Del vapor a lo inteligente: La evolución de la hidráulica en equipos de construcción

La maquinaria móvil moderna ha cambiado bastante. Aquí hay una mirada a cómo la hidráulica de equipos de construcción ha cambiado en los últimos cientos de años.

Por Josh Cosford, Editor Colaborador

En un camino cerca de mi casa, existe una cerca de piedra colocada a mano, quizás de 4 pies de altura y cien veces más larga. Hecha con rocas de origen local hace un siglo, conduzco su longitud asombrado al imaginar los recursos físicos y temporales usados en su construcción. La maquinaria para excavar, transportar y colocar material pesado era poco común en los 1800s, así que no puedo razonar que fue construida usando nada más que muchas manos fuertes.

La industria de la construcción es tan antigua como la agricultura, y a medida que las necesidades sociales crecieron, también lo hizo el requerimiento de mejoras en la construcción. La revolución industrial creció nuestra capacidad para construir edificios e infraestructura exponencialmente. Técnicas de construcción ligera y moderada construyeron nuestros hogares y oficinas, mientras que la construcción pesada e intensa hizo las fábricas y las carreteras para llegar allí. La cerca de piedra colocada a mano era obviamente un proyecto de construcción ligera, pero es la construcción pesada e intensa tan bien adaptada a la motivación hidráulica la que ha sido importante para la civilización.

La construcción moderna cobra vapor

Una excavadora de vapor vintage, usada en construcción de líneas ferroviarias. Imagen cortesía de istockphoto.com

La energía de vapor es una forma de transferencia de energía de fluido, pero en lugar de aire presurizado o fluido hidráulico, se agrega energía térmica al agua hasta que se convierte en su forma gaseosa. Esta transformación crea presión a medida que aumenta el volumen del gas, que fue capturada en actuadores para impulsar maquinaria grande. Esta tecnología cobró vapor, por así decirlo, a principios del siglo XIX, pero registros muestran que ya en 1796 una draga a vapor se usó para limpiar lechos de vías fluviales en Inglaterra.

En 1835, William Otis, primo del industrial estadounidense Elisha Otis de fama por ascensores, aplicó energía de vapor para crear una excavadora de cucharón simple. Aceptada como la primera máquina autopropulsada, terrestre, usada para construcción pesada, revolucionó la construcción de líneas ferroviarias. Esta máquina patentada podía mover 300 yd³ por día, donde dos hombres y una carretilla arrastrarían esta tarea a una quincena.

Unas cincuenta años después, Sir W. G. Armstrong construyó la primera excavadora usando hidráulica, donde se usó en construcción de muelles. Era de vapor, pero también empleaba cables con solo accionamiento hidráulico en una función. Una nota semi-interesante: la compañía de Armstrong eventualmente se fusionó con Vickers Limited, pero decepcionantemente, después de mucha investigación, no pude encontrar vínculo con los Vickers de fama hidráulica. Independientemente, la máquina de Armstrong no funcionaba muy bien y dejó la puerta abierta para otros. La primera máquina en usar solo actuadores hidráulicos de vapor sin ayuda de ruedas y cables fue la Pala Ferroviaria de Vapor Kilgore 2-1/2 Yard. Esta máquina era productiva, pero como la máquina de Armstrong, estaba limitada a construcción de líneas ferroviarias.

Creando un estándar moderno

Tomaría casi otro siglo antes de que las excavadoras se vieran y operaran como lo hacen hoy. Durante la mayor parte de este período, las excavadoras permanecerían operadas por cables o algún tipo de híbrido de vapor, mecánico, cable e hidráulico. Demag (ahora Komatsu) creó la primera excavadora 360°, totalmente hidráulica, de orugas como la conocemos hoy. El Hidraulikbagger 1954, Figura 1, era impulsado por un diésel de 42 hp, 3 cilindros y capaz de 2.5 mph mientras transportaba cerca de media yarda de material. Era compacta, eficiente, ágil y productiva, especialmente para proyectos de construcción ligera y moderada.

El Hidraulikbagger 1954, era una máquina compacta ideal para proyectos de construcción ligera y moderada. Imagen cortesía de ASCE Library

Tan efectiva fue la B504 que sus características de construcción ahora son estándar para la industria. Una vez que las excavadoras recibieron operación totalmente hidráulica, el equipo de construcción fue capaz de utilidad y productividad no posible anteriormente. Décadas antes, la dominación del Ford Model T allanaría el camino (así es, fui allí) para el desarrollo de autopistas interestatales. La B504 llegó en el momento perfecto porque el desarrollo del Sistema Interestatal de Autopistas de Eisenhower comenzó poco después. No estoy diciendo que los eventos estuvieran relacionados de alguna manera, pero su sincronización aseguró que la industria de la construcción en América se expandiría como nunca antes.

El equipo de construcción móvil tomó forma debido a las ventajas inherentes de la hidráulica: densidad de potencia, controlabilidad y fiabilidad. Paso uno para maquinaria hidráulica fue hacer que todo funcionara de manera confiable y eficiente, pero como la construcción es una industria competitiva de márgenes bajos, los avances vinieron rápido y fuerte. La productividad fue perseguida, lo que necesitó que las piezas del rompecabezas de potencia, control y fiabilidad encajaran en su lugar.

La maquinaria temprana era de presión moderada en circuito abierto, consistiendo principalmente en bombas de engranajes y paletas funcionando a 1,000-2,500 psi. Incluso en los 1960s cuando las excavadoras hidráulicas dominaban a sus contrapartes operadas por cables, el avance tecnológico fue lento. Los OEMs vieron los beneficios que la hidráulica proporcionaba, así que aplicaron la tecnología a cargadores, rastrillos y topadoras, haciéndolas poderosas y efectivas. Pero en los 60s, la tecnología de mecanizado no podía proporcionar las tolerancias cercanas requeridas para hacer bombas, válvulas y actuadores de alta presión.

Presiones más altas, controles sofisticados

A medida que el conocimiento aplicado avanzó, los fabricantes se dieron cuenta que la alta presión era la clave para la productividad —y por "alta presión", me refiero a 3,000 psi. Las bombas de pistón pueden producir alta presión con eficiencia, pero tuvieron que dominar holguras más estrechas y coeficientes de expansión diferentes. Las primeras bombas de pistón de desplazamiento variable usaban un plato inclinado con operación de palanca para controlar flujo, proporcionando una alternativa eficiente de control de velocidad a válvulas dosificadoras, que desperdiciaban energía.

Los 1970s podrían considerarse la década de creatividad hidráulica. Para aumentar control y productividad, los ingenieros inventaban formas inteligentes de controlar hidráulica. Los primeros accionamientos hidrostáticos se dominaron y aplicaron a cargadores, permitiéndoles transicionar rápida y suavemente entre movimiento adelante y atrás. Caterpillar patentó la bomba de pistón axial compensada en presión, y el límite de torque también se desarrolló en la década del disco.

El límite de torque (también conocido como control de caballos de fuerza) es un método para limitar automáticamente el flujo inversamente proporcional a la presión. A medida que la presión sube, el flujo baja, y cuando la presión baja, el flujo aumenta. Este método dio lo mejor de ambos mundos, permitiendo que una excavadora se comportara como si su motor principal fuera el doble de la potencia nominal. Las funciones de giro, pluma, brazo y cucharón podían moverse rápido sin carga, pero luego la bomba cortaría flujo a medida que la presión sube, suministrando la fuerza necesaria para trabajo pesado.

Para los 1980s, la operación por cable estaba casi extinta en la industria de la construcción. Tan efectiva fue la hidráulica, que incluso las funciones de control eran operadas por piloto hidráulico, que era una tecnología más antigua. Los frenos, la dirección y las funciones de la máquina podían trabajarse desde la cabina usando válvulas de piloto. Intente explicarle a su adolescente que un joystick solía tener aceite corriendo a través de él, y la distancia y vigor con que el joystick se movía empujaría fluido en los carretes de válvulas de control direccional con el mismo esfuerzo.

Llega el sensor de carga

Sin embargo, la proliferación de tecnología de sensor de carga en los 1980s liberó caballos de fuerza, y en combinación con tolerancias de mecanizado mejoradas, la presión (y por tanto densidad de potencia) aumentó rápidamente. El sensor de carga permite que la bomba hidráulica proporcione el flujo y presión exactos requeridos por los actuadores, agregando solo un poco de energía extra para crear caída de presión. No era raro ver ahora 4,000 psi estándar para funciones de implemento y más de 5,000 psi para el circuito de traslación. Con sensor de carga, correr 5,000 psi no paraliza el flujo cuando está limitado con caballos de fuerza de entrada.

Aunque el equipo de construcción móvil tenía los sistemas hidráulicos más avanzados en existencia, se quedaban muy cortos cuando se trataba de control electrónico. Incluso el control eléctrico no era un método confiable de operar bombas o válvulas. Los 1990s no vieron mucho avance en equipos de construcción, especialmente en la forma en que la hidráulica era controlada. El monitoreo digital de máquinas existía, pero la mayor parte de la tecnología se suministraba para comodidad del operador —control climático, sistemas estéreo y cargadores de 12-V.

El advenimiento de controles electrónicos

El cambio de siglo vio a los OEMs de máquinas forzados al progreso. Los inminentes estándares de emisiones Tier 4 forzaron a los fabricantes a repensar el diseño e implementación de maquinaria de construcción. Las funciones de máquina eran cada vez más controladas electrónicamente, donde joysticks hidráulicos fueron reemplazados por control proporcional, cabinas equipadas con pantallas LCD digitales, e intervalos de mantenimiento de máquinas monitoreados electrónicamente. Sin embargo, la presión no había aumentado en tres décadas, permaneciendo en el rango de 5,000 psi bien entrados los 2000s.

El oruga 21050K, lanzado por John Deere en 2015, fue un modelo completamente nuevo, como su topadora más grande y potente hasta la fecha.

La electrónica ahora es prolífica en la industria de la construcción. Al igual que con su auto, su excavadora tiene modos de rendimiento programables. Puede correr en modo "eco", o con el ajuste de un dial conveniente, subirlo al modo de alta potencia. Navegación GPS, compensación automática de nivelación, control de tracción y sistemas de accionamiento híbrido están abriéndose camino en la maquinaria de construcción moderna.

La topadora de orugas, en la imagen, es una máquina de avance tecnológico sorprendente. Los modelos de alta gama tienen accionamientos hidrostáticos controlados individualmente para orugas izquierda y derecha, cada uno en circuito cerrado controlado electrónicamente. El camino de la topadora se mantiene basado en control del operador, y el software se adapta independientemente de carga, ángulo de giro o tracción. Están disponibles con aplicaciones de software, registro de datos en tiempo real y respuestas de máquina personalizables. Si un operador prefiere toque pluma, alta respuesta de sus controles, mientras otro prefiere un método de control más lento, atenuado, ambos pueden guardar sus preferencias de perfil de usuario. La máquina no puede arrancar hasta que el operador ingrese su login, momento en el que el perfil se carga.

El valor de densidad de potencia no se pierde en fabricantes de topadoras. Nuevas máquinas se acercan a 7,000 psi, permitiendo mayor torque de máquinas más pequeñas, ligeras y logrando mejor economía de combustible. Maquinaria más ligera también hace el transporte hacia y desde sitios de trabajo mucho más fácil y proporciona un beneficio lateral de compactación de suelo reducida.

¿Qué depara el futuro?

Entonces, ¿qué depara el futuro para la hidráulica de equipos de construcción? Es obvio que la presión continuará subiendo, permitiendo máquinas más pequeñas y ligeras lograr productividad anteriormente disfrutada solo por equipos grandes y de alta potencia. Materiales avanzados permearán la maquinaria, usando tanto fibra de carbono como metales impresos en 3D para aumentar resistencia mientras reducen peso.

El control digital con mayor saturación de sistemas ciber-físicos será común. Una jornada de trabajo en sitio de construcción será planificada desde una estación de control por computadora, donde todo el trabajo se lleva a cabo remotamente con maquinaria sin operador. Así mismo, la continua electrificación verá motores reemplazados con motores primarios eléctricos y paquetes de baterías. En algún punto, las máquinas serán totalmente autónomas, donde un mapa topográfico digitalizado del territorio es ingresado, y se le dice a la máquina cómo nivelar o excavar para coincidir con la salida deseada.

Los entornos industriales cada vez más ven actuadores eléctricos, prescindiendo de potencia de fluido por completo. Sin embargo, los actuadores eléctricos nunca reemplazarán a los actuadores hidráulicos en maquinaria de construcción. Hago esta predicción audaz porque los cilindros y motores eléctricos nunca pueden hacerse tan pequeños pero tan potentes como para reemplazar a la hidráulica. Un motor de pistón de eje doblado de 100 hp puede caber en una caja de zapatos, y eso a niveles de presión actuales de la industria.

Donde veo la actuación eléctrica expandiéndose es con entrega de potencia. En lugar de unidades de potencia centrales y distribución a través de redes de control hidráulico, los actuadores serán actuadores integrados autocontenidos. La combinación de servomotor y bomba se construirá en el cilindro hidráulico, que incluirá un pequeño depósito y colector conteniendo todos los controles hidráulicos. Estas unidades serán modulares, configurables y controladas vía redes inalámbricas, mientras aún proporcionan la alta fuerza que hace a la hidráulica rey.

La máquina móvil de construcción moderna ha recorrido un largo camino desde las máquinas de vapor de la revolución industrial. El avance continuo verá máquinas más productivas, eficientes y potentes, mientras la reducción de operadores de máquina verá sitios de trabajo más seguros, especialmente cuando robots reemplacen trabajadores de construcción. Pero dudo que jamás vea otra cerca de piedra recién construida a manos de robots.

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