Слово «экскаватор» происходит от латинского слова «excavo», что значит долблю, вынимаю. Это один из основных типов землеройных машин, оснащённых ковшом. Основным назначением является разработка грунтов (горных пород, полезных ископаемых) и погрузка сыпучих материалов.
В отличие от прочих землеройных машин одноковшовый экскаватор производит выемку грунта подвижным рабочим органом при неподвижном шасси. Поворот ковша на разгрузку также производится при статичной машине. Многоковшовые экскаваторы способны передвигаться в процессе набора грунта, но, при этом, движение ковшей и шасси разграничено.
История экскаваторов берет свое начало с первой половины 15 века, когда в венецианском издании «Кодекса Джованни Фонтана» 1420 года был опубликован рассказ о ковшедолбежной землечерпалке, которая применялась для углубления дна каналов, расширения морских гаваней.
По принятой официальной версии идея создания землеройной машины принадлежит великому гению Леонардо да Винчи, который спроектировал нечто похожее на современный экскаватор-драглайн еще в начале шестнадцатого века. Чертежей было два, один из которых представлял собой прототип современного экскаватора — драглайн (машина со сложной канатной связью и одним ковшом), второй же был землечерпалкой. Именно с помощью последнего и была построена великолепная Венеция. Работой по созданию и эксплуатации машины руководил сам да Винчи. Однако, все проекты великого мастера имели ручной или ножной тягловый привод. Они, безусловно, облегчали работу, но полностью заменить человека не могли.
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.
Первый четырехколесный грейдер-элеватор был создан в 1795 году американским изобретателем Тобертом Фултоном. Он первым создал пригодный к использованию паровой пароход. Однако испытать его машину удалось только спустя 70 лет, во время строительства дорог в Америке.
Первый же полноценный экскаватор был построен в эпоху стимпанка и был на паровой тяге. Создал его 23-летний американский инженер Уильям Отис в 1836 году, за что и признан отцом-основателем.
Рис. 1 Уильям Отис
Первый версия будущего экскаватора оказалась неудачной, но в 1837 году вместе с опытным инженером Джозефом Харрисоном-младшим Отис строит модернизированную версию своей машины, которая уже соответствует его требованиям.
Неурядица случилась в процессе подачи первичной заявки на патент, которая произошла 15 июня 1836 года. В это время, в патентном бюро случился пожар и уничтожил эти документы. И лишь второе его заявление от 27 октября 1836 года было одобрено патентным бюро 24 февраля 1839 года. Таким образом, официальной датой изобретения парового экскаватора сместилась почти на три года.
Отис свое изобретение называл «крановой лопатой для выемки грунта и удаления земли», а в народе же его машины именовались «Лопатами Отиса». Крановые лопаты являлись неуклюжей, громоздкой и маломощной техникой — до 20 лошадиных сил. Машины были частично поворотными, так как стрела была не в состоянии двигаться более чем на 180 градусов.
Рис. 2 Фото «Лопаты Отиса», сделанное в 1869 году у Висячей скалы в каньоне Эхо, штат Юта, США
Толпы зевак приходили поглазеть на это чудо инженерной мысли. Машины Отиса вызывали у них как неподдельный интерес, так и одновременно ужас. А 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».
Уильям Отис умер в возрасте 26 лет. Он успел создать всего лишь 7 паровых экскаваторов, два из которых остались в Северной Америке, остальные разъехались по миру. Есть мнение, что впервые паровой экскаватор Отиса использован в 1837 году при постройке железной дороги между Огайо и Балтимором, но документы, которые могли бы подтвердить это событие, не сохранились. Официально задокументировано использование первого парового экскаватора в 1838 году в Спрингфилде, штат Массачусетс, при постройке Западной железной дороги. На этом объекте паровая «Лопата Отиса» вполне успешно эксплуатировалась 3 года.
Рис. 3 Фото парового экскаватора, используемого в постройке Западной железной дороги в США
Рис. 4 Фото парового экскаватора в Бостоне
В 1842 году один из паровых экскаваторов Отиса был задействован около Брентвуда (графство Эссекс), при постройке железной дороги в восточных графствах Великобритании.
Рис. 5 Фото последней «Лопаты Отиса» в процессе работы на Чикагской железной дороге. Снимок сделан в промежутке между 1900 и 1905 годами
Патент на использование «Лопаты Отиса», вероятно, был продан английскому предпринимателю Джону. Однако он так и не смог самостоятельно собрать ни единого образца этой машины. Этому, также, способствовали непростые в те времена отношения Старого и Нового света, когда какие-то нововведения со стороны политического конкурента не воспринимались всерьез.
Дальнейшие свидетельства эксплуатации «Лопат Отиса» на территории Европы и США весьма туманны. Достоверно известно, что последняя созданная им машина сломалась к концу 1905 года, при постройке Чикагской железной дороги, в штате Иллинойс.
Рис. 6 Фото парового экскаватора, установленного на железнодорожные рельсы. Снимок сделан в 1904 году в штате Южная Дакота во время строительства Орманской плотины.
Современный расчет говорит, что «Лопата Отиса» совершала работу, равную усилиям 120 человек, а ее производительность составляла около 100 м³ грунта в час. Передвигались машины Отиса исключительно по железнодорожным путям, которые специально прокладывали к месту проведения работ. Собственно, это обстоятельство и ограничивало использование таких машин, так как постройка железнодорожного полотна являлась задачей довольно дорогостоящей и трудозатратной.
Паровой экскаватор Отиса появился в России в 1842 году. Этому предшествовало то, что представители российских властей впервые увидели «Лопату Oтиса» при постройке Западной железной дороги в 1839 году. После чего инженеру-консультанту железнодорожной компании, майору Георгию Георгиевичу Уистлеру было дано поручение приобрести одну из машин Отиса для использования ее на строительстве железной дороги между Санкт-Петербургом и Москвой.
Рис. 7 Старый паровой экскаватор, сохраненный в музее на Аляске, состоявший из котла, бака для воды, лебедки, парового двигателя, самой стрелы и балки, на которую крепился ковш.
Первый создатель паровых экскаваторов в Европе это английская компания «Ruston & Proctor & Co.». Владельцем компании являлся инженер и талантливый предприниматель Джозеф Растон.
Рис. 8 Паровой экскаватор Джозефа Растона
К 1877 году Растон произвел около 100 паровых экскаваторов, часть из которых была отправлена в США на строительство Манчестерского судоходного канала. В 1890 году Растон прибыл в Россию, где успешно выиграл тендер на поставку нескольких десятков своих машин для проводства строительных работ в районе Полесья (в те времена территория Российской Империи, современная территория Украины). Выходит, что в Украине первые паровые экскаваторы появились в 1891 году.
Одними из первых и, пожалуй, самых успешных компаний, поставивших производство паровых экскаваторов на промышленные рельсы, стали две конкурирующие американские корпорации — «Marion Steam Shovel Company» и «Bucyrus Foundry». Обе компании организованны в 1883 году в городе Мэрион, штат Огайо.
Рис. 9 Фото парового экскаватора компании «Bucyrus Foundry».
Рис. 10 Фото экскаватора Marion, модель 91 «Culebra Cut» на строительстве Панамского канала
Рис. 11 Фото сохранившегося образца экскаватора Marion, модель 91 «Culebra Cut». Данный образец уже был «поставлен» на гусеничный ход
До 1920 года все выпускаемые экскаваторы производились частично поворотными и могли передвигаться только по железнодорожным путям, что ограничивало сферу их применения.
Одним из главных конструктивных нововведений в устройстве экскаватора стало внедрение в его систему управления гидравлики.
Первенство изобретения гидравлической системы экскаватора на сегодняшний день оспаривают Англия, Франция и Италия.
Ранние упоминания о попытках создания экскаватора с гидравлической системой управления найдены в 1882 году, в истории английской компании «Armstrong Whitworth». Компания специализировалась на производстве вооружения, военных кораблей и самолетов.
Сэр Уильям Джордж Армстронг был английским инженером-гением и основал компанию «Armstrong Whitworth» Армстронг, в свое время, был крупным промышленником Великобритании и одним из самых богатых людей в Европе, а в истории Англии он стал первым ученым, который был удостоен звания пэра за вклад в науку.
Рис. 12 Один из первых экскаваторов на электрическом двигателе
Рис. 13 Фото одного из первых дизельных экскаваторов
Рис. 14 Уильям Джордж Армстронг
Первая, созданная им, строительная машина, управляемая гидравликой, это подъемный кран, образец которого построен в 1845 году в Ньюкасле.
Армстронг первым придумал гидравлическую систему управления механизмами и внедрил ее в работу шлюзовых ворот в гаванях, подъемных кранов и мостов, а его гидравлический механизм, разводящий Тауэрский мост в Лондоне, стал шедевром инженерной мысли своей эпохи.
Со временем, его изобретение гидравлической системы активно внедрялись в военную промышленность. Гидравлическим приводом оснащались подъемные механизмы шлюзов в шахтах Королевского флота. Гидравлика использовалась в подъеме и перегрузках полевых орудий, на заводах по изготовлению боеприпасов.
Однако, конструктивно, гидравлический экскаватор Армстронга оказался машиной слишком громоздкой, малоподвижной и плохо справлялся со своими функциями. Но, несмотря на неудачу соплеменника, именно Армстронга англичане считают прародителем гидравлического экскаватора.
В дальнейшем, как это бывает с величайшими открытиями, над созданием гидравлического экскаватора одновременно, независимо друг от друга, трудились совершенно разные инженеры.
Рис. 15 Гидравлический привод
В Америке над механизмом работали братья Ферверды, уроженцы Нидерландов, переехавшие жить в Огайо. Спустя время они организовали компанию «Gradall Tractor». Телескопическая стрела – это их выдающееся изобретение. А в 1941 году появился их первый гидравлический экскаватор, моделей которого было создано всего 3 штуки.
Реалии Второй мировой войны, при постоянной нехватке людей и повышенном запросе на перевалочные работы, побуждала инженеров к более скурпулезной работе над созданием гидравлического экскаватора. Изменились взгляды общества на конструкцию строительных машин. Эхо войны, проявившееся в виде обширных разрушений, требовало от техники мобильности, а существующие малоподвижные гусеничные экскаваторы не отвечали создавшимся требованиям. Обеспечить должный уровень мобильности смогли экскаваторные механизмы, смонтированные на автомобильную ходовку.
В 1948 году братья-итальянцы Карло и Марио Брунери создали первый колесный прототип экскаватора, оснащенный улучшенной гидравлической системой управления. В 1954 году они продали патент на изготовление мобильной версии экскаватора французской компании «SICAM». Модель, созданная братьями Брунери и названная «Yumbo S25», стала первым гидравлическим экскаватором, установленным на колесную базу грузовика.
А первой сумела наладить промышленный выпуск гидравлических экскаваторов немецкая компания «Atlas» в 1950 году.
Все же гидравлические экскаваторы оставались частично поворотными, ведь угол поворота стрелы у них не превышал 270 градусов, что создавало сложности при выполнении ряда работ.
Компания «Hymac» только лишь в 1951 году вышла на английский рынок с полноповоротным образцом гидравлического экскаватора и стала пионером в этой области. Спустя время компания выпустила линейку моделей экскаваторов «Hymac 580», которые тысячами разошлись по всему миру. Ряд моделей этой машины по сей день используются в строительстве. Часть же из них можно сегодня увидеть на выставках винтажной техники в Великобритании и Европе.
Рис. 16 Фото коллектива компании «Hymac» на фоне тысячного экземпляра полноповоротного экскаватора «Hymac 580», сделанное в 1960 году на выставке.
В 1951 году к промышленному производству гидравлических экскаваторов подключилась французская корпорация «Poclain». Ее конструкторы десять лет работали над полноповоротной системой экскаватора и, наконец, добились своей цели к 1960 году.
Стоит сказать несколько слов и про Россию, ведь немало интересных устройств родилось в умах русских изобретателей.
В конце 20-х годов 19 века в Петербурге появился ржевский мещанин Немилов. За ним уже числился весьма внушительный задел из построенных им мельниц, плотин и мостов. При их постройке изобретатель применял хитроумные машины собственной конструкции и изготовления. И вот он сдал на заключение генералу Бетанкуру чертежи: “Машины для уравнения земли у подошвы реки”, “Машины для выстилки плитою из гранитного камня подошвы между столбов” и “Копра особого устроения, каковые еще нигде не виданы”. Трижды пришлось Немилову продлить в столице свой паспорт, но ответа он не дождался и вернулся на родину ни с чем. А ведь эти перспективные проекты могли сыграть заметную роль в развитии строительных машин в России и в мире.
В это же время, в Петербурге, на чердаке одного из домов Гороховой улицы, у Каменного моста жил “страстный механик” Казаманов. Не отличаясь особым богатством он сооружал свои изобретения. Среди таковых были: своеобразный копер для вбивания свай, машина “для подъема тяжестей с большею легкостью и удобностию на возвышенность”. К сожалению, изобретения, созданные многими безвестными изобретателями-самоучками, не нашли ни должного понимания, ни должного распространения.
Немногим больше повезло русским землечерпалкам. Первая плавучая землечерпалка создана в Петербургском институте путей сообщения в 1809 году. Ее мощность составляла всего 15 лошадиных сил, однако такое устройство заменяло труд многих людей. Эксплуатировалась эта машина на очистке водоемов. В 1811—1812 годах землечерпалку построили на Ижорском заводе и начиная с 1813 и по 1819 год машина работала на очистке Кронштадтского порта.
Позднее в России и за границей были предложены усовершенствованные конструкции землечерпалок. Но это был, пожалуй, один из первых многоковшовых экскаваторов.
В 1847 году русский изобретатель Кушелевский предложил идею землечерпательной машины, работающей как на воде, так и на суше. Этот агрегат соединял в себе достоинства как речной землечерпалки так и сухопутного экскаватора.
Производство одноковшовых экскаваторов в России началось в 1901 году на Путиловском (ныне Тверской экскаваторный) заводе. В СССР производство экскаваторов было организовано в 1931 году. Были выпущены первые 15 машин. В 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения (УЗТМ) впервые в мире поставил на поток выпуск карьерных экскаваторов с ковшами ёмкостью 3-5 м³. А в 1958 на УЗТМ был собран шагающий экскаватор драглайн с ковшом емкостью 25 м³ и стометровой стрелой. На Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ), в 1965 году был собран экскаватор-лопата с ковшом 35 м³ для крепких грунтов. В 1975 году УЗТМ закончил изготовление шагающего драглайна со стометровой стрелой и ковшом ёмкостью 100 м³. УЗТМ осваивает наиболее мощную карьерную лопату, с ковшом 20 м³, для крепких грунтов (1976).
Сегодня на рынке существует большое разнообразие разных фирм – производителей экскаваторной техники и каждая из них имеет большой модельный ряд агрегатов. Каждая модель отвечает каким-то определенным условиям производства работ и предполагает конкретные параметры производительности и затрат на расходные материалы. Модельная линейка включает в себя как совсем крошечные машины для проведения вспомогательных работ, как правило в населенных пунктах, так и огромные роторные, добывающие уголь или руду, которые работают в поточном режиме и имеют электрический тягловый двигатель. Экскаватор может быть выполнен как в виде самостоятельной машины, так и в виде навесного оборудования, на автомобильной, бульдозерной и прочей ходовке.
Рис. 17 Крупнейший экскаватор современности Bagger 288
На сегодняшний день невозможно представить какое-либо производство, малое или крупное, связанное с перевалкой грунтов, без применения экскаваторов. Теперь, когда прогуливаясь по городу, вы увидите экскаватор выполняющий ремонтные работы, вспомните историю появления этого агрегата, от вспомогательного деревянного приспособления для очистки и углубления дна водных каналов в Венеции 16 века, до современных роторных гигантов.
Еще одного гиганта современности ЭШ - 10/70 (хотя не такой уже прямо и современности) вы можете посмотреть на видео: https://dzen.ru/video/watch/66c5be4747d16c38f0fc66f7?share_to=link