从蒸汽到智能：建筑设备液压系统的演变
现代移动机械发生了很大变化。以下是过去几百年来建筑设备液压系统的变化。
作者：特约编辑 Josh Cosford
在我家附近的一条路上，有一道手工砌成的石栅栏，大约有四英尺高，一百倍长。它是由几个世纪前当地的岩石制成的，当我想象它的建造过程中所使用的物理和时间资源时，我怀着敬畏之情行驶着它的长度。挖掘、运输和铺设重型材料的机械在 1800 年代并不常见，所以我无法推断它是由许多强壮的双手建造的。
建筑业与农业一样古老，随着社会需求的增长，对建筑改进的要求也随之增加。工业革命极大地提高了我们建造建筑物和基础设施的能力。轻度和中度的建筑技术建造了我们的住宅和办公室，而重型和密集的建筑技术则建造了工厂和通往那里的道路。手工砌石栅栏显然是一个轻型建筑工程，但它是重型和密集的建筑，非常适合水力驱动，对文明具有重要意义。
现代建筑蓄势待发
老式蒸汽挖掘机，用于铁路线建设。图片由 istockphoto.com 提供蒸汽动力是流体动力能量传递的一种形式，但不是压缩空气或液压流体，而是将热能添加到水中，直到其变成气态形式。随着气体体积的增加，这种转变会产生压力，该压力被执行器捕获，为大型机械提供动力。这项技术可以说是在 19 世纪初就开始出现，但记录显示早在 1796 年，英国就已经使用蒸汽驱动的挖泥船来清理水道的河床。
1835 年，因电梯而闻名的美国实业家伊丽莎·奥蒂斯 (Elisha Otis) 的表弟威廉·奥蒂斯 (William Otis) 利用蒸汽能制造了单斗陆地挖掘机。它被认为是第一台用于重型建筑的自供电陆上机器，彻底改变了铁路线的建设。这台获得专利的机器每天能够移动 300 码，两个人和一辆独轮车就可以将这项任务拖到两周。
大约五十年后，W. G. 阿姆斯特朗爵士使用液压技术制造了第一台挖掘机，用于建造码头。它由蒸汽驱动，但也使用仅液压驱动一项功能的电缆。半有趣的旁白：阿姆斯特朗的公司最终与维克斯有限公司合并，但令人失望的是，经过大量研究，我找不到与液压名声大噪的维克斯公司的联系。无论如何，阿姆斯特朗的机器运转得不太好，并为其他人敞开了大门。第一台仅使用蒸汽动力液压执行器而不借助轮子和电缆的机器是 Kilgore 2-1/2 Yard 蒸汽铁路铲。这台机器生产力很高，但与阿姆斯特朗机器一样，它仅限于铁路线建设。
创建现代标准
又过了近一个世纪，挖掘机的外观和操作才像今天这样。在这个跨度的大部分时间里，挖掘机将保持电缆操作或某种类型的蒸汽、机械、电缆和液压混合动力。德马格（现为小松）制造了我们今天所知的第一台 360° 全液压履带驱动挖掘机。 1954 年的 Hydraulikbagger（图 1）由 42 马力的 3 缸柴油机提供动力，能够以 2.5 英里/小时的速度运送约半码的材料。它结构紧凑、高效、敏捷且富有成效，特别适合轻型和中型建筑项目。
B504 非常有效，其结构特点现已成为行业标准。一旦挖掘机具备全液压操作能力，建筑设备就能够实现以前不可能实现的实用性和生产率。几十年前，福特 T 型车的统治地位为州际高速公路的发展铺平了道路（没错，我去过那里）。 B504 的时机非常完美，因为艾森豪威尔州际公路系统的开发不久后就开始了。我并不是说这些事件有任何关联，但它们发生的时机确保了美国建筑业将以前所未有的规模扩张。
移动式施工设备的形成是由于液压技术的先天优势；功率密度、可控性和可靠性。液压机械的第一步是让它可靠、高效地工作，但由于建筑业是一个竞争激烈、利润率低的行业，所以进步来得快速而艰难。人们追求的是生产力，这需要将动力、控制和可靠性等拼图拼凑到位。
早期的机械是中等压力开环，主要由运行压力为 1,000-2,500 psi 的齿轮泵和叶片泵组成。即使在 20 世纪 60 年代，液压挖掘机在缆索挖掘机中占据主导地位，技术进步也很缓慢。原始设备制造商看到了液压系统带来的好处，因此他们将该技术应用于装载机、铲运机和推土机，使它们变得强大而高效。但在 60 年代，机械加工技术无法提供制造高压泵、阀门和执行器所需的紧密公差。
更高的压力，复杂的控制
随着应用知识的进步，制造商意识到高压是生产力的关键 - 我所说的“高压”是指 3,000 psi。活塞泵可以高效地产生高压，但它们必须掌握更小的间隙和不同的膨胀系数。早期的变量活塞泵使用带有杠杆操作的斜盘来控制流量，为浪费能源的计量阀提供了一种有效的速度控制替代方案。
20 世纪 70 年代可以被认为是水力创造力的十年。为了提高控制力和生产力，工程师们发明了控制液压系统的巧妙方法。第一个静液压驱动器被掌握并应用于装载机，使它们能够在前进和后退运动之间快速、平稳地过渡。卡特彼勒拥有压力补偿轴向柱塞泵专利，扭矩限制也在迪斯科十年中开发出来。
扭矩限制（也称为马力控制）是一种自动限制与压力成反比的流量的方法。当压力升高时，流量下降，当压力下降时，流量增加。这种方法兼具了两全其美的优点，让挖掘机的表现就像其原动机是额定马力的两倍一样。回转、动臂、斗杆和铲斗功能都可以在空载下快速移动，但随着压力升高，泵会切断流量，提供繁重工作所需的力量。
到了 20 世纪 80 年代，建筑行业中的电缆运营几乎绝迹。液压系统非常有效，甚至控制功能也是液压先导操作的，这是一项较旧的技术。制动器、转向和机器功能可以在驾驶室中使用先导阀进行操作。尝试向您的孩子解释，操纵杆过去有油流过，操纵杆移动的距离和力度将以相同的力将流体推到方向控制阀的阀芯上。
进入负载传感
然而，20 世纪 80 年代负载传感技术的普及释放了马力，再加上加工公差的提高，压力（以及功率密度）迅速增加。负载传感使液压泵能够提供执行器所需的精确流量和压力，只需添加一点额外的能量即可产生压降。现在，机具功能的标准压力为 4,000 psi，行驶回路的压力超过 5,000 psi，这种情况并不罕见。借助负载感应，当输入马力受到限制时，运行 5,000 psi 不会削弱流量。
尽管移动施工设备拥有现有最先进的液压系统，但在电子控制方面却远远不够。即使是电气控制也不是操作泵或阀门的可靠方法。 20 世纪 90 年代，建筑设备并没有取得很大进步，尤其是在液压控制方式方面。数字机器监控已经存在，但大多数技术都是为了操作员的舒适度而提供的——气候控制、立体声系统和 12V 充电器。
电子控制的出现
世纪之交见证了机器原始设备制造商的强劲进步。迫在眉睫的 Tier 4 排放标准迫使制造商重新思考工程机械的设计和实施。机器功能越来越多地采用电子控制，其中液压操纵杆被比例控制取代，驾驶室配备了 LCD 数字显示器，机器维护间隔也采用电子方式监控。然而，三十年来压力没有增加，直到 2000 年代末仍保持在 5,000 psi 范围内。
电子产品现在在建筑行业中盛行。就像您的汽车一样，您的挖掘机也具有可编程的性能模式。您可以在“环保”模式下运行，或者通过调节方便的旋钮，将其提高到高功率模式。 GPS导航、自动坡度补偿、牵引力控制和混合驱动系统正在进入现代工程机械。
如图所示，履带式推土机是一种技术进步惊人的机器。高端型号具有单独控制的左右履带静液压驱动装置，其本身都是闭环电子控制的。推土机的路径是根据操作员的控制来维持的，并且无论负载、转向角度或牵引力如何，软件都会进行调节。它们配有软件应用程序、实时数据记录和可定制的机器响应。如果一位操作员喜欢轻柔、高响应的控制方式，而另一位操作员则喜欢较慢、衰减的控制方法，那么两人都可以保存他们的用户配置文件首选项。直到操作员输入登录信息（此时配置文件已加载）后，机器才能启动。
推土机制造商并没有忽视功率密度的价值。新机器的压力接近 7,000 psi，可以通过更小、更轻的机器实现更高的扭矩，并提高燃油经济性。更轻的机械还使进出工地的运输变得更加容易，并提供减少地面压实的副作用。
未来会怎样？
那么，建筑设备液压的未来会怎样？显然，压力将继续上升，使更小、更轻的机器能够实现以前只有大型、高功率设备才能享有的生产力。先进材料将渗透到机械中，使用碳纤维和 3D 打印金属来增加强度，同时减轻重量。
随着网络物理系统饱和度的提高，数字控制将变得司空见惯。施工现场工作日将通过计算机控制站进行规划，所有工作均通过无人操作的机械远程进行。此外，持续的电气化将使发动机被电动原动机和电池组取代。在某种程度上，机器将完全自主，输入该地区的数字扫描地形图，机器被告知如何分级或挖掘以匹配所需的输出。
工业环境越来越多地使用电动执行器，完全避开流体动力。然而，电动执行机构永远不会取代工程机械中的液压执行机构。我做出这个大胆的预测是因为电动缸和电机永远不可能做得如此小但如此强大以取代液压系统。 100 马力的曲轴活塞电机可以放入鞋盒中，而且这是当前行业压力水平。
我认为电动驱动的扩展在于电力传输。执行器将是独立的集成执行器，而不是中央动力单元和通过液压控制网络进行分配。伺服电机和泵组合将内置于液压缸中，其中包括一个小型储液器和包含所有液压控制装置的歧管。这些装置将是模块化的、可配置的，并通过无线网络进行控制，同时仍然提供使液压系统成为王者的强大力量。
现代移动式施工机械与工业革命的蒸汽动力机械相比已经走过了漫长的道路。持续的进步将使机器变得更加生产力、高效和强大，而机器操作员的减少将使工地变得更加安全，特别是当机器人取代建筑工人时。但我怀疑我是否会在机器人手中看到另一个新建的石栅栏。
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