鏟運機

鏟運機 ^[2]  ，屬於一種剷土、運土一體化機械。本發明的要點，是設計了一個由鬥體、鏟刃、破土刀、轉動擋板、滑動擋板組成的帶鏟土機構的剷鬥和由前支桿、2個側支桿、擋板支桿組成的支架機構。轉動擋板和滑動擋板設置在鬥體開口處，兩者之間由合頁聯結，合頁的兩端出軸插入鬥體前端的滑槽內，可沿滑槽移動。鏟刃焊固在鬥體底的前端，破土刀焊固在鏟刃上。支架機構用以控制滑動擋板和轉動擋板的升降。本發明結構簡單，施工效率高，適用於修河築壩和水災後清除淤泥等。

鏟運機、包括車輪、牽引梁、車架、液壓裝置、帶鏟土機構的剷鬥、支架機構和車架升降調整機構，其特徵在於所述的帶鏟土機構的剷鬥，由鬥體、滑動擋板、轉動擋板、鏟刃和破土刀組成 ^[3]  ；在鬥體的兩側壁上各有1個支桿軸和鬥體轉動支承軸孔，在鬥體的兩側壁的前端內側有滑道，鏟刃焊固在鬥體底的前端，破土刀焊固在鏟刃上；滑動擋板和轉動擋板設置在鬥體的開口處，滑動擋板和轉動擋板通過2個合頁聯結，2個合頁的兩端出軸，分別插入鬥體的兩側壁的前端內側的滑道內；所述的支架機構，由擋板支桿、2個側支桿和前支桿組成，前支桿的前端由固定在車架前端的前支桿支承軸予以支承，前支桿的後端軸孔，套入擋板支桿，且位於擋板支桿的中部，擋板支桿固定在滑動擋板的上端，兩端留有出軸，2個側支桿的前端有軸孔，其後端有滑槽，2個側支桿的前端軸孔分別套裝在擋板支桿的兩端出軸上，2個側支桿的後端滑槽，分別套裝在鬥體上的2個支桿軸上；2個鬥體支軸分別穿過鬥體兩側壁上的2個鬥體轉動支承軸孔和車架兩側壁上的軸孔，液壓裝置的升降杆與固定在鬥體後端的橫軸聯結；所述的車架升降調整機構，由絲槓、絲母盤和轉盤組成，轉盤固定在絲槓的頂端，絲母盤與車架連成一整體結構，絲槓旋進絲母盤，其下端插入牽引樑上的絲槓端孔內。

按行走方式分自行式和拖式兩種 ^[4]  。 自行式鏟運機由牽引車和剷鬥車兩部分合成整體，中間用鉸銷連接，牽引車和剷鬥車均為單軸，其經濟運距可達1500m以上，具有結構緊湊、機動性大、行駛速度高等優點，得到廣泛的應用。又分為：

①單軸——鏟運機自重和鬥中土的重量部分通過牽引裝置傳至牽引車；

②雙軸——牽引車不承受鏟運機自重和鬥中土的重量。

拖式鏟運機需要有拖拉機牽引作業，裝有寬基低壓輪胎，適用於土質鬆軟的丘陵地帶，其經濟運距一般為50～500m，由於機動性差，工程中較少應用。

按發動機數可分為： 單發動機——由一台發動機驅動；雙發動機——由二台發動機分別前後驅動。

按軸數可分為：二軸式——以專用單軸牽引車為動力；三軸式——以專用雙軸牽引車為動力。

按照剷鬥卸土方法分強制卸土、半強制卸土和自由卸土三種。

強制卸土依靠活動的剷鬥後壁向前推移，將土強制推出，卸土乾淨，但動力消耗大；

半強制卸土的後鬥壁與鬥底連成整體，卸土時，鬥底與後鬥壁一起向前翻轉，碎土在推力與重力雙重作用下卸出，能夠卸淨兩側壁之間的土；

自由卸土依靠整個剷鬥向前翻轉將碎土倒出，不能保證土的卸淨，但動力消耗低，用於小型鏟運機。

鏟運機按照剷鬥容量分小、中、大、特大四種型式，中型的剷鬥容量一般為6~15m³，大型的一般為15~30m³，特大型的可達30m³以上。

(1)輪式鏟運機； (2)履帶式鏟運機

按裝土方式

(1)開鬥裝載式；(2)鏈板裝載式

(1)鋼絲繩式；(2)液壓式

鏟運機的發展已經有上百年的歷史。18世紀就出現了馬拉式鏟運機，其鏟運鬥置於地面，用馬拖拉，運距約15~50m。1883年製造出輪式全金屬鏟運機。1910年，美國製造了拖拉機牽引的專用鏟運機。前蘇聯在20世紀20年代以後成批製造輪胎拖式鏟運機。

1938年美國製造出自行式鏟運機。1949年製造出雙發動機鏟運機，20世紀60年代製造出了鏈板裝載式鏟運機和世界上最大的鏟運機（其鬥容量為200m³）。

與第一代自行式鏟運機相比，CL7自行式鏟運機的產品檔次發生了質變，開創了我國鏟運機的一個新時代。

中國在20世紀60年代開始鏟運機的研發。1961年4月，鄭州工程機械製造廠/一機部工程機械研究所和廈門工程機械廠（分別為宇通重工、天津工程機械研究院和廈工集團的前身）成立聯合設計組，參考國外樣機，研製開發我國第一代自行式鏟運機。同年8月完成設計。1962年12月22日，中國第一台自行式鏟運機樣機C-6106在鄭州工程機械製造廠誕生。

鏟運機能單機同時具備鏟運和運輸功能，特別當運送距離在二三百米至一二千米時，它的作業經濟效率明顯優於其他機械組合的施工效率。鑑於此，在20世紀六七十年代，鏟運機的研發受到了國家相關部門的重視 ^[1]  。1963年8月，根據國家科委“1964年新產品重點控制項目”計劃，鄭州工程機械製造廠與一機部工程機械研究所成立聯合設計組，開發設計CL7自行式鏟運機。1972年試製的CL7自行式鏟運機，採取液力機械傳動，它的剷鬥各部分動作也改為用液壓油缸控制，與第一代自行式鏟運機相比，CL7自行式鏟運機的產品檔次發生了質變，開創了我國鏟運機的第一個新時代。該機代表了當時中國機電產品的最新水平，於1975年6月送到德國科隆參加國際展覽；並在1978年獲得了全國科技大會獎。1978年10月，根據一機部要求，2台CL7自行式鏟運機在擬建青藏鐵路的格爾木至西大灘一段，進行了我國工程機械在高原築路的首次工業性試驗。

幾十年後的今天，當初承載者使命和榮譽的鏟運機卻在苦苦掙扎。雖然鏟運機在鏟運運輸作業中具有相當的經濟性，但卻被挖掘機或是裝載機加自卸車的組合模式所代替。根據統計，在美國，鏟運機完成了土方量佔土方工程總量的40%。

鏟運工作過程包括：放下剷鬥，打開斗門，向前開行，鬥前刀片切削土壤，碎土進入剷鬥並裝滿，提起剷鬥，關上斗門，進行運土；到卸土地點後打開斗門，卸土，並調節斗的位置，利用刀片刮平土層；卸土完畢，返回 ^[5]  。

（1）剷土過程

（2）運土過程

（3）卸土過程

（4）返回過程

鏟運機運行路線和施工方法視工程大小、運距長短、土的性質和地形條件等而定。其運行線路可採用環形路線或8字路線。採用下坡剷土、跨鏟法、推土機助鏟法等，可縮短裝土時間，提高土鬥裝土量，以充分發揮其效率。

1、鏟運機適用於Ⅳ級以下岩石和含水率適中的土壤、砂礫石鏟運作業、特別適合於有大量土方場地平整和大面積基坑填挖工程。但鏟運機不適合於土壤中含有石塊、雜物的場合和深度挖掘作業。用於Ⅳ級以上的凍土或土壤時，必須事先預鬆土壤。 ^{[7]  [8]} 

2、場地平整作業。場地平整作業應遵循先從挖填區高差較大的地段進行，鏟高填低。在場地中部平整出一條標準條帶，然後由此向外逐步擴展。 ^{[7]  [8]} 

3、路堤填築作業。鏟運機填築路堤有縱向填築路堤和橫向填築路堤兩種施工方法，縱向填築應從路堤兩側開始，橫向填築路堤可選用螺旋形運行路線施工，作業方法同縱向填築路堤。

4、土壤、砂礫石鏟運作業。用鏟運機鏟裝鬆散土壤時，鏟入要深，斗門開啓要大，鏟運砂料時，最好用鏈板裝載鏟運機作業。 ^{[7]  [8]} 

5、基坑、管溝鏟挖作業。運用鏟運機在基坑、管溝鏟挖作業時，作業場地足夠大時，可放外坡道，若施工場地比較狹窄，可設置內坡道。 ^{[7]  [8]} 

（1）檢查工作面的安全隱患和道路的平整情況，有問題及時處理 ^[6]  。

（2）檢查液壓系統油箱的油麪，不能低於油標。

（3）檢查各潤滑點的潤滑情況是否良好。

（4）檢查剎車油、輪胎氣壓是否足夠，輪輞是否鬆動。

（5）檢查電纜固定處是否牢靠，接地線是否完好。

（1）檢查各操作手柄是否在正常位置上，確定無誤後方可合上主開關。

（2）接通電源後，一定要通知鏟運機周圍人員撤至安全地帶，然後再啓動鏟運機。

（3）啓動後檢查儀表讀數是否正常，各部位有無不正常的聲響，制動是否可靠，液壓系統是否漏油等。

（4）小心駕駛，尤其在道路狹窄地段或急轉彎地段應緩慢低速行駛，嚴禁鏟運機碰撞兩旁支柱或邊幫。

（5）在整個鏟裝過程中，要合理使用剷鬥操縱桿和加速機構，使所有輪胎都在運行中，防止打滑或空轉。

（6）鏟運機後退時，應避免機身軸線與排出的拖曳電纜夾角小於90℃，前進時，應保證滾筒上的剩餘電纜有3圈以上，以防止損壞電纜或拉脱滑環裝置。

（7）上坡或下坡時剷鬥端總是指向坡底，在情況危險時，可以放下剷鬥來幫助停止鏟運機。

（8）遇故障或包紮電纜接口時，先斷開主電源，嚴禁禁電作業。

（1）將鏟運機停在無松石、無滴水、無天井跨塌、無爆破作業砸壞等情況發生的安全處。

（2）將各操縱桿復位，動臂放到底，剷鬥下翻並接觸地面。

（3）將停車閉鎖放到鎖定位置。

（4）斷開車上電源開關及主電源開關。將鏟運機停在平地上，若停在斜坡上，須用三角木或石塊將車輪楔住。

（5）拖動鏟運機，在正常的拖掛或拉桿之外要加用安全鏈條或鋼絲繩索，長距離牽引時，必須斷開驅動系統。

主動式鏟運機接地比壓小，能實現原地轉向。在氣候惡劣、場地狹窄、地質狀況差的泥濘和沼澤地帶，能實現全天候、連續、高效作業，具備良好的可靠性和適應性。機器利用鏟削土壤，並將碎土裝入剷鬥進行運送和卸土整平，一台主動式鏟運機在單位時間內相當於一台挖機、一台推土機和兩台裝載車共同的作業量。

大型土石方轉移的最佳機械，集運土、剷土、鬆土、推土、卸土於一體的多功能鏟運機，鏟運的距離在2000米以內。能夠廣泛用於建築施工、機場修建、礦山開採、水利水電等。

主動式多功能履帶鏟運機是其全稱，它採用先進的電控、動力傳動系統、電液控制的變速操縱系統，電液控制轉向制動系統和自動卸荷液壓先導控制系統等，整機性能優越，操縱輕鬆；超強結構設計的車架，適用於重載工程作業；全液壓的濕式轉向制動系統，使機器工作時更加靈活、高效；特殊設計的駕駛室，佈局合理、視野開闊、操作舒適。

1、美國CUMMINS電控發動機，強力強勁、性能卓越；

2、德國ZF自動變速箱，動力換擋，操作簡單；

3、德國REXROTH液壓系統，質量可靠，穩定性好；

4、美國PARKER流體連接件，經久耐用，可靠性高；

5、德國GESSMANN操縱系統，輕便靈活，安全高效；

6、芬蘭EPEC控制系統，速度快捷、抗干擾強；

7、瑞士FRUTIGER全液壓轉向制動系統，能實現原地轉向；

8、瑞典高耐磨鋼板HARDOX材料，強度高、耐磨性好，壽命長；

9、按歐盟CE標準設計的駕駛室，帶有防翻車及墜物保護結構和自動升降功能；

10、美國康明斯環保發動機QSM11達到stageIII/EPA TierIII排放標準，駕駛室配有無氟環保型空調，油耗低、排放少、節能環保。

1、發動機功率：250KW（335hp）

額定轉速：2100r/min

2、剷鬥容量：堆裝12立方米

剷鬥寬度（切削寬度）：1980mm

最大切土深度：350mm

最大挖掘力：22100kg

3、整機工作質量：31000kg

額定載重量：20000kg

4、行駛最大速度：25.2km/h（前進4檔，後退3檔）

最小轉彎半徑：5000mm

爬坡能力：30%

5、最大離地間隙：573mm

6、液壓系統工作最大壓力：21Mpa

7、履帶：單履齒

節距：228.6mm

寬度：710mm

接地比壓：0.06Mpa

8、外形尺寸：長6730X寬3480X高4215mm

運輸尺寸：長6730X寬3480X高3445mm

一人一機四步操作：

鬆土——裝載——運輸——傾倒

1、鬆土

剷鬥設低至理想深度，並剷起待運土方。

2、裝載

剷鬥靠前進裝置裝載土方，根據機器的不同尺寸，鏟運距離可為25-40 米。此過程花時24-40秒。

3、運輸

裝滿土方的剷鬥上抬。機器以20公里的時速駛往土方傾倒的地點。

4、傾倒

土方通過液壓後壁從剷鬥中推出倒空，其堆放方式有如下幾種：

1）鋪展作業

機器以向前或迴旋的方式將土方堆放至所需要的厚度，且不會造成明顯的被履帶壓實後的現象。

2）場底作業

無論本地或指定地點作業，一次傾倒的土方堆鋪高度最高可至2米。

3）坡邊作業。

土方可直接倒放在斜坡邊。

4）推土板作業

利用推土板作業，特別適合於開展短距離的如路面建設、夷平土地和大規模土方轉移等工作。

主動式多功能履帶鏟運機在引進國外先進技術的基礎上，實施了全方位的技術創新，集中採用了兩級燃燒低污染風冷發動技術、動力換擋變速技術、單路穩定分流轉向技術，不僅實現了傳動結構和行走方式的整機技術創新，而且實現視距內遙控，大大提高了設備的工作效能。主動式鏟運機的成功研發，是鏟運機發展史上一個新的里程碑。

20世紀90年代初，加拿大英柯（Inco）國際鎳業公司研發的自動採礦新技術實現了對井下鏟運機的遙控操作，並對裝載時間、卸載時間和有效荷載進行了全面仿真分析，芬蘭（Tamtron）公司生產的GPRS數據傳輸電子稱可實現多機器同時管理，中國在凡口鉛鋅礦搭建首個具有知識產權的智能採礦系統，實現了定點卸載和自主稱重等功能。自動稱重系統的主要功能是在鏟運機鏟裝完成後測量剷鬥有效荷載，同時調整剷鬥中礦石狀態防止運輸過程中礦石掉落。 ^[9] 

雙泵合流液壓系統轉向液壓液壓和雙泵分置液壓系統進行融合，採用一個泵給兩個系統供油或者兩個泵供油，但工作泵採用一個小流量液壓泵，在滿足轉向液壓系統要求的同時，降低工作泵的排量，當轉向系統不工作時將轉向液壓系統多餘的流量合流到工作液壓系統，降低了流量損失、壓力損失，增加了效率降低了能耗。 ^[10] 

1、開挖路塹

鏟運機開挖路塹可採用橫向棄土和縱向移挖作填兩種形式，鏟裝時需在路塹內沿縱向運行，在開挖過程中，始終保持兩側低、中間高的斷面形狀，直到最後全部成型為止。如鏟運機在基坑、管溝鏟挖作業時，可以進行挖溝等作業。 ^[9] 

2、土方開挖

（1）履帶式鏟運機：工作時由履帶式拖拉機牽引，具有接地比壓小、附着牽引大和爬坡能力強等優點，但機動性較差，在運距短、坡度大和鬆軟潮濕地帶工程中普遍使用，高效率運距宜為200~350m。 ^[9] 

（2）輪胎自行式鏟運機：由剷鬥車和低壓輪胎牽引車兩部分組成，並以鉸接方式相連，本身具有行走能力，具有結構輕便、行駛速度高、可帶較大的剷鬥、越野性好等優點，路面平坦、行駛阻力小時，可選用自行式鏟運機。 ^[9] 

3、填築路堤

用鏟運機填築路堤，一般要求取土距離在100m以上，路堤的高度2m以上較為合適，依據鏟運機在路堤上卸土的位置不同，可分為縱向填築和橫向填築兩種方式。如可以利用鏟運機進行縱向填築路堤或橫向填築路堤。 ^[9] 

隨着5G技術、無人駕駛技術的發展應用，露天礦卡車、無人駕駛、井下電機車無人駕駛技術已經投入應用。井下無人駕駛鏟運機具備自動感知井下環境信息、數據採集、 自主精準導航行走、採場地圖構建、自動規劃路徑等功能 ，瑞典山特維克公司對自動化鏟運機和卡車推出的單台無人駕駛鏟運機能實現鏟運機所有操作和監控功能的半自動化，已在井下礦山實地應用。 ^[15] 

研究剷鬥軌跡控制的方法包括位置控制、基於行為的方法、阻抗控制、導納控制、人工智能方法和強化學習方法等。根據控制方式的不同，將剷鬥軌跡控制方法劃分為2類。

（1）基於力反饋的剷鬥軌跡控制：自動裝載過程需要明確測量物體變量和控制物體變量才能使鏟運機剷鬥在時間最短，消耗最低的軌跡中進行挖掘作業。該方法適用於裝載均勻物料。

（2）基於學習的剷鬥軌跡控制：在1980~1987年，人工智能技術（Artificial Intelligence，AI）迎來了黃金時期，1996年美國在難以預測的模糊環境中進行了模擬機器人自主挖掘試驗，結果表明其挖掘效果與人工操作員相當，但在挖掘時間和有效荷載方面比人工差。瑞士、美國等國家研究了機器學習在鏟運機剷鬥軌跡控制方面的應用，在特定環境和條件下取得了較好的結果。

參考資料： ^[13-14] 

參考資料： ^[12] 

參考資料： ^[11]