Do Steam ao Smart:a evolução da hidráulica dos equipamentos de construção

As máquinas móveis modernas mudaram bastante. Aqui está uma olhada em como a hidráulica dos equipamentos de construção mudou nos últimos duzentos anos.

Por Josh Cosford, editor colaborador

Numa estrada perto da minha casa, existe uma cerca de pedra feita à mão, talvez com mais de um metro e meio de altura e cem vezes mais longa. Fabricado a partir de rochas de origem local há alguns séculos, percorro toda a sua extensão ao imaginar os recursos físicos e de tempo utilizados na sua construção. A maquinaria para escavar, transportar e colocar material pesado era incomum em 1800, por isso não posso raciocinar que tenha sido construída usando apenas muitas mãos fortes.

A indústria da construção é tão antiga como a agricultura e, à medida que as necessidades sociais cresciam, também cresciam os requisitos para melhorias na construção. A revolução industrial aumentou exponencialmente a nossa capacidade de construir edifícios e infraestruturas. Técnicas de construção leve e moderada construíram nossas casas e escritórios, enquanto a construção pesada e intensa fez com que as fábricas e as estradas chegassem lá. A cerca de pedra colocada à mão foi obviamente um projeto de construção leve, mas é a construção pesada e intensa, tão adequada à motivação hidráulica, que tem sido importante para a civilização.

A construção moderna ganha força
Uma escavadeira a vapor antiga, usada na construção de linhas ferroviárias. Imagem cortesia de istockphoto.com
A energia do vapor é uma forma de transferência de energia de fluido, mas em vez de ar pressurizado ou fluido hidráulico, a energia térmica é adicionada à água até que ela se transforme em sua forma gasosa. Essa transformação cria pressão à medida que aumenta o volume de gás, que foi capturado em atuadores para alimentar máquinas de grande porte. Esta tecnologia reuniu vapor, por assim dizer, no início do século XIX, mas os registos mostram que já em 1796 uma draga movida a vapor foi usada para limpar os leitos dos cursos de água em Inglaterra.

Em 1835, William Otis, primo do industrial americano Elisha Otis famoso por elevadores, aplicou energia a vapor para criar uma escavadeira terrestre de caçamba única. Aceita como a primeira máquina terrestre autoalimentada usada para construção pesada, ela revolucionou a construção de linhas ferroviárias. Esta máquina patenteada era capaz de mover 300 jardas 3 por dia, onde dois homens e um carrinho de mão arrastariam essa tarefa por quinze dias.

Cerca de cinquenta anos depois, Sir W. G. Armstrong construiu a primeira escavadeira hidráulica, onde foi utilizada na construção de docas. Era movido a vapor, mas também empregava cabos com atuação hidráulica apenas em uma função. Um aparte semi-interessante:a empresa de Armstrong acabou por se fundir com a Vickers Limited, mas, infelizmente, depois de muita pesquisa, não consegui encontrar nenhuma ligação com os Vickers de fama hidráulica. Apesar disso, a máquina de Armstrong não funcionou muito bem e deixou a porta aberta para outros. A primeira máquina a usar apenas atuadores hidráulicos movidos a vapor sem a ajuda de rodas e cabos foi a pá ferroviária a vapor Kilgore de 2-1/2 jardas. Esta máquina era produtiva, mas como a máquina Armstrong, estava limitada à construção de linhas ferroviárias.

Criando um padrão moderno
Levaria quase mais um século até que as escavadeiras tivessem a aparência e a operação que têm hoje. Durante a maior parte deste período, as escavadeiras permaneceriam operadas por cabo ou algum tipo de híbrido a vapor, mecânico, a cabo e hidráulico. A Demag (agora Komatsu) criou a primeira escavadeira de esteira 360°, totalmente hidráulica, como a conhecemos hoje. O Hydraulikbagger 1954, Figura 1, era movido por um motor diesel de 3 cilindros e 42 HP e capaz de atingir 4 km/h enquanto transportava cerca de meio metro de material. Era compacto, eficiente, ágil e produtivo, principalmente para projetos de construção leve e moderada.
O Hydraulikbagger 1954 era uma máquina compacta ideal para projetos de construção leves e moderados. Imagem cortesia da Biblioteca ASCE
O B504 foi tão eficaz que suas características de construção são agora padrão na indústria. Depois que as escavadeiras passaram a ter operação totalmente hidráulica, os equipamentos de construção passaram a ter utilidade e produtividade antes impossíveis. Décadas antes, o domínio do Ford Modelo T abriria caminho (isso mesmo, eu fui lá) para o desenvolvimento de rodovias interestaduais. O B504 foi cronometrado perfeitamente porque o desenvolvimento do Sistema Rodoviário Interestadual de Eisenhower começou logo depois. Não estou afirmando que os acontecimentos estivessem de alguma forma relacionados, mas o seu timing garantiu que a indústria da construção na América se expandisse como nunca antes.

O equipamento móvel de construção tomou forma devido às vantagens inerentes à hidráulica; densidade de potência, controlabilidade e confiabilidade. O primeiro passo para o maquinário hidráulico foi fazer com que tudo funcionasse de maneira confiável e eficiente, mas como a construção é um setor competitivo e com margens baixas, os avanços foram rápidos e difíceis. A produtividade foi perseguida, o que precisava que as peças do quebra-cabeça de potência, controle e confiabilidade se encaixassem.

O maquinário inicial era de circuito aberto de pressão moderada, consistindo principalmente de bombas de engrenagens e palhetas operando de 1.000 a 2.500 psi. Mesmo na década de 1960, quando as escavadoras hidráulicas dominavam as suas homólogas operadas por cabo, o avanço tecnológico foi lento. Os OEMs perceberam os benefícios proporcionados pela hidráulica e aplicaram a tecnologia em carregadeiras, raspadores e tratores, tornando-os potentes e eficazes. Mas na década de 60, a tecnologia de usinagem não era capaz de fornecer as tolerâncias rigorosas necessárias para fabricar bombas, válvulas e atuadores de alta pressão.

Pressões mais altas, controles sofisticados
À medida que o conhecimento aplicado avançava, os fabricantes perceberam que a alta pressão era a chave para a produtividade – e por “alta pressão”, quero dizer 3.000 psi. As bombas de pistão podem produzir alta pressão com eficiência, mas tiveram que dominar folgas mais estreitas e diferentes coeficientes de expansão. As primeiras bombas de pistão de deslocamento variável usavam uma placa oscilante com operação de alavanca para controlar o fluxo, fornecendo uma alternativa eficiente de controle de velocidade às válvulas de medição, que desperdiçavam energia.

A década de 1970 pode ser considerada a década da criatividade hidráulica. Para aumentar o controle e a produtividade, os engenheiros estavam inventando maneiras inteligentes de controlar a hidráulica. Os primeiros acionamentos hidrostáticos foram dominados e aplicados às carregadeiras, permitindo-lhes fazer uma transição rápida e suave entre o movimento de avanço e ré. A Caterpillar patenteou a bomba de pistão axial com compensação de pressão e a limitação de torque também foi desenvolvida na década da discoteca.

A limitação de torque (também conhecida como controle de potência) é um método para limitar automaticamente o fluxo inversamente proporcional à pressão. À medida que a pressão aumenta, o fluxo diminui e, quando a pressão cai, o fluxo aumenta. Este método proporcionou o melhor dos dois mundos, permitindo que uma escavadeira se comportasse como se seu motor principal tivesse o dobro da potência nominal. As funções de giro, lança, braço e caçamba poderiam se mover rapidamente sem carga, mas a bomba cortaria o fluxo à medida que a pressão aumentasse, fornecendo a força necessária para trabalhos pesados.

Na década de 1980, a operação de cabos estava quase extinta na indústria da construção. A hidráulica era tão eficaz que até as funções de controle eram operadas por piloto hidráulico, o que era uma tecnologia mais antiga. Os freios, a direção e as funções da máquina podiam ser acionadas a partir da cabine por meio de válvulas piloto. Tente explicar ao seu filho adolescente que um joystick costumava ter óleo passando por ele, e a distância e o vigor que o joystick movia empurrariam o fluido para os carretéis das válvulas de controle direcional com o mesmo esforço.

Insira o sensor de carga
No entanto, a proliferação da tecnologia de detecção de carga na década de 1980 liberou potência e, em combinação com a melhoria das tolerâncias de usinagem, a pressão (e, portanto, a densidade de potência) aumentou rapidamente. A detecção de carga permite que a bomba hidráulica forneça o fluxo e a pressão exatos exigidos pelos atuadores, adicionando apenas um pouco de energia extra para criar uma queda de pressão. Não era incomum vermos agora 4.000 psi padrão para as funções do implemento e mais de 5.000 psi para o circuito de deslocamento. Com detecção de carga, operar 5.000 psi não prejudica o fluxo quando você está limitado pela potência de entrada.

Embora os equipamentos móveis de construção possuíssem os sistemas hidráulicos mais avançados existentes, eles ficaram muito aquém no que diz respeito ao controle eletrônico. Mesmo o controle elétrico não era um método confiável para operar bombas ou válvulas. A década de 1990 não viu muitos avanços nos equipamentos de construção, especialmente na forma como a hidráulica era controlada. Existia monitoramento digital da máquina, mas a maior parte da tecnologia foi fornecida para o conforto do operador – controle climático, sistemas estéreo e carregadores de 12 V.

O advento dos controles eletrônicos
A virada do século viu os OEMs de máquinas fortemente armados para o progresso. Os iminentes padrões de emissões Tier 4 forçaram os fabricantes a repensar o design e a implementação de máquinas de construção. As funções das máquinas foram cada vez mais controladas eletronicamente, onde os joysticks hidráulicos foram substituídos por controle proporcional, as cabines foram equipadas com displays digitais LCD e os intervalos de manutenção das máquinas foram monitorados eletronicamente. No entanto, a pressão não aumentou em três décadas, permanecendo na faixa de 5.000 psi até o final dos anos 2000.
O buldôzer de esteira 21050K, lançado pela John Deere em 2015, era um modelo completamente novo, sendo o maior e mais potente buldôzer até então.
A eletrônica agora é prolífica na indústria da construção. Assim como seu carro, sua escavadeira possui modos de desempenho programáveis. Você pode operar no modo “eco” ou, com o ajuste de um dial conveniente, aumentar o modo de alta potência. A navegação GPS, a compensação automática de inclinação, o controle de tração e os sistemas de acionamento híbrido estão entrando nas modernas máquinas de construção.

O trator sobre esteiras, na foto, é uma máquina de surpreendente avanço tecnológico. Os modelos de última geração possuem acionamentos hidrostáticos controlados individualmente para os trilhos esquerdo e direito, cada um deles controlado eletronicamente em circuito fechado. O caminho da lâmina é mantido com base no controle do operador, e o software adapta-se independentemente da carga, do ângulo de giro ou da tração. Eles estão disponíveis com aplicativos de software, registro de dados em tempo real e respostas personalizáveis ​​da máquina. Se um operador preferir um toque leve e alta resposta de seus controles, enquanto outro preferir um método de controle mais lento e atenuado, ambos poderão salvar suas preferências de perfil de usuário. A máquina não pode ser iniciada até que o operador insira seu login, momento em que o perfil é carregado.

O valor da densidade de potência não passa despercebido aos fabricantes de buldôzeres. Novas máquinas estão chegando aos 7.000 psi, permitindo maior torque em máquinas menores e mais leves e proporcionando maior economia de combustível. Máquinas mais leves também facilitam muito o transporte de e para os locais de trabalho e proporcionam um benefício adicional de redução da compactação do solo.

O que o futuro reserva?
Então, o que o futuro reserva para a hidráulica de equipamentos de construção? É óbvio que a pressão continuará a aumentar, permitindo que máquinas mais pequenas e mais leves alcancem a produtividade anteriormente desfrutada apenas por equipamentos grandes e de alta potência. Materiais avançados permearão as máquinas, usando fibra de carbono e metais impressos em 3D para aumentar a resistência e reduzir o peso.

O controle digital com maior saturação dos sistemas ciberfísicos será comum. Uma jornada de trabalho visual será planejada a partir de uma estação de controle informatizada, onde todo o trabalho será realizado remotamente com máquinas sem operador. Além disso, a eletrificação contínua fará com que os motores sejam substituídos por motores elétricos e baterias. Em algum momento, as máquinas serão totalmente autônomas, onde um mapa topográfico escaneado digitalmente do território será inserido e a máquina será informada sobre como nivelar ou escavar para corresponder ao resultado desejado.

Os ambientes industriais veem cada vez mais atuadores elétricos, evitando completamente a energia fluida. No entanto, os atuadores elétricos nunca substituirão os atuadores hidráulicos em máquinas de construção. Faço esta previsão ousada porque os cilindros e motores eléctricos nunca podem ser tão pequenos mas tão potentes que substituam a hidráulica. Um motor de pistão de eixo dobrado de 100 HP pode caber em uma caixa de sapatos, e isso está nos atuais níveis de pressão da indústria.

Onde vejo a expansão da atuação elétrica é com o fornecimento de energia. Em vez de unidades centrais de energia e distribuição através de redes de controle hidráulico, os atuadores serão atuadores integrados e independentes. A combinação de servomotor e bomba será incorporada ao cilindro hidráulico, que incluirá um pequeno reservatório e coletor contendo todos os controles hidráulicos. Estas unidades serão modulares, configuráveis ​​e controladas através de redes sem fios, ao mesmo tempo que proporcionam a elevada força que faz da hidráulica o rei.

A moderna máquina de construção móvel percorreu um longo caminho desde as máquinas movidas a vapor da revolução industrial. O avanço contínuo fará com que as máquinas se tornem mais produtivas, eficientes e poderosas, enquanto a redução de operadores de máquinas fará com que os locais de trabalho se tornem mais seguros, especialmente à medida que os robôs substituem os trabalhadores da construção civil. Mas duvido que algum dia veja outra cerca de pedra recém-construída pelas mãos de robôs.

Você também pode gostar de: