От пара к умному:эволюция гидравлики строительного оборудования

На дороге недалеко от моего дома стоит каменный забор ручной работы, примерно 4 фута в высоту и в сто раз длиннее. Созданный из местных камней несколько столетий назад, я с трепетом проезжаю по его длине, представляя, какие физические и временные ресурсы были использованы при его строительстве. Машины для выкапывания, перевозки и укладки тяжелых материалов были редкостью в 1800-х годах, поэтому я не могу утверждать, что они были построены с использованием кого-либо, кроме множества сильных рук.

Строительная отрасль так же стара, как и сельское хозяйство, и по мере роста потребностей общества росли и требования к совершенствованию строительства. Промышленная революция увеличила наши возможности в строительстве зданий и инфраструктуры в геометрической прогрессии. Наши дома и офисы были построены с использованием легких и умеренных строительных технологий, а тяжелые и интенсивные строительные работы позволили построить фабрики и дороги. Каменный забор, возведенный вручную, очевидно, представлял собой легкий строительный проект, но эта тяжелая и прочная конструкция так хорошо подходит для гидравлической мотивации, которая была важна для цивилизации.

Современное строительство набирает обороты

Паровая энергия — это форма передачи энергии жидкости, но вместо сжатого воздуха или гидравлической жидкости к воде добавляется тепловая энергия, пока она не перейдет в газообразную форму. Это преобразование создает давление по мере увеличения объема газа, который улавливается приводами, приводящими в действие крупное оборудование. Эта технология как бы набрала обороты в начале 19 века, но записи показывают, что уже в 1796 году паровой земснаряд использовался для расчистки русла водных путей в Англии.

В 1835 году Уильям Отис, двоюродный брат американского промышленника Элиши Отиса, известного лифтером, применил энергию пара для создания одноковшового экскаватора. Признанная как первая наземная машина с автономным приводом, используемая для тяжелого строительства, она произвела революцию в строительстве железнодорожных линий. Эта запатентованная машина могла перемещать 300 ярдов3 в день, тогда как два человека и тачка растянули бы эту задачу на две недели.

Примерно пятьдесят лет спустя сэр У. Г. Армстронг построил первый экскаватор с использованием гидравлики, который использовался при строительстве доков. Он был оснащен паровым приводом, но также использовал кабели с гидравлическим приводом только на одну функцию. Немного интересно:компания Армстронга в конечном итоге объединилась с Vickers Limited, но, к сожалению, после долгих исследований я не смог найти никакой связи с Vickers, прославившимися в области гидравлики. Тем не менее, машина Армстронга работала не очень хорошо и оставляла дверь открытой для других. Первой машиной, в которой использовались только паровые гидравлические приводы без помощи колес и тросов, была паровая железнодорожная лопата Kilgore 2-1/2 Yard. Эта машина была производительной, но, как и машина Армстронга, она ограничивалась строительством железнодорожных линий.

Создание современного стандарта
Пройдет еще почти столетие, прежде чем экскаваторы будут выглядеть и работать так, как сегодня. На протяжении большей части этого периода экскаваторы будут работать с тросовым приводом или с паровым, механическим, тросовым и гидравлическим гибридом. Компания Demag (теперь Komatsu) создала первый полностью гидравлический гусеничный экскаватор с поворотом на 360°, каким мы его знаем сегодня. Hydraulikbagger 1954 года, рисунок 1, был оснащен 3-цилиндровым дизельным двигателем мощностью 42 л. Он был компактным, эффективным, маневренным и производительным, особенно для легких и средних строительных проектов.

B504 был настолько эффективен, что его конструктивные особенности теперь стали стандартом для отрасли. Когда экскаваторы получили полностью гидравлический режим работы, строительное оборудование стало невозможным ранее с точки зрения полезности и производительности. Десятилетиями ранее доминирование Ford Model T проложило путь (верно, я туда пошел) для развития межгосударственных автомагистралей. Строительство B504 было идеально рассчитано, поскольку вскоре после этого началась разработка системы межштатных автомагистралей Эйзенхауэра. Я не утверждаю, что эти события были каким-либо образом связаны между собой, но их время обеспечило строительную индустрию в Америке, которая расширится как никогда раньше.

Мобильная строительная техника возникла благодаря преимуществам гидравлики; удельная мощность, управляемость и надежность. Первым шагом для гидравлического оборудования было заставить все это работать надежно и эффективно, но поскольку строительство — это конкурентная и низкорентабельная отрасль, прогресс шел быстро и тяжело. В погоне за производительностью требовалось, чтобы кусочки головоломки, такие как мощность, контроль и надежность, встали на свои места.

Раннее оборудование представляло собой разомкнутый контур умеренного давления, состоявший в основном из шестеренных и лопастных насосов с давлением 1000–2500 фунтов на квадратный дюйм. Даже в 1960-е годы, когда гидравлические экскаваторы доминировали над аналогами с тросовым приводом, развитие технологий шло медленно. OEM-производители увидели преимущества гидравлики, поэтому применили эту технологию к погрузчикам, скреперам и бульдозерам, сделав их мощными и эффективными. Но в 60-е годы технологии механической обработки не могли обеспечить жесткие допуски, необходимые для изготовления насосов высокого давления, клапанов и приводов.

Высокое давление, сложный контроль
По мере развития прикладных знаний производители осознали, что высокое давление является ключом к производительности – и под «высоким давлением» я подразумеваю 3000 фунтов на квадратный дюйм. Поршневые насосы могут эффективно создавать высокое давление, но им пришлось освоить более узкие зазоры и разные коэффициенты расширения. Ранние поршневые насосы с переменным рабочим объемом использовали наклонную шайбу с рычагом для управления потоком, обеспечивая эффективную альтернативу дозирующим клапанам, которые тратили энергию.

1970-е годы можно считать десятилетием гидравлического творчества. Чтобы повысить управляемость и производительность, инженеры изобретали хитрые способы управления гидравликой. Были освоены и применены на погрузчиках первые гидростатические приводы, позволяющие быстро и плавно переключаться между движением вперед и назад. Компания Caterpillar запатентовала аксиально-поршневой насос с компенсацией давления, а в десятилетие диско также была разработана система ограничения крутящего момента.

Ограничение крутящего момента (также известное как контроль мощности) — это метод автоматического ограничения расхода, обратно пропорционального давлению. При повышении давления расход падает, а при падении давления расход увеличивается. Этот метод сочетал в себе лучшее из обоих миров, позволяя экскаватору вести себя так, как если бы мощность его первичного двигателя была вдвое больше номинальной. Функции поворота, стрелы, рукояти и ковша могут быстро перемещаться без нагрузки, но тогда насос будет перекрывать поток при повышении давления, создавая силу, необходимую для тяжелых работ.

К 1980-м годам использование кабеля в строительной отрасли практически исчезло. Гидравлика была настолько эффективной, что даже функции управления осуществлялись гидравлическим пилотом, что было более старой технологией. Тормозами, рулевым управлением и функциями машины можно было управлять из кабины с помощью пилотных клапанов. Попробуйте объяснить подростку, что раньше через джойстик проходило масло, и расстояние и сила перемещения джойстика с таким же усилием проталкивали бы жидкость в золотники гидрораспределителей.

Введите определение нагрузки
Однако распространение технологий измерения нагрузки в 1980-х годах высвободило мощность, а в сочетании с улучшением допусков обработки давление (и, следовательно, удельная мощность) быстро возросло. Определение нагрузки позволяет гидравлическому насосу обеспечивать точный расход и давление, необходимые для приводов, добавляя лишь небольшую дополнительную энергию для создания перепада давления. Теперь нередко можно было увидеть стандартные 4000 фунтов на квадратный дюйм для функций навесного оборудования и более 5000 фунтов на квадратный дюйм для контура хода. Благодаря измерению нагрузки работа при давлении 5000 фунтов на квадратный дюйм не нарушает поток, когда вы ограничены во входной мощности.

Хотя мобильное строительное оборудование имело самые совершенные из существующих гидравлических систем, ему не хватало электронного управления. Даже электрическое управление не было надежным методом управления насосами или клапанами. В 1990-е годы не было большого прогресса в строительной технике, особенно в способах управления гидравликой. Цифровой мониторинг машины существовал, но большая часть технологий была поставлена для комфорта оператора — климат-контроль, стереосистемы и зарядные устройства на 12 В.

Появление электронного управления
На рубеже веков OEM-производители машин решительно пошли на прогресс. Надвигающиеся стандарты выбросов Tier 4 заставили производителей переосмыслить конструкцию и внедрение строительной техники. Функции машины все чаще контролировались электроникой:гидравлические джойстики были заменены пропорциональным управлением, кабины были оснащены цифровыми ЖК-дисплеями, а интервалы технического обслуживания машины контролировались электронным способом. Однако давление не увеличивалось в течение трех десятилетий, оставаясь в диапазоне 5000 фунтов на квадратный дюйм вплоть до конца 2000-х годов.

Электроника сейчас широко распространена в строительной отрасли. Как и ваш автомобиль, ваш экскаватор имеет программируемые режимы работы. Вы можете работать в «экономном» режиме или, регулируя удобный регулятор, перейти в режим повышенной мощности. GPS-навигация, автоматическая компенсация уклона, контроль тяги и гибридные системы привода все внедряются в современную строительную технику.

Гусеничный бульдозер, изображенный на фото, представляет собой машину удивительного технического прогресса. Модели высшего класса имеют индивидуально управляемые гидростатические приводы для левой и правой гусениц, каждый из которых имеет замкнутый контур с электронным управлением. Путь бульдозера поддерживается оператором, а программное обеспечение адаптируется независимо от нагрузки, угла поворота или тяги. Они доступны с программными приложениями, возможностью регистрации данных в реальном времени и настраиваемыми реакциями машины. Если один оператор предпочитает плавное прикосновение и высокую реакцию органов управления, а другой предпочитает более медленный и плавный метод управления, оба могут сохранить настройки своего профиля пользователя. Машину невозможно запустить, пока оператор не введет свой логин, после чего загружается профиль.

Производители бульдозеров не упускают из виду значение удельной мощности. Новые машины приближаются к давлению 7000 фунтов на квадратный дюйм, что обеспечивает более высокий крутящий момент у меньших и легких машин и обеспечивает улучшенную экономию топлива. Более легкая техника также значительно упрощает транспортировку к месту проведения работ и обратно и обеспечивает дополнительное преимущество в виде уменьшения уплотнения грунта.

Что нас ждет в будущем?
Итак, какое будущее ждет гидравлику строительной техники? Очевидно, что давление будет продолжать расти, позволяя меньшим и более легким машинам достигать производительности, которой ранее обладало только крупное, мощное оборудование. В машиностроение будут проникать современные материалы:углеродное волокно и металлы, напечатанные на 3D-принтере, для повышения прочности и снижения веса.

Цифровое управление с растущим насыщением киберфизических систем станет обычным явлением. Рабочий день строительства будет планироваться с компьютерной станции управления, где все работы выполняются удаленно с помощью техники без оператора. Кроме того, в ходе продолжающейся электрификации двигатели будут заменены электрическими тягачами и аккумуляторными батареями. В какой-то момент машины станут полностью автономными:в них вводится топографическая карта территории, отсканированная в цифровом формате, и машине сообщают, как планировать или выкапывать землю, чтобы получить желаемый результат.

В промышленной среде все чаще используются электрические приводы, полностью отказываясь от гидравлической энергии. Однако электрические приводы никогда не заменят гидравлические приводы в строительной технике. Я делаю этот смелый прогноз, потому что электрические цилиндры и двигатели никогда не смогут быть настолько маленькими, но настолько мощными, чтобы заменить гидравлику. Поршневой двигатель мощностью 100 л.с. с изогнутой осью может поместиться в коробку из-под обуви, и это соответствует нынешнему уровню давления в отрасли.

Я вижу расширение электрического привода за счет подачи энергии. Вместо центральных энергоблоков и распределения через гидравлические сети управления приводы будут автономными интегрированными приводами. Комбинация серводвигателя и насоса будет встроена в гидравлический цилиндр, который будет включать небольшой резервуар и коллектор, содержащий все элементы управления гидравлической системой. Эти агрегаты будут модульными, настраиваемыми и управляемыми через беспроводные сети, сохраняя при этом высокую силу, которая делает гидравлику королем.

Современные мобильные строительные машины прошли долгий путь от паровых машин промышленной революции. Дальнейшее развитие приведет к тому, что машины станут более производительными, эффективными и мощными, а сокращение числа операторов станков приведет к тому, что рабочие места станут более безопасными, особенно когда роботы заменят строителей. Но я сомневаюсь, что когда-нибудь увижу еще один новый каменный забор, построенный руками роботов.

Вам также может понравиться: