증기에서 스마트로:건설 장비 유압장치의 진화

현대의 이동식 기계는 꽤 많이 변했습니다. 다음은 지난 몇백 년 동안 건설 장비의 유압 장치가 어떻게 변화했는지 살펴보겠습니다.

작성:Josh Cosford, 기고 편집자

우리 집 근처 길가에 손으로 엮은 돌담이 있는데, 높이가 4피트쯤 되고 길이는 그보다 100배쯤 됩니다. 몇 세기 전에 현지에서 조달한 암석으로 제작된 이 건물을 건설하는 데 사용된 물리적, 시간적 자원을 상상하면서 그 길이에 경외감을 느꼈습니다. 1800년대에는 굴착하고, 운반하고, 무거운 재료를 놓는 기계가 흔하지 않았기 때문에 그것이 많은 강한 손을 사용하여 제작되었다고 생각할 수 없습니다.

건설 산업은 농업만큼이나 오랜 역사를 갖고 있으며, 사회적 요구가 증가함에 따라 건설 개선에 대한 요구도 높아졌습니다. 산업 혁명은 건물과 기반 시설을 건설하는 능력을 기하급수적으로 증가시켰습니다. 가볍고 온건한 건축 기술로 우리 집과 사무실을 지었고, 무겁고 강도 높은 건축 기술로 공장과 도로를 만들었습니다. 손으로 쌓은 돌담은 분명 가벼운 건설 프로젝트였지만 무겁고 강도 높은 건설이기 때문에 문명에 중요한 수력학적 동기에 매우 적합했습니다.

현대 건축에 활력을 불어넣다

철도 건설에 사용되는 빈티지 증기 굴착기. 이미지 제공:istockphoto.com

증기력은 유체 동력 에너지 전달의 한 형태이지만 가압된 공기나 유압 유체 대신 열에너지가 물이 기체 형태로 변할 때까지 물에 추가됩니다. 이러한 변환은 가스량이 증가함에 따라 압력을 생성하며, 이는 대형 기계에 전력을 공급하기 위해 액추에이터에 포착됩니다. 이 기술은 말하자면 19세기 초에 증기를 수집했지만, 기록에 따르면 1796년 초에 증기 동력 준설선이 영국의 수로 바닥을 청소하는 데 사용되었습니다.

1835년 미국의 엘리베이터로 유명한 산업가 엘리샤 오티스(Elisha Otis)의 사촌인 윌리엄 오티스(William Otis)는 증기 에너지를 적용하여 단일 버킷 육상 굴착기를 만들었습니다. 중장비 건설에 사용되는 최초의 자체 동력 육상 기반 기계로 인정받은 이 기계는 철도 건설에 혁명을 일으켰습니다. 이 특허받은 기계는 하루에 300야드3를 이동할 수 있었으며, 두 사람과 손수레 한 대가 이 작업을 2주 동안 끌고 갈 수 있었습니다.

약 50년 후, W. G. 암스트롱 경(Sir W. G. Armstrong)은 유압 장치를 사용하여 부두 건설에 사용된 최초의 굴삭기를 제작했습니다. 증기로 구동되었지만 한 가지 기능에 유압식 작동만 가능한 케이블도 사용했습니다. 약간 흥미로운 점은 다음과 같습니다. Armstrong의 회사는 결국 Vickers Limited와 합병되었지만 실망스럽게도 많은 조사 끝에 유압으로 유명한 Vickers와의 연관성을 찾을 수 없었습니다. 그럼에도 불구하고 암스트롱의 기계는 잘 작동하지 않았고 다른 사람들을 위해 문을 열어 두었습니다. 바퀴와 케이블의 도움 없이 증기 구동식 유압 액추에이터만 사용한 최초의 기계는 Kilgore 2-1/2 Yard 증기 철도 삽이었습니다. 이 기계는 생산적이었지만 암스트롱 기계와 마찬가지로 철도 건설에만 국한되었습니다.

현대적인 표준 만들기
굴착기가 오늘날처럼 보이고 작동하려면 거의 한 세기가 더 걸렸습니다. 이 기간의 대부분 동안 굴삭기는 케이블로 작동되거나 일부 유형의 증기, 기계, 케이블 및 유압 하이브리드로 유지됩니다. Demag(현재 Komatsu)는 오늘날 우리가 알고 있는 최초의 360° 완전 유압식 트랙 구동 굴삭기를 만들었습니다. 1954년형 Hydraulikbagger(그림 1)는 42마력, 3기통 디젤 엔진으로 구동되었으며 약 0.5야드의 자재를 운반하면서 2.5mph의 속도를 낼 수 있었습니다. 특히 소규모 및 중간 규모 건설 프로젝트에 적합하고 효율적이며 민첩하고 생산적이었습니다.

1954년형 Hydraulikbagger는 가볍고 중간 규모의 건설 프로젝트에 이상적인 소형 기계였습니다. 이미지 제공:ASCE 도서관

B504는 매우 효과적이어서 그 구조 기능이 이제 업계의 표준이 되었습니다. 굴착기에 완전 유압식 작동이 가능해지면서 건설 장비는 이전에는 불가능했던 유용성과 생산성을 발휘할 수 있게 되었습니다. 수십 년 전, 포드 모델 T의 지배는 주간 고속도로 개발의 길을 열었습니다. B504는 아이젠하워의 고속도로 고속도로 시스템 개발이 곧 시작되었기 때문에 완벽한 타이밍에 맞춰졌습니다. 나는 그 사건들이 어떤 식으로든 연관되어 있다고 주장하는 것이 아니지만, 그 시기 덕분에 미국의 건설 산업은 그 어느 때보다 확장될 수 있었습니다.

이동식 건설 장비는 유압 장치의 고유한 장점으로 인해 형태를 갖추게 되었습니다. 전력 밀도, 제어 가능성 및 신뢰성. 유압 기계의 첫 번째 단계는 모든 것이 안정적이고 효율적으로 작동하도록 하는 것이었지만, 건설은 경쟁이 치열하고 수익성이 낮은 산업이기 때문에 발전은 빠르고 힘들게 이루어졌습니다. 생산성을 추구하기 위해서는 성능, 제어 및 신뢰성이라는 퍼즐 조각이 필요했습니다.

초기 기계는 대부분 1,000-2,500psi로 작동하는 기어 및 베인 펌프로 구성된 중간 압력 개방형 루프였습니다. 유압 굴삭기가 케이블 굴삭기를 압도하던 1960년대에도 기술 발전은 더뎠습니다. OEM은 유압 장치가 제공하는 이점을 확인하고 이 기술을 로더, 스크레이퍼 및 도저에 적용하여 강력하고 효과적으로 만들었습니다. 그러나 60년대에는 가공 기술이 고압 펌프, 밸브, 액추에이터를 만드는 데 필요한 정밀한 공차를 제공하지 못했습니다.

더 높은 압력, 정교한 제어
응용 지식이 발전함에 따라 제조업체는 고압이 생산성의 핵심이라는 것을 깨달았습니다. "고압"이란 3,000psi를 의미합니다. 피스톤 펌프는 효율적으로 높은 압력을 생성할 수 있지만 더 좁은 간격과 다양한 팽창 계수를 마스터해야 했습니다. 초기 가변 용량형 피스톤 펌프는 레버 작동식 사판을 사용하여 흐름을 제어함으로써 에너지를 낭비하는 계량 밸브 대신 효율적인 속도 제어를 제공했습니다.

1970년대는 수력학적 창의성의 10년으로 간주될 수 있습니다. 제어력과 생산성을 높이기 위해 엔지니어들은 유압 장치를 제어하는 ​​영리한 방법을 고안했습니다. 최초의 유체정역학 드라이브는 마스터링되어 로더에 적용되어 전진 및 후진 동작 사이를 빠르고 원활하게 전환할 수 있었습니다. Caterpillar는 압력 보상식 축 피스톤 펌프 특허를 보유하고 있으며 디스코 시대에 토크 제한 기능도 개발했습니다.

토크 제한(마력 제어라고도 함)은 압력에 반비례하여 자동으로 흐름을 제한하는 방법입니다. 압력이 증가하면 유량이 감소하고, 압력이 감소하면 유량이 증가합니다. 이 방법은 두 가지 장점을 최대한 활용하여 굴삭기가 원동기가 정격 마력의 두 배인 것처럼 작동할 수 있도록 했습니다. 스윙, 붐, 암 및 버킷 기능은 모두 부하 없이 빠르게 움직일 수 있지만 압력이 상승하면 펌프가 흐름을 차단하여 무거운 작업에 필요한 힘을 공급합니다.

1980년대에는 건설업계에서 케이블 작업이 거의 사라졌습니다. 유압장치는 매우 효과적이어서 제어 기능조차 유압식 파일럿 작동식으로 작동했는데, 이는 오래된 기술이었습니다. 브레이크, 조향 및 장비 기능은 파일럿 밸브를 사용하여 운전실에서 작동할 수 있습니다. 조이스틱에는 오일이 흐르고 조이스틱이 움직이는 거리와 힘으로 방향 제어 밸브의 스풀에서 동일한 노력으로 오일을 밀어낼 수 있다는 점을 십대 자녀에게 설명하십시오.

부하 감지 입력
그러나 1980년대 로드 센싱 기술의 확산으로 마력이 자유로워졌고, 가공 공차 개선과 함께 압력(따라서 출력 밀도)이 급격히 증가했습니다. 부하 감지를 통해 유압 펌프는 액추에이터에 필요한 정확한 흐름과 압력을 제공할 수 있으며, 약간의 추가 에너지만 추가하면 압력 강하가 발생합니다. 이제 구현 기능의 경우 표준 4,000psi, 이동 회로의 경우 5,000psi 이상을 보는 것은 드문 일이 아닙니다. 부하 감지를 사용하면 입력 마력이 제한되어 있을 때 5,000psi를 실행해도 흐름이 손상되지 않습니다.

이동식 건설 장비는 현존하는 가장 진보된 유압 시스템을 갖추고 있지만 전자 제어 측면에서는 턱없이 부족했습니다. 전기 제어조차도 펌프나 밸브를 작동하는 신뢰할 수 있는 방법이 아니었습니다. 1990년대에는 건설 장비, 특히 유압 장치 제어 방식이 크게 발전하지 못했습니다. 디지털 기계 모니터링이 존재했지만 온도 조절 장치, 스테레오 시스템, 12V 충전기 등 대부분의 기술은 운전자 편의를 위해 제공되었습니다.

전자 제어의 출현
세기가 바뀌면서 기계 OEM이 강력하게 발전했습니다. 다가오는 Tier 4 배기가스 배출 표준으로 인해 제조업체는 건설 기계의 설계 및 구현을 재고해야 했습니다. 유압식 조이스틱이 비례 제어로 교체되고, 운전실에 LCD 디지털 디스플레이가 장착되었으며, 기계 유지 보수 간격이 전자적으로 모니터링되는 등 기계 기능이 점차 전자적으로 제어되었습니다. 그러나 압력은 30년 동안 증가하지 않았으며 2000년대 후반까지도 5,000psi 범위에 머물었습니다.

2015년 John Deere가 출시한 21050K 크롤러 도저는 역대 가장 크고 강력한 도저로서 완전히 새로운 모델이었습니다.

이제 건설 산업에서는 전자 제품이 많이 사용됩니다. 자동차와 마찬가지로 굴삭기에도 프로그래밍 가능한 성능 모드가 있습니다. "에코" 모드에서 실행하거나 편리한 다이얼을 조정하여 고출력 모드로 높일 수 있습니다. GPS 내비게이션, 자동 경사도 보정, 견인력 제어 및 하이브리드 구동 시스템이 현대 건설 기계에 적용되고 있습니다.

사진의 크롤러 도저는 놀라운 기술 발전을 이룬 기계입니다. 고급 모델에는 왼쪽 및 오른쪽 트랙에 대해 개별적으로 제어되는 정수압 드라이브가 있으며 각각 전자적으로 제어되는 폐쇄 루프가 있습니다. 도저의 경로는 운전자 제어에 따라 유지되며 소프트웨어는 하중, 회전 각도 또는 견인력에 관계없이 수용합니다. 소프트웨어 애플리케이션, 실시간 데이터 로깅 및 사용자 정의 가능한 기계 응답과 함께 사용할 수 있습니다. 한 운영자는 페더 터치와 컨트롤의 높은 반응을 선호하고 다른 운영자는 느리고 감쇠된 제어 방법을 선호하는 경우 두 운영자 모두 사용자 프로필 기본 설정을 저장할 수 있습니다. 운영자가 로그인을 입력할 때까지 컴퓨터를 시작할 수 없으며 이때 프로필이 로드됩니다.

도저 제조업체에서는 전력 밀도의 가치가 손실되지 않습니다. 새로운 기계는 7,000psi에 가까워지고 있어 더 작고 가벼운 기계에서 더 높은 토크를 허용하고 향상된 연비를 실현합니다. 기계가 가벼워지면 작업장으로의 이동이 훨씬 쉬워지고 지반 다짐이 줄어드는 부수적인 이점도 있습니다.

미래는 어떻게 될까요?
그렇다면 건설 장비 유압 장치의 미래는 어떻게 될까요? 압력이 계속 증가하여 더 작고 가벼운 기계가 이전에는 대형 고출력 장비에서만 누렸던 생산성을 달성할 수 있다는 것은 분명합니다. 탄소 섬유와 3D 프린팅 금속을 모두 사용하여 무게를 줄이면서 강도를 높이는 고급 소재가 기계에 스며들게 됩니다.

사이버-물리 시스템의 포화도가 높아진 디지털 제어가 일반화될 것입니다. 건설 현장 작업일은 컴퓨터 제어 스테이션에서 계획되며 모든 작업은 작업자가 없는 기계를 사용하여 원격으로 수행됩니다. 또한, 지속적인 전동화로 인해 엔진은 전기 원동기와 배터리 팩으로 교체될 것입니다. 어떤 시점이 되면 기계는 완전히 자율적으로 작동하여 디지털 방식으로 스캔한 해당 지역의 지형도를 입력하고 원하는 출력에 맞게 등급을 매기거나 굴착하는 방법을 기계에 지시하게 됩니다.

산업 환경에서는 유체 동력을 완전히 피하는 전동 액추에이터가 점차 늘어나고 있습니다. 그러나 전동 액추에이터는 건설 기계의 유압 액추에이터를 대체할 수 없습니다. 제가 이런 대담한 예측을 하는 이유는 전기 실린더와 모터가 유압 장치를 대체할 만큼 작지만 강력하게 만들어질 수 없기 때문입니다. 100마력의 사축 피스톤 모터는 신발 상자에 들어갈 수 있으며 이는 현재 산업 압력 수준에 해당합니다.

전기 작동 확장이 전력 공급을 통해 확장되는 것을 볼 수 있습니다. 중앙 동력 장치와 유압 제어 네트워크를 통한 분배 대신, 액추에이터는 독립형 통합 액추에이터가 될 것입니다. 서보모터와 펌프 조합은 유압 실린더에 내장되며, 여기에는 모든 유압 제어 장치가 포함된 작은 저장소와 매니폴드가 포함됩니다. 이 장치는 모듈식으로 구성되고 무선 네트워크를 통해 제어되며 유압 장치를 최고로 만드는 강력한 힘을 제공합니다.

현대 이동식 건설 기계는 산업 혁명의 증기 동력 기계에서 크게 발전했습니다. 지속적인 발전을 통해 기계는 더욱 생산적이고 효율적이며 강력해질 것이며, 특히 로봇이 건설 작업자를 대체함에 따라 기계 운영자의 감소로 작업 현장이 더욱 안전해질 것입니다. 하지만 로봇의 손에 새로 건설된 또 다른 돌담을 볼 수 있을지는 의문입니다.

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