Mașină de construcții

Un utilaj de construcții este o mașină de lucru destinată lucrărilor de terasament, construcției de drumuri, ingineriei civile sau construcțiilor de înălțime, ale cărei funcții principale de acționare și comandă se bazează pe sisteme hidraulice. Utilajele hidraulice de construcții transformă presiunea unui fluid în forță mecanică și mișcare, reușind astfel să facă față unor sarcini care ar fi aproape imposibil de realizat cu sisteme de acționare pur mecanice.

Hidraulica ca tehnologie de acționare în utilajele de construcții

Fără hidraulică, utilajele moderne de construcții ar fi de neimaginat. Hidraulica asigură densitatea ridicată a puterii necesară pentru ridicarea sarcinilor grele, afânarea solului sau deplasarea întregii mașini pe șenile. Un motor cu ardere internă nu poate îndeplini direct aceste sarcini. Abia transformarea puterii mecanice în energie hidraulică sub formă de presiune și distribuirea acesteia prin supape și conducte fac posibile mișcările diverse ale unei mașini de construcții.

În aproape fiecare utilaj de construcții funcționează un circuit hidraulic central, alimentat de una sau mai multe pompe. Pompa aspiră uleiul hidraulic din rezervor și îl transportă sub presiune ridicată către consumatori. În funcție de tipul mașinii și de sarcina de lucru, se utilizează diferite tipuri de circuite, de la simple circuite deschise până la sisteme Load-Sensing, care adaptează debitul în funcție de necesități și economisesc astfel energie.

Tipuri importante de utilaje de construcții și sistemele lor hidraulice

Lumea utilajelor de construcții este variată, iar fiecare tip de utilaj are cerințe specifice privind sistemul hidraulic. Secțiunile următoare oferă o prezentare generală a celor mai importante tipuri și a particularităților lor hidraulice.

Excavatorul hidraulic

Excavatorul hidraulic este cel mai răspândit utilaj de construcții. Echipamentul său de lucru caracteristic este format din braț, balustradă și cupă, care sunt mișcate exclusiv de cilindri hidraulici. Un sistem hidraulic cu dublă acțiune alimentează cilindrii cu ulei sub presiune pe ambele părți ale pistonului, permițând astfel mișcări puternice înainte și înapoi. Mișcarea de rotație a carcasei superioare se realizează printr-un motor de rotire, iar trenul de rulare cu șenile este, de asemenea, acționat hidraulic. Excavatoarele moderne utilizează pompe reglabile cu control Load-Sensing pentru a distribui debitul de volum în funcție de necesități și pentru a reduce consumul de combustibil.

Încărcătoare pe roți

Încărcătoarele pe roți utilizează sistemul hidraulic în principal pentru mișcarea de ridicare și basculare a cupei de încărcare. Spre deosebire de excavatoare, aici accentul se pune pe cicluri de lucru rapide. Pompa hidraulică trebuie să furnizeze debite mari, astfel încât cilindrul să ridice și să basculeze rapid cupa. La multe încărcătoare pe roți, un motor hidraulic acționează în plus șasiul, ceea ce permite o reglare continuă a vitezei fără transmisie mecanică.

Macarale și dispozitive de ridicare

Macaralele se numără printre utilajele de construcții cu cele mai ridicate cerințe de siguranță pentru sistemul hidraulic. Aici nu este vorba doar de forță, ci și de precizie și fiabilitate. Troliul de ridicare este adesea acționat de un motor hidraulic, iar reglarea brațului și sprijinirea se realizează prin cilindri. Supapele de frânare și supapele de menținere a sarcinii asigură sarcina în cazul pierderii de presiune și împiedică coborârea necontrolată.

Buldozere și cilindri compactori

Buldozerele utilizează cilindri hidraulici pentru reglarea înălțimii și a înclinării lamei. În cazul cilindrilor compactori, sistemul hidraulic este utilizat pentru direcție și pentru generarea vibrațiilor. Un motor hidraulic acționează balanța, care face cilindrul să vibreze și astfel să compacteze solul. Presiunile de lucru în aceste utilaje se situează de obicei între 200 și 350 bar.

Componente hidraulice în utilajele de construcții

Indiferent de tipul mașinii, sistemele hidraulice din utilajele de construcții sunt alcătuite din aceleași componente de bază. Alegerea și dimensionarea acestor componente determină performanța mașinii.

Pompe hidraulice

Pompa este inima oricărei mașini hidraulice de construcții. În mașinile grele, cum ar fi excavatoarele și macaralele, predomină pompele cu pistoane axiale reglabile, deoarece acestea pot adapta debitul în mod continuu la cerințe. În utilajele mai simple se utilizează și pompe cu roți dințate, care sunt economice și robuste, dar au un volum de deplasare fix. Presiunile tipice de funcționare variază de la 250 bar la utilajele ușoare până la peste 400 bar la uneltele hidraulice, cum ar fi ciocanele de demolare.

Cilindri hidraulici

Cilindrii hidraulici transformă presiunea fluidului în mișcare liniară. Aceștia acționează brațele, tije, cupele și picioarele de sprijin. În utilajele de construcții se utilizează aproape exclusiv cilindri cu dublă acțiune, deoarece aceștia trebuie să exercite forță în ambele direcții de mișcare. Cilindrii trebuie să reziste la sarcini mari: sarcini de șoc, forțe laterale și variații extreme de temperatură pe șantier.

Motoare hidraulice

Motoarele hidraulice generează o mișcare de rotație din uleiul sub presiune. În utilajele de construcții, acestea acționează trenurile de rulare cu lanț, mecanismele de rotire, troliile și suflantele. Motoarele cu pistoane radiale cu turație redusă sunt utilizate în aplicații cu cuplu ridicat la turație redusă, de exemplu la troliile cu cablu. Motoarele cu pistoane axiale acoperă domeniul turațiilor medii și se regăsesc frecvent în sistemele de acționare a deplasării și rotirii.

Supape de comandă

Supapele de direcție, supapele de presiune și supapele de debit controlează și reglează distribuția uleiului hidraulic. În utilajele moderne de construcții, supapele proporționale electrohidraulice înlocuiesc din ce în ce mai mult sistemele de comandă pur mecanice. Acestea permit o dozare mai fină a presiunii și a debitului și pot fi acționate prin joystick-uri și dispozitive electronice de comandă. Supapele Load-Sensing adaptează presiunea sistemului la cea mai mare presiune de sarcină, reducând astfel pierderile în regim de sarcină parțială.

Presiuni de funcționare și clase de putere

Proiectarea sistemului hidraulic depinde de clasa de putere a utilajului de construcții. Utilajele ușoare, cum ar fi mini-excavatoarele, funcționează la presiuni de lucru de aproximativ 250 bar și debite de ordinul zecilor de litri pe minut. Mașinile de greutate medie, cum ar fi excavatoarele de 20 de tone, funcționează la 300 până la 350 bar. Mașinile de construcții grele, cum ar fi excavatoarele de mare capacitate și macaralele pe șenile, ating presiuni de 400 bar și mai mult. Presiunile limită ale sistemului sunt stabilite de supapele de limitare a presiunii, care se situează cu aproximativ 5 până la 10 la sută peste presiunea nominală, pentru a absorbi vârfurile de presiune.

Standarde și norme de siguranță

Sistemele hidraulice din utilajele de construcții sunt supuse unor standarde și reglementări stricte, deoarece o defecțiune poate pune în pericol oamenii și utilajele. Standardul central pentru cerințele tehnice de siguranță ale sistemelor hidraulice este DIN EN ISO 4413. Acesta reglementează structura, controlul și protecția sistemelor hidraulice din mașini și este completat de DIN EN ISO 13849-1 pentru componentele de control legate de siguranță.

La nivel european, Directiva privind mașinile 2006/42/CE impune ca mașinile să fie proiectate și construite astfel încât să se evite pericolele generate de energia hidraulică. Anexa I, punctul 1. 5. 3, specifică cerințele privind conductele nemetalice, limitarea presiunii și protecția împotriva scurgerilor. Noul Regulament UE privind mașinile 2023/1230 extinde aceste cerințe și succede directivei anterioare.

În Germania se aplică, de asemenea, Regulamentul privind siguranța în exploatare (BetrSichV) și norma DGUV 113-020, care reglementează manipularea conductelor hidraulice și a lichidelor hidraulice. Aceasta prevede efectuarea de verificări înainte de prima punere în funcțiune și la intervale regulate. Directiva privind echipamentele sub presiune 2014/68/UE poate fi, de asemenea, aplicabilă pentru anumite componente sub presiune din sistemul hidraulic.

Întreținere și reparații

Fiabilitatea unui utilaj hidraulic de construcții depinde în mare măsură de întreținerea sistemului hidraulic. Condițiile de șantier, praful, variațiile de temperatură și solicitările mecanice afectează puternic componentele.

Calitatea uleiului și filtrarea

Curățenia uleiului hidraulic este decisivă pentru durata de viață a pompelor, supapelor și cilindrilor. Impuritățile sub formă de particule provoacă uzură abrazivă la nivelul spațiilor fine din supapele proporționale și pompe. Analizele periodice ale uleiului și schimbarea la timp a filtrelor mențin puritatea uleiului la nivelul cerut. Gradul de finețe al filtrului depinde de sensibilitatea componentelor; în cazul supapelor proporționale, sunt obișnuite filtre cu un grad de finețe în domeniul micrometric de o singură cifră.

Furtunuri

Furtunurile hidraulice fac parte din piesele de uzură care trebuie verificate și înlocuite periodic. Norma DGUV 113-020 impune o inspecție vizuală a conductelor cu furtun pentru a detecta fisuri, abraziune, deformări și scurgeri. În cazul defectelor vizibile sau după depășirea duratei de utilizare recomandate, furtunurile trebuie înlocuite. Ruperea unui furtun de înaltă presiune poate duce la răniri cauzate de scurgerea uleiului sub presiune ridicată și la incendii provocate de lichidul hidraulic fierbinte.

Garnituri și piese de uzură

Garniturile din cilindri și supape se uzează din cauza solicitărilor termice și mecanice. Garniturile fragilizate sau deformate duc la scurgeri interne, care pot reduce eficiența sistemului și pot face mașina incontrolabilă. Verificarea periodică și înlocuirea garniturilor fac parte din planul standard de întreținere al oricărei mașini de construcții.

Tendințe și evoluții

Sistemul hidraulic al utilajelor de construcții continuă să se dezvolte, impulsionat de presiunea pentru eficiență, normele privind emisiile și progresul electronic.

Sistemele electrohidraulice și Load-Sensing

Sistemele electrohidraulice înlocuiesc lanțurile de comandă mecanice cu semnale electronice și supape proporționale. Acest lucru îmbunătățește precizia de operare și permite fluxuri de lucru automatizate. Sistemele Load-Sensing adaptează presiunea de alimentare și debitul pompei la necesarul real al consumatorilor. Acest lucru reduce semnificativ pierderile în regim de sarcină parțială și reduce consumul de combustibil.

Propulsie hibridă și electrică

Primii producători oferă utilaje de construcții cu propulsoare electrice sau hibride-electrice. În aceste utilaje, un motor electric acționează pompa hidraulică, în locul unui motor diesel. Sistemul hidraulic rămâne ca mijloc de transmisie a forței, deoarece oferă densitatea de putere necesară pentru lucrările de terasament și ridicare. Combinația dintre propulsia electrică și controlul hidraulic inteligent promite reduceri semnificative ale emisiilor pe șantier.

Monitorizare digitală

Senzorii măsoară presiunea, temperatura, debitul și starea de uzură direct la componentele hidraulice. Datele sunt transmise către sistemele de control superioare și platformele cloud și permit o întreținere bazată pe starea utilajului. Intervalele de întreținere prestabilite rigide fac astfel loc unei abordări bazate pe necesități, care reduce timpii de nefuncționare și crește disponibilitatea utilajului de construcții.