Siirry pääsisältöönSiirry hakuun
Siirry sivupalkkiinSiirry alaosaan

Ensimmäinen kaivinkone rakennettiin lähes 200 vuotta sitten – samalla periaatteella toimivia kiinteän alustan kaivinkoneita tehtiin 70 vuotta

Ensimmäinen kaivinkone rakennettiin lähes 200 vuotta sitten. Alkuaikoina sitä kutsuttiin konelapioksi lähinnä siksi, että keksijän ajatuksena oli ollut rakentaa mekaaninen lapio, joka tekisi sadan lapiomiehen työn.
Otisin ensimmäisestä kaivinkoneesta ei ole säilynyt yhtään alkuperäistä kuvaa tai piirrosta, mutta vuonna 1841 tehdyssä piirroksessa esitetyn koneen katsotaan kuvaavan suhteellisen tarkasti Otisin kaivinkoneen kolmatta versiota. Koneen alusta on tehty puusta ja höyrykattila on alustan takaosassa. Puusta on valmistettu myös kolmionmuotoinen nostopuomi. Se kääntyy sivusuunnassa  180 astetta valurautaisen keskipylvään varassa. Kääntämistä varten nostopuomin yläpäässä on puolikaaret, joihin kääntörummulta tulevat ketjut on kiinnitetty. 1,1 kuution kauha on kiinni varressa, jota voi ketjukoneiston avulla liikuttaa koneesta poispäin ja takaisin. Tätä varten on nostopuomissa ollut pieni höyrykone. Alkuperäisestä piirroksesta oli jätetty pois muun muassa tämä höyrykone sekä koneen takaosassa sijainnut höyrykattilan vesisäiliö ja koneistoa suojannut katos. Oheinen kuva on tehty vuoden 1841 piirroksen pohjalta.
Otisin ensimmäisestä kaivinkoneesta ei ole säilynyt yhtään alkuperäistä kuvaa tai piirrosta, mutta vuonna 1841 tehdyssä piirroksessa esitetyn koneen katsotaan kuvaavan suhteellisen tarkasti Otisin kaivinkoneen kolmatta versiota. Koneen alusta on tehty puusta ja höyrykattila on alustan takaosassa. Puusta on valmistettu myös kolmionmuotoinen nostopuomi. Se kääntyy sivusuunnassa 180 astetta valurautaisen keskipylvään varassa. Kääntämistä varten nostopuomin yläpäässä on puolikaaret, joihin kääntörummulta tulevat ketjut on kiinnitetty. 1,1 kuution kauha on kiinni varressa, jota voi ketjukoneiston avulla liikuttaa koneesta poispäin ja takaisin. Tätä varten on nostopuomissa ollut pieni höyrykone. Alkuperäisestä piirroksesta oli jätetty pois muun muassa tämä höyrykone sekä koneen takaosassa sijainnut höyrykattilan vesisäiliö ja koneistoa suojannut katos. Oheinen kuva on tehty vuoden 1841 piirroksen pohjalta. Kuva: Tuntematon

Koneellisesti tapahtuvasta kaivamisesta oli haaveiltu jo satojen vuosien ajan. Kaivinkoneen keksiminen olisi mahdollistanut kanavien ja satamien rakentamisajan lyhenemisen muutamiin vuosiin aiemmin totutusta, usein kymmenistä vuosista.

Itse asiassa koneelliselle lapiolle oli mietitty useita erilaisia periaatteita jo 1400-luvulta alkaen. Niillä kaikilla oli yhteinen ongelma: keksinnöstä puuttui voima, joka olisi kyennyt liikuttamaan kauhaa.

Höyrykoneen keksiminen antoi lopulta mahdollisuuden rakentaa liikkuvia koneita, joissa voima syntyy kiehuttamalla vettä. Tämä ei kuitenkaan johtanut välittömästi kaivinkoneen syntymiseen. Ensimmäisenä höyrykone valjastettiin liikuttamaan laivoja ja junia ja pyörittämään tehtaiden koneita.

Otisin kaivinkone:

William Otisin suunnittelema kaivinkone oli ensimmäinen kone, joka pystyi liikuttamaan varteen kiinnitettyä kauhaa kolmiulotteisesti ja täyttämään sen maalla. Tätä varhaisemmat kaivulaitteet olivat perustuneet kehikossa kiertävään ketjuun, johon oli kiinnitetty useita pieniä kauhoja.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
William S. Otis syntyi 1813 postimestarin perheeseen Pelhamissa Massachusettsissa. Hänen sukunimensä on tullut myöhemmin kuuluisaksi, koska hänen serkkunsa Elisha Otis keksi putoamisturvallisen hissin, jota voitiin käyttää henkilöhissinä. Molempien esi-isä oli Englannista vuonna 1631 Massachusettsiin muuttanut John Otis. Näin ainakin kaksi John Otisin jälkeläistä teki merkittäviä keksintöjä.
William S. Otis syntyi 1813 postimestarin perheeseen Pelhamissa Massachusettsissa. Hänen sukunimensä on tullut myöhemmin kuuluisaksi, koska hänen serkkunsa Elisha Otis keksi putoamisturvallisen hissin, jota voitiin käyttää henkilöhissinä. Molempien esi-isä oli Englannista vuonna 1631 Massachusettsiin muuttanut John Otis. Näin ainakin kaksi John Otisin jälkeläistä teki merkittäviä keksintöjä. Kuva: National Portrait Gallery

Rautateitä tarvittiin ja rakennettiin

Rautatiet osaltaan jopa vähensivät tarvetta suuriin kaivutöihin, sillä radan rakentaminen vaati yleensä paljon pienempiä maansiirtotöitä kuin kanavan rakentaminen. Se osaltaan teki rautateistä ylivoimaisen liikennemuodon maalla.

Toki rautatietkin vaativat maaleikkauksia sekä pengerryksiä. Niitä tehtiin miesvoimalla lapioimalla hakkujen ja kankien avustuksella, mikä hidasti merkittävästi uuden rautatien valmistumista.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Amerikassa rautatiet olivat yksityiseen rahaan perustuvaa liiketoimintaa. Uuden ratayhteyden rakentaminen vaati tavallisesti sijoittajaryhmän, jonka rahoilla työt voitiin tehdä. Sijoittajan kannalta radan nopea valmistuminen oli tärkeää, sillä tuottoja saattoi odottaa vasta, kun liikenne saatiin käyntiin.

Uusi aika alkaa

Kaivinkoneen kehtykseen liittyy vahvasti William S. Otis, joka syntyi vuonna 1813 postimestarin perheeseen Massachusetin osavaltiossa. Sukunimen yhtäläisyys tunnettuun hissivalmistajaan ei ole sattumaa. Ensimmäisen varmistetun henkilöhissin vuonna 1854 keksinyt Elisha Otis oli William Otisin serkku.

Otis pääsi vuonna 1833, vasta 20-vuotiaana nuorukaisena, mukaan urakointiyritykseen, joka toimi rautatienrakennustyömaalla Massachusetin osavaltiossa. Hän tiettävästi menestyi työssään hyvin. Sen lisäksi Otis avioitui parin vuoden päästä yrityksen omistajan Daniel Carmichaelin sisaren kanssa ja hänestä tuli pian myös yhtiön osakas.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Ratatyömaalla Otis oli nähnyt lapiokaivuun hitauden. Ratatyömaiden ainoita koneita olivat kolmijalkaiset nosturit, joilla nostettiin isokokoisia kiviä kallioleikkauksista. Voimalaitteena näissä nostureissa oli pienikokoinen höyrykattila yksisylinterisellä höyrykoneella.

Otis mietti mahdollisuutta yhdistää tämäntyyppiseen nosturiin suurikokoinen lapio (tai bucket eli kauha, kuten sitä myös kutsuttiin), joka täyttyisi nosturin vetäessä sitä maaleikkauksen rintausta pitkin. Näin toteutuisi koneellisesti samanlainen liike, jonka lapiomies tekee täyttäessään lapion maalla.

Otisin kaivinkoneen toimintaperiaate tulee esiin tässä vuonna 1894 julkaistussa kaivinkoneita ja kaivinkonetekniikkaa käsitelleen kirjan kuvassa. Höyrykattila (1) ja kattilan tarvitsema vesisäiliö oli sijoitettu kiskoilla liikkuvan alustan takaosaan. Kaivinkoneen päähöyrykone (2) oli heti kattilan edessä. Tämän höyrykoneen pyörittämältä pääakselilta otettiin voima puomin sivukäännön rummulle (3), kauhan nostoketjun rummulle (4) ja ketjuvälitykselle, jonka avulla kone liikkui kiskoilla. Koneen toinen kuljettaja ohjasi näitä toimintoja seisoen koneen etuosassa (5). Toinen kuljettaja seisoi puomin sivulla olevalla tasanteella (6) ja käytti kauhanvartta eteen-taakse liikuttavaa koneistoa sekä kauhan tyhjennysluukun laukaisunarua. Pistokaivinkoneen kauhan liike alkaa, kun kauha edellisen kauhallisen tyhjennyksen jälkeen päästetään putoamaan alaspäin painovoiman vaikutuksesta. Liikkeen vauhti saa kauhan heilahtamaan niin paljon taaksepäin (A), että sen tyhjennysluukku menee kiinni. Kuljettaja ohjaa kauhanvarren liikuttelukoneistolla kauhan sopivalle korkeudelle (B), mistä kauha lähtee haukkaamaan maata. Kuljettaja käyttää kauhan pistoliikettä tarvittavan määrän (C), jotta kauha tulee täyteen. Lastaus kaivannon sivulle rakennetulla radalla olleisiin vaunuihin edellytti puomin kääntämisen vähintään 90 astetta koneen sivulle.
Otisin kaivinkoneen toimintaperiaate tulee esiin tässä vuonna 1894 julkaistussa kaivinkoneita ja kaivinkonetekniikkaa käsitelleen kirjan kuvassa. Höyrykattila (1) ja kattilan tarvitsema vesisäiliö oli sijoitettu kiskoilla liikkuvan alustan takaosaan. Kaivinkoneen päähöyrykone (2) oli heti kattilan edessä. Tämän höyrykoneen pyörittämältä pääakselilta otettiin voima puomin sivukäännön rummulle (3), kauhan nostoketjun rummulle (4) ja ketjuvälitykselle, jonka avulla kone liikkui kiskoilla. Koneen toinen kuljettaja ohjasi näitä toimintoja seisoen koneen etuosassa (5). Toinen kuljettaja seisoi puomin sivulla olevalla tasanteella (6) ja käytti kauhanvartta eteen-taakse liikuttavaa koneistoa sekä kauhan tyhjennysluukun laukaisunarua. Pistokaivinkoneen kauhan liike alkaa, kun kauha edellisen kauhallisen tyhjennyksen jälkeen päästetään putoamaan alaspäin painovoiman vaikutuksesta. Liikkeen vauhti saa kauhan heilahtamaan niin paljon taaksepäin (A), että sen tyhjennysluukku menee kiinni. Kuljettaja ohjaa kauhanvarren liikuttelukoneistolla kauhan sopivalle korkeudelle (B), mistä kauha lähtee haukkaamaan maata. Kuljettaja käyttää kauhan pistoliikettä tarvittavan määrän (C), jotta kauha tulee täyteen. Lastaus kaivannon sivulle rakennetulla radalla olleisiin vaunuihin edellytti puomin kääntämisen vähintään 90 astetta koneen sivulle. Kuva: Steam Shovels and Steam Shovel Work

Ensimmäinen höyrylapio

Ensimmäinen versio tällä tavoin toteutetusta höyrylapiosta valmistui luultavasti vuonna 1835. Siinä nosturin höyrykoneen käyttämä vinssi nosti ylöspäin kauhaa, joka oli kiinnitetty varteen, joka puolestaan oli nivelöity kolmijalkanosturin nostopuomiin. Höyrykone hoiti myös nostopuomin kääntämisen sivusuunnassa. Epäselvää on, oliko jo tässä vaiheessa puomissa toinen höyrykone, jonka avulla vartta, johon kauha oli kiinnitettynä, pystyi liikuttamaan puomista ulospäin ja takaisin.

MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY
MAINOS (teksti jatkuu alla)
MAINOS PÄÄTTYY

Myöhemmissä versioissa tämä kauhan syöttötoiminto oli varmuudella mukana. Otisin ensimmäiseen koneeseen liittyvät patenttihakemuksen asiakirjat ovat tuhoutuneet patenttitoimiston tulipalossa, joten koneiston yksityiskohdista on vain arvailuja.

Otisin kaivinkone toimi siinä määrin hyvin, että hän sai pian kumppanikseen erilaisia höyrykäyttöisiä koneita valmistaneen philadelphialaisen konepajan omistajan Joseph Harrisonin, jonka tuella ja osaamisella kaivinkonetta pystyttiin kehittämään edelleen.

Ensimmäiset kaksi Philadelphiassa tehtyä kaivinkonetta valmistuivat 1836 ja -37. Koneiden omistajaksi tuli Daniel Carmichael, joka käytti niitä useissa suurissa rakennusprojekteissa mahdollisesti jopa 50 vuoden ajan.

Kaikkiaan Joseph Harrisonin konepajan tiedetään valmistaneen seitsemän kaivinkonetta. Niistä USA:han ei jäänyt kuin kaksi, sillä viisi muuta myytiin Venäjän valtiolle. Eräät keisarikunnan hallinnon edustajat olivat 1839 nähneet kaivinkoneet vieraillessaan Amerikassa.

Tähän aikaan oli Venäjällä aloitettu suunnittelemaan Pietari–Moskova-radan rakentamista, ja näiden uusien koneiden arveltiin edesauttavan tärkeän hankkeen toteutumista. Koneet laivattiin Ranskan kautta Venäjälle vuosina 1842–43.

Ensimmäiset Suomeen tulleet kaivinkoneet olivat amerikkalaisen Bucyruksen valmistamia ja ne noudattivat hyvin tarkkaan Otisin koneen perusperiaatteita. Näissä koneissa ei ollut vielä ympäripyörivää ylävaunua – vain puomi kääntyi traktorikaivurin tapaan molemmille sivuille. Ensimmäiset koneet oli ostanut Tie- ja vesirakennusten Ylihallitus ja niitä käytettiin sekä maaleikkausten tekoon ratalinjalla että soravaunujen lastaukseen soranottopaikoilla.
Ensimmäiset Suomeen tulleet kaivinkoneet olivat amerikkalaisen Bucyruksen valmistamia ja ne noudattivat hyvin tarkkaan Otisin koneen perusperiaatteita. Näissä koneissa ei ollut vielä ympäripyörivää ylävaunua – vain puomi kääntyi traktorikaivurin tapaan molemmille sivuille. Ensimmäiset koneet oli ostanut Tie- ja vesirakennusten Ylihallitus ja niitä käytettiin sekä maaleikkausten tekoon ratalinjalla että soravaunujen lastaukseen soranottopaikoilla. Kuva: Tuntematon
Puomin sivuun oli asetettu lava, jossa kauhaohjaaja käytti kauhan pistoliikkeen mahdollistavaa pientä höyrykonetta ja laukaisi kauhan tyhjennysluukun vetämällä narusta.
Puomin sivuun oli asetettu lava, jossa kauhaohjaaja käytti kauhan pistoliikkeen mahdollistavaa pientä höyrykonetta ja laukaisi kauhan tyhjennysluukun vetämällä narusta. Kuva: Tuntematon

Onnistunut ja toimiva rakenne

Otisin periaatteella toimivia kiinteän alustan kaivinkoneita tehtiin 70 vuotta. Viimeiset höyrykäyttöiset tämän periaatteen koneet valmistuivat viime vuosisadan toisella vuosikymmenellä.

Tästä eteenpäin kaivinkoneissa ryhdyttiin käyttämään ympäripyöriviä ylävaunuja, mutta senkin jälkeen kaikkien vaijereilla toimivien pistokauhakaivinkoneiden kauhan toiminta on pysynyt juuri sellaisena kuin William Otis sen suunnitteli.

Nykyisin pistokauhakoneita valmistetaan enää vain kaivoskäyttöön usean sadan tonnin kokoluokissa. Suuressa mittakaavassa pistokauhaperiaatteen energiasäästöllä ja lastausnopeudella on suuri merkitys eikä koneen kaivutoimintojen rajoittuneisuus haittaa, sillä niillä ei ole tarpeen tehdä mitään muuta kuin rintauksen kaivua.

Keksijän kohtalo

Otisin patenttihakemus hyväksyttiin ja se tuli voimaan helmikuussa 1839. Vain muutama kuukausi tämän jälkeen hän sairastui lavantautiin, johon hän kuoli 26-vuotiaana. Daniel Carmichael anoi patentin jatkamista seitsemällä vuodella Otisin lesken nimissä ja hän myös jatkoi koneiden edelleen kehittämistä niiden ollessa käytössä hänen yrityksessään.

Kaivinkoneet alkoivat yleistyä nopeasti, kun Bucyrus Foundry and Manufacturing Company sekä Marion Steam Shovel Company aloittivat kaivinkoneiden laajamittaisen sarjavalmistuksen 1880-luvulla.

Kuvat: National Portrait Gallery, Hermann: Steam Shovels and Steam Shovel Work, 1894