Большая Советская Энциклопедия (ЭК)

Экскаватор

Экскава'тор (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. м ³ (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 м ³ ёмкости ковша в зависимости от условий работы составляет от 100 до 350 тыс. м ³ в год, или 80—180 м ³ /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 м ³ (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 м ³ . 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 м ³ ), 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 м ³ ), средней (2—3 м ³ ) и большой (3,2—6 м ³ ) ёмкости; в СССР осваиваются гидроэкскаваторы с ковшом 12—20 м ³ . 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 м ³ 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 м ³ , грузоподъёмность крана 0,7—45 т , масса 1,5—65 т ); средней мощности — полууниверсальные (ёмкость ковша 2—3 м ³ , грузоподъёмность крана 60—80 т , масса 72—105 т ); большой мощности — полууниверсальные (ёмкость ковша 3,25—6 м ³ , грузоподъёмность крана 100—150 т , масса 115—210 т ). Удельная масса на 1 м ³ 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 м ³ ) и большой (ёмкость ковша 5—20 м ³ ) 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 м ³ 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 м ³ , разрабатываются модели с ковшами ёмкостью 12—20 м ³ . 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 м ³ применяются также для погрузки в транспортные средства, расположенные на бровке разрабатываемого забоя. Ёмкость ковша от 6 до 153 м ³ , 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 м ³ 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 м ³ , 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 м ³ .

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 м ³ , 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 м ³ /ч и более. Масса Э. на 1 л ёмкости ковша 0,9—1,5 т. Средняя производительность 1,8—2,5 м ³ /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 м ³ /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 м ³ . В 1958 на УЗТМ был изготовлен шагающий Э.-драглайн с ковшом 25 м ³ и стрелой 100 м , а на Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в 1965 — Э.-лопата с ковшом 35 м ³ для крепких грунтов. В 1975 УЗТМ закончил изготовление шагающего драглайна с ковшом ёмкостью 100 м ³ и стрелой 100 м. УЗТМ осваивает наиболее мощную карьерную лопату, с ковшом 20 м ³ , 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 м ³ для мягких грунтов, а фирма «Марион» Э.-лопату с ковшом ёмкостью 153 м ³ .

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 м ³ /ч , а в 1973 —5000 м ³ /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 м ³ /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.

Рис. 1. Схемы универсальных экскаваторов со сменным рабочим оборудованием: а — прямая лопата; б — обратная лопата; в — драглайн; г — грейфер; д — струг.

Рис. 2. Схемы многоковшовых экскаваторов: а — неповоротный цепной на железнодорожном ходу с боковой разгрузкой; б — то же однопортальный; в — поворотный цепной на гусеничном ходу; г — роторный; д — цепной, траншейный; е — цепной отвальный.