蒸汽挖掘机史

​巨型电铲的鼻祖—蒸汽铲

1835年美国人威廉·奥蒂斯研制的蒸汽铲，100年后，它繁衍出了庞大的挖掘机家族。

电铲作为世界最大级别的挖掘机械，经历了漫长的发展过程。人类早期挖掘施工主要依靠人力，其间出现了一些原始的挖掘工具。15世纪后期，意大利锡耶纳的一批工程师，设计出一种以船为基础的河道淤泥挖掘机，达·芬奇在此基础上改进了设计。这种淤泥挖掘船在侧舷安装铁木结构的十型绞车，端头安装铲斗，容量大约0.2立方米；靠人力推动绞车手柄，驱动铲斗工作。这可以说是多斗式挖掘机的雏形。但在蒸汽机出现之前，挖掘设备依然靠人力驱动。

1679年，法国人丹尼斯·帕潘（Denis Papin）发明了蒸汽高压炊锅。他用高压锅内蒸汽推动一个圆筒内的活塞，由此发明了简易的蒸汽机。但是帕潘的发明没有实际运用到工业生产上。1698年，英国人托马斯·塞维利（Thomas Savery）发明了无活塞式蒸汽抽水机，利用蒸汽压力差抽取矿井水，但效率极低。1712年，苏格兰铁匠托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）制造出活塞式蒸汽机，每分钟能够做10次往复运动。这种蒸汽机开始在英国、法国和德国的矿井中用于抽水。由此欧洲进入了工业革命初期。

1763年，英国人瓦特开始改进蒸汽机，相继发明了分离式冷凝器、可调节阀门、汽缸绝热层、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、压力计等部件，并于1769年制造出第一台样机，其能效比纽科门蒸汽机提高了5倍以上。瓦特蒸汽机发明后，迅速得到推广应用。1769年法国人居尼奥制成世界第一辆三轮蒸汽汽车。1804年英国人理查德·特里维西克制成世界第一辆蒸汽火车。1807年美国人富尔顿发明了蒸汽轮船。1825年9月27日，世界第一条铁路在英国的斯托克顿和达灵顿之间开通，全长21公里，由此欧洲各国开始修筑铁路。1830年5月24日，巴尔的摩至俄亥俄的铁路通车，这是美国第一条铁路，随后铁路修筑工程在美国东部各州迅速展开，带动了土方机械的需求。

1833年，美国费城的铁路工程承包商威廉·奥蒂斯（William Otis），着手研制以蒸汽机为动力的挖掘机。1835年，第一台蒸汽机驱动的单斗挖掘机制造成功。这台挖掘机采用半回转、轨行式、铁木混合结构、桅杆大臂结构类似起重机，斗杆装在大臂上，挖斗装在斗杆上。蒸汽机驱动卷扬机通过链条和滑轮组升降挖斗，负责伸缩斗杆的齿轮也靠链条传动。机器两侧各有一人，用绳牵引实现大臂的回转，同时还负责操作挖斗门闩。整套挖掘装置包括蒸汽锅炉，全部安放在四轮铁路平车上，外形就像蒸汽火车头前面加装了起重臂式单斗挖掘机。这台挖掘机通过不断延伸铁轨实现带状开挖，每小时挖掘量约为35米立方米，比较适合铁路工程建设，因此人们称之为铁路铲（蒸汽铲）。

毫无疑问，这是一项伟大的发明。那时，中国还处在道光年间，而美国还没有开发西部，南方还在大量使用黑奴。直至20世纪初，推土机和铲运机出现以前，土方机械指的就是蒸汽铲。它首次实现了用机器来挖掘土方，尽管还不完善。但从机械工业史的角度来看，它建立了一个范本，至今在世界各大露天矿山里叱咤风云的巨型电铲，仍沿用着奥蒂斯蒸汽铲的基本形式。

蒸汽铲的黄金时代

1872年奥蒂斯蒸汽铲在新泽西州建设铁路工程。

1837年，威廉·奥蒂斯研制的第一台“费城铲”投入铁路工程建设。然而遗憾的是，奥蒂斯没等改进自己的设计，便于1839年英年早逝，时年26岁。就在这一年，奥蒂斯发明的蒸汽铲正式获得专利。但是早期的蒸汽铲，由于回转机构仅仅在前部吊杆的部分，回转角度有限，还得靠人力实现；蒸汽机功率也不大，挖掘力小，斗容也小，动作也不会很快；需要加煤加水，还需要不断铺设轨道，整体的效率是很低的。再加上当时人工相当便宜，和奥蒂斯家族严格的专利保护，这种蒸汽铲未能大规模应用。威廉·奥蒂斯死后，“费城铲”的生产陷于停顿，直至19世纪50年代以后，奥蒂斯家族才重新开始生产，但产量很少。

奥蒂斯的专利过期后，很多公司进入这一领域，此时各种建设对蒸汽铲的需求也急剧增加，到19世纪70年代以后，蒸汽铲的发展进入黄金时代，并不断得到改进，应用于露天矿剥离。1880年出现了第一批以蒸汽式拖拉机为底盘的半回转式蒸汽铲。这一时期，在美国大湖地区，特别是俄亥俄州涌现了众多蒸汽铲厂商，主要包括Bucyrus、Marion、P&H、Link Belt等。此外，欧洲也有了自己的蒸汽铲厂商，如德国Demag 、意大利Fiorentini、英国Newton & Chambers等。这一时期，欧美国家的大规模铁路建设，已经完成或接近尾声，原本用来修筑铁路的蒸汽铲，被应用到开挖运河、矿山等其他领域。

在19世纪末期，英国开凿曼彻斯特通海运河时，已经开始大规模使用蒸汽铲开挖河道。该运河长58公里，宽14-24米，深约9米，1887年开始修凿，1894年通航。20世纪初开凿巴拿马运河时，蒸汽铲发挥了关键作用，使得美国人能够完成法国人留下的烂摊子。巴拿马运河总长82公里，宽的地方达304米，最窄的地方也有152米，水深13-15米。1879-1889年间，法国人用了10年时间只完成4/1的工程量。1904-1913年，美国人又花了10年时间，终告贯通。该工程共挖运土石方2.59亿立方米（约为三峡工程2倍），主要依靠炸药和蒸汽铲。典型的施工方式是，在蒸汽铲的轨道旁边，平行铺设出渣用的铁轨，出渣小车由人力或畜力或蒸汽机车牵引。

在应用过程中，各厂商针对早期蒸汽铲的缺点，为了提高挖掘能力和效率，适应更大更艰难的工程，不断进行改进。蒸汽机功率不断加大，大臂和斗杆不断加长，斗容不断加大，体积、重量、轮轴数量也相应增加。但这还不够，底盘是个大问题。为了更灵活地挖掘，适应各种工作场合，19世纪80年代英国人发明了全回转装置，但直到20世纪20年代才被普遍采用。由于大功率蒸汽机重量太大，一些大型铲还是无法采用全回转结构。

有了全回转结构，也就有了上下车的概念。为了摆脱铁轨的束缚，又出现了驱动钢轮式底盘。1910年以后，随着履带的工程实用化，蒸汽铲纷纷用上了履带式底盘，有的甚至用上4条履带。但和霍尔特的履带不同，大部分蒸汽铲使用的是节销式，而不是链轨式。此时蒸汽铲的动力也开始向内燃机转变，1910年出现第一台电机驱动的蒸汽铲，1912年出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式蒸汽铲，1916年出产了柴油发电机驱动的蒸汽铲。

20世纪20年代蒸汽铲发展到顶峰，除了动力系统，这时的蒸汽铲已经和现代的电铲没有本质的区别。此时，内燃机已经被交通运输业广泛使用，拖拉机、推土机等需要快速运动的机械也都使用了内燃机。蒸汽铲的动力系统也开始抛弃蒸汽机，在经历了汽油机、汽-电、柴油机、柴-电、电力等形式后，最终发展成今天的电铲。但使用燃煤或燃油锅炉的蒸汽铲的生产，一直持续到20世纪30年代，有的蒸汽铲直到50年代才退役。