单斗挖掘机

单斗挖掘机（Single-Bucket Excavator）指的是依靠在动臂上装置的单个铲斗进行周期式挖掘作业的施工机械。^[1]

最早的挖掘机诞生于19世纪后期，由威廉·史密斯奥蒂斯（William Smith Otis.）发明。^[3]中国在1954年，生产出第一台机械式单斗挖掘机。^[9]单斗挖掘机主要由工作装置、回转装置、行走装置、传动系统、操纵系统及机棚等设备组成。^[7]其工作原理是通过操纵斗杆、铲斗液压缸等装置，完成挖掘装斗、提升回转等各项作业。^[6]

单斗挖掘机具有挖掘力度大、使用范围广及生产效率高等特点，是挖掘机中使用最普遍的机械，^[6]被广泛应用于露天矿的各种土质和软硬矿岩的铲装作业及水利、建筑和修路等工程的铲装、排土和倒堆作业中。^[2]同时，单斗挖掘机具有多种类别，可根据其工作对象的不同分为反铲单斗挖掘机、正铲单斗挖掘机、拉铲单斗挖掘机及抓铲单斗挖掘机等，^[10]在施工作业中常用的单斗挖掘机为正铲单斗挖掘机。^[10]

未来，单斗挖掘机将主要朝着智能化方向发展，截止2023年，电子计算机控制的疲劳强度分析、微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上已经得到了广泛应用。^[11]

最初挖掘工作是手动的，直到19世纪后期，威廉·史密斯·奥蒂斯（William Smith Otis.）发明了第一台蒸汽动力挖掘机。这时候的挖掘机借用蒸汽机为铲斗提供动力，每小时可以挖掘50立方米的土壤，主要被用来建造运河、公路和铁路。^[3]

19世纪后期，随着铁路建设的扩大，单斗挖掘机开始广泛使用。在俄罗斯，1901年普提洛夫工厂(现列宁格勒基洛夫工厂)开始生产单斗挖掘机。1910年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机。^[12]

1912年，出现了带内燃机的全回转履带式挖掘机，1916年出产了柴油发电机驱动的单斗挖掘机。其中全回转中功率挖掘机是安装在铁路底盘上的，20世纪20年代首次用于露天矿开采。^[12]

1931年，苏联开始组织挖掘机生产。1947年，乌拉尔重型机械制造厂在世界上率先开始批量生产斗容量为3-5立方米的露天挖掘机。1958年该厂生产出斗容量25立方米、臂架长100米的行走式拖绳挖掘机。^[12]

1951年，法国波克兰（Poclain）公司研制出第一台液压挖掘机。液压挖掘机使用液压动力来移动机械臂和铲斗，使得液压挖掘机更加精确、高效。液压挖掘机出世后，迅速成为建筑行业的标配，至今仍被广泛使用。^[13]

中华人民共和国成立初期的20世纪50年代，以测绘仿制前苏联的单斗挖掘机为主。直到1954年，抚顺挖掘机厂生产出中国第一台斗容量为1m³的机械式单斗挖掘机。^[9]

由于国家经济建设的需要，中国随后又发展10余家厂生产挖掘机，到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台，后又延续生产到八十年代初。^[14]

1967年，中国开始开发研制液压挖掘机，早期开发成功的液压挖掘机主要有上海建筑机械厂的WY100，贵阳矿山机器厂的W4-60，合肥矿山机器厂的 WY60等。到七十年代末八十年代初，出现了长江挖掘机厂的 WY160和杭州重型机械厂的WY250等液压挖掘机产品。^[14]

从20世纪60年代开始，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展的阶段。各国挖掘机生产厂家和品种迅速增加，产量猛增，液压挖掘机制造水平和产量最高的是美国、联邦德国和法国。中国的液压挖掘机发展是从上世纪50年代引进当时苏联40年代的机械式液压挖掘机开始的。^[15][16]

1987到1993年，中国对挖掘机的需求量不断提高，新挖掘机企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产品批量或小批量的投放中国市场或出口，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断中国挖掘机市场的局面，形成了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。^[14]

20世纪70年代以来，单斗挖掘机在品种和数量上都得到了迅速发展，现在生产单斗挖掘机的厂商主要有卡特彼勒、小松及徐工集团等。^[17][18]随着挖掘机技术的不断发展，自2000年以来，中国挖掘机市场的销量以超常规的速度增长着2000年中国国内所有挖掘机生产企业销售量之和为7926台，2003年则达到了34800台。^[14]

单斗挖掘机主要由工作装置、回转装置、行走装置、传动系统、操纵系统、机棚 、机架等组成。^[7]

单斗挖掘机的工作装置主要有铲斗、连杆、摇杆、斗杆和动臂等，各个部件用铰jiǎo销铰接起来，通过三个油缸伸缩配合，实现挖掘机的挖掘、提升和卸土等作业动作。单斗挖掘机的工作装置可以根据作业对象和施工要求进行选择、更换。常用的工作装置有正铲、反铲、抓斗、起重等。^[19]其中正铲挖掘机是单斗挖掘机中最主要的型式，主要挖掘停机面以上的物料，其挖掘能力较大。反铲挖掘机主要用于挖掘停机面以下的物料和边坡危岩的清理。索铲挖掘机主要挖掘停机面以下的物料，特别适合水下作业。^[20]

回转装置是由回转驱动装置和回转支撑组成的。^[19]回转支撑连接平台与行走装置，承受平台上的各种弯矩、扭矩和载荷。采用单排滚珠式回转支承，由外圈、内圈、滚球、隔离块和上下封圈等组成。滚球之间用隔离块隔开，内圈固定在行走架上，外圈固定在回转平台上。回转平台上布置有回转支承、回转驱动装置、柴油箱、液压油箱、多路控制阀、液压泵装置、发动机等部件。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连接，回转驱动装置使平台相对底盘360°全回转，从而带动工作装置绕回转中心转动。^[21]

单斗挖掘机的行走装置是整个挖掘机的支承部分，支承整机自重和工作荷载，完成工作性和转场性移动。一般分为履带式和轮胎式。履带式行走装置由行走架、中心回转接头、行走驱动装置、驱动轮、托链轮、支重轮、引导轮和履带及履带张紧装置等组成，其特点是牵引力大、接地比压小、转弯半径小、机动灵活，但行走速度慢，通常在0.5～0.6km/h，转移工地时需用平板车搬运；轮胎式行走装置有多种形式，采用轮式拖拉机底盘和标准汽车底盘改装的单斗液压挖掘机斗容量小。对斗容量0.5m3以上的较大斗容量，工作性能要求较高的轮胎式挖掘机采用专用底盘。^[21]

动力装置是发动机，多采用直立式多缸、水冷、一小时功率标定的柴油机，称为原动力（发动机）装置。发动机利用燃料燃烧后产生的热能使气体膨胀以推动曲柄连杆机构运转，并通过液压传动机构和执行机件驱动挖掘机工作。由于这种机器的燃料燃烧是在发动机内部进行的，所以称为内燃机。挖掘机上使用的内燃机，大多数是往复活塞式内燃机，即燃料燃烧产生的爆发压力通过活塞的往复运动，转变为机械动力，主要包括汽油机、柴油机、煤气机、天然气机等。^[22]

单斗挖掘机的动力装置是整机的动力源，大多采用的是水冷却多缸柴油机。^[7]动力传动系统是将柴油机输出动力通过液压系统传递给工作装置、回转装置和行走机构等。由柴油发动机、液压泵、分配阀、中央回转接头、动臂油缸、斗杆油泵、回转马达、行走马达等组成。^[19]

单斗挖掘机的操纵系统是用来操纵工作装置、回转装置和行走装置的动作，包括电气操纵机构，压气操纵系统等。^[7]如压气操纵系统由专用的空压机供给压缩空气，通过控制阀，使压气进入汽缸，驱动汽缸中的活塞，再由活塞杆通过杠杆机构来操纵各机构的离合器或制动器动作。压气操纵方式在中小型挖掘机上使用较为广泛，这是因为气体有可压缩性，操纵较平稳，对机构的动负荷小，操作安全可靠，在低温条件下可以照常工作。^[23]

辅助装置主要是由挖掘机的驾驶室、液压油箱、机棚、柴油箱及蓄电池等部件组成。驾驶室是驾驶员进行整机控制的地方，包括挖掘机的前进，后退及各项作业的完成；蓄电池负责给全车提供电力，包括照明等；^[19]单斗挖掘机的机棚是用来盖住发动机、传动系统和操纵系统，其中有一部分作为驾驶室；机架是整机的装配基础,除了行走装置以外，其它部分都装在机架下面。^[7]

单斗挖掘机执行机构包括行走机构、回转机构、动臂、斗杆和铲斗等，分别由左行走液压马达、右行走液压马达、回转液压马达、动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸驱动。由发动机驱动两个液压泵，并将压力油输送到两组多路阀中，操纵多路阀，将压力油送往直线与旋转运动的元件，以完成挖掘、回转、卸载、返回及行走等动作。其工作循环主要包括以下4种动作：^[24]

1.挖掘。一般以斗杆液压缸动作为主，用铲斗液压缸调整切削角度，配合挖掘。必要时（如铲平基坑底面或修整斜坡等有特殊要求的挖掘动作），铲斗、斗杆、动臂三个液压缸须根据作业要求复合动作，以保证铲斗按特定轨迹运动。^[24]

2.满斗提升及回转。挖掘结束时，铲斗液压缸推出，动臂液压缸顶起，满斗提升。同时，回转液压马达转动，驱动转台向卸载位置旋转。^[24]

3.卸载。当转台回转到卸载位置时，回转停止。通过动臂液压缸和铲斗液压缸配合动作调整铲斗卸载位置。然后，铲斗液压缸内缩，铲斗向上翻转卸载。^[24]

4.返回。卸载结束后，转台反转，配以动臂液压缸、斗杆液压缸及铲斗液压缸的复合动作，将空斗返回到新的挖掘位置，开始下一个工作循环。^[24]

按照单斗挖掘机传动类型的不同，单斗挖掘机可以分为机械式单斗挖掘机和液压式单斗挖掘机。^[2]

机械式单斗挖掘机比较适用于高强度的作业，广泛应用于露天矿的各种土质和软硬矿岩的铲装作业，也可以用于水利、建筑和修路等工程的铲装、排土和倒堆作业。另外机械单斗挖掘机的工作装置稍加改装可以作为吊车使用。^[2]

液压单斗挖掘机(简称液压铲)具有动作灵活，行速较快等特点，可以比较准确地控制铲斗的插入和撬动，在需要选别回采时下铲准确。^[2]单斗液压挖掘机工作装置铰销式结构是最常用的结构型式，即动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆及油缸等部件彼此用铰销铰接，通过三个油缸伸缩配合，实现挖掘机的挖掘、提升和卸土等作业动作。^[19]

但由于液压系统比较复杂，矿山工作条件又比较恶劣，特别是高压系统元件寿命短，维修比较困难。因此，液压铲多数用于比较松软的煤矿、爆后采矿场和表土中作业，还用于农田水利、工民建、港口及国防等工程。^[2]

按照单斗挖掘机工作对象的不同，单斗挖掘机可以分为反铲单斗挖掘机、正铲单斗挖掘机、拉铲单斗挖掘机及抓铲单斗挖掘机。^[10]

反铲单斗挖掘机能用来开挖停机面以下的土料，挖土时由远而近，就地卸土或装车，适用于中、小型沟渠清基、清淤等工作。反铲单斗挖掘机的稳定性及铲土能力均比正铲差，只用来挖Ⅰ～Ⅱ级土，硬土要先进行预松。^[10]其最大开挖深度可达4～8m，经济合理的挖土深度为1.5～3.0m，对地下水位较高处的土壤也适用。^[25]

反铲的斗容有 0.5m3、1.0m3、1.6m3几种，最大斗容已超过3m3。在沟槽开挖中，在沟端站立倒退开挖，当沟槽较宽时，采用沟侧站立，侧向开挖。^[10]

正铲单斗挖掘机主要由支杆、斗柄、铲斗、拉杆、提升索等构件组成。正铲单斗挖掘机是通过推压和提升来完成挖掘的，开挖断面是弧形，最适于挖停机面以上的土方，也能挖停机面以下的浅层土方。其具有稳定性好，铲土能力大等特点，可以挖各种土料及软岩、岩渣进行装车。^[10]在路基工程施工中，正铲挖掘机可以用来开挖路堑、取土坑取出、开挖基坑及采料场采料等土石方作业。由于正铲挖掘机不便于转移，一般多用于较大型的路基工程。^[25]

正铲单斗挖掘机是循环式开挖，由挖掘、回转、卸土、返回构成一个工作循环，生产率的大小取决于铲斗大小和循环时间长短。^[10]

拉铲单斗挖掘机的铲斗用钢索控制，利用臂杆回转将铲斗抛至较远距离，回拉牵引索，靠铲斗自重下切铲土装满铲斗，然后回转装车或卸土。^[10]拉铲单斗挖掘机在作业时，只依靠自身的重量切入土中，因此只适宜于开挖Ⅰ～Ⅱ级土壤。拉铲单斗挖掘机也可在湖湿的取土坑中取土，但不能用于挖掘冻土及挖装岩石，其挖掘半径、卸土半径、卸土高度较大，适用于水下土砂及含水量大的土方开挖，广泛应用于大型渠道、基坑及水下砂卵石开挖中。^[25]

开挖方式有沟端开挖和沟侧开挖两种，当开挖宽度和卸土半径较小时，用沟端开挖；开挖宽度大，卸土距离远，用沟侧开挖。^[10]

抓铲单斗挖掘机能在回转半径范围内开挖基坑上任何位置的土方，并可在任何高度上卸土（装车或弃土），抓铲单斗挖掘机主要是依靠铲斗自由下落中斗瓣分开切入土中，抓取土料合瓣后提升，回转卸土。^[10]

但抓铲单斗挖掘机只能垂直向下作内，其挖掘范围局限于最小和最大挖掘半径之内，所以适宜挖掘狭窄而较深到基坑、深槽、沉井、清理河泥等，最适宜于水下挖土。由于抓铲挖掘机是靠铲斗下落的冲击力来切土，因此主要用于土质比较松软（Ⅰ～Ⅱ级）的土壤中作业。^[25]

按照单斗挖掘机行走装置的不同，单斗挖掘机可以分为履带式单斗挖掘机、轮胎式单斗挖掘机、步履式单斗挖掘机及轨行式单斗挖掘机。^[8][21]

履带式行走装置由行走架、中心回转接头、行走驱动装置、驱动轮、托链轮、支重轮、引导轮和履带及履带张紧装置等组成。履带行走装置的特点是牵引力大、接地比压小、转弯半径小、机动灵活，但行走速度慢，通常在0.5～0.6km/h，转移工地时需用平板车搬运。^[21]

轮胎式行走装置有多种形式，采用轮式拖拉机底盘和标准汽车底盘改装的单斗液压挖掘机斗容量小。对斗容量0.5m3以上的较大斗容量，工作性能要求较高的轮胎式挖掘机采用专用底盘。^[21]当土石方工程量不大而必须采用挖掘机施工时，可选用机动性好的轮胎式单斗挖掘机。^[19]

步履式单斗挖掘机主要用于房屋基槽、各类管道、电缆沟等。具有性能优良，结构特别简单紧凑，重量轻等特点。^[8][21]

机电一体化技术是将电子技术和机械技术融为一体的技术。机电一体化技术是一门集机械技术、自动控制技术、传感监测技术、伺服传动技术等为一体交叉系统技术。在传统的挖掘机中，只是简单的利用电子技术进行工作，利用机电一体化技术能将液压挖掘机和电子信息技术有效地结合在一起，液压挖掘机在运行过程中，操作人员可以通过对计算机或者电子计算机进行控制，能够提高其工作的效率。^[26]

液压传动具备功率密度高、 结构参数小、传动配置方便、扭矩大和可靠性等特点，广泛应用工程机械各个领域，其作用是驱动行走机构和操控工作装置作业。挖掘机中的闭式液压系统通常由柱塞泵、控制阀、马达和液压油缸组成，系统压力通常在25~40MPa。液压技术在挖掘机应用过程中，极大地提高了挖掘机的挖掘力和工作效率。^[27]

单斗挖掘机的基本参数主要包括：整机质量、标准斗容量、发动机功率、行走机构的行走速度和爬坡能力、作业循环时间、最大挖掘力、最大挖掘半径、最大卸载高度和最大挖掘深度等。^[28]

整机质量

整机质量是指整机处于工作状态下的质量。^[28]

标准斗容量

标准斗容量指的是按铲斗内壁尺寸计算的平装斗容量和堆积部分的体积之，平装斗容量和堆积部分的分界面称为标定面，标定面可能是平面，也可能是曲面。^[28]各种斗容的挖掘机应达到的指标：^[29]

挖掘机类型挖掘机斗容（m³）1.62.03.04.06.0电动挖掘机台班生产能力（t）50070010001300——台年生产能力（万t）25354560——液压挖掘机台班生产能力（t）——850140020003000台年生产能力（万t）——456590135

发动机功率

发动机功率指的是发动机的额定功率（12h工作），即在给定转速和标准状况下，除本身及全部附件（包括风扇、散热器、空气滤清器、消声器、发电机、空压机等）消耗以外的净功率，计量单位为kW（千瓦）。^[28]

爬坡能力

挖掘机以最大节气门进行爬坡，直至发动机最大功率输出或轮胎、履带滑移为止，最后折算出的最大爬坡角度或百分比，称为该机爬坡能力。^[28]

最大挖掘高度

最大挖掘高度指的是工作装置处于最大举升高度时，铲斗齿尖到停机面的距离，计量单位为m（米）。^[28]

最大挖掘半径

最大挖掘半径指的是在挖掘机纵向中心平面上，铲斗齿尖距机器回转中心的最大距离，计量单位为m（米）。^[28]

最大挖掘深度

最大挖掘深度指的是从动臂处于最低位置时，斗齿尖、铲斗和斗杆铰点中心，斗杆和动臂铰点中心这三点在一条直线上，且垂直于停机面时，斗齿尖与停机面的最大距离，计量单位为m（米）。^[28]

单斗挖掘机在建筑、筑路、水利、电力、采矿、石油、天然气和国防建设等施工中被广泛使用，一般与自卸汽车配合作业。其主要用途如下：在建筑工程中开挖建筑物基础坑，拆除旧建筑物等；在筑路工程中开挖路堑，填筑路堤，桥梁基坑、城市道路两侧的各种管道沟（下水管道沟、煤气、天然气、通讯、电力管道沟等）的开挖作业；^[30]在水利工程中开挖沟渠、河道，在露天采矿工程中用来进行剥离表土和矿物的挖装作业；^[31]更换工作装置后还可进行浇筑、起重、安装、打桩、夯土和拔桩等工作。^[6]

单斗挖掘机比较适于高强度作业，广泛用于露天矿的各种土质和软硬矿岩的铲装作业。^[2]如在矿山生产中，单斗挖掘机可以配备各种不同的工作装置，进行多种形式的上方挖掘、倒装及土石的铲装工作。^[32]

单斗挖掘机可用于水利、建筑和修路等工程的排土和倒堆作业。此外，其工作装置稍加改装可作为吊车使用。^[2]如在建筑工程中，单斗挖掘机可以挖掘基坑、沟槽，清理和平整场地，且更换工作装置后还可以进行破碎、装卸、起重、打桩等作业任务。^[30]

在砂石料场开采中，单斗挖掘可以进行砂石料等的挖掘、开采及运输等工作。^[31]

挖掘机领域为符合国家和国际上提倡的发展理念、在竞争市场中获得更广阔的发展空间，对节能技术的研究越来越重视。截止2020年，对挖掘机动力系统的节能技术研究主要包括：在回转部分应用纯电力驱动，将主电机设置在发动机和主泵之间，主电机的作用是对发动机的功率进行平衡，使其在工作时一直处于最佳工况，燃油的消耗能够有所降低；新能源动力方面，电动挖掘机取消了燃油系统，采用可充电的蓄电池予以代替，蓄电池可以通过外置充电机进行定时充电，在能源节约上十分有效，还可以减少维护方面产生的费用等^[33]

智能无人驾驶与远程遥控技术是安装在车身和工作设备周围的多个摄像头和传感器，将施工场景显示在360度监视器和远程控制台的显示器上。操作员可以不用坐在驾驶室内利用模拟器的控制单元平台就能操作挖掘机，通过远程遥控来降低故障发生，并使用人工智能（AI）和摄像机进行自动驾驶，提高现场生产率。^[34]

液压系统向变量系统转变。变量系统在油泵工作过程中，当压力减小时和增大流量时，能够使液压泵功率保持恒定，即装有变量泵的液压挖掘机可经常性的充分利用油泵的最大功率。另外液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机上的应用与推广创造了条件。^[35]

工业发达国家的挖掘机生产较早，如法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m³单斗液压挖掘机的主要生产国，从20 世纪80年代开始生产特大型挖掘机。如：美国马利昂公司生产的斗容量50-150m³剥离用挖掘机；B-E(布比赛路斯一伊利)公司生产的斗容量168.2m³的步行式拉铲挖掘机等。20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化、自动化及提高挖掘机可靠性，延长使用寿命等方向发展。^[11]

单斗挖掘机产品型号编制方法如下表，如WL160——轮式挖掘机，其整机重量16t。大多数挖掘机的编号依厂家而定，如小松——PC200；日立——EX420；加腾——HD820。^[7]

中国山推工程机械股份有限公司的前身是成立于1952年的烟台机器厂，1966年烟台机器厂迁址济宁市改名济宁机器厂，1980年，济宁机器厂、济宁通用机械厂和济宁动力机械厂三家企业合并组建山东推土机总厂。1993年成立山推工程机械股份有限公司，属于国有股份制上市公司，是山东重工集团权属子公司，总部位于山东省济宁市。山推集团产品覆盖推土机系列、道路机械系列、混凝土机械系列、装载机系列、挖掘机系列等十多类主机产品和底盘件、传动部件、结构件等工程机械配套件。^[4]

中国广西柳工集团有限公司（以下简称“柳工集团”）创建于1958年，是国有资产授权经营方式组建的大型装备制造业国有企业，核心企业为广西柳工机械股份有限公司。其产品覆盖土方机械、路面施工、电动工程机械、无人驾驶工程机械、起重机械、高空作业平台、混凝土设备、预应力业务等方面。^[5]

中国河北宣化工程机械股份有限公司（简称河北宣工）隶属于世界500强河钢集团，始建于1950年，是中国生产制造推土机等工程机械系列产品及零部件的国有企业。宣工集团的产品遍及全国并远销俄罗斯、南美、东南亚、非洲、中东等海外五十多个国家和地区。^[36]

美国卡特彼勒Caterpillar重工集团创立于1904年。卡特彼勒在全球各大洲开展业务，公司运营主要涉及三大业务板块：建设行业、资源行业、能源和交通行业，并通过金融产品业务板块提供融资及相关服务。卡特彼勒公司是工程机械、矿用设备、非道路用柴油和天然气发动机、工业用燃气轮机以及内燃电传动机车领域的全球卓越制造企业，2022年全球销售和收入总额为594亿美元。^[17]

日本小松集团创立于1921年，1955年开始面向海外发展。小松集团的海外市场销售额占工程机械、矿山机械销售总额的80%。小松集团全球共有子公司213家，工程机械及车辆生产基地76个，主要经营范围包括：工程机械、租赁、矿山机械及半导体设备等。^[18]