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挖掘机史话之一:从达芬奇密码到蒸汽时代

来源:原创    作者:zhangmin    

点击次数:      2017-03-17 09:57:05
导语:在工业革命之前,人类的各种活动都受制于动力,一些稍大的工程都要消耗大量的人力、畜力和时间。虽然有人设计了复杂的机械装置来试图取代手工劳动,但缺乏有效的动力使其难以发挥作用。直到蒸汽机被发明出来并得到改进,人类进入机器时代,才打开了一扇大规模改造自然的大门。  达芬奇就曾设计过不少挖掘土方的机器,这是稍晚于他的威尼斯人设计的草图  随着蒸汽机逐渐普及,英国人斯蒂芬森于1814年发明了蒸汽机车,到18

在工业革命之前,人类的各种活动都受制于动力,一些稍大的工程都要消耗大量的人力、畜力和时间。虽然有人设计了复杂的机械装置来试图取代手工劳动,但缺乏有效的动力使其难以发挥作用。直到蒸汽机被发明出来并得到改进,人类进入机器时代,才打开了一扇大规模改造自然的大门。

  达芬奇就曾设计过不少挖掘土方的机器,这是稍晚于他的威尼斯人设计的草图

  随着蒸汽机逐渐普及,英国人斯蒂芬森于1814年发明了蒸汽机车,到1825年,世界上第一条铁路在英国通车。此后,铁路迅速风靡了欧洲各国,大洋彼岸的美国也在1830年有了第一条铁路。不过美国的人力资源不像欧洲那样丰富,特别是在北方,没有黑奴可用。即使在南方,黑奴也多用在更赚钱的棉花种植园里。因此美国比欧洲更迫切需求一种能够代替人力进行铁路建设的机器。

  挖掘机正是在有需求,同时技术上也能实现的背景下应运而生的。1835年,美国费城的铁路工程承包商威廉▪奥的斯(与奥的斯电梯的创始人同一家族)结合工作实际,发明了最早的挖掘机——蒸汽铲,用来修建铁路,并在4年后正式获得专利。

  奥的斯蒸汽铲的设计灵感明显来自于起重机,虽然当时现代意义上的起重机与奥的斯的挖掘机几乎同时起步,但起重机的基本原理早在古希腊时期就出现了,倾斜的臂与绷绳组成支架,通过绳索和滑轮(组)来提升重物。但蒸汽铲的动作比简易起重装置要复杂得多,要挖掘土壤需要一个铲斗,铲斗不仅要能够提升,还需要一定的支撑,以及能够伸缩,这样才能切入土壤或退出。另外还要考虑如何卸掉土石以及回转。

混凝土泵车,小型混凝土泵车

  天才的奥的斯设计了底部可以开启的桶形铲斗和连接铲斗的斗杆,斗杆通过鞍式轴承支承在动臂中央的位置,可以绕其转动,并利用齿轮齿条进行伸缩。动臂顶端有滑轮,与铲斗上方的滑轮一起组成滑轮组,使用铁链来提升或放低铲斗。倾斜的动臂与一根垂直的桅杆以及一根近似水平方向的拉杆构成一个三角架并可绕桅杆左右旋转一定角度。

  奥的斯蒸汽铲的工作装置由一台蒸汽机驱动,包括锅炉、水管、汽缸、活塞、连杆、飞轮等机构。传动方面,蒸汽机通过齿轮传动驱动提升卷扬机,控制铁链的收放,进而实现铲斗的升降,而通过离合器接合推压卷扬机,则可以用铁链控制推压齿轮的旋转,实现斗杆伸缩。另外有些动作需要人力,回转靠人力拉动绳索控制桅杆顶部的转盘实现回转,另外铲斗底部的斗门闩也需要人力进行操作。

  工作装置以及蒸汽机都安装在一辆四轮铁路平车上,不能自主行走,可以在轨道上由人力或畜力推动,工作时垫上轮挡。通过不断挖走前进方向及两侧的土石,并不断延伸铁轨,就能实现铁路的快速建设。由于非常适合铁路工程建设,人们也称之为铁路铲。

  无疑,奥的斯蒸汽铲是一项伟大的发明,在那个年代,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。它首次实现了用机器来挖掘土石,设计非常成功,在工作装置和传动的部分,基本形式一直沿用到现在。

  1837年,第一台奥的斯蒸汽铲“费城”号投入铁路工程的工作,然而遗憾的是奥的斯没等改进自己的设计便在1839年英年早逝,年仅26岁,令人扼腕。由于多方面的因素,奥的斯死后,蒸汽铲的发展陷于停顿,直到20多年后奥的斯遗孀的丈夫查普曼获得专利后才开始重新生产,但产量很少。奥的斯的专利过期后,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,也就是在19世纪70年代以后,蒸汽铲才进入黄金发展期,并不断得到改进。


标签:  机械视角
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