Рис. 1. Бульдозер Caterpillar CAT D11, масса 105 000 кг

Технология транспортной системы Sleipner

Продолжение. Транспортная система Sleipner для горных машин с гусеничным ходом: проблемы безопасности труда и эксплуатации

Х.-П. Цинке (Hans-Peter Zinke), канд. техн. наук (Dr.-Ing.), Германия,
фото производителей техники

На горнодобывающих предприятиях существует проблема транспортировки крупногабаритных тяжелых горных машин с гусеничным ходом, например, бульдозеров, буровых станков и т.д. Максимальная скорость этих машин на своем ходу очень низка. К тому же при перемещении на своем ходу интенсивно изнашиваются детали гусеничного ходового механизма, падает их надежность.

По всем этим причинам перемещать тяжелые гусеничные машины на далекие расстояния своим ходом совершенно неэффективно, даже бульдозеры, несмотря на их сравнительно немалую скорость (до 15 км/ч).

Рис. 2. Бульдозер Komatsu D475A,масса 110 000 кг

Чтобы исключить недостатки перемещения своим ходом, гусеничную технику необходимо перевозить на трейлерах или других транспортных средствах. При этом технические характеристики подобных транспортных средств должны соответствовать всем существующим требованиям и инструкциям по безопасности труда и эксплуатации в условиях горнодобывающих карьеров. Особенно это относится к тяговым и тормозным характеристикам тягачей.

Компания Sleipner обещает, что все вышеперечисленные условия будут соблюдены, если использовать их прицеп для тяжеловесных грузов DB 120.

Рис. 3. Liebherr PR 776, масса 70 000 кг

Для перевозки каких машин и оборудования предназначен транспортный прицеп Sleipner DB 120?

Помимо тяжеловесных бульдозеров прицеп Sleipner DB 120 также рекомендуется для транспортировки буровых станков.

Рис. 4. Крупногабаритный буровой станок Atlas Copco

Техническая идея и конструктивное решение Sleipner DB 120

Габариты и вес транспортного оборудования показаны на рис. 6. В качестве тягача рекомендуется применять шарнирно-сочлененные самосвалы грузоподъемностью около 40 т, например Volvo A40E FS или CAT740. При этом грузовую платформу самосвала необходимо снимать.

Рис. 5. Sleipner DB 120: 1 – грузовая платформа; 2 – «лебединая шея»; 3 –поверхность тормоза; 4 – двухосная тележка; 5 – запасное колесо; 6 – лестница и ограждения

Sleipner DB 120 в эксплуатации

На иллюстрациях представлен прицеп Sleipner DB 120 в эксплуатации.

В технической характеристике DB 120 производитель указывает, что трeйлер пригоден для выполнения перевозок на подъемах до 10% и на спусках до 14%. Все инструкции для дорог в открытых карьерах во всем мире ограничивают уклоны величиной 10%, чтобы обеспечить безопасность труда и эксплуатации техники.

Рис. 7. Перевозка бульдозера CAT740 на прицепе DB 120 по ровной поверхности

Чем обеспечивается безопасное использование прицепа Sleipner DB 120?

Возможность буксировать транспортное средство с грузом должна быть реализована за счет мощности двигателя и компонентов трансмиссии тягача, то есть самосвала. Сила торможения должна быть достаточной для безопасного замедления всего автопоезда при любых условиях.

Как обеспечивается торможение в прицепе DB 120? В брошюре, описывающей трейлер Sleipner DB 120, можно прочесть: «Транспортировка на спуске с уклоном до 14% при полной нагрузке безопасна благодаря инновационной тормозной системе. Тормозные поверхности в задней части трейлера опускаются, так что они плотно контактируют с дорогой во время движения под уклон, а тягач должен тянуть трейлер. Эта инновационная тормозная система называется буксирный тормоз».

Рис. 8. Перевозка бульдозера CAT740 на прицепе DB 120 на подъеме 10%

Следует спросить, действительно ли этот тормоз надежен при буксировке, если общая масса автопоезда достигает 200 т и он движется под уклон 2% или 9%? Масса самосвала – 30 т, DB120 весит 50 т, а бульдозер – 120 т.

Ответы на эти вопросы очень важны для обеспечения безопасности труда и эксплуатации, и они должны быть однозначными, без какой-либо полемики.

Рис. 9. Перевозка бульдозера CAT740 на прицепе DB 120 на спуске 14%

Определение скорости движения по диаграммам тяги и торможения

Необходимо выяснить точную физическую картину поведения самосвала в условиях тяги и торможения, чтобы выяснить, возможно ли его безопасное использование.

Как изменяется распределение веса, куда происходит смещение веса, когда автопоезд самосвал–прицеп движется вниз по склону?

Сила тяги тяжелого самосвала

Сначала на примере самосвала с шарнирно-сочлененной рамой VOLVO A40D следует определить тяговое усилие при нормальных условиях при транспортировке грунта на погрузочной площадке.

На какой скорости полностью загруженный самосвал Volvo A40D с полезной нагрузкой в 37 000 кг и общей массой 68 270 кг может ехать под уклон 12,5% при сопротивлении качению 2,5%?

Рис. 11. Определение общей массы транспортного средства

Следующим шагом является определение общего сопротивления движению. Положительное градиентное сопротивление 12,5 + 2,5% положительного сопротивления качению действует на автопоезд и дает общее сопротивление 15%.

Затем необходимо установить связь между линией веса (68 000 кг) и кривой линией уклона.

Рис. 13. Пересечение между весом и уклоном

Точка пересечения с кривой тяги является отправной для расчета скорости, которая может быть достигнута автопоездом в этих условиях. Как видно из рисунка 14, скорость для автопоезда с весом приблизительно 68 000 кг и общим сопротивлением 15% может составлять максимум 8 км/ч.

Таким образом, мы проиллюстрировали, как можно рассчитать максимальную допустимую скорость автопоезда при известных начальных условиях: вес и сопротивление качению.

Рис. 14. Максимальная скорость при нормальном положении груза

Диаграммы силы тяги работают только для уклонов на подъем, диаграммы сил торможения используются для уклонов на спуск.

Рис. 15: Максимальная скорость автопоезда с прицепом Sleipner

Торможение тяжелых самосвалов

Барабанные или дисковые тормоза на тяжелых самосвалах очень быстро нагреваются и теряют силу торможения. Отсюда необходимость контролировать и регулировать скорость. На скоростных участках тяжелые самосвалы используют гидравлическое сопротивление в трансмиссии, которое известно как замедлитель (ретардер). При использовании замедлителей может быть достигнута более высокая скорость на коротких расстояниях, и самосвал может быть безопасно заторможен, но на больших расстояниях система замедлителя также перегревается до недопустимых температур. По этой причине ретардер не является частью тормозной системы, а только аварийным тормозом.

Рис. 16. Торможение самосвала при движении вниз по склону

Если рассчитать процесс замедления в условиях градиента 12,5%, при котором автопоезд откатывается, и посчитать сопротивление качению 2,5%, в результате получится общее отрицательное сопротивление качению –10%. Таким образом, должна быть использована диаграмма замедления.

Рис. 17. Определение пересечения между весом и сопротивлением качению

Рис. 18. Определение максимальной скорости спуска: тормозная характеристика

Какая кривая должна использоваться в отдельности: кривая непрерывного торможения либо нижняя или верхняя кривая замедления, зависит от системы привода буксирующего тягача и дорожных условий:

– если участок спуска имеет только короткий уклон, то можно использовать кривую замедления или верхнюю, или нижнюю;

– если это длинный затяжной спуск или ряд часто повторяющихся спусков, замедлитель не должен перегреваться и должна использоваться непрерывная кривая.

Рис. 19. Скорость спуска с нормальной нагрузкой на большом расстоянии – непрерывная кривая торможения

Что касается скорости, следует отметить, что кривые тяги и замедления представляют максимальные скорости, которые автопоезд может достичь по своим механическим характеристикам.

Замедлитель представляет собой гидродинамический (гидродинамический режим работы) без износа или электродинамический постоянный тормоз или сцепление, которые используются в тяжелых тягачах.

Рис. 20. Замедлитель (ретардер) для тяжелых тягачей

Поскольку рабочий или главный тормоз не предназначен для постоянного использования из-за перегрева, это приводит к сбоям тормозной системы. По этой причине замедлитель является вспомогательным компонентом для разгрузки тормозной системы. Замедлитель не подходит и не предназначен для остановки буксирующего транспортного средства. Продолжительное использование замедлителя в качестве единственного компонента для снижения скорости также приводит к его перегреву и выходу из строя.

Тяговые и тормозные характеристики тягача в сочетании с прицепом Sleipner DB 120

Самосвал, рассчитанный на полезную нагрузку 40 т, сконструирован таким образом, что гарантируется соблюдение всех норм и правил безопасного использования на карьерах. Допустимый уклон для открытых дорог установлен на уровне 10% (около 6°).

Общий вес автопоезда Sleipner, состоящего из шарнирно-сочлененного самосвала, транспортной платформы и 120-тонного бульдозера, составляет до 199 000 кг. Как используемый таким образом самосвал может безопасно затормозить этот автопоезд?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассчитать тормозную силу:

F=m.g.µ (кН),

где: µ – трение качения,

m – масса (кг),

g – гравитационное ускорение (м/с2).

Расчетное усилие торможения 40-тонного самосвала с нормальной нагрузкой равно 533 664 кН. Усилие торможения такого самосвала в сочетании со Sleipner, включая бульдозер (всего 199 000 кг), составляет 1 561 752 кН. Это значение примерно в три раза выше, чем у 40-тонного самосвала.

Рис. 21. Характеристикa замедления автопоезда весом около 200 т

Может быть, это причина, по которой Sleipner изобрел свой революционный тормоз? Что такое буксирный тормоз? Буксирный тормоз – это нижняя задняя поверхность пола прицепа Sleipner, которая опускается на проезжую часть и трется по ней. Тормозная сила создается весом груза.

Тормоз такой конструкции, как бы вы его ни назвали, может помочь остановить автопоезд на грунтовых дорогах. Эффект будет сильно зависеть от дорожных условий, так как в таком случае эти дорожные условия определяют тормозное сопротивление. Рабочий или главный тормоз ни при каких обстоятельствах не сможет затормозить весь автопоезд Sleipner.

Каким будет поведение при торможении на асфальтовых и бетонных дорогах? И что произойдет, если автопоезд весом до 199 000 кг движется со средней скоростью около 30 км/ч, как обещает Sleipner?

Если рассчитать замедление торможения шарнирно-сочлененного самосвала с полезным грузом 40 т в условиях, для которых он был изначально разработан, при скорости около 30 км/ч и общей массе 68 т, вы получите тормозной путь около 100 м. Следовательно, тормозной путь для автопоезда Sleipner с полной нагрузкой составляет 900 м и более в тех же условиях. А это опасный тормозной путь без возможности безопасного использования конструкции Sleipner.

Выводы

Автопоезда Sleipner, вес которых сокращен до экономически выгодных значений, обеспечивают положительный эффект с точки зрения снижения расхода топлива, затрат на ремонт и техническое обслуживание шасси гусеничных машин и увеличения продуктивного рабочего времени этих машин. Это делает системы Sleipner интересными для карьеров, где гусеничные машины часто приходится перемещать на большие расстояния.

С точки зрения напряжений, деформаций и износа, даже в большей степени с точки зрения безопасности труда и эксплуатации, системы Sleipner имеют такие серьезные недостатки, что многие из них следует считать опасными и неприемлемыми. Вождение системы Sleipner на спуске с полной нагрузкой перегружает тормозную систему самосвала недопустимым и опасным образом.

Немецкие организации горнотехнического надзора после изучения обеих систем Sleipner (см. «Основные Средства», № 7, 2022 г.) не дали разрешения для их эксплуатации в Германии.

Экономические соображения относительно реальных преимуществ этого оборудования Sleipner, конечно, остаются за клиентом. Начиная с точки зрения затрат, принимая во внимание возможные опасности, эти затраты могут достигать значения, из-за которого их использование становится неэкономичным, так что нужно искать лучшие и безвредные варианты транспортировки для тяжелых гусеничных машин.

Литература

1. Komatsu PC2000 versus Liebherr R9250 track details; Sleipner Finland OY, 2011.

2. The Sleipner Benefit Calculation; Sleipner Finland OY, 2012.

3. Dr. Bradley C. Paul. Determining Truck Speeds using and Retarder Curves Supplemental teaching resources, 2002.

4. DEKRA Lübeck; Protokolle und Abschlussbericht über die Prüfung der Transportsysteme Sleipner, Lübeck, 2015.

5. Ханс-Петер Цинке. Технология транспортной системы Sleipner. Инновационная система перемещения карьерной техники. «Основные Средства» № 7, 2022 г., стр. 54–57.