DRAGLINE YERKAZARLARDA KEPÇE SAPLANIŞ MEKANİZMASI VE KEPÇE SAPLANIŞ KUVVETİ Bucket Penetration Mechanism and Bucket Penetration Force of Dragline Excavators Metin ÖZDOĞAN (*) ÖZET Bu yazıda dragline yerkazarı kepçesinin kazı basamağındaki kayaca saplanış mekanizması incelenmiştir. Dragline yerkazarında, kepçe kendi ağırlığı ile malzemeye saplanmaktadır. Kepçe saplanış açısı, kepçe ağırlığı, kepçe dişleri, kazı basamağı eğim açısı gibi kepçe saplanışına etki eden değişkenler tartışılmıştır. Örnek olarak, bazı TKİ dragline yerkazarlarının saplanış kuvvetleri, kepçe ağzı ve kepçe dişine göre hesaplanan özgül kepçe saplanış kuvvetleri verilmiştir. Anahtar Sözcükler Saplanış Kuvveti : Dragline Yerkazar, Dragline Kepçesi, Kepçe Saplanış Açısı, Özgül Kepçe ABSTRACT In this paper bucket penetration mechanism of dragline excavator at the excavation bench has been investigated. In dragline excavators, penetration is achieved by the tare weight of the bucket. Some factors effecting bucket penetration like bucket penetration angle, bucket weight, bucket teeth, excavation bench slope angle have been discussed. Bucket penetration forces, specific bucket penetration forces based on length of bucket lip, and on total length of teeth lip are given for some TKİ draglines as examples. Key Words : Dragline excavator, Dragline Bucket, Bucket Penetration Angle, Specific Bucket Penetration Force (*) Dr. Maden Yüksek Mühendisi, Danışman, İdeal Makina Danışmanlık Ltd. Şti.,Esat Caddesi No: 34/9, 06660, ANKARA 1
1. GİRİŞ Dragline yerkazarlar, açık maden işletmeciliğinde en düşük maliyetle örtü kazıp taşıyan (aktaran) aygıtlardır, (Goodman ve Page, 1990; Woof, a. 2002). Zira ekskavatör-kamyon dizgesinde olduğu gibi kazılan örtüyü taşımak için kamyon gerektirmezler. Elektrikli ekskavatör-kamyon sisteminde, yükleme örtükazı maliyetinin sadece % 30 unu oluşturmaktadır. Geri kalan %70 lik kısım ise taşıma yani kamyon giderlerine harcanmaktadır, (Paterson ve Özdoğan, 2001). Bu nedenle, iyi basamak planlaması yapıldığında, makina titizlikle izlenip verimli çalıştırıldığında daha çok örtü kazarak, işletmenin maliyetlerinin aşağı çekilmesinde büyük katkılarda bulunabilir. Bu yüzden, makinanın kazar kısmı olan kepçeye gereken önem verilmelidir. Üretim ve verimlilik kepçeden başlamaktadır. İyi tasarlanmış kepçelerde, kepçe kazılacak kayaca en uygun saplanış açısıyla sallantısız girer, çabuk dolar, dolan kepçe yukarı kaldırıldığında üstünden dökülme olmaz, (Woof, b. 2002). Dragline yerkazarlarda kepçenin kazılacak malzemeye saplanışı kepçenin kendi ağırlığı ile sağlanır. Boş kepçenin ağırlığının oluşturduğu kuvvet kepçe ağzındaki dişler vasıtasıyla kazılacak malzemeye saplanır. Kepçe saplanış ve doluş evreleri Çizge 1. de verilmiştir, (Adsız a., 2001). Çizge 1. Kepçe saplanış ve doluş evreleri (Adsız, a.) Sanılanın aksine kepçe makinanın belki de en önemli kısmıdır. Malzemeye dalan, koparan, dolduran ve taşıyan donanımıdır. Doğru kepçe ve dişleri seçilip takıldığında, kepçe ve dişlerin bakımı, onarımı, değişimi düzenli bir biçimde yapıldığında makinanın başarımını, verimliliğini, üretkenliğini doğrudan etkiler. Bu yüzden işletmelerde görevli meslektaşlarımız kepçe ve kepçe dişlerini özellikle izlemeli ve gereken önemi vermelidir. Kepçenin malzemeye iyi saplanışı, makinanın kazış döngü süresini de kısaltmaktadır. 2. KEPÇE SAPLANIŞ GEOMETRİSİ VE KUVVETİ Kepçenin saplanış geometrisi Çizge 2. de verilmiştir. Kepçe saplanış açısı,, kepçe tabanının yatay düzlemle yaptığı açı olup değeri yaklaşık 30-45 dir. Kepçe ağırlığını, W k, ile gösterirsek, kepçe saplanış eşitliği aşağıdaki gibi ifade edilebilir. açısı büyüdükçe kepçe saplanış kuvveti (K.S.K.) büyür, ve = 90 de en yüksek değerine ulaşır yani W k olur. açısı küçüldükçe saplanış kuvveti küçülür, = 0 de en düşük değeri sıfıra ulaşır. 2
Kepçe saplanış kuvveti = F (W k,,, c ) ; 0, 90 (1) Burada, W k = Kepçenin boş ağırlığı, kn = Kepçenin saplanma açısı, derece = Kazı basamağı eğim açısı, derece = Kazılacak kayaç kütlesinin basış dayanımı, MPa c Kepçe saplanış açısına göre kepçe saplanma kuvveti eşitliği ; K.S.K., kn = W k * Sin (2) 0 K.S.K. 0 90 K.S.K. W k Kepçe saplanış açısı, = 30, olduğunda, kepçe saplanış kuvveti kepçe ağırlığının yarısı kadardır; ve = 45 için saplanış kuvveti kepçe ağırlığının 2 ye bölümü kadardır, Çizge 2. Kazı basamağı eğim açısına göre kepçe saplanma kuvveti eşitliği ; K.S.K., kn = W k * Cos (3) 0 K.S.K. W k 90 K.S.K. 0 Basamak eğimi, = 60 olduğunda, kepçe saplanış kuvveti kepçe ağırlığının yarısına eşittir; basamak eğimi = 45 için bu kuvvet kepçe ağırlığının 2 ye bölümü kadardır, Çizge 3. ve açılarının değeri 45 olduğunda Eşitlik 1. ve 2. nin değerleri yani kepçe saplanış kuvvetleri aynı olmaktadır. 0 ve 90 0 (a) 90 0 (b) w.sin W = 0 ve 90 0 = 0 ; = 0 K.S.K. = 0 (c) (d) Çizge 2. Kepçe saplanış açısına göre saplanış geometrisi 3
Kepçenin saplanabilmesi için koşul, birim alana düşen kepçe saplanış kuvvetinin (kepçe saplanış basıncı) kaya kütlesi basış dayanımından yüksek olması gerekir. K.S.K./m 2 c (4) K.S.B. c (5) Burada, K.S.B. = Kepçe saplanış basıncı,mpa c = Kaya kütlesi basış dayanımı,mpa (a) (b) KSK = W k *cos = 90 K.S.K. = 0 90 0 ve 0 ( = 0 K.S.K. = 0) = 30-60 Çizge 3. Basamak eğim açısına göre kepçe saplanış geometrisi Bazı TKİ dragline ekskavatörleri için hesaplanan kepçe saplanış kuvvetleri Çizelge 1. de verilmiştir. Çizge 4. kepçe saplanış açısının özgül kepçe saplanış kuvveti üzerine etkisini göstermektedir. Kepçe saplanış kuvvetini kazı basamağı eğimi de etkilemektedir, Çizge 5. Çizelge 1. TKİ dragline ekskavatörlerinin kepçe saplanış kuvvetleri, = 45 İşletme Adı Dragline Modeli Kepçe Hacmi m 3 Boş Kepçe Ağırlığı, kn Saplanış Kuvveti, kn Tunçbilek P&H 736 15 182.80 129.26 Tunçbilek M7820 31 365.70 258.59 Milas P&H 752 25 292.54 206.86 Yatağan M8050G 50 619.90 438.33 Seyitömer M8050W 54 667.47 471.97 3. KEPÇE DİŞİ VE ÖZGÜL KEPÇE SAPLANIŞ KUVVETİ Kepçe dişlerinin iki ana işlevi vardır; kepçeyi aşınmaktan korumak ve kepçenin saplanış kuvvetini arttırmak, (Hudson, 2001). Bazı TKİ dragline ekskavatörlerinin özgül kepçe saplanış kuvvetleri Çizelge 2. de gösterilmiştir. Bu çizelgede kepçe ağı ve kepçe dişlerine göre hesaplanan özgül kepçe saplanış kuvvetleri incelendiğinde saplanış kuvveti artışı açıkca görülmektedir. 4
Özgül K.S.K., kn/m Özgül K.S.K, kn/m 250 200 Diş ağzına göre 150 100 Kepçe ağzına göre 50 0 0 15 30 45 60 75 90 Kepçe Saplanış Açısı, Çizge 4. Özgül kepçe saplanış kuvvetinin kepçe saplanış açısına göre değişimi, P&H 752, 25 m3, Milas, = 0-90 250 200 150 Diş ağzına göre 100 50 Kepçe ağzına göre 0 30 35 40 45 50 55 60 Kazı Basamağı Eğim Açısı, Çizge 5. Kazı basamağı eğim açısına göre özgül kepçe saplanış kuvvetinin değişimi, P&H 752, Milas, 25 m3, =30-60 5
Doğru diş seçimi kepçe saplanışı arttırmakta, bu da makinanın kazış döngüsünün kısalmasına, kepçe doluluk yüzdesinin artmasına, enerji tüketiminin azalmasına, hatta makina üzerinde oluşan gerilmelerin düşmesine yardımcı olmaktadır. Ancak burada dikkat edilecek bir husus, dişin saplanış özelliği ile sağlamlık ve aşınma özelliği arasında bir denge sağlanması, ve en uygun çözümün bulunmasıdır (Hudson, 2001). Çeşitli dragline kepçe dişi tipleri Çizge 6. de verilmiştir. Çizelge 2. TKİ dragline ekskavatörlerinin özgül kepçe saplanış kuvvetleri, = 45,(Özdoğan, 2002) İşletme Adı Dragline Modeli Kepçe Hacmi, m3 Kepçe Ağız Eni, m Kepçe Diş Sayısı, Adet Kepçe Diş Ağız eni toplamı, m Özgül Diş Saplanış Kuvveti, kn/m Özgül Kepçe Saplanış Kuvveti, kn/m Tunçbilek P&H 736 15 2.85 5 1.03 125.50 45.35 Tunçbilek M7820 31 3.56 5 1.26 205.23 72.64 Milas P&H 752 25 3.40 5 1.25 165.49 60.84 Yatağan M8050G 50 4.30 6 1.86 235.66 101.94 Seyitömer M8050W 54 3.89 6 2.22 212.60 121.33 Çizge 6. Dragline kepçe dişi tipleri, (Adsız b., 1998) 6
4. DRAGLİNE KEPÇE TİPLERİ Kemerli ve kemersiz olmak üzere iki çeşit dragline kepçesi vardır, (Adsız a 2001 ve Parlak, 1988). Kepçenin biçimi, boyutları, ağız yapısı, ağırlığı, bağlantı ve zincir donanımı, diş biçimi ve sayısı kepçenin, saplanış, koparış, doluş, taşıyış, boşaltış değişkilerini bir başka deyişle kepçenin ve makinanın genel başarımını etkilemektedir. Çizge 7. kepçe çeşitlerini göstermektedir. TKİ Yerkazı makinası filosundaki 8 adet dragline den 4 adedinde kemersiz kepçe bulunmaktadır. Pundari (1981) dragline kepçe tasarımı ölçütlerinin henüz çok geliştirilemediği, ve izlenecek kesin ve hızlı kurallarının bulunmadığından söz etmektedir; bu yüzden çeşitli kazı koşullarına en uygun kepçe tasarımının uygulamaya özgü yapılması gerektiğini vurgulamaktadır. Makina sahibi ile kepçe üreticisinin birlikte çalışarak mevcut kazı koşullarında en etkili kepçe şekli ve en uygun kepçe ağız açısı, en uygun kepçe diş şeklini geliştirmelidirler. Goodman ve Page (1990), A.B.D. madenlerinde çalışan 25 adet yürüyen dragline yerkazarda yaptıkları incelemede dragline kepçelerinde yapılan yenilikler ve değişiklerden söz etmekte ve bu yeniliklerin sağlamış olduğu üretkenlik artışlarına değinmektedir; hafif atılabilir tip kepçeler, yapay aşınma plakalı ve değişik zincir donanımlı kepçeler v.b. Chadwick (1991), ve Woof (2002) Avustralyada çeşitli üniversite, araştırma-geliştirme ve özel girişim kuruluşlarında dragline kepçe ve kepçe donanımı tasarımında yapılan geliştirme ve model çalışmaları ve araştırmalarından söz etmektedir. Bilgisayar teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) ve kepçe ağzı gerilmeleri en aza indirmek için sonlu elemanlar analizinin kullanılması v.b. daha iyi, daha üretken, daha az bakım gerektiren yeni kuşak madene uyumlu kepçeler çizmeyi ve yapmayı olası kılmaktadır, (Adsız a., 2001). Çizge 7. Dragline kepçe çeşitleri (Adsız a., 2001) 7
5. SONUÇ Kepçenin kayaç veya gevşetilmiş kayaç kütlesine saplanabilmesi için kepçe saplanış basıncının, kayacın basış dayanımını yenmesi gerekir. Kepçe saplanış açısı,, arttıkça, kepçe saplanış kuvveti artar. Kazı basamağı eğimi,, büyüdükçe, kepçe saplanış kuvveti azalır. Uygulamada saplanış açısını ölçmek her zaman mümkün olmayabilir, bu nedenle kepçe saplanış kuvvetini kazı basamağı eğim açısından hesaplamak daha kolay olabilir. Kepçe dişlerinin takılmasının nedeni kepçenin kayaca veya gevşetilmiş kayaca saplanış yeteneğini yükseltmek içindir. Kepçenin saplanış kuvvetini arttırmak için, diş ağız enleri daha küçük olan dişler kullanılmalıdır. Böyle bir sorun yoksa, daha geniş ve aşınma ömrü uzun dişler yeğlenmelidir. Kazı aynasında kepçenin malzemeye saplanışı gözlenmelidir, yetersizlik varsa, kullanılan diş tipi, üreticinin elinde bulunan değişik formasyonlar için tasarlanmış tiplerden yenileri seçilerek, sınama yanılma yolu ile en uygun tip bulunmalıdır. İşletmelerimizdeki kazı koşullarına ve kazı aynasındaki kayaçlara göre en uygun kepçe dişi türleri üniversitelerimizin maden mühendisliği bölümleri ile işbirliği yapılarak araştırılmalıdır. Bu araştırma arazide makina üstünde olabildiği gibi, kazı deneyevlerinde modeller üzerinde veya bilgisayar ortamında benzetişim ile yapılabilir. Yeraltı kazı makinalarında bu konuda çok çalışma yapıldığı halde, yerüstü kazı makinaları kepçe ve kepçe dişleri konusunda ne yazık ki yeterince çalışma yapılmamaktadır. Meslektaşlarımızca, kemerli ve kemersiz dragline kepçelerin başarımı (performansı) kepçe saplanışı açısından incelenmelidir. Ağır kemer ölü yükü taşımadıklarından, kemersiz kepçelerin yük veriminin daha yüksek olduğu varsayılmaktadır. KAYNAKLAR 1. Adsız a., 2001, P&H Page Arch-Type and Archless Buckets, P&H Mining Equipment, Milwaukee, USA 2. Adsız b., 1998, Esco dragline kepçe dişleri teknik verileri 3. Adsız c., 2001, Bucket Design Mine-Matched to Mine-Site Requirements P&H Mining Equipment, Milwaukee, USA 4. Chadwick, J., 1991, ACIRL s Surface Mining Research, Mining Magazine, October 1991, U.K., s. 223-226 5. Goodman, G.V.R., 1990, Dragline productivity; all draglines are not equally productive-here s why, E&MJ October 1990, s. 16G-16K 6. Hudson, M., 2001., Ground engaging tools increase efficiency and productivitity while protecting the machine. Coal Age, August 2001, USA 7. Parlak, T., 1988. Kömür Açık İşletmeciliğinde Uygulamalı Örtükazı Yöntemleri, MLİ, Bursa, s. 46-47 8. Paterson, L ve Özdoğan, M., 2001. Performance of Bigger, Faster and Smarter New Generation Electric Mining Shovels Proceedings of 17 th International Mining Congress of Turkey, Ankara. The Chamber of Mining Engineers of Turkey, s. 237-242 8
9. Pundari, N.B., 1981. Selecting and Using Large Walking Draglines for Deeper Overburden Stripping. Mining Engineering, April 2001, USA, s. 377-381 10. Özdoğan, M., 2002, TKİ dragline ekskavatörleri kepçe saplanış mekanizması ve kuvvetleri üstüne bir çalışma (yayınlanmamış) 11. Woof, M. a., 2002, A Slow Walk Back, World Mining Equipment, September 2002, USA, s.15-16 12. Woof, M. b, 2002, Technology downunder, World Mining Equipment, January/February 2002, USA, s. 7-8 9