Экскаватор (история изобретения). История возникновения и развития экскаваторов

Начало экскаваторостроения в России относится к концу XVIII в. В 1809 г. на днепровских разработках песка впервые в мире был изобретен и построен копательный ковш с ручным приводом. В 1854 г. в Нижнем Тагиле был сооружен механизм с приводом от паровой машины, производивший уборку земли из забоев на горе Высокой. В 1903 г. на Путиловском заводе было организовано производство экскаваторов железнодорожного типа с ковшами емкостью 1,9 и 2,3 м3 . До 1917 г. было выпущено 32 одноковшовых паровых "Путиловца", 2 одноковшовых экскаватора с ковшом 0,38 м3 и 11 многоковшовых экскаваторов. Остальной парк имевшихся экскаваторов был импортного производства, преимущественно американского. После Октябрьской революции в Советском Союзе экскаваторы не изготовлялись вообще, хотя потребность при грандиозном размахе строительных работ в них была крайне высока. Созданное в первые годы Советской власти Бюро Земмашин при ВСНХ наладило восстановление и ремонт имевшихся землеройных машин и обучение кадров машинистов. Отремонтированными экскаваторами производились земляные работы на первых советских стройках: модернизированными американскими экскаваторами-лопатами Марион 28, 31 и 46 на Туркестано-Сибирской железной дороге (1927 г.); экскаваторами Марион 4160 (3,05 м3 ) и Марион 37 (1,34 м3 ) на Днепропетровской гидроэлектростанции (1927 г.); электрическими экскаваторами Бюсайрус 120-В (3,05 м3 ), Марион 4120 (2,29 м3 ) и Бюсайрус 50-В (1,34 м3 ) на Магнитогорском металлургическом комбинате (1929 г.). Первые крупные экскаваторные работы были осуществлены на строительстве Кондопожской гидроэлектростанции в 1922-1925 гг. при сооружении двухкилометрового канала между озером Нига и Онежским озером.
Начало организации отечественного экскаваторостроения было положено в 1930 г. постановлением Совета Труда и Обороны СССР, которым предусматривались меры по подготовке производства экскаваторов: проведение необходимых научных работ, выбор типов экскаваторов, разработка чертежей и технологии производства, подготовка инженерно-технических кадров, выделение заводов и пр. Тогда же была создана проектно-техническая контора экскаваторостроения (ВТКЭ или Проектэкскаватор).
Собранные ей данные о работе экскаваторов послужили основой для выбора конструкций и создания первых советских экскаваторов - паровых лопат М-III-п и М-II-п с ковшами емкостью 1,5 и 0,75 м3 и электрических карьерных машин М-IV-э с ковшом емкостью 3 м3 . Было решено на первое время ограничится освоением ряда машин с ковшами емкостью 0,35; 0,75; 1,5 и 3 м3 на гусеничном и лопаты с ковшом емкостью 2,5 м3 на рельсовом ходу. Анализ экскаваторостроения того времени показывал, что при проектировании экскаваторов целесообразно ориентироваться на одно из существовавших в то время направлений - американское, насчитывающее почти столетний опыт, и германский, с опытом в три десятилетия. Для разработки конструкций отечественных экскаваторов был использован опыт пионеров механизации земляных работ инж. Н.Д.Аверина, проф. Н.Н.Лукницкого, проф. Д.Д.Бизюкина, инж. С.Я. Перельмана, д.т.н., проф. Н.Г.Домбровского. На 1935 г. в Советском Союзе работало около 1100 экскаваторов, главным образом иностранного производства.
Стране Советов предстояло наверстывать колоссальную отсталость в отрасли экскаваторостроения. Выпуск первых экскаваторов был налажен на Воткинском и Ковровском заводах, а затем освоено рядом заводов в Москве, Одессе, Кунгуре, Костроме, Мотовилихе, Дмитрове и Ленинграде. И пусть у первых отечественных экскаваторов было плоховато литье, больший вес по сравнению с заграничными при той же мощности, не так надежно рабочее оборудование и ковш, но такими "детскими болезнями" наверно страдал и американский Бюсайрус, когда начинал производство, и, конечно, все они скоро были излечены...

Почетный паровой экскаватор, труба которого изрыгает дым шипящего пара как самолет, грохочущий механический робот, с ковшом словно челюсти, существует сегодня как пережиток прошлого. Действительно, остатки таких экскаваторов, оставленных людьми или хорошо сохраненных, сейчас можно обнаружить на старых площадках горной промышленности и в музеях по всему миру как напоминания ушедшей эры, когда пар ещё приводил большое количество транспортных средств и судов в действие.

Конец 19-ого и начало 20-ого века было временем расцвета парового экскаватора, которое запомнилось быстрым развитием промышленности, способствовавшим прогрессу.

Эти большие роющие машины, приводимые в действие паром, превзошли человеческий труд на порядок. Землеройная мощность машины сделала его основной частью строительного оборудования на больших строительных объектах, таких как рытье фундамента под небоскребы, в строительстве Голландского Тоннеля и осуществление одного из самых грандиозных технических подвигов всех времен- строительство Панамского канала.

В течение долгого времени паровые экскаваторы, и их преемники становились более крупными и мощными. В 20-ом веке с развитием дизельных, электрических и гидравлических новшеств машиностроительной сферы, паровые экскаваторы стали терять свою актуальность.

В 19-м веке изобретатели использовали паровую энергию, чтобы приводить все типы механических устройств в действие. Одним из таких блестящих изобретателей был Уильям Отис, который спроектировал машину, роющую эффективнее, чем команды мужчин, нанятых для строительства железной дороги.В 1839 году, в свои 20 лет Отис (двоюродный брат изобретателя лифта Элиша Отиса) получил американский патент на изобретение первого в своём роде парового экскаватора.

Он умер от брюшного тифа, когда ему было26 лет, и управление патентом взяла на себя его семья.

В конечном счете, чтобы удовлетворить необычайно растущий спрос на перемещение земли, возникший в связи с развитием железной дороги в Соединенных Штатах и в других странах, появились новые изобретатели и компании с собственными проектами парового экскаватора.

Первый «полноповоротный» паровой экскаватор был изобретен в Англии в 1884 г., появление новой функции увеличило стоимость на машины. Этот прогресс сопровождался и другими новшествами. Появились колёса, на которых он перемещался не только по железной дороге, изменилось управление спускоподъемными механизмами, увеличивался объём ковша и т.п.

Marion Steam hovel Company, основанная в 1884 году, в Мэрион, штат Огайо, возникла с развитием железной дороги, которая открыла западные Соединенные Штаты и Канаду. К началу 1900 года компания стала доминирующим производителем экскаваторов, а город, в котором производились машины, стал известным как «город, который построил Панамский канал», так как ключевую роль в его строительстве сыграли паровые экскаваторы.

Существовал и другой властный игрок в бизнесе экскаваторостроения, это был литейный завод компании Бюсайрус производящий оборудование для земляных работ, основанный в 1880 году. Бюсайрус также мог претендовать на то, чтобы выступать в роли главного подрядчика в строительстве многих амбициозных проектов того времени — включая Панамский канал. Согласно истории компании, 77 экскаваторов завода принимали участие в историческом соединении Атлантического и Тихого океанов.

В архивах компании есть сохранившиеся фотографии 1908 года, на которых президент Теодор Рузвельт поднялся на борт 95-тонного парового экскаватора компании, осматривая процесс строительства Панамского канала.

Как бы это не выглядело смешно, по иронии судьбы в 1997 году Бюсайрус совершила покупку одного из ее давних конкурентов, которым оказалась компания Марион, к тому времени уже называвшаяся Marion Power Shovel Company.

Работа этих гигантов происходила следующим образом, как уже можно догадаться, движущей силой являлось грамотное использование пара, который производил кипящий котёл из воды поступающий из гигантской емкости.

В управлении участвовал второй человек, которого часто называли пожарным, в его обязанности по обслуживанию котла входили: топка углем и поддерживание нужного давления обеспечивающего пар, необходимый для движения агрегатов.

От котла вниз по трубе пар под высоким давлением поступал в один или несколько цилиндров, приводя в движение поршни, которые в свою очередь поставляли механическую энергию для систем парового экскаватора, включая основной двигатель и лебедку.

Ближе к концу стрелы на отдельном стволе находился ковш управляемый стальными тросами, всё это устройство напоминало огромный рот, который копал грунт и выкидывал его в грузовик или другой подходящий транспорт.

Все это было установлено на шасси, которое позволяло медленно перемещаться с места на место. Первые паровые экскаваторы были довольно сыры, и поэтому, чтобы они могли передвигаться, рабочим приходилось прокладывать рельсы. Впоследствии с развитием землекопы получили колёса, а позже и гусеницы которые позволили им перемещаться более независимо.

Эти трудолюбивые машины помогли построить мир, одержимый экономическим ростом, но после десятилетий популярности, они всё-таки потеряли свою востребованность.

Паровая техника просто освободила дорогу для более современных технологий. В 1930-х годах паровые двигатели в крупном масштабе начали заменять на дизельные. Кроме того, появление гидравлических систем оказалось более надежным и эффективным, чем цепи, кабели и шкивы, используемые для приведения в действие машин паром.

Паровой экскаватор не исчез полностью. Из-за их крупного размера, полностью демонтировать их было не просто. Многие были оставлены после того, как их работа была выполнена и они все еще могут быть найдены ржавеющими в старых карьерах или добывающих местах. Некоторые были восстановлены и хронятся как достопримечательности или музейные экспонаты. Другие же оказались в руках коллекционеров, которые поддерживают их в исправном состоянии и представляют их на мероприятиях, спонсируемых Исторической Ассоциацией Строительного оборудования.

Паровые экскаваторы были предшественниками современных, от землекопов Drivable до громыхающих машин линии Bremen, используемых для добычи полезных ископаемых которые все еще очень распространены сегодня.

Активное строительство железных дорог в США в тридцатых годах девятнадцатого века и нехватка при этом строительных рабочих привели к созданию в 1832-1836гг американцем Отисом первого парового одноковшового экскаватора.
Экскаватор был неполноповоротным, имел железнодорожную ходовую часть, был оснащен ковшом 1,14 куб.м, паровым двигателем мощностью 15 л.с., обеспечивал среднюю производительность 45-50 куб.м/час и заменял примерно 50 рабочих. Уже через несколько лет экскаваторы Отиса заменяли 180 рабочих.

Первоначально экскаваторы использовались преимущественно на строительстве железных дорог. Один из первых экскаваторов был продан в Англию в 1842 г, а в 1843 г четыре из семи построенных Отисом экскаваторов были проданы в Россию для использования при строительстве Николаевской железной дороги. Однако строительные подрядчики не восприняли эти машины и в 1848 г продали на Урал. В Нижнем Тагиле экскаваторы, впервые в мировой практике, были использованы на вскрышных работах при добыче руды.

Во второй половине девятнадцатого века масштабное строительство железных дорог и каналов потребовало перемещения все больших масс земли, которое уже не могло быть осуществлено с помощью ручного труда землекопов. Это привело к активному развитию разнообразных землеройных машин.

В Германии применялись «строительные локомобили», оснащенные одноканатными грейферами.

До конца века основные объемы земляных работ на строительстве железных дорог в России выполнялись вручную (лопаты, тачки, грабарки), поскольку дешевая рабочая сила существовала в избытке. Когда при строительстве западносибирского участка Транссибирской магистрали возникли затруднения с рабочей силой, были закуплены в Америке «землекопные машины»

В такие машины впрягались 12-16 лошадей. Для выемки и перемещения грунта использовались, также, конные волокуши с металлическим ковшом, которые назывались «скреппелами» или «землеройками».

Первый русский одноковшовый неполноповоротный железнодорожный экскаватор со сменным ковшом (2,3 куб.м. для легких грузов и 1,5 куб.м. для тяжелых грузов) был построен на Путиловском заводе в 1902 году. Производительность его была 100-290 куб.м./час, вес 65-75 т. До 1917 года было построено 35 таких машин. В начале XX века экскаваторы использовались в России довольно интенсивно. Например, при возведении сухого дока в Кронштадте в 1909-1910 годах работы велись в две смены по 10 часов каждая. Машины этого типа (Рис. 3) изготавливались до 30-х годов XX века.


В отдельных случаях применялись плавучие экскаваторы. Плавучие экскаваторы выполнялись, как правило, неполноповоротными с прямой лопатой.

Во второй половине XIX - начале XX веков началось строительство гигантских каналов, при котором требовалось перемещать огромные массы грунта.

Суэцкий канал (длина 160 км, начало строительства - 1859 г) сооружался около 10 лет (в основном, вручную). Общая численность рабочих, занятых на постройке, достигала 40 тысяч человек. За время строительства было перемещено примерно 75 млн. кубометров грунта.

При сооружении Панамского канала (1880-1913гг) было перемещено 160 млн. кубометров грунта. На втором этапе строительства (1903-1913гг) применялись более ста одноковшовых (преимущественно железнодорожных) и около 20-ти многоковшовых экскаваторов.

После первой Мировой войны, одновременно с общим развитием техники, активизировалось и развитие экскаваторов. Двигатели внутреннего сгорания и электропривод, применение гусеничного (и шагающего) хода позволили существенно увеличить мощности и мобильность экскаваторов. Экскаваторы стали полноповоротными, увеличилась номенклатура их рабочего оборудования (прямая и обратная лопата, драгляйн, струг и пр.) и сфера их применения (вскрышные, тоннельные работы и пр.). В США и в России совершенствовались одноковшовые экскаваторы. В Германии начали строить все более мощные многоковшовые экскаваторы. Появились многочисленные специальные машины (канавокопатели и др.).

Уже в начале 50-х годов XX века использовались гигантские экскаваторы с ковшами объемом до 30 куб.м. (ЭГЛ-15 Ново-Краматорского завода, американские экскаваторы Марион, Бюсайрус и др.).

Во второй половине XX века традиционные типы экскаваторов совершенствовались в основном за счет применения новых машиностроительных технологий и оборудования (гидропривод и пр.).

Ручной труд на земляных работах сохранился только в тех случаях, когда имеется избыток бесплатной рабочей силы либо при малом объеме и стесненных условиях работ, не позволяющих применить необходимую землеройную технику.

Экскаватор – основной тип землеройных машин, оснащенных ковшом. Его основным назначением является разработка грунтов (горных пород, полезных ископаемых) и погрузка сыпучих материалов из штабелей.

Конечно же, экскаваторы, как и многие старые аналоги техники, применялись еще в Древнем Египте и Древнем Риме. Тогда они использовались для углубления русел рек и каналов. Однако задокументированная история возникновения землеройных машин начинается в 16 веке, когда Леонардо да Винчи предложил первые схемы экскаваторов - драглайнов. Так, к 1500 году относится набросок чертежа грейфера для землечерпалки. Несколько лет спустя ученый руководил прокладкой каналов в засушливой Миланской долине, где он и применил землечерпалку собственной конструкции.

В 1718 году французские механики де ла Бальм и Белидор представили проект землеройного устройства с двумя ковшами. Механизм работал в портах Тулона и Бреста. А в 1773 г. в США вышла книга с рисунком первого деревянного колесного скрепера, который перемещала лощадь. Скрепер был построен и работал на сооружении дорог.

В 1832-1836 годах в Америке шло активное строительство гигантской сети железных дорого, что вызвало нехватку человеческой рабочей силы. Тогда американский инженер Элиша Грейв Отис, больше известный нам как изобретатель безопасного лифта, разработал первый паровой одноковшовый экскаватор. Он был неполноповоротным, имел железнодорожную ходовую часть, был оснащен ковшом 1,14 м куб., паровым двигателем мощностью 15 л.с., обеспечивал среднюю производительность 45-50 куб.м/час и заменял примерно 50 строительных рабочих. Первоначально экскаваторы Отиса использовались преимущественно на строительстве железных дорог, где уже через несколько лет заменяли более 200 рабочих.

В 1847 году русский механик Кушелевский предложил идею землеройной машины, которая могла бы работать как на воде, так и на суше. Этот экскаватор должен был объединить в себе все преимущества речной землечерпалки и сухопутного экскаватора.

В начале 20 века, с развитием электроэнергетической отрасли быстро развивалась и конструкция экскаваторов. В 1905 году немецкая фирма "Оренштейн & Коппель" выпустила первые паровые полноповоротные машины, то есть экскаваторы с поворачивающейся кабиной. Ковши этих машин вмещали до 4 кубометров земли.

В 1910 году американская фирма "Бюсайрус" выпустила в свет полноповоротный экскаватор на гусеничном ходу. В этом же году появились первые электрические экскаваторы. Начиная с 1912 года начал работать первый экземпляр с двигателем внутреннего сгорания на гусеничном ходу. А еще через четыре года в экскаваторы стали устанавливать дизельные двигатели.

В наши дни экскаваторы классифицируются по типу шасси, типу привода, типу рабочего оборудования, возможности поворота рабочего оборудования относительно опорной поверхности. Они способны работать практически в любых условиях и на любых поверхностях с невероятной грузоподъемностью.

Современные ковшовые экскаваторы ушли далеко вперед с технической стороны, хотя несомненно без инженерной мысли прошлых столетий неизвестно, какая техника использовалась бы сейчас.

Если задать вопрос: "без чего были бы невозможны великие стройки первых пятилеток?", то одни наверняка скажут - "без ГУЛАГа", другие - "без революционного энтузиазма трудящихся масс", третьи - "без железной воли партийного руководства", но на самом деле они были бы физически невозможны (по крайней мере, в сопоставимые сроки) без паровых экскаваторов, позволивших в десятки раз ускорить темпы земляных работ. Без них эти стройки затянулись бы на десятилетия, и далеко не факт, что на них хватило бы рабочей силы.

Вот об экскаваторах-то мы и поговорим. История сталинской индустриализации началась в 1882 году, в городке Бьюсайрус штата Огайо, где на местном заводе Bucyrus Foundry & Manufacturing Company запустили в серийное производство рельсовый паровой экскаватор под названием Thompson`s Iron Steam Shovel - "Железная паровая лопата Томпсона". Этот агрегат стал прообразом для первого и единственного российского дореволюционного парового экскаватора "Путиловец", выпуск которого начался в 1903 году на Путиловском машиностроительном заводе.

Машина Томпсона представляла собой яркое воплощение стимпанковских технологий. Она монтировалась на длинной четырехосной железнодорожной платформе и напоминала товарный вагон. Горизонтальный котел паровозного типа запитывал три одноцилиндровых паровых двигателя суммарной мощностью 150 л.с. Один обеспечивал движение экскаватора, другой - горизонтальный поворот стрелы, а третий - движение ковша. Котел работал на дровах или на угле. Кабина освещалась керосиновыми лампами.

В отличие от современных экскаваторов, работающих на гидравлике, у "Бьюсайруса" все рабочие механизмы приводились в действие цепными лебедками. Объем ковша составлял 1,4 кубических ярда, а команда экскаватора состояла из четырех человек: машиниста, он же "командир экипажа", кочегара, слесаря-смазчика и оператора ковша. Кроме того, каждому экскаватору придавалась бригада путейцев из семи человек, которые вручную укладывали перед ним рельсы. Масса машины составляла 75 тонн. Чуть позже появилась более мощная 85-тонная модификация с ковшом на два кубических ярда.

Экскаватор Томпсона на момент его создания считался самым производительным в мире. За сутки он мог вынуть и переместить в вагонетки до 4000 кубометров грунта. Для сравнения, суточная норма выработки на одного землекопа составляла в зависимости от сложности грунта от 2,5 до 4 кубометров. Таким образом, одна паровая лопата заменяла до тысячи обычных. При этом она была относительно несложной в производстве и могла выпускаться на любом паровозном заводе.

Неудивительно, что, когда в России в связи с большими масштабами железнодорожного строительства возникла необходимость в экскаваторах, за образец взяли машину фирмы "Бьюсайрус", хотя к 1903 году она считалась уже не новой. С 1903 по 1917 год в Петербурге было построено 37 "Путиловцев", которые работали по всей стране, от Восточной Сибири до Кольского полуострова.

В 1929 году программа индустриализации потребовала возобновления производства экскаваторов. Разработкой новой машины решили не заморачиваться, а просто стряхнули пыль с чертежей "Путиловца" и передали их на Ковровский механический завод, которому предстояло стать флагманом советского экскаваторостроения. Там освоение производства землеройной машины поначалу шло ни шатко ни валко. Первый прототип сделали только весной 1931 года, второй собрали еще через несколько месяцев.

Такие темпы работ, разумеется, начальство не радовали, и их решили резко ускорить, передав завод в ведение ОГПУ. Не знаю (хотя, догадываюсь), какими методами действовали чекисты, но под их чутким руководством предприятие моментально заработало с пулеметной скоростью, выдав в 1932-34 годах аж 177 экскаваторов. То есть, за три года их сделали почти в пять раз больше, чем дореволюционный Путиловский завод выпустил за 14 лет! В связи с изменением места производства название машины сменили с "Путиловца" на "Ковровца".

"Ковровцы" использовались на многих стройках, но большинство из них отправили на строительство канала Москва-Волга, где появление этих мощных агрегатов, позволило резко интенсифицировать земельные работы. К примеру, на так называемой Глубокой выемке в районе Химок десятки тысяч землекопов за первые два года вынули два миллиона кубометров грунта, а за последующие два года 32 экскаватора извлекли из русла будущего канала восемь миллионов кубометров, прокопав гигантскую траншею глубиной 24 метра, шириной - 140 и длиной шесть километров. С уверенностью можно сказать, что без "паровых лопат" эта, да и многие другие стройки не успели бы завершиться до войны.

Самое удивительное, что некоторые экземпляры "Ковровцев" проработали до конца 1980-х годов. К сожалению, до наших дней ни один из них не сохранился, в "смутные времена" 90-х все эти эпохальные машины были разобраны на металлолом.

Чертеж экскаватора Томпсона, выпускавшегося фирмой "Бьюсайрус"

"Паровая лопата" Томпсона на Панамском канале. В работах по строительству этого масштабного гидротехнического сооружения было задействовано 119 экскаваторов, из них 77 - фирмы "Бьюсайрус".

Еще один экскаватор той же марки. Благодаря снятому борту хорошо виден цилиндр паровой машины, приводившей в действие механизм поворота стрелы.

Экскаватор Томпсона на песчаном карьере где-то в США. На борту написано название фирмы-производителя.

"Путиловец" - российская копия "Бьюсайруса".

"Путиловец" на строительстве Сибирской (Амурской) железной дороги в 1912 или 1913 году. Обратите внимание на мужика с топором на задней площадке, который колет дрова для топки.

Поначалу земляные работы на канале Москва-Волга велись вот так. Производительность была где-то на уровне Древнего Египта.

Потом появились "Ковровцы" и дела пошли веселее.

Первый прототип машины тоже отправили на постройку канала. Обратите внимание на аббревиатуру НКВД на борту кабины. Снимок сделан в 1934 году в районе Глубокой выемки.

Сборка "Ковровца" или "Путиловца", присланного на строительство Саратовского завода сельскохозяйственных машин.