Экскаватор

Определение "Экскаватор" в Большой Советской Энциклопедии

Многоковшовые экскаваторы (схемы)

Экскаватор (англ. excavator, от лат. excavo — долблю, выдалбливаю), основной тип машин, предназначенных для разработки (копания) мягких горных пород (грунта) в массиве или скальных в раздробленном состоянии, а также для погрузки их в транспортные средства (автомобили, ж.-д. вагоны и др.) или укладки в отвал. Экскаватор в СССР выполняют около 35% объёмов земляных работ в строительстве и свыше 80% объёмов на открытых горных работах; общий годовой объём экскаваторных работ в СССР достигает 15 млрд. м³ (1976).

Универсальные экскаваторы (схемы)

По принципу действия различают 2 основные группы: одноковшовые (прерывного, или цикличного, действия) и многоковшовые Экскаватор (непрерывного действия). У первых все основные операции цикла производятся в постоянной последовательности, у вторых — одновременно.

Одноковшовые Экскаватор Рабочий цикл этого распространённого класса Экскаватор складывается из операций резания (копания) грунта (с одновременным заполнением ковша), перемещения заполненного ковша к месту разгрузки, выгрузки грунта из ковша и возвращения ковша в забой; продолжительность рабочего цикла в зависимости от мощности и типа Экскаватор и условий работы колеблется от 12 до 80 сек. Производительность одноковшового Экскаватор на 1 м³ ёмкости ковша в зависимости от условий работы составляет от 100 до 350 тыс. м³ в год, или 80—180 м³/ч. Одноковшовые Экскаватор используются для разработки любых, в том числе самых крепких и неоднородных, грунтов с крупными твёрдыми включениями. Для работы в более мягких грунтах одноковшовые Экскаватор могут снабжаться ковшами увеличенной ёмкости. Скальные породы и мёрзлые грунты перед разработкой одноковшовым Экскаватор разрыхляют (обычно взрывом).

По роду ходового оборудования различают гусеничные, колёсные, шагающие, на ж.-д. ходу, плавучие, колёсно-гусеничные одноковшовые Экскаватор По типу привода — с одним двигателем и со смешанным и индивидуальными приводами всех рабочих механизмов. По роду силовой установки — с приводом от двигателя внутреннего сгорания (дизельные, редко карбюраторные и газогенераторные), электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные. По виду управления — с ручным, гидравлическим, пневматическим, электрическим и смешанным. По виду рабочего оборудования Экскаватор подразделяются на одноковшовые с жёсткой шарнирно-скользящей связью ковша со стрелой (прямая лопата), с жёсткой шарнирной связью ковша со стрелой (обратная лопата), с гибкой связью ковша со стрелой (драглайн, грейфер и др.). Наиболее распространено оборудование прямой лопаты (рис. 1, а); им оснащаются Экскаватор любой мощности с ковшами ёмкостью до 153 м³ (см. Механическая лопата). Экскаватор с оборудованием прямой лопаты и с разгрузкой в транспортные средства или отвал целесообразно применять при разработке месторождений полезных ископаемых и для рытья котлованов, преимущественно в крепких, каменистых и скальных породах и грунтах, а также в устойчивых грунтах ср. крепости. Оборудование обратной лопаты (рис. 1, б) используется для рытья узких траншей (шириной 0,7— 1,5 м и глубиной до 8 м), особенно с вертикальными стенками для прокладки сетей канализации, нефтепроводов, устройства фундаментов в крепких и каменистых грунтах, а также сооружения небольших котлованов. Рабочее оборудование Экскаватор-драглайна (рис. 1, в) состоит из стрелы и ковша, подвешенного к стреле при помощи подъёмного и тягового канатов. Выемку грунта драглайн производит, как правило, ниже уровня установки Экскаватор; ковши применяются различной ёмкости — в скальных предварительно разрыхлённых породах допускается работа драглайна при ёмкости ковша свыше 10 м³. Продолжительность цикла обычно на 10—20% больше, чем при работе Экскаватор с оборудованием прямой лопаты. С оборудованием драглайна работает до 40% одноковшовых Экскаватор Драглайны, имеющие т. н. шагающий ход, получили название шагающих драглайнов. Оборудование грейфера (рис. 1, г) применяется для погрузочных работ, рытья котлованов с отвесными стенками, для работ под водой. Оборудование струга (рис. 1, д) приспособлено для планировочных работ, удаления дорожной одежды и т.п. Отдельные модели Экскаватор, предназначенные в основном для строительства (с ковшами ёмкостью до 5 м³), снабжают различным сменным оборудованием не только для земляных, но и для монтажных, подъёмно-транспортных, погрузочно-разгрузочных, свайных и буровых работ, валки леса и корчёвки пней и т.п. Такие Экскаватор обычно называются универсальными, т.к. они применимы во многих видах земляных и строительных работ. Если число единиц сменного оборудования не превышает трёх (например, лопата, драглайн, кран), Экскаватор называется полууниверсальными.

Получают широкое распространение Экскаватор с гидроприводом, т. н. гидроэкскаваторы, у которых все виды рабочих органов шарнирно связаны с поворотной платформой и перемещаются с помощью гидроцилиндров, приводимых в движение насосами высокого давления (10— 40 МПа). В этом случае для передачи вращения (привод поворота, хода) обычно применяют гидравлические двигатели. Этот вид одноковшовых Экскаватор изготовляется с ковшами малой (до 1,8 м³), средней (2—3 м³) и большой (3,2—6 м³) ёмкости; в СССР осваиваются гидроэкскаваторы с ковшом 12—20 м³. Основное рабочее оборудование — обратная лопата. Удельная мощность гидравлических Экскаватор в зависимости от условий работы (мягкие или крепкие грунты) составляет от 133 до 213 квт на 1 м³ ёмкости ковша.

В зависимости от назначения одноковшовые Экскаватор подразделяют на строительные, карьерные, строительно-карьерные и вскрышные, кроме того, выделяют тоннельные Экскаватор, плавучие и др. Строительные Экскаватор — самый распространённый тип одноковшовых Экскаватор (около 60% мирового парка); насчитывают около 200 моделей, выпускаемых более чем 80 отечеств. и зарубежными заводами. Различают: универсальные малой мощности (ёмкость ковша 0,05—1,8 м³, грузоподъёмность крана 0,7—45 т, масса 1,5—65 т); средней мощности — полууниверсальные (ёмкость ковша 2—3 м³, грузоподъёмность крана 60—80 т, масса 72—105 т); большой мощности — полууниверсальные (ёмкость ковша 3,25—6 м³, грузоподъёмность крана 100—150 т, масса 115—210 т). Удельная масса на 1 м³ ёмкости ковша для крепких грунтов составляет для этих Экскаватор 33—36 т. Для более эффективного использования Экскаватор снабжаются в мягких грунтах ковшами увеличенной на 25—60% ёмкости, а в очень крепких — уменьшенной на 20—25%. Экскаватор малой мощности часто имеют сменное гусеничное и пневмоколёсное ходовое оборудование и одномоторный привод. У гидравлических Экскаватор индивидуальный или смешанный привод. Карьерные Экскаватор изготовляются с оборудованием лопаты, реже со сменным оборудованием драглайна и крана. Отличаются мощным рабочим оборудованием, высокими рабочими усилиями и скоростями, коротким циклом работы, что обусловливает по сравнению с др. Экскаватор тех же типоразмеров большую производительность при погрузке в транспортные средства, особенно при крепких грунтах. Экскаватор средней (ёмкость ковша 2—4 м³) и большой (ёмкость ковша 5—20 м³) мощности, массой 76—900 т, предназначены для работы в карьерах, особенно в крепких, предварительно взорванных породах и грунтах с погрузкой главным образом в большегрузные автосамосвалы. Выпускаются как в виде полууниверсальных Экскаватор, так и спец. лопат со стандартным и удлинённым оборудованием для верхней погрузки в средства транспорта, расположенные на бровке забоя (выемки). Ходовое оборудование — гусеничное. Силовое оборудование — электрическое с индивидуальным приводом механизмов по системе генератор — двигатель. Удельная мощность приводного двигателя 60— 80 квт на 1 м³ ёмкости ковша, давление на грунт 0,15—0,25 МПа, скорость хода 0,6—1,5 км/ч. Гидравлические карьерные Экскаватор имеют ёмкость ковша до 8—9 м³, разрабатываются модели с ковшами ёмкостью 12—20 м³. Строительно-карьерные Экскаватор средней и большой мощности предназначены для работы в основном на карьерах нерудных строительных материалов. По своей конструкции они занимают среднее положение между строительными и карьерными. Вскрышные Экскаватор изготовляют обычно с оборудованием лопаты для перемещения в отвал вскрышных пород на карьерах. Вскрышные Экскаватор с ковшами ёмкостью до 15 м³ применяются также для погрузки в транспортные средства, расположенные на бровке разрабатываемого забоя. Ёмкость ковша от 6 до 153 м³, масса 700—12 700 т. Ходовое оборудование мощных моделей — 4 спаренные гусеницы. Силовое оборудование такое же, как у карьерных Экскаватор Удельная масса 45—90 т на 1 м³ ёмкости ковша, скорость хода 0,3—0,5 км/ч. Помимо механической лопаты на вскрышных работах применяются драглайны на шагающем ходу со стрелами длиной до 100 м, с ковшами ёмкостью от 5 до 168 м³, массой до 14 тыс. т. Они являются основным оборудованием при бестранспортных системах разработки месторождений полезных ископаемых. В 1977 в СССР введён в эксплуатацию один из крупнейших в мире шагающих драглайнов со стрелой длиной 100 м и ковшом ёмкостью 100 м³.

  Тоннельные и шахтные Экскаватор используют в подземных условиях в выработках большого поперечного сечения при проходке тоннелей, сооружении камер подземных сооружений, выемке полезных ископаемых. Ёмкость ковша 0,75—1 м³, масса 16—30 т.

  Многоковшовые Экскаватор состоят из рабочего оборудования (ковши, шарнирная ковшовая рама, стрела); металлоконструкции (надстройки), на которой оно укреплено; механизмов привода (силового оборудования); управления; платформы, на которой установлены все эти узлы и агрегаты, и ходового оборудования — нижней рамы с движителем. Ходовое оборудование многоковшовых Экскаватор— гусеничное (при любой массе), пневмоколёсное (до массы в 30—40 т), реже рельсовое (железнодорожное), шагающее или рельсо-шагающее (последние два при любой массе и перемещении Экскаватор по мягким грунтам). В процессе работы многоковшовый Экскаватор производит резание (копание), захват, транспортирование и разгрузку грунта на магистральный конвейер или в вагоны. По виду рабочего оборудования многоковшовые Экскаватор подразделяются на два основных типа: цепные и роторные. В цепных экскаваторах ковши (от 12 до 40 штук) укреплены на бесконечной цепи, движущейся по каткам в направляющих ковшовой рамы. Большинство конструкций цепных Экскаватор может обеспечить точную отделку откосов сооружения, благодаря чему ими выполняются профилировочные работы (рис. 2, а и б). В роторных экскаваторах рабочий орган — колесо (ротор) с 6—12 (иногда до 24) ковшами (рис. 2, г). Грунт из ковшей ротора высыпается на конвейер роторной стрелы непосредственно или через питатель и передаётся на разгрузочный конвейер. Общее расстояние, на которое перемещается грунт, достигает 150 м, высота копания до 50 м, глубина копания до 25 м.

  Ротор почти полностью освобожден от транспортирования грунта, что позволяет увеличить скорость копания до 3— 4,4 м/сек вместо 0,4—1,2 м/сек у цепных машин. Модели малой мощности, с ковшами ёмкостью 25—150 л, могут работать в карьерах нерудных строительных материалов; средней мощности, с ковшами ёмкостью 200—450 л, — на крупных строительных работах; большой мощности, с ковшами 500—4500 л,— на крупных карьерах. Роторные Экскаватор применяются также для складирования, отгрузки материалов при больших объёмах, с производительностью до 12 500 м³/ч и более. Масса Экскаватор на 1 л ёмкости ковша 0,9—1,5 т. Средняя производительность 1,8—2,5 м³/ч на 1 л ёмкости ковша.

В зависимости от направления движения ковшей относительно перемещения Экскаватор различают многоковшовые Экскаватор поперечного и продольного копания и поворотные. К Экскаватор поперечного копания (см. рис. 2) относятся в основном цепные Экскаватор, которые во время работы движутся в направлении, перпендикулярном плоскости движения ковшей. Машины могут работать с верхним и нижним копанием и устанавливаются на рельсовом или гусеничном ходу. К Экскаватор продольного копания относятся цепные и роторные Экскаватор, которые во время работы движутся в направлении, параллельном или совпадающем с плоскостью движения ковшей, — траншеекопатели, канавокопатели. Обычно — это машины малой мощности (масса до 75 т), на гусеничном или пневмоколёсном ходу. Предназначены они для рытья траншей шириной от 0,35 до 2, реже 3 м при глубине от 1,2 до 2 м для роторных Экскаватор и до 8 м— для цепных. Эти Экскаватор выполняются также в виде навесного оборудования на тракторах, колёсных тягачах и автомобилях. К поворотным многоковшовым Экскаватор относятся цепные Экскаватор, имеющие ковшовую раму, установленную на поворотной платформе, вращающейся на опорном круге; обычно оборудуются гусеничным ходом (рис. 2, б). Полноповоротность увеличивает массу Экскаватор на 30—40%. Ёмкость ковшей достигает 3600 л. Применяют для отработки тупиковых забоев и разработки с одного уступа попеременно верхним и нижним забоем двух уступов.

Многоковшовые Экскаватор наиболее производительны в условиях сосредоточенных объёмов открытых горных и земляных работ в мягких, средних и однородных крепких грунтах, особенно при постоянных или мало изменяющихся поперечных профилях забоев или сооружений с правильными откосами. Экскаватор малой мощности, с ковшами ёмкостью до 150 л, могут работать с любым видом транспорта, а машины средней и большой мощности — с ж.-д. и конвейерным транспортом. Помимо вскрышных работ на карьерах многоковшовые Экскаватор применяют в мелиорации и для отвальных работ. Экскаватор для мелиоративных работ обычно относятся к цепным машинам поперечного копания; отличаются небольшим удельным давлением на грунт (около 3—10⁴ Па) и предназначены для рытья траншей с откосами и небольших каналов (рис. 2, д). Глубина копания до 2,5 м, ширина канала до 12 м. Ёмкость ковша 25—75 л, масса Экскаватор 12—20 т. Удельная мощность около 1 квт на 1 л ёмкости ковша, производительность 1,5—3 м³/ч на 1 т массы (большее значение — для малых моделей). Реже применяются Экскаватор продольного копания со специальным рабочим оборудованием. Отвальные Экскаватор, или абзетцеры (рис. 2, е), с роторным или цепным рабочим органом и консольными отвальными конвейерами применяются для выполнения больших объёмов отвальных работ при выемке вскрышных пород в карьерах многоковшовыми Экскаватор Абзетцеры укладывают рыхлые породы вскрыши в верхний отвал высотой до 25 м или в нижний — высотой до 50 м.

  Историческая справка. Идея создания землеройных машин принадлежит Леонардо да Винчи, который в начале 16 в. предложил схемы Экскаватор-драглайнов. Первая паровая землечерпалка была построена на Ижорском заводе под руководством А. А. Бетанкура во втором десятилетии 19 в. Одноковшовый неполноповоротный Экскаватор на рельсовом ходу был запатентован в 1834 В. Отисом (США); широкое применение одноковшовых Экскаватор началось с конца 19 в. в связи с развитием строительства железных дорог. В 1910 появились первые электрические Экскаватор, в 1912 — полноповоротные Экскаватор на гусеничном ходу с двигателями внутреннего сгорания, в 1916 — с дизелем, в 20-е гг. — первые полноповоротные Экскаватор средней мощности с большими рабочими размерами на рельсовом ходу для открытых горных работ. Производство одноковшовых Экскаватор в России было начато в 1901 на Путиловском (ныне ленинградский Кировский) заводе. В СССР производство Экскаватор было организовано в 1931. С 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения (УЗТМ) впервые в мире организовал серийный выпуск карьерных Экскаватор с ковшами ёмкостью 3—5 м³. В 1958 на УЗТМ был изготовлен шагающий Экскаватор-драглайн с ковшом 25 м³ и стрелой 100 м, а на Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в 1965 — Экскаватор-лопата с ковшом 35 м³ для крепких грунтов. В 1975 УЗТМ закончил изготовление шагающего драглайна с ковшом ёмкостью 100 м³ и стрелой 100 м. УЗТМ осваивает наиболее мощную карьерную лопату, с ковшом 20 м³, для крепких грунтов (1976). За рубежом производство Экскаватор сосредоточено в США (фирмы «Марион», «Бюсайрус», «Харнитфегер» и др.), Великобритании, ФРГ, ГДР, Франции, Японии, ПНР, ЧССР и др. странах. В США в 1968 фирма «Бюсайрус» изготовила шагающий Экскаватор-драглайн с ковшом ёмкостью 168 м³ для мягких грунтов, а фирма «Марион» Экскаватор-лопату с ковшом ёмкостью 153 м³.

  Сухопутный многоковшовый Экскаватор, изобретённый во Франции М. Кувре в 1860, был применен на строительстве Суэцкого канала. В конце 19 в. многоковшовые Экскаватор получили широкое применение в Германии на открытых горных работах по добыче бурого угля. В России производство многоковшовых Экскаватор было начато на Путиловском заводе (1901). В 1921 в Германии появились Экскаватор с ковшами ёмкостью 525 л, в 1933—1200 л, в 1939—1500 л, в 1941— 2000 л. В 1958 в ФРГ был введён в действие роторный Экскаватор с ковшами ёмкостью 3600 л. В СССР в 1967 НКМЗ начал выпуск мощных роторных Экскаватор производительностью 3000 м³/ч, а в 1973 —5000 м³/ч.

  Перспективы развития. Основное направление развития экскаваторостроения — увеличение производительности Экскаватор за счёт применения машин всё большей единичной мощности. Изменение структуры парка Экскаватор произойдёт и в связи с внедрением гидравлических Экскаватор Доля легированных сталей в конструкции Экскаватор малой мощности возрастет до 35—40%, средней мощности — до 40—50%, большой мощности — до 70—80% массы Экскаватор Увеличение скорости рабочих движений Экскаватор вызовет уменьшение продолжительности его рабочего цикла. Создаются роторные Экскаватор для разработки пород с удельным сопротивлением копанию до 16^.10⁶ Па, траншеекопатели производительностью 2500—3000 м³/ч для работы в мёрзлых породах с удельным сопротивлением копанию 0,8^.10⁷ — 10⁷ Па (ширина траншеи 2—2,5 м и глубина до 3 м) со скоростью 400—500 м/ч, т. е. в 10—20 раз быстрее и в 5—6 раз экономичнее, чем существующие Экскаватор этого класса. Широкое применение получат т. н. Экскаватор-малютки массой не более 300— 800 кг. Для Экскаватор непрерывного действия разрабатывается автоматическое управление с регулированием всех параметров, определяющих протекание рабочего процесса. На этой основе проектируются системы с самооптимизацией алгоритмов отработки подуступов и забоя в целом. Создаются автоматические системы управления всеми машинами комплекса непрерывного действия — отвалообразователями, перегружателями, мостами.

Лит.: Панкратов С. А., Динамика машин для открытых горных и земляных работ, М., 1967; Домбровский Н. Г., Экскаваторы, М., 1969; его же, Многоковшовые экскаваторы, М., 1972; Ветров Ю. А., Резание грунтов землеройными машинами, М., 1971; Современные карьерные экскаваторы, 2 изд., М., 1971; Теория и практика открытых разработок, под ред. Н. В. Мельникова, М., 1973; Barnes W., Excavating machinery, L., 1928; Williamson Н. F., Myers K. Н., Designed for digging, Evanston (Ill.), 1955; Kühn G., Interessante Baggereinsätze, Wiesbaden, 1955; Pajer G., Pfeifer М., Kurth F., Tagebaugroßgeräte und Universalbagger, B., 1971.
  Н. Г. Домбровский.