Maszyna budowlana

Maszyna budowlana to maszyna robocza przeznaczona do prac ziemnych, drogowych, inżynierii lądowej lub budownictwa wysokiego, której podstawowe funkcje napędowe i sterujące opierają się na układach hydraulicznych. Hydrauliczne maszyny budowlane przekształcają ciśnienie płynu w siłę mechaniczną i ruch, dzięki czemu są w stanie pokonywać obciążenia, których nie da się osiągnąć przy użyciu wyłącznie napędów mechanicznych.

Hydraulika jako technologia napędowa w maszynach budowlanych

Bez hydrauliki nie można sobie wyobrazić nowoczesnych maszyn budowlanych. Hydraulika zapewnia wysoką gęstość mocy, niezbędną do podnoszenia ciężkich ładunków, spulchniania gruntu lub przemieszczania całych maszyn za pomocą układu gąsienicowego. Sam silnik spalinowy nie jest w stanie bezpośrednio wykonać tych zadań. Dopiero przekształcenie mocy mechanicznej w energię ciśnienia hydraulicznego i jej dystrybucja za pomocą zaworów i przewodów umożliwia wykonywanie różnorodnych ruchów roboczych maszyny budowlanej.

W niemal każdej maszynie budowlanej działa centralny obieg hydrauliczny, zasilany przez jedną lub więcej pomp. Pompa zasysa olej hydrauliczny ze zbiornika i tłoczy go pod wysokim ciśnieniem do odbiorników. W zależności od typu maszyny i zadania roboczego stosuje się różne rodzaje układów, od prostych obiegów otwartych po systemy Load-Sensing, które dostosowują przepływ do zapotrzebowania, oszczędzając w ten sposób energię.

Główne typy maszyn budowlanych i ich układy hydrauliczne

Świat maszyn budowlanych jest zróżnicowany, a każdy typ maszyny stawia własne wymagania wobec układu hydraulicznego. Poniższe sekcje zawierają przegląd najważniejszych typów i ich specyficznych cech hydraulicznych.

Koparka hydrauliczna

Koparka hydrauliczna jest najpopularniejszą maszyną budowlaną. Jej charakterystyczne narzędzie robocze składa się z wysięgnika, ramienia i łyżki, które są poruszane wyłącznie za pomocą siłowników hydraulicznych. Układ hydrauliczny dwustronnego działania zasila siłowniki po obu stronach tłoka olejem pod ciśnieniem, umożliwiając w ten sposób mocne ruchy do przodu i do tyłu. Ruch obrotowy nadwozia odbywa się za pomocą silnika obrotowego, a również układ gąsienicowy jest napędzany hydraulicznie. Nowoczesne koparki wykorzystują pompy regulacyjne z regulacją Load-Sensing, aby rozdzielać przepływ objętościowy zgodnie z zapotrzebowaniem i zmniejszyć zużycie paliwa.

Ładowarki kołowe

Ładowarki kołowe wykorzystują hydraulikę przede wszystkim do podnoszenia i przechylania łyżki ładującej. W przeciwieństwie do koparek, w tym przypadku na pierwszym planie są szybkie cykle robocze. Pompa hydrauliczna musi dostarczać duże natężenie przepływu, aby siłownik mógł szybko podnosić i przechylać łyżkę. W wielu ładowarkach kołowych silnik hydrauliczny napędza dodatkowo układ jezdny, co pozwala na płynną regulację prędkości bez mechanicznej skrzyni biegów.

Żurawie i urządzenia dźwigowe

Żurawie należą do maszyn budowlanych o najwyższych wymaganiach bezpieczeństwa w zakresie hydrauliki. Nie chodzi tu tylko o siłę, ale także o precyzję i niezawodność. Wciągarka jest często napędzana silnikiem hydraulicznym, a regulacja wysięgnika i podpór odbywa się za pomocą siłowników. Zawory hamulcowe i zawory utrzymujące obciążenie zabezpieczają ładunek w przypadku utraty ciśnienia i zapobiegają niekontrolowanemu opadaniu.

Spycharki i walce

Spycharki wykorzystują siłowniki hydrauliczne do regulacji wysokości i nachylenia lemiesza. W walcach hydraulika służy do sterowania i wywoływania drgań. Silnik hydrauliczny napędza niewyważenie, które powoduje drgania walca, a tym samym zagęszcza grunt. Ciśnienia robocze w tych maszynach mieszczą się zazwyczaj w zakresie od 200 do 350 barów.

Elementy hydrauliczne w maszynach budowlanych

Niezależnie od typu maszyny, układy hydrauliczne w maszynach budowlanych składają się z tych samych podstawowych elementów. Wybór i doborze tych elementów decyduje o wydajności maszyny.

Pompy hydrauliczne

Pompa jest sercem każdej hydraulicznej maszyny budowlanej. W ciężkich maszynach, takich jak koparki i dźwigi, dominują pompy osiowo-tłokowe z regulacją, ponieważ mogą one płynnie dostosowywać natężenie przepływu do zapotrzebowania. W prostszych maszynach stosuje się również pompy zębate, które są niedrogie i wytrzymałe, ale mają stałą objętość wyporową. Typowe ciśnienia robocze wynoszą od 250 barów w maszynach lekkich do ponad 400 barów w narzędziach hydraulicznych, takich jak młoty wyburzeniowe.

Siłowniki hydrauliczne

Siłowniki hydrauliczne przekształcają ciśnienie płynu w ruch liniowy. Napędzają one wysięgniki, ramiona, łyżki i podpory. W maszynach budowlanych stosuje się prawie wyłącznie siłowniki dwustronnego działania, ponieważ muszą one wywierać siłę w obu kierunkach ruchu. Siłowniki muszą wytrzymywać duże obciążenia: obciążenia udarowe, siły boczne i ekstremalne wahania temperatury na placu budowy.

Silniki hydrauliczne

Silniki hydrauliczne wytwarzają ruch obrotowy z oleju pod ciśnieniem. W maszynach budowlanych napędzają one układy gąsienicowe, mechanizmy obrotowe, wciągarki i dmuchawy. Silniki tłokowe promieniowe o niskiej prędkości obrotowej są stosowane w zastosowaniach wymagających wysokiego momentu obrotowego przy niskiej prędkości obrotowej, na przykład w wciągarkach linowych. Silniki tłokowe osiowe pokrywają zakres średnich prędkości obrotowych i często znajdują zastosowanie w napędach jezdnych i obrotowych.

Zawory sterujące

Zawory kierunkowe, ciśnieniowe i przepływowe sterują i regulują dystrybucję oleju hydraulicznego. W nowoczesnych maszynach budowlanych elektrohydrauliczne zawory proporcjonalne coraz częściej zastępują sterowanie czysto mechaniczne. Umożliwiają one bardziej precyzyjne dozowanie ciśnienia i przepływu objętościowego i mogą być obsługiwane za pomocą joysticków i elektronicznych urządzeń sterujących. Zawory Load-Sensing dostosowują ciśnienie w układzie do najwyższego ciśnienia obciążenia, zmniejszając w ten sposób straty podczas pracy z częściowym obciążeniem.

Ciśnienia robocze i klasy mocy

Wybór układu hydraulicznego zależy od klasy mocy maszyny budowlanej. Lekkie maszyny, takie jak minikoparki, pracują przy ciśnieniu roboczym około 250 barów i natężeniu przepływu w zakresie jednocyfrowym litrów na minutę. Maszyny średniej wielkości, takie jak 20-tonowe koparki, pracują przy ciśnieniu od 300 do 350 barów. Ciężkie maszyny budowlane, takie jak duże koparki i żurawie gąsienicowe, osiągają ciśnienie 400 barów i więcej. Ciśnienia graniczne systemu są ustalane przez zawory ograniczające ciśnienie, które są ustawione na około 5 do 10 procent powyżej ciśnienia znamionowego, aby złagodzić skoki ciśnienia.

Normy i przepisy bezpieczeństwa

Układ hydrauliczny w maszynach budowlanych podlega surowym normom i przepisom, ponieważ awaria może stanowić zagrożenie dla ludzi i maszyn. Główną normą określającą wymagania bezpieczeństwa dla układów hydraulicznych jest norma DIN EN ISO 4413. Reguluje ona budowę, sterowanie i zabezpieczenia układów hydraulicznych w maszynach i jest uzupełniona normą DIN EN ISO 13849-1 dotyczącą elementów sterujących związanych z bezpieczeństwem.

Na poziomie europejskim dyrektywa maszynowa 2006/42/WE wymaga, aby maszyny były zaprojektowane i zbudowane w taki sposób, aby uniknąć zagrożeń związanych z energią hydrauliczną. Załącznik I punkt 1. 5. 3 określa wymagania dotyczące przewodów niemetalowych, ograniczeń ciśnienia i zabezpieczeń przed wyciekiem. Nowe rozporządzenie UE w sprawie maszyn 2023/1230 rozszerza te wymagania i zastępuje dotychczasową dyrektywę.

W Niemczech obowiązują dodatkowo rozporządzenie w sprawie bezpieczeństwa pracy (BetrSichV) oraz norma DGUV 113-020, która reguluje postępowanie z przewodami hydraulicznymi i płynami hydraulicznymi. Nakłada ona obowiązek przeprowadzania badań przed pierwszym uruchomieniem oraz w regularnych odstępach czasu. Dyrektywa w sprawie urządzeń ciśnieniowych 2014/68/UE może również mieć zastosowanie do niektórych elementów ciśnieniowych w hydraulice.

Konserwacja i utrzymanie

Niezawodność hydraulicznej maszyny budowlanej zależy w znacznym stopniu od konserwacji układu hydraulicznego. Warunki panujące na placu budowy, pył, wahania temperatury i obciążenia mechaniczne mają duży wpływ na elementy.

Jakość oleju i filtrowanie

Czystość oleju hydraulicznego ma decydujące znaczenie dla trwałości pomp, zaworów i siłowników. Zanieczyszczenia cząstkami stałymi powodują zużycie ścierne w drobnych szczelinach zaworów proporcjonalnych i pomp. Regularne analizy oleju i terminowa wymiana filtrów pozwalają utrzymać czystość oleju na wymaganym poziomie. Stopień dokładności filtracji zależy od wrażliwości elementów; w przypadku zaworów proporcjonalnych stosuje się zazwyczaj filtry o dokładności rzędu pojedynczych mikrometrów.

Przewody hydrauliczne

Węże hydrauliczne należą do części zużywających się, które należy regularnie sprawdzać i wymieniać. Norma DGUV 113-020 wymaga kontroli wzrokowej przewodów wężowych pod kątem pęknięć, ścierania, odkształceń i nieszczelności. W przypadku widocznych usterek lub po przekroczeniu zalecanego okresu użytkowania węże należy wymienić. Pęknięcie węża wysokociśnieniowego może prowadzić do obrażeń spowodowanych wyciekiem oleju pod wysokim ciśnieniem oraz do pożarów spowodowanych gorącym płynem hydraulicznym.

Uszczelki i części zużywające się

Uszczelki w cylindrach i zaworach starzeją się pod wpływem obciążeń termicznych i mechanicznych. Kruche lub odkształcone uszczelki powodują wycieki wewnętrzne, które obniżają wydajność systemu i mogą sprawić, że maszyna stanie się niekontrolowana. Regularne sprawdzanie i wymiana uszczelek są częścią standardowego planu konserwacji każdej maszyny budowlanej.

Trendy i zmiany

Hydraulika w maszynach budowlanych wciąż się rozwija, napędzana presją na wydajność, normami emisji i postępem w elektronice.

Elektrohydraulika i systemy Load-Sensing

Systemy elektrohydrauliczne zastępują mechaniczne łańcuchy sterujące sygnałami elektronicznymi i zaworami proporcjonalnymi. Poprawia to precyzję obsługi i umożliwia zautomatyzowanie procesów roboczych. Systemy Load-Sensing dostosowują ciśnienie tłoczenia i natężenie przepływu pompy do rzeczywistych potrzeb odbiorników. Znacznie zmniejsza to straty podczas pracy z częściowym obciążeniem i obniża zużycie paliwa.

Napędy hybrydowe i elektryczne

Pierwsi producenci oferują maszyny budowlane z napędami elektrycznymi lub hybrydowo-elektrycznymi. W maszynach tych pompę hydrauliczną napędza silnik elektryczny zamiast silnika wysokoprężnego. Układ hydrauliczny pozostaje jako układ przenoszenia mocy, ponieważ zapewnia gęstość mocy niezbędną do prac ziemnych i podnoszenia. Połączenie napędu elektrycznego i inteligentnego sterowania hydraulicznego obiecuje znaczne obniżenie emisji na placu budowy.

Monitorowanie cyfrowe

Czujniki rejestrują ciśnienie, temperaturę, przepływ objętościowy i stan zużycia bezpośrednio na elementach hydraulicznych. Dane trafiają do nadrzędnych układów sterowania i platform chmurowych, umożliwiając konserwację opartą na stanie technicznym. Sztywne, z góry ustalone interwały konserwacji ustępują miejsca podejściu opartemu na zapotrzebowaniu, co zmniejsza przestoje i zwiększa dostępność maszyn budowlanych.