Будущее землеройной техники и самосвалов - взгляд в XXI век

Кевин Джост, редактор журнала SAE Off-Highway Engineering

Компания CATERPILLAR постоянно проводит изучение потребительских тенденций в области строительного и горнодобывающего оборудования. В компании существует подразделение перспективных разработок, основная задача которого заключается в определении запросов потребителей землеройной техники и карьерных самосвалов на перспективный период от 5 до 20 лет и планировании производственных программ для выполнения этих запросов. Специалисты подразделения разрабатывают концепции, в соответствии с которыми через 3- 6 лет появляются новые машины. Модернизацию небольшого оборудования компания проводит каждые 3-4 года, а более крупного - каждые 5-6 лет. Наиболее перспективные разработки планируются для очередной модернизации.

Основу публикуемой статьи составили материалы, предоставленные Томасом Миллером, являющимся руководителем подразделения перспективных разработок компании CATERPILLAR на заводе Аврора, штат Иллинойс, США.

Конструкция и дизайн будущих морелей

Одним из направлений работы подразделения, возглавляемого Т.Миллером, являются исследования по созданию конструкции моделей будущего, а также улучшение дизайна и конструкции существующего оборудования, включая бульдозеры, погрузчики, автоскреперы, автогрейдеры, экскаваторы и самосвалы.
У бульдозера наиболее важным элементом конструкции является отвал. Тогда возникает вопрос, почему наиболее широкая и высокая часть - радиатор - размещается далеко впереди машины и затрудняет обзор отвала? Машинист бульдозера D-18 избавлен от подобных проблем - отвал и радиатор расположены на разных концах машины. Эта же концепция использована при разработке конструкции погрузчика на гусеничном ходу, только вместо отвала погрузчик оборудуется ковшом.

В основу концепции автоскрепера 668 положено мнение инженеров CATERPILLAR о том, что более эффективна погрузочно-транспортная машина, которая не тянет, а толкает. Гусеничная ходовая система проектируемого автоскрепера располагается в задней части машины, а рулевые колеса и ковш - в передней. Последнее обстоятельство отличает проектную модель от существующих автоскреперов, ковш у которых находится в задней части.

Для мощного гусеничного автогрейдера 55Н также предлагается концепция переднего управляемого колеса с расположением оператора в наиболее удобном для работы месте с улучшенным обзором рабочей зоны.

Экскаватор является не только погрузочной, но и самоходной машиной. Для обеспечения маневренности при перемещении расстояние между ведущей и холостой звездочками у этих машин должно быть небольшим, в то время как на рабочей площадке оно должно быть по возможности максимальным, т.к. удлиненная ходовая тележка обеспечивает большую устойчивость машине. Поэтому экскаватор 349 предусматривается оборудовать ходовой тележкой с изменяющейся длиной. Для лучшего обзора ковша оператор расположен внутри стрелы. Лучшая сбалансированность массы машины при перемещении стрелы достигается за счет совместного перемещения оператора и контргруза.

Передние шины колесного погрузчика 999 по размеру больше, чем задние. Нагрузка при работе передается через рукоять на переднюю раму и через дифференциал и шины на землю. С учетом этого спроектированы передние оси. Двигатель расположен в задней части машины. Недостатком этой концепции является невозможность замены передних шин на задние.

Практика горных работ показывает, что крупные машины более эффективны по причине большей производительности и меньших эксплуатационных затрат. Сдерживающим фактором увеличения грузоподъемности автосамосвала являются размеры шины. Концепцией автосамосвала 791 предусматривается использование дополнительных шин при сохранении маневренности, присущей существующим машинам.

Альтернативой традиционного погрузчика-экскаватора с ковшом обратной мехлопаты является погрузчик 460, оснащенный ковшом передней и обратной мехлопаты. Концепция нового погрузчика-экскаватора заключается в возможности осуществления передней и задней погрузки. Если погрузчик-экскаватор копает по направлению вперед, машинист может визуально контролировать процесс черпания. Концепция погрузчика 460 предлагается для использования в конструкции небольшого бульдозера D-4.

По мнению Т.Миллера машины будущего серии Electro X будут иметь электроприводы: электрогидравлический, электромеханический или электропневматический. Все механизмы будут управляться по электропроводам. Например, при управлении погрузчиком с помощью электроники его четыре приводных управляемых колеса могут быть запрограммированы для вращения в одном или противоположном направлениях. Это означает, что сочлененные конструкции будут больше не нужны, а кабина может быть такой же широкой, как и ковш, что обеспечит большее пространство для рабочего места машиниста. В этой концепции используется гидростатика, которая совершенно бесшумна и работает строго по программе. Ряд подобных решений уже можно найти в современных конструкциях некоторых машин фирмы CATERPILLAR, однако в будущем следует ожидать их более широкого распространения с внедрением следующих поколений машин.

Будущие операторы машин и современные видеоигры


Согласно данным Т.Миллера средний возраст оператора автогрейдера на североамериканском рынке составляет 52 года. Возникает вопрос, кто придет им на смену? По мнению Т.Миллера по причинам психологического характера через несколько лет будет проблематично найти желающих работать в условиях, в которых работают современные операторы. С возрастом детям все меньше хочется играть в песочнице - их увлечением становятся компьютерные видеоигры. Вот почему будущие машины, спроектированные в расчете на сегодняшних детей, будут иметь в кабинах стерео-установки, кондиционеры и видеоигры. Принцип управления этими машинами будет аналогичным тому, который применяется в видеоиграх. Управление машиной, оборудованной приводом Electro X, будет осуществляться с помощью электроники и в конечном итоге «видеоигры» позволят отказаться от нахождения оператора в кабине машины и «перенести» управление безлюдным оборудованием в диспетчерский центр.

По мнению Т.Миллера концепция управления по принципу «видеоигры» позволит в будущем колесному погрузчику достичь производительности при погрузке до 900 тыс.т горной массы в час.

От диагностири к прогнозированию


Машины будущего, оснащенные большим количеством датчиков, смогут предоставлять обслуживающему их техническому персоналу значительный объем диагностической информации о времени, месте и причинах неисправностей. Машины будут сигнализировать о неисправностях, даже полученных в предыдущий день.

Многие из современных машин фирмы CATERPILLAR уже имеют такие диагностические системы, называемые VIMS (Vital Management System - система управления жизненно-важной информацией). Кроме диагностирования целью этих систем является прогноз - предупреждение о возможной неисправности машины с целью избежания поломок и выхода ее из строя. Как показывают результаты эксплуатации - это более эффективный и экономичный режим.

В будущем системы прогнозирования будут способны записать информацию о количестве перемещений поршня двигателя за любой период времени с момента покупки машины, а также расходе топлива. По этим параметрам (расход топлива и число рабочих циклов поршня) может быть определена потребляемая мощность двигателя, а конструкторы установят рабочий ресурс двигателя до ремонта.

При ухудшении «состояния» машины в компьютер технического центра для анализа могут быть введены «симптомы» машины. Система будет
способна идентифицировать машину по серийному номеру в любой точке земного шара, сообщить ее владельцу по телефону о месте и сроке выполнения ремонта. Поставка запасных частей могла бы быть осуществлена по заказу, поступившему от бортового компьютера машины на центральный компьютер по компьютерной сети, с оплатой по кредитной карточке или серийному номеру машины.

Компания CATERPILLAR уже проводит подобные работы на основе системы усовершенствованного обслуживания APS (Advanced Product Service), с помощью которой осуществляется наблюдение за несколькими сотнями двигателей автосамосвалов, работающих на автодорогах и карьерах, с использованием системы глобального позиционирования оборудования GPS на базе космических спутников и компьютерной станции в техническом центре.

Стоимость компьютерного обслуживания в настоящее время достаточно высока, однако в будущем она будет снижаться. Для погрузчика Cat 994 стоимостью $1.75 млн. можно арендовать компьютер стоимостью $30 тыс., но для небольшого погрузчика-экскаватора это слишком дорого. Компания CATERPILLAR продает около 50 погрузчиков Cat 994 в год, а 50 погрузчиков-экскаваторов - в час. Таким образом, погрузчики «помогут» снизить стоимость обслуживания.

Электронрое оснащение, система GPS и производительность машин


Как использовать электронное оснащение, видеоконтроль и систему GPS для увеличения производительности машины? Например, если для качественного уплотнения поверхности требуется четырехразовый проход трамбовщика, то оператор, не имея соответствующих средств технического оснащения, на каком-то участке поверхности сделает 6 проходов, а в ряде мест - 2. С помощью электронных систем управления и системы GPS видеоэкран на трамбовщике мог бы показать к примеру первый проход белой, второй - зеленой, третий - красной, а четвертый - желтой полосой. Оператору следует выполнять работу до тех пор, пока весь экран не окрасится в желтый цвет, а, соответственно, и вся поверхность не будет уплотнена.

В будущем будет осуществляться полный контроль за состоянием и выполнением рабочих функций машины. Двигатели с системой электронного контроля уже соответствуют экологическим требованиям по содержанию вредных частиц в выхлопных газах. Большинство из новых крупных машин будут оборудованы трансмиссией, автоматически управляемой с помощью бортового компьютера, а также электрогидравликой для точного управления узлами машины. Электроника также будет следить за проскальзыванием колес; для контроля за работой цилиндров будут использоваться датчики RF; а «умные» насосы -иметь микросхемы.

На оснащенных радиомодулями и приемниками машинах оператор с передатчиком в руках сможет получать сведения по ключевым узлам машины (двигателю, трансмиссии и т.д.). Это позволит резко сократить количество соединительных элементов и проводов от кабины, оставив только четыре болта для соединения кабины с машиной. В результате появится возможность размещать кабину на удаленном расстоянии и осуществлять оператором контроль за несколькими машинами. Очевидно горное предприятие или автодорожная служба могли бы снизить нагрузку на оператора при оснащении машин компьютерами и полной их автоматизацией, позволив оператору управлять машинами на удаленном расположении.

Журнал "Горная Промышленность" №2 1997