挖掘機作業(yè)機群配置技術(shù)研究

挖掘機作業(yè)機群系統(tǒng)是工程中常用的作業(yè)機群系統(tǒng)，其機群配置的合理性對系統(tǒng)的生產(chǎn)率以及工程的效益有重要影響。以往的研究主要著重于用排隊論的方法分析系統(tǒng)的工作狀況，提出優(yōu)化參數(shù)，但這些方法都過于理論化，很難準確高效的指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。本文通過對相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進行分析，論述了這一機群的合理配置的條件和決策方法，能夠有效的提高系統(tǒng)生產(chǎn)率。

通常所說的挖掘機作業(yè)機群系統(tǒng)即挖掘機－自卸車系統(tǒng)，對這一系統(tǒng)配置技術(shù)的研究包括：機械的合理選擇和挖掘機與自卸車的合理配置以及與之相關(guān)的作業(yè)方法研究。

1　挖掘機的合理選擇

作為主導(dǎo)機械，挖掘機性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)類型的正確選擇將直接影響施工的進度、成本和效益。挖掘機選擇的基本原則是：挖掘機的斗容量和臺數(shù)與工程量和工程進度相適應(yīng)；挖掘機的結(jié)構(gòu)類型與土壤條件和工程特點相適應(yīng)；具有較高的性能價格比、工作可靠性及駕駛舒適性。

挖掘機斗容量的選擇首先取決于工程量的大小和工程進度要求。為不同的工程量選擇合理的斗容量將會使施工成本大大降低。斗容量一定時，施工成本與工程量的關(guān)系如圖1所示。

由圖中曲線可知，工程量越大，選擇較大的斗容量可降低單位施工成本。

若已知工程量的月進度，可參照表1選擇合理的斗容量。

2　挖掘機的生產(chǎn)率分析

2.1　工作循環(huán)時間分析

當機型一定時，決定挖掘機生產(chǎn)率的基本因素是工作循環(huán)時間ｔ，且ｔw＝ｔc＋ｔy＋ｔx＋ｔf

式中：ｔc——挖掘時間

ｔy——向卸載點運行時間

ｔx——卸載時間

ｔf——向工作面返回時間

挖掘時間ｔ取決于鏟斗挖掘速度的高低（合理值約為0.75m/s），過高的挖掘速度將增加操作人員的緊張和疲勞程度。為減少運行時間ｔ和返回時間ｔ，應(yīng)在允許的情況下盡量減小回轉(zhuǎn)角?；剞D(zhuǎn)角的合理范圍一般為70°~180°，最佳角度為90°?；剞D(zhuǎn)角度過小時，由于達不到最大回轉(zhuǎn)速度，不能充分利用發(fā)動機功率，從而增加運行和返回時間。卸載時間主要取決于鏟斗的結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)。不同斗容量與不同土質(zhì)條件下挖掘機的自由卸載時間如表2所示。向自卸車內(nèi)卸土時，卸載時間將增加10％～15％。

由表中數(shù)據(jù)分析可知，隨著土壤粘性和斗容量的增加，卸載時間明顯增加。

2.2　操作人員的工作效率分析

操作環(huán)境對操作人員工作能力的發(fā)揮有很大的影響。技術(shù)等級一定時，影響操作人員工作效率的主要因素是操作的復(fù)雜性、工作時間和操作環(huán)境等。表3為不同操縱形式下的工作循環(huán)時間測試的相對值。由表中數(shù)據(jù)分析可知，隨著操縱復(fù)雜性和工作持續(xù)時間的增加，工作循環(huán)時間的延長，生產(chǎn)率降低。圖2和圖3分別為操作人員效率隨工作時間和駕駛室溫度變化的關(guān)系。表4為不同噪聲環(huán)境下的相對工作循環(huán)時間。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著噪聲的增強，工作循環(huán)時間明顯增加。

3　自卸車與挖掘機的合理配置

自卸車與挖掘機配置的合理性是決定自卸車－挖掘機系統(tǒng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的基本因素。自卸車的載重量和臺數(shù)應(yīng)符合挖掘機生產(chǎn)率和工程運距的要求。

3.1 自卸車載重量的確定

載重量的大小不僅影響挖掘運輸系統(tǒng)的生產(chǎn)率，而且影響施工成本。斗容量一定時，施工成本與載重量與之間的關(guān)系如圖4所示。

由圖中曲線分析可知，當斗容量一定時，存在一最佳載重量與之相匹配使施工成本最低；斗容量越大，施工成本最小值對應(yīng)的載重量隨之增加。當運距和斗容量確定時，自卸車的載重量可參考表5選取。有關(guān)試驗研究表明，挖掘機斗容量與載重量合理配置的基本要求是：斗容量1～2.5m3的挖掘機配置載重量11～25t的自卸車。

3.2 自卸車臺數(shù)的確定

自卸車的數(shù)量取決于運輸距離和平均運輸速度，其確定的基本原則是既能保持挖掘機工作的連續(xù)性和生產(chǎn)率要求，又不會經(jīng)常產(chǎn)生裝車等待現(xiàn)象。 自卸車臺數(shù)ｎ的一般表達式為

ｎz＝tq/tz＋１

式中：ｔq——自卸車平均運輸周期

ｔz——平均裝載時間

在實際作業(yè)中，平均運輸周期和平均裝載時間均為隨機變量，需要確定其概率分布才能加以精確描述。

為使挖掘機－自卸車系統(tǒng)具有較高的生產(chǎn)效率，除了合理確定系統(tǒng)的基本參數(shù)外，還應(yīng)保證自卸車與挖掘機之間，以及自卸車與卸土點之間具有最佳的行駛路線。對于大型工程，道路上的車輛密度應(yīng)合理控制，以提高平均運輸速度。

4　結(jié)論

根據(jù)上述分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）對不同的工程量和施工進度，選擇最佳斗容量的挖掘機將大大降低施工成本。

（2）挖掘機合理的挖掘速度為0.75m/s，最佳的回轉(zhuǎn)角度為90°。

（3）操作人員的技術(shù)水平和操作環(huán)境（溫度、噪聲、濕度等），以及持續(xù)工作時間對挖掘裝載生產(chǎn)效率有顯著影響。

（4）自卸車載重量與挖掘機斗容量的配置合理性對施工成本有顯著影響，合理配置的基本要求是，對于斗容量1～2.5m3的挖掘機配置載重量11～25t的自卸車。