铁家园老师
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挖掘机历史1：
从达芬奇密码到时代
对于挖掘机，大家都不陌生。 现在挖掘机种类繁多，品牌众多，可以满足各种需求。 那么，挖掘机是如何从当年一个简单的设备发展到今天的样子，以及这个规模的。 在此，就让笔者梳理一下挖掘机近200年的发展史吧。
一、挖掘机的诞生
在工业革命之前，人类的各种活动都受制于动力，一些比较大的工程消耗了大量的、畜力和时间。 虽然设计了复杂的机械装置来代替体力劳动，但缺乏有效动力使其难以发挥作用。 直到蒸汽机被和改进，人类进入机器时代，才打开了大规模改造自然界的大门。
▶达芬奇设计了很多挖土机，这是比他的威尼斯人晚设计的草图
随着蒸汽机的逐渐普及，1814年英国人斯蒂芬森发明了蒸汽机车。到1825年，世界上第一条铁路在英国通车。 此后，铁路在欧洲各国迅速普及，大洋彼岸的美国也在1830年拥有了第一条铁路。不过，美国的人力资源不如欧洲丰富，尤其是在北方，那里没有黑人奴隶。 即使在南方，奴隶也大多被用于更有利可图的棉花种植园。 因此，美国比欧洲更迫切需要一种可以代替人力进行铁路建设的机器。
▶威廉·奥蒂斯
挖掘机是在需求和技术实现的大背景下应运而生的。 1835年，美国费城的铁路工程承包商威廉·奥的斯（与奥的斯电梯创始人同一家族）结合自己的工作实践，发明了最早的挖掘机——蒸汽铲，用于修建铁路。 一年后正式获得专利。
▶奥的斯汽铲
奥的斯汽铲的设计灵感显然来自起重机。 虽然现代意义上的起重机几乎与奥的斯挖掘机同时开始，但起重机的基本原理早在古希腊就已经出现。 绳索组成框架，借助绳索和滑轮（组）吊起重物。 但是，汽铲的动作要比简单的起重装置复杂得多。 要挖掘土壤，需要一个桶。 铲斗不仅要能提起，还需要有一定的支撑力，能伸长，才能切入土中或出土。 此外，还应考虑如何卸土石方和调头。
▶奥的斯汽铲局部图
天才奥的斯设计了底部可以打开的桶形水桶和连接水桶的棍子。 斗杆通过鞍座轴承支撑在动臂的中心，鞍座轴承可以绕斗杆旋转并使用齿条和小伸缩。 动臂顶端有滑轮，与铲斗上方的滑轮组成滑轮组，用铁链提升或降低铲斗。 倾斜的吊臂、垂直的桅杆和近乎水平的拉杆组成三脚架，可绕桅杆旋转一定角度。
▶后人修复的奥的斯汽铲模型
奥的斯汽铲的工作装置由蒸汽机驱动，包括锅炉、水管、气缸、活塞、连杆、飞轮等机构。 在方面，蒸汽机通过齿轮传动带动起重葫芦，控制铁链条的收放，进而实现铲斗的提升，通过离合器接合推动起重葫芦，铁链条可用于控制推动齿轮的转动，实现斗杆的伸缩。 另外有些动作需要人力，旋转是靠人力拉动绳索控制桅杆的转盘实现的。 此外，斗底的斗门插销也需要人力操作。
▶反映奥的斯汽铲工作场景的画作
工作装置和蒸汽机均安装在四轮铁路平板车上，不能独立行走，靠人力或畜力在轨道上推进，工作时车轮垫紧。 通过沿前进方向和两侧不断开挖土石方，不断延长钢轨，实现铁路的快速建设。 由于非常适合铁路建设，人们也称它为铁道铲。
▶1869年联合太平洋铁路使用的改进型奥的斯蒸汽铲
毫无疑问，奥的斯汽铲是一项伟大的发明。 当时中国还处于道光时期，美国还没有西部开发，南方还在大量使用黑奴。 首次使用机械开挖土石方。 设计非常成功。 在工作装置和传动部分，基本形式一直沿用至今。
▶改进型奥的斯汽铲
1837年，第一台奥的斯汽铲“费城”投入铁路工程工作。 不幸的是，奥的斯在改进自己的设计之前于 1839 年英年早逝，年仅 26 岁。 尴尬的。 由于种种因素，汽铲的研制在奥的斯去世后停滞不前，直到20多年后奥的斯遗孀的丈夫查普曼获得专利，汽铲才重新开始生产，但输出量很小。 奥的斯的专利到期后，许多公司进入了这个领域。 这时，各种建筑对汽铲的需求量也急剧增加。 也就是1870年代以后，汽铲进入了黄金发展时期，不断得到改进。 .
挖掘机历史2：
汽铲兴衰原因何在？
上次说到，汽铲发明后的发展并不顺利，由于种种历史原因，没有发挥出应有的作用。 1870年代以后，美国在南北战争后进入工业化的新历史阶段，蒸汽铲的专利已经到期。 很多企业开始进入这个领域，汽铲也进入了黄金发展期。
▲ 早期的汽铲比 otis 的设计完美多了
美国五大湖地区交通便利，煤铁资源丰富，距离经济中心不远，逐渐发展成为美国的重工业基地。 许多知名企业诞生于此，挖掘机领域也不例外。 当时，俄亥俄州涌现出许多挖掘机制造商，包括后来大名鼎鼎的和。
▲1888年的比塞洛斯0号汽铲，可见需要多人伺候
奥的斯汽铲存在角度受限、蒸汽机功率低、挖掘力小、铲斗容量小、移动缓慢、无行走能力等问题，整体效率较低。 在大发展阶段，随着工业生产水平的提高拉铲挖掘机，这些问题逐渐得到解决，使汽铲成为一种有效的挖掘工具。 不仅是铁路，在修建运河、等领域，汽铲也有。
▲ 1904年至1914年间，用于开挖巴拿马运河的比塞洛斯蒸汽铲
为了提高汽铲的挖掘能力和工作效率，满足更大、难度更大的工程需要，各厂家不断改进。 蒸汽机的功率不断增加，动臂和斗杆不断加长，结构也得到加强，斗容也不断增加，体积和重量也相应增加，底盘的轮轴数量也随之增加。相应增加。 很快到了20世纪，汽铲已经发展到最大124吨，铲斗容量达到4.5立方米。
▲西奥多·罗斯福总统在巴拿马运河工地登上汽铲，坐在吊杆上的人负责打开斗闩
汽铲的发展也促进了大型工程和采矿项目的发展。 在著名的巴拿马运河开挖过程中，汽铲发挥了关键作用。 共有77台比塞洛斯和24台马里昂大型汽铲参与了该项目，使得美国人能够顺利完成法国人留下的烂摊子。
▲ 100，早期最大的汽铲，可见很难做到全旋转
虽然此时已经发明了全回转技术，但要应用到大型汽铲上并不容易，因为蒸汽机、煤箱和水箱太长太重，只能应用到一些小型汽铲上铲子。 此外，钢丝绳已逐渐铁链，提高起重系统的性能和效率。 而随着汽铲越来越大，铁轨也越来越成为制约其发展的重要因素。 有的大型汽铲用4根导轨就解决了，但真正解决还得等到履带实用化了。
▲ c，采用轮式底盘，但尚未实现完全旋转
为了摆脱钢轨的束缚，一些小型汽铲采用钢轮作为底盘，全回转，已经很像现代挖掘机了。 1904年霍尔特使履带实用化，但履带并没有立即应用到汽铲上，因为霍尔特的履带是为拖拉机设计的，不加固不适用于汽铲等重型设备。
▲1896年的反铲，后来被收购
第一次世界大战使 holt 拖拉机和履带式拖拉机名声大噪。 军用车辆开始使用履带，汽铲也逐渐开始使用履带。 但是，与拖拉机不同的是，汽铲都采用了重型铰链式履带，有的甚至采用了4履带。 有了爬虫，完全旋转不再受到限制。 到20年代初期，新生产的汽铲，无论大小，除了剥枝铲，大部分都是履带式底盘 全回转。 ，汽铲的发展达到了顶峰。
▲ 1908年生产的 35，实现了全旋转
这一时期的汽铲产生了不同的形状以满足不同的需要。 一些大型汽铲不是为装载车辆而设计的，而只是用于剥离覆盖层。 成型剥皮铲。 在工作装置方面也有各种奇思妙想，包括铲斗沿动臂滑动的方式，以及短动臂和斗杆，适合挖隧道的类型，反铲工作装置即将问世，适合挖掘停止表面如下。 底盘一直比较薄弱，因为很难将动力从全转向的上部传递到下部，通常使用垂直导向的轴传递动力，然后使用链条传动将动力传递到驱动轮。
▲1919年投产的 21，采用履带式底盘
随着电机和动力系统的发展以及内燃机应用的普及，汽铲开始摒弃笨重、效率低下的蒸汽机，轻装上阵，演变成现代挖掘机。 但直到1937年才生产出少量汽铲，直到50年代才生产出部分汽铲。 刚刚退休。
▲ 78c，因为太长太重，没有采用全回转，采用4条履带
汽铲在美国发展的时期，欧洲很多厂家也逐渐开始生产汽铲，主要是德国和英国，包括当年生产汽铲的大名鼎鼎的demag和o&k。
▲ 100b，外观非常接近现代挖掘机
【铁甲工程机械网点评】
与现代挖掘机相比，汽铲具有体积大、效率低、使用不便、人员多等缺点。 因此，蒸汽铲被当时采用新能源——内燃机和电动机的新型挖掘机替代是必然的。 是的，但不可否认的是，汽铲为后来的挖掘机奠定了基础，其基本设计至今仍在沿用。
挖掘机历史3：
挖掘机诞生
如前所述，汽铲基本上是在20年代发展起来的。 之后，内燃机和电动机迅速取代了蒸汽机，使其成为现代挖掘机。 直到二战结束，挖掘机一直在缓慢发展，根据不同的需要产生了不同的形式。
▲link-belt k-2抓铲，1923年推出
为露天煤矿剥离而生的剥离铲不断壮大。 这方面的内容在2012年已经介绍过，这里不再赘述。 感兴趣的读者请长按二维码查看：
▲马尼托瓦克 4600 吊斗铲
在施工中，开发了反铲、吊斗铲和抓斗铲，以在停车场地面以下进行挖掘。 拉铲通常采用很长的桁架臂，铲斗仅通过钢丝绳与挖掘机相连，因此只能靠自身重量切土，挖掘效率高，但装载效率相对较低。 所以，拖铲除了用于水下挖掘，后来也发展到大型化，最后取代了剥离铲，就是后话了。 抓斗铲与拉铲类似，都是靠铲斗自重挖土，后来只在特殊场合使用，如防渗墙地基的开挖。
▲-erie 15-b反铲，1940年推出
反铲在功能上与前铲相似，但在工作装置的结构上却有很大的不同。 前铲的动臂实际上是可调的，但不能移动，是用钢丝绳拉紧的。 如果反铲是这样的话，铲斗不能伸到地下。 所以反铲的动臂一定要能动很多，但是这样动臂就做不到那么强，只能做的很快。 细长，否则起吊时自重太大，同时也不可能给吊臂配备推料机构。
▲ 1945 年的 -erie 51-b 反铲，配备卡特彼勒柴油发动机
斗杆只能做得相对较轻，并且只能围绕动臂上的一个点旋转，该点通常是动臂的顶点，以便最大限度地挖掘深度。 在实施上，吊臂的提升不是直接用钢丝绳吊起吊臂本身，而是拉动斗杆顶部，使吊臂只承受压应力，有利于减重。 斗杆的转动是通过另一组钢丝绳拉动铲斗实现的，铲斗与前铲不同，底部的铲斗门不能打开。 一定高度后转动料斗将物料倾倒出来。
▲丹麦kb303轮式挖掘机
前铲的挖掘动作是提升铲斗和推/回斗杆，而反铲的挖掘动作是拉动斗杆顶部和拉动铲斗，前铲还有一个打开斗杆的动作。桶闩锁。 除了前铲的斗杆推/回动作是可逆的外，其他动作的逆动作都是依靠重力。 这就决定了只有前铲才能达到高效率，反铲不能。 因此，当液压时代到来后，钢丝绳反铲很快被淘汰，钢丝绳前铲仍在矿山中广泛使用。
▲o&k m4轮式挖掘机
除了工作装置，在底盘方面，随着汽车工业的不断发展，履带式不再是挖掘机的唯一选择。 一些厂家选择卡车作为小型挖掘机的底盘，以方便移动。 与此同时，轮式挖掘机也出现了，采用特殊的轮式底盘，像汽车一样使用充气橡胶轮胎，不像早期的汽铲使用钢轮。
▲ h-5以卡车为原型
虽然人们早就认识到钢丝绳反铲的缺点，但想要改变却并不容易。 液压技术已经存在了很长时间。 早在19世纪末，就产生了液压挖掘机的想法。 此后进行了多次尝试，但液压系统的不可靠性一直是限制其发展的最大因素。 直到第二次世界大战，航空工业的大发展促进了液压技术的进步和成熟。 二战结束后，液压技术开始向民用工业转移，挖掘机终于可以迎来一场革命。
▲云博y53挖掘机
与蒸汽铲在美国的发明不同，液压挖掘机在欧美几乎同时诞生。 意大利兄弟被认为是在1948年创造了最早的液压挖掘机，使用卡车底盘，但由于资金不足，他们很快将专利卖给了法国sicam公司，从而诞生了yumbo系列挖掘机。 yumbo后来被三菱重工引进，成为三菱/卡特挖掘机的鼻祖。 1951年，法国波克兰公司生产了自己的液压挖掘机tu。
▲ b-504是第一款履带式全回转液压挖掘机
在美国，该公司于 1946 年发明了车载伸缩臂挖掘机，这是一种替代挖掘机，至今仍在生产。 1946年一家名为 的公司发明了液压起重机，1948年收购了该公司，1951年在其基础上开发了带有卡车底盘的h-5液压挖掘机。
▲利勃海尔第一台液压挖掘机l300
到1954年，西德的公司生产出世界上第一台履带式全回转液压挖掘机b504。 此后，各家厂商开始生产自己的液压挖掘机，1955年的利勃海尔，1961年的o&k。不过奇怪的是，虽然有液压挖掘机产品，但美国的挖掘机行业对液压挖掘机的兴趣并不大国家作为一个整体。 在日本，很多厂家从欧美引进了液压挖掘机技术，为日后日本挖掘机的崛起奠定了基础。
挖掘机历史4：
挖掘机的不断发展终于结出硕果
上一次，在50年代，挖掘机进入液压时代。 欧洲的几家厂商是推动液压挖掘机发展的主要力量。 美国虽然有，但重视不够。 液压挖掘机发展并不好，而日本还处于引进、学习阶段。
▲三菱重工引进生产的挖掘机还在卡特彼勒明石工厂展出
这些早期的液压挖掘机在今天看来有些原始和怪异。 仅在外观上，无论是结构、工作装置还是底盘，都与现在常见的挖掘机不相适应。 这是因为刚刚诞生的液压挖掘机难免会受到过去机械挖掘机的影响，但这些影响会在发展中逐渐淡化，液压挖掘机走上了与机械挖掘机完全不同的发展道路。
▲demag hb1挖掘机，注意它的前铲工作装置，和现在的有很大区别
以底盘为例，有生产机械挖掘机经验的厂商自然会继续沿用现有的底盘技术，比如demag、o&k，而没有经验的厂商一般都是以轮式底盘起家的挖掘机业务，比如，毕竟，当时的配套产业还很不完善。 但很快，大家一致放弃了原来的设计，采用了一种由推土机履带和行走机构改进而来的履带系统。 当然，这并不意味着轮式挖掘机的发展就此停止，只是说明履带式液压挖掘机在履带方面与机械式挖掘机有所不同。
▲o&k rh60前铲，几乎无动臂和斗杆箱形结构
在工作装置方面，早期的液压挖掘机更是五花八门。 移植了机械挖掘机的各种设计，有些设计不符合实际需要。 前铲通常设计有底开门，或无门的反铲式设计。 反铲的情况稍微好一些。 与机械挖掘机相比，增加了翻斗的动作，灵活性大大提高。 但在1960年代以后，早期的液压前铲已经被淘汰，各厂家的反铲工作装置基本统一成类似的形式，与今天的几乎没有区别。
▲o&k rh5，1965年，国家购买了日本神钢引进的o&k生产的rh5
在结构形式上，早期的液压挖掘机通常采用两节动臂。 虽然每个结构件都使用了箱形截面，但受力并没有得到优化。 同时，油缸支架、管路等破坏箱体结构的设计还有很多。 简而言之，结构笨拙。 这些问题直到20世纪70年代才逐渐得到解决，才形成了我们今天看到的挖掘机的模样。
▲早期的液压挖掘机在液压和控制系统方面都比较原始
在液压系统及其控制系统方面，早期挖掘机普遍采用齿轮泵和机械控制机构，操作费力，控制精度低。 但是，液压系统发展迅速。 到20世纪70年代，变量泵和机械先导操作系统得到广泛应用，到80年代，已发展为电液先导操作系统。
▲德马格h21p轮式挖掘机
总之，液压挖掘机诞生20年来，各子系统逐步完善，形成了相对独立的分支。 由于其机动性、灵活性和高效性，液压挖掘机在建筑领域已经完全取代了机械挖掘机。 与此同时，液压挖掘机也在向大型化发展，抢占部分大型机械挖掘机的市场份额。 机械挖掘机的反铲已经被淘汰，前铲在主机上只能保住部分矿山的市场份额。
▲卡特245d挖掘机，300系列之前的自主研发机型
从国际市场格局来看，欧洲几家厂商一直保持市场领先地位，而美国直到1970年代才开始逐渐重视液压挖掘机。 以卡特彼勒为首的企业纷纷进入，但难以与欧洲厂商抗衡。 日本不断消化吸收欧美液压挖掘机技术，形成了自主的发展路线。 当然，从技术上来说，全球厂商在液压挖掘机的技术和实现上并无本质区别。
▲矿山使用的日立挖掘机
20世纪80年代以后，世界挖掘机市场格局发生了一系列变化。 日本挖掘机制造商积累了大量知识，异军突起。 小松甩掉比塞洛斯，推出pc系列，后来成为最著名的液压挖掘机，小松挖掘机也成就了小松的市场地位。 卡特彼勒通过与日本第二大挖掘机制造商三菱重工的另一家合资公司将其挖掘机产品收入囊中，并在90年代发展成为著名的300系列，卡特彼勒也成为了著名的挖掘机品牌。 日立从未引进欧美技术，完全靠一己之力崛起成为挖掘机领域的大佬。 与此同时，欧美涌现出众多挖掘机制造商。 在中国出现合资企业后，大量本土企业开始进入挖掘机领域。
▲用于水下挖掘的利勃海尔吊斗铲
小松继续发力，1990年代收购demag拉铲挖掘机，拥有大型矿用液压挖掘机产品线，2016年收购joy ，增加了机械挖掘机产品。 随着2011年对比塞洛斯的收购，卡特彼勒也一举获得了大型矿用液压挖掘机和巨型机械挖掘机的产品线。 利勃海尔和日立都没有靠收购，逐步建立起了从小到大的完整的液压挖掘机产品线。
▲小松混合动力挖掘机hb365
就这样，液压挖掘机领域形成了小松、卡特彼勒、利勃海尔、日立四强的局面，而且都拥有完整的产品线。 在机械挖掘机领域，只剩下卡特彼勒和小松争霸，而且型号也很少。 至于上面提到的剥线铲，早已载入史册。 吊索分为两部分。 卡特彼勒和小松也生产用于巨型剥离的拉铲，但产量极低，可以忽略不计。 中型吊斗铲仅用于水下挖掘。 目前欧洲还有少量生产，如、，但不是特殊产品，而是用通用型履带起重机改装而成。
▲小松智能挖掘机-11
如今，液压挖掘机发展趋缓，机、电、液一体化基本成熟。 大赛围绕节能、新能源、无人、智能等方向展开。 需要。 经过一百多年的发展，挖掘机已经从最初为铁路建设而发明的简单杠杆机构发展成为万能的精巧武器或巨大的移山机。 随着人类智慧的不断发展，挖掘机将不断朝着更贴近人类需求的方向发展。
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