蒸気からスマートへ:建設機械の油圧の進化
現代の移動機械はかなり変化しています。ここでは、建設機械の油圧が過去数百年にわたってどのように変化したかを見てみましょう。
寄稿編集者、Josh Cosford 著
私の家の近くの道路には、おそらく高さ4フィート、長さはその100倍もある、手で敷かれた石の柵が存在します。数世紀前に地元で採れた岩から作られたもので、その建設に費やされた物理的資源と時間的資源を想像しながら、私は畏敬の念を抱きながらその全長を運転します。 1800 年代には、重い材料を掘削し、運搬し、敷設するための機械は珍しいものでした。ですから、多くの屈強な人々以外にこの建物が建設されたとは考えられません。
建設業界は農業と同じくらい歴史があり、社会のニーズが高まるにつれ、建設の改善に対する要求も高まりました。産業革命により、建物やインフラを建設する能力が飛躍的に増大しました。軽度かつ中程度の建設技術が私たちの家やオフィスを建設し、重くて激しい建設技術が工場やそこに行くための道路を作りました。手作りの石柵は明らかに軽い建設プロジェクトでしたが、文明にとって重要であった水力学的動機に非常に適した重くて激しい建設です。
最新の建築が注目を集める
鉄道線路の建設に使用されたビンテージの蒸気掘削機。画像提供：istockphoto.com蒸気動力は流体動力エネルギー伝達の一種ですが、加圧空気や作動油の代わりに、水が気体になるまで熱エネルギーが水に追加されます。この変換によりガスの体積が増加するにつれて圧力が発生し、その圧力がアクチュエータに取り込まれて大型機械に動力を供給します。この技術は、19 世紀初頭にいわば蒸気を集めたものでしたが、記録によると、1796 年にはイギリスの水路の底を取り除くために蒸気動力の浚渫船が使用されていました。
1835 年、エレベーターで有名なアメリカの実業家エリシャ オーティスのいとこであるウィリアム オーティスは、蒸気エネルギーを利用してシングルバケット陸上掘削機を作成しました。この機械は、重建設に使用される初の自家動力式陸上機械として採用され、鉄道路線の建設に革命をもたらしました。この特許取得済みの機械は 1 日あたり 300 ヤード 3 移動でき、男性 2 名と手押し車 1 台でこの作業に 2 週間かかりました。
約 50 年後、W. G. アームストロング卿は油圧を使用した最初の掘削機を製造し、ドックの建設に使用されました。蒸気動力を使用していましたが、1 つの機能に油圧作動のみを備えたケーブルも採用されていました。半ば興味深い余談ですが、アームストロングの会社は最終的にヴィッカース社と合併しましたが、残念なことに、多くの調査を行った結果、油圧で有名なヴィッカース社との関連性は見つかりませんでした。いずれにせよ、アームストロングのマシンはあまりうまく機能せず、他の人のためにドアを開けたままにしておきました。ホイールやケーブルの助けを借りずに蒸気動力の油圧アクチュエーターのみを使用した最初の機械は、キルゴア 2-1/2 ヤード蒸気鉄道ショベルでした。この機械は生産的でしたが、アームストロング機械と同様、鉄道建設に限定されていました。
現代の標準の作成
掘削機が今日のように見え、操作できるようになるまでには、さらに 1 世紀近くかかりました。このスパンのほとんどにおいて、掘削機はケーブル駆動、またはある種の蒸気、機械、ケーブル、油圧のハイブリッドのままになります。デマーグ (現コマツ) は、今日知られている最初の 360 度全油圧式トラック駆動掘削機を開発しました。 1954 年の Hydraulikbagger (図 1) は、42 馬力の 3 気筒ディーゼルを搭載し、約 0.5 ヤードの資材を運びながら時速 2.5 マイルの速度で走行できました。これは、特に軽度および中程度の建設プロジェクトにおいて、コンパクト、効率的、俊敏性、生産性が優れていました。
B504 は非常に効果的だったので、その構造上の特徴は現在業界の標準となっています。掘削機に完全な油圧操作が与えられると、建設機械は以前は不可能だった実用性と生産性を実現できるようになりました。数十年前、フォード モデル T の優位性により、州間高速道路の開発への道が開かれました (そうです、私はそこに行きました)。アイゼンハワーの州間高速道路システムの開発がそのすぐ後に始まったため、B504 は完璧なタイミングで登場しました。これらの出来事が何らかの形で関連しているとは主張しませんが、そのタイミングにより、アメリカの建設業界はこれまでにないほど拡大することが確実になりました。
移動式建設機械は、油圧の固有の利点により誕生しました。電力密度、制御性、信頼性。油圧機械の最初のステップは、すべてを確実かつ効率的に動作させることでしたが、建設業界は競争が激しく、利益率が低いため、進歩は急速かつ困難でした。生産性が追求されるため、パワー、コントロール、信頼性というパズルのピースが所定の位置に収まる必要がありました。
初期の機械は中圧オープン ループで、主に 1,000 ～ 2,500 psi で動作するギア ポンプとベーン ポンプで構成されていました。油圧ショベルがケーブル式掘削機の主流を占めていた 1960 年代でさえ、技術の進歩は遅かった。 OEM は油圧がもたらす利点を認識し、その技術をローダー、スクレーパー、ブルドーザーに適用して、強力かつ効果的なものにしました。しかし 60 年代の機械加工技術では、高圧ポンプ、バルブ、アクチュエーターの製造に必要な厳密な公差を提供できませんでした。
より高い圧力、洗練された制御
応用知識が進むにつれ、メーカーは高圧が生産性の鍵であることに気づきました。「高圧」とは 3,000 psi のことです。ピストンポンプは効率よく高圧を生成できますが、より狭いクリアランスと異なる膨張係数を習得する必要がありました。初期の可変容量ピストン ポンプは、流量制御にレバー操作を備えた斜板を使用しており、エネルギーを浪費する計量バルブに代わる効率的な速度制御を提供していました。
1970 年代は水力学的創造性の 10 年と言えるでしょう。制御と生産性を向上させるために、エンジニアは油圧を制御する賢い方法を発明していました。最初の静水圧駆動は習得され、ローダーに適用され、前進と後進の間で迅速かつスムーズに移行できるようになりました。 Caterpillar は圧力補償アキシャル ピストン ポンプの特許を取得しており、トルク制限機能もディスコの 10 年に開発されました。
トルク制限 (馬力制御とも呼ばれる) は、圧力に反比例して流量を自動的に制限する方法です。圧力が上昇すると流量は減少し、圧力が低下すると流量は増加します。この方法は両方の長所を生かし、掘削機が原動機が定格馬力の 2 倍であるかのように動作できるようにしました。スイング、ブーム、アーム、バケットの機能はすべて、無負荷状態で急速に動作しますが、圧力が上昇するとポンプが流れを遮断し、重作業に必要な力を供給します。
1980 年代までに、建設業界ではケーブル運用はほぼ絶滅しました。油圧は非常に効果的だったので、制御機能さえも古い技術であった油圧パイロット操作でした。ブレーキ、ステアリング、機械の機能は、パイロットバルブを使用してキャブから操作できます。ジョイスティックの中にはオイルが流れており、ジョイスティックが動いた距離と勢いによって、同じ力で方向制御バルブのスプールに液体が押し出されていたことを、10 代の子供に説明してみてください。
負荷検知を開始
しかし、1980 年代の負荷検知技術の普及により馬力が解放され、加工公差の向上と相まって圧力 (したがって出力密度) が急速に増加しました。負荷感知により、油圧ポンプはアクチュエータに必要な正確な流量と圧力を提供できるようになり、圧力降下を引き起こす追加エネルギーはほんの少しだけ追加されます。現在では、作業機機能の標準値が 4,000 psi、走行回路の標準値が 5,000 psi 以上であることも珍しくありません。負荷検知機能を使用すると、入力馬力が制限されている場合でも、5,000 psi を実行しても流れを妨げることはありません。
移動式建設機械には最先端の油圧システムが搭載されていましたが、電子制御に関してははるかに及ばなかったのです。電気制御ですら、ポンプやバルブを操作する信頼できる方法ではありませんでした。 1990 年代には、建設機械、特に油圧の制御方法に大きな進歩は見られませんでした。デジタル マシン モニタリングは存在していましたが、空調制御、ステレオ システム、12 V 充電器など、テクノロジーのほとんどはオペレータの快適性を目的として提供されていました。
電子制御の登場
世紀に入ると、機械 OEM は強力な力を持って進歩を遂げました。 Tier 4 排出基準が迫りつつあるため、メーカーは建設機械の設計と実装を再考する必要がありました。機械の機能はますます電子的に制御されるようになり、油圧ジョイスティックが比例制御に置き換えられ、キャブには LCD デジタル ディスプレイが取り付けられ、機械のメンテナンス間隔が電子的に監視されるようになりました。しかし、圧力は 30 年間上昇しておらず、2000 年代後半になっても 5,000 psi の範囲にとどまっていました。
現在、建設業界ではエレクトロニクスが多用されています。車と同じように、掘削機にもプログラム可能なパフォーマンス モードがあります。 「エコ」モードで実行することも、便利なダイヤルを調整してハイパワーモードに切り替えることもできます。 GPS ナビゲーション、自動勾配補正、トラクション コントロール、ハイブリッド ドライブ システムは、最新の建設機械に導入されています。
写真のクローラードーザーは、驚くべき技術進歩を遂げた機械です。ハイエンドモデルには、左右のトラックに個別に制御される静水圧ドライブがあり、それぞれ閉ループ電子制御されています。ブルドーザーの経路はオペレーターの制御に基づいて維持され、ソフトウェアは荷重、回転角度、牽引力に関係なく対応します。これらは、ソフトウェア アプリケーション、リアルタイム データ ロギング、カスタマイズ可能なマシン応答とともに利用できます。あるオペレーターがフェザータッチの高い応答性のコントロールを好み、別のオペレーターが低速で減衰されたコントロール方法を好む場合、両方ともユーザー プロファイルの設定を保存できます。オペレータがログイン情報を入力するまでマシンは起動できません。ログイン情報が入力された時点でプロファイルがロードされます。
電力密度の価値はブルドーザーのメーカーにとって失われることはありません。新しい機械は 7,000 psi に近づき、小型軽量の機械でより高いトルクを実現し、燃費の向上を実現します。また、機械が軽量になると、作業現場への往復の輸送がはるかに容易になり、地面の圧縮が軽減されるという副次的な利点も得られます。
将来はどうなるでしょうか?
それでは、建設機械の油圧の将来はどうなるでしょうか?圧力が今後も上昇し続けることは明らかであり、これにより、より小型で軽量の機械が、これまで大型で高出力の装置のみが享受していた生産性を達成できるようになります。先進的な素材は機械に浸透し、カーボンファイバーと 3D プリントされた金属の両方を使用して、軽量化しながら強度を高めます。
サイバーフィジカルシステムの飽和度が高まったデジタル制御が一般的になるでしょう。建設現場での作業日はコンピューター制御ステーションから計画され、すべての作業はオペレーターのいない機械を使用して遠隔で実行されます。同様に、継続的な電動化により、エンジンは電動原動機とバッテリーパックに置き換えられるでしょう。ある時点で、機械は完全に自律型になり、デジタルでスキャンされた領域の地形図が入力され、望ましい出力に合わせて整地または掘削の方法を機械に指示されるようになります。
産業環境では、流体動力を完全に避けて電動アクチュエータがますます使用されています。ただし、電動アクチュエータが建設機械の油圧アクチュエータに置き換わることはありません。私がこの大胆な予測をするのは、電気シリンダーやモーターを油圧に代わるほど小型でありながら強力なものにすることは決してできないからです。 100 馬力の屈曲軸ピストン モーターは靴箱に収まりますが、これは現在の業界の圧力レベルです。
電動アクチュエーションの拡大が見られるのは、電力供給です。中央のパワーユニットや油圧制御ネットワークを介した分配の代わりに、アクチュエータは自己完結型の統合型アクチュエータになります。サーボモーターとポンプの組み合わせは油圧シリンダーに組み込まれ、油圧シリンダーにはすべての油圧制御を含む小さなリザーバーとマニホールドが含まれます。これらのユニットはモジュール式で構成可能で、無線ネットワーク経由で制御できると同時に、油圧を王様にする高い力を提供します。
現代の移動式建設機械は、産業革命の蒸気動力の機械から大きく進歩しました。継続的な進歩により、機械はより生産的、効率的、強力になる一方、機械オペレーターの削減により、特にロボットが建設作業員に取って代わるため、作業現場はより安全になるでしょう。しかし、ロボットの手によって新たに建設された石垣を見ることはもう二度とないだろう。
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