Bouwmachine

Een bouwmachine is een werkmachine voor grond-, wegen-, grond- of hoogbouw, waarvan de primaire aandrijf- en besturingsfuncties op hydraulische systemen zijn gebaseerd. Hydraulische bouwmachines zetten de druk van een vloeistof om in mechanische kracht en beweging en kunnen zo belastingen aan die met puur mechanische aandrijvingen nauwelijks haalbaar zijn.

Hydraulica als aandrijftechniek in bouwmachines

Zonder hydraulica zouden moderne bouwmachines ondenkbaar zijn. Hydraulica levert de hoge vermogensdichtheid die nodig is om zware lasten te heffen, grond los te maken of hele machines via rupsbanden voort te bewegen. Een verbrandingsmotor alleen kan deze taken niet direct uitvoeren. Pas de omzetting van het mechanische vermogen in hydraulische drukenergie en de distributie daarvan via kleppen en leidingen maakt de veelzijdige werkbewegingen van een bouwmachine mogelijk.

In bijna elke bouwmachine werkt een centraal hydraulisch circuit dat door een of meerdere pompen wordt gevoed. De pomp zuigt hydraulische olie uit de tank en voert deze onder hoge druk naar de verbruikers. Afhankelijk van het machinetype en de taak worden verschillende schakelingstypen gebruikt, van eenvoudige open circuits tot load-sensing-systemen, die het debiet aanpassen aan de behoefte en zo energie besparen.

Belangrijke typen bouwmachines en hun hydraulische systemen

De wereld van de bouwmachines is divers en elk type machine stelt zijn eigen eisen aan het hydraulische systeem. De volgende paragrafen geven een overzicht van de belangrijkste typen en hun hydraulische bijzonderheden.

Hydraulische graafmachine

De hydraulische graafmachine is de meest voorkomende bouwmachine. Zijn kenmerkende werktuig bestaat uit een giek, een stang en een bak, die uitsluitend door hydraulische cilinders worden bewogen. Een dubbelwerkend hydraulisch systeem voorziet de cilinders aan beide zijden van de zuiger van drukolie en maakt zo krachtige voorwaartse en achterwaartse bewegingen mogelijk. De draaibeweging van de bovenwagen gebeurt via een zwenkmotor en ook het rupsonderstel wordt hydraulisch aangedreven. Moderne graafmachines maken gebruik van verstelbare pompen met load-sensing-regeling om het debiet naar behoefte te verdelen en het brandstofverbruik te verlagen.

Wielladers

Wielladers gebruiken hydraulica voornamelijk voor het heffen en kantelen van de laadbak. In tegenstelling tot graafmachines staan hier snelle werkcycli centraal. De hydraulische pomp moet een hoog debiet leveren, zodat de cilinder de bak snel kan heffen en kantelen. Bij veel wielladers drijft een hydraulische motor bovendien het onderstel aan, wat een traploze snelheidsregeling zonder mechanische versnellingsbak mogelijk maakt.

Kranen en hijswerktuigen

Kranen behoren tot de bouwmachines met de hoogste veiligheidseisen aan de hydraulica. Hier gaat het niet alleen om kracht, maar ook om precisie en betrouwbaarheid. De hijslier wordt vaak aangedreven door een hydraulische motor, de verstelling van de giek en de ondersteuning gebeuren via cilinders. Remkleppen en lasthoudkleppen beveiligen de last bij drukverlies en voorkomen een ongecontroleerde daling.

Bulldozers en walsen

Bulldozers gebruiken hydraulische cilinders voor de hoogte- en hellingsverstelling van de schaal. Bij walsen wordt hydraulica gebruikt voor de besturing en de trillingsaandrijving. Een hydraulische motor drijft de onbalans aan, die de wals laat trillen en zo de grond verdicht. De werkdrukken in deze machines liggen meestal tussen 200 en 350 bar.

Hydraulische componenten in bouwmachines

Ongeacht het type machine bestaan de hydraulische systemen in bouwmachines uit dezelfde basiscomponenten. De keuze en dimensionering van deze componenten bepalen de prestaties van de machine.

Hydraulische pompen

De pomp is het hart van elke hydraulische bouwmachine. In zware machines zoals graafmachines en kranen domineren verstelbare axiale zuigerpompen, omdat ze het debiet traploos aan de behoefte kunnen aanpassen. In eenvoudigere machines worden ook tandwielpompen gebruikt, die voordelig en robuust zijn, maar een vast verdringingsvolume hebben. Typische werkdrukken variëren van 250 bar bij lichte machines tot meer dan 400 bar bij hydraulisch gereedschap zoals sloophamers.

Hydraulische cilinders

Hydraulische cilinders zetten de vloeistofdruk om in lineaire beweging. Ze drijven gieken, stelen, bakken en steunen aan. In bouwmachines worden bijna uitsluitend dubbelwerkende cilinders gebruikt, omdat ze kracht in beide bewegingsrichtingen moeten uitoefenen. De cilinders moeten bestand zijn tegen hoge belastingen: stootbelastingen, zijkrachten en extreme temperatuurschommelingen op de bouwplaats.

Hydraulische motoren

Hydraulische motoren zetten de drukolie om in een draaiende beweging. In bouwmachines drijven ze rupsbanden, zwenkinrichtingen, lieren en ventilatoren aan. Langzaam draaiende radiale zuigermotoren worden gebruikt bij toepassingen met een hoog koppel bij een laag toerental, bijvoorbeeld bij kabellieren. Axiale zuigermotoren bestrijken het bereik van gemiddelde toerentallen en zijn vaak te vinden in rij- en zwenkaandrijvingen.

Regelkleppen

Wegkleppen, drukventielen en stroomventielen sturen en regelen de verdeling van de hydraulische olie. In moderne bouwmachines vervangen elektrohydraulische proportionele ventielen in toenemende mate puur mechanische besturingen. Ze maken een fijnere dosering van druk en debiet mogelijk en kunnen worden bediend via joysticks en elektronische besturingsapparatuur. Load-sensing-ventielen passen de systeemdruk aan de hoogste belastingsdruk aan en verminderen zo de verliezen bij deellastbedrijf.

Werkdrukken en vermogensklassen

Het ontwerp van het hydraulische systeem is afhankelijk van de vermogensklasse van de bouwmachine. Lichte machines zoals minigraafmachines werken met werkdrukken rond de 250 bar en debieten in het bereik van enkele liters per minuut. Middelzware machines zoals 20-tons graafmachines werken bij 300 tot 350 bar. Zware bouwmachines zoals grote graafmachines en rupskranen bereiken drukken van 400 bar en meer. De systeemgrensdrukken worden bepaald door drukbegrenzingsventielen, die ongeveer 5 tot 10 procent boven de nominale druk liggen om drukpieken op te vangen.

Normen en veiligheidsvoorschriften

Hydraulische systemen in bouwmachines zijn onderworpen aan strenge normen en voorschriften, omdat een storing mensen en machines in gevaar kan brengen. De centrale norm voor de veiligheidstechnische eisen aan hydraulische installaties is DIN EN ISO 4413. Deze regelt de opbouw, de besturing en de beveiliging van hydraulische systemen in machines en wordt aangevuld door DIN EN ISO 13849-1 voor veiligheidsgerelateerde besturingsonderdelen.

Op Europees niveau vereist de Machinerichtlijn 2006/42/EG dat machines zo worden ontworpen en gebouwd dat gevaren door hydraulische energie worden vermeden. Bijlage I, punt 1. 5. 3, specificeert de eisen voor niet-metalen leidingen, drukbeperkingen en lekkagebeveiliging. De nieuwe EU-machinerichtlijn 2023/1230 breidt deze eisen uit en volgt de huidige richtlijn op.

In Duitsland zijn bovendien de Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) en de DGUV-regel 113-020 van toepassing, die het omgaan met hydraulische slangen en hydraulische vloeistoffen regelen. Deze regel schrijft keuringen voor vóór de eerste ingebruikname en met regelmatige tussenpozen. De Richtlijn drukapparatuur 2014/68/EU kan eveneens van toepassing zijn op bepaalde drukcomponenten in de hydraulica.

Onderhoud en reparatie

De betrouwbaarheid van een hydraulische bouwmachine hangt in belangrijke mate af van het onderhoud van het hydraulische systeem. Bouwplaatsomstandigheden, stof, temperatuurschommelingen en mechanische belasting zetten de componenten zwaar onder druk.

Oliekwaliteit en filtering

De zuiverheid van de hydraulische olie is bepalend voor de levensduur van pompen, ventielen en cilinders. Deeltjesverontreinigingen veroorzaken slijtage door schuren aan de fijne spleten in proportionele ventielen en pompen. Regelmatige olieanalyses en tijdige filtervervanging houden de zuiverheid van de olie op het vereiste niveau. De filterfijnheid is afhankelijk van de gevoeligheid van de componenten; bij proportionele ventielen zijn filters met een fijnheid in het bereik van enkele micrometers gebruikelijk.

Slangleidingen

Hydrauliekslangen behoren tot de slijtageonderdelen die regelmatig moeten worden gecontroleerd en vervangen. De DGUV-regel 113-020 schrijft een visuele inspectie van de slangleidingen voor op scheuren, slijtage, vervorming en lekkages. Bij zichtbare gebreken of na overschrijding van de aanbevolen gebruiksduur moeten de slangen worden vervangen. Het barsten van een hogedrukslang kan leiden tot letsel door onder hoge druk uitstromende olie en tot brand door hete hydraulische vloeistof.

Afdichtingen en slijtageonderdelen

Afdichtingen in cilinders en kleppen verouderen door thermische en mechanische belasting. Broze of vervormde afdichtingen leiden tot interne lekkages, die de efficiëntie van het systeem verminderen en de machine onbestuurbaar kunnen maken. Het regelmatig controleren en vervangen van afdichtingen maakt deel uit van het standaardonderhoudsschema van elke bouwmachine.

Trends en ontwikkelingen

De hydraulica in bouwmachines blijft zich ontwikkelen, gedreven door de druk om efficiëntie te verhogen, emissievoorschriften en de vooruitgang op het gebied van elektronica.

Elektrohydraulica en load-sensing

Elektrohydraulische systemen vervangen mechanische stuurketens door elektronische signalen en proportionele ventielen. Dit verbetert de bedieningsnauwkeurigheid en maakt geautomatiseerde werkprocessen mogelijk. Load-sensing-systemen passen de persdruk en het debiet van de pomp aan de werkelijke behoefte van de verbruikers aan. Dit vermindert de verliezen bij deellastbedrijf aanzienlijk en verlaagt het brandstofverbruik.

Hybride en elektrische aandrijvingen

De eerste fabrikanten bieden bouwmachines aan met elektrische of hybride-elektrische aandrijvingen. In deze machines drijft een elektromotor de hydraulische pomp aan in plaats van een dieselmotor. De hydraulica blijft behouden als krachtoverbrenging, omdat deze de vermogensdichtheid levert die nodig is voor grond- en hijswerkzaamheden. De combinatie van een elektrische aandrijving en een intelligente hydraulische besturing belooft een aanzienlijke vermindering van de uitstoot op de bouwplaats.

Digitale monitoring

Sensoren meten druk, temperatuur, debiet en slijtagetoestand direct op de hydraulische componenten. De gegevens worden doorgegeven aan overkoepelende besturingen en cloudplatforms en maken conditiegericht onderhoud mogelijk. Vaste onderhoudsintervallen maken zo plaats voor een op behoefte gebaseerde aanpak, die stilstandtijd vermindert en de beschikbaarheid van de bouwmachine verhoogt.