От пара к умным: эволюция гидравлики строительной техники

Современная подвижная техника сильно изменилась. Вот взгляд на то, как гидравлика строительной техники эволюционировала за последние пару сотен лет.

Джош Козфорд, контрибьютинг редактор

На дороге рядом с моим домом существует вручную уложенный каменный забор, возможно, 1,2 м высотой и в сто раз длиннее. Созданный из локально добытых камней около века назад, я проезжаю его длину в благоговении, представляя физические и временные ресурсы, использованные в его строительстве. Машины для экскавации, перевозки и укладки тяжелых материалов были необычны в 1800-х, поэтому я не могу предположить, что он был построен чем-то, кроме множества крепких рук.

Строительная индустрия столько же лет, сколько земледелие, и по мере роста потребностей общества росло и требование улучшений в строительстве. Промышленная революция экспоненциально увеличила нашу способность строить здания и инфраструктуру. Легкие и умеренные строительные техники построили наши дома и офисы, в то время как тяжелые и интенсивные строительные работы создали заводы и дороги, ведущие к ним. Вручную уложенный каменный забор был очевидно легким строительством, но именно тяжелое и интенсивное строительство, так хорошо подходящее для гидравлического привода, было важно для цивилизации.

Современное строительство набирает пар

Винтажный паровой экскаватор, использованный в строительстве железнодорожных линий. Изображение предоставлено istockphoto.com

Паровая сила — это форма передачи энергии жидкости, но вместо сжатого воздуха или гидравлической жидкости тепловая энергия добавляется к воде до превращения в газ. Это преобразование создает давление по мере увеличения объема газа, которое захватывалось в актуаторах для питания крупной техники. Эта технология набирала обороты в начале 19 века, но записи показывают, что уже в 1796 паровой д्रेज использовался для очистки русел водных путей в Англии.

В 1835 году Уильям Отис, кузен американского промышленника Элиши Отиса, известного лифтами, применил паровую энергию для создания одноковшового наземного экскаватора. Признанный первым самоходным наземным станком для тяжелого строительства, он революционизировал строительство железных дорог. Этот запатентованный станок мог перемещать 300 куб. ярдов в день, где двое мужчин с тачкой потратили бы на это две недели.

Пятьдесят лет спустя сэр У. Дж. Армстронг построил первый экскаватор с использованием гидравлики, где он был применен в строительстве доков. Он был паровым, но также использовал тросы с гидравлическим приводом только на одной функции. Интересный факт: компания Армстронга в конечном счете объединилась с Vickers Limited, но, к разочарованию, после многих исследований я не нашел связи с Викерсом гидравлической славы. В любом случае, машина Армстронга не работала хорошо и оставила дверь открытой для других. Первой машиной, использующей только паровые гидравлические актуаторы без помощи колес и тросов, был паровой рильсовый лопатный экскаватор Kilgore 2-1/2 Yard. Эта машина была продуктивной, но, как и машина Армстронга, ограничивалась строительством рельсовых линий.

Создание современного стандарта
Потребовалось почти еще столетие, прежде чем экскаваторы начали выглядеть и работать так, как сегодня. Большую часть этого периода экскаваторы оставались тросоуправляемыми или какими-то гибридами пара, механики, тросов и гидравлики. Demag (ныне Komatsu) создал первый полностью гидравлический, гусеничный экскаватор с поворотом 360°, такой, как мы знаем его сегодня. Hydraulikbagger 1954 года, Рисунок 1, был оснащен 42-л.с. 3-цилиндровым дизелем и способен на 4 км/ч, перенося около полуярда материала. Он был компактным, эффективным, маневренным и продуктивным, особенно для легких и умеренных строительных проектов.

Hydraulikbagger 1954 года — компактная машина, идеальная для легких и умеренных строительных проектов. Изображение предоставлено библиотекой ASCE.

Столь эффективен был B504, что его конструктивные особенности теперь являются стандартом отрасли. Как только экскаваторы получили полностью гидравлическую работу, строительная техника стала способна на утилитарность и продуктивность, ранее невозможные. Десятилетиями ранее доминирование Ford Model T прокладывало путь (да, я пошел на это) для развития межштатных шоссе. B504 пришел вовремя, потому что разработка системы межштатных шоссе Айзенхауэра началась вскоре после. Я не утверждаю, что события были связаны, но их синхронизация обеспечила расширение строительной индустрии в Америке как никогда раньше.

Подвижная строительная техника приняла форму благодаря врожденным преимуществам гидравлики: плотности мощности, управляемости и надежности. Шаг первый для гидравлических машин — заставить их все надежно и эффективно работать, но поскольку строительство — конкурентоспособная, низкомаржинальная отрасль, достижения приходили быстро и жестко. Продуктивность преследовалась, что требовало, чтобы пазл из мощности, управления и надежности сложился воедино.

Ранние машины были умеренного давления открытого цикла, состоящими в основном из шестеренчатых и лопастных насосов, работающих на 70–170 бар. Даже в 1960-х, когда гидравлические экскаваторы доминировали над тросоуправляемыми аналогами, технологический прогресс был медленным. OEM видели преимущества гидравлики, поэтому применили технологию к погрузчикам, скреперам и бульдозерам, делая их мощными и эффективными. Но в 60-х технологий обработки не хватало для обеспечения тесных допусков, необходимых для высоконапорных насосов, клапанов и актуаторов.

Высокие давления, сложные системы управления
По мере продвижения прикладных знаний производители поняли, что высокое давление — ключ к продуктивности — и под «высоким давлением» я имею в виду 200–210 бар. Поршневые насосы могут производить высокое давление с эффективностью, но им пришлось освоить более тесные зазоры и разные коэффициенты расширения. Ранние поршневые насосы переменного обьема использовали косую пластину с рычажным управлением для контроля расхода, обеспечивая эффективную альтернативу регулирующим клапанам, которые тратили энергию впустую.

1970-е можно считать десятилетием гидравлического творчества. Для увеличения управления и продуктивности инженеры изобретали изобретательные способы контроля гидравлики. Первые гидростатические приводы были освоены и применены к погрузчикам, позволяя им быстро и плавно переключаться между прямым и обратным движением. Caterpillar запатентовал осевой поршневой насос с компенсацией давления, и ограничение крутящего момента также было разработано в десятилетие диско.

Ограничение крутящего момента (также известное как управление мощностью) — метод автоматического ограничения расхода обратно пропорционально давлению. По мере роста давления расход падает, а когда давление падает, расход увеличивается. Этот метод давал лучшее из двух миров, позволяя экскаватору вести себя так, будто его первичный двигатель имел вдвое больший номинал мощности. Функции поворота, стрелы, рукава и ковша могли все двигаться быстро без нагрузки, но затем насос резал расход по мере роста давления, поставляя силу, необходимую для тяжелой работы.

К 1980-м годам тросое управление практически исчезло в строительной отрасли. Столь эффективна была гидравлика, что даже функции управления были гидравлическими пилотными, что было старой технологией. Тормоза, рулевое управление и функции машины могли управляться из кабины с помощью пилотных клапанов. Попробуйте объяснить своему подростку, что джойстик когда-то имел масло, текущее через него, и расстояние и сила движения джойстика толкали жидкость в шпойлеры распределительных клапанов с тем же усилием.

Появление нагрузо-чувствительных систем
Однако распространение технологии нагрузо-чувствительных систем в 1980-х освободило мощность, и в сочетании с улучшением точности обработки давление (а значит, плотность мощности) быстро увеличилось. Нагрузо-чувствительность позволяет гидравлическому насосу обеспечивать точный расход и давление, требуемые актуаторами, добавляя только небольшую дополнительную энергию для создания перепада давления. Становилось обычным видеть стандартные 280 бар для исполнительных функций и более 350 бар для хода. С нагрузо-чувствительностью работа на 350 бар не парализует расход, когда вы ограничены входной мощностью.

Хотя подвижная строительная техника имела самые передовые гидравлические системы в существовании, они сильно отставали в электронном контроле. Даже электрический контроль не был доверенным методом управления насосами или клапанами. 1990-е не принесли много прогресса в строительной технике, особенно в способе управления гидравликой. Цифровой мониторинг машины существовал, но большая часть технологии поставлялась для комфорта оператора — климат-контроль, стереосистемы и 12-В зарядные устройства.

Наступление электронных систем управления
Поворот века заставил OEM машин двигаться вперед. Нависающие стандарты выбросов Tier 4 заставили производителей переосмыслить проектирование и внедрение строительной техники. Функции машин все чаще управлялись электронно, где гидравлические джойстики были заменены пропорциональным контролем, кабины оснащались ЖК-дисплеями, а интервалы технического обслуживания отслеживались электронно. Однако давление не увеличивалось три десятилетия, оставаясь в диапазоне 350 бар до поздних 2000-х.

Гусеничный бульдозер 21050K, запущенный John Deere в 2015 году, был полностью новой моделью, как его самый большой и мощный бульдозер.

Электроника теперь повсеместна в строительной отрасли. Как и в вашем автомобиле, у вашего экскаватора есть программируемые режимы производительности. Вы можете работать в «эко» режиме или, с регулировкой удобного переключателя, разогнать до высокомощного режима. GPS-навигация, автоматическая компенсация уклона, контроль сцепления и гибридные приводные системы проникают в современную строительную технику.

Гусеничный бульдозер на фото — машина удивительного технологического продвижения. Высококлассные модели имеют индивидуально управляемые гидростатические приводы для левой и правой гусениц, каждый из которых является замкнутым электронно контролируемым контуром. Путь бульдозера поддерживается на основе управления оператором, и программное обеспечение адаптируется независимо от нагрузки, угла поворота или сцепления. Они доступны с программными приложениями, логированием данных в реальном времени и настраиваемыми реакциями машины. Если один оператор предпочитает перьястое касание, высокую отзывчивость от своих органов управления, в то время как другой предпочитает более медленный, затухающий метод управления, оба могут сохранить свои профили пользовательских предпочтений. Машина не может быть запущена, пока оператор не введет свой логин, после чего загружается профиль.

Ценность плотности мощности не упущена производителями бульдозеров. Новые машины приближаются к 480 бар, позволяя более высокий крутящий момент от меньших, легче машин и реализуя улучшенную топливную экономию. Более легкая техника также делает транспортировку на объекты и с объектов намного легче и дает побочное преимущество уменьшения уплотнения грунта.

Что ждет будущее?
Итак, что готовит будущее для гидравлики строительной техники? Очевидно, что давление будет продолжать расти, позволяя меньшим, легким машинам достигать продуктивности, ранее доступной только крупной, высокомощной технике. Продвинутые материалы проникнут в технику, используя как углеродное волокно, так и 3D-печатанные металлы для увеличения прочности при снижении веса.

Цифровой контроль с увеличенным насыщением киберно-физических систем станет обыденным. Рабочий день на стройплощадке будет планироваться от компьютерной пультовой станции, где вся работа выполняется удаленно с беспилотной техникой. Также продолжающаяся электрификация приведет к замене двигателей электрическими приводными установками и батарейными блоками. В какой-то момент машины станут полностью автономными, где цифровая топографическая карта территории вводится, и машине говорят, как планировать или экскавировать для соответствия желаемому результату.

Промышленные среды все чаще видят электрические актуаторы, отказываясь от гидравлики полностью. Однако электрические актуаторы никогда не заменят гидравлические актуаторы в строительной технике. Я делаю это смелое предсказание, потому что электрические цилиндры и моторы никогда не могут быть сделаны настолько маленькими, но настолько мощными, чтобы заменить гидравлику. 100-л.с. косоосевой поршневой мотор может поместиться в коробку от обуви, и это при текущих промышленных уровнях давления.

Где я вижу расширение электрического привода — это в доставке энергии. Вместо центральных силовух и распределения через гидравлические контрольные сети, актуаторы будут автономными интегрированными актуаторами. Сервопривод и насос будут встроены в гидравлический цилиндр, который будет включать небольшой резервуар и коллектор, содержащий все гидравлические контролы. Эти блоки будут модульными, конфигурируемыми и управляемыми через беспроводные сети, сохраняя высокую силу, делающую гидравлику королем.

Современная подвижная строительная машина прошла долгий путь от паровых машин промышленной революции. Продолжающееся продвижение заставит машины становиться более продуктивными, эффективными и мощными, в то время как сокращение операторов сделает стройплощадки безопаснее, особенно когда роботы заменят строителей. Но я сомневаюсь, что когда-нибудь увижу вновь построенный каменный забор руками роботов.

Вам также может понравиться: