Экскаватор

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. Э. 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).

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

Одноковшовые Э. Рабочий цикл этого распространённого класса Э. 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 Э. и условий работы колеблется от 12 до 80 сек. Производительность одноковшового Э. на 1 м³ ёмкости ковша в зависимости от условий работы составляет от 100 до 350 тыс. м³в год, или 80-180 м³/ч. Одноковшовые Э. используются для разработки любых, в том числе самых крепких и неоднородных, грунтов с крупными твёрдыми включениями. Для работы в более мягких грунтах одноковшовые Э. могут снабжаться ковшами увеличенной ёмкости. Скальные породы и мёрзлые грунты перед разработкой одноковшовым Э. разрыхляют (обычно взрывом).

По роду ходового оборудования различают гусеничные, колёсные, шагающие, на ж.-д. ходу, плавучие, колёсно-гусеничные одноковшовые Э. 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 Э. 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 Э. любой мощности с ковшами ёмкостью до 153 м³(см. Механическая лопата). Э. 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 Э.-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 Э.; 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 Э. с оборудованием прямой лопаты. С оборудованием драглайна работает до 40% одноковшовых Э. 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 Э., 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 Э. 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), Э. называется полууниверсальными.
Получают широкое распространение Э. 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 Э. 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 Э. 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 Э. подразделяют на строительные, карьерные, строительно-карьерные и вскрышные, кроме того, выделяют тоннельные Э., плавучие и др. Строительные Э. - самый распространённый тип одноковшовых Э. (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 Э. 33-36 т. Для более эффективного использования Э. снабжаются в мягких грунтах ковшами увеличенной на 25-60% ёмкости, а в очень крепких - уменьшенной на 20-25%. Э. малой мощности часто имеют сменное гусеничное и пневмоколёсное ходовое оборудование и одномоторный привод. У гидравлических Э. индивидуальный или смешанный привод. Карьерные Э. 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. Э. тех же типоразмеров большую производительность при погрузке в транспортные средства, особенно при крепких грунтах. Э. 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 Э., 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 Э. имеют ёмкость ковша до 8-9 м³,разрабатываются модели с ковшами ёмкостью 12-20 м³. Строительно-карьерные Э. 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 Э. изготовляют обычно с оборудованием лопаты для перемещения в отвал вскрышных пород на карьерах. Вскрышные Э. 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 Э. 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 Э. 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 Э. 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 Э.- 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 Э. по мягким грунтам). В процессе работы многоковшовый Э. производит резание (копание), захват, транспортирование и разгрузку грунта на магистральный конвейер или в вагоны. По виду рабочего оборудования многоковшовые Э. 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 Э. 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 Э. применяются также для складирования, отгрузки материалов при больших объёмах, с производительностью до 12 500 м³/ч и более. Масса Э. 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 Э. различают многоковшовые Э. поперечного и продольного копания и поворотные. К Э. поперечного копания (см. рис. 2) относятся в основном цепные Э., 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 Э. продольного копания относятся цепные и роторные Э., 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 Э. и до 8 м- для цепных. Эти Э. выполняются также в виде навесного оборудования на тракторах, колёсных тягачах и автомобилях. К поворотным многоковшовым Э. относятся цепные Э., имеющие ковшовую раму, установленную на поворотной платформе, вращающейся на опорном круге; обычно оборудуются гусеничным ходом (рис. 2, б). Полноповоротность увеличивает массу Э. 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 Э. 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. Э. 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 Э. применяют в мелиорации и для отвальных работ. Э. 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 Э. 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 Э. продольного копания со специальным рабочим оборудованием. Отвальные Э., 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 Э. 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 Э.-драглайнов. Первая паровая землечерпалка была построена на Ижорском заводе под руководством А. А. Бетанкура во втором десятилетии 19 в. Одноковшовый неполноповоротный Э. на рельсовом ходу был запатентован в 1834 В. Отисом (США); широкое применение одноковшовых Э. началось с конца 19 в. в связи с развитием строительства железных дорог. В 1910 появились первые электрические Э., в 1912 - полноповоротные Э. на гусеничном ходу с двигателями внутреннего сгорания, в 1916 - с дизелем, в 20-е гг. - первые полноповоротные Э. средней мощности с большими рабочими размерами на рельсовом ходу для открытых горных работ. Производство одноковшовых Э. в России было начато в 1901 на Путиловском (ныне ленинградский Кировский) заводе. В СССР производство Э. было организовано в 1931. С 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения (УЗТМ) впервые в мире организовал серийный выпуск карьерных Э. с ковшами ёмкостью 3-5 м³. В 1958 на УЗТМ был изготовлен шагающий Э.-драглайн с ковшом 25 м³ и стрелой 100 м, а на Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в 1965 - Э.-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 Э. 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 Э.-драглайн с ковшом ёмкостью 168 м³ для мягких грунтов, а фирма "Марион" Э.-лопату с ковшом ёмкостью 153 м³.
Сухопутный многоковшовый Э., изобретённый во Франции М. Кувре в 1860, был применен на строительстве Суэцкого канала. В конце 19 в. многоковшовые Э. получили широкое применение в Германии на открытых горных работах по добыче бурого угля. В России производство многоковшовых Э. было начато на Путиловском заводе (1901). В 1921 в Германии появились Э. 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 Э. с ковшами ёмкостью 3600 л. В СССР в 1967 НКМЗ начал выпуск мощных роторных Э. производительностью 3000 м³/ч, а в 1973 -5000 м³/ч.
Перспективы развития. Основное направление развития экскаваторостроения - увеличение производительности Э. за счёт применения машин всё большей единичной мощности. Изменение структуры парка Э. произойдёт и в связи с внедрением гидравлических Э. Доля легированных сталей в конструкции Э. малой мощности возрастет до 35-40%, средней мощности - до 40-50%, большой мощности - до 70-80% массы Э. Увеличение скорости рабочих движений Э. вызовет уменьшение продолжительности его рабочего цикла. Создаются роторные Э. 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 Э. этого класса. Широкое применение получат т. н. Э.-малютки массой не более 300- 800 кг. Для Э. 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.