挖掘机作业机群配置技术研究

挖掘机作业机群系统是工程中常用的作业机群系统，其机群配置的合理性对系统的生产率以及工程的效益有重要影响。以往的研究主要着重于用排队论的方法分析系统的工作状况，提出优化参数，但这些方法都过于理论化，很难准确高效的指导生产实践。本文通过对相关的试验数据和经验进行分析，论述了这一机群的合理配置的条件和决策方法，能够有效的提高系统生产率。
　　通常所说的挖掘机作业机群系统即挖掘机－自卸车系统，对这一系统配置技术的研究包括：机械的合理选择和挖掘机与自卸车的合理配置以及与之相关的作业方法研究。
　　1　挖掘机的合理选择
　　作为主导机械，挖掘机性能参数和结构类型的正确选择将直接影响施工的进度、成本和效益。挖掘机选择的基本原则是：挖掘机的斗容量和台数与工程量和工程进度相适应；挖掘机的结构类型与土壤条件和工程特点相适应；具有较高的性能价格比、工作可靠性及驾驶舒适性。
　　挖掘机斗容量的选择首先取决于工程量的大小和工程进度要求。为不同的工程量选择合理的斗容量将会使施工成本大大降低。斗容量一定时，施工成本与工程量的关系如图1所示。

　　由图中曲线可知，工程量越大，选择较大的斗容量可降低单位施工成本。
　　若已知工程量的月进度，可参照表1选择合理的斗容量。

　　2　挖掘机的生产率分析
　　2.1　工作循环时间分析
　　当机型一定时，决定挖掘机生产率的基本因素是工作循环时间ｔ，且ｔw＝ｔc＋ｔy＋ｔx＋ｔf
式中：ｔc――挖掘时间
　　　ｔy――向卸载点运行时间
　　　ｔx――卸载时间
　　　ｔf――向工作面返回时间
　　挖掘时间ｔ取决于铲斗挖掘速度的高低（合理值约为0.75m/s），过高的挖掘速度将增加操作人员的紧张和疲劳程度。为减少运行时间ｔ和返回时间ｔ，应在允许的情况下尽量减小回转角。回转角的合理范围一般为70°~180°，最佳角度为90°。回转角度过小时，由于达不到最大回转速度，不能充分利用发动机功率，从而增加运行和返回时间。卸载时间主要取决于铲斗的结构和土壤性质。不同斗容量与不同土质条件下挖掘机的自由卸载时间如表2所示。向自卸车内卸土时，卸载时间将增加10%～15%。

　　由表中数据分析可知，随着土壤粘性和斗容量的增加，卸载时间明显增加。
　　2.2　操作人员的工作效率分析
　　操作环境对操作人员工作能力的发挥有很大的影响。技术等级一定时，影响操作人员工作效率的主要因素是操作的复杂性、工作时间和操作环境等。表3为不同操纵形式下的工作循环时间测试的相对值。由表中数据分析可知，随着操纵复杂性和工作持续时间的增加，工作循环时间的延长，生产率降低。图2和图3分别为操作人员效率随工作时间和驾驶室温度变化的关系。表4为不同噪声环境下的相对工作循环时间。由表中数据可知，随着噪声的增强，工作循环时间明显增加。

　　3　自卸车与挖掘机的合理配置
　　自卸车与挖掘机配置的合理性是决定自卸车－挖掘机系统生产率和经济效益的基本因素。自卸车的载重量和台数应符合挖掘机生产率和工程运距的要求。
　　3.1 自卸车载重量的确定
　　载重量的大小不仅影响挖掘运输系统的生产率，而且影响施工成本。斗容量一定时，施工成本与载重量与之间的关系如图4所示。

　　由图中曲线分析可知，当斗容量一定时，存在一最佳载重量与之相匹配使施工成本最低；斗容量越大，施工成本最小值对应的载重量随之增加。当运距和斗容量确定时，自卸车的载重量可参考表5选取。有关试验研究表明，挖掘机斗容量与载重量合理配置的基本要求是：斗容量1～2.5m3的挖掘机配置载重量11～25t的自卸车。

　　3.2 自卸车台数的确定
　　自卸车的数量取决于运输距离和平均运输速度，其确定的基本原则是既能保持挖掘机工作的连续性和生产率要求，又不会经常产生装车等待现象。 自卸车台数ｎ的一般表达式为
　　ｎz＝tq/tz＋１
式中：ｔq――自卸车平均运输周期
　　　ｔz――平均装载时间
　　在实际作业中，平均运输周期和平均装载时间均为随机变量，需要确定其概率分布才能加以精确描述。
　　为使挖掘机－自卸车系统具有较高的生产效率，除了合理确定系统的基本参数外，还应保证自卸车与挖掘机之间，以及自卸车与卸土点之间具有最佳的行驶路线。对于大型工程，道路上的车辆密度应合理控制，以提高平均运输速度。
　　4　结论
　　根据上述分析，可以得出以下几点结论：
　　（1）对不同的工程量和施工进度，选择最佳斗容量的挖掘机将大大降低施工成本。
　　（2）挖掘机合理的挖掘速度为0.75m/s，最佳的回转角度为90°。
　　（3）操作人员的技术水平和操作环境（温度、噪声、湿度等），以及持续工作时间对挖掘装载生产效率有显著影响。
　　（4）自卸车载重量与挖掘机斗容量的配置合理性对施工成本有显著影响，合理配置的基本要求是，对于斗容量1～2.5m3的挖掘机配置载重量11～25t的自卸车。