Dari Steam ke Smart:Evolusi Hidraulik Peralatan Konstruksi

Mesin seluler modern telah banyak berubah. Berikut ini adalah perubahan hidraulik peralatan konstruksi selama beberapa ratus tahun terakhir.

Oleh Josh Cosford, Editor Kontributor

Di jalan dekat rumah saya, ada pagar batu yang dibuat dengan tangan, mungkin tingginya 4 kaki dan panjangnya seratus kali lipat. Dibuat dari bebatuan yang bersumber secara lokal beberapa abad yang lalu, saya takjub saat membayangkan sumber daya fisik dan waktu yang digunakan dalam konstruksinya. Mesin untuk menggali, mengangkut, dan meletakkan material berat merupakan hal yang jarang ditemukan pada tahun 1800-an, jadi menurut saya mesin tersebut dibuat hanya dengan menggunakan tangan yang kuat.

Industri konstruksi sama tuanya dengan pertanian, dan seiring dengan meningkatnya kebutuhan masyarakat, kebutuhan akan perbaikan dalam konstruksi juga meningkat. Revolusi industri meningkatkan kapasitas kita untuk membangun gedung dan infrastruktur secara eksponensial. Teknik konstruksi yang ringan dan sedang membangun rumah dan kantor kita, sementara konstruksi yang berat dan intensif membuat pabrik dan jalan raya menuju ke sana. Pagar batu yang dipasang dengan tangan jelas merupakan proyek konstruksi ringan, namun konstruksi yang berat dan intens ini sangat cocok dengan motivasi hidrolik yang penting bagi peradaban.

Konstruksi modern mengumpulkan tenaga

Ekskavator uap antik, digunakan dalam konstruksi jalur kereta api. Gambar milik istockphoto.com

Tenaga uap merupakan salah satu bentuk perpindahan energi tenaga fluida, namun alih-alih udara bertekanan atau fluida hidrolik, energi panas ditambahkan ke air hingga berubah menjadi bentuk gas. Transformasi ini menciptakan tekanan seiring dengan peningkatan volume gas, yang ditangkap dalam aktuator untuk menggerakkan mesin-mesin besar. Teknologi ini seolah-olah mengumpulkan uap pada awal abad ke-19, namun catatan menunjukkan bahwa sejak tahun 1796, kapal keruk bertenaga uap digunakan untuk membersihkan dasar saluran air di Inggris.

Pada tahun 1835, William Otis, sepupu industrialis Amerika Elisha Otis yang terkenal dengan elevator, menggunakan energi uap untuk membuat ekskavator darat satu ember. Diterima sebagai mesin bertenaga mandiri pertama yang berbasis di darat yang digunakan untuk konstruksi berat, mesin ini merevolusi pembangunan jalur kereta api. Mesin yang dipatenkan ini mampu bergerak sejauh 300 yd3 per hari, yang mana dua orang dan sebuah gerobak dorong akan memakan waktu hingga dua minggu.

Sekitar lima puluh tahun kemudian, Sir W. G. Armstrong membangun ekskavator pertama yang menggunakan hidrolika, yang digunakan dalam pembangunan dermaga. Itu bertenaga uap, tetapi juga menggunakan kabel dengan penggerak hidrolik hanya pada satu fungsi. Hal yang agak menarik adalah:Perusahaan Armstrong akhirnya bergabung dengan Vickers Limited, namun sayangnya setelah melakukan banyak penelitian, saya tidak dapat menemukan kaitannya dengan ketenaran hidrolik Vickers. Terlepas dari itu, mesin Armstrong tidak bekerja dengan baik dan membiarkan pintu terbuka bagi orang lain. Mesin pertama yang hanya menggunakan aktuator hidrolik bertenaga uap tanpa bantuan roda dan kabel adalah Kilgore 2-1/2 Yard Steam Railway Shovel. Mesin ini produktif, tetapi seperti mesin Armstrong, mesin ini terbatas pada konstruksi jalur kereta api.

Menciptakan standar modern
Diperlukan waktu hampir satu abad lagi sebelum ekskavator terlihat dan beroperasi seperti sekarang. Untuk sebagian besar rentang waktu ini, ekskavator akan tetap dioperasikan dengan kabel atau semacam hibrida uap, mekanis, kabel, dan hidraulik. Demag (sekarang Komatsu) menciptakan ekskavator 360° pertama yang sepenuhnya digerakkan oleh track hidrolik seperti yang kita kenal sekarang. Hydraulikbagger tahun 1954, Gambar 1, ditenagai oleh mesin diesel 3 silinder berkekuatan 42 hp dan mampu mencapai kecepatan 2,5 mph sambil membawa material sekitar setengah yard. Kendaraan ini kompak, efisien, tangkas, dan produktif, terutama untuk proyek konstruksi ringan dan sedang.

Hydraulikbagger 1954, adalah alat berat kompak yang ideal untuk proyek konstruksi ringan dan sedang. Gambar milik Perpustakaan ASCE

B504 begitu efektif sehingga fitur konstruksinya kini menjadi standar industri. Setelah ekskavator diberi operasi hidraulik penuh, peralatan konstruksi mampu melakukan utilitas dan produktivitas yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan. Beberapa dekade sebelumnya, dominasi Ford Model T akan membuka jalan (benar, saya pergi ke sana) untuk pengembangan jalan raya antar negara bagian. B504 memiliki waktu yang tepat karena pengembangan Sistem Jalan Raya Antar Negara Bagian Eisenhower dimulai segera setelahnya. Saya tidak mengklaim bahwa peristiwa tersebut ada hubungannya dengan hal apa pun, namun pemilihan waktunya memastikan industri konstruksi di Amerika akan berkembang lebih pesat dari sebelumnya.

Peralatan konstruksi bergerak terbentuk karena keunggulan hidrolika; kepadatan daya, pengendalian dan keandalan. Langkah pertama untuk mesin hidrolik adalah membuat semuanya bekerja dengan andal dan efisien, namun karena konstruksi adalah industri yang kompetitif dan memiliki margin rendah, kemajuan terjadi dengan cepat dan sulit. Produktivitas dikejar, sehingga diperlukan kekuatan, kontrol, dan keandalan yang tepat.

Permesinan awal adalah loop terbuka bertekanan sedang, yang sebagian besar terdiri dari pompa roda gigi dan baling-baling yang beroperasi 1.000-2.500 psi. Bahkan pada tahun 1960an ketika ekskavator hidrolik mendominasi ekskavator yang dioperasikan dengan kabel, kemajuan teknologi berjalan lambat. OEM melihat manfaat yang diberikan hidrolika, sehingga mereka menerapkan teknologi tersebut pada loader, scraper, dan dozer, sehingga menjadikannya kuat dan efektif. Namun pada tahun 60an, teknologi permesinan tidak mampu memberikan toleransi yang dibutuhkan untuk membuat pompa, katup, dan aktuator bertekanan tinggi.

Tekanan lebih tinggi, kontrol canggih
Seiring dengan kemajuan pengetahuan terapan, produsen menyadari bahwa tekanan tinggi adalah kunci produktivitas – dan yang saya maksud dengan “tekanan tinggi” adalah 3.000 psi. Pompa piston dapat menghasilkan tekanan tinggi dengan efisiensi, namun harus menguasai jarak bebas yang lebih sempit dan koefisien muai yang berbeda. Pompa piston perpindahan variabel awal menggunakan swashplate dengan pengoperasian tuas untuk mengontrol aliran, sehingga memberikan alternatif kontrol kecepatan yang efisien dibandingkan katup pengukur, yang membuang energi.

Tahun 1970an dapat dianggap sebagai dekade kreativitas hidrolik. Untuk meningkatkan kendali dan produktivitas, para insinyur menemukan cara cerdas untuk mengendalikan hidrolika. Penggerak hidrostatik pertama dikuasai dan diterapkan pada loader, memungkinkan mereka melakukan transisi dengan cepat dan lancar antara gerakan maju dan mundur. Caterpillar telah mematenkan pompa piston aksial kompensasi tekanan, dan pembatasan torsi juga dikembangkan pada dekade disko.

Pembatasan torsi (juga dikenal sebagai kontrol tenaga kuda) adalah metode untuk secara otomatis membatasi aliran yang berbanding terbalik dengan tekanan. Ketika tekanan naik, aliran menurun, dan ketika tekanan turun, aliran meningkat. Metode ini memberikan yang terbaik dari kedua hal tersebut, memungkinkan ekskavator berperilaku seolah-olah penggerak utamanya memiliki dua kali lipat tenaga kuda yang dinilai. Fungsi ayunan, boom, lengan, dan bucket semuanya dapat bergerak cepat tanpa beban, namun pompa akan memutus aliran seiring dengan peningkatan tekanan, sehingga menyuplai gaya yang diperlukan untuk pekerjaan berat.

Pada tahun 1980an, pengoperasian kabel hampir punah dalam industri konstruksi. Begitu efektifnya hidrolika, bahkan fungsi kontrolnya pun dioperasikan oleh pilot hidrolik, yang merupakan teknologi yang lebih tua. Fungsi rem, kemudi, dan alat berat dapat dikerjakan dari kabin menggunakan katup pilot. Coba jelaskan kepada anak remaja Anda bahwa dulu ada oli yang mengalir pada joystick, dan jarak serta kekuatan yang digerakkan joystick akan mendorong cairan pada gulungan katup pengatur arah dengan gaya yang sama.

Masukkan sensor beban
Namun, perkembangan teknologi penginderaan beban pada tahun 1980an telah membebaskan tenaga kuda, dan dikombinasikan dengan peningkatan toleransi pemesinan, tekanan (dan kepadatan daya) meningkat pesat. Sensor beban memungkinkan pompa hidrolik memberikan aliran dan tekanan tepat yang dibutuhkan oleh aktuator, hanya menambahkan sedikit energi ekstra untuk menciptakan penurunan tekanan. Bukan hal yang aneh saat ini melihat standar 4.000 psi untuk fungsi implementasi dan lebih dari 5.000 psi untuk sirkuit travel. Dengan sensor beban, menjalankan 5.000 psi tidak melumpuhkan aliran saat Anda dibatasi dengan input horsepower.

Meskipun peralatan konstruksi bergerak memiliki sistem hidraulik tercanggih yang pernah ada, peralatan tersebut masih kalah dalam hal kontrol elektronik. Bahkan kendali listrik bukanlah metode yang dipercaya dalam mengoperasikan pompa atau katup. Pada tahun 1990-an tidak terjadi banyak kemajuan dalam peralatan konstruksi, terutama dalam hal pengendalian hidrolika. Pemantauan alat berat digital sudah ada, namun sebagian besar teknologi disediakan untuk kenyamanan operator — pengatur suhu, sistem stereo, dan pengisi daya 12 V.

Munculnya kontrol elektronik
Pergantian abad menyaksikan kemajuan yang dicapai oleh OEM mesin yang dipersenjatai dengan kuat. Standar emisi Tier 4 yang semakin dekat memaksa produsen untuk memikirkan kembali desain dan implementasi mesin konstruksi. Fungsi alat berat semakin dikontrol secara elektronik, dimana joystick hidrolik digantikan dengan kontrol proporsional, kabin dilengkapi dengan layar digital LCD, dan interval perawatan alat berat dipantau secara elektronik. Namun, tekanan tidak meningkat dalam tiga dekade, dan tetap berada pada kisaran 5.000 psi hingga akhir tahun 2000an.

Crawler dozer 21050K, diluncurkan oleh John Deere pada tahun 2015, merupakan model yang benar-benar baru, sebagai dozer terbesar dan terkuat yang pernah ada.

Elektronik sekarang produktif di industri konstruksi. Sama seperti mobil Anda, ekskavator Anda memiliki mode kinerja yang dapat diprogram. Anda dapat menjalankannya dalam mode “eco”, atau dengan penyesuaian tombol yang nyaman, tingkatkan mode daya tinggi. Navigasi GPS, kompensasi kemiringan otomatis, kontrol traksi, dan sistem penggerak hibrida mulai diterapkan pada mesin konstruksi modern.

Crawler dozer, dalam foto, adalah mesin dengan kemajuan teknologi yang mengejutkan. Model kelas atas memiliki penggerak hidrostatik yang dikontrol secara individual untuk trek kiri dan kanan, masing-masing loop tertutup dikontrol secara elektronik. Jalur dozer dipertahankan berdasarkan kendali operator, dan perangkat lunak mengakomodasi apa pun beban, sudut belok, atau traksi. Mereka tersedia dengan aplikasi perangkat lunak, pencatatan data real-time, dan respons mesin yang dapat disesuaikan. Jika salah satu operator lebih menyukai sentuhan halus, respons tinggi dari kontrolnya, sementara operator lain lebih memilih metode kontrol yang lebih lambat dan dilemahkan, keduanya dapat menyimpan preferensi profil penggunanya. Mesin tidak dapat dihidupkan hingga operator memasukkan loginnya, dan pada saat itulah profil dimuat.

Nilai kepadatan daya tidak hilang pada produsen dozer. Alat berat baru mendekati 7.000 psi, memungkinkan torsi lebih tinggi dari alat berat yang lebih kecil dan lebih ringan serta mewujudkan peningkatan penghematan bahan bakar. Mesin yang lebih ringan juga membuat transportasi ke dan dari lokasi kerja menjadi lebih mudah dan memberikan manfaat sampingan berupa berkurangnya pemadatan tanah.

Bagaimana masa depan?
Jadi, bagaimana masa depan hidrolika peralatan konstruksi? Jelas sekali bahwa tekanan akan terus meningkat, memungkinkan alat berat yang lebih kecil dan ringan mencapai produktivitas yang sebelumnya hanya dapat dinikmati oleh peralatan besar dan bertenaga tinggi. Material canggih akan meresap ke dalam mesin, menggunakan serat karbon dan logam cetakan 3D untuk meningkatkan kekuatan sekaligus mengurangi bobot.

Pengendalian digital dengan meningkatnya saturasi sistem cyber-fisik akan menjadi hal yang lumrah. Hari kerja pengamatan konstruksi akan direncanakan dari stasiun kendali komputer, di mana semua pekerjaan dilakukan dari jarak jauh dengan mesin tanpa operator. Selain itu, elektrifikasi yang berkelanjutan akan menyebabkan mesin diganti dengan penggerak mula listrik dan paket baterai. Pada titik tertentu, mesin akan sepenuhnya otonom, dengan memasukkan peta topografi wilayah yang dipindai secara digital, dan mesin diberi tahu cara melakukan perataan atau penggalian agar sesuai dengan hasil yang diinginkan.

Lingkungan industri semakin banyak yang menggunakan aktuator listrik, dan sama sekali tidak menggunakan tenaga fluida. Namun, aktuator listrik tidak akan pernah menggantikan aktuator hidrolik pada mesin konstruksi. Saya membuat prediksi yang berani ini karena silinder dan motor listrik tidak akan pernah bisa dibuat sekecil ini namun sekuat tenaga untuk menggantikan hidrolik. Motor piston sumbu bengkok berkekuatan 100 hp dapat dimasukkan ke dalam kotak sepatu, dan itu berada pada tingkat tekanan industri saat ini.

Di mana saya melihat aktuasi listrik berkembang seiring dengan penyaluran daya. Alih-alih unit daya pusat dan distribusi melalui jaringan kontrol hidrolik, aktuator akan menjadi aktuator terintegrasi yang mandiri. Kombinasi servomotor dan pompa akan dibangun ke dalam silinder hidrolik, yang akan mencakup reservoir kecil dan manifold yang berisi semua kontrol hidrolik. Unit-unit ini akan bersifat modular, dapat dikonfigurasi, dan dikontrol melalui jaringan nirkabel, namun tetap memberikan tenaga tinggi yang menjadikan hidrolika sebagai raja.

Mesin konstruksi bergerak modern telah berkembang pesat dibandingkan mesin bertenaga uap pada revolusi industri. Kemajuan yang berkelanjutan akan membuat mesin menjadi lebih produktif, efisien dan bertenaga, sementara pengurangan operator mesin akan membuat tempat kerja menjadi lebih aman, terutama karena robot menggantikan pekerja konstruksi. Tapi saya ragu saya akan pernah melihat pagar batu baru yang dibangun oleh robot.

Anda mungkin juga menyukai: