При копании грунта экскаватором критически важно выдерживать угол резания 30–35 градусов. Отклонение ведет к перерасходу топлива и быстрому износу техники. Однако существующие системы не могут точно поддерживать это заданное положение из-за погрешностей гидравлики (системы, передающей усилие через жидкость под давлением) и датчиков. Ученые Пермского Политеха впервые в мире решили проблему, создав систему с электроприводом на ковше и радиопозиционированием — она автоматически подстраивается под любой грунт, экономя ресурс и ускоряя работу.
На изобретение получен патент.
При строительстве дорог, добыче полезных ископаемых или рытье котлованов используют экскаваторы. Эти машины — основная рабочая сила на любой стройплощадке. Они выполняют за человека самую тяжелую работу: стальными зубьями ковша «вгрызаются» в грунт — от мягкого чернозема до плотной глины и даже скальных пород.
На первый взгляд все просто: вонзил ковш в землю и выгреб тонны породы. Но на самом деле копание — это процесс резания, как ножом по хлебу. И здесь очень важно, под каким углом зубья ковша встречаются с почвой. Оптимальный составляет 30–35 градусов. Если угол резания станет меньше или больше — сопротивление увеличится, расход топлива взлетит, а зубья и механизмы будут быстро изнашиваться. Поэтому от правильного наклона зависит, насколько легко пойдет работа, сколько горючего сожжет двигатель и как долго прослужит техника. А чем прочнее порода, тем критичнее точность.
Проблема в том, что сегодня большинство экскаваторов не могут автоматически поддерживать этот самый оптимальный угол. У них зубья ковша жестко закреплены — их нельзя повернуть или подстроить под конкретный грунт. Машинист управляет стрелой (длинная «рука» машины), рукоятью (среднее звено между стрелой и ковшом) и самим ковшом с помощью гидравлики — усилие передается через масло под давлением, как в тормозах автомобиля. И когда все эти части движутся одновременно, угол резания постоянно меняется.
Сегодня эту проблему пытаются решить с помощью гидроцилиндров (специальные силовые устройства, где поршень двигает жидкость под давлением) — они поворачивают зубья, меняя угол резания. На стреле и рукояти устанавливают датчики, которые измеряют положение этих частей и передают показания на бортовой компьютер, который уже решает, как повернуть зубья. Но у такого подхода есть два серьезных минуса.
Первый — сама гидравлика: много энергии уходит на нагрев масла, из-за чего шланги текут и требуют частого ремонта, а главное — такую систему сложно настроить на точные микродвижения. Второй — электронные сенсоры. Они закреплены на стреле и рукояти и измеряют их положение, но не видят того, что происходит в реальности: стрела под нагрузкой прогибается, шарниры (подвижные соединения деталей) со временем изнашиваются, появляется лишний зазор. Датчики этого не замечают и по-прежнему передают расчетное положение, хотя на самом деле ковш уже сместился. Компьютер получает неверные данные и ошибается в определении его реального местоположения.
Ранее ученые Пермского Политеха создали первое в России устройство, которое автоматически подстраивало угол резания — с помощью гидроцилиндров. Оно помогало снизить износ техники и расход топлива, но не избавляло от главных недостатков гидравлики.
Теперь они пошли дальше и создали систему, которая впервые в мире объединяет два ключевых решения: электропривод зубьев, установленный прямо на ковше, и радиосистему точного позиционирования самого ковша. Благодаря этому экскаватор сам поддерживает оптимальный угол резания, сокращает расход топлива, реже ломается и работает быстрее.
— Суть разработки в том, что на ковш ставят радиопередатчик, а на корпус экскаватора — датчики-приемники. Они улавливают сигнал с него. Блок управления по времени прохождения сигнала вычисляет точное расстояние от ковша до вращающейся платформы и угол его наклона. Так компьютер видит реальное положение ковша, даже если стрела прогнулась или шарниры износились, — пояснил Дмитрий Ковалевский, студент кафедры горной электромеханики ПНИПУ.
Одновременно датчики на самом ковше и на зубьях сообщают компьютеру текущий угол резания. Если он отклоняется от оптимального (30–35 градусов), блок управления подает команду на электродвигатели, установленные прямо на ковше. Те через систему рычагов и тяг поворачивают вал с зубьями, мгновенно меняя угол атаки. Все происходит автоматически, без участия машиниста.
— Такое устройство позволяет поддерживать угол резания в оптимальном диапазоне даже при резких движениях стрелы и рукояти. А это, в свою очередь, снижает сопротивление грунта — зубья ковша меньше нагружены, ковшу легче внедряться в грунт. В результате уменьшается нагрузка на двигатель и гидравлическую систему, сокращается расход топлива и продлевается срок службы техники, — пояснил Александр Муравский, кандидат технических наук, доцент кафедры горной электромеханики ПНИПУ.
Элементы устройства размещаются на ковше и платформе экскаватора. Все составляющие — электродвигатели, датчики, передатчик — компактно размещены на ковше, а на платформе располагаются только приемники сигнала.
— Систему легко установить на любой экскаватор: не надо переделывать существующие масляные трубки и шланги. К тому же здесь нет гидравлики, а значит — нет проблем с текущими шлангами и перегретым маслом. Электропривод надежнее, экономичнее и проще в ремонте, — пояснил Роман Разорвин, студент кафедры горной электромеханики ПНИПУ.
Следовательно, разработка ученых в будущем позволит экскаваторам автоматически поддерживать оптимальный угол резания на любом грунте — от мягкого чернозема до скальных пород. Для строительных компаний это означает сокращение простоев на ремонт и снижение расхода топлива. Для горнодобывающей промышленности — повышение надежности техники в тяжелых условиях. А для дорожного строительства — возможность быстрее выполнять большие объемы земляных работ, ускоряя ввод объектов в эксплуатацию.