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铲运机（scraper）是一种利用铲斗将碎土等材料装入铲斗进行运输、装卸、局部碾压等综合作业的运输机械工具。[5]
铲运机原型是出现在18世纪的马拉式铲运机，将铲运斗置于地面，由马牵引铲运斗前进。[5]1883年，出现轮式全金属铲运机。[5]中国对铲运机的研发起步较晚，1962年，中国第一台自行式铲运机样机C-6106在郑州工程机械制造厂诞生。[5]20世纪70年代中期，中国长沙矿山研究院与天津工程机械研究所合作自行研制智能铲运机。[6]2021年12月，中国建成5G+智能化采场出矿系统，成功实现了5G+无人驾驶铲运机出矿应用。[7]
铲运机具有操纵简单、不受地形限制、能独立工作、行驶速度快、生产效率高等优点，常被用于填筑路堤、开挖河道、修筑堤坝、挖掘基坑、水利、电力、矿山等工程项目中。其主要是由发动机、底盘、传动装置、电气装置、工作装置和辅助装饰等主要结构组成。[8]铲运机按行走方式可分为自行式铲运机、拖式铲运机等。[1]自行式铲运机多为轮胎式，通常由单轴牵引车和单轴铲斗两部分组成；[9]拖式铲运机常用履带式拖拉机牵引行驶。[10]
未来铲运机将向智能化、自动化发展。截止2023年，铲运机已实现半自动化，自主铲装、自动称重、无人驾驶等技术已在井下矿山进行实践与应用。[7]
早期发展
18世纪，最初的马拉式铲运机出现，将铲运斗置于地面，由马牵引铲运斗前进，运距约为15～50米。[5]
1883年，出现了轮式全金属铲运机。[5]到19世纪末，拖拉机的出现推动了拖式铲运机组的产生，由4～6台普通的马拉式铲运机组成。[10]
1910年，美国制造了拖拉机牵引的专用铲运机，斗容量为5.4m³，但这一时期建筑工程中基本上还是使用马拉式铲运机；[10]1938年，制造出自行式铲运机。[5]
1962年12月22日，中国第一台自行式铲运机样机C-6106在郑州工程机械制造厂诞生。[5]次年8月，郑州工程机械制造厂与一机部工程机械研究所成立联合设计组，开发设计CL7自行式铲运机。[5]
1974年，第一台2.2立方米的电动铲运机在加拿大鹰桥公司（Falconbridge）的北矿用分层充填法在采场中作业。[11]
1978年10月，在拟建青藏铁路的格尔木至西大滩地区，两台CL7自行式铲运机进行试验。这是中国工程机械在高原筑路的首次工业性试验。[12]
发展完善
20世纪70年代中期，中国长沙矿山研究院与天津工程机械研究所合作自行研制智能铲运机，由于受到当时自动化技术、信息技术等水平的限制，智能铲运机的操控效率和实用性较差。[6]
20世纪80年代中期，美国底特律（Detroit）柴油机公司推出了柴油机电子控制系统（DDEC）接受来自司机和传感器传递的各种电子信号，精确控制燃油喷油量和喷油时间，指示故障的位置，进行故障诊断，从而可使发动机的燃油消耗减少3%-5%，并缩短加速时，改善冷启动性能，改善废气排放；使发动机的使用寿命大大延长，90年代开始被大型铲运机采用。[13]
1996年，中国蒙古二机厂和北方集团通过学习吸收引进自美国特雷克斯（Terex）公司的自行式铲运机制造技术后开始小批量生产。中国企业湖南瑞龙重工生产的T12主动式铲运机，针对中国市场的需求和现状，将主要核心技术来自于瑞士Frutiger公司的履带式铲运机进行了改良和提升，中国北方重工开始设计开发多功能履带式铲运机。[14]
20世纪90年代，中国长沙矿山院自主研制遥控铲运机，可以实现无线电遥控。随后北京矿冶研究总院对矿山自动化自主化展开研发对北京安期生公司的ACY-2A型地下铲运机、KCY-2型地下铲运机等多台铲运机进行了不同智能化程度改造，实现了铲运机的视距遥控。铲运机可在本机手控操作、远程遥控和自主行驶三种模式下工作。[15]
20世纪90年代初统计，世界铲运机拥有量超过15000台，主要生产厂家有卡特彼勒、法德洛玛公司等。[13]
基本构造
铲运机基本结构主要由发动机、底盘、传动装置、电气装置、工作装置和辅助装置等组成。[8]
发动机
铲运机的发动机主要是为全车提供动力的装置，常见的发动机有柴油机和混合动力发动机两种。柴油机是热机的一种，是将柴油这种燃料经过燃烧释放的热能转变为机械能的发动机。[16]
混合动力发动机解决了动力地下铲运机的构成主要是由柴油发动机、储能装置以及电动机、逆变器共同组成。混合动力技术的应用降低了燃油消耗和环境污染，同时提高了系统工作效率，混合动力地下铲运机由于采用小功率柴油发动机和储能装置提供动能的方式，还可以避免高原地区柴油发动机动力不足的问题，适合于高海拔区域氧气不充足的环境。[17]
底盘
底盘是铲运机的基础，发动机、工作装置和电气设备都安装在底盘上面，底盘由传动系、行驶系、转向系、制动系组成。[8]传动系是将发动机的动力按需要适当降低转速增加扭矩后传到行驶系，根据铲运机作业需要使其完成减速增扭、传递或切断动力、实现倒驶等。行驶系的功用是撑起整个铲运机的重量，根据传动系的动力带动轮式行驶或者履带式行驶，转向系的功用按照驾驶员的意图使铲运机灵活准确地行驶方向，制动系的功用是可以让铲运机按照驾驶员指令在最短的距离内使铲运机降低行驶速度和停机。[8]
传动装置
传动机构通常分为机械传动机构、电气传动机构和流体传动机构。流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动，其中包括液压传动、液力传动和气压传动，液体传动包括液压传动和液力传动，均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式，液压传动主要是利用液体的动能来传递能量，然后通过管道、液压控制及调节装置等将液体的压力能转换为机械能实现驱动铲运机进行直线或回转运动等指定工作。[18]
电气装置
电源系统的组成主要是由蓄电池、发电机及调节器、相关线路等组成。蓄电池能吸收电路中出现的瞬时过电压，保护电子元件，保持工程机械电器系统电压稳定，发电机是铲运机的主要电源，主要功用是在发动机正常运转时，向所有的用电设备供电，同时向蓄电池充电。铲运机的照明系统主要由灯具、电源和电路三大部分组成，如：前照灯、防雾灯、后照灯、信号及标志用灯具有转向信号灯、各类的开关、电喇叭等。[19]
工作装置
铲运机的工作装置可以使其完成运输和卸载的工作，主要的装置由转向枢架、辕架、前斗门和铲斗体组成。铲斗前方有一个能开启的斗门，铲斗前设有铲土刀片。切土时，铲斗的门打开，铲斗下降，刀片切入土中。铲运机前进时，被切下的土挤入铲斗，铲斗装满后，提起铲斗，放下斗门，将土运至卸土地点。[20]转向枢架的作用是实现牵引车与铲运车的连接，辕架的作用是配合转向枢架使牵引车能够转动一定的角度，铲运斗通常由铰接在斗体前的斗门、铲斗体和卸土板等组成。[4]
辅助装置
卸土板：卸土板将土推出，然后卸土板向前移速度应与铲运机前进速度相配合，从而使土壤连续卸出，完成铲运机作业。[9]
铲斗：根据不同的铲斗容量可以帮助铲运机完成铲土、挖土等作业。[1]
铲刃：铲刃安装在铲斗上可以辅助铲运机完成需要切割土壤的作业。[1]
工作原理
铲运机的作业过程。铲运机的作业过程包括铲土、运土、卸土和返回过程，以柴油机或电动机为原动机，通过液压或液力形式的机械传动，连接铰接式车架。[21]
铲土
在铲土时卸土板在铲斗体的最后位置，牵引车挂一挡，全开斗门，随着装土阻力的增加逐渐加大油门。在铲土时，铲运机应保持直线行驶，并应始终保持助铲机的推力与铲运机行驶的方向一致。应尽量避免转弯铲土或在大坡度上横向铲土。[21]
运土
铲斗装满后运往卸土地点，此时应尽量降低车辆重心，增加行驶的平稳性和安全性，通常不宜把铲斗提得过高。运输时应根据道路情况尽量选择适当的车速。[21]
卸土
在铲运机运到卸载地点后，应将斗门打开，卸土板前移将铲斗内土壤卸出。如需分层铺筑路基，应先将铲斗下降到所需铺填高度，选择适当车速，打开斗门，卸土板将土推出。此时卸土板前移速度应与车辆前进速度相配合，从而使土壤连续卸出。[21]
返回
卸土完毕之后，提升铲斗，卸土板复位，并根据路面情况尽量选择高速挡返回到铲土作业区段。为了减少辅助时间，铲运斗各机构的操纵可在回程中进行。随着土的种类不同，坡度不同，填土厚度不同，因而在各个工序中，铲运机需用不同的牵引力，也就是采用不同的行驶速度来工作。根据经验，在铲土时，用Ⅰ、Ⅱ挡速度；重车开行时，用Ⅲ、Ⅳ挡速度；卸土时用Ⅱ挡速度；空车开行时，用Ⅴ挡速度。[21]
行走方式分类
铲运机按照行走结构分类可分为：自行式铲运机、拖式铲运机。[10]
自行式铲运机
自行式铲运机多为轮胎式，通常由单轴牵引车和单轴铲斗两部分组成，有的铲运机在单轴铲斗后还装有一台发动机，铲土工作时可采用两台发动机同时驱动，其特点是行驶速度高，机动灵活，生产效率高。在采用单轴牵引车驱动铲土工作时，有时需要推土机助铲，自行式铲运机本结构紧凑、附着力大、行驶速度快等优点，在中距离土方转移施工中应用比较多，适合在300～3500m的作业范围内使用。[9]
拖式铲运机
拖式铲运机常用履带式拖拉机牵引行驶，使用装在拖拉机上的动力绞盘或液压系统对铲运机操作。[10]拖式铲运机主要结构是由拖把、辕架、工作油缸、机架、前轮、后车轮和铲斗等组成，路面条件不好时可用履带式牵引车，具有接地比压小、附着力大和爬坡能力强的特点。铲斗由斗体、斗门和卸土板组成。斗体底部的前面装有刀片，用于切土。斗体可升降，斗门可相对斗体转动，即打开或关闭斗门，以适应铲土、运土和卸土等不同作业的要求。拖式铲运机适合在100～300m的作业范围内使用。[9]
其他分类
| 分类方式 | 主要分类 | 内容 |
|---|---|---|
| 铲斗容量[22] | 小型铲运机 | 斗容在6m3以下，2.5m3配40～50kW拖拉机，6m3配59～74kW拖拉机 |
| 中型铲运机 | 斗容在6～15m3之间，为自行式铲运机常用斗容 | |
| 大型铲运机 | 斗容在16～30m3之间，采用双发动机的自行式铲运机 | |
| 特大型铲运机 | 斗容在30m3以上，采用大功率多发动机的自行式铲运 | |
| 装载方式[22] | 普通装载式 | 铲斗前部有斗门，工作时靠牵引力把刀片切削下来的土屑，从斗门与刀片之间的缝隙中挤入铲斗，其装载阻力较大，效率低 |
| 链板装载式 | 刀片切削下来的土屑，由链板机构装入铲斗，能自铲。装载阻力比普通式约降低60%。装土效率高，能边转弯边装载，适用于1000m运距内、行驶阻力较小的工程中，经济效益较高。但整机较重，造价高 | |
| 卸载方式[5][23] | 强制式 | 铲斗的后壁有一块可沿导轨移动的推板靠推板自后向前推进，可将土壤强制推出，从而完成卸载 |
| 半强制式 | 利用连在一起的铲斗底板与后壁共同向前翻滚，将土壤倒出完成卸载 | |
| 自由式 | 卸载时，利用让铲斗倾斜，让土壤靠自身重量倒出完成卸载 | |
| 操作方式[23] | 机械操纵式 | 结构复杂、效率低，已逐渐被被淘汰 |
| 液压操纵式 | 结构比较简单，操纵轻便动作均匀平稳，被广泛应用 |
装载参数
装载参数包括装载时间、装载距离、铲装厚度。装载参数与被装载物料的物理力学性质（如块度、硬度、粘结性等）、工作面坡度、铲装厚度等有关。物料的块度、硬度、粘结性、装满系数越小，铲装时间越短；下坡铲装比上坡或平行铲装有利于装载，但并非坡度越大越好，一般不能超过15%；铲装厚度太小时，铲装距离加长，装载时间也长,铲装厚度太大时，铲装阻力超过松土机的助推力，装载时间也长，因此铲装厚度有适中范围。[24]
运输参数
铲斗装满系数
铲运机装载分自装和助推两种方式，自卸只限在黄土地段使用，且工作面的坡度要大于8%以上，此时铲运机靠自重和主机的驱动将黄土铲入斗中，实际测定铲斗装满系数为 0.87；利用松土机助推时，装载时间短且满斗系数大，实际测定中黄土满斗系数达0.96以上，页岩、砂岩满斗系数为0.916。[24]
卸载参数
铲运机卸载是靠液压推卸板自行移动推卸铲斗中物料，一边行走，一边卸载。排土场的布置可以是水平的或下坡形成的。由于铲运机卸载时主机不停的慢速向前运行，为避免所卸物料阻挡后轮运转增加主机阻力。[24]
双泵合流液压技术
双泵合流液压系统转向液压液压和双泵分置液压系统进行融合，采用一个泵给两个系统供油或者两个泵供油，但工作泵采用一个小流量液压泵，在满足转向液压系统要求的同时，降低工作泵的排量，当转向系统不工作时将转向液压系统多余的流量合流到工作液压系统，降低了流量损失、压力损失，增加了效率降低了能耗。[25]
自动称重系统
自动称重系统的主要功能是在铲运机铲装完成后测量铲斗有效荷载，同时调整铲斗中矿石状态防止运输过程中矿石掉落。20世纪90年代初，加拿大英柯（Inco）国际镍业公司研发的自动采矿新技术实现了对井下铲运机的遥控操作，并对装载时间、卸载时间和有效荷载进行了全面仿真分析，芬兰（Tamtron）公司生产的GPRS数据传输电子称可实现多机器同时管理，中国在凡口铅锌矿搭建首个具有知识产权的智能采矿系统，实现了定点卸载和自主称重等功能。[26]
应用领域
铲运机是一种利用铲斗铲削土壤，并将碎土装入铲斗进行运送的铲土运输机械，能够完成铲土、装土、运土等综合作业。[1]铲运机的应用场景在铁路、道路、水利、电力和大型建筑工程中，被用于开挖土方、填筑路堤、开挖路堑、修筑堤坝等工作中，具有较高的工作效率和经济性。[1]
填筑路堤
用铲运机填筑路堤，一般要求取土距离在100m以上，路堤的高度2m以上较为合适，依据铲运机在路堤上卸土的位置不同，可分为纵向填筑和横向填筑两种方式。[27]如可以利用铲运机进行纵向填筑路堤或横向填筑路堤。[1]
开挖路堑
铲运机开挖路堑可采用横向弃土和纵向移挖作填两种形式，铲装时需在路堑内沿纵向运行，在开挖过程中，始终保持两侧低、中间高的断面形状，直到最后全部成型为止。[27]如铲运机在基坑、管沟铲挖作业时，可以进行挖沟等作业。[1]
土方开挖
（1）履带式铲运机：工作时由履带式拖拉机牵引，具有接地比压小、附着牵引大和爬坡能力强等优点，但机动性较差，在运距短、坡度大和松软潮湿地带工程中普遍使用，高效率运距宜为200~350m。[28]
（2）轮胎自行式铲运机：由铲斗车和低压轮胎牵引车两部分组成，并以铰接方式相连，本身具有行走能力，具有结构轻便、行驶速度高、可带较大的铲斗、越野性好等优点，路面平坦、行驶阻力小时，可选用自行式铲运机[28]
如可以利用铲运机铲装松散土壤及铲运砂料等。[1]
5G+无人驾驶铲运机
随着5G技术、无人驾驶技术的发展应用，露天矿卡车、无人驾驶、井下电机车无人驾驶技术已经投入应用。井下无人驾驶铲运机具备自动感知井下环境信息、数据采集、 自主精准导航行走、采场地图构建、自动规划路径等功能 ，瑞典山特维克公司对自动化铲运机和卡车推出的单台无人驾驶铲运机能实现铲运机所有操作和监控功能的半自动化，已在井下矿山实地应用。[7]
铲斗轨迹控制技术
研究铲斗轨迹控制的方法包括位置控制、基于行为的方法、阻抗控制、导纳控制、人工智能方法和强化学习方法等。1980~1987年，人工智能技术（Artificial Intelligence，AI）迎来了黄金时期，1996年美国在难以预测的模糊环境中进行了模拟机器人自主挖掘试验，结果表明其挖掘效果与人工操作员相当，但在挖掘时间和有效荷载方面比人工差。瑞士、美国等国家研究了机器学习在铲运机铲斗轨迹控制方面的应用，在特定环境和条件下取得了较好的结果。[26]
铲运机铲装过程具有非线性、难预测的特点，由于矿石块度大小不一且分布不均匀，导致挖掘阻力复杂多变。基于力控制的铲斗轨迹控制尽管取得较好的结果，但需要提前了解材料特性，在未知环境中无法保证铲装效果。因此，研究人工智能技术特别是强化学习与传统控制技术的结合，实现铲斗自适应、自学习挖掘是未来的发展方向。[26]
工作规范
| 规范名称 | 内容 |
|---|---|
| 工作前准备规范[29] | ②检查液压系统油箱的油面，不能低于油标 ③检查各润滑点的润滑情况是否良好 ④检查刹车油，轮胎气压是否足够，轮辋是否松动 ⑤检查电缆固定处是否牢靠，接地线是否完好 |
| 工作结束规范[29] | ①将铲运机停在无松石、无滴水、无天井垮塌、无爆破作业砸坏等情况发生的安全处 ②将各操纵杆复位，动臂放到底，铲斗下翻并接触地面 ③将停车闭锁放到锁定位置 ④断开车上电源开关及主电源开关，将铲运机停在平地上，若停在斜坡上，须用三角木或石块将车轮楔住 ⑤拖动铲运机在正常的拖挂或拉杆之外要加用安全链条或钢丝绳索，长距离牵引时，必须断开驱动系统 |
铲运机型号编制规范
| 名称 | 代号 | 名称 | 代号 | 代号 | 名称 | 代号 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 铲运机 | C（铲） | 自行轮胎式 | L | —— | 轮胎式铲运机 | CL |
| S（双） | 轮胎式双发动机铲运机 | CLS | ||||
| 自行覆带式 | U | —— | 覆带式铲运机 | CU | ||
| —— | 机械拖式铲运机 | CT | ||||
| 拖式 | T | Y（液） | 液压式拖式铲运机 | CTY |
铲运机应用规范
| 发布单位或类别 | 名称 | 发布或实施日期 | 归口单位 | 主要内容 |
|---|---|---|---|---|
| 中国-国家标准（CN-GB） | 地下铲运机 试验方法 | 发布日期：2017-04-12 实施日期：2018-01-01 | 全国矿山机械标准化技术委员会 | 本标准规定了地下铲运机的试验准备、整机性能试验、工业性试验、样机解体检查及其试验报告。本标准适用于地下铲运机(以下简称铲运机)的型式试验、出厂试验及工业性试验 |
| 国际组织-国际标准化组织（IX-ISO） | 土方机械。自卸车用缓速器拖拉机铲运机-性能测试 | 发布日期：1993-07-01 | ISO/TC 127/SC 1 | 规定了验证制造商公布的连续减速能力的试验程序。也适用于配备减速器的其他土方机械 |
| 澳大利亚标准（AU-AS） | 土方机械-升降铲运机体积评级 | 发布日期：2021-04-09 | —— | 该标准规定了一个程序，用于近似计算开式刮碗器刮碗中所含典型材料的体积。该评级方法旨在提供一致的能力比较方法；其目的不是定义在任何特定应用中可能观察到的实际容量。关键词；开碗刮刀；土方机械；体积额定值 |
徐工集团
徐工集团目前全球行业第3位、中国机械工业百强第4位、世界品牌500强第386位，是中国装备制造业的代表企业之一。.徐工集团的前身为1943年创建的八路军鲁南第八兵工厂。产品囊括了土方机械、起重机械、桩工机械、混凝土机械、路面机械五大支柱产业，以及矿业机械、高空作业平台、环境产业、农业机械、港口机械、救援保障装备等战略新产业，下辖主机、贸易服务和新业态企业60余家。[32]
三一集团
三一集团有限公司始创于1989年，主导产品有混凝土机械、挖掘机械、起重机械、桩工机械、智能叉车等。获得全球工程机械三强(日本经济新闻)、新中国成立70周年70品牌(CCTV)、福布斯全球企业500强、福布斯最佳雇主、财富“最受赞赏的中国公司”等荣誉。[33]
卡特彼勒（Caterpillar）
美国卡特彼勒公司始于1925年，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。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。[34]
小松（Komatsu）
参考资料 35
- 参考 1
- 铲运机 — 中国大百科全书
- 2023年《财富》中国500强排行榜 — 财富
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 基于5G+无人驾驶铲运机远程出矿技术及应用 — 中文科技期刊数据库
- 参考 8
- 参考 9
- 铲运机 — 中国大百科全书
- 参考 11
- 电动铲运机的使用和修理经验 — 黄金科学技术
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
- 参考 25
- 地下铲运机自主铲装技术现状及发展趋势 — 黄金科学技术
- 参考 27
- 参考 28
- 参考 29
- 参考 30
- 中国标准服务网
- XCMG徐工集团
- 三一集团介绍 — 三一集团官网
- 卡特彼勒，全球实干家的强大伙伴 — 卡特彼勒官网
- 小松(中国)投资有限公司