История создания экскаватора

Любая техника, которую когда-либо проектировал и создавал человек, была призвана минимизировать людской труд и повысить человеческие возможности. Важной группой строительных машин, которые освободили человечество от тяжелого физического труда и позволили ему проводить колоссальные по своим масштабам строительные и изыскательные работы, стали экскаваторы. Поначалу человечеством был изобретен кабельный экскаватор.

Фото кабельного экскаватора

Его принцип работы был схож с работой подъемного крана и заключался в перемещении тележки и ковша по несущим канатам. Само создание кабельных экскаваторов было результатом совокупных усилий многих предприятий в течение нескольких десятилетий.

Некоторые из этих предприятий, например такие как Gradall или Caterpillar cтали известнейшими брендами, само имя которых ассоциируется с понятием экскаватора. Другие – давно исчезли, разрушенные экономическими неурядицами или поглощенные более удачливыми конкурентами. На сегодняшний же день, за исключением некоторых образцов горных драглайнов, кабельные экскаваторы практически почили в бозе, уступив свое место экскаваторам на гидравлике.

Однако, разумеется, история создания экскаватора началась в далеком 18 веке с изобретения парового двигателя.

Первый паровой экскаватор был построен 23-летним американским инженером Уильямом Отисом в 1836 году. Именно этого изобретателя можно по праву назвать его «отцом».

Первый прототип будущего экскаватора оказался довольно неудачным, и в 1837 году совместно с опытным инженером Джозефом Харрисоном-младшим Отис строит улучшенную версию своей машины, которая уже соответствует его требованиям.

Хотя Уильям Отис подал свою первоначальную заявку на патент парового экскаватора 15 июня 1836 года, пожар в патентном бюро уничтожил эти документы. Его второе заявление от 27 октября 1836 года было одобрено патентным бюро лишь 24 февраля 1839 года. Таким образом, официальной датой изобретения парового экскаватора стал не 1836, а 1839 год.

Созданную машину сам Отис называл «крановой лопатой для выемки грунта и удаления земли», в народе же его машины прозвали «Лопатами Отиса». Они являлись довольно маломощной – до 20 лошадиных сил, неуклюжей и громоздкой техникой и были лишь частично поворотными, так как стрела его парового экскаватора не могла двигаться более чем на 180 градусов.

Фото «Лопаты Отиса», сделанное в 1869 году у Висячей скалы в каньоне Эхо, штат Юта, США

В одной из американских газет того времени писали, что «Лопата Отиса» стала одним из тех редких изобретений, где гений, работая для себя, создал выгоды, способные изменить весь цивилизованный мир». Машины Отиса вызывали такой неподдельный интерес, и одновременно ужас у обычных граждан, что они толпами приходили поглазеть на это чудо инженерной мысли.

Уильям Отис умер в возрасте 26 лет, успев создать всего лишь 7 паровых экскаваторов, два из которых остались в Северной Америке, остальные разъехались по миру. Существует мнение, что впервые паровой экскаватор Отиса был задействован в 1837 году в постройке железной дороги между Огайо и Балтимором, однако документы, подтверждающие сие событие, до наших дней не дошли. Документально подтвержденное использование первого парового экскаватора состоялось в 1838 году в Спрингфилде, штат Массачусетс, на постройке Западной железной дороги, где паровая «Лопата Отиса» верой и правдой прослужила 3 года.

Представители российских властей впервые увидели «Лопату Oтиса» при постройке Западной железной дороги в 1839 году. Инженеру-консультанту железнодорожной компании, майору Георгию Георгиевичу Уистлеру было поручено приобрести одну из машин Отиса для использования ее в строительстве железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой. Таким образом, первый паровой экскаватор появился в России в 1842 году, и он был произведен в Америке.

В те времена паровые экскаваторы, по сути, являлись штучным товаром. Они были «редким гостем» в бытовых постройках, по большей части используемые только в строительстве железных дорог.

Однако, вплоть до 1920 года выпускаемые экскаваторы остаются частично поворотными, с возможностью передвижения только по железнодорожным путям, что ограничивает сферу их применения.

С изобретением Бенджамином Холтом гусеничного хода, экскаваторы становятся машинами, эксплуатировать которые уже возможно и в труднопроходимых местах. Появляются образцы с дизельным и электрическим двигателем, которые постепенно вытесняют паровые машины.

Один из первых экскаваторов на электрическом двигателе

Классификация экскаваторов

По возможности поворота рабочего оборудования относительно

опорной поверхности

Полноповоротные - рабочее оборудование, приводы, кабина машиниста и двигатель устанавливаются на поворотной платформе, которая в свою очередь устанавливается на шасси посредством опорно-поворотного устройства (ОПУ), и может поворачиваться относительно него в любую сторону на любой угол. Части гидросистемы шасси и поворотной платформы полноповоротных экскаваторов соединены с применением коллектора, что позволяет производить неограниченное количество полных оборотов в одну сторон

Самым востребованным видом спецтехники являются полноприводные экскаваторы на гусеничном, либо на колёсном ходу. Являясь универсальными машинами, способными работать как на стройплощадках, так и использоваться в работе коммунальных служб, а также при добыче полезных ископаемых, полноприводные экскаваторы сегодня задействуют не только крупные компании, но и небольшие, стремящиеся к развитию, строительные фирмы.
Спектр выполняемых данной техникой работ весьма обширен.

Сегодняшние модели полноприводных экскаваторов оснащены, как правило, не только ковшом, но и имеют в своём арсенале в качестве дополнительного оборудования такие необходимые для работы компоненты как: гидроруб, гидромолот, рыхлитель, гидроножницы и др.

Рис. 1.5. Схема неполноповоротного экскаватора на шасси колесного трактора

Неполноповоротные (рис. 1.5) - рабочее оборудование закрепляется на шасси с помощью поворотной колонки. На многих машинах подобного типа поворотная колонка монтируется на поперечных направляющих, что позволяет перемещать ее вместе с рабочим оборудованием вправо-влево с последующей жесткой фиксацией для более удобного положения рабочего оборудования. Поворот рабочего оборудования осуществляется на угол 45-90 градусов от начального положения. Двигатель, механизмы, кабина машиниста размещены на неповоротном шасси. В настоящее время неполноповоротными выполняются экскаваторы, навешиваемые на тракторы.

По типу ходового устройства

Гусеничные экскаваторы

Экскаватор гусеничный — экскаватор циклического действия, одноковшовая выемочно-погрузочная машина на гусеничном ходу, копающая малосвязанные или черпающая разрушенные породы и перемещающая их последовательно, прерывающая копание на время перемещения породы (Рис. 1.6).

Применение карьерных гусеничных экскаваторов

• разработка полезных ископаемых и пород вскрыши

• погрузка полезных ископаемых и пород вскрыши в транспортные средства

Рис. 1.6. Экскаватор гусеничный

Рабочие инструменты карьерных гусеничных экскаваторов: ковш, рукоять, стрела, поворотная платформа, двуногая стойка, нижняя рама, гусеничные рамы, кузов.

Классификация карьерных гусеничных экскаваторов по числу гусениц:

• двухгусеничные карьерные экскаваторы

• четырёхгусеничные карьерные экскаваторы

• восьмигусеничные карьерные экскаваторы

Именно гусеничные экскаваторы составляют абсолютное большинство в массе представленных на рынке моделей этого вида техники.

Гусеница (гусеничная лента) – это специальная лента, соединенная из отдельных звеньев – траков. Выступы, расположенные на внутренней стороне гусеницы, предназначены для взаимодействия с ведущими колесами. Зазубрены на внешней стороне обеспечивают сцепление с грунтом.

Шагающий экскаватор

Шагающий экскаватор — экскаватор на шагающем ходу, обычно с оборудованием драглайна. Применение гидравлического шагающего (в отличие от гусеничного) движителя позволяет снизить нагрузку на грунт (масса машин может достигать сотен и даже тысяч тонн) и повысить надёжность.

Рис. 1.7. Шагающий экскаватор

В неподвижном состоянии экскаватор опирается на грунт опорной плитой в основании; при необходимости сделать «шаг» вес переносится на опорные башмаки («лыжи»); каждый башмак управляется двумя парами гидроцилиндров. Экскаватор приподнимается над грунтом, смещается на некоторое расстояние и снова садится на грунт опорной плитой. Опорные башмаки, в свою очередь, приподнимаются над грунтом и переносятся вперёд; затем цикл повторяется (Рис. 1.7).

Ёмкость гидросистемы экскаватора ЭШ-20/90 вмещает 18 т масла, давление в системе достигает 200 атм. Фактическая скорость перемещения составляет 60—80 метров в час, максимальная паспортная — до 200 м/ч.

Принята система обозначений шагающих экскаваторов (ЭШ) с указанием ёмкости ковша (в м³) и длины стрелы, например, ЭШ-15/90 (Экскаватор шагающий, ёмкость ковша 15 м³, вылет стрелы 90 м). Реальный максимальный радиус копания ЭШ-15/90 меньше, 83 м, глубина копания — до 43 м, погрузочная высота — до 39 м. Такой экскаватор при конструктивной массе 1253 т имеет среднее давление на грунт 100 кПа (10 т на м²) в рабочем положении и 150 кПа — в движении. Теоретическая производительность — до 900 м³ в час.

Эксплуатационные ограничения связаны с силой ветра (не более 25 м/c) и температурой (не ниже −30 °C). В сильные морозы работа на открытых месторождениях прекращается.

В России шагающие экскаваторы производятся на Уральском заводе тяжёлого машиностроения («Уралмаш») в Екатеринбурге. В 2004 году информационные агентства сообщили об изготовлении Уралмашем крупнейшего отечественного шагающего экскаватора ЭШ-40/100 с ёмкостью ковша 40 м³ и длиной стрелы 100 м; конструкцию массой 4000 т обслуживает экипаж из семи человек.

Крупнейший рекордный экскаватор, когда-либо созданный в СССР — ЭШ-100/100. С 1976 г. находился в эксплуатации на разрезе Назаровский, что в Сибири. Машина вышла удачной, однако судьба её не самая завидная: ЭШ-100/100 эксплуатировался 15 лет а в начале 90-х (в связи с частыми сменами собственников и, как следствие, большим беспорядком в хозяйственной сфере) был законсервирован в связи с отсутствием необходимости использования, хотя разрез на тот момент себя не исчерпал. После консервации электрика потихоньку растаскивалась на медь, а машина все больше приходила в негодность, в связи с чем было принято решение сдать её на металлолом уже полностью.

Экскаваторы навешиваемые на тракторы

Сегодня трудно представить строительный процесс без спецтехники. Для ускорения работы широко используются погрузчики, краны и трактор-экскаватор (Рис 1.8), возможности которого позволяют работать не только во время строительного процесса, но и в сельском хозяйстве. С помощью такой землеройной техники можно быстро вырыть яму для фундамента под строительство, для проведения ремонта коммуникаций. Не обойтись без экскаватора и во время карьерных погрузочных работ. К тому же такая техника отличается простотой в обслуживании, легкостью в управлении, что делает ее невероятно популярной.

Рис. 1.8. Трактор-экскаватор

К его конструкции сзади прикрепляется экскаваторное оборудование – ковш с обратной лопатой. Можно установить ковш и с прямым направлением зуба, но он подойдет только для работы в карьере. Такие экскаваторы будут называться одноковшовые неполноповоротные, поскольку установленное сзади оборудование не может поворачиваться в любую сторону. В то время как полноповоротный трактор-экскаватор может двигаться так, как это необходимо, благодаря поворотной основе – платформе, закрепленной на шасси техники.

Обычно полноповоротные экскаваторы имеют гусеничный ход, что позволяет повысить проходимость такой спецтехники и уменьшить ее давление на грунт. Поэтому они незаменимы для строительных работ на мокрых и слабых грунтах. Но производительность экскаваторов зависит не только от шасси и возможности поворотов на любой угол. Прежде всего, в их работе играет роль объем ковша, иногда достигающий 26 метров кубических. Такой особо тяжелый трактор-экскаватор с легкостью справится с работой в карьерах. А для сельскохозяйственных работ подойдет особо легкий мини-экскаватор.

В строительстве чаще всего используется легкий и средний экскаватор, а для возведения крупных объектов, строительства целых жилых комплексов не обойтись без тяжелых одноковшовых экскаваторов.

Интенсивное строительство и увеличение объемов работы в разных отраслях хозяйственной деятельности привели к применению современной землеройной техники, и в том числе одноковшовых экскаваторов на автомобильном шасси (Рис. 1.9).

Идея создания таких машин родилась в стремлении объединить одноковшовый экскаватор с мобильным грузовым шасси. Данное компоновочное решение, как показало время, привело к успеху и закреплению машин данного класса в сегменте рынка землеройной техники.

Необходимо ответить, что на российском рынке, как ни странно, наблюдается большое количество производителей автоэкскаваторов, по сравнению с рынком США,

Рис. 1. 9. Примеры экскаваторов на автомобильном шасси

и особенно - рынком Европы. Это объясняется не только любовью российских производителей к мобильной технике вообще, а просто жизненной необходимостью - большой протяженностью автодорог, рассредоточенностью различных строительных объектов и огромной территорией где, в отличии от компактной Европы, плечи в 200 км не являются чем-то сверхъестественным.

Рис. 1.10. Экскаваторы на рельсовом ходу

Рельсовые экскаваторы используют железнодорожные пути для своего шасси (Рис. 1.10). Основная область применения – ремонтные работы. В качестве поворотной платформы и оборудования используются аналоги конструкции экскаваторов гусеничного типа.

Пневмоколесные, экскаваторы на автомобильном ходу и рельсовые

Экскаваторы имеют собственное специальное шасси, опирающееся на колёса с пневматическими шинами. Выполняются чаще всего полноповоротными (Рис 1.10). Для повышения устойчивости и предотвращения сползания при загрузке ковша имеют выносные опоры. Имеют скорость хода до 30 км/ч. Могут буксироваться грузовыми автомобилями со скоростью до 40 км/ч. Проходимость по слабым грунтам ограниченная. Выпускаются в широком диапазоне размерных групп — от микроэкскаваторов с объёмом ковша 0,04 м³ до тяжёлых колёсных экскаваторов — с объёмом ковша до 1,5 м³. В связи со спецификой выполняемых работ: разработка котлованов, траншей, планировочные работы — рабочее оборудование — преимущественно обратная лопата. Могут использоваться с грейфером, челюстным захватом, гидравлическим молотом для рыхления грунта. Получили широкое распространение при выполнении различных видов строительных и ремонтных работ.

Привод колёс шасси может осуществляться как от двигателя рабочего оборудования через механические или гидравлические передачи (гидромоторы), так и от отдельного двигателя.

Рис. 1.10. Пневмоколесный экскаватор

Плавающий экскаватор

Плавающий экскаватор представляет собой вид тяжелой техники, которая предназначается для осуществления земноводных работ, но этот вид техники обладает целым рядом признаков, которые сильно отличают ее от остальных видов землеройной техники.

Плавающий экскаватор рассчитан на работу на глубинах от полуметра до пяти с половиной метров. Плавающие экскаваторы оборудуются специальным разборным плавающим понтоном для осуществления операций на воде, а для передвижения по местности используется гусеничный ход. Последняя особенность способствует значительному повышению проходимости машины при движении по болотистой и труднопроходимой местности. Достигается такая проходимость тем, что техника, имеющая гусеничный ход при наличии широких гусениц оказывает очень низкое давление на поверхность грунта, по поверхности которого передвигается машина. Очень часто такая техника обладает качествами болотохода.

Плавающие экскаваторы способны выполнять разнообразные виды работ на воде и в условиях заболоченной местности. Использование этой техники позволяет строить береговые укрепления, рыхлить поверхность, проводить уборочные операции, заниматься корчеванием деревьев на болотистой местности (Рис. 1. 13)

Также техника этого класса позволяет осуществлять работы на достаточно большой глубине под поверхностью воды на реках. При глубинах более чем 1,5 метров плавающий экскаватор переходит полностью на плавающий режим. Благодаря такому свойству плавающий экскаватор легко перемещается с одного места работы на другое.

Рис. 1.13. Плавающий экскаватор

Для осуществления операций в условиях открытого водоема фиксация экскаватора на поверхности водоема осуществляется при помощи специальных держателей. В таком положении техника способна осуществлять выемку осадочных пород и мусора со дна водоема или реки на максимально допустимых глубинах.

Основные отличия плавающего экскаватора от остальных разновидностей землеройной техники заключается в следующем:

1. Плавающие экскаваторы имеют повышенную мобильность, способны достаточно быстро перемещаться как по воде, так и по суше, при этом перемещение осуществляется без привлечения дополнительной технической помощи.

2. Экскаваторы снабжены специальными понтонами, которые позволяют проводить работу на площади открытых водоемов, обеспечивая дополнительную высокую устойчивость при осуществлении работ на предельно допустимых глубинах.

3. Экскаватор обладает высокой степенью непотопляемости за счет снабжения техники понтонами, которые имеют ячеистую систему построения своей конструкции.

4. Обладает возможностью осуществления самопогрузки.

5. Наличие ковша большого объема.

В зависимости от операции, которую требуется выполнить, может монтироваться различное навесное оборудование, помимо ковша на технику можно монтировать и использовать землесосное оборудование.

По типу двигателя

1. Паровые экскаваторы — в качестве двигателя используется паровая машина. Были распространены в начале XX века (Рис 1.14). В настоящее время не выпускаются. Моментно-скоростные характеристики паровой машины и рабочего оборудования экскаватора хорошо согласовываются (паровая машина может развивать крутящий момент даже при заторможенном валу), что упрощает механические передачи.

Рис. 1.14. Работа парового экскаватора

2. Экскаваторы с двигателями внутреннего сгорания — наиболее распространённый тип. Экскаватор имеет собственный двигатель, чаще всего дизельный. Это обеспечивает автономность работы. Диапазон мощности двигателей, устанавливаемых на современные экскаваторы весьма широк (см. размерные группы).

3. Электрические экскаваторы — для привода рабочего оборудования используеются электрические двигатели, получающие энергию от внешней сети или от собственного дизель-электрического агрегата. Электрический привод с питанием от внешней сети применяется для карьерных экскаваторов. Такие экскаваторы экономичны и не загрязняют атмосферу карьера. Электрический привод с питанием от собственного дизель-электрического агрегата применяется в плавучих экскаваторах. Как и паровая машина, электрический двигатель развивает крутящий момент при заторможенном якоре, поэтому электрическому экскаватору не нужны сложные механические передачи. Экскаваторы, работающие во взрывоопасной среде (в шахтах) первичного двигателя не имеют. Их гидравлическое оборудование питается жидкостью высокого давления от внешней маслостанции.

Моментно-скоростные характеристики двигателя внутреннего сгорания и рабочего оборудования экскаватора несогласованы. В частности, двигатель внутреннего сгорания не может развивать крутящий момент при заторможенном коленчатом валу. Это требует применения на механических экскаваторах согласующих передач (муфт сцепления, редукторов, гидротрансформаторов). У гидравлических экскаваторов согласование обеспечивается гидравлическими передачами.