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力大無比、身形龐大的機械式電動挖掘機，一鏟下去可以挖起上百噸重的土石方。然后，鏟斗回轉(zhuǎn)至一輛等在一旁的長途卡車上方，打開鏟斗底門，將這些土石方傾瀉一空。整個過程中，鏟斗都要小心翼翼地避免碰到卡車。當(dāng)鏟斗返回，重新開始挖掘時，飛揚的塵土往往會擋住駕駛員的視線。裝完三鏟斗土石方之后，滿載的卡車緩緩駛離，另一輛卡車立即上前，補上空位。90秒一個周期，一天24小時，一年365天，挖掘機就這樣一刻不停地工作著。
操作世界上最大的挖掘機，并不是一項容易的工作。挖掘機重達1600噸以上，其巨大的組件響應(yīng)遲緩，坐在駕駛室里進行操控，要求有良好的預(yù)見性和精確性。速度很重要，“每噸成本”是露天采礦的硬通貨。換句話說，效率，是重中之重。然而，大多數(shù)時候，挖掘機的全部潛能并未得到充分利用。2012年，西門子在加拿大的一座采礦場所開展的案例分析，表明了這一點。對4輛機械式電動挖掘機所進行的研究顯示，事實上，它們的平均工作周期太長。此外，鏟斗也往往未能裝滿。
其結(jié)果是：每輛卡車增加了的裝載周期，以及每天較少的開采量，使得成本更高。并且，挖掘機駕駛員很難判斷，應(yīng)將鏟斗置于自卸卡車上方的什么高度。為了避免偶然碰到卡車，駕駛員力求穩(wěn)妥，放慢速度，并且/或者從不必要的高度，將鏟斗移近卡車。盡管如此，挖掘機仍然時而撞上卡車，造成破壞，有時還會導(dǎo)致人員受傷。
使用全自動挖掘機，可以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的操作，但這樣的轉(zhuǎn)變不可能在一夜之間實現(xiàn)。在位于慕尼黑的西門子中央研究院，Robert Eidenberger博士是一位專門研究機器人和自治系統(tǒng)的工程師，他說：“要在采礦場實現(xiàn)全自動移動模式，必須循序漸進。包括引入*面向挖掘機駕駛員的輔助功能。”
引入數(shù)字輔助系統(tǒng)。兩年來，攜手來自喬治亞州Alpharetta的西門子驅(qū)動技術(shù)業(yè)務(wù)部移動采礦部門的同事，Eidenberger一直在從事這種系統(tǒng)的研究。他的工作涉及傳感器技術(shù)、機器對其周邊環(huán)境的“感知”，以及動作規(guī)劃。與此同時，他的美國同事則專注于傳動控制技術(shù)、動作執(zhí)行，以及將所有組件集成到一個完備的系統(tǒng)中。
這些努力旨在打造出與汽車上的輔助系統(tǒng)相類似的系統(tǒng)，以便向采礦場的挖掘機駕駛員提供支持，幫助他們提高工作效率，同時增強安全性。名為“回轉(zhuǎn)至卡車/返回至卡車，且避免碰撞”的系統(tǒng)，是專門針對大型電鏟司機而設(shè)計的*批系統(tǒng)之一。這個系統(tǒng)可以對鏟斗回轉(zhuǎn)至長途卡車、卸貨，然后返回至起始位置的過程，進行無縫控制，當(dāng)這一過程結(jié)束時，將恢復(fù)由駕駛員控制?，F(xiàn)在，一家*制造商正在對這個系統(tǒng)進行測試。
移動順序。Daniel Robertson是移動采礦部門的軟件和自治系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理，他說：“30多年來，我們一直在開發(fā)面向電鏟的傳動控制系統(tǒng)。然而，我們欠缺關(guān)于周邊環(huán)境的信息。”這支團隊攜手西門子中央研究院，將開發(fā)一個基于傳感器的感知系統(tǒng)，它可以利用紅外光脈沖，持續(xù)不斷地記錄電鏟的周邊情況。當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)將生成一幅三維環(huán)境圖，以檢測出某個對象相對于鏟斗的距離，不論這個對象是長途卡車、推土機，還是輕型車輛。這個模塊可以識別并確定，為了避免發(fā)生碰撞，鏟斗應(yīng)當(dāng)繞開的區(qū)域。它還能感知到任意時刻鏟斗的裝載程度，以及料堆輪廓，從而可以估算出需要挖運多少土石方。
除感知系統(tǒng)之外，他們還開發(fā)了一個動作執(zhí)行系統(tǒng)，以將計算出的鏟斗移動軌跡，轉(zhuǎn)化為面向傳動系統(tǒng)的控制輸入。來自喬治亞州Norcross的傳動技術(shù)專家，實現(xiàn)了一個連接至挖掘機現(xiàn)有傳動控制系統(tǒng)的位置控制接口，從而免去了駕駛員手動輸入的麻煩。這個系統(tǒng)使得電鏟能夠沿著一條經(jīng)優(yōu)化調(diào)整的移動路徑，自動執(zhí)行所有動作，從而縮短工作周期，提高動作效率。
未來，諸如“回轉(zhuǎn)至卡車/返回至卡車”等輔助系統(tǒng)可以避免延誤，更加快速地執(zhí)行移動模式，從而節(jié)約能源。案例分析表明，每個工作周期可以節(jié)約大約4秒鐘的時間。這意味著每輛挖掘機每天的裝車數(shù)量可以增加12%，從而能提高生產(chǎn)率，降低成本。這種系統(tǒng)有可能在短短兩年內(nèi)面市。
實際上，進一步發(fā)展存在無限可能。但要實現(xiàn)全自治采礦——*不需要人類介入的采礦作業(yè)——依然還有很長的路要走。在那之前，仍將需要技藝精湛的挖掘機駕駛員和駕駛員輔助功能系統(tǒng)。
Nicole Elflein
面向世界上最大的自卸卡車的傳動系統(tǒng)
怎樣才能讓世界上最大的卡車開動起來？2011年，一家白俄羅斯汽車制造商BelAZ公司，帶著這個問題來向西門子求助。那時，BelAZ公司正在為其新開發(fā)的自卸卡車，物色電動傳動系統(tǒng)。這輛卡車自重高達360噸，額定最高載荷為450噸——相當(dāng)于大約350輛大眾汽車公司的高爾夫轎車，或者6架滿載的空客A320-200飛機——比上一個“世界上最大的自卸卡車”的紀(jì)錄保持者，提高了25%。計劃也要求這輛新卡車降低每噸的運輸成本，并且在空載時實現(xiàn)最高64公里/小時的行駛速度。要知道，那些從事地下和露天采礦的企業(yè)不僅必須遵守環(huán)境法規(guī)，而且也要考慮所涉及的成本。
正因如此，采礦業(yè)使用的卡車必須可靠、高效。西門子開發(fā)面向自卸卡車的傳動系統(tǒng)已有15年左右，其目標(biāo)始終是設(shè)法提高這些礦場巨獸的效率。“無軌電機車”的開發(fā)就是其中一例，這種卡車從高架電線獲得電能。歸功于這一創(chuàng)新，哪怕是在陡坡道上行駛，這種卡車的速度也幾乎提高了一倍。但是，對于西門子驅(qū)動技術(shù)集團的工程師而言，BelAZ公司提出的挑戰(zhàn)不同以往。BelAZ公司請他們開發(fā)一個電動傳動系統(tǒng)，不僅要推動毛重高達810噸的卡車行進，同時還要確保這輛卡車能夠又快、又可靠地運送礦物原料。此外，這個項目的日程安排也相對比較緊張。從客戶前來詢問，到*輛卡車投運，只有不到兩年的時間。較之于過去的車型，這輛新卡車配備了8個輪胎，因為每個輪胎的設(shè)計載荷都僅為100噸左右。為此，紐倫堡的西門子牽引傳動專家決定開發(fā)一個使用4臺電機、功能強大而又可靠的全輪驅(qū)動系統(tǒng)。一個屢經(jīng)檢驗的傳動系統(tǒng)，充當(dāng)了這個新系統(tǒng)的模型。工程師們還開發(fā)了一個新的控制解決方案。這個電動傳動系統(tǒng)的所有組件均來自西門子，這確保了所有組成部分能夠配合得天衣無縫。全輪驅(qū)動配置為工程師開辟了新的可能性，如在卡車的兩個輪軸之間實現(xiàn)動態(tài)動力分配。此外，如果一臺電機發(fā)生故障，卡車仍將具備應(yīng)急驅(qū)動能力，這意味著它能靠自身動力，行駛至修理廠。換句話說，它不需要拖帶，也不會造成諸如堵塞等問題。這個系統(tǒng)使用了兩臺輸出功率約為1700千瓦的16缸柴油發(fā)動機。這兩臺發(fā)動機共同提供了電動傳動系統(tǒng)所需要的動力。2013年10月，這輛卡車向世人揭開了神秘面紗。它長達20多米，寬近10米，高約8米。其全輪驅(qū)動系統(tǒng)和四輪液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，確保了其直徑長達4米左右的輪胎不會被卡在崎嶇的路面上?，F(xiàn)在，這輛卡車正在西伯利亞的一座露天煤礦接受測試，預(yù)計將從今年下半年開始銷售。以后，它將被主要用于運輸煤和鐵礦石。