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La produttività di un dumper non è determinata solo dalla potenza del motore o dalla capacità del cassone. Ciò che determina il volume di terra che un cantiere può movimentare è il numero di minuti necessari per completare in sicurezza un ciclo: carico, traslazione, salita, svolta, scarico e viaggio di ritorno a vuoto. I grandi dumper utilizzati nella costruzione di strade e gli enormi dumper fuoristrada impiegati nelle miniere differiscono notevolmente nella struttura, ma condividono lo stesso principio fondamentale: coordinare carico, trazione, frenata e stima della posizione.

Grande autocarro da miniera a Logan Lake, CanadaAutocarro da miniera sul campo

Immagine: Logan Lake Mining Dump Truck 2 (dave_7, CC BY-SA 2.0), Wikimedia Commons. Un veicolo da miniera rappresentativo, non uno specifico modello Komatsu o Caterpillar.

0. Riepilogo di 30 secondi

  • Il carico utile non è solo "volume del cassone × densità del terreno" - è limitato dal carico assiale, dagli pneumatici, dallo spazio di frenata e dalla resistenza della strada.

  • La forza di trazione necessaria per superare una pendenza è la somma della resistenza alla pendenza, della resistenza al rotolamento e della resistenza all'accelerazione. La trazione elettrica consente di ottenere facilmente una coppia elevata a bassa velocità e la frenata rigenerativa.

Il pianale viene ribaltato da un cilindro idraulico. La portata idraulica determina il tempo di sollevamento; la pressione e l'area del cilindro determinano la forza di sollevamento.

Nelle miniere, il trasporto autonomo tramite GNSS, IMU, radar, telecamere e comunicazione veicolo-veicolo è diventato pratico, incentrato su operazioni miste con veicoli con equipaggio e monitoraggio remoto.

I parametri per valutare l'autonomia includono non solo la distanza percorsa senza equipaggio, ma anche il carico utile, il tempo di ciclo, l'usura degli pneumatici, il consumo di carburante/elettricità e il margine di sicurezza in fase di arresto.

1. Resistenza al rotolamento e potenza richiesta

Sia m la massa del veicolo, g l'accelerazione gravitazionale, i la pendenza (approssimazione per piccoli angoli), C_r il coefficiente di resistenza al rotolamento e a l'accelerazione. La resistenza al rotolamento è approssimativamente pari a

F_{req}=mg(i+C_r)+ma

Con un raggio della ruota r e una coppia motrice totale T_w, la forza di trazione trasmessa alla superficie stradale è F_t=T_w/r. Tuttavia, il superamento del limite superiore F_t\le\mu mg imposto dall'attrito stradale provoca lo slittamento delle ruote. La potenza del motore P alla velocità v è

P\simeq F_{req}v/\eta

pertanto, una salita ripida a bassa velocità è dominata da una coppia elevata, mentre un viaggio di ritorno a vuoto ad alta velocità è dominato dalla potenza e dal raffreddamento.

  1. Il pianale e il meccanismo di ribaltamento idraulico

Sia A l'area del pistone del cilindro idraulico che solleva il pianale e \Delta p la pressione differenziale; la spinta ideale è F=\Delta pA. Indicando con l la distanza tra il baricentro del pianale e la cerniera e con r_m(\theta) il braccio di leva rispetto al punto di azione del cilindro, la spinta richiesta è

F_{cyl}(\theta)=\frac{M_{load}(\theta)}{r_m(\theta)}

Nella posizione iniziale del pianale, quasi orizzontale, r_m è piccola, il che facilita l'utilizzo della pressione massima. Man mano che il pianale si solleva, il momento gravitazionale diminuisce, consentendo una progettazione che aumenta la portata idraulica per ribaltarsi rapidamente. Poiché la coppia richiesta varia quando l'argilla si attacca, il materiale congela o il carico è irregolare, vengono utilizzati sensori di pressione e sensori di assetto per rilevare le anomalie.

3. Tipi di trasmissione: meccanica, diesel-elettrica e a batteria

Per i dumper stradali di medie dimensioni, è comune una trasmissione meccanica – motore diesel, frizione/convertitore di coppia, cambio, albero di trasmissione e differenziale. Per i dumper da miniera di grandi dimensioni, è ampiamente utilizzata una trasmissione diesel-elettrica, che genera elettricità con un generatore diesel e aziona inverter e motori alle ruote. Questa soluzione consente un minor numero di rapporti di trasmissione e semplifica la distribuzione indipendente della coppia alle ruote di sinistra e di destra.

La trazione elettrica a batteria può ridurre le emissioni di gas di scarico e il funzionamento al minimo, ma la densità energetica, i tempi di ricarica, il peso, le prestazioni a basse temperature e l'installazione di un caricabatterie rapido rappresentano delle sfide. La frenata rigenerativa della trazione elettrica può restituire energia cinetica alla batteria in discesa, ma a piena carica o ad alte temperature è necessario passare ai rallentatori meccanici e ai freni a frizione.

  1. Misurazione del carico utile

Il sovraccarico danneggia pneumatici, telaio, freni e strade, mentre il sottocarico riduce la produttività per ciclo. Un sistema di pesatura combina la pressione delle sospensioni, la deformazione degli assi, la pressione del cilindro idraulico e l'accelerazione per stimare il carico utile mentre il veicolo è in movimento. Un semplice bilanciamento delle forze fornisce

M_{payload}\simeq\frac{\sum F_{axle}-M_{empty}g}{g}

ma le irregolarità del manto stradale, l'inclinazione del cassone e la distribuzione non uniforme del carico introducono errori. È importante confrontare la pesatura statica dopo l'arresto con la stima dinamica in movimento e aggiornare l'errore sistematico per ciascun veicolo.

  1. Trasporto autonomo e progettazione della sicurezza

Il sistema di trasporto autonomo (AHS) di una miniera non è limitato al solo veicolo di trasporto. Collega caricatori, frantoi, punti di scarico, aree di manutenzione, mappe stradali e una sala di controllo tramite comunicazione, programmazione della priorità agli incroci, zone di divieto di sorpasso, linee di arresto ed evacuazione di emergenza. Nelle cave dove il segnale GNSS è bloccato, per la stima a breve termine si utilizzano un'IMU e la velocità delle ruote, mentre radar, LiDAR e punti di riferimento vengono impiegati per tornare alla mappa.

Komatsu offre pubblicamente il suo sistema di trasporto autonomo (AHS) orientato al settore minerario, corredato da casi di studio di implementazione, e anche Caterpillar propone soluzioni di trasporto remoto/autonomo come Command for Heating. Poiché i requisiti di sicurezza e la progettazione operativa differiscono dai sistemi di assistenza alla guida per dumper stradali, i dati ottenuti nelle miniere non dovrebbero essere semplicemente estrapolati alle strade pubbliche.

La progettazione orientata alla sicurezza prevede la suddivisione in tre livelli:

  1. Livello veicolo: aziona autonomamente freni, sterzo, blocco del cassone e arresto di emergenza per garantire la sicurezza.

  2. Livello di coordinamento: condivide posizione, velocità e intenzioni con i veicoli circostanti, gli operatori e le pale caricatrici.

  3. Livello di controllo: rileva la perdita di comunicazione o l'incoerenza della mappa e attiva la modalità di rallentamento, arresto o evacuazione.

6. Confronto in base al tempo di ciclo

Diagram 1 · Use the button to switch views
Ciclo di un autocarro ribaltabile che mostra carico, viaggio a pieno carico, scarico, ritorno a vuoto e attesa

Figura 1 — Una visualizzazione in base al tempo di ciclo evidenzia code e ritardi di svolta che un confronto basato sulla potenza del motore non rileva. Il tempo di percorrenza nominale più breve non sempre corrisponde alla massima produttività del sito.

Dal tempo di carico t_l, al viaggio di andata t_h, allo scarico t_d, al viaggio di ritorno t_e e al tempo di attesa t_q, un ciclo corrisponde a:

T_{cycle}=t_l+t_h+t_d+t_e+t_q

Volume di terra all'ora, Utilizzando il carico utile M_p e il tasso di utilizzo \eta_u, si ottiene:

Q_{hour}=\frac{M_p\,60\,\eta_u}{T_{cycle}[min]}

Il valore del trasporto autonomo risiede meno nell'aumento della velocità massima e più nella riduzione dei tempi di attesa e della variabilità, nonché nell'allineamento dei tassi di utilizzo di caricatori e frantoi. Il consumo di carburante o di elettricità dovrebbe essere valutato anche sull'intero ciclo, inclusi il viaggio di ritorno a vuoto, i tempi di inattività e la congestione.

7. Riepilogo

Un dumper è progettato come un'unica macchina di trasporto che integra cassone, impianto idraulico, trasmissione, freni e comunicazione. Competere esclusivamente sulla capacità di carico utile significa trascurare i colli di bottiglia rappresentati da pendenze, pneumatici, strade, ricarica e spazio di arresto. Quando si valutano i dumper autonomi per l'industria mineraria o i dumper elettrici, è importante verificare non solo il livello di autonomia del veicolo in sé, ma anche l'intero ciclo, dal carico allo scarico, e le procedure che consentono a un operatore di intervenire in sicurezza in caso di anomalie.

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