2018水电工程机械浅论

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　　［摘 要］ 水利水电工程施工有挖掘机械和挖运组合机械两大类。文章论述水电工程机械的类型、特点，为水电工程施工提供参考。
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　　 ［关键词］ 水利工程；高边坡；施工技术
　　 ［作者简介］ 杨耀升，广西海河水利建设有限责任公司一分公司工程师，广西 黎塘，530409
　　 ［中图分类号］ TV53 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2011）11-0083-0003
　　
　　 水利水电工程中，常用的土方开挖机械有挖掘机械和挖运组合机械两大类。挖掘机械按工作机构不同及工作特点可分为循环作业的单斗式和连续作业的多斗式挖掘机两类；挖运组合机械能综合完成挖土、运土和铺土等工作程序，常用的有装载机、铲运机和推土机。土方开挖机械的选择应根据工程规模、工期要求、地质条件以及施工现场条件等确定。
　　一、单斗式挖掘机
　　 单斗式挖掘机指仅有一个铲土斗的挖掘机械，是水利水电工程施工中最常用的一种机械，可以用来开挖建筑物的基坑、渠道和开采当地材料等。它主要由行走装置、动力装置和工作装置三大部分组成。
　　 行走装置有履带式或轮胎式，常用的是履带式。动力装置有电动和内燃机两种，常用的是电动式，称为电铲。工作装置有正向铲、反向铲、拉铲和抓铲，可用钢丝绳或液压操纵，常用的是正向铲、反向铲挖掘机。
　　 （一）正向铲挖掘机
　　 正向铲挖掘机主要用于挖掘停机地面以上的土石方，也可以挖掘停机地面以下不深的土方。
　　 正铲挖掘机工作装置由动臂、斗柄、铲斗、提升索等主要构件组成，挖掘机的每一工作循环包括挖掘、回转、卸土和返回四个过程。
　　 挖土特点是：前进向上、强制切土。正向铲挖掘机有强力的推力装置，稳定性好，铲土力大，可挖掘Ⅰ～Ⅳ级土和破碎后的岩石(爆破石渣)。机型根据挖斗容量来区分，常用的是1～4m3。它的生产率主要取决于铲土量和每斗作业的延续时间。
　　 为了提高挖土机的生产率，除了工作面高度必须满足一次铲土能装满斗的要求之外，工作面高度一般大于1.5m，还要考虑开挖方式与运土机械的配合问题，尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。
　　 挖掘的工作面，即挖掘机挖土时的工作空间称为掌子面。根据掌子面布置的不同，正铲挖掘机有不同的作业方式，主要有两种：正向掌子面挖土，侧向卸土，正向掌子面挖土，后方卸土，如图1所示。
　　 正向挖土，侧向卸土法：正铲前进方向挖土，运输工具停在正铲的侧向装土。挖掘机卸土时，铲臂回转角度小于90°，装车方便，循环时间短，生产效率高，施工中尽量布置成这种施工方法。
　　 正向挖土，后方卸土法：正铲前进方向挖土，运输工具停在它的后面装土。开挖工作面较大，挖掘机卸土时，铲臂回转角度大、运输车辆需倒退对位，运输不方便，生产效率降低，适用于开挖深度大、场地狭窄的场合。
　　 （二）反向铲挖掘机
　　 目前常用的是液压反铲。主要用于开挖停机面以下的土方，也可开挖停机面以上的土方。液压反铲适用于挖Ⅰ～Ⅲ类土，硬土须预松，可就地甩土或装车，如基坑、渠道、管沟的土方及含水量大的软土、砂砾石开采。
　　 开挖特点是：后退向下，强制切土。反铲的稳定性、铲土力均比正铲为小。常用反铲的斗容量有0.5m3、1.0m3、1.6m3等数种，大的已超过3m3，最大挖土深度由4m至6.8m不等。
　　 根据掌子面布置的不同，反铲挖掘机有不同的作业方式，反铲挖土有沟端开挖和沟侧开挖两种，如图2所示。
　　 沟端开挖：挖掘机停于基坑端部，后退挖土，汽车停在两侧装土。
　　 沟侧开挖：挖土机停在基坑一侧，沿沟边开挖，铲臂回转角度小，可用汽车配合运土，也可将土弃于距沟边较远的土堆。前进方向与开挖方向垂直，挖土宽度和深度均较小，机身靠沟边停放，稳定性较差。这种开挖方式在无法采用沟端开挖，或不需将弃土运走时采用。
　　 3．单斗挖掘机生产率计算
　　 施工机械的生产率是指它在一定时间内的一定条件下，能够完成的工程量。生产率又分为理论生产率、技术生产率和实用生产率。
　　 影响挖掘机生产率的主要因素有：土壤的性质、掌子的高度、旋转角度、工作时间利用程度、运输车辆的大小、司机的操作水平以及挖掘机的技术状况等。
　　 单斗式挖掘机实用生产率计算为：
　　 （1）
　　
　　
　　 式中：p――挖掘机生产率(自然方)，m3／h；
　　 q――铲斗乎装容量，即铲斗几何容积，m3；
　　 n――设计每分钟循环次数；
　　 Kab――铲斗充盈系数，指铲斗所装的松方量与铲斗平装容量之比，它与土壤性质和开挖难易有关(对于易挖的松散材料，Kab大；对于难挖的块度大和空隙大的，Kab小，一般为0.8～1.1)；
　　 Kt――施工机械时间利用系数，取0.8～0.9；
　　 Kz ――工作循环时间修正系数；
　　 K+――土壤级别修正系数，可采用1.0～1.2；
　　 β――转角修正系数，卸料转角为90°时，β=1.0；卸料转角为100°～130°时，β=1.08～1.37；
　　 Ky――卸料延误系数(联合工作系数)，卸入弃土堆为1.0；卸入车厢为0.9；
　　 Kz――可松性系数，为松方密度与自然方密度之比，其值小于1。
　　 提高挖掘机生产效率的措施：（1）合理布置掌子面，缩短挖掘机的工作循环时间(加长中间斗齿长度，以减小铲斗阻力，操作时尽可能合并回转、升起、降落等生产过程)；（2）合理配套挖运设备；（3）规范施工方法和步骤，提高机械设备操作水平，加强施工管理，提高时间利用系数；（4）加强机械维护保养，保证机械正常运转。
　　二、挖运组合机械
　　 （一）装载机
　　 装载机是一种挖运连续作业高效率的综合作业机械设备。主要用于铲取松散物并进行装、运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度的铲掘工作，并能用于清理、刮平场地、牵引作业。如更换工作装置，还可完成堆土、挖土、起重(抓举)及装载棒状物料等工作。装载机的斗容量有0.5m3、lm3、2m3、3m3、5m3。按铲斗载重量可分为小型 (10t)四种。装载机按行走装置可分为轮胎式和履带式两种。
　　 轮胎式装载机采用大型轮胎，与地面接触压力低、生产效率高、适应性强、机动灵活、价格低的优点，因此被广泛应用，如3所示。缺点是在潮湿的地面上作业时，易打滑，铲取紧密的原状土较难，轮胎价格昂贵而磨损比较快，特别在潮湿的岩面上作业，轮胎易被割破。适用于松散土、轻质土、基坑清淤以及无地下水影响的河渠开挖。挖出的土方可直接卸于两侧或外运，也可用于较软土体的表层剥离、地面子整、场地清理等工作，其运距不超过150m为宜。另外，还适用于砂砾石料的采挖和零星材料的装挖及短距离的搬运。
　　 履带式装载机的优点：有大容量的铲斗和较大的生产率，履带底盘形成一个稳定的工作平台，使机械在软土和湿地上亦能正常工作；履带有良好的附着性能，不易打滑，因而提高了挖掘能力，铲取原状土和砂砾速度较快，操作灵活性较好，能在狭窄的场地上作业，受天气影响小，雨后可迅速恢复生产。
　　 装载机生产率为：
　　
　　 （2）
　　 式中 P――装载机生产率(自然方)，m3／h；
　　 q――铲斗平装容量，即铲斗几何容积，m3；
　　 T――作业工作循环时间，min；
　　 Kab――铲斗充盈系数；
　　 Kt――施工机械时间利用系数，取0.8～0.9；
　　 Ke――可松性系数。
　　 （二）铲运机
　　 铲运机是一种典型的铲土运输机械，铲斗能从地面薄层取土，并将土斗装满；铲斗装有车轮，便于将土运到较远处卸料；能在行驶中将土从斗中卸出，并铺成所需要的厚度，铲运机能独立完成铲土、运土、卸土和平土作业，对行驶道路要求低，操作灵活，运转方便，生产效率高。
　　 铲运机适用于大面积场地平整，开挖大型基坑、沟槽以及填筑路基、堤坝等，最适合开挖含水量不大于27％的松土和普通土，不宜开挖砾石层和沼泽区。当铲运较坚硬的土壤时，宜先用推土机翻松0.2～0.4m，以减少机械磨损，提高效率。按行走机构不同，铲运机有自行式、牵引式两种。常用铲运机的铲斗容量为1.5～6m3。
　　 自行式铲运机的行驶和工作都靠本身的动力设备，不需要其他机械的牵引和操作，如图4所示。切土力较小，装满铲斗所需时间和铲土长度较短，但行驶速度快，经济运距为800～1500m。
　　 拖式铲运机由拖拉机牵引，工作时靠拖拉机上的操作机构进行操作。根据操作机构不同，拖式铲运机又可分索式和液压式两种。切土力较大，所需铲土长度较短，但行驶速度慢，拖式铲运机的运距以不超过800m为宜，当运距在300m左右时效率最高。
　　
　　［参考文献］
　　［1］于会泉.水利工程施工与管理［M］.北京:中国水利水电出版社,2005.