Van stoom tot slim:de evolutie van de hydrauliek van bouwmachines

Moderne mobiele machines zijn behoorlijk veranderd. Hier ziet u hoe de hydraulica van bouwmachines de afgelopen honderd jaar is veranderd.

Door Josh Cosford, bijdragende redacteur

Op een weg vlakbij mijn huis staat een met de hand aangelegd stenen hek, misschien wel 1,20 meter hoog en honderd keer zo lang. Het is een eeuw geleden vervaardigd uit lokaal gewonnen gesteente en rijd vol ontzag over de lengte terwijl ik me de fysieke en tijdbronnen voorstel die bij de constructie zijn gebruikt. De machines voor het uitgraven, vervoeren en leggen van zwaar materiaal waren ongebruikelijk in de 19e eeuw, dus ik kan niet redeneren dat ze met alleen veel sterke handen zijn gebouwd.

De bouwsector is zo oud als de landbouw, en naarmate de maatschappelijke behoeften groeiden, groeide ook de behoefte aan verbeteringen in de bouw. De industriële revolutie heeft ons vermogen om gebouwen en infrastructuur exponentieel te bouwen vergroot. Met lichte en middelzware bouwtechnieken werden onze huizen en kantoren gebouwd, terwijl met zware en intensieve constructies de fabrieken en de wegen werden aangelegd om daar te komen. Het met de hand gelegde stenen hekwerk was duidelijk een licht bouwproject, maar het is de zware en intense constructie die zo goed geschikt is voor hydraulische motivatie die belangrijk is geweest voor de beschaving.

Moderne constructies komen op stoom

Een vintage stoomgraafmachine, gebruikt bij de aanleg van spoorlijnen. Afbeelding met dank aan istockphoto.com

Stoomkracht is een vorm van energieoverdracht met vloeibare energie, maar in plaats van perslucht of hydraulische vloeistof wordt warmte-energie aan water toegevoegd totdat het in zijn gasvorm verandert. Deze transformatie creëert druk naarmate het gasvolume toeneemt, wat werd opgevangen in actuatoren om grote machines aan te drijven. Deze technologie verzamelde als het ware stoom in het begin van de 19e eeuw, maar uit gegevens blijkt dat al in 1796 een door stoom aangedreven baggermachine werd gebruikt om de bodem van waterwegen in Engeland vrij te maken.

In 1835 paste William Otis, neef van de Amerikaanse industrieel Elisha Otis, bekend als lifter, stoomenergie toe om een landgraafmachine met één bak te creëren. Geaccepteerd als de eerste zelfaangedreven machine op het land die werd gebruikt voor zware constructies, bracht het een revolutie teweeg in de aanleg van spoorlijnen. Deze gepatenteerde machine kon 300 m3 per dag verplaatsen, terwijl twee mannen en een kruiwagen deze taak in veertien dagen zouden voortzetten.

Ongeveer vijftig jaar later bouwde Sir W.G. Armstrong de eerste graafmachine met behulp van hydrauliek, waar deze werd gebruikt bij de aanleg van dokken. Het werd door stoom aangedreven, maar maakte ook gebruik van kabels met slechts één hydraulische bediening voor één functie. Een semi-interessant terzijde:het bedrijf van Armstrong fuseerde uiteindelijk met Vickers Limited, maar teleurstellend genoeg kon ik na veel onderzoek geen link vinden met de Vickers van hydraulische faam. Hoe dan ook, de machine van Armstrong werkte niet zo goed en liet de deur open voor anderen. De eerste machine die alleen door stoom aangedreven hydraulische actuatoren gebruikte zonder de hulp van wielen en kabels, was de Kilgore 2-1/2 Yard Steam Railway Shovel. Deze machine was productief, maar was net als de Armstrong-machine beperkt tot de aanleg van spoorlijnen.

Een moderne standaard creëren
Het zou nog bijna een eeuw duren voordat graafmachines er zo uitzagen en functioneerden als nu. Gedurende het grootste deel van deze periode zouden graafmachines met kabels worden bediend of een soort stoom-, mechanische, kabel- en hydraulische hybride. Demag (nu Komatsu) creëerde de eerste 360°, volledig hydraulische, rupsaangedreven graafmachine zoals we die vandaag de dag kennen. De Hydraulikbagger uit 1954, figuur 1, werd aangedreven door een driecilinder dieselmotor van 42 pk en haalde een snelheid van 4,1 km/uur terwijl hij ongeveer een halve meter aan materiaal vervoerde. Het was compact, efficiënt, wendbaar en productief, vooral voor lichte en middelzware bouwprojecten.

De Hydraulikbagger uit 1954 was een compacte machine die ideaal was voor lichte en middelzware bouwprojecten. Afbeelding met dank aan de ASCE-bibliotheek

De B504 was zo effectief dat de constructiekenmerken nu standaard zijn voor de industrie. Toen graafmachines eenmaal volledig hydraulisch konden werken, waren bouwmachines in staat tot bruikbaarheid en productiviteit die voorheen niet mogelijk waren. Tientallen jaren eerder zou de dominantie van de Ford Model T de weg vrijmaken (dat klopt, ik ging daarheen) voor de ontwikkeling van snelwegen. De B504 was perfect getimed omdat de ontwikkeling van Eisenhowers Interstate Highway System kort daarna begon. Ik beweer niet dat de gebeurtenissen op enigerlei wijze met elkaar verband hielden, maar hun timing zorgde ervoor dat de bouwsector in Amerika zich als nooit tevoren zou uitbreiden.

Mobiele bouwmachines ontstonden vanwege de inherente voordelen van hydraulica; vermogensdichtheid, beheersbaarheid en betrouwbaarheid. Stap één voor hydraulische machines was om alles betrouwbaar en efficiënt te laten werken, maar omdat de bouw een competitieve industrie met lage marges is, kwamen de vorderingen snel en moeizaam. Er werd gestreefd naar productiviteit, waarbij de puzzelstukjes kracht, controle en betrouwbaarheid op hun plaats moesten vallen.

Vroege machines hadden een open lus met matige druk, voornamelijk bestaande uit tandwiel- en schottenpompen met een druk van 1.000-2.500 psi. Zelfs in de jaren zestig, toen hydraulische graafmachines hun kabelbediende tegenhangers domineerden, verliep de technologische vooruitgang traag. OEM's zagen de voordelen van hydrauliek en pasten de technologie toe op laders, scrapers en bulldozers, waardoor deze krachtig en effectief werden. Maar in de jaren 60 was de bewerkingstechnologie niet in staat de nauwe toleranties te bieden die nodig waren om hogedrukpompen, kleppen en actuatoren te maken.

Hogere druk, geavanceerde controles
Naarmate de toegepaste kennis vorderde, beseften fabrikanten dat hoge druk de sleutel tot productiviteit was – en met ‘hoge druk’ bedoel ik 3.000 psi. Zuigerpompen kunnen efficiënt hoge druk produceren, maar ze moesten kleinere spelingen en verschillende uitzettingscoëfficiënten beheersen. Vroege zuigerpompen met variabele cilinderinhoud gebruikten een tuimelschijf met hefboombediening om de stroom te regelen, wat een efficiënt alternatief voor de snelheidsregeling vormde voor doseerkleppen, wat energie verspilde.

De jaren zeventig kunnen worden beschouwd als het decennium van de hydraulische creativiteit. Om de controle en productiviteit te vergroten, bedachten ingenieurs slimme manieren om de hydrauliek te regelen. De eerste hydrostatische aandrijvingen werden onder de knie en toegepast op laders, waardoor ze snel en soepel konden overschakelen tussen voorwaartse en achterwaartse beweging. Caterpillar liet de drukgecompenseerde axiale zuigerpomp patenteren en in het disco-decennium werd ook koppelbegrenzing ontwikkeld.

Koppelbegrenzing (ook bekend als paardenkrachtregeling) is een methode om de stroom automatisch omgekeerd evenredig aan de druk te beperken. Naarmate de druk stijgt, neemt de stroom af, en wanneer de druk daalt, neemt de stroom toe. Deze methode bood het beste van twee werelden, waardoor een graafmachine zich kon gedragen alsof zijn aandrijfmotor twee keer zoveel pk's had. De zwenk-, giek-, arm- en bakfuncties kunnen allemaal snel bewegen zonder belasting, maar dan onderbreekt de pomp de stroom als de druk stijgt, waardoor de kracht wordt geleverd die nodig is voor zwaar werk.

In de jaren tachtig was het kabelbedrijf in de bouwsector bijna uitgestorven. De hydrauliek was zo effectief dat zelfs de bedieningsfuncties hydraulisch werden bediend, wat een oudere technologie was. De remmen, de besturing en de machinefuncties konden vanuit de cabine worden bediend met behulp van stuurkleppen. Probeer aan uw tiener uit te leggen dat er vroeger olie door een joystick stroomde, en dat de afstand en de kracht die de joystick bewoog met dezelfde inspanning vloeistof naar de spoelen van de richtingsregelkleppen zouden duwen.

Voer belastingdetectie in
Door de proliferatie van load-sensing-technologie in de jaren tachtig kwam er echter paardenkracht vrij, en in combinatie met verbeterde bewerkingstoleranties nam de druk (en dus de vermogensdichtheid) snel toe. Dankzij Load Sensing kan de hydraulische pomp precies het debiet en de druk leveren die de actuatoren nodig hebben, waardoor slechts een klein beetje extra energie wordt toegevoegd om een ​​drukval te creëren. Het was niet ongebruikelijk om nu standaard 4.000 psi te zien voor de werktuigfuncties en meer dan 5.000 psi voor het rijcircuit. Met load-sensing verlamt het draaien van 5.000 psi de flow niet als je beperkt bent in het aantal pk's.

Hoewel mobiele bouwmachines over de meest geavanceerde hydraulische systemen beschikten, schoten ze ver tekort als het om elektronische besturing ging. Zelfs elektrische bediening was geen vertrouwde methode om pompen of kleppen te bedienen. In de jaren negentig was er niet veel vooruitgang op het gebied van bouwmachines, vooral niet op het gebied van de manier waarop de hydraulica werd bestuurd. Er bestond digitale machinemonitoring, maar de meeste technologie werd geleverd voor het comfort van de machinist:klimaatregeling, stereosystemen en 12V-laders.

De komst van elektronische controles
Rond de eeuwwisseling gingen OEM's van machines met sterke wapens vooruitgang boeken. De dreigende Tier 4-emissienormen dwongen fabrikanten om het ontwerp en de implementatie van bouwmachines te heroverwegen. Machinefuncties werden steeds meer elektronisch geregeld, waarbij hydraulische joysticks werden vervangen door proportionele bediening, cabines werden uitgerust met digitale LCD-displays en de onderhoudsintervallen van de machine elektronisch werden gecontroleerd. De druk was echter in drie decennia niet toegenomen en bleef tot ver in de late jaren 2000 binnen het bereik van 5.000 psi.

De 21050K rupsbulldozer, gelanceerd door John Deere in 2015, was een compleet nieuw model, als de grootste en krachtigste bulldozer tot nu toe.

Elektronica is nu productief in de bouwsector. Net als uw auto beschikt uw graafmachine over programmeerbare prestatiemodi. U kunt in de “eco”-modus rennen, of met de aanpassing van een handige draaiknop de krachtige modus opvoeren. GPS-navigatie, automatische hellingcompensatie, tractiecontrole en hybride aandrijfsystemen vinden hun weg naar moderne bouwmachines.

De rupsbulldozer, afgebeeld, is een machine met verrassende technologische vooruitgang. Hoogwaardige modellen hebben individueel geregelde hydrostatische aandrijvingen voor het linker- en rechterspoor, elk elektronisch geregeld met een gesloten lus. Het pad van de bulldozer wordt gehandhaafd op basis van de bediening door de machinist, en de software past zich aan, ongeacht de belasting, draaihoek of tractie. Ze zijn verkrijgbaar met softwareapplicaties, realtime datalogging en aanpasbare machinereacties. Als de ene operator de voorkeur geeft aan een soepele, hoge respons van haar bedieningselementen, terwijl een andere operator de voorkeur geeft aan een langzamere, gedempte bedieningsmethode, kunnen beide hun gebruikersprofielvoorkeuren opslaan. De machine kan pas worden gestart als de operator zijn of haar login heeft ingevoerd. Op dat moment wordt het profiel geladen.

De waarde van de vermogensdichtheid gaat niet verloren bij bulldozerfabrikanten. Nieuwe machines naderen de 7.000 psi, waardoor een hoger koppel van kleinere, lichtere machines mogelijk is en een lager brandstofverbruik wordt gerealiseerd. Lichtere machines maken het transport van en naar werklocaties ook veel gemakkelijker en bieden als bijkomend voordeel een verminderde bodemverdichting.

Wat brengt de toekomst?
Wat houdt de toekomst in voor de hydrauliek van bouwmachines? Het is duidelijk dat de druk zal blijven stijgen, waardoor kleinere, lichtere machines de productiviteit kunnen bereiken die voorheen alleen beschikbaar was voor grote, krachtige apparatuur. Geavanceerde materialen zullen doordringen in machines, waarbij zowel koolstofvezel als 3D-geprinte metalen worden gebruikt om de sterkte te vergroten en tegelijkertijd het gewicht te verminderen.

Digitale controle met een verhoogde verzadiging van cyber-fysieke systemen zal gemeengoed worden. Er zal een bouwdag worden gepland vanuit een computercontrolestation, waar alle werkzaamheden op afstand worden uitgevoerd met machines zonder operator. Bovendien zal de voortdurende elektrificatie ertoe leiden dat motoren worden vervangen door elektrische aandrijfmotoren en accupakketten. Op een gegeven moment zullen de machines volledig autonoom zijn, waarbij een digitaal gescande topografische kaart van het gebied wordt ingevoerd en de machine wordt verteld hoe te nivelleren of uitgraven om de gewenste output te bereiken.

Industriële omgevingen zien steeds vaker elektrische actuatoren, waarbij vloeistofkracht helemaal wordt vermeden. Elektrische actuatoren zullen echter nooit de hydraulische actuatoren in bouwmachines vervangen. Ik doe deze gewaagde voorspelling omdat elektrische cilinders en motoren nooit zo klein en toch zo krachtig kunnen worden gemaakt dat ze de hydraulica kunnen vervangen. Een 100 pk sterke zuigermotor met gebogen as past in een schoenendoos, en dat op het huidige drukniveau in de sector.

Waar ik de elektrische aandrijving zie uitbreiden, is de vermogensafgifte. In plaats van centrale aandrijfeenheden en distributie via hydraulische besturingsnetwerken, zullen actuatoren op zichzelf staande, geïntegreerde actuatoren zijn. De combinatie van servomotor en pomp wordt ingebouwd in de hydraulische cilinder, die een klein reservoir en spruitstuk zal bevatten met daarin alle hydraulische bedieningselementen. Deze units zullen modulair, configureerbaar en bestuurd worden via draadloze netwerken, terwijl ze nog steeds de hoge kracht leveren die hydrauliek koning maakt.

De moderne mobiele bouwmachine heeft een lange weg afgelegd ten opzichte van de door stoom aangedreven machines van de industriële revolutie. Door de voortdurende vooruitgang zullen machines productiever, efficiënter en krachtiger worden, terwijl door het terugdringen van het aantal machinebedieners de werkplek veiliger zal worden, vooral omdat robots bouwvakkers gaan vervangen. Maar ik betwijfel of ik ooit nog een nieuw gebouwd stenen hek door robots zal zien.

Misschien vind je dit ook leuk: