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特种挖掘机分类及其设计要点

       随着人们对特殊作业工况挖掘机需求的不断增大,特种作业挖掘机的品种越来越多,市场保有量也逐年增大。本文根据挖掘机属具的作业特点,对特种挖掘机进行了分类,并对特种挖掘机的设计要点进行了简要介绍。
  特种挖掘机分类
  1.物料挖掘类
  (1)水陆两用挖掘机
  水陆两用挖掘机以普通挖掘机上车平台为基础,配备了中空浮箱式底盘,从而使其具有在沼泽、滩涂等松软地面上行走、停驻、作业的能力。此类设备仍以铲斗挖掘物料为主,在河道清淤、湖泊滩涂作业方面适应能力很强。
  (2)加长臂型挖掘机
  普通挖掘机通过更换加长的动臂、斗杆,即成为加长臂型挖掘机。加长臂型挖掘机能实现较大范围的作业,广泛用于河道疏浚、湖泊清洁、水库维护等特殊工况,同时也可用大坡面的修缮工作。加长臂挖掘机用于水下挖掘时,为保证较好的视野,通常在斗杆上配置水下摄像头,以便驾驶员随时掌握铲斗和物料状态。
  水陆两用挖掘机与加长臂通过相互结合,形成优势互补,能够更好地完成滩涂和水下挖掘工作,是大型滩涂作业和维护的必备机械。图1所示为某品牌加长臂水陆两用挖掘机。
  2.物料抓取类
  给挖掘机配备抓取类机具,使其具有抓物、抓料等功能,可实现挖掘机功能、用途多样化。此类挖掘机抓斗具有多种动作,为此往往需要在原有液压系统的基础上新增若干路供油和操纵装置。物料抓取类挖掘机的属具主要有4类,分别是抓管器、抓木钳、梅花抓斗和贝壳斗。
  (1)抓管器
  管道施工不仅要求设备能够抓取管道,还要求其能够灵活控制管道的姿态。通常,抓管器采用液压马达驱动,可实现360°回转,配合挖掘机动臂、斗杆、四连杆机构、上车回转等多个动作,可实现管道5个自由度的精确定位。此类挖掘机广泛应用于石油天然气、石化、冶金、港口疏浚等行业的管线铺设以及管道制品转运等。全回转液压抓管器结构如图2所示。
  (2)抓木钳
  抓木钳又称抓木夹、夹木器,由一组互相交错的叉形钳组成,主要作用为抓取木材或秸秆类物料。通常抓木钳具有俯仰、回转和开合3个动作,可通过调整姿态准确抓取木材或其他物料。抓木钳结构简单,能够替代大量人工搬运和装车,使用方便灵活,极大地提高了作业的效率。
  (3)梅花抓斗
  梅花抓斗是一种广泛应用于钢铁厂、冶炼厂、港口、码头和废钢转运等行业的特种属具,如图3所示。配装在挖掘机上的梅花抓斗采用液压缸驱动,最常见的斗瓣数为4~6片。在工作时抓斗一般只有开合动作,因此可以采用原挖掘机铲斗缸的油路驱动。将挖掘机改为抓料机对挖掘机的改动较小,便于实现。为了使驾驶员获取很好的视野,确保作业的安全和效率,一般将其驾驶室设计为增高型。
  (4)贝壳斗
  贝壳斗由于其外形和动作类似贝壳而得名,在斗形闭合时料斗可形成封闭的腔体。贝壳斗主要包含主机架、左斗、右斗和驱动液压缸。贝壳斗类似于梅花抓斗,一般也只有开合动作。贝壳斗容量大但挖掘力小,为此主要用于轻质松散物料的装卸和搬运,如用于港口、码头、煤场的装沙、装煤等。
  3.物料破裂与剪切类
  挖掘机通过安装不同属具,不仅可以实现土石方等物料的搬运,还可以用于各种物料破碎、破裂、剪切等。物料破裂类挖掘机的属具主要有3类,分别是破碎锤、液压剪和裂土器。
  (1)破碎锤
  破碎锤又称液压破碎器,是挖掘机应用相当广泛的一种特殊机具,主要用于建筑、道路拆除工程以及矿山石料破碎工作。现在已经有很大一部分挖掘机,在出厂时都标配了液压破碎管路。
  (2)裂土器
  普通挖掘机的铲斗挖掘土方、碎石等相对松软物料时,可轻松穿透基料从而实现挖掘,但当基料被长时间压实或为整块岩石,其则不能正常挖掘。遇到此种状况,一般通过破碎等方法先碎裂表面后再进行挖掘。
  对普通挖掘机的动臂、斗杆等结构件进行强化、改进,将其挖掘力提高至原来的2倍左右,再给其配装单齿裂土器,该设备便能高效的破裂表面坚硬的物料。在特殊作业工况,这种设备不仅作业效率高,而且噪声很小(远小于破碎锤)。某特型挖掘机裂土施工如图4所示。
  (3)液压剪
  液压剪具有和抓管机类似的结构,同样具有回转和开合2个动作。其工作原理如下:液压缸输出巨大的推力,通过机构放大后,在钳口处形成极大的剪切力,以剪断普通的钢材、水泥等材料。液压剪主要用于废旧金属剪切、汽车拆解、建筑物拆解等。将其安装在多节超长臂的挖掘机上用以拆除高楼,便可产生另一类特种挖掘机——拆楼机,如图5所示。
  4.物料夯实类
  在挖掘机上配装上振动夯实器即可使其成为物料夯实类挖掘机。振动夯实器通过输出周期性的冲击力来实现特定的功能。振动夯实器可完成平面、斜面及其他复杂基础面的夯实作业,将其与挖掘机配套使用,既可用于桥台背、涵侧、边角转折处、路肩堤坝的夯实,也可用于各种建筑沟槽、地基管道等城市辅助设施的夯实。
  5.木料采伐集材类
  (1)采伐类
  对挖掘机进行适应性改进,并给其配装采伐类属具,即可实现采伐功能。现代化的采伐类挖掘机(伐木机)作为一种林业联合作业设备,不仅能伐木,同时还能打枝去皮、生产原条和原木。如图6所示。
  (2)集材类
  在林场内,大尺寸木材常使用推土机或拖拉机、集材类挖掘机进行拖拽。对挖掘机进行适应性改进,给其加装集材类属具,便可将改装为集材类挖掘机。如图7所示。目前,国内主要挖掘机厂家如徐工、柳工、三一等都相应开发了此类产品。在陡坡、深沟等机器无法抵达的位置完成集材,需通过挖掘机搭截绞盘机完成。目前,已经实现这种功能的产品有小松PC200-8M0型挖掘机与卡特320D型挖掘机等。
  6.物料清理类
  液压挖掘机搭载液压开带机,可用于清理灌木丛和低矮乔木等。除此之外,此类设备还可用于森林防火阻隔带开设、林区道路的日常维护,以及河流应急阻隔带、应急防火通道的开辟等。
  设计要点
  考量一款特种挖掘机是否适应特种作业需求,主要从2个方面来考证,一是能否有效完成要求的特种作业任务,二是挖掘机在特种作业工况下能否保证长期、可靠地工作。为了简单起见,本文仅以集材挖掘机为例进行分析。
  林业集材挖掘机需具有以下4种功能:一是木材拖拽功能。实现这种功能较为简单,保持木材一端在地面上,将木材另一端捆系并挂于机器较高位置实施拖拽即可。二是拖拽木材行走功能。实现拖拽木材行走功能,关键在于确保底盘系统具有足够的牵引力,以克服整机和木材产生的阻力。三是装卸被拖木材功能,即能将捆系好的木材与机身连接和断开。四是卸后木材堆整功能,即将送到集中点后的木材堆整好。
  综合分析以上功能,需在底盘上增加拉木架,并在拉木架较高位置设置悬挂点。为确保挖掘机能够实现拖拽木材,设计人员需对挖掘机的行走牵引力进行必要核算。实现装卸被拖木材功能与卸后木材堆整功能,必须重新设计铲斗。通过配装在挖掘机上的异型铲斗,操作人员能够对单根木材位置进行多维度调整,从而将其摆放在合适的位置。林业用异型铲斗结构如图8所示。
  林业工况的地形崎岖且山石多,为此需对挖掘机下车架和四轮一带进行加强,并采取一定的保护措施,如采用全护轨器、加强导向座、改进托链轮支撑进等。林业用挖掘机的工作装置活动范围较大,为了防止其外露的管路与树枝、树干发生刮碰,需对相应管路应进行必要的防护。采伐场地作业的挖掘机随时面对树木倒下的威胁,出于安全考虑,不仅要对挖掘机的油箱、驾驶室等部位采取必要的防护措施,还在驾驶室给操作人员留有逃生窗口。
(来源:工程机械技术)
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