Геоход — новое поколение подземной техники

О новой разработке томских учёных заговорили ещё три года назад, и сегодня машина активно тестируется на кемеровском опытном ремонтно-механическом заводе.

Сами создатели прочат аппарату блестящее будущее: его смогут использовать в строительно-промышленной сфере и даже в интересах МЧС и Минобороны.

Об особенностях уникального изобретения, не имеющего аналогов в мире, рассказывает директор Юргинского технологического института национального исследовательского Томского политехнического университета Андрей Ефременков.

— Расскажите о геоходе, чем полезен данный аппарат с научно-практической точки зрения?

— Геоход — машина, которая может перемещаться в геосреде. И в отличие от известной техники, в частности, проходческих щитов, которые широко используются при проходке тоннелей и строительстве метро, имеет совершенно иной принцип действия.

Сами щиты не используют геосреду для создания напорного усилия на породу как разрушающий модуль. А наш геоход благополучно руководствуется данным принципом за счёт того, что создаются дополнительные винтовые и продольные каналы, и он, как шуруп, вворачивается в породу.

Именно усилие, создаваемое винтовыми движителями (крыльями), специально установленными на него, как раз и может передаваться на породу. Причём здесь начинают действовать законы физики: чем крепче порода, которая встречается у него на пути, тем больше напорное усилие можно подать на исполнительный орган.

Существующая в настоящее время горнопроходческая техника не задействует геосреду в процессе работы. Поэтому она работает на небольших углах наклона и не может перемещаться в любом направлении подземного пространства, им также недоступны и отклонения от прямолинейного движения.

В этом ключе отличительной особенностью геохода является то, что он способен перемещаться не только под различными углами подземного пространства, но и вертикально, и горизонтально, при решении технических вопросов, связанных с транспортированием отбитой горной массы.

В нашем случае в функциональном плане, в отличие от проходческих комбайнов и щитов, по геоходу впервые ставилась задача по уменьшению массы габаритных характеристик как в самолетах и у подводных лодок.

Потому как сама масса машины не участвует в создании напорного усилия. А в нынешних горных машинах как раз характеристика масс является определяющей: чем тяжелее машина, тем она считается лучше. С геоходом как раз наоборот. К тому же есть поистине фантастические планы на будущее: применение данного аппарата для работы на лунной поверхности.

Весь фокус в том, что сила тяжести, действующая на лунной поверхности, намного меньше чем на земле, и, соответственно, эффективность любой другой машины во столько же раз будет меньше на лунной поверхности.

А наш геоход опять-таки использует геосреду, что однозначно позволяет продуктивно работать в том числе и в условиях Луны.

— Обладает ли ваш уникальный агрегат какими-то специфическими особенностями?

— Если говорить о корпусе барабана, то там нет абсолютно ничего сложного или ноу-хау. Главной отличительной особенностью геохода является принцип использования геосреды для создания напорного усилия на исполнительном органе.

Этот же принцип позволяет перемещаться машине, в том числе в любом пространственном положении. Также использованы традиционные резцы для разрушения горной породы, которые достаточно массово встречаются в горнопро-ходческой технике.

Резцовые головки, устанавливаемые в кулаки, имеют специальную износостойкую поверхность, которая не так требовательна к износу по горной породе и достаточно долго работает. По большому счёту новое есть только в геометрии и расположении этих резцов и принципе их работы.

Но и на этом мы решили не останавливаться. Размышляем над созданием барового исполнительного органа, так как считаем, что он эффективно будет работать, но это в будущем.

— А не будет ли риском эксплуатация данного аппарата в таких условиях, ведь давление грунта никто не отменял? Рассчитана ли машина на такие нагрузки?

— Как раз-таки речь идёт о том, что мы оптимизируем конструктив до разумных пределов.

Сейчас агрегат имеет диаметр 3,2 метра и весит около 20 тонн.

По сравнению с существующей горнопроходческой техникой он малогабаритный: сравните, проходческий комбайн весом 150 тонн или проходческий щит, который вполне может достигать нескольких тысяч тонн.

Естественно мы сохраняем необходимую жёсткость оболочки. Для этого используется система стрингеров шпангоутов, примерно такая, как при строительстве подводных лодок, где тоже достаточно серьёзное водяное давление.

В связи с чем прочность полученного геохода абсолют- но достаточна для работы под землёй. Честно говоря,
сам принцип работы геохода, основанный на движении твёрдого тела в твёрдой среде взяли как раз из смежных областей.

Посмотрели, как в самолётостроении используется движение твёрдого тела в воздушной среде, какие законы позволяют двигаться твердому телу подлодки в водной среде, и предположили, что идентичный способ поможет осуществить работу и под землей.

На основании чего и была создана эта машина, то есть в основу лёг принцип движения твёрдого тела в различных средах. И это только отправная точка новых разработок на основе новой науки геодинамики подземных аппаратов.

— А рассматривали ли вы вариант эксплуатации геохода в экстремальных условиях, к примеру, в геосреде Арктики?

— Если работать под землей, то даже при арктическом климате для грунта там достаточно комфортная температура. Единственное, там очень много сквозняков, за счёт того, что происходит проветривание выработок, а так, там не так холодно.

Так что в условиях Арктики принципиальное решение — это материалы, которые должны быть более хладостойкие, более износостойкие с учётом экстремально низких температур.

И потом, если мы говорим об Арктике и арктическом шельфе, то надо понимать геологию, которая там существует, какие там породы, какого они качества, какой структуры, и соответственно подбирать исполнительный орган для работы.

Человек ведь достаточно давно трудится в суровых условиях, а значит, если адаптировать технологические принципы к нашей машине, то проблем не возникнет.

— А есть ли вероятность того, что управлять данным агрегатом можно будет удалённо?

— Данным проектом этот вопрос не предусматривается, потому что передача радиосигнала под землёй достаточно затруднена. Сейчас управление происходит не по радиоканалам, а по проводным каналам, но на будущее мы рассматриваем вариант обеспечения автономности без участия человека, особенно для нужд МЧС.

Судите сами: в данном исполнении агрегат не автономен, поскольку ему жизненно необходима достаточно серьёзная гидравлическая станция мощностью порядка 400 кВт для создания процессов вращения и разрушения породы.

Под данный геоход создавалась и специфичная система управления, способная дистанционно обеспечить работу в автономном режиме. По крайней мере, блок управления вынесен далеко за контур геохода, что не предполагает обязательное наличие оператора.

— Подобные разработки требуют немало времени. Как же вам удалось уложиться в три года. Были какие-то наработки, или это проект с нуля?

— Безусловно, без наработок не обошлось. До нынешнего образца мы создавали его предшественника, но он был конструктивно несовершенен.

Работоспособность свою он подтвердил, однако имел упрощённый вариант ножевого исполнительного органа барабанного типа. он мог быть применен только по мало прочным породам, и призван был подтвердить действенность принципа движения твёрдого тела в твёрдой среде.

Теперешняя машина находится на следующем уровне модернизации. Мы работаем по крепости пород примерно 4-6 по шкале Протодьяконова. Это достаточно прочные породы. Сама машина была готова в январе 2016-го, параллельно вели её монтаж и предварительные запуски. Примерно около двух месяцев мы занимались установкой агрегата на стартовое устройство.

На сегодняшний день для подтверждения работоспособности вновь спроектированной машины специально отлили бетонный куб, который геоход должен пройти насквозь и тем самым доказать свою состоятельность.

При этом бетон, используемый для изготовления куба, имеет нетрадиционный состав и далёк от общепринятых строительных марок.

Сам раствор был приготовлен с учётом требуемых проектных характеристик, поэтому содержит  различные присадки для усиления крепости и существенно прочнее привычного строительного бетона.

— Полагаю, на проект было затрачено немало денег. Каким образом идея воплотилась в реальность, и кто стоял у истоков её финансирования и технической поддержки?

—Изначально тематика разрабатывалась в стенах Федерального исследовательского центра угля и углехимии СОРАН, а затем подключились и специалисты нашего ВУЗа. Начиналось всё с собственных инициатив, но позже мы узнали о возможности получить государственное финансирование по постановлению Правительства № 218, когда привлекается промышленный партнёр для создания наукоёмкого производства.

Таким образом, создание многоцелевого комплекса «Геоход» получило финансирование со стороны государства и инвестиции от кемеровского опытного ремонтно-механического завода. Директор ОАО «КОРМЗ» Александр Сляднев выразил готовность развернуть производство данной машины на базе предприятия.

Такое сотрудничество предполагало, что государство ему компенсирует затраты, которые завод несёт в части разработки конструкции,  подготовки технической конструкторской документации и проведение соответствующих испытаний, а это 90 млн рублей.

При этом условиями проекта подразумевалось, что и сам заявитель должен эквивалентную сумму потратить для создания производства, а также 20 млн рублей для проведения необходимых у него перестановок для планомерной постановки в производство данного геохода.

Таким образом, сумма всего проекта составила 200 млн рублей, где задействован фактически государственный и инвестиционный капитал.

В будущем же мы планируем работать по запросу силовых структур, в частности, с Министерством по чрезвычайным ситуациям. Под решение их задач будет сконструирован геоход меньшего диаметра, 1.8 метра. Чтоб просвет был полтора метра, для того, чтобы его можно было оперативно доставить в зону стихийных бедствий и развернуть спасательные мероприятия.

— Сейчас активно ведутся испытания. Поделитесь первыми результатами: оправдала ли техника ваши ожидания, и чего удалось достичь?

— В принципе на предварительном испытании проверялась работоспособность системы, ибо машина получилась достаточно сложная. Поэтому пришлось серьёзно поработать над управляющей гидравликой, синхронизацией и согласованием различных элементов.

Ведь геоход должен вращать несколько исполнительных органов, сам вкручиваться, и всё это должно по частоте вращения и усилию синхронизироваться. В настоящий момент он работает по кубу.

Мы прошли не один десяток сантиметров, и естественно возникали вопросы, которые вместе с сотрудниками предприятия устраняли. Думаю, что в ближайшее время задачу, которую мы ставили перед проектом, выполним, и надеюсь, приступим к следующим  разработкам.

— А как сложится судьба геохода после проведения всех тестов, окажется ли он в реальных условиях один на один с горными породами?

— В дальнейшем, когда он будет испытан по этому проекту, он в принципе должен начать уже продаваться, а значит, будет работать в реальной среде. Это самоцель, собственно говоря, создания производства данных машин. А для нас как ученых весьма важно не останавливаться на достигнутом, и продолжать реализовывать другие технические замыслы.

К примеру, уже сейчас от МЧМ поступил запрос по поводу создания подземного робота. Кстати говоря, на выставке в рамках международного форума «Армия-2015», где был представлен геоход, протокольно был записан концептуальный вопрос создания группировки подземных роботов — устройств на геоходном принципе.

Так что уже есть в планах создание автономных машины, которые будут работать в достаточно сложных условиях. В связи с чем необходимо решать дополнительные вопросы о доставке геохода в рабочую зону, научить его автономным действиям в плане проходки и уборки горной массы и другим не менее важным функциям.

Так, например, не решена задача скрепления горной выработки, которая остаётся после геохода, хотя там есть винтовые продольные каналы, которые грех не использовать для установки крепи.

Таким образом, научный коллектив готов к следующим свершениям, а промышленный партнёр, соответственно, получив геоход, далее займётся его тиражированием, продажей и продвижением.

Беседовала: Елена Вашкевич