液压挖掘机

液压挖掘机（Hydraulic Excavator）是一种以液压系统为主要动力源的多功能挖掘机械，被广泛应用于机械施工中，^[4][5]液压挖掘机主要由工作装置、动力装置、传动机构和回转机构等组成，各个部分联合作业将液压能转换成机械能以实现挖掘机的挖掘功能。^[6]根据行走装置的不同，液压挖掘机可分为履带式和轮式等多个类型。^[3]

1951年，法国Poclain（波克兰）公司推出世界第一台全液压挖掘机。20世纪80年代，出现了辅助电控系统的液压挖掘机，也就是现代的液压挖掘机。^[3]

液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置。并反映了这些部门的施工机械化水平。是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济建设迫切需要的装备。^[7][8]

1955年，辽宁省抚顺市抚顺重型机器厂使用苏联提供的技术资料成功制造了中国第一台机械式液压挖掘机，机重为42吨，铲斗容量为1立方米，柴油机功率为120马力，后被命名为W1001。^[9]

1965年铁道部购进4台由日本神钢公司引进德国O&K公司技术生产的RH5履带式全液压挖掘机（0.5立方米），国家有关方面有意尝试探索液压挖掘机的研制。^[9]

20世纪70年代初， 长江液压挖掘机厂在自制的W1001型产品基础上开发出Z250半液压挖掘装载机，自重比W1001大2吨，驱动功率大20马力，装载斗的容量可达到2.5立方米。^[9]

1979年，中国各部委管辖功能进行局部调整，把原属一机部重型矿山局管辖的液压挖掘机行业划归国家建设委员会（80年代改为建设部）。^[9]

1981年，国家利用日本海外经济协理会的日元贷款修建山东袞gǔn州到日照石臼所的铁路，施工设备招标采购。在5国18家企业参加的剧烈竞争的TCB817005投标中，长挖厂一举夺标，为该工程提供15台主机和相应的备件，为当时外汇紧缺的国家创汇162万美元。^[9]

1927年，法国波克兰公司创始人—乔治·巴塔伊（Georges Bataille）和工程师安东尼·莱杰合伙成立公司，主要业务为修理农用机械，1930年公司改名为波克兰制造公司。波克兰从1948年开始制造小型轮式挖掘机，员工数量增至120人。^[3]

1951年10月，波克兰研制成功第一台正铲液压挖掘机。它采用道奇4×4改装的轮式底盘，前部为汽车驾驶室，后部为液压挖掘机。由控制台、液压臂、铲斗等组成的上车体，围绕底盘后轴上方的立柱旋转，正方形铲斗容积约1m3。^[3]

1953年，德国利勃海尔公司生产出了世界上第一台全回转液压挖掘机，正铲挖掘。^[3]

1961年，波克兰公司了推出了TY45型轮式液压挖掘机，采用前三轮式底盘，反铲挖掘，总功率48hp，整机质量10t。^[3]

20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。^[3]

1969年，波克兰公司推出了EC1000型履带式正铲挖掘机。^[3]

20世纪70年代起，液压挖掘机广泛采用高压变量系统，向高速、高压、高功率发展，产量占挖掘机总产量的90%以上。^[3]

20世纪80年代，出现了辅助电控系统的液压挖掘机，也就是现代的液压挖掘机。从第一台挖掘机问世至今已有100多年的历史。由蒸汽驱动到电力驱动和内燃机驱动的回转挖掘机，到应用机电液一体化技术的全液压挖掘机，再到现代应用智能技术、远程信息技术、低排放节能降耗技术、混合动力技术、远程遥控技术、全电控等先进技术的电控液压挖掘机。^[3]

液压挖掘机主要由工作装置、动力装置、传动机构和回转机构等组成，各个部分联合作业将液压能转换成机械能以实现挖掘机的挖掘功能。^[10]

液压挖掘机的工作装置主要有动臂、斗杆、铲斗和销轴等构件组成，其中动臂和斗杆占工作装置重量的90％以上，故工作装置轻最化设计的主体即为动臂和斗杆，下图所示为动臂和斗杆的结构示意图，挖掘机的动臂和斗杆是由多个零部件(主要是板件)组焊而成的箱体结构。^[11]

液压挖掘机的动力装置主要有柴油机、电动机、柴油发电机组或外电源变流机组。柴油机和电动机大多用于中、小型挖掘机械，用一台原动机集中驱动，两者可互换。柴油发电机组和外电源变流机组用于大、中型挖掘机械，用多台电动机分别驱动。^[12]挖掘机的动力装置一般使用柴油发动机，由于工作环境恶劣，温差大，外负荷及冲击载荷大且变化频繁，因此要求动力装置有较高的功率和转矩储备。柴油机具有功率大、寿命长、动力特性好、热效率高以及燃油经济性好等一系列优点，随着涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术的应用，柴油机的排放指标不断改善。基于以上优点，柴油机成为工程机械的主要动力来源。^[13]

液压系统是将发动机系统提供的机械能转换为液压能，为工作装置及行走装置提供动力，并通过向工作装置的油缸及行走装置的行走马达输出不同顺序的高低压液压油来控制工作装置的运动及行走装置的行走。它包括主泵、主控阀、先导控制系统、液压油箱系统等。^[3]

液压系统主要分为定量液压系统和变量液压系统。大多数工程机械制造公司（如CASE和JCB等）均采用定量液压系统，而CATERPILLAR（卡特彼勒）和VOLVO等少数公司则采用变量系统（即负荷敏感变量液压系统）。所谓的变量系统就是可根据负载的大小调整泵排量的液压系统，正是因为可以随时调整排量，从而降低了挖掘装载机的油耗，进而使液压系统的发热量降低。^[3]

挖掘装载机的传动大多采用液力机械传动，变速箱有同步换挡变速箱和动力换挡变速箱，挡位一般是前四后四，液力变矩器后带有动力换向装置，可在行进过程中改变行驶方向，装载时提高了作业效率。^[3]

在驱动方面，挖掘装载机一般有两种驱动方式——两轮驱动和四轮驱动。通过切换电磁阀可以实现上述两种驱动方式的自由切换。“两头忙”在普通路面上行驶时采用的是两轮驱动，而在越野和装载作业时为了提高作业时的牵引力通常采用四轮驱动。^[3]

液压挖掘机回转机构主要由回转支承机构、回转传动机构、回转减速机、回转马达等零部件组成，其中，回转支承机构是回转机构中的重要组成部分，内圈连接底盘座圈，外圈连接工作装置和转台，上部支承回转减速机、回转液压马达等零部件，可以使液压挖掘机工作装置相对于车身作360°的自由回转运动，以供液压挖掘机工作装置完成各种作业，这是液压挖掘机的重要结构。^[14]

履带式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。^[3]

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。工作装置主要由铲斗、斗杆、动臂及铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸等组成。^[3]

轮式液压挖掘机是在履带式液压挖掘机的基础上将行走装置更换为轮式行走装置。轮式行走装置与履带式行走装置相比，最突出的优点是机动性好，行驶速度快，随着公路的大量兴建和工农业建设的需要，轮式液压挖掘机将得到更快的发展。^[3]

轮式液压挖掘机由一个柴油机或电动机驱动两个液压主泵，产生高压油输送到多路阀，由先导控制阀操作经多路阀送往有关液压执行元件（液压缸或液压马达等），驱动相应的机构进行工作，一般工作装置工作过程中往往需要两个以上复合动作以及动臂、斗杆动作的合力，以充分利用发动机功率并缩短作业循环时间。^[3]

步履式液压挖掘机多为中小型挖掘机，与通用挖掘机相比区别在于下车没有行走驱动装置和转向机构，在底盘上装有四个支腿，两个前支腿带支撑爪，两个后支腿带行走轮（图"），结构简单实用，价格低。用作一般土方工程的挖掘，最大特点是能在斜坡、沼泽、河川和隧道等特殊工作场合挖掘，完成某些轮胎式和履带式挖掘机不能完成的施工任务。步履式液压挖掘机在现场使用、加工制造、整机性能、构造特点等方面均显示出独特的优越性，80年代以后在品种和数量方面都有较快的发展。^[15]

全液压挖掘机的主要特点包括采用全液压控制阀，通过液压泵将发动机的机械能转化为液压能，然后通过操作控制阀将液压能转化为机械能，以实现挖掘机的各种动作。全液压挖掘机具有操作平稳、控制灵活、维护方便等特点，同时也具有更高的效率和精度。在挖掘机的各种应用场景中，全液压挖掘机能够适应各种不同的作业要求，如挖掘、装载、搬运等。^[16][17]

全液压挖掘机的构造包括发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分。其中，液压系统是全液压挖掘机的核心部分，由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。^[16][17]

半液压挖掘机是一种挖掘机，其特点在于工作装置、回转装置和行走装置中不全采用液压传动。一般工作装置采用双作用液压缸执行动作，行走和回转采用机械传动或只有机械传动的单斗液压挖掘机称为半液压传动挖掘机。半液压挖掘机则具有较高的稳定性和耐久性，适用于大型工程和恶劣环境下的作业。^[18]

在建筑工程中，液压挖掘机可挖掘基坑、沟槽，清理和平整场地，是建筑工程土方施工中很重要的机械设备，在更换工作装置和属具后还可以进行破碎、装卸、起重、打桩等作业任务。液压挖掘机广泛应用在房屋建筑施工、筑路工程、水电建设、和军事工程以及露天矿场、露天仓库和采料场中。^[3]

在林业、水利、牧业、渔业以及农村基本建设等各个方面都大有用武之地。特别是开挖水渠、养鱼池塘、滩涂围垦工程和河道清淤等工程更是挖掘大显身手的机会。挖掘机不但可以进行挖装、整地、起重等作业，而且还可一机多用。卸下铲斗换上破碎机，可进行破碎作业；按上抓爪，就成为一台抓装机，用来装卸木材；按上推土铲，可进行场地整平。挖掘机具有较强的适应能力，可以解决一些人力和其它农机具难以解决的问题。特别是涝洼地开发，池塘、渠道清淤等工程这些人力和其它机械难以完成的作业项目，更是挖掘机的“强项”，而且作业效率高，成本低。一台挖掘机的日工作量相当于几百人的日工作量；作业成本却仅为人工作业成本的1/10左右，具有相当好的经济效益。^[19]

液压挖掘机现行的中国标准主要有环境管理、机械安全、驾驶室环境等，环境管理标准规范了柴油机稳态排气烟度及测定方法、工业企业厂界环境噪声排放标准、声学机器和设备噪声发射值的标示和验证等等；机械安全标准规范了机械电气安全、机械电气设备通用技术条件，机械安全指示、标志和操作，关于视觉、听觉和触觉信号的要求等等；驾驶室环境标准规范了采暖、换气和空调(HVAC) 的试验方法和性能，风窗玻璃除霜系统的试验方法，太阳光热效应的测定等等。^[3]如GB T9139-2018标准规定了液压挖掘机的分类，要求，试验方法，检验规则，标志、包装、运输和贮存，该标准适用于工作质量不大于200T的液压控掘机。^[20]

液压挖掘机现行的国际标准主要有土方机械、噪声、空调降温试验等等，土方机械标准规范了司机视野要求、机械结构内部电压电磁兼容、基本尺寸、路面机械附件轮胎固定螺母等等，噪声标准规范了工作地点及其他检测点发射声压级测量、机械噪音源声压音率级别测定等等，空调降温试验标准规范了空气过滤装置、增压器测试、供暖通风空气调节、玻璃除霜系统、太阳采暖测试等等。^[3]如国际标准ISO 20474-1和ISO 20474-5规定了液压挖掘机的主要安全要求。^[21]

早在1969年，美国当地组织起重机及挖掘机协会就制定了移动式液压挖掘机标准PSCA3，该标准从整机性能到零部件规范等多个方面对液压挖掘机进行了规定，时至今日该标准都具有一定的借鉴价值，同时该标准被29 CFR 1926.602（b）（3）所引用。SAE标准SAE J386、SAE J1493、SAE J297和SAE J1614标准规定了美国针对液压挖掘机的特殊要求。^[21]

通过各种途径使机械多做有效功，其中包括动力装置与液压传动的最佳匹配，提高传动效率，能量回收，高效液压系统的研

究等。^[8]

挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标，目前通过优化程序实现工作装置铰jiǎo点最佳布置，采用高压与超高压技术，提高整机稳定性等方面进行研究。^[8]

高效率包括整机性能研究(作业循环、回转和行走性能的研究），发展专用机械和工作装置以及机械大型化和小型化等。^[8]

可靠性是各国十分重视的一项内容，关键在于设计的合理化和材料工艺的研究，包括摩擦磨损机理的研究和新材料的应用，在试验手段方面，进行挖掘机整机和液压传动的快速试验研究，以及结构件快速疲劳试验和寿命预测的研究等。^[8]

舒适性以及维护保养的方便性对挖掘机的有效利用有极大影响，从人体生理学和环境工程的观点来研究操作舒适性和振动噪音对司机和环境的影响，以及控制空气的污染等，各国已做了大量工作，也逐渐予以注意。^[8]