第2章 液壓挖掘機簡介和電動化關鍵技術

2.1 液壓挖掘機概述

2.1.1 挖掘機分類

液壓挖掘機作為國家基礎建設的重要工程機械之一，已經廣泛應用于建筑、交通、水利、礦山以及軍事領域中，是工程機械的主力機種。挖掘機的類型很多，常用的分類和各類型的特點如下。

1）按土方斗數，挖掘機可分為單斗挖掘機和多斗挖掘機。其中，單斗液壓挖掘機是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進行挖掘作業的機械，是目前挖掘機械中最重要的品種。單斗液壓挖掘機由工作裝置、回轉機構及行走機構三部分組成。工作裝置包括動臂、斗桿及鏟斗。若更換工作裝置，還可進行正鏟、抓斗及裝載作業。上述所有機構的動作均由液壓驅動。

2）據其工作裝置的不同，挖掘機可分為正鏟、反鏟、拉鏟、抓鏟四種。正鏟挖掘機的鏟斗鉸裝于斗桿端部，由動臂支持，其挖掘動作由下向上，斗齒尖軌跡常呈弧線，適于開挖停機面以上的土壤。反鏟挖掘機的鏟斗也與斗桿鉸接，其挖掘動作通常由上向下，斗齒軌跡呈圓弧線，適于開挖停機面以下的土壤。拉鏟挖掘機的鏟斗呈畚箕形，斗底前緣裝斗齒。工作時，將鏟斗向外拋擲于挖掘面上，鏟斗靠重力切入土中，然后由牽引索拉曳鏟斗挖土，挖滿后由提升索將鏟斗提起，轉臺轉向卸土點，鏟斗翻轉卸土。可挖停機面以下的土壤，還可進行水下挖掘，挖掘范圍大，但挖掘精確度差。抓鏟挖掘機的鏟斗由兩個或多個顎瓣鉸接而成，顎瓣張開，擲于挖掘面時，瓣的刃口切入土中，利用鋼索或液壓缸收攏顎瓣，挖抓土壤。松開顎瓣即可卸土。用于基坑或水下挖掘，挖掘深度大；也可用于裝載顆粒物料。

3）按整車的噸位，挖掘機可分為迷你型（4t以下）、小型（4~10t）、中型（10~40t）和大型（40t以上）。日本神鋼推出的Kobelcoss-60迷你型挖掘機，整機寬約0.5m、重250kg、履帶寬14cm，主要用來做玩具和在室內地下室挖管道。該機是電動的，有110V和240V兩種供電模式，整機功率僅2.6kW。大型挖掘機的功率較大，比如，特雷克斯推出的大型液壓挖掘機RH400，由柴油機驅動，也有電動機驅動。第一臺大型液壓挖掘機（830t）于1997年制造，柴油機版使用了兩臺Cummins QSK60-C柴油機（16缸，渦輪增壓），油箱容量為16000L。整機質量1008t，最大功率3235kW，鏟斗容量43.58m³。目前，液壓挖掘機的質量從數百千克至數百噸，斗容量從0.01m³到50多m³，其質量比高達1000倍左右，開發范圍相當寬廣，生產量在不斷擴大。提高機械化程度，大幅度提高生產率，降低人工費用，成為目前挖掘機行業的主要目標。特別是近年來，建筑開發周期縮短，對施工機械要求更高，使得微型液壓挖掘機得到了較快的發展，小型挖掘機已達到世界總產量的20%左右。而大型液壓挖掘機以同樣的速度得到發展，從100t級到800t級，用于大型礦山和建設工程的超大型液壓挖掘機不斷被開發和生產。以前普通工程施工常用的10t級挖掘機逐步被20t級代替，以提高工作效率。

4）按行走形式，挖掘機可分為輪式挖掘機和履帶式挖掘機。如圖2-1所示，輪式挖掘機移動方便，行走速度快，一般時速可達到40~50km/h，一般不會破壞路面；但其使用范圍狹窄，多以路政或者市內工程為主，不能進入礦山或者泥濘地帶，爬坡能力差。履帶式挖掘機的優勢主要集中到底盤方面。因履帶與地面接觸面積大，所以在泥濘、濕地等容易陷進去的地方比較好用，所以，履帶挖掘機的使用范圍比較廣泛；另外，因履帶是金屬制品，在礦山或者工況惡劣的地方也能勝任挖掘作業，越野能力強。但是，履帶挖掘機的移動性不好，最高設計時速僅5~7km/h，長距離移動一般只能依賴板車運輸。

2.1.2 挖掘機發展歷程

最初的挖掘機是手動的，從發明到現在已經有約140年的歷史，期間經歷了由蒸汽驅動回轉挖掘機到電力驅動和內燃機驅動回轉挖掘機、應用機電液一體化技術的全自動液壓挖掘機的逐步發展過程。第一臺液壓挖掘機由法國波克蘭工廠發明成功。由于液壓技術的應用，20世紀40年代，研制出了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。1951年，第一臺全液壓反鏟挖掘機由位于法國的Poclain（波克蘭）工廠推出，從而在挖掘機的技術發展領域開創了全新空間。20世紀50年代初期和中期，相繼研制出拖式全回轉液壓挖掘機和履帶式全液壓挖掘機。初期試制的液壓挖掘機采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于挖掘機各種工況的液壓元件，制造質量不夠穩定，配套件也不齊全。從20世紀60年代起，液壓挖掘機進入推廣和蓬勃發展的階段，各國挖掘機制造廠和挖掘機品種增加很快，產量猛增。1968—1970年，液壓挖掘機產量已占挖掘機總產量的83%，目前已接近100%。

第一代挖掘機：電動機、內燃機的出現，使挖掘機有了先進而合適的驅動裝置，于是各種挖掘機產品相繼誕生。1899年，第一臺電動挖掘機誕生。第一次世界大戰后，柴油發動機也應用在挖掘機上。這種柴油發動機（或電動機）驅動的機械式挖掘機是第一代挖掘機。

第二代挖掘機：隨著液壓技術的廣泛使用，使挖掘機有了更加科學適用的傳動裝置，液壓傳動代替機械傳動是挖掘機技術的一次重大飛躍。1950年，德國生產的第一臺液壓挖掘機誕生了。機械傳動液壓化是第二代挖掘機。

第三代挖掘機：電子技術尤其是計算機技術的廣泛應用，使挖掘機有了自動化的控制系統，也使挖掘機向高性能、自動化和智能化方向發展。機電一體化的萌芽約發生在1965年前后，而在批量生產的液壓挖掘機上采用機電一體化技術則是在1985年前后，當時主要目的是為了節能。挖掘機電子化是第三代挖掘機的標志。

（1）國外

挖掘機的發展史可追溯到19世紀三四十年代。1833—1835年，美國費城的鐵路工程師威廉·奧蒂斯（William Otis）設計和制造了一臺以蒸汽機驅動、安裝在鐵路平車上的吊臂式單斗挖掘機（圖2-2），成為現代挖掘機的鼻祖。其采用鐵木混合結構，吊臂回轉依然靠人力用繩牽引，通過不斷延伸鐵軌實現帶狀開挖，因此被稱為鐵路鏟（蒸汽鏟）。但由于奧蒂斯英年早逝，以及專利保護費用少、人力成本低廉等因素，奧蒂斯式蒸汽鏟沒有推廣應用。

法國于1860年生產了世界上最早的、結構比較成熟的多斗挖掘機（圖2-3），用于蘇伊士運河開挖工程。

直到1870年以后，美國大規模建設鐵路，蒸汽鏟的發展進入黃金時代，性能得到不斷改進，開始應用于鐵路建設、開挖運河、露天礦剝離等領域。

1880年，出現了一批以拖拉機為底盤的半回轉式蒸汽鏟。

19世紀末，斗輪挖掘機在德國褐煤采掘中得到廣泛應用；至1958年，每個鏟斗容量已達3600L。

1889年，美國生產的多斗挖溝機可挖寬0.29m、深1.4m的溝渠。

1910年，美國出現了第一臺電動機驅動的蒸汽鏟（圖2-4），并開始應用履帶行走裝置。

1912年，出現了汽油機和煤油機驅動的全回轉式蒸汽鏟。

1916年，出現了柴油發電動機驅動的蒸汽鏟。

1924年，柴油機直接驅動挖掘機開始用于單斗挖掘機上。此后，隨著汽車工業的發展，輪胎式底盤開始逐步應用于小型挖掘機。

隨著液壓技術的應用，1951年，法國Poclain（波克蘭）公司推出世界上第一臺全液壓挖掘機。1927年，波克蘭公司創始人——喬治·巴塔伊（Georges Bataille）和工程師安東尼·萊杰合伙成立公司，主要業務為修理農用機械；1930年，公司改名為波克蘭制造公司。該公司從1948年開始制造小型輪式挖掘機，員工數量增至120人。1951年10月，波克蘭制造公司研制了一臺正鏟液壓挖掘機（圖2-5），它采用道奇4×4改裝的輪式底盤，前部為汽車駕駛室，后部為液壓挖掘機。由控制臺、機械臂、鏟斗等組成的上車體圍繞底盤后軸上方的立柱旋轉，正方形鏟斗容積約1m³。

1953年，德國利勃海爾生產了世界上第一臺全回轉液壓挖掘機（圖2-6）。

1961年，波克蘭制造公司推出的TY45型輪式液壓挖掘機（圖2-7）采用獨特的前三輪式底盤，總功率48馬力（1馬力=735W），質量10t，該機型至1982年共銷售了3萬臺。1974年，波克蘭制造公司的挖掘機業務被美國凱斯集團兼并，僅保留了液壓元件業務。凱斯集團創立于1842年，是世界上第一家生產蒸汽機式脫粒機的企業，1912年開始生產蒸汽壓路機、平地機等產品。1957年，凱斯集團收購了印第安那州的美國拖拉機公司，當時，這家公司已經開發出了履帶式液壓挖掘機。

1977年，德國制造了當時世界上最大的斗輪挖掘機（圖2-8），其生產率為24萬m³/d。

（2）國內

1）20世紀五六十年代。我國挖掘機生產起步較晚，1954年，經過有志之士們的不懈努力，我國第一臺機械式挖掘機在撫順礦務局機電廠試制成功。1956年，在國慶典禮上展出了撫順挖掘機廠生產的1m³履帶式正鏟挖掘機。

1963年，通過吸取各方液壓技術的經驗，我國第一臺履帶式液壓挖掘機終于在撫順挖掘機制造廠研制成功。此后，全國陸續有多家企業研發出液壓挖掘機。到20世紀60年代末，我國挖掘機生產廠家共有14家，形成了2個系列8個等級20多個型號的產品。主要產品有上海建筑機械廠的WY100型、貴陽礦山機器廠的W4-60型、合肥礦山機器廠的WY60型挖掘機（輪式鋼繩提拉挖掘機）。不過，當時我國液壓挖掘機的技術還不十分成熟。

2）20世紀七八十年代。20世紀70年代后，長江挖掘機廠生產了WY160型挖掘機，杭州重型機械廠生產了ZY250型挖掘機等產品。它們使我國液壓挖掘機行業的形成和發展，邁出了極其重要的一步。到了20世紀80年代，我國進入了基建大發展時期，國產的挖掘機無論從數量上還是質量上，都難以滿足市場需求，不少挖掘機企業開始引進德國利勃海爾公司的技術。引進技術后，國內的企業通過多年的消化、吸收和移植，使國產液壓挖掘機的性能指標，基本達到國際20世紀80年代初期的水平，產品產量也逐年提高。到20世紀80年代末，我國挖掘機生產廠已有30多家，形成了包括撫順挖掘機廠、北京建筑機械廠、上海建筑機械廠、合肥礦山機器廠、貴陽礦山機器廠和長江挖掘機廠等在內的行業骨干企業。中小型液壓挖掘機已形成系列，生產的產品型號達到30多個。

3）20世紀90年代。由于當時挖掘機技術的引進多側重于產品圖樣、工藝等，卻忽視了加工設備等硬件的引進。所以，到了20世紀90年代初，我國自主品牌挖掘機的內燃發動機、液壓件等關鍵零部件的短板開始凸顯，液壓挖掘機與世界先進水平相比，一度縮小的差距又拉大了。很快，經過市場的檢驗，業內許多廠家紛紛意識到了這個問題，開始尋求解決之道。

于是，在20世紀90年代，國內挖掘機行業掀起了與外國廠商合資生產的熱潮。外資企業的加入，帶來了先進的技術與管理模式，迅速推動了我國挖掘機行業的發展和壯大，使得我國的液壓技術水平與生產規模進入了一個新的發展階段。

隨著國內對液壓挖掘機需求量的不斷增加，不少其他機械行業的制造廠看好并加入液壓挖掘機行業。這些企業借助自身多年從事工程機械制造的豐富經驗和雄厚實力、廣泛和有效的銷售網絡，發展極快，打破了多年主要由少數幾家挖掘機制造企業壟斷國內液壓挖掘機市場的局面。例如，玉柴機器股份有限公司20世紀90年代初開發的小型液壓挖掘機，連續多年批量出口到歐洲、美國等國家和地區，成為我國挖掘機行業唯一能批量出口的企業。

4）21世紀以來。在積累學習國外優秀經驗，專注研發創新技術近半個世紀之后，我國自主品牌的挖掘機終于開始崛起。21世紀以來，我國挖掘機行業進入跨越式發展階段，國產品牌逐漸憑著優秀的品質與具有競爭力的價格，涌現出了一大批如三一、徐工、中聯、柳工、臨工、龍工、廈工、山河智能和雷沃等優秀的中國挖掘機品牌，打破了多年來外資品牌市場壟斷的局面，并逐漸進入國際市場。2018年，我國自主品牌的挖掘機每月出口銷量均在千臺以上，全年出口量增幅達97.5%。根據中國工程機械工業協會數據顯示，截至2018年，三一挖掘機在國內市場的銷量領先第二名的卡特彼勒10個百分點，而徐工與柳工則以國內市場銷量的11.5%、7%占據國內市場銷量第三和第五的位置。

2.1.3 挖掘機液壓系統的基本動作分析

如圖2-9所示，以日立ZAXIS200中型挖掘機為例說明液壓挖掘機的工作原理及特點。液壓挖掘機的執行機構包括行走機構、上車機構、動臂、斗桿和鏟斗等，分別由左行走馬達、右行走馬達、回轉馬達、動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸等驅動。由內燃發動機驅動兩個液壓泵，并將壓力油輸送到兩組多路閥中，操縱多路閥，將壓力油送往直線運動與旋轉運動的元件，以完成挖掘、回轉、卸載、返回及行走等動作。

其工作循環主要包括：

（1）挖掘

一般以斗桿液壓缸動作為主，用鏟斗液壓缸調整切削角度，配合挖掘。必要時（如鏟平基坑底面或修整斜坡等有特殊要求的挖掘動作），鏟斗、斗桿、動臂三個液壓缸須根據作業要求復合動作，以保證鏟斗按特定軌跡運動。

（2）滿斗提升及回轉

挖掘結束時，鏟斗液壓缸伸出，動臂液壓缸頂起，滿斗提升。同時，回轉液壓馬達轉動，驅動回轉平臺向卸載位置旋轉。

（3）卸載

當轉臺回轉到卸載位置時，回轉停止。通過動臂液壓缸和鏟斗液壓缸配合動作調整鏟斗卸載位置。然后，鏟斗液壓缸內縮，鏟斗向上翻轉完成卸載。

（4）返回

卸載結束后，轉臺反轉，配以動臂液壓缸、斗桿液壓缸及鏟斗液壓缸的復合動作，將空斗返回到新的挖掘位置，開始下一個工作循環。