Von Steam zu Smart:Die Entwicklung der Baumaschinenhydraulik

Moderne mobile Arbeitsmaschinen haben sich stark verändert. Hier sehen Sie, wie sich die Hydraulik von Baumaschinen in den letzten paar hundert Jahren verändert hat.

Von Josh Cosford, Mitherausgeber

An einer Straße in der Nähe meines Hauses steht ein handverlegter Steinzaun, vielleicht 1,20 m hoch und hundertmal so lang. Es wurde vor einigen Jahrhunderten aus lokal gewonnenen Steinen gefertigt und ich fahre voller Ehrfurcht darüber, wenn ich mir die physischen und zeitlichen Ressourcen vorstelle, die für seinen Bau aufgewendet wurden. Die Maschinen zum Ausheben, Transportieren und Verlegen von schwerem Material waren im 19. Jahrhundert ungewöhnlich, daher kann ich nicht annehmen, dass für den Bau etwas anderes als viele starke Hände nötig waren.

Die Bauindustrie ist so alt wie die Landwirtschaft, und mit den wachsenden gesellschaftlichen Bedürfnissen wuchs auch der Bedarf an Verbesserungen im Bauwesen. Die industrielle Revolution hat unsere Fähigkeit zum Bau von Gebäuden und Infrastruktur exponentiell erweitert. Leichte und mittelschwere Bautechniken bauten unsere Häuser und Büros, während schwere und intensive Bauarbeiten die Fabriken und die Straßen dorthin errichteten. Der von Hand gelegte Steinzaun war offensichtlich ein leichtes Bauprojekt, aber es ist die schwere und intensive Konstruktion, die sich so gut für den hydraulischen Antrieb eignet, die für die Zivilisation wichtig war.

Modernes Bauen nimmt Fahrt auf

Ein alter Dampfbagger, der beim Bau von Eisenbahnstrecken eingesetzt wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von istockphoto.com

Dampfkraft ist eine Form der Energieübertragung durch Fluidkraft. Anstelle von Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit wird dem Wasser jedoch Wärmeenergie zugeführt, bis es in seine gasförmige Form übergeht. Diese Umwandlung erzeugt mit zunehmendem Gasvolumen Druck, der in Aktuatoren erfasst wird, um große Maschinen anzutreiben. Diese Technologie gewann sozusagen im frühen 19. Jahrhundert an Fahrt, aber Aufzeichnungen belegen, dass bereits 1796 in England ein dampfbetriebener Bagger eingesetzt wurde, um die Gewässerbetten in England freizumachen.

Im Jahr 1835 nutzte William Otis, Cousin des amerikanischen Industriellen Elisha Otis, der als Aufzug berühmt war, Dampfenergie, um einen Landbagger mit einer Schaufel zu bauen. Sie galt als die erste landgestützte Maschine mit eigenem Antrieb für schwere Bauarbeiten und revolutionierte den Bau von Eisenbahnstrecken. Diese patentierte Maschine war in der Lage, 300 yd3 pro Tag zu bewegen, während zwei Männer und eine Schubkarre diese Aufgabe auf zwei Wochen hinausziehen würden.

Etwa fünfzig Jahre später baute Sir W. G. Armstrong den ersten hydraulischen Bagger, der beim Bau von Docks eingesetzt wurde. Es war dampfbetrieben, nutzte aber auch Kabel mit nur hydraulischer Betätigung für eine Funktion. Ein halbwegs interessanter Nebenbemerkung:Armstrongs Unternehmen fusionierte schließlich mit Vickers Limited, aber enttäuschenderweise konnte ich nach vielen Recherchen keine Verbindung zu den Vickers des berühmten Hydraulikunternehmens finden. Unabhängig davon funktionierte Armstrongs Maschine nicht besonders gut und ließ die Tür für andere offen. Die erste Maschine, die nur dampfbetriebene hydraulische Antriebe ohne die Hilfe von Rädern und Kabeln verwendete, war der Kilgore 2-1/2 Yard Steam Railway Shovel. Diese Maschine war produktiv, aber wie die Armstrong-Maschine war sie auf den Eisenbahnbau beschränkt.

Einen modernen Standard schaffen
Es sollte fast ein weiteres Jahrhundert dauern, bis Bagger so aussahen und funktionierten wie heute. Während des größten Teils dieser Zeitspanne blieben die Bagger seilbetrieben oder eine Art Dampf-, Mechanik-, Seilzug- und Hydraulik-Hybrid. Demag (heute Komatsu) entwickelte den ersten vollhydraulischen 360°-Kettenbagger, wie wir ihn heute kennen. Der Hydraulikbagger von 1954, Abbildung 1, wurde von einem 42 PS starken 3-Zylinder-Diesel angetrieben und schaffte eine Geschwindigkeit von 2,5 Meilen pro Stunde, während er etwa einen halben Meter Material transportierte. Es war kompakt, effizient, wendig und produktiv, insbesondere für leichte und mittelschwere Bauprojekte.

Der Hydraulikbagger von 1954 war eine kompakte Maschine, die sich ideal für leichte und mittelschwere Bauprojekte eignete. Bild mit freundlicher Genehmigung der ASCE Library

Der B504 war so effektiv, dass seine Konstruktionsmerkmale heute zum Branchenstandard gehören. Sobald Bagger über einen vollhydraulischen Betrieb verfügten, waren Baumaschinen in der Lage, einen Nutzen und eine Produktivität zu erzielen, die zuvor nicht möglich waren. Jahrzehnte zuvor ebnete die Vorherrschaft des Ford Model T den Weg (das stimmt, ich bin dorthin gegangen) für die Entwicklung von Autobahnen zwischen den Bundesstaaten. Die B504 kam zum perfekten Zeitpunkt, da kurz darauf mit der Entwicklung des Eisenhower Interstate Highway Systems begonnen wurde. Ich behaupte nicht, dass die Ereignisse in irgendeiner Weise miteinander zusammenhängen, aber ihr Timing sorgte dafür, dass die Bauindustrie in Amerika wie nie zuvor wachsen würde.

Mobile Baumaschinen entstanden aufgrund der inhärenten Vorteile der Hydraulik. Leistungsdichte, Steuerbarkeit und Zuverlässigkeit. Der erste Schritt bei hydraulischen Maschinen bestand darin, dafür zu sorgen, dass alles zuverlässig und effizient funktioniert. Da das Baugewerbe jedoch eine wettbewerbsintensive Branche mit geringen Gewinnspannen ist, waren die Fortschritte schnell und schwierig. Produktivität wurde angestrebt, und dazu mussten die Puzzleteile Leistung, Kontrolle und Zuverlässigkeit zusammenpassen.

Frühe Maschinen waren offene Kreislaufmaschinen mit mittlerem Druck, die hauptsächlich aus Zahnrad- und Flügelzellenpumpen mit einem Druck von 1.000–2.500 psi bestanden. Selbst in den 1960er Jahren, als hydraulische Bagger ihre kabelbetriebenen Gegenstücke dominierten, war der technologische Fortschritt nur langsam. Die OEMs erkannten die Vorteile der Hydraulik und wandten die Technologie auf Lader, Scraper und Planierraupen an, um sie leistungsstark und effektiv zu machen. Doch in den 60er Jahren war die Bearbeitungstechnologie nicht in der Lage, die engen Toleranzen zu gewährleisten, die für die Herstellung von Hochdruckpumpen, Ventilen und Aktuatoren erforderlich waren.

Höhere Drücke, ausgefeilte Steuerungen
Mit der Weiterentwicklung des angewandten Wissens erkannten die Hersteller, dass hoher Druck der Schlüssel zur Produktivität ist – und mit „hohem Druck“ meine ich 3.000 psi. Kolbenpumpen können effizient hohe Drücke erzeugen, mussten jedoch engere Spaltmaße und unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten bewältigen. Frühe Kolbenpumpen mit variabler Verdrängung verwendeten eine Taumelscheibe mit Hebelbetätigung zur Steuerung des Durchflusses und stellten eine effiziente Alternative zur Geschwindigkeitssteuerung zu Dosierventilen dar, die Energie verschwendeten.

Die 1970er Jahre könnten als das Jahrzehnt der hydraulischen Kreativität bezeichnet werden. Um die Kontrolle und Produktivität zu steigern, erfanden Ingenieure clevere Möglichkeiten zur Steuerung der Hydraulik. Die ersten hydrostatischen Antriebe wurden beherrscht und bei Ladern eingesetzt, um ihnen einen schnellen und reibungslosen Übergang zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zu ermöglichen. Caterpillar ließ sich die druckkompensierte Axialkolbenpumpe patentieren und im Jahrzehnt der Disco wurde auch die Drehmomentbegrenzung entwickelt.

Die Drehmomentbegrenzung (auch PS-Steuerung genannt) ist eine Methode zur automatischen Begrenzung des Durchflusses umgekehrt proportional zum Druck. Wenn der Druck steigt, sinkt der Durchfluss, und wenn der Druck sinkt, nimmt der Durchfluss zu. Diese Methode bot das Beste aus beiden Welten und ermöglichte es einem Bagger, sich so zu verhalten, als ob seine Antriebsmaschine die doppelte Nennleistung hätte. Die Funktionen „Schwenken“, „Ausleger“, „Stiel“ und „Löffel“ könnten sich alle ohne Last schnell bewegen, aber dann würde die Pumpe den Durchfluss unterbrechen, wenn der Druck ansteigt, und so die für schwere Arbeiten erforderliche Kraft bereitstellen.

In den 1980er Jahren war der Kabelbetrieb im Baugewerbe nahezu ausgestorben. Die Hydraulik war so effektiv, dass sogar die Steuerfunktionen hydraulisch vorgesteuert wurden, was eine ältere Technologie war. Die Bremsen, die Lenkung und die Maschinenfunktionen konnten vom Fahrerhaus aus über Vorsteuerventile bedient werden. Versuchen Sie Ihrem Teenager zu erklären, dass durch einen Joystick früher Öl floss und dass die Entfernung und Kraft, die der Joystick bewegte, mit der gleichen Kraft Flüssigkeit auf die Spulen der Wegeventile drücken würde.

Load-Sensing eingeben
Durch die Verbreitung der Load-Sensing-Technologie in den 1980er Jahren wurden jedoch Pferdestärken frei, und in Kombination mit verbesserten Bearbeitungstoleranzen stieg der Druck (und damit die Leistungsdichte) rasch an. Durch die Lasterkennung kann die Hydraulikpumpe genau den von den Aktuatoren benötigten Durchfluss und Druck bereitstellen und dabei nur wenig zusätzliche Energie hinzufügen, um einen Druckabfall zu erzeugen. Es war nicht ungewöhnlich, jetzt standardmäßig 4.000 psi für die Gerätefunktionen und mehr als 5.000 psi für den Fahrkreislauf zu sehen. Dank Load-Sensing führt der Betrieb mit 5.000 psi nicht zu einer Beeinträchtigung des Durchflusses, wenn die Eingangsleistung begrenzt ist.

Obwohl mobile Baumaschinen über die fortschrittlichsten hydraulischen Systeme verfügten, blieben sie in puncto elektronischer Steuerung weit hinter den Erwartungen zurück. Selbst die elektrische Steuerung war keine bewährte Methode zum Betreiben von Pumpen oder Ventilen. In den 1990er Jahren gab es bei Baumaschinen keine großen Fortschritte, insbesondere bei der Steuerung der Hydraulik. Es gab eine digitale Maschinenüberwachung, aber der Großteil der Technologie wurde für den Bedienerkomfort bereitgestellt – Klimaanlage, Stereoanlagen und 12-V-Ladegeräte.

Das Aufkommen elektronischer Steuerungen
Um die Jahrhundertwende drängten sich die Maschinenhersteller zum Fortschritt. Die bevorstehende Abgasnorm Tier 4 zwang die Hersteller dazu, die Konstruktion und Implementierung von Baumaschinen zu überdenken. Maschinenfunktionen wurden zunehmend elektronisch gesteuert, hydraulische Joysticks wurden durch Proportionalsteuerung ersetzt, Kabinen wurden mit LCD-Digitalanzeigen ausgestattet und Maschinenwartungsintervalle wurden elektronisch überwacht. Der Druck war jedoch seit drei Jahrzehnten nicht gestiegen und blieb bis weit in die späten 2000er Jahre im Bereich von 5.000 psi.

Der Raupendozer 21050K, der 2015 von John Deere auf den Markt gebracht wurde, war ein völlig neues Modell und der bisher größte und leistungsstärkste Raupendozer.

Elektronik ist mittlerweile in der Bauindustrie weit verbreitet. Genau wie Ihr Auto verfügt auch Ihr Bagger über programmierbare Leistungsmodi. Sie können im „Eco“-Modus laufen oder ihn mit einem praktischen Drehknopf in den Hochleistungsmodus hochfahren. GPS-Navigation, automatischer Neigungsausgleich, Traktionskontrolle und Hybridantriebssysteme halten Einzug in moderne Baumaschinen.

Der abgebildete Raupendozer ist eine Maschine mit überraschendem technologischen Fortschritt. High-End-Modelle verfügen über individuell gesteuerte hydrostatische Antriebe für die linke und rechte Raupe, die jeweils elektronisch im geschlossenen Regelkreis gesteuert werden. Die Spur des Bulldozers wird basierend auf der Bedienersteuerung beibehalten und die Software passt sich unabhängig von Last, Drehwinkel oder Traktion an. Sie sind mit Softwareanwendungen, Echtzeit-Datenprotokollierung und anpassbaren Maschinenreaktionen erhältlich. Wenn ein Bediener eine federleichte und hohe Reaktionsfähigkeit seiner Bedienelemente bevorzugt, während ein anderer eine langsamere, gedämpfte Steuerungsmethode bevorzugt, können beide ihre Benutzerprofilpräferenzen speichern. Die Maschine kann erst gestartet werden, wenn der Bediener sein Login eingibt. Anschließend wird das Profil geladen.

Der Wert der Leistungsdichte geht den Planierraupenherstellern nicht verloren. Neue Maschinen nähern sich dem Druck von 7.000 psi, was ein höheres Drehmoment bei kleineren, leichteren Maschinen ermöglicht und zu einer verbesserten Kraftstoffeffizienz führt. Leichtere Maschinen erleichtern auch den Transport zu und von der Baustelle erheblich und bieten als Nebeneffekt eine geringere Bodenverdichtung.

Was bringt die Zukunft?
Wie sieht also die Zukunft für die Hydraulik von Baumaschinen aus? Es ist offensichtlich, dass der Druck weiter zunehmen wird, sodass kleinere, leichtere Maschinen eine Produktivität erreichen können, die bisher nur großen, leistungsstarken Geräten vorbehalten war. Fortschrittliche Materialien werden in Maschinen eindringen und sowohl Kohlefasern als auch 3D-gedruckte Metalle verwenden, um die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren.

Digitale Steuerung mit zunehmender Sättigung cyberphysischer Systeme wird alltäglich sein. Ein Sichtarbeitstag auf der Baustelle wird von einer Computer-Kontrollstation aus geplant, wo alle Arbeiten aus der Ferne mit bedienerlosen Maschinen durchgeführt werden. Darüber hinaus wird die fortschreitende Elektrifizierung dazu führen, dass Motoren durch elektrische Antriebsmaschinen und Batteriepakete ersetzt werden. Irgendwann werden die Maschinen völlig autonom sein, wenn eine digital gescannte topografische Karte des Gebiets eingegeben wird und der Maschine gesagt wird, wie sie planieren oder ausheben muss, um die gewünschte Leistung zu erzielen.

In industriellen Umgebungen kommen zunehmend elektrische Antriebe zum Einsatz und verzichten gänzlich auf Fluidantriebe. Elektrische Aktuatoren werden jedoch niemals hydraulische Aktuatoren in Baumaschinen ersetzen. Ich mache diese kühne Vorhersage, weil elektrische Zylinder und Motoren niemals so klein und dennoch so leistungsstark sein können, dass sie die Hydraulik ersetzen könnten. Ein 100 PS starker Schrägachsen-Kolbenmotor passt in einen Schuhkarton, und das bei den aktuellen branchenüblichen Druckniveaus.

Ich sehe eine Ausweitung der elektrischen Betätigung bei der Leistungsabgabe. Anstelle zentraler Antriebseinheiten und der Verteilung über hydraulische Steuernetzwerke werden die Aktuatoren eigenständige integrierte Aktuatoren sein. Die Kombination aus Servomotor und Pumpe wird in den Hydraulikzylinder eingebaut, der einen kleinen Behälter und einen Verteiler mit allen Hydrauliksteuerungen enthält. Diese Einheiten werden modular, konfigurierbar und über drahtlose Netzwerke gesteuert sein und dennoch die hohe Kraft liefern, die die Hydraulik zum König macht.

Die moderne mobile Baumaschine hat im Vergleich zu den dampfbetriebenen Maschinen der industriellen Revolution einen langen Weg zurückgelegt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung wird dazu führen, dass Maschinen produktiver, effizienter und leistungsfähiger werden, während die Reduzierung der Maschinenbediener dazu führt, dass Arbeitsplätze sicherer werden, insbesondere da Roboter die Bauarbeiter ersetzen. Aber ich bezweifle, dass ich jemals wieder einen von Robotern neu errichteten Steinzaun sehen werde.

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