机械式挖掘机是最早的自行式的土方机械，1835年，美国人W.奥蒂斯（William Otis，1813～1839）发明了世界上第一台以蒸汽机驱动的机械挖掘机。

1922年，比塞洛斯（Bucyrus）公司生产了该公司第一台全回转式机械挖掘机50-B，同时机械式挖掘机开始应用在采石场和矿场上，1925年，比塞洛斯公司制造了世界上第一台矿用挖掘机120-B。

双履带机械式挖掘机因其可以配备超长的动臂而被作为剥离铲使用，在20世纪40～50年代进入露天采矿行业，并被广泛应用于俄亥俄州、西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州西部的浅覆盖层矿区。随着1951年法国波克兰工厂制造出第一台全液压反铲挖掘机，小吨位机械式挖掘机逐渐被液压式挖掘机代替。机械式挖掘机一般只应用于大型露天开采中。

通常，按工作装置中推压机构的不同，机械式挖掘机分为齿轮齿条式和钢丝绳式两大类（图1）。齿轮齿条式机械式挖掘机靠齿轮齿条机构实现斗杆的伸缩，通常采用单梁动臂、双梁外斗杆结构；钢丝绳式机械式挖掘机靠钢丝绳缠绕机构实现斗杆的伸缩，通常具有双梁动臂、单梁内斗杆结构。

图1 机械式挖掘机分类

动臂下端铰接于回转平台上，上端通过滑轮用变幅钢丝绳使其位置保持固定。斗杆通过推压轴的作用自由伸缩，也可绕其转动。铲斗的提升靠提升钢丝绳，下降则靠铲斗的自重，并由提升机构的制动器控制铲斗的下降速度。工作时，钢丝绳提升铲斗，同时推压轴推动斗杆使铲斗接近工作面。铲斗的提升和推压同时动作，在运动中装满矿石，然后离开工作面，回转到卸载处，由开斗机构打开铲斗斗底，矿石靠自重卸出，然后再回转到工作面开始下一个工作循环。

机械式挖掘机由工作装置、回转支承装置、行走装置、动力装置、操纵系统和润滑装置等组成（图2）。

图2 挖掘机主要结构组成

正铲工作装置是机械传动单斗挖掘机工作装置的基本形式，由提升机构、推压机构、动臂、斗杆和铲斗等构成。提升机构担负铲斗和动臂的提升或下放工作，一般有两种传递形式：一种是独立电动机驱动，另一种是与其他机构共用1台电动机驱动的传动形式。

推压机构担负斗杆的前进或后退工作，分为齿轮-齿条推压机构、钢丝绳推压机构和曲柄-摇杆推压机构，其中齿轮齿条推压具有推压力大、铲斗工作平稳、容易定位、齿轮-齿条寿命较长等优点；钢丝绳推压可将发动机、卷筒和主要传动机构安装在回转平台前部机棚内，使动臂重量减轻，回转惯量减小，有利于提高挖掘机的稳定性，斗杆尾部装有橡胶缓冲装置或电气缓冲装置用于减少挖掘时对钢丝绳的冲击；曲柄-摇杆推压机构的特点是动臂不承受推压机构的负载，使动臂结构大为简化，多用在大型剥离用单斗挖掘机中。根据动臂与斗杆的相互配置，可分为双梁动臂单梁内斗杆结构、单梁动臂双梁外斗杆结构和双梁铰接动臂单梁内斗杆结构三种。

铲斗是挖掘机工作装置的主要部件之一，用来直接挖掘、运输和卸出土壤，它不但受到很大的载荷，而且遭受剧烈的磨损，铲斗的构造和形状对挖掘机的生产率和工作可靠性有很大影响。铲斗的传统形状接近于正立方体，上部开敞，下部是可开启的斗底，正铲斗由前壁、侧壁、后壁和斗底组成，在铲斗前壁的切削边上一般都装有斗齿，减小挖掘时的阻力和减小切削边的过快磨损。

回转支承装置用于支撑挖掘机的转台并使其能相对于行走装置底座回转，它由回转平台和支撑装置两部分组成。

①回转平台。又称上部机架，多为焊接结构，由前后两部分组合而成。平台的前部装有工作装置、两足支架和上部各传动机构。通常在平台前部还装有侧向悬臂，用来安装操纵系统和其他辅助装置，以及司机室、机棚、维修通道等，在下底面装有回旋支撑装置的上滚道及钩轮等。后部配重箱上装有发动机组和平衡重块。

②支承装置。设在平台和底座之间，它承上连下，使上下两部分可做相对运动，除了完成作业动作外，还要求能够将上部的各种载荷传至下支承架，当回转平台旋转时保持平衡而不倾覆。支承装置的结构形式很多，其共同特点都是把支承装置的上下滚盘分别装在回转台和下支承架上，在上下滚盘之间设置有滚动体（滚轮、滚子或滚珠），驱使滚动体滚动，回转平台与下支承架之间就能相对旋转。

行走装置是整个机器的支撑基座，用来支持所有机构和部件，接受工作装置在运行过程中产生的力。履带式行走装置因其承载能力大，对各种道路适应性强等优点被广泛应用。对于机械式挖掘机产品而言，行走装置应用最多的是重型双履带结构（图3）。

图3 典型双履带行走装置结构简图

主要分为内燃机驱动、电力驱动和复合驱动三种，机械式挖掘机工作时负载很不稳定，容易超载，冲击频繁，环境条件较差，因此其动力装置有下列特点：发动机的转矩和转速能随着外载荷的变化而变化，即具有可变特性；有较大的起动转矩，能快速起动，当外载荷稳定时，发动机有稳定的转矩和较快的转速；有较大的过载能力，能严格控制堵转力矩，不致使挖掘机各部受力过大；工作可靠，有足够的强度。

按照操纵动作原理不同，可分为人力操纵、液压操纵、气压操纵、电气操纵和复合操纵等多种操纵方式。在单机驱动的挖掘机中，一般采用前三种方式，在多机驱动的挖掘机中，多采用后两种方式，复合操纵包括电气-液压操纵和电气-气压操纵。在一台挖掘机中，由于各种机构的工况不同，常常采用混合操纵的方式，例如在以液压操纵为主的挖掘机中，对不经常工作不易接合的牙嵌离合器采用人力操纵。人力操纵是依靠司机体力通过杠杆和踏板来使机构结合或脱开。其优点是易于感觉和控制，缺点是不能获得大的力量和速度，司机容易疲劳。液压操纵介质压力大、工作可靠、结构紧凑、动作迅速且操纵方便，因此被广泛应用。

润滑装置在现代挖掘机上的应用分为两种：稀油自动集中润滑和干油自动集中润滑。干油自动集中润滑系统包括控制盘、电磁阀、气动油泵、贮油桶及给油器等组成。稀油自动集中润滑系统包括油泵、油箱、滤油器、溢流阀和油管等，和一般液压系统相同。稀油润滑必须保证各润滑点所要求的流量，能够对各润滑点的流量进行检查，压力油能均匀地供给每一个润滑点。

机械式挖掘机通常为单斗结构，其作业方式是周期性的，即装斗、卸斗、移动机体等动作都是依次间断进行的，主要用于土方和采矿工程的挖掘和装载工作。其主要特点是：单斗挖掘机挖掘时，动臂倾角不变，铲斗和斗杆在提升和推压两机构的配合作用下将形成复杂的运行轨迹，借以满足对挖掘工作的要求；由于动臂和斗杆的布置和联结的结构特点，决定了这种挖掘机适用于挖掘高于停机平面以上的工作面；因具有足够大的提升力和推压力，故可用于铲装硬度大的岩石和挖掘各级土壤。

随着科学技术的飞速发展，更多先进成熟的技术被成功地集成应用于大型机械式挖掘机的设计和制造过程中，为机械式挖掘机整体技术水平的提升提供了必要的保证。其发展趋势主要有以下几点。

①应用现代设计方法和手段，提高整机的性能和可靠性。大型机械挖掘机载荷谱及挖掘轨迹研究成果的应用，建立了整机性能参数、工作尺寸、不同挖掘物料载荷谱以及合理挖掘轨迹之间的数学模型，为产品设计提供了科学、可靠的依据。应用虚拟样机的整机性能分析和仿真优化设计技术，优化整机性能，实现产品的三维设计和部分零部件的参数化设计，提高传动系统零部件的可靠性和使用寿命。

②应用新材料、新工艺，提高大型结构件、传动零件和主要承力零件的可靠性。在铲斗、斗杆、起重臂、回转平台、A形架、底架、履带架以及大型齿轮箱的设计和制造过程中大量采用优质低合金高强度调质和正火钢板、优质焊接材料和严格的焊接工艺，提高焊接结构件的强度和刚度，降低结构件的重量。通过局部或整体退火处理，消除焊接结构件的残余应力，避免主要基础结构件的早期失效现象，提高基础结构件的使用寿命。在传动系统的轴类和齿轮类零件的设计和制造过程中采用优质低碳合金钢锻造、整体调质、轮齿表面渗碳淬火、磨齿、齿形修缘以及齿根喷丸强化等先进工艺手段和措施，提高该类零件的抗弯、抗扭强度和表面接触强度，提高传动零件的使用寿命。在各主要承力销轴类支重轮环轨等零件的设计和制造过程中采用了优质中碳合金钢和整体消质的先进工艺，提高了零件的使用寿命。铲斗斗唇、整体斗齿、斗唇护套、推压齿条、张紧轮后导轮和履带板等零部件采用优质高锰钢铸造，提高零部件耐磨性。

③应用新型履带驱动系统，提高系统的可靠性。采用驱动轮高置的近似链轮-链条驱动的履带驱动系统。履带板和驱动轮的啮合部位在靠近连接销的中心线处。与传统的驱动轮系统相比，其接合长度大大增加，压力角明显减小。新的履带驱动系统将消除节距干涉，降低驱动轮和履带板在啮合时的相对滑行量，从而减少驱动轮和履带板的磨损。另外，驱动轮凸块和履带板间啮合压力角的减小几乎消除它们在载荷作用下分离的可能性，将改善履带板和履带连接销的受力状况，提高履带驱动系统的使用寿命并减少维护工作量。

④应用整机运行状态监控及故障诊断系统，提高整机的操控性能。包括整机机械传动系统、电气系统、辅助系统、润滑系统、压气操纵系统等的温度、压力、流量及电气运行参数的监控及故障诊断系统，工作装置的实时运行显示系统及挖掘工况下提升-推压操作最优化控制系统，物料自动称重和计量系统，远程监控与故障诊断系统等。