破坏路面表层、捣实土壤等工作。图5-19液压锤第五章挖掘机械图5-20液压锤工作过程示意图图5-20所示为一种液压锤的工作过程。第五章挖掘机械二、回转装置液压挖掘机的回转装置由回转支承装置和回转驱动装置组成，用于支持和驱动回转平台。回转支承的主要结构型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，转速很慢，常用结构型式有单排球式（图5-21）和双排球式。

图5-21回转支承结构图1-回转驱动装置；2-回转支承；

3-外圈；4-内圈；5-钢球；

6-隔离体、7-上下密封圈第五章挖掘机械三、行走装置行走装置是挖掘机的支承部分，承载整机重量和工作载荷并完成行走任务，有履带式和轮胎式两种形式，常用的是履带式行走装置。

1.履带式行走装置的构造履带式行走装置（图5-23

）由行走架、中心回转接头、行走驱动装置、驱动轮、引导轮和履带张紧装置等组成。驱动轮沿着履带铺设的轨道滚动，从而驱动整台机器前进或后退。第五章挖掘机械

图5-23履带行走装置1-驱动轮；2-驱动轮轴；3-下支承架轴；4-履带架；5-托链轮；6-引导轮；

7-张紧螺杆8-支重轮；9-履带；10-履带销；11-链条；12-链轮第五章挖掘机械

行走架（图5-24）由X型底架、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。

图5-24履带行走架结构简图1－X型底架；2－履带架；3－回转支承底座；4－驱动装置固定座第五章挖掘机械

驱动轮的作用是把动力传给履带，要求能与履带正确啮合，传动平衡，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。行走驱动多数采用高速小转矩马达或低速大转矩液压马驱动，左右两条履带分别由两个液压马达驱动，独立传动。

图5-25所示为液压挖掘机的行走驱动机构，它由双向液压马达经一级齿轮减速，带动驱动链轮。

图5-25履带挖掘机行走机构1-液压马达；2-减速齿轮；3-链轮第五章挖掘机械2.轮胎式行走装置的构造行走液压马达直接与变速器相连接，动力通过变速箱由传动轴输出给前后驱动桥，再经轮边减速器驱动车轮（图5-26）

。

图5-26轮胎式挖掘机行走装置1-车架；2-回转支承；3-中央回转接头；4-支腿；5-后桥；

6-传动轴；7-液压马达及变速器：8-前桥第五章挖掘机械

轮胎式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（图5-27）。车桥与前桥4通过中间的摆动铰销铰接。铰的两侧设有两个悬挂液压油缸3，缸的一端与车架1连接，活塞杆端与前桥4连接。挖掘机工作时，液压缸的工作腔与油箱的通路切断，前桥的平衡悬挂处于锁住状态，提高了作业稳定性。行走时两个悬挂液压缸的工作腔与油箱接通，前桥便能适应路面的坡度上下摆动，使轮胎与地面保持足够的附着力。

图5-27摆动前桥机构示意图

1-车架；2-控制阀；3-悬挂液压缸；4-前桥；5-摆动铰销第五章挖掘机械四、液压控制系统单斗液压挖掘机的多种动作都是通过液压传动系统来实现。液压传动系统一般按主泵的数量、功率调节方式和回路的数量来分类。如：单泵或双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统、双泵双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型式。按油液循环方式还可分为开式系统和闭式系统。单斗液压挖掘机一般采用开式系统。原因是：液压挖掘机的油缸工作频繁，发热量大，而该系统各执行元件的回油直接返回油箱散热条件好，系统组成简单。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。第五章挖掘机械例：WY100型全液压挖掘机的液压系统采用双泵双回路定量系统。由径向柱塞泵8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，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。由执行元件返回的油进入合流阀13。通过操纵合流阀可以将第一分路的高压油并人第二分路的进油阀进行合流，也可以直接通到第二分路的回油部分回到油箱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组合阀，并进入限速阀5后流回油箱19。

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此液压系统的特点：①双泵双回路液压系统满足了挖掘机的两个执行元件同步动作的要求。②系统采用双泵合流，通过工况选择阀出来的液控油经过二位三通电磁阀进入合流阀的液控口，合流方便。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。④设有补油回路可防止液压马达由于回转制动或机器下坡时行驶超速而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，可保证马达工作可靠及有效制动。⑤液压系统总回路上设有背压阀，使液压系统的回油管中保持1.2～1.5MPa的压力，防止液压系统吸空。第五章挖掘机械第四节挖掘机电子控制系统简介

目前电子（微机）控制系统在挖掘机上主要用以实现的功能：（1）电子监控，故障自动报警及故障自动排除。（2）节能降耗，提高生产效率。（3）简化操作，降低劳动强度。（4）实现对柴油机的自动控制，如电子调速器、电子油门控制装置、自动停机装置、自动升温控制装置。（5）提高作业的自动化或半自动化程度。

对电控制系统的要求：能在-40～80℃的环境温度下可靠稳定地工作；具有较长的使用寿命；密封性能好；有较好的耐冲击和抗振动性能；有较强的抗干扰能力，系统能在各种干扰下可靠地工作。第五章挖掘机械

1、电子监控系统用以对挖掘机的运行进行监视，一旦发现异常能及时报警并指出故障的部位，可及早清除事故减少维修时间，提高作业效率。例：某挖掘机的电子监控系统电路（图5-29）系统由仪表盘、仪表、报警灯、蜂鸣器、控制器及传感器等组成。

仪表盘上装有16个指示灯（4个备用），用于指示某些开关的状态及故障报警，还装有5种仪表：发动机转速表、冷却水温表、燃油表、电压表及工作小时计等。

第五章挖掘机械2.电子功率优化系统液压挖掘机能量的平均总利用率仅为20％左右，巨大的能量损失使节能技术成为衡量液压挖掘机先进性的重要标志。采用功率优化系统（EPOS），对发动机和液压泵系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配，可以达到明显的节能效果。

EPOS是一种闭环控制系统，工作中它能根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率投入工作。这样既充分利用了发动机的功率，提高挖掘机的工作效率，又防止了发动机过载熄火。例：某挖掘机电子功率优化系统（图5-30）第五章挖掘机械

图5-30某液压挖掘机EPOS组成简图第五章挖掘机械

系统由柱塞泵斜盘角