Van stoom tot slim: De evolutie van hydrauliek in bouwmachines

Moderne mobiele machines zijn aanzienlijk veranderd. Hier is een blik op hoe de hydrauliek in bouwmachines de afgelopen paar honderd jaar is geëvolueerd.

Door Josh Cosford, Contributing Editor

Op een weg bij mijn huis bestaat een handgelegde steenheining, misschien 1,2 m hoog en honderd keer zo lang. Gemaakt uit lokaal gewonnen stenen ongeveer een eeuw geleden, rij ik er langs in ontzag terwijl ik me de fysieke en tijdsmiddelen voorstel die in de constructie zaten. De machines om te graven, te transporteren en zwaar materiaal te leggen waren ongebruikelijk in de 1800's, dus ik kan niet redeneren dat het met iets anders dan veel sterke handen is gebouwd.

De bouwindustrie is zo oud als de landbouw, en naarmate maatschappelijke behoeften groeiden, groeide ook de vereiste voor verbeteringen in de bouw. De industriële revolutie liet onze capaciteit om gebouwen en infrastructuur te bouwen exponentieel groeien. Lichte en matige bouwtechnieken bouwden onze huizen en kantoren, terwijl zware en intense bouw de fabrieken en de wegen daarheen maakte. De handgelegde steenheining was duidelijk een licht bouwproject, maar het is de zware en intense bouw zo goed geschikt voor hydraulische aandrijving die belangrijk is geweest voor de beschaving.

Moderne bouw verzamelt stoom

Een vintage stoomgraafmachine, gebruikt in de bouw van spoorlijnen. Afbeelding met toestemming van istockphoto.com

Stoomkracht is een vorm van vloeistofkrachtenergieoverdracht, maar in plaats van geperst lucht of hydraulische vloeistof, wordt warmte-energie aan water toegevoegd totdat het in zijn gasvormige vorm overgaat. Deze transformatie creëert druk toen het gasvolume toeneemt, wat in actuatoren werd vastgelegd om grote machines aan te drijven. Deze technologie verzamelde stoom, als het ware, in de vroege 19e eeuw, maar records tonen aan dat al in 1796 een stoomgedreven baggermachine werd gebruikt om de bodems van waterlopen in Engeland te ontdooien.

In 1835 paste William Otis, neef van de Amerikaanse industrieel Elisha Otis van liftroem, stoomenergie toe om een single-bucket landgraafmachine te creëren. Geaccepteerd als de eerste zelf-aangedreven, land-gebaseerde machine voor zware bouw, revolusionerde het de bouw van spoorlijnen. Deze gepatenteerde machine kon 300 yd³ per dag verplaatsen, waar twee mannen en een kraanwagen deze taak een fortnight lang zouden uittrekken.

Ongeveer vijftig jaar later bouwde Sir W. G. Armstrong de eerste graafmachine met hydrauliek, gebruikt in de bouw van dokken. Het was stoomgedreven, maar gebruikte ook kabels met slechts hydraulische actuatie op één functie. Een semi-interessant bijzonderheid: Armstrong's bedrijf fuseerde uiteindelijk met Vickers Limited, maar teleurstellend genoeg kon ik na veel onderzoek geen link vinden met de Vickers van hydrauliek roem. Ongeacht, Armstrong's machine werkte niet goed en liet de deur open voor anderen. De eerste machine die alleen stoomgedreven hydraulische actuatoren gebruikte zonder hulp van wielen en kabels, was de Kilgore 2-1/2 Yard Steam Railway Shovel. Deze machine was productief, maar zoals de Armstrong-machine, was het beperkt tot spoorlijnconstructie.

Een moderne standaard creëren
Het zou bijna nog een eeuw duren voordat graafmachines eruitzagen en functioneerden zoals ze vandaag doen. Voor het grootste deel van deze span bleven graafmachines kabelbediend of een soort stoom, mechanisch, kabel en hydraulisch hybride. Demag (nu Komatsu) creëerde de eerste 360°, volledig hydraulische, rups-aangedreven graafmachine zoals we die vandaag kennen. De 1954 Hydraulikbagger, Figuur 1, werd aangedreven door een 42-pk, 3-cilinder diesel en was capabel van 4 km/u terwijl het ongeveer een halve yard materiaal droeg. Het was compact, efficiënt, wendbaar en productief, met name voor lichte en matige bouwprojecten.

De 1954 Hydraulikbagger, was een compacte machine ideaal voor lichte en matige bouwprojecten. Afbeelding met toestemming van ASCE Library

Zo effectief was de B504 dat zijn constructiekenmerken nu standaard zijn voor de industrie. Eenmaal graafmachines volledig hydraulische operatie gekregen hadden, was bouwapparatuur capabel van nut en productiviteit die eerder niet mogelijk was. Decennia eerder zou de Ford Model T's dominantie de weg banen (ja, ik ging erheen) voor de ontwikkeling van interstate highways. De B504 was perfect getimed omdat de ontwikkeling van Eisenhower's Interstate Highway System kort daarna begon. Ik beweren niet dat de evenementen gerelateerd waren, maar hun timing zorgde ervoor dat de bouwindustrie in Amerika zou expanderen als nooit tevoren.

Mobiele bouwapparatuur nam vorm aan vanwege de inherent voordelen van hydrauliek; vermogendichtheid, controleerbaarheid en betrouwbaarheid. Stap één voor hydraulische machines was alles betrouwbaar en efficiënt laten werken, maar omdat bouw een competitieve, lage-marge industrie is, gingen vooruitgang snel en hard. Productiviteit werd gejaagd, wat de puzzelstukken van kracht, controle en betrouwbaarheid op hun plaats liet vallen.

Vroegere machines waren matige druk open lus, bestaande uit meestal tandwiel- en schuifpompen die 1.000-2.500 psi draaiden. Zelfs in de jaren '60 toen hydraulische graafmachines hun kabelbediende tegenhangers domineerden, was de technologische vooruitgang langzaam. OEM's zagen de voordelen die hydrauliek bood, dus pasten ze de technologie toe op laders, schrapers en bulldozers, wat ze krachtig en effectief maakte. Maar in de jaren '60 was de bewerkingstechnologie niet in staat om de nauwe tolerenties te leveren die nodig waren voor hoge-druk pompen, kleppen en actuatoren.

Hogere drukken, gesophisticeerde controles
Naarmate toegepaste kennis vorderde, realiseerden fabrikanten dat hoge druk de sleutel was tot productiviteit — en met "hoge druk" bedoel ik 3.000 psi. Zuigerpompen kunnen hoge druk met efficiëntie produceren, maar ze moesten strakkere play en verschillende uitdijingscoëfficiënten meesteren. Vroegere variabele verplaatsing zuigerpompen gebruikten een schuine schijf met hefbediening om stroom te controleren, biedend een efficiënt snelheidscontrole alternatief voor meteringskleppen, die energie verspildden.

De jaren '70 kunnen beschouwd worden als het decennium van hydraulische creativiteit. Om controle en productiviteit te verhogen, vonden ingenieurs slimme manieren om hydrauliek te controleren. De eerste hydrostatische aandrijvingen werden beheerst en toegepast op laders, wat hen in staat stelde snel en soepel te schakelen tussen vooruit en achteruit beweging. Caterpillar had de drukgecompenseerde axiale zuigerpump gepatenteerd, en koppelbegrenzing werd ook in het decennium van disco ontwikkeld.

Koppelbegrenzing (ook wel paardenkrachtcontrole genoemd) is een methode om stroom automatisch te beperken omgekeerd evenredig aan druk. Als druk stijgt, daalt stroom, en wanneer druk daalt, neemt stroom toe. Deze methode gaf het beste van twee werelden, waardoor een graafmachine zich gedroeg alsof de primemover twee keer de nominal paardenkracht was. De zwenk, boom, arm en emmer functies konden allemaal snel bewegen zonder lading, maar dan zou de pomp stroom afsnijden als druk stijgt, de kracht leverend die nodig is voor zwaar werk.

In de jaren '80 was kabeloperatie bijna uitgeleden in de bouwindustrie. Zo effectief was hydrauliek, dat zelfs de besturingsfuncties hydraulisch pilot-geoperteerd waren, wat een oudere technologie was. De remmen, de sturing en de machinefuncties konden vanuit de cabin gewerkt worden met pilootkleppen. Probeer je tiener uit te leggen dat een joystick ooit olie doorheen had, en de afstand en kracht waarmee de joystick bewogen werd, vloeistof duwde bij de spoelen van de richtingsbesturingskleppen met dezelfde inspanning.

De komst van load sensing
Echter, de proliferatie van load sensing technologie in de jaren '80 vrijmaakte paardenkracht, en in combinatie met verbeterende bewerkingstolerenties, steeg druk (en dus vermogendichtheid) snel. Load sensing laat de hydraulische pomp de exacte stroom en druk leveren die door de actuatoren vereist is, met alleen een klein beetje extra energie om drupdruk te creëren. Het was niet ongebruikelijk om nu standaard 4.000 psi te zien voor de implementfuncties en meer dan 5.000 psi voor de rijcircuit. Met load sensing, 5.000 psi draaien verstijft niet de stroom wanneer je beperkt bent met invoer paardenkracht.

Hoewel mobiele bouwapparatuur de meest geavanceerde hydraulische systemen in het bestaan had, bleven ze ver achter als het aankwam op elektronische controle. Zelfs elektrische controle was geen vertrouwde methode om pompen of kleppen te bedienen. De jaren '90 zagen niet veel vooruitgang met bouwapparatuur, met name in de manier dat hydrauliek gecontroleerd werd. Digitale machinemonitoring bestond, maar de meeste technologie werd geleverd voor operatorcomfort — klimaatcontrole, stereosystemen en 12-V laders.

De opkomst van elektronische controles
De eeuwwisseling zag machine OEM's gedwongen tot vooruitgang. De dreigende Tier 4 emissiestandaarden dwingden fabrikanten om het ontwerp en de implementatie van bouwmachines te heroverwegen. Machinefuncties werden steeds elektronisch gecontroleerd, waar hydraulische joysticks werden vervangen door proportionele controle, cabines werden uitgerust met LCD digitale displays, en machineonderhoudsintervallen werden elektronisch gemonitord. Echter, druk was niet gestegen in drie decennia, blijvend in het 5.000 psi bereik ver in de late 2000s.

De 21050K rupsdozer, gelanceerd door John Deere in 2015, was een volledig nieuw model, als zijn grootste en krachtigste dozer tot dan toe.

Electronica is nu omniprésent in de bouwindustrie. Net als met uw auto, heeft uw graafmachine programmeerbare prestatiemodi. U kunt draaien in "eco" modus, of met de aanpassing van een handig draaiknop, het op de hoge-vermogensmodus opvoeren. GPS-navigatie, automatische grade compensatie, tractiecontrole en hybride aandrijvingssystemen vinden hun weg in moderne bouwmachines.

De rupsdozer, afgebeeld, is een machine van verrassende technologische vooruitgang. High-end modellen hebben afzonderlijk gecontroleerde hydrostatische aandrijvingen voor linker en rechter rupsbanden, elk zelf gesloten-lus elektronisch gecontroleerd. De dozer's baan wordt gehandhaafd op basis van operatorcontrole, en de software accommodeert ongeacht lading, draaihoek of tractie. Ze zijn beschikbaar met softwareapplicaties, real-time datalogging en aanpasbare machineresponsen. Als de ene operator veer-lichte, hoge respons van haar bediening prefereert, terwijl een andere een langzamere, gedempte controlemethode prefereert, kunnen beide hun gebruikersprofielvoorkeuren opslaan. De machine kan niet gestart worden totdat de operator hun login invoert, waarna het profiel geladen wordt.

De waarde van vermogendichtheid is niet verloren gegaan aan dozerfabrikanten. Nieuwe machines naderen 7.000 psi, wat hogere koppel van kleinere, lichtere machines toestaat en verbeterde brandstofeconomie realiseert. Lichtere machines maken transport naar en van werklocaties veel gemakkelijker en bieden een zijvoordeel van verminderde grondverdichting.

Wat houdt de toekomst in?
Dus, wat houdt de toekomst in voor hydrauliek in bouwmachines? Het is duidelijk dat druk zal blijven stijgen, wat kleinere, lichtere machines in staat stelt productiviteit te bereiken die eerder alleen door grote, krachtige apparatuur gehaald werd. Geavanceerde materialen zullen machines doorteren, gebruikmakend van zowel koolstofvezel als 3D-geprinte metalen om sterkte te verhogen terwijl gewicht wordt verminderd.

Digitale controle met verhoogde verzadiging van cyber-fysieke systemen zal alledaags worden. Een bouwterrein werkdag wordt gepland vanaf een computerbesturingsstation, waar al het werk op afstand wordt uitgevoerd met operatorloze machines. Ook zal de voortgesette elektrificatie zien dat motoren vervangen worden door elektrische primemovers en batterijpakketten. Op een gegeven moment zullen machines volledig autonoom zijn, waar een gedigitaliseerd topografische kaart van het gebied wordt ingevoerd, en de machine wordt verteld hoe te graven of planeren om de gewenste output te matchen.

Industriële omgevingen zien steeds meer elektrische actuatoren, die vloeistofkracht volledig achterwege laten. Echter, elektrische actuatoren zullen hydraulische actuatoren in bouwmachines nooit vervangen. Ik maak deze durfe voorspelling omdat elektrische cilinders en motoren nooit zo klein en toch zo krachtig gemaakt kunnen worden als om hydrauliek te vervangen. Een 100-pk, gebogen-as zuigermotor past in een shoebox, en dat is bij huidige industrieniveaus van druk.

Waar ik elektrische actuatie uitbreiden zie is met krachtlevering. In plaats van centrale krachteenheden en distributie door hydraulische besturingsnetwerken, zullen actuatoren zelf-bevatte geïntegreerde actuatoren zijn. De servomotor en pomp combinatie zal in de hydraulische cilinder gebouwd worden, wat een klein reservoir en manifold met alle hydraulische controles omvat. Deze eenheden zullen modulair, configureerbaar en bediend via draadloze netwerken zijn, terwijl ze nog steeds de hoge kracht leveren die hydrauliek koning maakt.

De moderne mobiele bouwmachine heeft een lange weg afgelegd van de stoomgedreven machines van de industriële revolutie. Voortgezette vooruitgang zal zien dat machines productiever, efficiënter en krachtiger worden, terwijl de reductie van machineoperators zal zien dat werklocaties veiliger worden, met name als robots bouwwerkers vervangen. Maar ik twijfel of ik ooit een nieuw gebouwde steenheining in handen van robots zal zien.

U kunt ook liken: