Introducción al camión volquete: diseño de la carga útil, el sistema de transmisión y el transporte autónomo.

La productividad de un camión volquete no depende únicamente de la potencia del motor o la capacidad de la caja. Lo que determina el volumen de tierra que se puede mover en una obra es el tiempo que tarda en completar un ciclo de forma segura: carga, desplazamiento, ascenso, giro, descarga y el viaje de regreso vacío. Los grandes camiones volquete utilizados en la construcción de carreteras y los camiones todoterreno de gran tamaño empleados en las minas difieren considerablemente en su estructura, pero comparten el mismo principio fundamental: la coordinación de la carga, la tracción, el frenado y la estimación de la posición.

Camión volquete minero en el campo

Imagen: Logan Lake Mining Dump Truck 2 (dave_7, CC BY-SA 2.0), Wikimedia Commons. Un vehículo minero representativo, no un modelo específico de Komatsu o Caterpillar.

0. Resumen de 30 segundos

• La carga útil no es solo "volumen de la plataforma × densidad del suelo", sino que está limitada por la carga por eje, los neumáticos, la distancia de frenado y la resistencia de la carretera.

• La fuerza de tracción necesaria para subir una pendiente es la suma de la resistencia a la pendiente, la resistencia a la rodadura y la resistencia a la aceleración. La propulsión eléctrica facilita la obtención de un par motor elevado a baja velocidad y el frenado regenerativo.

• La plataforma se inclina mediante un cilindro hidráulico. El caudal hidráulico determina el tiempo de elevación; la presión y el área del cilindro determinan la fuerza de elevación.

• En las minas, el transporte autónomo mediante GNSS, IMU, radar, cámaras y comunicación entre vehículos se ha vuelto práctico, centrándose en la operación mixta con vehículos tripulados y monitorización remota.

• Las métricas para evaluar la autonomía incluyen no solo la distancia recorrida sin tripulación, sino también la carga útil, el tiempo de ciclo, el desgaste de los neumáticos, el consumo de combustible/electricidad y el margen de seguridad en parada.

1. Resistencia a la rodadura y potencia requerida

Sea m la masa del vehículo, g la aceleración gravitatoria, i la pendiente (aproximación de ángulo pequeño), C_r el coeficiente de resistencia a la rodadura y a la aceleración. La aproximación de la resistencia a la rodadura es:

Con un radio de rueda r y un par motor total T_w, la fuerza de tracción transmitida a la superficie de la carretera es F_t=T_w/r. Sin embargo, superar el límite superior F_t\le\mu mg establecido por la fricción de la carretera provoca que los neumáticos patinen. La potencia del motor P a una velocidad v es:

Por lo tanto, en una subida pronunciada a baja velocidad predomina el par motor elevado, mientras que en un viaje de regreso en vacío a alta velocidad predominan la potencia y la refrigeración.

2. La plataforma y el mecanismo de basculación hidráulica

Sea A el área del pistón del cilindro hidráulico que eleva la plataforma y \Delta p la presión diferencial; el empuje ideal es F=\Delta pA. Siendo l la distancia entre el centro de gravedad de la caja y la bisagra, y r_m(\theta) el brazo de palanca hasta el punto de acción del cilindro, el empuje requerido es:

En la posición inicial de la caja, casi horizontal, r_m es pequeño, lo que facilita el uso de la presión máxima. A medida que la caja se eleva, el momento gravitatorio disminuye, lo que permite un diseño que aumenta el caudal hidráulico para una descarga rápida. Dado que el par requerido varía cuando la arcilla se adhiere, el material se congela o la carga es irregular, se utilizan sensores de presión y de posición para detectar anomalías.

3. Tipos de transmisión: Mecánica, Diésel-eléctrica y Batería

Para camiones volquete de tamaño mediano para carretera, es común un sistema de transmisión mecánica: motor diésel, embrague/convertidor de par, transmisión, eje de transmisión y diferencial. Para camiones mineros de gran tamaño, se utiliza ampliamente un sistema de propulsión diésel-eléctrico, que genera electricidad con un generador diésel y acciona inversores y motores de rueda. Este sistema permite menos marchas y facilita la distribución independiente del par motor a las ruedas izquierda y derecha.

La propulsión eléctrica con batería puede reducir las emisiones de gases de escape y el ralentí, pero la densidad energética, el tiempo de carga, el peso, la capacidad para operar en climas fríos y la instalación de cargadores rápidos representan desafíos. El frenado regenerativo de la propulsión eléctrica puede devolver energía cinética a la batería en pendientes descendentes, pero con la batería completamente cargada o a altas temperaturas, es necesario cambiar a retardadores mecánicos y frenos de fricción.

4. Medición de la carga útil

La sobrecarga daña los neumáticos, el chasis, los frenos y las carreteras, mientras que la carga insuficiente reduce la productividad por ciclo. Un sistema de pesaje combina la presión de la suspensión, la tensión del eje, la presión del cilindro hidráulico y la aceleración para estimar la carga útil mientras el vehículo está en movimiento. Un simple equilibrio de fuerzas proporciona:

pero las irregularidades de la superficie de la carretera, el cabeceo de la descarga y la distribución desigual de la carga introducen errores. Es importante contrastar el pesaje estático tras la parada con la estimación dinámica durante el movimiento y actualizar el sesgo por vehículo.

5. Transporte Autónomo y Diseño de Seguridad

El sistema de transporte autónomo (AHS) de una mina no se limita al vehículo de transporte. Conecta cargadoras, trituradoras, puntos de descarga, zonas de mantenimiento, mapas de carreteras y una sala de control mediante comunicación, programando la prioridad en las intersecciones, zonas de prohibición de adelantamiento, líneas de parada y evacuación de emergencia. En las minas a cielo abierto donde el GNSS está bloqueado, se utilizan una IMU y la velocidad de las ruedas para la estimación a corto plazo, y el radar, el LiDAR y los puntos de referencia se utilizan para regresar al mapa.

Komatsu ofrece públicamente su Sistema de Transporte Autónomo (AHS) orientado a la minería como un producto con estudios de caso de implementación, y Caterpillar también ofrece soluciones de transporte remoto/autónomo como Command para el transporte. Dado que los requisitos de seguridad y el diseño operativo difieren de los sistemas de asistencia al conductor para camiones volquete en carretera, los registros de seguridad en minería no deben extrapolarse sin más a las vías públicas.

El diseño orientado a la seguridad separa las siguientes tres capas:

1. Capa del vehículo: controla de forma independiente los frenos, la dirección, el bloqueo de la caja y la parada de emergencia para alcanzar un estado seguro.

2. Capa de coordinación: comparte la posición, la velocidad y la intención con los vehículos, trabajadores y cargadores circundantes.

3. Capa de control: detecta la pérdida de comunicación o las inconsistencias en el mapa y activa la reducción de velocidad, la parada o la evacuación.

6. Comparación por tiempo de ciclo

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1: Una vista del tiempo de ciclo revela colas y retrasos en los giros que una comparación de potencia del motor no detecta. El tiempo de viaje nominal más corto no siempre se traduce en la mayor productividad del sitio.

A partir del tiempo de carga t_l, el viaje de ida t_h, la descarga t_d, el viaje de regreso t_e y el tiempo de espera t_q, un ciclo es:

Volumen de tierra por hora, utilizando la carga útil M_p y la tasa de utilización. \eta_u es

El valor del transporte autónomo reside menos en aumentar la velocidad máxima que en reducir el tiempo de espera y la variabilidad, y en alinear las tasas de utilización de las cargadoras y trituradoras. El consumo de combustible o electricidad también debe evaluarse durante este mismo ciclo completo, incluyendo el viaje de regreso en vacío, el ralentí y la congestión.

7. Resumen

Un camión volquete está diseñado como una única máquina de transporte que integra la plataforma, el sistema hidráulico, la transmisión, el frenado y la comunicación. Competir únicamente en función del tamaño de la carga útil ignora los cuellos de botella en la escalada, los neumáticos, las carreteras, la carga y la distancia de frenado. Al leer sobre los actuales camiones volquete eléctricos o con sistema de elevación automática para minería, conviene comprobar no solo el nivel de autonomía del vehículo, sino también el ciclo completo, desde la carga hasta la descarga, y los procedimientos mediante los cuales una persona puede intervenir de forma segura en una situación anómala.

Referencias

• Komatsu — Sistema de transporte autónomo
• Caterpillar — Control para el transporte
• SAE — Recursos de ingeniería para vehículos todoterreno
• ISO 17757 — Seguridad de sistemas de máquinas autónomas y semiautónomas