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

La maquinaria móvil moderna ha cambiado bastante. A continuación se muestra cómo ha cambiado la hidráulica de los equipos de construcción en los últimos cientos de años.

Por Josh Cosford, editor colaborador

En una carretera cerca de mi casa, existe una valla de piedra colocada a mano, de quizás 4 pies de alto y cien veces más larga. Elaborado a partir de rocas de origen local hace algún siglo, conduzco su longitud con asombro mientras imagino los recursos físicos y de tiempo utilizados en su construcción. La maquinaria para excavar, transportar y colocar material pesado era poco común en el siglo XIX, por lo que no puedo razonar que se construyera con otra cosa que muchas manos fuertes.

La industria de la construcción es tan antigua como la agricultura y, a medida que crecieron las necesidades de la sociedad, también creció la necesidad de mejorar la construcción. La revolución industrial aumentó exponencialmente nuestra capacidad para construir edificios e infraestructura. Técnicas de construcción ligeras y moderadas construyeron nuestras casas y oficinas, mientras que la construcción pesada e intensa construyó las fábricas y las carreteras para llegar allí. La valla de piedra colocada a mano fue obviamente un proyecto de construcción ligero, pero es la construcción pesada e intensa tan bien adaptada a la motivación hidráulica lo que ha sido importante para la civilización.

La construcción moderna cobra fuerza

Una excavadora de vapor antigua, utilizada en la construcción de líneas ferroviarias. Imagen cortesía de istockphoto.com

La energía del vapor es una forma de transferencia de energía mediante energía fluida, pero en lugar de aire presurizado o fluido hidráulico, se agrega energía térmica al agua hasta que adquiere su forma gaseosa. Esta transformación crea presión a medida que aumenta el volumen de gas, que se captura en actuadores para alimentar maquinaria grande. Esta tecnología cobró fuerza, por así decirlo, a principios del siglo XIX, pero los registros muestran que ya en 1796 se utilizó una draga a vapor para limpiar los lechos de los cursos de agua en Inglaterra.

En 1835, William Otis, primo del industrial estadounidense Elisha Otis, famoso por los ascensores, aplicó energía de vapor para crear una excavadora terrestre de un solo cucharón. Aceptada como la primera máquina terrestre autopropulsada utilizada para la construcción pesada, revolucionó la construcción de líneas ferroviarias. Esta máquina patentada era capaz de mover 300 yd3 por día, mientras que dos hombres y una carretilla prolongarían esta tarea durante quince días.

Unos cincuenta años más tarde, Sir W. G. Armstrong construyó la primera excavadora hidráulica, que se utilizó en la construcción de muelles. Era propulsado por vapor, pero también empleaba cables con sólo accionamiento hidráulico en una función. Un aparte semi-interesante:la compañía de Armstrong finalmente se fusionó con Vickers Limited, pero, lamentablemente, después de mucha investigación, no pude encontrar ningún vínculo con los Vickers de fama hidráulica. De todos modos, la máquina de Armstrong no funcionó muy bien y dejó la puerta abierta para otros. La primera máquina que utilizó únicamente actuadores hidráulicos impulsados ​​por vapor sin la ayuda de ruedas ni cables fue la pala para ferrocarril de vapor Kilgore de 2-1/2 yardas. Esta máquina era productiva, pero al igual que la máquina Armstrong, se limitaba a la construcción de líneas ferroviarias.

Creando un estándar moderno
Pasaría casi otro siglo antes de que las excavadoras tuvieran el aspecto y el funcionamiento que tienen hoy en día. Durante la mayor parte de este lapso, las excavadoras seguirían operadas por cable o algún tipo de híbrido de vapor, mecánico, de cable e hidráulico. Demag (ahora Komatsu) creó la primera excavadora de orugas de 360°, totalmente hidráulica, tal como la conocemos hoy. El Hydraulikbagger de 1954, Figura 1, estaba propulsado por un motor diésel de 3 cilindros y 42 hp y era capaz de alcanzar 2,5 mph mientras transportaba aproximadamente media yarda de material. Era compacto, eficiente, ágil y productivo, especialmente para proyectos de construcción ligeros y moderados.

La Hydraulikbagger de 1954 era una máquina compacta ideal para proyectos de construcción ligeros y moderados. Imagen cortesía de la Biblioteca ASCE

El B504 fue tan eficaz que sus características de construcción son ahora estándar para la industria. Una vez que a las excavadoras se les dotó de funcionamiento totalmente hidráulico, los equipos de construcción tuvieron una utilidad y una productividad que antes no eran posibles. Décadas antes, el dominio del Ford Modelo 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 de autopistas interestatales de Eisenhower comenzó poco después. No estoy afirmando que los eventos estuvieran relacionados de ninguna manera, pero su momento aseguró que la industria de la construcción en Estados Unidos se expandiera como nunca antes.

Los equipos de construcción móviles tomaron forma debido a las ventajas inherentes de la hidráulica; densidad de potencia, controlabilidad y confiabilidad. El primer paso para la maquinaria hidráulica fue lograr que todo funcionara de manera confiable y eficiente, pero debido a que la construcción es una industria competitiva y de bajo margen, los avances fueron rápidos y difíciles. Se perseguía la productividad, lo que necesitaba que las piezas del rompecabezas de potencia, control y confiabilidad encajaran en su lugar.

La primera maquinaria era de circuito abierto de presión moderada, y consistía principalmente en bombas de engranajes y paletas que funcionaban entre 1000 y 2500 psi. Incluso en la década de 1960, cuando las excavadoras hidráulicas dominaban a sus contrapartes operadas por cable, el avance tecnológico fue lento. Los fabricantes de equipos originales vieron los beneficios que proporcionaba el sistema hidráulico, por lo que aplicaron la tecnología a cargadores, traíllas y topadoras, haciéndolos potentes y eficaces. Pero en los años 60, la tecnología de mecanizado no era capaz de proporcionar las tolerancias estrictas necesarias para fabricar bombas, válvulas y actuadores de alta presión.

Presiones más altas, controles sofisticados
A medida que avanzaba el conocimiento aplicado, los fabricantes se dieron cuenta de que la alta presión era la clave para la productividad, y por “alta presión” me refiero a 3000 psi. Las bombas de pistón pueden producir alta presión con eficiencia, pero tenían que dominar espacios más estrechos y diferentes coeficientes de expansión. Las primeras bombas de pistón de desplazamiento variable utilizaban un plato cíclico con operación de palanca para controlar el flujo, lo que proporcionaba una alternativa eficiente de control de velocidad a las válvulas dosificadoras, que desperdiciaban energía.

La década de 1970 podría considerarse la década de la creatividad hidráulica. Para aumentar el control y la productividad, los ingenieros estaban inventando formas inteligentes de controlar el sistema hidráulico. Los primeros accionamientos hidrostáticos se dominaron y aplicaron a los cargadores, permitiéndoles realizar una transición rápida y suave entre el movimiento hacia adelante y hacia atrás. Caterpillar patentó la bomba de pistones axiales con presión compensada y la limitación de par también se desarrolló en la década de la discoteca.

La limitación de par (también conocida como control de caballos de fuerza) es un método para limitar automáticamente el flujo de manera inversamente proporcional a la presión. A medida que aumenta la presión, el flujo disminuye y cuando la presión cae, el flujo aumenta. Este método ofrecía lo mejor de ambos mundos, permitiendo que una excavadora se comportara como si su motor principal tuviera el doble de potencia nominal. Las funciones de giro, pluma, brazo y cucharón podrían moverse rápidamente sin carga, pero luego la bomba cortaría el flujo a medida que aumenta la presión, suministrando la fuerza necesaria para el trabajo pesado.

En la década de 1980, la operación de cables estaba casi extinta en la industria de la construcción. La hidráulica era tan efectiva 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 se podían controlar desde la cabina mediante válvulas piloto. Trate de explicarle a su hijo adolescente que por un joystick solía pasar aceite y que la distancia y el vigor que movía el joystick empujarían el fluido hacia los carretes de las válvulas de control direccional con el mismo esfuerzo.

Ingresar detección de carga
Sin embargo, la proliferación de la tecnología de detección de carga en la década de 1980 liberó caballos de fuerza y, en combinación con la mejora de las tolerancias de mecanizado, la presión (y por lo tanto la densidad de potencia) aumentó rápidamente. La detección de carga permite que la bomba hidráulica proporcione el flujo y la presión exactos requeridos por los actuadores, agregando solo un poco de energía adicional para crear una caída de presión. No era raro ver ahora 4000 psi estándar para las funciones del implemento y más de 5000 psi para el circuito de desplazamiento. Con la detección de carga, ejecutar 5000 psi no paraliza el flujo cuando estás limitado con la potencia de entrada.

Aunque los equipos de construcción móviles tenían los sistemas hidráulicos más avanzados que existen, se quedaban muy cortos en lo que respecta al control electrónico. Incluso el control eléctrico no era un método confiable para operar bombas o válvulas. En la década de 1990 no se vieron muchos avances en los equipos de construcción, especialmente en la forma en que se controlaba el sistema hidráulico. Existía el monitoreo digital de la máquina, pero la mayor parte de la tecnología se proporcionaba para la comodidad del operador:control de clima, sistemas estéreo y cargadores de 12 V.

La llegada de los controles electrónicos
El cambio de siglo vio a los fabricantes de equipos originales de máquinas avanzar con fuerza. Las inminentes normas de emisiones Tier 4 obligaron a los fabricantes a repensar el diseño y la implementación de la maquinaria de construcción. Las funciones de la máquina se controlaban cada vez más electrónicamente, donde los joysticks hidráulicos fueron reemplazados por control proporcional, las cabinas estaban equipadas con pantallas digitales LCD y los intervalos de mantenimiento de la máquina se monitoreaban electrónicamente. Sin embargo, la presión no había aumentado en tres décadas, permaneciendo en el rango de 5000 psi hasta bien entrada la década de 2000.

El topador sobre orugas 21050K, lanzado por John Deere en 2015, era un modelo completamente nuevo, siendo el topador más grande y potente hasta el momento.

La electrónica es ahora prolífica en la industria de la construcción. Al igual que su automóvil, su excavadora tiene modos de rendimiento programables. Puede ejecutarlo en modo “eco” o, con el ajuste de un dial conveniente, aumentarlo al modo de alta potencia. La navegación GPS, la compensación automática de pendiente, el control de tracción y los sistemas de propulsión híbridos se están abriendo camino en la maquinaria de construcción moderna.

La topadora sobre orugas, en la foto, es una máquina con un avance tecnológico sorprendente. Los modelos de alta gama tienen transmisiones hidrostáticas controladas individualmente para las vías izquierda y derecha, cada una de ellas controlada electrónicamente de circuito cerrado. La trayectoria de la topadora se mantiene según el control del operador y el software se adapta independientemente de la carga, el ángulo de giro o la tracción. Están disponibles con aplicaciones de software, registro de datos en tiempo real y respuestas de máquina personalizables. Si un operador prefiere un tacto suave y una alta respuesta de sus controles, mientras que otro prefiere un método de control más lento y atenuado, ambos pueden guardar sus preferencias de perfil de usuario. La máquina no se puede iniciar hasta que el operador ingrese su inicio de sesión, momento en el cual se carga el perfil.

El valor de la densidad de potencia no pasa desapercibido para los fabricantes de topadoras. Las nuevas máquinas se están acercando a los 7000 psi, lo que permite un mayor torque en máquinas más pequeñas y livianas y logra una mejor economía de combustible. La maquinaria más liviana también facilita mucho el transporte hacia y desde los lugares de trabajo y proporciona el beneficio adicional de una menor compactación del suelo.

¿Qué nos depara el futuro?
Entonces, ¿qué le depara el futuro a la hidráulica de equipos de construcción? Es obvio que la presión seguirá aumentando, lo que permitirá que las máquinas más pequeñas y livianas alcancen una productividad que antes solo disfrutaban los equipos grandes y de alta potencia. Los materiales avanzados impregnarán la maquinaria, utilizando tanto fibra de carbono como metales impresos en 3D para aumentar la resistencia y al mismo tiempo reducir el peso.

El control digital con una mayor saturación de los sistemas ciberfísicos será algo común. Se planificará una jornada de trabajo visual de construcción desde una estación de control computarizado, donde todo el trabajo se realiza de forma remota con maquinaria sin operador. Además, la electrificación continua hará que los motores se reemplacen por motores primarios eléctricos y paquetes de baterías. En algún momento, las máquinas serán completamente autónomas, donde se ingresa un mapa topográfico escaneado digitalmente del territorio y se le indica a la máquina cómo nivelar o excavar para alcanzar el resultado deseado.

Los entornos industriales utilizan cada vez más actuadores eléctricos, evitando por completo la energía fluida. Sin embargo, los actuadores eléctricos nunca sustituirán a los actuadores hidráulicos en la maquinaria de construcción. Hago esta audaz predicción porque los cilindros y motores eléctricos nunca podrán ser tan pequeños pero tan potentes como para reemplazar los hidráulicos. Un motor de pistón de eje inclinado de 100 hp puede caber en una caja de zapatos, y eso con los niveles de presión actuales de la industria.

Donde veo que la actuación eléctrica se expande es con la entrega de energía. En lugar de unidades centrales de energía y distribución a través de redes de control hidráulico, los actuadores serán actuadores integrados autónomos. La combinación de servomotor y bomba se integrará en el cilindro hidráulico, que incluirá un pequeño depósito y un colector que contiene todos los controles hidráulicos. Estas unidades serán modulares, configurables y controladas a través de redes inalámbricas, sin dejar de proporcionar la gran fuerza que hace que el sistema hidráulico sea el rey.

La moderna máquina de construcción móvil ha recorrido un largo camino desde las máquinas de vapor de la revolución industrial. El avance continuo hará que las máquinas se vuelvan más productivas, eficientes y poderosas, mientras que la reducción de operadores de máquinas hará que los lugares de trabajo se vuelvan más seguros, especialmente a medida que los robots reemplacen a los trabajadores de la construcción. Pero dudo que vuelva a ver otra valla de piedra recién construida a manos de robots.

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