第2章 液压挖掘机简介和电动化关键技术

2.1 液压挖掘机概述

2.1.1 挖掘机分类

液压挖掘机作为国家基础建设的重要工程机械之一，已经广泛应用于建筑、交通、水利、矿山以及军事领域中，是工程机械的主力机种。挖掘机的类型很多，常用的分类和各类型的特点如下。

1）按土方斗数，挖掘机可分为单斗挖掘机和多斗挖掘机。其中，单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械，是目前挖掘机械中最重要的品种。单斗液压挖掘机由工作装置、回转机构及行走机构三部分组成。工作装置包括动臂、斗杆及铲斗。若更换工作装置，还可进行正铲、抓斗及装载作业。上述所有机构的动作均由液压驱动。

2）据其工作装置的不同，挖掘机可分为正铲、反铲、拉铲、抓铲四种。正铲挖掘机的铲斗铰装于斗杆端部，由动臂支持，其挖掘动作由下向上，斗齿尖轨迹常呈弧线，适于开挖停机面以上的土壤。反铲挖掘机的铲斗也与斗杆铰接，其挖掘动作通常由上向下，斗齿轨迹呈圆弧线，适于开挖停机面以下的土壤。拉铲挖掘机的铲斗呈畚箕形，斗底前缘装斗齿。工作时，将铲斗向外抛掷于挖掘面上，铲斗靠重力切入土中，然后由牵引索拉曳铲斗挖土，挖满后由提升索将铲斗提起，转台转向卸土点，铲斗翻转卸土。可挖停机面以下的土壤，还可进行水下挖掘，挖掘范围大，但挖掘精确度差。抓铲挖掘机的铲斗由两个或多个颚瓣铰接而成，颚瓣张开，掷于挖掘面时，瓣的刃口切入土中，利用钢索或液压缸收拢颚瓣，挖抓土壤。松开颚瓣即可卸土。用于基坑或水下挖掘，挖掘深度大；也可用于装载颗粒物料。

3）按整车的吨位，挖掘机可分为迷你型（4t以下）、小型（4~10t）、中型（10~40t）和大型（40t以上）。日本神钢推出的Kobelcoss-60迷你型挖掘机，整机宽约0.5m、重250kg、履带宽14cm，主要用来做玩具和在室内地下室挖管道。该机是电动的，有110V和240V两种供电模式，整机功率仅2.6kW。大型挖掘机的功率较大，比如，特雷克斯推出的大型液压挖掘机RH400，由柴油机驱动，也有电动机驱动。第一台大型液压挖掘机（830t）于1997年制造，柴油机版使用了两台Cummins QSK60-C柴油机（16缸，涡轮增压），油箱容量为16000L。整机质量1008t，最大功率3235kW，铲斗容量43.58m³。目前，液压挖掘机的质量从数百千克至数百吨，斗容量从0.01m³到50多m³，其质量比高达1000倍左右，开发范围相当宽广，生产量在不断扩大。提高机械化程度，大幅度提高生产率，降低人工费用，成为目前挖掘机行业的主要目标。特别是近年来，建筑开发周期缩短，对施工机械要求更高，使得微型液压挖掘机得到了较快的发展，小型挖掘机已达到世界总产量的20%左右。而大型液压挖掘机以同样的速度得到发展，从100t级到800t级，用于大型矿山和建设工程的超大型液压挖掘机不断被开发和生产。以前普通工程施工常用的10t级挖掘机逐步被20t级代替，以提高工作效率。

4）按行走形式，挖掘机可分为轮式挖掘机和履带式挖掘机。如图2-1所示，轮式挖掘机移动方便，行走速度快，一般时速可达到40~50km/h，一般不会破坏路面；但其使用范围狭窄，多以路政或者市内工程为主，不能进入矿山或者泥泞地带，爬坡能力差。履带式挖掘机的优势主要集中到底盘方面。因履带与地面接触面积大，所以在泥泞、湿地等容易陷进去的地方比较好用，所以，履带挖掘机的使用范围比较广泛；另外，因履带是金属制品，在矿山或者工况恶劣的地方也能胜任挖掘作业，越野能力强。但是，履带挖掘机的移动性不好，最高设计时速仅5~7km/h，长距离移动一般只能依赖板车运输。

2.1.2 挖掘机发展历程

最初的挖掘机是手动的，从发明到现在已经有约140年的历史，期间经历了由蒸汽驱动回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。第一台液压挖掘机由法国波克兰工厂发明成功。由于液压技术的应用，20世纪40年代，研制出了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。1951年，第一台全液压反铲挖掘机由位于法国的Poclain（波克兰）工厂推出，从而在挖掘机的技术发展领域开创了全新空间。20世纪50年代初期和中期，相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展的阶段，各国挖掘机制造厂和挖掘机品种增加很快，产量猛增。1968—1970年，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。

第一代挖掘机：电动机、内燃机的出现，使挖掘机有了先进而合适的驱动装置，于是各种挖掘机产品相继诞生。1899年，第一台电动挖掘机诞生。第一次世界大战后，柴油发动机也应用在挖掘机上。这种柴油发动机（或电动机）驱动的机械式挖掘机是第一代挖掘机。

第二代挖掘机：随着液压技术的广泛使用，使挖掘机有了更加科学适用的传动装置，液压传动代替机械传动是挖掘机技术的一次重大飞跃。1950年，德国生产的第一台液压挖掘机诞生了。机械传动液压化是第二代挖掘机。

第三代挖掘机：电子技术尤其是计算机技术的广泛应用，使挖掘机有了自动化的控制系统，也使挖掘机向高性能、自动化和智能化方向发展。机电一体化的萌芽约发生在1965年前后，而在批量生产的液压挖掘机上采用机电一体化技术则是在1985年前后，当时主要目的是为了节能。挖掘机电子化是第三代挖掘机的标志。

（1）国外

挖掘机的发展史可追溯到19世纪三四十年代。1833—1835年，美国费城的铁路工程师威廉·奥蒂斯（William Otis）设计和制造了一台以蒸汽机驱动、安装在铁路平车上的吊臂式单斗挖掘机（图2-2），成为现代挖掘机的鼻祖。其采用铁木混合结构，吊臂回转依然靠人力用绳牵引，通过不断延伸铁轨实现带状开挖，因此被称为铁路铲（蒸汽铲）。但由于奥蒂斯英年早逝，以及专利保护费用少、人力成本低廉等因素，奥蒂斯式蒸汽铲没有推广应用。

法国于1860年生产了世界上最早的、结构比较成熟的多斗挖掘机（图2-3），用于苏伊士运河开挖工程。

直到1870年以后，美国大规模建设铁路，蒸汽铲的发展进入黄金时代，性能得到不断改进，开始应用于铁路建设、开挖运河、露天矿剥离等领域。

1880年，出现了一批以拖拉机为底盘的半回转式蒸汽铲。

19世纪末，斗轮挖掘机在德国褐煤采掘中得到广泛应用；至1958年，每个铲斗容量已达3600L。

1889年，美国生产的多斗挖沟机可挖宽0.29m、深1.4m的沟渠。

1910年，美国出现了第一台电动机驱动的蒸汽铲（图2-4），并开始应用履带行走装置。

1912年，出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式蒸汽铲。

1916年，出现了柴油发电动机驱动的蒸汽铲。

1924年，柴油机直接驱动挖掘机开始用于单斗挖掘机上。此后，随着汽车工业的发展，轮胎式底盘开始逐步应用于小型挖掘机。

随着液压技术的应用，1951年，法国Poclain（波克兰）公司推出世界上第一台全液压挖掘机。1927年，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。该公司从1948年开始制造小型轮式挖掘机，员工数量增至120人。1951年10月，波克兰制造公司研制了一台正铲液压挖掘机（图2-5），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、机械臂、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。

1953年，德国利勃海尔生产了世界上第一台全回转液压挖掘机（图2-6）。

1961年，波克兰制造公司推出的TY45型轮式液压挖掘机（图2-7）采用独特的前三轮式底盘，总功率48马力（1马力=735W），质量10t，该机型至1982年共销售了3万台。1974年，波克兰制造公司的挖掘机业务被美国凯斯集团兼并，仅保留了液压元件业务。凯斯集团创立于1842年，是世界上第一家生产蒸汽机式脱粒机的企业，1912年开始生产蒸汽压路机、平地机等产品。1957年，凯斯集团收购了印第安那州的美国拖拉机公司，当时，这家公司已经开发出了履带式液压挖掘机。

1977年，德国制造了当时世界上最大的斗轮挖掘机（图2-8），其生产率为24万m³/d。

（2）国内

1）20世纪五六十年代。我国挖掘机生产起步较晚，1954年，经过有志之士们的不懈努力，我国第一台机械式挖掘机在抚顺矿务局机电厂试制成功。1956年，在国庆典礼上展出了抚顺挖掘机厂生产的1m³履带式正铲挖掘机。

1963年，通过吸取各方液压技术的经验，我国第一台履带式液压挖掘机终于在抚顺挖掘机制造厂研制成功。此后，全国陆续有多家企业研发出液压挖掘机。到20世纪60年代末，我国挖掘机生产厂家共有14家，形成了2个系列8个等级20多个型号的产品。主要产品有上海建筑机械厂的WY100型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机（轮式钢绳提拉挖掘机）。不过，当时我国液压挖掘机的技术还不十分成熟。

2）20世纪七八十年代。20世纪70年代后，长江挖掘机厂生产了WY160型挖掘机，杭州重型机械厂生产了ZY250型挖掘机等产品。它们使我国液压挖掘机行业的形成和发展，迈出了极其重要的一步。到了20世纪80年代，我国进入了基建大发展时期，国产的挖掘机无论从数量上还是质量上，都难以满足市场需求，不少挖掘机企业开始引进德国利勃海尔公司的技术。引进技术后，国内的企业通过多年的消化、吸收和移植，使国产液压挖掘机的性能指标，基本达到国际20世纪80年代初期的水平，产品产量也逐年提高。到20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有30多家，形成了包括抚顺挖掘机厂、北京建筑机械厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、贵阳矿山机器厂和长江挖掘机厂等在内的行业骨干企业。中小型液压挖掘机已形成系列，生产的产品型号达到30多个。

3）20世纪90年代。由于当时挖掘机技术的引进多侧重于产品图样、工艺等，却忽视了加工设备等硬件的引进。所以，到了20世纪90年代初，我国自主品牌挖掘机的内燃发动机、液压件等关键零部件的短板开始凸显，液压挖掘机与世界先进水平相比，一度缩小的差距又拉大了。很快，经过市场的检验，业内许多厂家纷纷意识到了这个问题，开始寻求解决之道。

于是，在20世纪90年代，国内挖掘机行业掀起了与外国厂商合资生产的热潮。外资企业的加入，带来了先进的技术与管理模式，迅速推动了我国挖掘机行业的发展和壮大，使得我国的液压技术水平与生产规模进入了一个新的发展阶段。

随着国内对液压挖掘机需求量的不断增加，不少其他机械行业的制造厂看好并加入液压挖掘机行业。这些企业借助自身多年从事工程机械制造的丰富经验和雄厚实力、广泛和有效的销售网络，发展极快，打破了多年主要由少数几家挖掘机制造企业垄断国内液压挖掘机市场的局面。例如，玉柴机器股份有限公司20世纪90年代初开发的小型液压挖掘机，连续多年批量出口到欧洲、美国等国家和地区，成为我国挖掘机行业唯一能批量出口的企业。

4）21世纪以来。在积累学习国外优秀经验，专注研发创新技术近半个世纪之后，我国自主品牌的挖掘机终于开始崛起。21世纪以来，我国挖掘机行业进入跨越式发展阶段，国产品牌逐渐凭着优秀的品质与具有竞争力的价格，涌现出了一大批如三一、徐工、中联、柳工、临工、龙工、厦工、山河智能和雷沃等优秀的中国挖掘机品牌，打破了多年来外资品牌市场垄断的局面，并逐渐进入国际市场。2018年，我国自主品牌的挖掘机每月出口销量均在千台以上，全年出口量增幅达97.5%。根据中国工程机械工业协会数据显示，截至2018年，三一挖掘机在国内市场的销量领先第二名的卡特彼勒10个百分点，而徐工与柳工则以国内市场销量的11.5%、7%占据国内市场销量第三和第五的位置。

2.1.3 挖掘机液压系统的基本动作分析

如图2-9所示，以日立ZAXIS200中型挖掘机为例说明液压挖掘机的工作原理及特点。液压挖掘机的执行机构包括行走机构、上车机构、动臂、斗杆和铲斗等，分别由左行走马达、右行走马达、回转马达、动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸等驱动。由内燃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，将压力油送往直线运动与旋转运动的元件，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：

（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。

（2）满斗提升及回转

挖掘结束时，铲斗液压缸伸出，动臂液压缸顶起，满斗提升。同时，回转液压马达转动，驱动回转平台向卸载位置旋转。

（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，铲斗向上翻转完成卸载。

（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。