ELEKTRİKLİ YERKAZAR KEPÇELERİ VE BAŞARIMINI ETKİLEYEN DEĞİŞTİRGENLER. Electrical Shovel Excavator Dippers, and Parameters Influencing Performance

Transkript

1 ELEKTRİKLİ YERKAZAR KEPÇELERİ VE BAŞARIMINI ETKİLEYEN DEĞİŞTİRGENLER Electrical Shovel Excavator Dippers, and Parameters Influencing Performance Metin ÖZDOĞAN İdeal Makine Danışmanlık Ltd. Şti., Ankara, Türkiye ÖZET : Bu bildiride, elektrikli maden yerkazarlarının kazı ve yükleme birimleri olan kepçeleri ve bunların kazabilirliğini ve başarımını etkileyen değiştirgenler incelenmiştir. Kepçenin diş ve kazış açısı, ve bu açıların basamakta kazışa etkisi, açının ayarlanması ve en uygun duruma getirilmesi açıklanmıştır. Ayrıca, kepçe saplanış-kazış gereçlerine ve kepçe aşınma bölgelerine değinilmiş; kepçe başarımını etkileyen kayaç kazılabilirliği, kepçe dolma çarpanı, kayaç kabarma çarpanı gibi değiştirgenler tartışılmıştır. Kazılan kayaca ve işletmeye uygun kepçe seçiminde göz önünde bulundurulması gereken yönler belirtilmiştir. ABSTRACT : In this paper, dippers which are digging and loading units of electrical open cast mining shovel excavators and their excavability and performance parameters are investigated. Tooth and rake angle, and their effect on bench excavation, adjustment and optimization of these angles are explained. Furhermore, GET ground engaging tools and wear areas are explained and parameters influencing the performance of dippers like rock diggability, rock swell factor, dipper fill factor are discussed. Points considered in the selection of mine and rock matched dippers are given. 1 GİRİŞ Elektrikli yerkazı makinelerinin kazılıp taşınacak, yüklenecek kayaç ya da madene değen, girişen, en önemli birimidir. Bütün görkemli teknolojiler, kocaman diğer birimler, hep kayayı kazan-yükleyen bu bölümü çalıştırmak içindir. Kepçe, kazı makinesinin uç beyidir, cephede savaşan eridir. Yöneticilerden, bakım-onarım birimlerinden daha çok ilgiyi hak eden kısımdır. Bu uç birim yıllardır, yalnız işletmecilerden değil yerkazı makinesi üreticilerinden de yeterli ilgiyi görmemiştir. Elektrikli yerkazar kepçe tasarımı ana hatlarının, neredeyse elli yıldır hiç değişmediği belirtilerek, son on yıldır yapımcı firmaların kepçe tasarımı ile daha çok ilgilenmeye başladıklarından söz

2 edilmektedir. Üreticilerin bunu, işletme, bakım giderlerini düşürmek ve daha az aşınan, kayacın daha az yapıştığı kepçeler geliştirmek için yaptıkları belirtilmektedir, (Shi ve Joseph, 2005). Kepçelerin kazı basamağındaki kayaç ile girişimini sağlayan birimleri de kepçe damağına takılan kepçe dişi kökleri ve dişleridir. Bu girişim birimlerinin görevi hem kayaca saplanışı sağlamak hem de kepçenin aşınmaya karşı savunmasız alanlarını kendisi aşınarak korumaktır, (Carter, 2008). Yerkazar kepçeleri çalıştıkları kayacın cinsine göre anılır; kömür kepçeleri, kaya kepçeleri gibi. Kömür kepçeleri, kömür daha yeğni yoğunlukta olduğundan genellikle daha kocaman olup daha ince gereçten yapılabilir. Kömürün parçalanmasını sağlamak için bunların içi bölüntülü olabilir. Kaya kepçeleri ise örtükazı için yapılmış olup vuruşa, aşınmaya dayanıklı olması için daha kalın gereçten üretilir; buna ek olarak değişebilen aşıntı plakaları ile kaplanır. Ayrıca, çalıştığı kayacın türüne göre kolay, orta ve ağır hizmet türü kepçeler olarak da anılabilirler. Tutamak tipine göre çeşitleri yerkazar kepçeleri, tutamak kısmı olanlar ve olmayanlar olmak üzere iki ana türe ayrılır. Olağan uygulamada, boşaltma yüksekliğinin sorun olmadığı durumlarda, yerkazar kepçeleri tutamaklı olarak üretilir. Şayet küçük kapasiteli bir yerkazar büyük bir kaya taşıtına yüklemek durumunda ise bu durumda tutamaksız kepçe yeğlenir. Tutamaksız kepçe sayesinde m ek boşaltma yüksekliği kazanılır, (Anon a, 2005). Kepçe ve kayaç ağırlıklarına bağlı olarak, her yerkazı makinası bir dizi kepçe hacmi taşıyabilecek yetidedir. Yerkazarın, genel kepçe kapasite aralığına karar verildiğinde makine yapımcısı firma ile istenen kesin teknik özellikler kayacın parçalanışına, kayacın ağırlığına, bakım gibi düzenlerine bağlı olarak tartışılıp görüşülerek karara bağlanır, (Sargent, 1990). 2 GENEL 2.1 Kepçe Değişim Nedenleri Açık ocakta çalışan bir elektrikli yerkazarın kepçesinin yenisi ile değiştirilmek istenme nedenleri aşağıda belirtilen gerekçelerden bir ya da birkaçı olabilir: Eldeki kaya taşıtlarının daha iyi dolmasını sağlamak. Bu kaya taşıtlarını daha az kepçe sayısında doldurmak. Alınacak daha büyük kaya taşıtlarına uyum sağlamak. Toplam üretim miktarını arttırmak için kepçe büyütmek. Kayaç yoğunluğundaki değişime uyum sağlamak için ya da daha önceki yoğunluk hesaplarının yanlış olması. Yerkazı makinesinin değişik bir kayaçta çalışma durumunda kalması. Yıpranmış kepçenin artan bakım-onarım giderlerini azaltmak. Kepçenin daha çok kullanımda kalmasını sağlamak. Kepçenin bakım

3 aralıklarını uzatmak. Diğer makinelerdeki kepçelere uyum sağlamak ve onlarla değiştirilebilir kılmak. Kepçe dolma çarpanını yükseltmek. Kaya taşıtlarının aşırı yüklenmelerini önlemek. Uygun olmayan kepçeyi değiştirmek, (Anon. d, 2005). 2.2 Kepçe İriliğinin Belirlenmesi Kepçe ya da yerkazar üretim miktarının belirlenmesinde başlangıç noktası, kayacın yerindeki yoğunluğudur. İkinci adım patlatma ya da yüklemeden sonraki gevşek ağırlığı verecek olan kabarma ya da kabarış çarpanıdır. Kepçe doluş çarpanı (silme kapasitenin yüzdesi), malzemenin kepçe hacmine göre hacim değerini verir, (Sargent, 1990). Yerkazı makinesi yapımcıları tarafından verilen standart kepçe kapasiteleri genellikle yerinde birim ağırlığı 2,3 Ton/m 3, kabarış çarpanı (kabarma katsayısı) 1,30 olan kayaca göre hesaplanır. Bu durumda kabarmış kayaç birim ağırlığı 1.77 Ton/m 3 olmaktadır, (Özdoğan, 2002). Bu nedenle, kazılacak kayaç varsayılandan daha hafif ise seçilen makinede daha büyük kepçe kullanılabilir. Yerkazarlar ilke olarak yük kaldırıcı araçlara (vinç) benzerler. Her yerkazarın kaldırabileceği bir anma ve ağdırma yükü (rated and maximum suspended load) vardır. Kepçenin ağırlığı ile içindeki kayacın ağırlıkları toplamı ağdırma yükünü aşmamalıdır. Kepçenin ölü ağırlığı azaltılabilirse ya da malzeme yeğni ise aynı makine modeli için daha büyük hacimli bir kepçe seçilebilir. Kazılıp yüklenecek kayacın yerinde ve kabarmış yoğunluğuna, kabarış çarpanına, aşındırıcılığına, yüklenecek taşıtların boyut ve taşıma yetisi gibi özelliklerine göre kepçe iriliği belirlenir. Kepçe anma kapasitesi elektrikli yerkazar yapımcılarınca silme olarak belirtilir; bu kepçenin içine alabileceği suyun hacmidir, (Anon. b, 2003). Kepçe doluş çarpanı, kepçe içindeki gevşek kayaç hacminin, kepçenin anma hacmine oranıdır. Bu oran 100 ile çarpılıp Kepçe Doluş Yüzdesi olarak da ifade edilebilir. Kepçe iriliğinin belirlenmesi ve en uygun kepçe yükünün elde edilmesi bakımından kepçe doluş çarpanı kavramı iyi anlaşılmalıdır, (Anon. b, 2003). Parçalanmanın başarılı olmadığı, çok iri parçalı kayaların bulunduğu, durumdaki kazılarda kepçe doluş çarpanı değerleri 0.40 ile 0.50 arasında değişir. Daha gevşek ve hafif çökel malzemede bu değer 1.20 ye kadar yükselebilir. İyi patlatılmış ve parçalanmış örtü katmanında ise bu değer ortalama olarak 0.85 olarak alınabilir, (Sargent, 1990). 2.3 Kepçe İçindeki Yararlı Yük

4 Kepçe içindeki kayaç ağırlığı, t/m 3, kepçe hacmi ile kayacın kabarmış birim ağırlığının çarpımı ile hesaplanır. Kayacın kabarmış birim ağırlığı ise, t/m 3, kayacın yerinde birim ağırlığının, t/m 3, kabarma çarpanına bölümü ile elde edilir. Kabarmış kayaç ağırlığını ölçmenin en iyi yolu arada sırada bir kepçe dolusu kayacın ağırlığını tartmaktır; bu tür tartılar ile, kullanılan kayaç kabarış çarpanının doğruluğu izlenebilir. Yeni kuşak yerkazarlar ve kaya taşıtları yük izleme düzenekleri ile donatılmış olup her kepçenin içindeki yararlı yükün ağırlığı ve her kamyonun sırtında taşıdığı yararlı yükün ağırlığı işletmenler tarafından anında görülebilir; ayrıca bu bilgiler sayısal teknolojilerle sürekli yazılıp işlenebilir. Sözgelimi, elektrikli yerkazar kepçesi yararlı yükünü ölçen P&H LoadWeigh düzeneği gibi, (Paterson ve Özdoğan, 2001). Böylece, gerek yükleme ve gerekse taşıyıcı aracın yük yeteneğinin tümünden yararlanılıp yararlanılmadığı izlenebilir. 3 KEPÇENİN YAPISI VE SAPLANIŞ-KAZIŞ GEREÇLERİ 3.1. Kepçenin Yapısı Elektrikli maden yerkazarının kazı birimi kepçe ya da kovasıdır. Bu kazı biriminin diş kökü yardımı ile değiştirilebilen dişlerinin takıldığı kesici bir kenarı bulunur. Kepçenin içindeki kayacın boşaltılmasını sağlayan açılıp kapanan bir kapağı vardır ve kepçe bir kepçe koluna bağlanmıştır, (Patnayak et al, 2008). Kepçe, ana gövde, kepçe ağzı ve diş düzenekleri, kepçe kapağı, ve kepçe tutamak kısmı gibi ana öğelerden oluşur, Şekil 1. Gerek kepçenin ve gerekse kepçe diş, diş kökü, damak gibi kısımların aşıntıya karşı dayanıklı yapılması ve korunması bakımından kazılacak kayacın aşındırıcılık özellikleri alınacak kayaç örneklerinin kazı mühendisliği deneyliklerinde ölçülmesi ile belirlenir. Bu deneyler sonucunda kayacın aşındırganlık göstergesine göre yeri belirlenip yapımcıya verilir. Üretici bu verileri göz önüne alarak koşullara en uygun kepçeyi üretip işletmeye verir. Kayaç aşındırıcılığı, aşındırıcılık sınıflaması, Cerchar aşınma indeksi gibi bilgiler ve bu konuda yurdumuz kayaçlarında yapılan bir araştırmanın sonuçları (Yaralı, 2008) tarafından verilmiştir. Araştırmacıya göre, kayacın dayanımı ve sertliği, mineral bileşimi, mineral parçacık boyutu ve sertliği kayacın aşındırıcılığını etkileyen değiştirgenler arasında bulunur. Bunların dışında kayaçtaki kuvars ve diğer aşındırıcı minerallerin miktarı ve bunların ortalama parçacık boyutu ve kayacın çimentolanma derecesi de önemli olmaktadır. Bunların ölçüsü arttıkça kayaç aşındırıcılığı da artmaktadır, (Yaralı, 2008).

5 Şekil 1. Bir yerkazar kepçesi,(anon a, 2005) Yerinde (basamakta) ve kabarmış kayaç birim ağırlığı, kabarış çarpanı, kepçe doluş çarpanı, kepçe biçimi, kayaç aşındırıcılığı, anma ve tepe ağdırma yükü, aşınma plakaları, kepçe tutamağı kaldırış kuvveti, kaya taşıtı iriliği, basamak yüksekliği, basamak patlatması ve kayaç parçalanışı, kayaç aşındırganlığı gibi etmenlerin kepçenin kazdığı kayaç miktarını bir diğer deyişle başarımını etkilediği bilinmektedir. 3.2 Kepçe Saplanış-Kazış Gereçleri Kepçenin saplanış ve kazışını sağlamak üzere kepçe ağzına (damak) takılan diş ve diş düzeneklerine kepçe saplanış-kazış gereçleri denir. Bunlar, kepçenin kazı basamağında kayaç ile girişimini sağlarlar. Hem kepçe ağzının, kepçe tabanının, köşelerinin ve taban kenarlarının aşınmasını önlerler, hem de kepçenin kayaca dokunuş enini bir bakıma azaltarak kayaca daha yüksek bir saplanış ve kazış kuvveti aktarılmasını gerçekleştirirler. Kepçe kayaç girişim gereçleri de denilen bu gereçler, kepçenin basamaktaki kayaca daha iyi saplanışını ve kendisi aşınarak kepçenin aşınmaya karşı savunmasız olan kesimlerini korumak gibi bir işlevi vardır, (Carter, 2008). Yeni kuşak kepçe dişleri bağlantı elemanları tokmak kullanmadan sökülüp takılabilecek biçimde üretilmektedir. Kepçe dişinde bir diğer gelişme de, kullanıldıkça keskinliğini kaybetmeyecek bileşimde gereçten ve tüm malzemesi aşınıp bitinceye kadar kullanılabilen dişlerdir. Saplanış-kazış gereçleri önemli bir

6 tüketim gereci olup bazı kayaçlarda çok önemli bir gider kalemi oluşturabilir, (Carter, 2008). Ana hatlarıyla iki tür kepçe dişi düzeneği bulunur: Tek parçalı dişler, bunlara kazma diş de denir; çok parçalı birleştirilmiş dişler Tek Parçalı Kazma Dişler Tek parçalı dişler, tek parça halinde döküm olup kepçe damağına bağlantı kama sistemi ile çakılırlar. Bu daha eski bir düzenek olup seyrek olarak kullanılmaktadır. Kazma ucu körelince, dişin tümü çıkarılıp atılır; bu durumda çelik malzemenin hepsi yitirilmektedir; oysa parçalı diş düzeneğinde yalnız aşınan diş ucu değiştirilir. Kazma dişlerin tek yararlı yanı bağlantı yeri sayısının azlığıdır. Tek bağlantı noktası kepçe damağıdır; sıkılığın denetleneceği tek yer orasıdır, bu nedenle bakımı görece kolaydır. Kazma dişte, iki parçalı düzeneğe göre daha ağır tek bir parçanın sökülüp takılması gibi bir eksinlik söz konusudur İki Parçalı Birleşik Dişler Tek parçalı kazma dişlerin eksikliklerini gidermek için geliştirilmiş güncel bir diş düzeneğidir. Diş ucu ve bunun takıldığı bir diş kökünden oluşur. Diş ucu aşındığında, kırıldığında diş düzeneğinin yalnızca uç kısmı atılıp yenisi takılarak diş tüketim giderleri azaltılır. Parçalı oluşu nedeniyle sökülüp takılması daha kolaydır. Çok parçalı diş düzeneklerinin tek eksiği, bağlantı yerlerinin çokluğu nedeniyle bağlantı yeri sıkılıklarının sürekli denetlenmesi gereğidir. Birleşik dişler çoklukla iki parçalı olmakla birlikte özellikle sallama kepçeli yerkazarlarda üç parçalı olanlar da vardır. Birbirine bağlanmış bileşenlerden oluşan birleştirilmiş dişi oluşturan öğeler; diş ucu, diş kökü, sıkıştırma kaması ve C-biçimli kenetleyici, kıskaç ve dişi diş köküne bağlayan bir bağlaç, (Şekil 2). Kepçe damağı ile diş kökü yerine çok ince ayarlı bir biçimde oturacak boyutlarda olmalıdır. Bu, taşlama ve yeniden işleme gerektirmeden yerine oturması için önemlidir. Diş kökü gevşek oturursa, kök oynar, kepçe damağına zarar verip diş kökünün erken kırılmasına neden olur. Diş uçları belirli diş kökleri ve uygulamalara göre çeşitli biçim ve uzunluklarda üretilir. Kayaç kazımı için yapılmış diş uçları, yüksek dayanımlı ve daha uzun sürede aşınması için uzun ve et kalınlığı yüksek yapılır. Özetle, diş uçlarının tasarımı, yapıldıkları malzemeler, ölçüleri özgül uygulama koşullarına göre ayarlanır. Diş kökleri de zamanla aşınıp bozulduklarında yenileri ile değiştirilir.

7 Şekil 2. Birleşik bir kepçe dişi düzeneği,(anon. a, 2005) 4. KEPÇE KAZIŞ ÖZELLİKLERİ 4.1 Kepçe Kazış Geometrisi ve Kepçeye Etki Eden Kuvvetler Bir elektrikli yerkazar iş döngüsünün kazı bileşeni, iki öğenin, itiş ve kaldırış devinimlerinin bir bileşimidir. Kazı sırasında kaldırış hareketi kepçeyi kazı basamağında yukarı doğru çektirir, itiş hareketi ise kepçeye itme kuvveti uygulayarak kazılan kayaç içinde tutulmasını sağlar. Kaldırış devinimi sırasında, itiş devinimi kepçenin basamakta iş döngüsünün kazı bileşeni süresince kepçenin uygun bir derinlikte saplanışını sağlar. Bu nedenle itiş kuvveti kepçe saplanışını, kaldırış kuvveti ise koparış kuvvetini temsil eder, (Patnayak et al, 2008). Kepçe saplanışı kepçe kolu ve kepçenin ağırlıklarının dikey bileşen kuvvetleri ve itiş motorunca kepçe koluna uygulanan itiş kuvvetinin dikey bileşenleri toplamıdır. Kepçe koparış kuvveti itiş kuvveti ve kaldırış halatı çektiriş kuvveti bileşkesidir. Bum kaykılması olmaması için itiş kuvvetinin koparış kuvvetinin yatay bileşke kuvvetinden büyük olmaması gerekir, (Şekil 3). Şekil 3. Erişme-taşıma kolu kaykılması ve neden olduğu sarsıntı,(anon. a, 2005)

8 Son yıllarda elektrikli yerkazarlarda kazı kinematiği ve dinamiği, kazı yörüngesi, kazı derinliği gibi kazı mekaniği konusunda çalışmalar artmıştır. Bu konuda ayrıntılı çözümleme (Shi ve Joseph, 2005), (Demirel ve Frimpong, 2007) tarafından verilmiştir. Bir kepçe tasarım çalışması için bir elektrikli yerkazarın kazı döngüsünün modellemesi yapılarak, kepçe başarımı yerkazar kazı döngüleri ile bağlantılı olarak benzetişimi (simülasyon) yapılmıştır. Elektrikli yerkazarın enerji verimliliği, (en uygun birim elektrik tüketimi), için yapılan kazı en iyileştirmesi ve benzetişim çalışmasında; gene yerkazar kazı kinematiği ve dinamiği, kazıya direnç gösteren kuvvetler, aracın kazı verimliliği konusunda ayrıntılı bilgi verilmiştir, (Offei ve Fripong, 2007). En iyi kazı verimliliği için makine işletmeni itiş ve kaldırış hareketini öyle ayarlamalıdır ki en uygun kazı derinliğini elde etsin, en az enerji tüketimi ile kepçeyi en kısa sürede doldursun, (Offei ve Frimpong, 2007). Kazı derinliği, kesme kalınlığı itiş kuvvetinin çoğaltılıp azaltılması ile sağlanır. Kesme kalınlığının çok olması kaldırış hızını azaltabilir ve kazı süresinin artışına neden olabilir, erişme-taşıma kolu kaykılması oluşabilir. Elektrikli yerkazarlarda yapılan bir çalışmada, eşit kazı süresi olan döngülerde, sığ kesme kalınlığının derin kesme kalınlığından daha az kaldırış enerjisi tükettiğini belirtilmiştir, (Patnayak ve Tannant, 2005). Yeni kuşak elektrikli yerkazarlar itiş ve kaldırış kuvvetlerini en iyi duruma getirip ayarlayan, araç kullanıcısının ustalık ve isteğine bırakmayan P&H OptiDig gibi düzeneklerle donatılmışlardır, (Paterson ve Özdoğan, 2001). Bu aygıt, sayısal teknoloji sayesinde makinenin kazı devinimini algılayarak itiş ve kaldırış devinimlerini dengeleyerek enerji tüketimini, malzeme yoğunluğu ve işletmenin deneyiminden bağımsız olarak, en uygun hale getirir. 4.2 Kepçe Kazış Açısı ve Kepçe Diş Açısı Kepçe dişi açısı ve kepçe kazış açısı kepçenin doluş biçimini ve doluş sürecinde ne kadar enerji tüketildiğini belirleyen etkileyicilerdir. Kazış ve diş açısı Şekil 4 de gösterilmiştir. Kazış açısı arttırılıp küçültülürken, kepçe dişi açısı da buna bağlı olarak kendiliğinden ayarlanır, (Şekil 4). Diş açısı ne kadar büyükse (dikse), kesme eylemi de o kadar artar. Bu yüzden diş açısı, olabildiğince büyük olacak biçimde ayarlanmaya çalışılır. Burada, dikkat edilecek nokta, kepçe ökçesi aşıntı kolanı açıklığı öyle ayarlanmalıdır ki aşınma kabul edilebilir düzeyde olsun. Uygulamada, kepçe dişi açısı çok dik (yüksek) ise kepçenin topuk kısmı erken aşınacaktır. Bu durumda, kepçe ökçesi aşıntı kolanında ve kepçe dişi köklerinin alt kısmında çok aşıntı oluşur. Kepçe dişi açısı çok yatık (küçük) ise kepçe doğru dürüst dolmaz ve basamağı kesmekten ziyade tırmalar; diş kökleri üst kısmı çok aşınır.

9 Şekil 4. Yerkazar kepçesi kazış ve diş açısı,(anon. a, 2005) Aşınmanın çok önemli olmadığı kolay kazıda (koşullarında), daha dik kazış açısı (saplanış açısı) en yüksek verimliliği sağlar. Aşınmanın çok aşırı olabildiği çetin kazıda, daha yatık kazış açısı (daha çok saplanış için)önerilir. Aşındırgan olmayan kayaçta bile aşırı düşük kazış açısı kepçe saplanışını azaltabilir. Kazış açısı, diş açısını, kazı basamağına uygulanan kuvveti, kepçenin aşınmasını doğrudan etkiler. Kazış açısı, ayar çubuklarının boyu ayarlanarak en uygun hale getirilir. Kazış açısını dikleştirmek, kepçe ağzının işe daha çok koşularak, verimliliğin arttırılması ve enerji tüketiminin azaltılmasını sağlar. Düşük kazış açısı ile çalıştığında, kepçe dişi kayaca saplanıp, yontarak kopardığı için yerkazar aşırı biçimde güç tüketir. Kazış açısının büyümesi, makinenin güç tüketimini azaltır, kayacın basamaktan taranarak kazılmasını sağlar, (Anon. a, 2005) Kepçe Kazış Açısının Uygunlaştırımı Diş ve kazış açısı ayarı için önerilen başlangıç açıları aşağıda verilmiştir, Çizelge 1. Kazış açısının, kayaç yoğunluğuna, patlatmanın niteliği ve sıklığına göre en uygun kazı elde etmek için ince ayarı gerekebilir.

10 Çizelge 1. Diş açısı ve kazış açısı ayarı için önerilen başlangıç açıları, (Anon. a, 2005) Çetin Kayaç Kazısı Orta Çetinlikte Kazı Diş Açısı 46º- 48º 48º-50º Kazış Açısı 57º-59º 59º-61º Kepçe, kazı basamağında kaldırış halatları dikeye yakın bir biçimde çalışıyor ise bu makinenin basamağa iyi yanaştırılmış olduğunu gösterir. Bu konumda makine, kepçe dişine en yüksek kaldırış kuvvetini uygulayarak kazı verimliliğini en yükseğe çıkartır Kepçe Aşınma Alanları ve Kayaç Aşındırıcılığı Kazılacak ya da kazılmakta olan kayacın aşındırıcılık özellikleri arada sırada yapılacak ölçümlerle belirlenmelidir; Yapımcıya elde edilen bu değerler verilmeli,kepçe buna göre tasarlanıp üretilmelidir. Bu deneyler ve nasıl yapılacaklarına dair ayrıntılı bilgi (Yaralı, 2008), (Özdemir 2008), ve (Nilsen et al, 2006) tarafından verilmiştir. Bu konuda çeşitli dizinler bulunmasına karşın en bilineni Cerchar Abrasivity Index (CAI) ' dir. Yüksek Aşınma Alanları Şekil 5. Birinci derecede kepçe aşıntı alanları,(anon. a, 2005) Kömür içeren kayaçlarda yapılan bir çalışmada (Yaralı et al, 2008) Cerchar aşındırganlık dizini ve taşın yapısal özellikleri arasındaki ilişki verilmiştir. Buna göre ortalama kuvars tane iriliği ile Cerchar Aşındırganlık Dizini (CAI) arasında iyi bir doğrusal ilişki vardır. Çalışma ayrıca, mineral bileşenleri, çimento tipi, çimentolaşma derecesi, kuvars içeriği, ortalama kuvars tane iriliği gibi özelliklerin Cerchar Aşındırganlık Dizini'ni (CAI) etkilediğini bildirmektedir.

11 Kepçe dişi, damağı, yanaklarında kullanılan aşıntı ve kapak örtüleri aşağıda açıklanmıştır: Diş ucu dibi ile diş kökü birleşme yeri en çok aşınan yerdir. Aşıntı kapakları adından da anlaşılacağı gibi kendisi aşınarak, diş ile diş kökünün birleştiği yerin aşınmasını önler, (Anon. a, 2005). Damak koruyucu örtüleri bütünüyle aşınıp damağın ve yanağın aşınmasına yol açmadan değiştirilmelidir. Bir başka deyişle, koruma görevini yapamayacak duruma gelmeden yenisi takılmalıdır. Damak aşıntı örtülerini değiştirirken, bütün örtü bağlantı elemanları ile birlikte değiştirmelidir Kepçe ökçesinin köşe ve orta bölümlerini aşınmadan korumak için ökçe koruma kuşakları bulunur, (Anon. a, 2005). 5. KEPÇE BAŞARIMINI ETKİLEYEN DEĞİŞTİRGENLER Yerkazarın iş döngüsünün kazı evresi kepçenin kazı basamağında geçirdiği gerçek süreyi gösterir. İş döngüsünün dönüş ve boşaltış evreleri ise kazılan kayacın yük aracına taşınıp boşaltıldığı evrelerdir, (Patnayak et al, 2008). Yerkazar bir örnek kayaçta kazı yaparken bile, başarımında aşağıdaki etmenler de etkili olur; operatörün teknik ve stili, makine tipi, kepçe ve diş tasarımı, kazı yörüngesi (kepçe saplanış derinliği ve kazı boyu), kayaç katmanına göre kazı yönü, (Patnayak et al, 2008). Herhangi bir işin ne kadar verimli yapıldığı, o iş için doğru araca sahip olunup olunmadığına bağlıdır. Yerkazı araçlarının iş yapan kısmı olan kepçeler, karmaşık birimler olup bir çok değiştirgen tarafından etkilenirler. İlk bakışta kepçenin başarımı iriliği ile doğru orantılı gibi görünebilir; Oysa, kepçe hacmi tek başına, kepçenin başarımını etkilemez. Kepçenin ağırlığı, biçimi, kazılmakta olan kayacın yapısı, makine işletmeninin eğitimi ve ustalığı gibi bazı etkenler de kepçenin ne kadar kayaç kazabildiğini etkilemektedir, (Anon. a, 2005). Kepçenin kazdığı kayaç miktarını belirleyen ve etkileyen ana değiştirgenler ayrıntılarıyla aşağıda verilmiştir: 5.1 Kayaç Yoğunluğu Her ne kadar kepçenin kapasitesi hacmi ile ölçülmekte, m 3, ise de, bu kapasitesinin sınırı içindeki kayacın ağırlığıdır. Çünkü, makinenin kaldırma yeteneğinin bir sınırı vardır. Kepçe ve donanımlarının (koşumlarının) ölü ağırlığı ve kepçe içindeki kayacın ağırlığı toplamı ağdırma yükü (denge bozucu yük) sınırını aşmamalıdır. Bu yüzden, kepçe başarganlığını değerlendirmek için kayaç hacmi ile ağırlığı arasındaki ilişki kesinlikle bilinmelidir. Özgül ağırlık maddenin suya göre göreceli yoğunluğudur. Suyun yoğunluğu ise litre başına 1.0 kg. dır.

12 5.2 Kayaç Kabarış Çarpanı Kayaç kabarış çarpanı, gevşetilmiş kayacın birim hacimdeki ağırlığının, kayacın yerindeki (kazı basamağında) birim hacim ağırlığına oranı olarak tanımlanır, (Çizelge 4). Kabarış çarpanı kayaç patlatıldığında ya da kazıldığında kaya parçaları arasında kalan boşluğun değeridir. Kayaç Kabarış Çarpanı = Kayacın gevşek birim ağırlığı, kg/m 3 Kayacın yerinde birim ağırlığı, kg/m 3 Kabarış çarpanı, kayaç patlatıldığında ya da kepçe tarafından basamaktan koparılıp gevşek hale getirildiğinde kayaç parçaları arasındaki boşluklardan dolayı kayaç hacmindeki artışı ya da kabarışı gösterir. Kabarış çarpanı ne kadar yüksek ise, basamaktaki belirli hacimdeki bir kayacı kaldırmak için o kadar çok sayıda kepçe boşaltmak gerekecektir. Bugünkü büyük kepçelerde ise bunun tersine olarak, kayaç kepçenin içine akarken hafif bir sıkışım olduğunu da görüyoruz. Kepçenin içindeki kayacın gerçek ağırlığını merak ediyorsak, kamyona iki üç dolu kepçe boşaltıp götürüp tartmak, ortalama kepçe yükü ağırlığı konusunda bir fikir edinmek en iyisidir. Yeni kuşak yerkazarlarda ve kaya taşıtlarında her kepçe yükünü gösteren yük ölçme ve izleme düzenekleri bulunmaktadır. Çizelge 2. Bazı malzemelerin karşılaştırmalı ağırlık ve kabarış çarpanları, (Anon. a, 2005). Malzeme Ağırlık Özgül Ağırlık Kabarış Çarpanı Kg/m 3 (Yerinde) Antrasit Taşkömürü Bakır Cevheri Demir Cevheri Kumtaşı Takonit Cevheri Kaldırılabilen Yük ve Ağdırma yükü

13 Yerkazar, kepçe içindeki kayacın ağırlığından başka, kepçenin kendi ağırlığını da kaldırmak durumundadır. Bir yerkazar, model ve biçimine göre, kepçeyi ve içindeki yükü kaldırabilecek şekilde ayarlanır; buna kaldırılabilen yük (rated suspended load) denir. Yerkazarca kaldırılabilen yük, iyice doldurulmuş kepçenin içindeki yük artı kepçenin ve ilgili parçalarının toplam ağırlığıdır. Yerkazarın ağdırma yükü (maximum suspended load) ise belirli bir yerkazar modeli için yapısal ya da termal sınırlar ya da bunların birlikteliğinden oluşan etmenlerin oluşturduğu güvenli olarak ağdırmadan yani dengesi bozulmadan kaldırılmasına izin verilen en yüksek yük sınırıdır. 5.4 Kepçe Tutamağı Çektiriş Kuvveti Bir yerkazarın kepçeyi yukarı kaldırış yeteneği ve yeterli kesme kuvveti sağlaması tutamak çektiriş kuvvetine ve yerkazarın ön bölümünün biçimine bağlıdır. Tutamak çektirişi, kepçeye kaldırış halatı tarafından uygulanan kuvvettir. 5.5 Silme ve Yığma Kepçe Kapasitesi Silme kepçe kapasitesi bir kepçenin alabildiği su miktarının hacmi olup m 3 cinsinden ifade edilir. Elektrikli yerkazar kepçe hacimleri bu şekilde ifade edilir. Yığma kepçe kapasitesi ise daha ziyade hidrolik yerkazar üreticileri tarafınca kullanılır, kazılan malzemenin 45 veya 60 derece açıda kepçe üstünde yığın hacmidir, (Anon. b, 2003). 5.6 Kepçe Doluş Çarpanı Kepçe içindeki kayacın gevşek hacminin kepçenin anma silme hacmine oranı olarak tanımlanır. Kepçe Doluş Çarpanı : Kepçe İçindeki Gevşek Kayacın Hacmi Kepçenin Silme Anma Hacmi Kepçenin doluş çarpanı bir bakıma kayacın akış kolaylığını gösterir. Kepçe tasarım ve yapım özellikleri de kayacın akış kolaylığını olumlu ya da olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle, aynı kayaçta çalışan, aynı kapasiteli iki ayrı üreticiye ait kepçenin doluş çarpanı farklı olabilir. Ocak koşullarına uygun üretilmiş ısmarlama kepçeler, iyi parçalanmış kayaçta, hatta daha yüksek doluş çarpanlarına ulaşabilirler, (Anon. b, 2003).

14 5.7 Kayaç Kazılganlığı Kayaç Kazılganlığı kazı basamağındaki kayacın, kazılmaya karşı gösterdiği direngenlik olarak tanımlanır. Bu direngenliğin düzeyi kayacın sertliğine, birim ağırlığına, parçalanmasına ve başka etkenlere bağlıdır. Örneğin, kayacın ağırlığı içerdiği minerallere, neme, parçacık boyutu ve yapısına göre de büyük ölçüde değişebilir, (Anon. b, 2003). Kayacın kepçeye akış ve doluş kolaylığı demek olan kepçe doluş çarpanı ile bir kayacın kazılganlığı belirlenebilir. Kepçe doluş çarpanı kayacın kepçe içine akış kolaylığını göstermekle birlikte, kepçenin tasarım ve yapısı da kepçenin doluş özelliklerini etkileyebilir. Kepçeye doluş kolaylığı ölçüt alındığında, Çizelge 3, kayaçların kazılganlığı kepçe doluş çarpanı ile dizelenebilir, (Anon. b, 2003). Çizelge 3. Kepçe doluş çarpanına göre kayaç kazılganlık dizelemesi (Anon b, 2003). Kayaç Kazılganlığı Kepçe Doluş Çarpanı (yaklaşık) Kolay Kazılgan Orta-Kolay Kazılgan Çetin Kazılgan Çok Çetin Kazılgan SONUÇLAR Kepçe başarımını etkileyen önemli bir değiştirgen de kesme kalınlığıdır, bir başka deyişle malzemeye kepçe saplanış derinliğidir. Kesme kuvveti kepçe itiş ve kepçe kaldırış kuvvetlerinin bileşkesi olup kesme kalınlığı yerkazar işletmeninin ustalık ve deneyimine bağlıdır. Deneyimli ve yetenekli işletmenler en uygun kazı derinliğini elde ederler. Ancak günümüz sayısal teknolojileri yeni kuşak yerkazarlarda, kendiliğinden optimum kesme derinliğini ayarlayan düzenek ve donanımları takılabilir kılmaktadır. Kazış yörüngesinin bir diğer bileşeni olan kazı uzunluğu da kepçe başarımını etkileyen bir değiştirgendir. Kepçe kayaç girişimini sağlayan kepçe saplanış ve kazış birimleri (kepçe diş düzeneği) hem kepçenin basamaktaki kayaca saplanışını sağlar, hem de kepçenin aşınmaya karşı savunmasız alanlarını kendisi aşınarak korur, (Carter, 2008). Bazı aşındırgan kayaçlarda kayaç-kepçe girişim gereçleri çok önemli bir gider kalemi olabilir. Kepçe dişlerinin bu koruma işlevine ek olarak ayrıca kepçe aşıntı plakaları da koruma sağlar.

15 Kepçe diş açısı ve kazış açısı, kepçe dolum sürecinde, doluşu ve enerji tüketimini belirleyen ana etmenlerdir. Ayar çubukları ile kazış açısı aşağı yukarı ayarlanırken, diş açısı da buna bağlı olarak kendiliğinden ayarlanmış olur. Amaç en yüksek kesme kuvveti elde etmek için olabildiğince büyük diş açısına ulaşmaktır; ancak bu açı öyle ayarlanır ki kabul edilebilir bir aşınma düzeyi için de uygun bir kepçe ökçe kolanı açıklığı bırakılır. Diş açısı ile ökçe kolanı açıklıkları dengeli olmalıdır, (Anon. a, 2005). Kepçe doluş çarpanı değerini yükseltmek için geniş ağızlı ve büyük hacimli kepçeler kullanılması önerilmektedir, (Kahle, 1990). Kepçe doluş çarpanı bir bakıma malzeme akış kolaylığını gösterir. Ancak, kepçenin tasarım ve yapısı da kepçe doluş oranını arttırıp eksiltebilir. Ocak koşullarına göre üretilmiş ısmarlama kepeler, iyi parçalanmış kayaç koşullarında, % % 120 ve ötesi doluş yüzdelerine ulaşabilirler, (Anon. b, 2003). Tutamaksız kepçelerin yapılış amacı, yerkazı makinesinin kaya taşıtına yükleme yüksekliğini arttırmak içindir. Gelişen dev kaya taşıtlarına ayak uydurabilmek bakımından geliştirilmiştir. Elektrikli yerkazarların ömrü boyunca en az bir kez kaya taşıtı filosu yenilenir. Bunu gözönünde tutarak, ileride daha büyük kaya taşıtlarına geçilebileceğinden, tutamaksız kepçeleri yeğlemek ileriye dönük bir kolaylık olabilir. İşletme ve kayaç koşullarına uygun seçilmiş, keskin kepçe dişleri olan bakımlı, ve yüklediği araca uyumlu kepçeler makineleri daha verimli ve üretken kılar. Kazı döngü süreleri kısalır. Kepçe itiş ve kaldırış devinimini eşgüden düzenekler, kepçenin doluşunu içindeki malzemenin ağırlığını algılayıp uyaran düzenekler, daha hızlı dönüş motorları ya da üçüncü bir dönüş motoru konması, kazı aynasına doğru yanaşımı ve doğru kazı izgesini sağlayıcı sistemler iş döngüsünün kazı ve öteki bölümlerini kısaltarak döngüyü önemli ölçüde kısaltmaya katkıda bulunabilir, Fiscor, (2007). Bu düzenekler kepçenin dolayısı ile yerkazarın başarımını arttırabilir. Nitekim, bu tür sistemlerin bazıları yeni kuşak makinalarda kullanılmaya başlamıştır; bunlar, P&H OptiDig, P&H LoadWeigh gibi optimum kazı ve yük ölçüm sistemleri, üçüncü bir dönüş motoru ve dişli kutusu gibi donanımlardır. Gerek yerkazar üreticisinin, gerekse araştırma-geliştirme kuruluşlarının ve işletmelerin tüm çabası her kepçe içindeki yararlı yükün bir kaç ton arttırılabilmesi içindir. Yapımcı firmaların geliştirdikleri yeni tip kepçeler araştırma kurumlarında 1/25 ölçeğinde modelleri yapılarak deney evinde özellikleri, dolma süreleri, ton başına enerji tüketimleri, aşınma gibi özelikleri denemektedir, (Fiscor, 2005). Fiscor un yazdıklarına göre uygunlaştırılmış (optimized) kepçelerde yararlı yük ve başarım artışı maden işletmelerince de doğrulanmıştır.

16 KAYNAKLAR Anon. a, 2005; Peak Performance Practices, Dippers, P&H MinePro Services, Milwaukee, USA. Anon. b, 2003; Yüksek Başarım Uygulamaları, Yerkazar Seçkisi, P&H MinePro Services, Milwaukee, USA. Anon. c, 2006; P&H Dipper Fact Sheet, Milwaukee, USA. Anon. d, 2005; P&H Dipper Analysis Guide, Milwaukee, USA. Atkinson, T., 1986; Assesment of abrasive wear resistance potential in rock excavation machinery, International Journal of Mining and Geological Engineering, 1986, Vol.3, pp Atkinson, T., 1992; Selection and sizing of mining equipment, Chapter pp , SME Mining Engineering Handbook 2 nd Ed., Vol2.SME, Colorado, USA Awuah-Offei, K., and Frimpong, S., 2006; Cable shovel digging optimization for energy efficiency, Mechanism and Machine Theory, Vol. 42 (2007) pp Carter, A.R., 2008; GET Smart, Coal Age, June 2008, Vol.113, No.6, pp Demirel, N. and Frimpong, S., 2007; Dragline dynamic modelling for efficient Excavation, 20 th International Mining Congress and Exhibition of Turkey- IMCET 2007, Ankara, Turkey, pp Fiscor, S., 2005; Optimized dippers fine-tune shovel performance, Coal Age, June 2005, pp Fiscor, S., 2007; Productivity considerations for shovels and excavators, Halatchev, R.A. And Knights, P.F., 2007; Spatial variability of shovel dig performance, International Journal of Mining, Reclamation and Environment, Vol.21, No.4, December 2007, pp

17 Kahle, M.B., 1990; Chapter 6. Productivity, SME Surface Mining 2 nd Ed., USA Kennedy, B.A., Editor, 1990 ; SME Surface Mining 2 nd Ed., USA Nilsen, B. et al, 2006; Abrasivity testing for rocks and soils, Tunnels and Tunnelling International, April 2006; part 2_0406.pdf Özdemir, L., 2008; Cerchar Abrasivity Index physical property measurements, Colorado School of Mines, Golden, USA; property Özdoğan, M., 2002; Elektrikli yerkazı makinalarının kazı gücü etkileyicileri ve karşılaştırma ölçütleri, Madencilik, Cilt 41, Aralık 2002, s Paterson, L.B., ve Özdoğan, M., 2001; Performance of the bigger, faster and smarter new generation electric mining shovels, Türkiye 17. Uluslararası Madencilik Kongresi ve Sergisi, s Patnayak, S. and Tannant, D.D., 2005; Performance monitoring of electric cable shovels, International Journal of Mining, Reclamation and Environment, Vol.19, No.4, pp Patnayak et al, 2008 ; Operator and dipper tooth influence on electric shovel performance during oil sands mining, International Journal of Mining, Reclamation and Environment, Vol.22, No.2, pp Sargent, F.R., 1990; Mining and Quarry Shovels Productivity and Costs, SME Surface Mining 2 nd Ed.,USA, sc04-ss00-bod.cfm Shi, N., ve Joseph, T.G., 2005; Optimizing shovel dipper design for cutting soft rock and soils, Türkiye 19. Uluslararası Madencilik Kongresi ve Sergisi, s Singh, S.P. and Narendrula, R., 2006; Productivity indicators for loading equipment, CIM Bulletin May 2006, Volume 1 No.3. Available online at:

18 Yaralı, O., 2008; Kayaçların delinebilirlik ve aşındırıcılıklarının belirlenmesi, Türkiye 16. Kömür Kongresi ve madencilik Sergisi mayıs 2008, Zonguldak, Türkiye, s