 1835年美国人威廉•奥蒂斯研制的蒸汽铲，在100多年的时间里，它繁衍出了庞大的挖掘机家族。 巨型电铲的鼻祖—蒸汽铲 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。在蒸汽机出现之前，挖掘设备一直靠人力驱动。 1679年，法国人Denis Papin（丹尼斯•帕潘）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Thomas Savery（托马斯•塞维利）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Thomas Newcomen（托马斯•纽科门）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William Otis（威廉•奥蒂斯），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的单斗挖掘机。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。
1872年奥蒂斯蒸汽铲在新泽西州建设铁路工程。 蒸汽铲的黄金时代 1837年，William Otis研制的第一台“费城铲”投入铁路工程建设。然而遗憾的是，Otis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，Otis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Otis家族严格的专利保护，这种蒸汽铲未能大规模应用。William Otis死后，“费城铲”的生产陷于停顿，直至19世纪50年代以后，Otis家族才重新开始生产，但产量很少。 Otis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，在美国五大湖地区，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1/4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（约为中国三峡工程的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、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动力铲，1912年出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式动力铲，1916年出产了柴油发电机驱动的动力铲。 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。
当年参与巴拿马运河建设，仅存的一台Bucyrus50-B蒸汽铲，现存于科罗拉多州矿业博物馆，已有近百年历史。 世界主要电铲制造商 在近百年的电铲发展过程中，伴随着激烈的商业竞争，美国逐渐形成了几大采掘设备制造商，主要包括Bucyrus、Marion和哈尼施菲格。美国BUCYRUS（Bucyrus）国际公司创立于1880年，1882年推出第一台轨道型（非旋转式）蒸汽挖掘机。1893年时，公司总部由俄亥俄州Bucyrus迁至现在的威斯康星州南密尔沃基。1904-1914年间，共有77台Bucyrus制造的蒸汽铲参与了巴拿马运河建设。此后其陆续兼并了多家蒸汽铲公司。1927年，Bucyrus与伊利（Erie）蒸汽铲公司合并，公司改名为BUCYRUS-ERIE（简称B-E）。到1929年，Bucyrus已经生产了超过1万台挖掘机和起重机，成为世界最大的挖掘机械制造商之一。1930年，Bucyrus兼并英国Ruston Hornsby公司，并开始从蒸汽铲转向生产电铲。到1948年，Bucyrus产品已经超过7.4万台。1969年，Bucyrus制造出世界最大的4250W型步进式拉铲，这台庞然巨物重达12258吨，斗容量达到惊人的168.2立方米！1981年Bucyrus在395B型电铲上开始采用第一代交流供电系统。1996年更名为Bucyrus国际公司，1997年合并了世界第二大拉铲制造商——Marion（Marion）动力铲公司。 美国Marion（Marion）公司，起源于1884年成立的俄亥俄州Marion蒸汽挖掘机公司，后来发展为世界著名的采掘设备制造商。1903年，Marion制造的24台蒸汽铲参与了巴拿马运河建设。1911年，Marion研制出回转式长臂电铲，1931年参与修建胡佛水坝。1939年Marion研制出第一台迈步式拉铲，仅仅三年之后，就制造出当时最大的拉铲，成为大型煤炭剥离铲的重要厂家。1946年4月，公司更名为Marion动力铲公司，1955年收购奥斯古德蒸汽铲公司。1965年制造出迄今为止世界最大的电铲——Marion 6360。这台超级巨无霸重达13600吨，用于伊利诺伊州Captain露天矿，斗容量达到138立方米。 1963年3月，Marion接到美国国家航空和宇宙航行局（NASA ）的合同，为阿波罗登月计划中的土星5号巨型火箭制造2台“爬行者”搬运车。这是世界最大的履带式运输车，长41.2米、宽34.7米、高度6.1米，自重2722吨。运送土星5号时，最大总重8200吨，运送航天飞机时，重约7950吨（航天飞机+活动平台）。行走机构为4组共8条履带，每条履带长12.6米，宽2.3米。能以1.6公里的时速，缓慢地把航天器从测试厂房，运往5.5公里外的发射场。这两台机器至今仍然能正常工作。 1985年Marion推出M-301型44立方米电铲，用于匹配240短吨级矿用车；1995年升级为M-351型。1997年Marion被Bucyrus收购，工厂关闭，但保留品牌。从而结束了这两个重量级对手间长达113年的激烈竞争。通过对Marion的收购，Bucyrus将120多台正在运行的Marion拉铲，加入到自己的设备行列中，使Bucyrus获得了，大量与设计理念有关的技术数据，以及Marion的历史资料。1999年Bucyrus在Marion M-351型电铲基础上，推出595B型电铲，最大斗容量65.3立方米，工作重量1179吨。所有的595B型电铲都运行在加拿大Suncor Energy公司的油沙矿中。495系列是Bucyrus目前在产的最大电铲型号，包括495HD（高负载），495HF（高浮选）和495HR（硬质岩石）版本。其中495HF型电铲斗容量61.2立方米，工作重量1412吨。2000年时，Bucyrus曾推出795B型电铲的设计方案，铲斗容量68.8立方米，工作重量2041吨，但直至现在，该型号仍停留在图纸上。 美国P&H是世界领先的矿用采掘设备公司。1884年12月，亨利•哈尼施菲格和阿隆佐•珀林，在威斯康星州密尔沃基创建了P&H（Pawling & Harnischfeger）公司。1887年他们制造出第一台电动桥式起重机，成为世界最早的电动起重设备制造商之一。1903年P&H厂房毁于火灾，次年购地20亩建造新厂。一战爆发后，P&H开始生产采矿和建筑机械。他们开发出反铲挖掘机以及世界第一台汽油机做动力的拉铲。到1930年公司雇员数量已经增至1500人。二战爆发后，P&H得到进一步发展，他们生产的起重机、卷扬机、挖掘机，用于制造坦克、火炮、航母及建筑工程。并在密歇根州、伊利诺伊州、加州等地建设新厂。50年代后，P&H进军海外市场，与日本神钢、德国莱茵金属等企业，合作生产起重机和挖掘机。1956年P&H成为美国上市公司，1969年推出2800型电铲，斗容39.2立方米，工作重量1084吨，总功率3089千瓦。 70年代石油危机爆发，刺激了世界煤炭需求，P&H的采掘机械销售额猛增。1978年P&H推出5700型电铲，这是当时世界最大的双履带电铲。P&H 5700共制造了5台，第一台为LR型，最初安装的斗容量仅为19.4立方米，但臂长达到27米，工作重量1600吨。其在伊利诺伊州Captain矿工作了13年，1991年转移到西弗吉尼亚州Ruffner矿，并升级成HR（硬质岩石）型，换装了33.6立方米的铲斗和较短的主臂。第二台于1981年运往澳大利亚，其臂长21米，斗容46立方米，工作重量1667吨。第三台安装在驳船上，后沉入海中。另外两台也在澳大利亚，升级为5700XPA型，斗容量都超过了61立方米，工作重量1905吨，从而继续保持世界最大双履带电铲的地位。 1981年P&H矿用机械销售额达到6.46亿美元。但此时全球经济再次陷入萧条，P&H公司损失惨重，被迫进行业务重组。1986年P&H公司收购了贝洛伊特公司（Beloit），这是一家成立于1858年的纸浆和造纸机械制造商。这笔收购让P&H再次蓬勃发展，到1990年贝洛伊特销售额已经达到11亿美元。P&H的电铲业务也在恢复，1991年推出4100系列电铲，该系列是P&H公司目前在产的最大型电铲，已经升级为4100XPC型，整机重量1491吨，斗容量67.6立方米，总功率4979千瓦，可与172-363吨级矿用车配合作业。 乌拉尔重型机器厂（УЗТМ）建于1932年，是俄罗斯最大的重型机器厂。斯大林时期，苏联在西伯利亚的叶卡捷琳堡建起这座大型重机厂，蒋经国曾在该厂任分厂副厂长。1947年，乌拉尔重机厂制成СЭ-3型3立方米履带式电铲。1949年，乌拉尔重机厂推出臂长65米、斗容14立方米的步进式拉铲，用于伏尔加-顿河运河建设。1979年，建成臂长100米、斗容100立方米的拉铲，用于克拉斯诺亚尔斯克矿山。该机重达10300吨，输入电压10000伏，采用4台2500千瓦电机。1980年乌拉尔重机厂制成两台ЭКГ-20型20立方米电铲。1号铲用于涅柳恩格里露天煤矿。1996年推出ЭКГ-12型12立方米电铲。2006年制成25.9立方米迈步式电铲，用于蒙古国锡伯敖包煤矿。2007年，乌拉尔重机厂开始研制ЭКГ-18型18立方米电铲。目前，乌拉尔重型机械集团生产的矿用机械，主要包括10-20立方米电铲及11-100立方米的巨型拉铲。此外，俄罗斯重型机械联合公司（OMZ）矿山设备技术公司，能够生产斗容量在20立方米以下的EKG系列电铲。 总体来看，目前美国P&H公司在矿用电铲领域的市场占有率居世界第一位。其产品采用齿轮齿条式推压方式，设备的挖掘力大、满斗系数大、挖掘性能稳定、易损件使用寿命长。但相对于其机械结构部分的先进性，其电气及控制系统由于多年来一直采用可控硅供电和直流电动机系统，已经落后于交流变频电机及其控制系统。Bucyrus采用钢绳推压方式，斗杆采用圆形截面的高强度免扭结构，新近开发的产品，电气系统采用了先进的交流变频及其控制系统，整机使用寿命长，维护方便，设备出动率高。俄罗斯电铲以中小型为主，易损件寿命和电控系统性能有待改进。
这就是世界最大的电铲——Marion 6360的履带，共有四组，每组两条，每条履带长13.7米，高4.9米。可以想象整台机器的庞大。 历史上曾经出现的超级电铲 机械制造商之间激烈的商业竞争，促使上世纪50-70年代的美国电铲“巨臂挥舞、纵横矿山”。Marion和Bucyrus这两大矿用机械巨头，为了显示各自的技术实力，竞相打造出一些“世界之最”级的巨型电铲。即使到了今天，各企业在产的型号和这些超级巨无霸相比也是相形见绌（尺寸/重量/性能等方面）。 “MARION Mountaineer”就是其中的一位。它是Marion公司制造的第一台超级电铲，制造时间为1955-1956年，属于5760系列产品。用户为美国Consolidated煤炭公司Hanna分部。怎样来描述这样一台机器呢？它有16层楼那么高，重达2497吨，吊臂长度46米，挥动着一个50立方米的巨型铲斗，一次能掘起100吨的土石方，并且能将它们卸倒于一个足球场之外的料堆上。它的行走机构为4组8条履带，机器上共有4台提升马达、2台行走马达和4台回转马达。Mountaineer从1956年投入运行直至1979年，共工作了23年，最后于1988年在俄亥俄州St. Clairsville报废拆解。 60年代初，Bucyrus公司推出两台3850B型电铲，都归美国皮博迪（Peabody）煤炭公司所有。皮博迪创建于1883年，1955年与世界第三大煤炭公司—辛克雷尔公司合并，成为世界最大的煤炭生产商。第一台3850B型电铲于1962年建成，由皮博迪买下用于其在肯塔基州西部的Sinclair露天矿，绰号“Big Hog”。其铲斗容量为88立方米，主臂长度64米，总高度67米，工作重量8165吨，总功率达到12180马力（8950千瓦），输入电压为7200伏，每个工作循环为1分钟。它的主要任务是剥离煤矿的覆盖层，凭借惊人的性能，每天能挖掉76460立方米的土石方，年挖掘量高达2753万立方米。“Big Hog”是当时世界最大的挖掘机，其规模是同类产品的4倍，Bucyrus动用了300台运输车辆，将其零件从工厂运到矿山，组装工作进行了11个月。它的底盘是4组8条履带组成的行走机构，全机共装有52台电机，功率从0.25到3000马力不等，电力消耗非常惊人。它一直工作到1985年“寿终正寝”，部件保留下来，作为其兄弟机型“River King”的备用件。 第二台3850B型电铲于1964年问世，它有一个响亮的名字——River King（意为“河王”）。皮博迪将其用在伊利诺伊州南部的River King露天矿。这只巨兽挥动着一个斗杆长61米、容量为107立方米的铲斗，空心斗杆直径为2.14米，一斗可以挖起200多吨重的土石方。工作重量达到8482吨，并且在它上面还为操作人员配有厨房等生活设施。它的操作速度非常快，0-40km/h的回转加速度为8秒，再减速到静止用时4秒。一天的挖掘量能装满1700节火车，排列起来足有25公里。它每年的挖掘量能达到2753万立方米，相当于挖了一条6.1米宽，1.5米深，从芝加哥到旧金山的沟槽，这两座城市的距离是3000公里！River King在1992年停止了运行，1993年报废拆解。其运行期间在矿区为自己挖了30多公里长的行走道路，共移走土石558922600立方米，相当于挖了两条巴拿马运河！River King可以说是代表了Bucyrus的最高成就之一，并且其产品线中至今也没有出其右者（尺寸/重量/性能）。但是由于Marion 6360的出现，它只能屈居世界第二大电铲的位置了。 Marion 6360是Marion公司于1965年制造的巨型电铲，在美国西南伊利诺伊煤炭公司的Captain露天矿中，用于剥离矿区覆盖层。这台巨无霸的重量超过13600吨，当时的建造费用超过1500万美元，组装它花了约两年时间。除去吊臂后，主机房宽度39.9米，高度64.5米，面积相当于三个篮球场，高度相当于22层楼。其行走装置为4组8条履带，每条履带长13.7米，高4.9米，相当于一辆双层巴士。总功率高达21300马力（15655千瓦），使用7000V的高压电。吊臂长度70.5米，铲斗容量138立方米，足以装下六台家用轿车；最大挖掘高度67.2米，年理论挖掘量4130万立方米。这是迄今为止世界最大的单斗电铲。不幸的是，这台超级电铲在1991年毁于一场大火，花费了220万美元仍未能修复，最终于1992年拆解。在其一生中，共挖掘了620000000立方米的土石方，足够修筑三条万里长城！ Marion 5960是Marion公司生产的第二大剥离电铲，1969年建成，仅此一台。皮博迪煤炭公司买下后，用于肯塔基州的River Queen露天矿，绰号“Big Digger”。5960使用了Marion公司具有专利的肘动式铲斗推压机构。工作重量为8471吨，吊臂长度66米，斗杆长度（带铲斗）40米，铲斗容量96立方米。仅在1982年就挖掘了2563万立方米的土石方。在运行了近20年之后，于1989年报废拆解。其铲斗容量排名世界第4位，整机重量排名世界第3位，只比第2名River King少了11吨。 Bucyrus 1950B型电铲共建造了2台。第一台名为“Silver Spade”，于1965年建成，工作重量6350吨，输入电压7200V，总功率13700马力（10070千瓦）。吊臂长61米，铲斗容量80立方米，采用Marion的肘动式铲斗推进机构，通过4个直径1.27米的液压缸进行控制，且整个操作只需两个手动杆和两个踏板。4条直径约7厘米的主缆绳，总长度为914米，最大挖掘高度为42米。行走装置是8条长10.36米、高2.44米的履带，每小时行走距离为400米。Silver Spade于2006年4月退役，并计划拆解后将一些零部件放入展馆。第二台1950B型电铲于1967年建成，名为GEM，一直运行至1988年。1989年开始拆解，大部分零件作为废铁处理，少量作为Silver Spade的配件。它与Silver Spade相比，臂长要短些，只有52米；但斗容更大，达到99立方米，其它方面基本一样。 Bucyrus 1850B型电铲，用于堪萨斯州西露天矿，名字为“BIG BRUTUS”，工作重量为4990吨，1962年建成时造价为650万美元。它用7200V高压电驱动，最大工作电流1200A，有2台3550马力的主电机，还有8台508马力的举升电机，通过4个液压缸来控制铲斗，总功率达到11165马力（8200千瓦）。它需要3人操作，吊臂长度46米，铲斗容量69立方米。行走机构为4组8条履带，每小时行走距离为354米。目前BIG BRUTUS已经成了堪萨斯州一个矿山设备展馆的景点，可供游人登上进行参观。比起其他报废拆解的超级电铲，它幸运得多。 |
