Elektrische schok: Off-Highway is nog niet klaar met hydrauliek

Bij de nieuwe T7X-schranklader van Bobcat draait alles om duurzaamheid. Net als andere zware machines die onlangs door verschillende fabrikanten zijn geïntroduceerd, maakt de T7X gebruik van elektrische aandrijvingen in plaats van een diesel- of benzinemotor. Wat de T7X echter anders maakt, is dat hij ook elektrische aandrijvingen gebruikt in plaats van hydrauliek.

Dus hoe maakt het elimineren van het hydraulische systeem deze machine duurzamer? Hydraulische systemen verbranden immers geen brandstof en produceren dus geen grote hoeveelheden uitlaatgassen. Hoewel ze kleine hoeveelheden dampen in de atmosfeer kunnen uitstoten via de ontluchting van het reservoir, worden deze emissies eenvoudig opgevangen en teruggevoerd naar het hydraulische reservoir.

Dus als de stimulans om hydraulische aandrijvingen te vervangen door elektrische aandrijvingen niet gericht is op emissies, dan moeten de vermeende nadelen van hydrauliek, met name lekkage, de boosdoener zijn. De perceptie is wijdverbreid dat hydraulische systemen lekken en milieuschade veroorzaken. Deze perceptie is zo wijdverspreid dat er een hele markt is ontstaan: milieuvriendelijke hydraulische vloeistoffen, waarbij de bewering is dat deze vloeistoffen de milieuschade minimaliseren als er lekkage optreedt.

Een eenvoudigere oplossing is een oude waarover al meer dan 70 jaar wordt gediscussieerd: training. Een juist ontwerp, een juiste installatie en een juist onderhoud kunnen de meeste lekken in de eerste plaats voorkomen. Elke sector die in aanraking komt met hydraulische apparatuur moet succesvolle best practices volgen, inclusief die welke:

• • componenten ontwerpen en produceren,

• • hydraulische systemen ontwerpen en componenten daarvoor specificeren,

• • componenten en systemen installeren en repareren, en

• routine- en preventief onderhoud uitvoeren.

Als het personeel bij een van deze taken faalt, kan het hydraulische systeem gaan lekken. Daarom is training om werknemers bewust te maken van de oorzaken van lekken en hoe ze deze kunnen voorkomen essentieel om een lekvrije hydrauliek te krijgen.

Hydraulische systemen worden ook gezien als een soort zwarte doos. Als er iets niet goed werkt, schakelt de gebruiker getrainde monteurs en technici in om problemen op te lossen en reparaties uit te voeren. Dit is hetzelfde als wanneer er storingen optreden in geavanceerde besturingen en elektromechanische systemen. Hydraulische systemen zijn niet mysterieuzer dan andere aandrijfsystemen die gespecialiseerde kennis en ervaring vereisen. Het is gewoon makkelijker om experts te vinden die goed thuis zijn in elektrische systemen dan om competente experts te vinden in hydrauliek.

Elektrische terreinapparatuur

De T7X mag dan wel de eerste volledig elektrische schranklader zijn die op de markt komt, maar Volvo AB introduceerde al in 2017 een volledig elektrische minigraafmachine. Het prototype, genaamd de EX02, gebruikte elektromotoraandrijvingen en elektromechanische actuators voor de aandrijffuncties, dus het bevatte geen hydraulica.

Een bezoek aan Volvo's website levert echter geen nieuwe informatie op sinds de introductie van de EX02. Alle "volledig elektrische" machines die Volvo sindsdien op de bouwmarkt heeft gebracht, zijn eigenlijk hydraulische hybriden - ze hebben een hydraulisch systeem dat wordt aangedreven door een elektromotor met variabele snelheid.

Ik kreeg geen antwoord van Volvo toen ik informeerde naar de status van de EX02, dus misschien ontdekten de ontwikkelaars dat de elektrische duiken niet konden tippen aan de prestaties, duurzaamheid en levensduur van hydrauliek. Doosan, Volvo, Caterpillar, Komatsu, JCB, Case CE en Wacker Neuson hebben ook minigraafmachines geïntroduceerd en dat zijn allemaal hydraulische hybriden.

Net als andere volledig elektrische machines die op de bouwmarkt worden geïntroduceerd, maakt de Bobcat T7X schranklader gebruik van elektromotoren met variabele snelheid in de grondaandrijving. Dit is niet verrassend; elektrische wielaandrijvingen worden al tientallen jaren gebruikt. Grote grondverzetwagens maken op grote schaal gebruik van elektrische aandrijvingen, net als spoorweglocomotieven. Traditioneel worden ze aangedreven door een dieselmotor die een grote generator aandrijft, die de wielen van stroom voorziet.

In bouwmachines is de trend om de hydraulische motor in de zwenkaandrijving van de machine te vervangen door een elektromotor. Elektromotoren hebben een hoog startkoppel, wat zorgt voor een snelle rotatieversnelling. Dit hoge aanloopkoppel is ook gunstig voor wiel- en rupsaandrijvingen, vooral wanneer deze zijn gekoppeld aan een planetaire tandwielaandrijving aan de uitgang van de motor.

Profiel van de T7X

Justin Odegaard, versnellingsmanager bij Doosan Bobcat North America, zegt in een persbericht dat de ontwerpers de hydrauliek op de nieuwe T7X om twee belangrijke redenen wilden elimineren.

"Ten eerste heeft een hydraulisch systeem veel verbindingen en componenten", zegt Odegaard. "Elke verbinding in een systeem biedt een kans op lekkage. Het elimineren van hydrauliek betekent het elimineren van het risico op lekken en dus het elimineren van de kans op stilstand.

"Ten tweede is de overstap naar een volledig elektrisch platform veel efficiënter dan een accupakket dat een hydraulisch systeem bedient. Hierdoor kunnen we langer werken zonder dat we een grotere accu nodig hebben, waardoor de productiviteit en efficiëntie tijdens de levensduur van de machine toenemen."

De eerste bewering van Odegaard gaat over de veelgehoorde kritiek op hydraulische lekken. Lekkage treedt op wanneer operators, monteurs en anderen denken dat het inherent is aan hydraulische systemen. Maar zoals hierboven opgemerkt, vermindert het gebruik van goed opgeleide werknemers die de beste werkwijzen volgen de frequentie en ernst van lekkages drastisch.

Het tweede punt van Odegaard heeft te maken met een specifiek systeemontwerp. Individuele systeemontwerpen, zoals de spanning van het elektrische systeem en de batterijconfiguratie, variëren sterk tussen OEM's van elektrische laders en minigraafmachines. Net zoals deze variabelen de efficiëntie kunnen beïnvloeden, kan het ontwerp van het hydraulisch systeem dat een elektromotor aandrijft dat ook. Een hydraulisch systeem dat gebruik maakt van een zuigerpomp met variabele cilinderinhoud, bijvoorbeeld, verbetert de efficiëntie en prestaties aanzienlijk ten opzichte van een systeem dat gebruik maakt van bijvoorbeeld een tandwielpomp.

Odegaard voegde eraan toe dat de T7X vertrouwt op een 460-V elektrisch systeem. "Deze spanning levert de efficiëntie die we zochten voor het algehele ontwerp," zei hij in het persbericht van Bobcat.

Een bouwkwaliteit 62 kW lithium-ion batterij voorziet het rupssysteem van de lader en alle werkgroepfuncties van stroom. Als de batterij volledig is opgeladen, kan deze de dagelijkse werkzaamheden tot vier uur continu ondersteunen en een normale, volledige werkdag bij intermitterend gebruik.

Bobcat-functionarissen vergelijken de prestaties van de T7X met die van zijn conventionele tegenhanger, de T76. De T7X heeft een bedrijfsgewicht van 12.187 pond, wat bijna 20% zwaarder is dan de T76 van 10.250 pond. Odegaard voegde eraan toe dat de T7X lader "een premium configuratie is en ongeveer drie keer zo duur is als een goed uitgeruste T76 lader". De T7X-lader kost echter bijna 90% minder in gebruik dan een T76-lader.

Voordelen van volledig elektrisch

Hoewel de T7X is ontworpen voor duurzaamheid, is het ook een slimme machine met softwareconnectiviteit via tweewegs telematicacommunicatie. Doosan Bobcat werkte samen met Moog Inc., een wereldwijde ontwikkelaar van bewegingsbesturingscomponenten en -systemen, om het tempo van R&D voor de elektronische besturingsmogelijkheden van de T7X op te voeren. Moog ontwierp en leverde een platform dat gegevens levert over de machineprestaties en waarmee de bestuurder de voorkeuren van de machine kan wijzigen, de prestaties kan afstemmen op bepaalde werksituaties en productfuncties kan upgraden. Dit omvat variabele rijsnelheid bij vol koppel en andere functies die niet mogelijk zijn met een dieselhydraulische machine.

Moog ontwierp een efficiënt systeem dat gebruikmaakt van gedistribueerde besturing om alleen vermogen te sturen wanneer en waar dat nodig is, zoals voor het heffen van een last of het zijdelings verplaatsen, waardoor er weinig tot geen energie wordt verspild. Het energiebeheersysteem detecteert wanneer de belasting toeneemt en verlaagt automatisch het vermogen wanneer dit niet nodig is. De combinatie van al deze functies bespaart energie en verlengt de werktijd van de machine.

"In het algemeen", zegt Daniel Foster, Moog's directeur van technologie, groei en innovatie, in een e-mailwisseling, "is onze benadering dat simulatie en analyse van het totale systeem - inclusief alle massa en statische belastingen en de stijfheid van het hele systeem - vereist is bij het overwegen van het ontwerp van actuators, bevestigingen en het bijbehorende besturingssysteem om de schokbelastingen te beheren. Net als de robuuste systeembenadering in hydraulica, kunnen elektromechanische systemen (indien goed ontworpen) hoge impuls- en schokbelastingen aan. De overwegingen voor besturing en timing van gebeurtenissen zijn echter anders dan bij hydrauliek."

De systeemsoftware van Moog leert om bewegingen en bewerkingen te optimaliseren terwijl de T7X werkt. Moog-functionarissen leggen uit dat het afvlakken van de piekperioden in het energieverbruik de werktijd met meer dan 25% kan verlengen.

Elektromechanisch met hydraulisch vergelijken

Misschien wel de meest kritieke onderdelen van de T7X zijn de elektromechanische lineaire actuators ontworpen door Moog, dat de voorkeur geeft aan de term "elektrische cilinders". De T7X gebruikt een paar elektrische cilinders voor het kantelen van de bak en een tweede paar voor het heffen van de bak.

"We ontwerpen en produceren onze eigen schroeven en actuatoren", aldus Foster, "dus we hebben specifieke hulpmiddelen ontwikkeld om de ontwerpen te analyseren en te valideren. Moog ballnut en return ontwerpen zijn specifiek ontworpen zodat het verlies van kogels uit een circuit geen probleem is. De dimensionering voor operationele belastingen, storingen en bijbehorende contactspanningen is de sleutel tot het halen van de ontwerplevensduur."

Elke elektrische cilinder is een kogelomloopspindel die wordt aangedreven door een elektromotor met variabele snelheid, geïntegreerd in één component met IP-67 classificatie. De elektrische cilinders voor het heffen van de bak hebben een maximale slag van 740 mm (29 inch), een piek- en continue kracht van respectievelijk 130 kN (29.200 lbf) en 55 kN (12.400 lbf) en een maximale snelheid van 225 mm/sec (8,8 in./sec). De elektrische cilinders voor kantelen hebben een maximale slag van 346 mm (16,6 inch), piek- en continue krachtwaarden van respectievelijk 110 kN (24.730 lbf) en 45 kN (10.115 lbf) en een maximale snelheid van 107 mm/sec (6,70 in./sec).

Voor degenen die goed bekend zijn met hydraulica, is de grote vraag of deze elektrische cilinders bestand zijn tegen het regelmatige gebruik en misbruik door machinisten. Laders worden immers vaak gebruikt voor meer dan alleen het scheppen en storten van los materiaal; ze worden vaak gebruikt om asfalt en andere materialen van beton te schrapen, in rotsachtige grond te graven en grote stenen of brokken beton los te werken zodat ze kunnen worden verwijderd.

Hydraulische cilinders staan erom bekend dat ze zware vervuiling verdragen. Modder, vuil, zand, zware stofdeeltjes en andere deeltjes in de lucht kunnen in contact komen met de zuigerstang van een cilinder, maar stangschrapers en afdichtingen beperken de deeltjes die in het hydraulische systeem terechtkomen. Bovendien circuleert de vloeistof regelmatig door filters. Zolang gebruikers de filters goed onderhouden, kan een hydraulisch systeem onbeperkt succesvol werken in extreem vuile omgevingen. Elektromechanische actuatoren hebben over het algemeen niet de luxe om vervuild smeermiddel door een filtersysteem te laten circuleren.

Foster van Moog is echter van mening dat elektromechanische systemen robuuster zijn tegen inwendige vervuiling dan hydraulische systemen. "Afdichting is echt de sleutel voor de hoogste betrouwbaarheid en levensduur", zegt hij. "In het geval van een defecte afdichting en de daaruit voortvloeiende interne vervuiling, als de actuator of tandwielkast beschadigd raakt en de prestaties afnemen, zal ook de efficiëntie afnemen. Omdat de efficiëntie kan worden bewaakt tijdens de levensduur van de actuator, kan deze worden vervangen als een 'lijnvervangbaar onderdeel' dat geen invloed heeft op andere onderdelen van het systeem."

Systeembrede vervuiling en schade is geen storingsmodus van elektromechanische systemen, zei hij. Het vervangen van een onderdeel dat in de leiding kan worden vervangen, betekent niet dat een hydraulisch systeem moet worden geleegd, doorgespoeld, opnieuw gevuld en ontlucht.

Een ander punt van zorg, maar in mindere mate, is plaatselijke warmteontwikkeling. Elektromotoren kunnen aanzienlijke warmte genereren wanneer ze vaak worden gestart, gestopt en omgekeerd. Foster zegt dat de belangrijkste tractie- en aandrijfmotoren, servodrives, vermogensbeheermodules en vaak ook de accu's worden gekoeld met een propyleen-glycoloplossing. Het koelsysteem is gecentraliseerd met lagedrukkoelleidingen.

Zelfs als de Bobcat T7X een daverend succes wordt, zal dat nog niet het einde betekenen van hydrauliek in mobiele machines. Het hoge prijskaartje zal het aantal verkochte eenheden beperken, wat prijsverlagingen die anders het gevolg zouden zijn van de verkoop van grote aantallen, zal tegenhouden.

De batterijen zelf vormen ook een beperking. De stilstandtijd die gepaard gaat met het opladen van machines beperkt het gebruik ervan voor meerdere shifts per dag totdat er een snelle en eenvoudige methode bestaat om lege batterijen te vervangen door vers opgeladen batterijen.

Een andere beperking is de schaal. De Bobcat T7Z is een kleine machine in de wereld van bouwmachines. Zelfs als het mogelijk is, is het toepassen van de technologie op grotere machines in de nabije toekomst waarschijnlijk niet rendabel.

De bezorgdheid over het verdwijnen van hydraulica uit off-highway machines is op dit moment dus voorbarig. Maar wie weet? Het zou iets kunnen zijn dat invloed heeft op uw achterkleinkinderen - als ze oud worden.

Waarom bouwuitrusting?

Elektrische auto's worden al tientallen jaren aangeprezen als de toekomst van transport. Maar totdat de technologie verder ging dan loodzuur-batterijen, waren elektrische auto's nooit meer dan veredelde golfkarretjes. Loodaccu's zijn gewoon niet geschikt voor lange afstanden.

Toen kwamen lithium-ion batterijen op de markt. Ze zorgden voor een revolutie in de elektrische auto tot het punt waarop we nu serieus bespreken hoe deze ooit de auto op fossiele brandstof kan vervangen. Onbekend is echter of elektrische auto's praktisch zijn voor langeafstandsreizen. Zelfs met alle vooruitgang op het gebied van actieradius kan een elektrisch voertuig nog steeds niet zes of meer mensen en hun bagage vervoeren en 600 mijl of meer op een dag rijden - vooral niet als je verwarming of airconditioning nodig hebt.

Het belangrijkste obstakel dat moet worden overwonnen is hoe een lege batterij snel kan worden opgeladen of vervangen en hoe de reis kan worden hervat in ongeveer dezelfde tijd die nodig is om te tanken. Het probleem lijkt niet het voertuig te zijn, maar eerder de infrastructuur, d.w.z. de oplaadstations, die nodig zijn om een lege batterij te herstellen.

Veel commerciële voertuigen - vooral die op bouwterreinen - hebben dit probleem niet. Ze gebruiken hun energie voor graven, tillen, pletten, duwen en tal van andere taken waarbij geen lange afstanden afgelegd hoeven te worden. Dit betekent dat een bouwproject een transporteerbaar oplaadstation op de bouwplaats kan hebben en de voertuigen gedurende de werkdag kan laten opladen.

Een soortgelijk voordeel bestaat voor voertuigen die vaste routes rijden, zoals vuilniswagens en bussen. Zolang ze hun route met één lading kunnen afleggen, hoeven ze de batterijen niet te verwisselen of op te laden tot het einde van een dienst.

-AlanHitchcox, Technisch Communicatie Specialist