Vytváření budoucnosti práce: Překonání výzev v oblasti elektrifikovaných pracovních funkcí

Cesta k výstavbě bez emisí – odvětví stavebních strojů prochází transformací. S tím, jak se prosazují cíle udržitelnosti a zpřísňují se emisní předpisy, se snaha o elektrifikaci terénních strojů rozšiřuje nejen na trakční systémy. V současné době se pozornost obrací k elektrifikaci pracovních funkcí – hydrauliky, řízení, brzd a pomocných systémů, které provádějí zvedání těžkých břemen, kopání, zarovnávání a vrtání, jež jsou charakteristické pro stavební práce. Zatímco někteří výrobci pracují na zabudování elektrifikace do stávajících podvozků strojů, nová generace strojů bude potřebovat pečlivý inženýring, aby v tomto vývoji pokračovala.

Proč je elektrifikace pracovních funkcí důležitá
Tento posun není dobrovolný. Městská centra po celém světě uplatňují nařízení s nulovými emisemi. Města jako Londýn, Berlín a Paříž již uplatňují omezení, která brzy zakážou strojům s vnitřním spalovacím motorem (ICE) provoz na území města. Dodavatelé začínají získávat nabídky nebo o ně přicházet na základě údajů o emisích a průmyslové odvětví na to naléhavě reaguje. Zatímco u menších vozidel, jako jsou vysokozdvižné vozíky a skladové vozy, se pohonné systémy na baterie výrazně prosadily, elektrifikace pracovních funkcí terénních stavebních strojů představuje jedinečné a složité výzvy, které vyžadují speciální inženýrská řešení.

Požadavky na výkon vs. limity baterie
Elektrifikované pracovní funkce se musí vypořádat s aplikacemi s vysokým výkonem a nepřetržitým provozem, které přesahují možnosti současných bateriových technologií. Kompaktní stroje, jako jsou minirypadla a malé kolové nakladače, mohou efektivně pracovat na lithium-iontovou energii. Střední a těžké stroje však čelí jiné realitě. Jejich náročné pracovní cykly, dlouhá doba provozu a značné hydraulické zatížení vyžadují úrovně výkonu, kterých je obtížné dosáhnout pouze pomocí baterií. I když se hustota energie v bateriích zlepšuje, rozdíl mezi uloženou energií a požadovaným výkonem zůstává pro velká zařízení hlavní překážkou.

Porozumění energetickým ztrátám v hydraulických systémech
Energetické ztráty jsou skrytým problémem, který elektrifikaci ještě více komplikuje. Tradiční hydraulické systémy poháněné spalovacími motory jsou notoricky známé svou neúčinností. Studie využití energie strojů ukázaly, že na užitečnou práci se přemění méně než 15 % energie paliva a zbytek se ztratí třením, omezováním průtoku kapalin a neefektivitou komponentů. Tyto ztráty, které mohou v některých systémech přesáhnout 85 %, představují obrovskou příležitost pro zlepšení elektrických architektur. Elektrifikované systémy lze přesněji optimalizovat podle poptávky, což umožňuje použít energii tam, kde a kdy je potřeba, bez plýtvání, které je vlastní nepřetržitě běžícím konfiguracím s pohonem na vnitřní spalovací motory.

Strategie návrhu systémů pro elektrifikaci
Návrháři systémů mají nyní k dispozici několik způsobů, jak elektrifikovat pracovní funkce. Jedním z nejrozšířenějších přístupů je elektrické hydraulické čerpadlo nebo EHP. V prvních implementacích se používaly elektromotory s pevnými otáčkami, které kopírovaly chování spalovacích motorů. Tento přístup sice zjednodušil integraci, ale přinesl jen omezené zvýšení účinnosti. Dnešní řešení EHP využívají principy „výkonu na vyžádání" a řízení motorů s proměnlivými otáčkami, které dodávají hydraulický tlak pouze v případě potřeby. Tato strategie snižuje ztráty při nečinnosti, snižuje spotřebu energie a prodlužuje životnost baterie.

EHP vs. EHA: výběr správného přístupu
Elektrické hydraulické pohony (EHA) nabízejí ještě vyšší účinnost, protože zcela eliminují centrální hydraulický obvod. Tyto systémy využívají elektrickou energii k řízení pohybu přímo na pohonu. Ačkoli jsou systémy EHA složitější a nákladnější než systémy EHP, poskytují lepší řízení, modularitu a energetickou výkonnost. Pro mnoho OEM výrobců může hybridní přístup využívající EHP v kombinaci s konvenčními ventilovými bloky a pevnými pohony zajistit správnou rovnováhu mezi výkonem, složitostí integrace a náklady.

Tepelné řízení v elektrických strojích
Dalším aspektem elektrifikace je tepelné řízení. Vznětové motory produkovaly značné množství odpadního tepla, které bylo možné přesměrovat na ohřev hydraulických kapalin nebo vytápění kabiny. V elektrických strojích jsou zdrojem tepla baterie, měniče, motory a regulátory – každý s odlišnými teplotními prahy a potřebou chlazení. Řízení těchto tepelných zátěží vyžaduje integrované chladicí systémy schopné udržovat optimální teploty v širokém rozsahu provozních podmínek.

Požadavky na chlazení specifické pro daný stroj
Složitost tepelného návrhu se liší podle typu stroje. Například rypadlo vyžaduje dvě různé chladicí smyčky. Jedna z nich chladí elektrické hnací ústrojí, zatímco druhá chladí motor a měnič, které pohánějí hydrauliku. Stroje pro povrchové vrtání představují další řadu výzev. Tyto stroje mají vysoké výložníky a chladicí kapalina musí být čerpána až do výšky osmi nebo deseti metrů, aby se dostala k motoru, což zvyšuje nároky na tlak a regulaci. Vodíkové palivové články přinášejí vlastní výzvy, včetně vysokoteplotního výfukového vzduchu, který musí být odváděn mimo dosah obsluhy a ostatních komponentů stroje.

Úvahy o napětí u chladicích systémů
Pokud jde o chladicí systémy, musí konstruktéři také volit mezi nízkonapěťovými a vysokonapěťovými možnostmi. Typické srovnání zahrnuje 24voltové a 600voltové systémy určené k odvádění stejného množství tepla. Vysokonapěťové systémy obvykle nabízejí lepší proudění vzduchu a účinnost, ale také vyžadují speciální kabeláž, bezpečnostní opatření a izolaci. Nízkonapěťové systémy jsou jednodušší na realizaci a obvykle zabírají méně místa a poskytují nižší výkon, což omezuje jejich použití na lokalizovanější aplikace. Každá aplikace vyžaduje pečlivé vyhodnocení omezení velikosti, chladicího zatížení, bezpečnostních požadavků a nároků na integraci.

Role vodíku v aplikacích s rozšířeným provozem
Zatímco baterie zůstávají primárním napájecím zdrojem pro kompaktní a středně velké stroje, pro těžké stroje se jako slibné řešení ukazuje vodík. Lithium-iontové články se neustále zdokonalují, ale stále nedosahují takové hustoty výkonu, která je potřebná pro provoz velkých strojů po celou směnu bez častého nabíjení. V místech, kde není k dispozici energie ze sítě nebo je již nasycena, představuje vodík alternativní cestu k práci bez emisí.

Vodíkové spalovací motory vs. palivové články
Stavebnictví investuje do vodíkových technologií ve dvou hlavních směrech. První z nich je využití vodíku v modifikovaných spalovacích motorech. Tento přístup zachovává základní hydraulickou architekturu a hnací ústrojí vznětových strojů, přičemž nahrazuje palivo. To sice eliminuje emise uhlíku, ale vyžaduje také značné skladování ve stroji, protože vodík musí být udržován pod vysokým tlakem.

Druhou možností, která se více zaměřuje na budoucnost, je vodíkový palivový článek. V této konfiguraci dodává palivový článek energii pro základní zatížení, zatímco malá lithium-iontová baterie zajišťuje dodatečný točivý moment během špiček. Toto uspořádání odráží architekturu bateriového a elektrického pohonu, ale nabízí delší dobu provozu a rychlejší doplňování paliva. Systémy palivových článků se již testují v rypadlech, vysokozdvižných vozících a kloubových tahačích. Omezená infrastruktura pro distribuci vodíku však zůstává významnou překážkou širokého přijetí. Vybudování této infrastruktury je v současné době nákladnou záležitostí, ale hnací silou změny může být rostoucí poptávka.

Digitalizace jako páteř elektrifikace
Kromě hardwaru hrají při podpoře elektrifikovaných pracovních funkcí stále větší roli inteligentní systémy a digitální konektivita. Moderní stavební stroje jsou stále častěji vybaveny senzory, které monitorují tlak, krouticí moment, teplotu a mechanické namáhání v reálném čase. Tyto senzory nejen podporují efektivní provoz strojů, ale také poskytují data do systémů prediktivní údržby, které mohou odhalit potenciální poruchy dříve, než k nim dojde.

Funkční bezpečnost a poloautonomní provoz
Systémy s využitím senzorů jsou rovněž nezbytné pro splnění nově vznikajících norem funkční bezpečnosti. V elektrických a poloautonomních strojích musí elektronické brzdové a řídicí systémy automaticky detekovat a reagovat na poruchy, aby se zabránilo nebezpečí. Technologie jako elektrické řízení a elektrické brzdění umožňují odstranit hydraulická vedení z kabiny řidiče a nahradit je elektronickými vstupními zařízeními, což zlepšuje ovládání a umožňuje automatické asistenční funkce. Tyto technologie také podporují dálkový a autonomní provoz, který je stále zajímavější v aplikacích, jako je těžba, dobývání a rozsáhlé zemní práce.

Chytřejší stroje díky vlastním řídicím platformám
Digitální displeje, připojení ke cloudu a přizpůsobitelný řídicí software umožňují OEM výrobcům přizpůsobit chování stroje konkrétním aplikacím. Platformy, jako je IQAN společnosti Parker, nabízejí konstruktérům nástroje pro návrh, testování a implementování sofistikované řídicí logiky při zachování souladu s bezpečnostními a výkonnostními požadavky. Integrace cloudové diagnostiky dále zkracuje servisní časy a zlepšuje provozuschopnost, protože servisní procedury lze plánovat na základě aktuálního stavu stroje, nikoli v pevně stanovených intervalech.

Závěr: Navrhování pro výkon, účinnost a udržitelnost
Budoucnost elektrifikovaných pracovních funkcí nakonec spočívá v uceleném návrhu systému. Jakmile se tyto základní systémy osvědčí a budou optimalizovány, může následovat trakce. Skutečné zvýšení účinnosti a výkonnosti je výsledkem přehodnocení architektury celého stroje, integrace chytrých řídicích prvků, inteligentního řízení tepelných systémů a výběru správného zdroje energie pro každou aplikaci. Ať už se jedná o baterie, vodík nebo hybridní systémy, cílem je dodávat stroje, které jsou čistší, tišší a produktivnější, aniž by to bylo na úkor robustního výkonu, který stavební práce vyžadují.

Vzhledem k tomu, že elektrifikace bude i nadále měnit podobu stavebnictví, budou projektanti a konstruktéři systémů hrát při tomto přechodu ústřední roli. Díky přijetí nových technologií a spolupráci s poskytovateli řešení, kteří rozumí výzvám i příležitostem, lze v tomto průmyslovém odvětví vybudovat základ pro čistší a inteligentnější pracoviště.

www.parker.cz