Экскаватор: история создания, принцип работы, разновидности

Экскаватор – это одна из ключевых машин в строительстве и горной промышленности. Его изобретение значительно ускорило осуществление землеройных работ, которые раньше требовали огромных человеческих усилий. Сегодня экскаваторы являются самыми востребованными строительными машинами в мире. Они применяются не только для рытья котлованов, но и для других работ, включая демонтаж различных сооружений.

Краткая история создания

Первые прототипы экскаваторной техники появились еще в Древнем Риме. Тогда использовали примитивные землеройные механизмы с ковшами, приводимыми в движение мускульной силой. Однако с изобретением паровых машин произошёл качественный скачок в развитии.

В 1836 году американский изобретатель Уильям Отис разработал первый паровой экскаватор с поворотной платформой. Эта машина могла заменить десятки рабочих. К концу XIX века экскаваторы стали оснащаться гусеничными шасси, что повысило их проходимость.

С появлением дизельных двигателей экскаваторы стали более мощными, а использование гидравлики сделало их универсальными. Появление новых технологий помогает совершенствовать технику. В экскаваторах используют GPS-навигацию, системы нивелирования, дистанционного и автоматизированного управления.

Что собой представляет экскаватор, принцип работы

Экскаватор представляет собой самоходную землеройную машину для разработки грунта, погрузки сыпучих материалов и выполнения демонтажных работ. Есть также прицепное исполнение данного вида техники. Основными элементами конструкции являются гусеничная или колесная ходовая часть, поворотная платформа, стрела и рабочее оборудование. Стандартным рабочим органом является ковш. Однако может использоваться и другая навеска: гидромолот, грейферный захват, просеивающий ковш, фреза и другое оборудование.

Привод этих землеройных машин осуществляется с помощью гидравлики, но встречается механические, а также электрические модели. Оператор управляет стрелой и ковшом с помощью джойстиков, зачерпывая грунт и перемещая его в нужное место. Многие модели оснащают системами автоматизации, повышающими точность и скорость работы.

Виды и классификация экскаваторов

В зависимости от конструкции и назначения экскаваторы имеют свою классификацию. Основными параметрами являются тип ходовой части, принцип действия, конструкция стрелы, мощность, масса, тип привода.

Различают также два основных вида экскаваторов: прицепной и самоходный. Существуют также модели, устанавливаемые на автомобили, например, экскаватор-планировщик, но они также относятся к самоходным машинам.

По назначению техника может быть универсальной, карьерной, строительной, а также тоннельной и подземной. Есть также компактные модели для небольших объёмов и работы в ограниченном пространстве.

По ходовой части

Наиболее распространёнными типами ходовой части являются гусеничная и колёсная. К первым также относятся экскаватор-амфибия, который выполнен на специально разработанной базе, позволяющей работать на воде. Кроме того, существуют модели на рельсовом ходу, также шагающие экскаваторы, которые также называют ходячими.

Гусеничные экскаваторы отличаются проходимостью и устойчивостью, что делает их эффективными при работе на сложных грунтах — болотистых местностях, рыхлых почвах и бездорожье. Они оказывают в 3-5 раз меньшее давление на грунт по сравнению с колесными моделями. Также они надёжны при работе на стройплощадках и в горнодобывающей отрасли.

Для городских условий и дорог с твердым покрытием оптимальны колесные экскаваторы. Они способны перемещаться по дорогая общего пользования на скорости до 40 км/ч, что исключает необходимость использования дополнительной техники для перевозки с одного участка на другой. Этим обусловлена их популярность в коммунальной сфере. Хотя большую конкуренцию тут составляют экскаваторы-погрузчики.

Особую нишу занимают плавучие экскаваторы, оборудованные понтонами. Они незаменимы при проведении дноуглубительных работ и строительстве гидротехнических сооружений, таких как дамбы и причалы. Основу движителя составляет гусеница, состоящая из специальных траков. А также наполненные воздухом ёмкости, для удержания машины наплаву.

Специализированные рельсовые экскаваторы предназначены для выполнения работ на железнодорожных путях, включая укладку рельс и расчистку завалов.

По принципу работы

И хотя задача у всей экскаваторной техники одна – выемка грунта и породы, принцип действия у некоторых моделей сильно отличается. Как уже упоминалось, строительная техника бывает цикличного и непрерывного действия.

К машинам цикличного действия относятся одноковшовые экскаваторы, включая драглайны. Они являются самыми распространёнными землеройными машинами. Такие модели применяются в коммунальной, строительной, горной отраслях, сельском хозяйстве, при демонтаже зданий.

Циклическими их называют потому, что рабочий процесс осуществляется по определённой схеме: забор материала, перемещение, разгрузка, возврат в исходную точку. Чтобы продолжить работу, необходимо заново повторить цикл.

Экскаваторы непрерывного действия работают по-другому. Им не нужно возвращать рабочий орган в исходное место, поскольку он движется постоянно. К такому виду относятся многоковшовые экскаваторы с роторным или цепным механизмом. Выгрузка как правило происходит на конвейер. Эти машины более производительны. В силу особенностей конструкции они применяются в основном в горнодобывающей промышленности, особенно на угольных разрезах. Там же применяют и шагающие экскаваторы, которые в силу специфики обладают внушительными размерами.

По конструкции стрелы

Конструкция стрелы экскаваторов также может быть разной. Драглайны имеют решетчатую конструкцию, схожую с гусеничным краном. Ковш крепится на тросах и позволяет производить выему грунта с большой глубины.

Одноковшовые гидравлические экскаваторы оснащены стрелой сварной конструкции. Она состоит и двух частей соединённых шарниром и может быть двух вариантов: с прямой лопатой или обратной. Первая используется в основном в горной промышленности, где позволяет проводить выемку породы выше уровня земли. Экскаватор как бы отгребает от себя.

Обратная лопата сконструирована для выемки грунта ниже уровня земли. Сгребание идёт по направлению к машине. Такие модели наиболее популярны в строительстве, коммунальном хозяйстве и при демонтаже зданий и сооружений. Помимо ковша они оснащаются другим сменным оборудование.

Многоковшовые экскаваторы используют решетчатую секционную стрелу. На ней установлен жёсткий ротор либо бесконечная цепь с ковшами.

По типу привода

Самые первые экскаваторы обладали механическим приводом с тросовой системой управления. Несмотря на простоту конструкции, они требуют значительных физических усилий оператора и уступают другим видам в точности позиционирования ковша.

Наиболее распространённым является гидравлика. Такие модели занимают около 85% рынка. Они развивают усилие на ковше до 500 кН, обеспечивают плавность управления и широкие функциональные возможности. Именно гидравлический привод позволяет использовать некоторое сменное оборудование, например фрезы, ножницы, гидромолот.

С развитием технологий появилась возможность применения электрического привода. Он используются на моделях для внутридомовых территорий, шахт, тоннелей. Питание таких машин осуществляется от внешней электросети через кабель, либо от аккумуляторных батарей. Это решение позволяет снизить не только долю вредных выбросов, но и уровень шума. Однако время работы, мощность и мобильность в этом случае ограничена.

Выбор типа привода экскаватора определяется конкретными условиями эксплуатации и предъявляемыми требованиями к мощности и экологичности оборудования.

По массе и мощности

По массе и мощности экскаваторы подразделяются на мини технику, компактные, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые.

• К мини-экскаваторам относятся машины весом до 5 тонн. Мощность двигателя таких моделей от 15 до 40 л.с.
• Компактные модели массой от 5 до 10 тонн имеют более широкий круг применения. Мощность двигателя от 40 до 100 л.с.
• К средним относятся экскаваторы эксплуатационной массой от 10 до 40 тонн. Они оснащаются дизельными двигателями от 100 до 300 л.с. и могут работать с различным навесным оборудованием.
• Тяжёлыми экскаваторами считаются машины весом от 40 до 100 тонн.
• Сверхтяжёлые – свыше 100 тонн.

Другие характеристики

Кроме основных параметров классификации, существуют технические характеристики экскаваторов, по которым их подразделяют и на которые обращают внимание при выборе техники. Это глубина компания, объём ковша, длина рукояти, усилие резания грунта, высота и глубина копания, габариты.

Например, для строительных экскаваторов характерна максимальная глубина компания от 5 до 11 метров. Их эксплуатационная масса от 12 до 30 тонн. При этом важным параметром является ширина экскаватора: если она составляет до 2,5 метра – перевозка осуществляется без специального разрешения.

Высота выгрузки критична для погрузки сыпучих материалов в самосвалы. Средние экскаваторы обеспечивают выгрузку на 6–7 м, а тяжелые – до 10 м, что позволяет работать с большегрузной техникой.

Объём ковша определяет производительность. Мини-экскаваторы оснащаются ковшами 0,04–0,2 м³, строительные – 0,5–1,9 м³, а карьерные – 8–10 м³.

Области применения экскаваторов

Характеристики и типы экскаватора определяют его применение в различных отраслях. Он используется в строительстве – для рытья котлованов, траншей, планировка участков. В дорожных работах – для подготовки основания, выемка грунта, обустройстве обочин. Горнодобывающие предприятия используют тяжелые карьерные экскаваторы при добыче угля, руды, камня. В коммунальном и сельском хозяйстве используются колёсные и гусеничные машины для расчистки завалов, ремонта сетей, мелиорации, рытья каналов.

Дополнительное оборудование расширяет функционал техники. С помощью гидроножниц осуществляется демонтаж построек, гидромолот помогает рыхлить твёрдый грунт, роторные фрезы удаляют старое асфальтовое покрытие.

Тяжёлые и сверхтяжёлые модели применяются в карьерах, горнодобывающей промышленности и на масштабных стройках. Они позволяют обрабатывать большие объёмы породы. Мини-экскаваторы используют при работах с небольшим объёмом или работе в ограниченном пространстве. Например, в ландшафтном дизайне или подвальном помещении.