1 500 1 http://romeka.rgf.rs/files/original/Doktorske_disertacije/DD_Boskovic_Sasa/DD_Boskovic_Sasa.1.pdf d6b00ee339b31ac8f5d4459f2e6f7e18 PDF Text Text UNIVERZITET U BEOGRADU RUDARSKO-GEOLOŠKI FAKULTET Saša D. Bošković OPTIMIZACIJA PARAMETARA REZA ROTORNOG BAGERA PRI OTKOPAVANJU MATERIJALA SA POVEĆANOM ČVRSTOĆOM Doktorska disertacija Beograd, 2016. Mentor: Prof. Dr Dragan Ignjatović, redovni profesor, Mehanizacija u rudarstvu i energetici, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Članovi komisije: Dr Vladimir Cebašek, docent, Mehanika stena, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Prof. Dr Taško Maneski, redovni profesor, Otpornost konstrukcija Univerzitet u Beogradu, Mašinski fakultet Datum odbrane: OPTIMIZACIJA PARAMETARA REZA ROTORNOG BAGERA PRI OTKOPAVANJU MATERIJALA SA POVEĆANOM ČVRSTOĆOM Rezime Otkopavanje materijala rotornim bagerom je veoma složen fizičko-mehanički proces. Pokazatelji efektivnosti tog procesa zavise od velikog broja raznovrsnih činilaca od kojih se posebno mogu istaći: fizičko-mehaničke karakteristike materijala koji se otkopava, režim rada bagera i izbor tehnoloških parametara bloka, odreska i reza, geometrije vedrica i zuba itd. Poseban problem se javlja kod otkopavanja materijala povećane čvrstoće, što je čest slučaj na našim površinskim kopovima. Dimenzionisanje specifične sile kopanja bagera prema manjim masama izuzetno čvrstog materijala je neracionalno i rešenje treba tražiti ili u otkopavanju ovih masa drugom opremom ili optimizaciji rada rotornog bagera tj. izboru optimalne vrste reza i parametara odreska u cilju smanjenja otpora na kopanje, smanjenja potrošnje energije i smanjenje dinamičkih uticaja na konstrukciju rotornog bagera. Dosadašnjim istraživanjima ove problematike, ustanovljeno je da se izvesna poboljšanja u radu rotornog bagera na otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom mogu postići optimizacijom određenih konstruktivnih i tehnoloških parametara, čiji je osnovni cilj praktično povećanje raspoložive rezne sile bagera i maksimalno iskorišćenje raspoloživih mogućnosti bagera uz maksimalnu zaštitu bagera od nepovoljnih dinamičkih udara tokom rada. Vrsta i parametri reza su osnovni tehnološki parametri čijom se optimizacijom može uticati na: smanjenje otpora kopanju u materijalima sa povećanom čvrstoćom, povećanje kapaciteta rotornog bagera, minimizaciju potrošnje energije i povoljnije dinamičko ponašanje konstrukcije bagera. To je ujedno i predmet istraživanja ove disertacije, a osnovni cilj je da se kroz sprovedena istraživanja definiše metodologija koja će se koristiti pri izboru i optimalnom korišćenju rotornih bagera na površinskim kopovima u uslovima radne sredine sa povećanim otporom kopanju. Istraživanja u okviru doktorske disertacije su realizovana na teorijskom i eksperimentalnom nivou. Na taj način je sagledan, otvoren i determinisan problem, sagledana moguća i odabrana optimalna rešenja i izvršena praktična provera dobijenih rezultata u konkretnim uslovima radne sredine. Terenska ispitivanja, analiza dobijenih rezultata i optimizacija parametara reza pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom na površinskom kopu Gacko pokazala su da se najbolji efekti rada rotornog bagera postižu sa vertikalnim rezom debljine 0,20 m, širine 0,30 m, odnosno sa brzinom obrtanja strele rotora od 24 m/min. Dokazano je da je neophodno promeniti postojeću tehnologiju otkopavanja rotornim bagerom, ali i daljim kompleksnim istraživanjima postaviti metodologiju optimizacije konstrukcije reznih elemenata rotora. Ključne reči: rotorni bager, parametri reza, otpor na kopanje, dinamika bagera, kapacitet, optimizacija, specifična potrošnja energije. Naučna oblast: Rudarsko inženjerstvo Uža naučna oblast: Mehanizacija u rudarstvu i energetici UDC: 621.879.44:622.271(043.3) 622.232:624.042:624.13(043.3) 1. UVOD Površinska eksploatacija mineralnih sirovina, iako poznata od najstarijih vremena, širu primenu dobija tek u XX veku, zahvaljujući usavršavanju parne mašine i otkriću motora sa unutrašnjim sagorevanjem, a puni zamah dobija pronalaskom i usavršavanjem rotornih bagera. Masovna proizvodnja rotornih bagera počinje tridesetih, a najšira primena šezdesetih godina prošlog veka. Zahvaljujući velikim kapacitetima i stepenu korisnog dejstva, rotorni bageri su našli najveću primenu u velikim rudarskim basenima uglja širom Evrope i sveta. Pri tome su se rotorni bageri stalno usavršavali i prilagođavali različitim uslovima radne sredine. Na našim prostorima rotorni bageri su našli primenu u Kolubarskom, Kostolačkom, Kosovskom i Gatačkom ugljenom basenu, kao i na eksploataciji laporca u Beočinu. U dosadašnjem radu su generalno gledano pokazali dobre rezultate, ali se stepen njihove efikasnosti razlikuje od basena do basena, što je posledica niza različitih faktora. Pri izboru opreme za otkopavanje mineralnih sirovina svakako je najvažnije definisanje radne sredine u kojoj će ta oprema raditi. Pravilno definisanje radne sredine zavisi od obima i kvaliteta izvršenih geoloških istraživanja. Pri tome je za izbor rotornih bagera najbitnije utvrditi fizičko-mehaničke karakteristike radne sredine, prostorni položaj i debljinu slojeva otkrivke ili korisne mineralne sirovine koja se namerava otkopavati. Praksa na našim površinskim kopovima je pokazala da se poseban problem javlja kod otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom, odnosno povećanim otporom na kopanje, što dovodi do drastičnog smanjenja kapaciteta rotornog bagera. Zato, ako se pri definisanju parametara radne sredine napravi greška, to može dovesti do nesagledivih posledica u eksploataciji rotornog bagera, pošto su njegove konstruktivne karakteristike uglavnom tipske i njihovo menjanje nakon nabavke ili nije moguće ili iziskuje ogromna finansijska sredstva i dug period revitalizacije. U praksi nije redak slučaj da se napravi greška u izboru rotornih bagera i zbog nedostatka znanja, ili iz određenih subjektivnih razloga, gde posledice mogu da budu i dalekosežnije nego u prethodnom slučaju. Ukoliko se desi ovakav slučaj, a imajući u vidu visoku cenu nabavke rotornog bagera, odnosno celog sistema (sa samohodnim pretovarnim transporterom, transporterima sa trakom i odlagačem), preostaju samo dve mogućnosti. Prva je prodaja celog sistema kao polovne opreme ili otpadnog železa (što je realno teško izvesti), a druga je da se pristupi određenim istraživanjima u cilju poboljšanja performansi rotornog bagera, a zatim i primeni rezultata tih istraživanja u konkretnim uslovima. Dosadašnjim istraživanjima ove problematike, ustanovljeno je da se izvesna poboljšanja u radu rotornog bagera na otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom mogu postići optimizacijom određenih konstruktivnih i tehnoloških parametara čiji je osnovni cilj praktično povećanje raspoložive rezne sile bagera i maksimalno iskorišćenje raspoloživih mogućnosti bagera uz maksimalnu zaštitu bagera od nepovoljnih dinamičkih udara tokom rada. Konstruktivni parametri čijom optimizacijom se može postići povećanje rezne sile bagera su snaga pogona rotora, oblik vedrica, oblik, dimenzije i raspored zuba na vedricama i ugao rezanja. Vrsta i parametri reza su osnovni tehnološki parametri čijom se optimizacijom može uticati na smanjenje otpora kopanju u materijalima sa povećanom čvrstoćom i povećanje kapaciteta rotornog bagera. To je ujedno i predmet istraživanja ove disertacije, a osnovni cilj je da se kroz sprovedena istraživanja definiše metodologija koja će se koristiti pri izboru i optimalnom korišćenju rotornih bagera na površinskim kopovima u uslovima radne sredine sa povećanim otporom kopanju. 1.1. Predmet istraživanja Rotorni bager predstavlja samohodnu mašinu kontinualnog dejstva, namenjenu za otkopavanje jalovine i korisne mineralne sirovine na površinskim kopovima. Otkopavanje materijala vrši se vedricama koje su ravnomerno raspoređene i pričvršćene na obodu rotora. Istovremenim obrtanjem rotora u vertikalnoj ravni i okretanjem strele rotora zajedno sa platformom u horizontalnoj ravni, svaka vedrica otkopava iz masiva odrezak koji je određen oblikom i geometrijskim parametrima. Otkopavanje materijala rotornim bagerom je veoma složen fizičko-mehanički proces. Pokazatelji efektivnosti tog procesa zavise od velikog broja raznovrsnih činilaca od kojih se posebno mogu istaći: fizičko-mehaničke karakteristike materijala koji se otkopava, režim rada bagera i izbor tehnoloških parametara bloka, odreska i reza, geometrije vedrica i zuba itd. Izbor rotornog bagera i naročito ostvarivanje njegovog projektovanog kapaciteta u realnim uslovima na jednom površinskom kopu u najvećoj meri zavisi od usaglašenosti mehaničkih i radnih parametara odnosno sile kopanja tog bagera i otpora na kopanje radne sredine u kojoj ostvaruje eksploatacione zadatke. Poseban problem se javlja kod otkopavanja materijala povećane čvrstoće. Na našim površinskim kopovima čest je slučaj da se u okviru materijala koji se otkopava nalaze i delovi materijala sa povećanim otporom na kopanje kao što je slučaj na Površinskom kopu Gračanica u Gacku, kopu Filijala u Beočinu, delovi čvrstih pontskih glina u rudarskom basenu Kolubara i dr. Predmet ovog rada je istraživanje vezano za izbor optimalne vrste i parametara reza rotornim bagerima pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom u funkciji smanjenja otpora na kopanje, minimizacije potrošnje energije i povoljnog dinamičkog ponašanja konstrukcije bagera. 1.2. Cilj istraživanja Iz navedenog se vidi da je osnovni cilj teme da se analizom teoretskih i eksperimentalnim istraživanjima rada rotornog bagera izvrši optimizacija parametara reza i odreska rotornog bagera u funkciji otpora na kopanje, potrošnje energije i dinamičkog ponašanja bagera pri otkopavanju materijala na površinskim kopovima sa povećanom čvrstoćom, odnosno otporom na kopanje. Primenjenom metodologijom su obuhvaćeni iskustveni podaci i dosadašnja istraživanja, savremeni postupci i metode istraživanja u ovoj oblasti, a algoritam istraživanja treba da omogući da se uz primenu računara obezbedi ukupan istraživački tok do optimalnog izbora. Sprovedena istraživanja su definisala jednu metodologiju koja se može koristiti pri izboru i optimalnom korišćenju rotornih bagera na površinskim kopovima u uslovima radne sredine sa povećanim otporom kopanju čiji rezultat treba da bude postizanje pozitivnih ekonomskih efekata u proizvodnji. 1.3. Osnovne hipoteze Jedan od osnovnih preduslova za zadovoljavajuće vremensko i kapacitativno iskorišćenje rotornih bagera leži u njihovom pravilnom izboru, tj. u usaglašavanju sile kopanja bagera i očekivanih otpora na kopanje u konkretnim uslovima radne sredine. Predimenzionisana snaga pogona rotora u odnosu na stvarne otpore na kopanje dovodi do osetnog povećanja mase bagera, a samim tim i njegove nabavne cene, i obrnuto, poddimenzionisana snaga pogona, tj. sila kopanja ima za posledicu osetan pad vremenskog i kapacitativnog iskorišćenja, velika opterećenja konstrukcije zbog velikih vibracija i udara, učestale havarije ili jednostavno nemogućnost rada bagera. S druge strane, precenjene vrednosti otpora na kopanje mogu da budu jedini razlog da se još u fazi izbora mehanizacije odustane od primene tehnoloških kompleksa kontinualnog dejstva i usvoji manje efektivna mehanizacija diskontinualnog dejstva. Poseban problem se javlja kada se na površinskim kopovima javljaju manje partije izuzetno čvrstog materijala. Dimezionisanje specifične sile kopanja bagera prema manjim masama izuzetno čvrstog materijala je neracionalno i rešenje treba tražiti ili u otkopavanju ovih masa drugom opremom (riperi, kombajni, bageri sa jednim radnim elementom i dr.) ili optimizaciji rada rotornog bagera tj. izboru optimalne vrste reza i parametara odreska u cilju smanjenja otpora na kopanje, smanjenja potrošnje energije i smanjenje dinamičkih uticaja na konstrukciju rotornog bagera. Na površinskim kopovima uglja na prostorima bivše Jugoslavije evidentno je nezadovoljavajuće vremensko i kapacitativno iskorišćenje rotornih bagera, pa time i kontinualnih sistema u celini, u poređenju sa zemljama u Evropi. Razlozi za ovo su brojni. Neki od njih su objektivni i ogledaju se u činjenicama da su isporučeni tipski rotorni bageri, često nedovoljno usaglašeni uslovima rada u konkretnim radnim sredinama, i nedovoljnim ulaganjima u održavanje opreme u dužem vremenskom periodu. Drugi se pak ogledaju u nedovoljnoj motivaciji u procesu rada i održavanja i nedovoljnoj spremnosti da se u naučno istraživačkom smislu iznađu nova rešenja i izvrši optimizacija određenih parametara rada. Polazeći od prethodno navedenog i već pomenute činjenice da još uvek ne postoji opšte prihvaćena metodologija određivanja uticaja vrste reza i parametara odreska rotornog bagera u funkciji otpora na kopanje, kao i njihovom uticaju na konstrukciju bagera u doktorskoj disertaciji je definisana metodologija istraživanja navedenog problema. Izvršena je analiza i sistematizovana su saznanja u ovoj oblasti kao i rezultati dosadašnjih istraživanja. Za potrebe analize i definisanja željene metodologije izvršena su ispitivanja u konkretnim uslovima radne sredine na Površinskom kopu Gacko, gde su prvenstveno ispitivani uticaj vrste reza (horizontalni, vertikalni, kombinovani) i promene parametara odreska (debljina, širina i visina odreska i njihovi međusobni odnosi) na otpore kopanju i dinamičko ponašanje bagera, za rotorni bager ER-1250 16/1,5 sa softverskom obradom podataka. Predmetnim istraživanjem je definisan simulacioni model rada rotornih bagera i metodologija terenskih merenja za potrebe optimizacije tehnoloških parametara reza. Takav jedinstven model sadrži u sebi elemente za modeliranje radne sredine, modeliranje tehnologije rada rotornih bagera, analizu uticaja tehnoloških parametara reza i analizu troškova rada sistema. Rezultati ovog istraživanja treba da daju doprinos izboru optimalnih parametara odreska u cilju povećanja vremenskog i kapacitetnog iskorišćenja i boljoj eksploataciji rotornih bagera na našim površinskim kopovima. 1.4. Metodologija istraživanja Istraživanja u okviru doktorske disertacije su realizovana na teorijskom i eksperimantalnom nivou. Na taj način je otvoren, sagledan i determinisan problem, sagledana moguća i odabrana optimalna rešenja, kao i izvršena praktična provera dobijenih rezultata. Pri izradi doktorske disertacije definisan je model radne sredine, a potom su primenjene metode diskretno-vremenskog sistema simulacije za modeliranje rada rotornog bagera kao i metoda konačnih elemenata za modeliranje radnog organa rotornog bagera u cilju određivanja dinamičkog ponašanja. Na kraju je izvršena optimizacija izbora vrste i parametara reza rotornim bagerima pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom u funkciji smanjenja otpora na kopanje, minimizacije potrošnje energije i povoljnog dinamičkog ponašanja konstrukcije bagera. Provera definisane metodologije istraživanja je obavljena sa realnim podacima sa Površinskog kopa Gacko, terenskim merenjima otpora na kopanje, kapaciteta, utroška energije, kao i dinamičkog ponašanja rotornog bagera radi izbora optimalnih parametara reza rotornih bagera, a dobijeni rezultati treba da budu korišćeni za planiranje tehnologije rada, odnosno izbor vrste reza i optimizaciju odnosa debljine i širine odreska. Slika 1.1. Program istraživanja Program istraživanja je prikazan na Slici 1.1. i sastoji se iz tri faze koje obuhvataju sistemsku analizu, modeliranje, eksperimentalna istraživanja i optimizaciju. Istraživanjem je obuhvaćeno: - Analiza celokupne problematike, posebno pristup uticajnim faktorima radne sredine, dijagnostika ponašanja rotornog bagera i proučavanje postojeće literature; - Proračun sopstvene frekfence i dinamičkog ponašanja rotora; - Izrada simulacionog modela rada rotornog bagera i proračun parametra bloka i podetaže za različite vrste i parametre odreska; - Terenska merenja otpora na kopanje, utroška energije i dinamičkog ponašanja strele za različite vrste rezova i parametara odreska i potvrda modela; - Optimizacija; - Diskusija i zaključak. 1.5. Naucni doprinos disertacije Tema doktorske disertacije obuhvata istraživanje veoma aktuelne i značajne problematike iz oblasti eksploatacije rotornih bagera na površinskim kopovima lignita kao osnove za njihov efikasan i bezbedan rad. Posebna pažnja je posvećena detaljnom izučavanju i analizi uticaja geometrijskih parametara reza i odreska na efektivnost procesa rada bagera kao i dinamičkog ponašanja rotornog bagera. Na osnovu postavljenih ciljeva i zadataka, posebno se očekuje da disertacija pruži naučni doprinos kroz definisanje metodologije, izradu simulacionog modela rada rotornog bagera, izradu modela radnog organa rotornog bagera (strele i rotora) metodom konačnih elemenata i terenska merenja koja će verifikovati model rada bagera i dinamičko ponašanje pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom sa različitim tipovima rezova kao i različitim odnosom širine i debljine odreska. Realizacijom ovako postavljenih istraživanja stvoriće se uslovi za optimalno korišćenje rotornih bagera na površinskim kopovima sa povećanim otporom na kopanje. Sumarno doprinos ove teze treba da bude u sledećem: - Doprinos detaljnom izučavanju i analizi uticaja geometrijskih parametara reza i odreska na efektivnost procesa rada bagera; - Doprinos detaljnom izučavanju i analizi uticaja geometrijskih parametara reza i odreska na dinamičko ponašanje rotornog bagera; - Definisanje metodologije kroz izradu simulacionog modela rada rotornog bagera, izradu modela radnog elementa rotornog bagera (strele i rotora) metodom konačnih elemenata i terenska merenja koja će verifikovati model rada bagera i dinamičko ponašanje pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom u zavisnosti od vrste reza i dimenzija odreska; - Sa realizacijom ovako postavljenih istraživanja stvoriće se uslovi za optimalno korišćenje rotornih bagera na površinskim kopovima lignita u radnoj sredini sa povećanim otporom na kopanje uz minimalnu potrošnju energije. 1.6. Primenljivost rezultata istraživanja Dobijeni rezultati istraživanja mogu se primeniti na svim površinskim kopovima na kojima rade rotorni bageri. Posebnu primenljivost imaće na kopovima na kojima se pojavljuju partije izuzetno čvrstog materijala sa povećanim otporom na kopanje kao što su na primer Površinski kop Gacko, površinski kop Filijala u Beočinu i dr. Svakako je neracionalno da se za relativno male mase materijala sa povećanim otporom na kopanje odustaje od kontinualnog sistema otkopavanja, ili da se prema njima dimenzioniše oprema za otkopavanje. Dobijeni rezultati omogućiće lakšu i ekonomičniju proizvodnju na ovim površinskim kopovima. 1.7. Struktura disertacije sa kratkim pregledom poglavlja Osnovni ciljevi i na osnovu njih određena metodologija istraživanja su opredelili i sadržaj disertacije, koji je struktuiran u dvanaest poglavlja. U prvom poglavlju se daje opis problema, ciljevi, osnovne hipoteze, metodologija istraživanja, naučni doprinos disertacije, primenljivost rezultata istraživanja na površinskim kopovima na kojima se pojavljuju partije čvrstog materijala sa povećanim otporom na kopanje i kratak prikaz sadržaja disertacije. U drugom poglavlju je dat pregled dosadašnjih istraživanja predmetne problematike u zemlji i inostranstvu, sa posebnim osvrtom na istraživanja otkopavanja otkrivke sa povećanom čvrstoćom u basenu uglja u Gacku. U trećem poglavlju su date teorijske osnove rada rotornog bagera, a poseban akcenat je stavljen na teoretske parametre odreska i reza rotornog bagera. Cetvrto poglavlje predstavlja modeliranje procesa otkopavanja i daje postupak i rezultate modeliranja u konkretnim uslovima radne sredine. U petom poglavlju je izvršeno modeliranje strukture radnog organa (rotora i strele rotora) i predstavljeni su rezultati statičkog i dinamičkog proračuna. Šesto poglavlje opisuje metodologiju optimizacije parametara reza rotornih bagera. U sedmom poglavlju su prikazani rezultati terenskih ispitivanja u konkretnim uslovima radne sredine, odnosno na Površinskom kopu Gacko. Istraživanje se sastojalo u određivanju kapaciteta i merenju angažovane struje za pogon rotora, preko koje je izračunavana angažovana snaga za kopanje, specifični otpor materijala na kopanje i specifična potrošnja energije. Istovremeno sa merenjem angažovane struje, vršeno je i merenje dinamičkog ponašanja bagera, merenjem ubrzanja na karakterističnim tačkama (momentna poluga reduktora), kao i merenje napona. U osmom poglavlju je prikazana analiza ponašanja rotornog bagera ER-1250 16/1,5 pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom. U devetom poglavlju je izvršena optimizacija parametara reza rotornog bagera, koja nedvosmisleno ukazuje na izbor optimalne vrste i parametara reza. U desetom poglavlju su, na osnovu dobijenih rezultata, data zaključna razmatranja vezana za optimizaciju parametara reza rotornog bagera pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom. Jedanaesto poglavlje daje pravce daljih istraživanja, obzirom da su uočeni određeni tehničko-tehnološki nedostaci radnog organa, koji se negativno odražavaju na kapacitet i konstrukciju rotornog bagera, a koji nisu bili predmet istraživanja ove disertacije. U dvanaestom poglavlju je dat pregled korišćene literature. 2.0. PREGLED DOSADASNJIH ISTRAZIVANJA U PREDMETNOJ OBLASTI Rotorni bager je predmet stalnih istraživanja od početka njegove primene na površinskim kopovima do današnjih dana. Mnogobrojna istraživanja su rađena u naučnim ustanovama, kompanijama koje se bave proizvodnjom rotornih bagera i kompanijama koje koriste rotorne bagere za otkopavanje mineralnih sirovina. Istraživanja rada rotornog bagera uvek idu u pravcu poboljšanja performansi bagera, sa ciljem povećanja njegove produktivnosti i smanjenja troškova eksploatacije. Posebna pažnja se poklanja istraživanjima koja imaju za cilj optimizaciju konstruktivnih i tehnoloških parametara rotornih bagera predviđenih za otkopavanje materijala sa povećanom čvrstoćom. 2.1. Svetska i domaća iskustva u istraživanju predmetne problematike Istraživanja vezana za optimizaciju konstruktivnih i tehnoloških parametara rotornih bagera predviđenih za otkopavanje materijala sa povećanom čvrstoćom imaju za cilj pravilan izbor rotornog bagera za konkretne uslove radne sredine i povećanje kapaciteta uz smanjenje troškova eksploatacije za već postojeće bagere na površinskim kopovima. Vetrov J. A. [67] je istraživao uticaj više parametara na reznu silu, a u prvom redu fizičko-mehaničkih karakteristika radne sredine, geometrije reznih alata i njihove pohabanosti, pri čemu je uzimao u obzir ugao zakošenja rotora u odnosu na rotornu strelu, nagib rotora u horizontalnoj ravni i položaj zuba na vedricama. Dombrovski N. G. [16] je na terenu vršio eksperimente sa bagerskim vedricama i adekvatnim modelima, pri čemu je zaključio da specifični otpor na kopanje zavisi od geometrijskih parametara odreska i reza, fizičko-mehaničkih karakteristika radne sredine, te oblika i dimenzija radnog organa. Wojtkiewitch H. [72], [73] je ispitivao otpor na kopanje u zavisnosti od površine i oblika reza, u skladu sa čim je definisao metodologiju određivanja dužine reznih ivica i specifičnog otpora na kopanje, a vršio je i ispitivanja veka trajanja zuba u različitim uslovima radne sredine. Beljakov J. I. i Vladimirov V. M. [4] su ispitivali odnos između parametara reza i specifičnog otpora na kopanje, a definisali su i dinamički karakter opterećenja. Himel W. [21] je u istraživanju Specifični otpor kopanja u zavisnosti odpovršine i oblika reza kod različitih vrsta tla definisao optimalni odnos debljine i širine odreska za meke materijale koji se otkopavaju na površinskim kopovima lignita u DDR-u. Određena je zavisnost površine odreska i specifičnog otpora materijala na kopanje. Pratz K. H. [53] je vršio merenja sila na zubima rotornog bagera pri čemu je na rekonstruisanoj vedrici postavio merna sečiva sa mernim trakama pomoću kojih je pri otkopavanju dobijao vrednosti uzdužnih sila. Merenja je vršio na uglju i glini i došao do zaključka da je značajno različit uticaj dimenzije odreska na silu kopanja u različitim uslovima radne sredine. Definisan je uticaj širine i debljine odreska na reznu silu, zavisnost rezne sile od debljine reza, zavisnost rezne sile od širine reza, zavisnost apsolutne vrednosti rezne sile u funkciji dužine odsečka i dr. Bieniawwski Z. T. [5] se bavio klasifikacijom stena proučavajući aksijalne i tangencijalne napone, naprezanje i brzinu prostiranja longitudinalnih talasa. Szepiatowski W. [62] je u svojim ispitivanjima na primeru površinskih kopova u Poljskoj uspostavio zavisnost specifičnog otpora na kopanje od kohezije, zapreminske težine i rastresitosti, kao i od vrste vedrica i zuba. Razz V. [55] je analizirao uticaj radne sredine, konstruktivnih i tehnoloških parametara na reznu silu i razvio metodologiju terenskog ispitivanja materijala (Point- load) i originalni softver za optimizaciju tehnoloških parametara rada i geometrije zuba. Drebenstedt C. i Paessler S. [17] su na osnovu svojih istraživanja došli do formule izračunavanja kapaciteta rotornog bagera u zavisnosti od otpora kopanju računatog preko specifičnog utroška energije na pogonu rotora. Pri tome je izrađen matematički model u kome je u obzir uzeta i promena brzine okretanja rotora što povećava kapacitet bagera i do 5%. Autori koriste virtuelnu realnost u kojoj korisnik može da se kreće ili je menja, odnosno prilagođava konkretnim uslovima. Pri tome model može simulirati kompletan proces otkopavanja stenskog materijala. Kressner M. i Drebenstedt C. [35] su vršili ispitivanja optimizacije reznih alata za otkopavanje glinovitih materijala što je značajno sa aspekta mogućnosti primene korišćene metodologije i za druge vrste stenskog materijala. Atanacković H. [2] je vršio teoretsko i praktično utvrđivanje otpora kopanju i specifične potrošnje energije i uspostavio je korelacionu vezu između otpora na kopanje i specifičnih reznih sila. Radojević J. [54] je u okviru svoje doktorske disertacije pod nazivom Optimizacija brzina i uglova rezanja rotornim bagerima u odnosu na utrošenu energiju i instalisanu snagu mašine, dao osnovne principe teorije kopanja rotornim bagerima i određivanja sila koje se javljaju u procesu kopanja. Popović N. [52] je u monografiji Naučne osnove projektovanja površinskih kopova, poglavlje 13.07 (Izbor, šeme rada, parametri otkopa i kapacitet rotornih bagera) dao teoretske osnove rada rotornog bagera sa detaljnim osvrtom na proračun parametara odreska i reza rotornog bagera. Bošnjak S. [14] je modelirao delove konstrukcije rotornog bagera i analizirao uticaj konstruktivnih i radnih parametara na dinamičko ponašanje bagera. Ignjatović D. [22] se u magistarskoj tezi bavi izborom metode za određivanje otpora na kopanje rotornim bagerima u uslovima površinskih kopova lignita Kolubare. Kod izbora metodologije poseban akcenat je stavio na usklađivanje sile kopanja sa otporima na kopanje stenskog materijala, pri čemu je ukazao na značaj pravilnog izbora snage pogona rotora od čega zavisi kapacitet rotornog bagera i njegova cena. Takođe, istraživao je uticaj kvaliteta i oblika zuba i uticaj tehnoloških parametara odreska, na vrednosti specifičnog otpora na kopanje. Ivković S., Ignjatović D., Jovančić P. i Tanasijević M. [30] su se bavili projektovanjem održavanja površinskih kopova pri čemu su posebnu pažnju poklonili održavanju rotornog bagera. Na osnovu dugogodišnjih istraživanja i praćenja rada rotornih bagera na površinskim kopovima u Srbiji jasno ukazuju na značaj usklađenosti sistema za kopanje sa radnom sredinom, od čega direktno zavisi trajnost noseće konstrukcije. Konstrukcija rotora i reznih elemenata u velikoj meri utiču na dinamička opterećenja strele rotora, a i celog bagera. Zaključili su da je pogodnom strelom rotora, adekvatnim brojem vedrica i prilagođenom geometrijom zuba, moguće u velikoj meri smanjiti dinamička opterećenja koja se javljaju u procesu kopanja. Zato je, sa aspekta revitalizacije starih bagera, neophodno izvršiti opsežna ispitivanja promene naponskih stanja pri radu bagera. Sagledavanje promene naponskih stanja konstrukcije može ukazati na stepen zamorenosti pojedinih delova, ili noseće konstrukcije u celini. Takođe, pored revitalizacije čelične konstrukcije bagera, naophodno je izvršiti i modernizaciju mašinske i elektro opreme. Stojanović D. [59] je u okviru istraživanja Analiza tehnoloških i proizvodnih mogućnosti bagera glodara SRs 1200 24/4 +VR izvršio analizu uticaja parametara odreska na kapacitetno iskorišćenje rotornog bagera. Ispunjenje uslova maksimalnog kapaciteta prema tom istraživanju treba tražiti u odgovarajućem izboru debljine i širine odreska. Razmatrane su različite širine i debljine odreska u funkciji kapaciteta bagera. Kun J. [36] je u knjizi Teorija bagerovanja rotornim bagerima izneo teoretske osnove otkopavanja rotornim bagerima sa posebnim osvrtom na parametre reza i odreska. Definisan je uticaj dužine i površine odreska na specifični otpor kopanju i uticaj na kapacitet rotornog bagera. Definisan je optimalni odnos parametara odreska. Jakovljević I. [31] je u okviru doktorske disertacije pod nazivom Određivanje optimalnih parametara odreska rotornih bagera u funkciji otpora na kopanje, istraživao uticaj parametara odreska na specifične otpore na kopanje po površini poprečnog preseka odreska kF, po dužini reznih ivica vedrica kL i po količniku proizvoda površine odreska i reznih ivica vedrica kFL. Programom istraživanja i primenjenom metodologijom obuhvaćena su obimna teoretska istraživanja i direktna merenja otpora kopanju na rotornim bagerima. Pavlović V., Ignjatović D. [49] u monografiji Selektivnapovršinska eksploatacija uglja kontinualnim sistemima, daju teorijske osnove rada rotornog bagera sa značajnim osvrtom na tehnološke parametre reza, kao i ukazivanjem na prednosti i nedostatke horizontalnog i vertikalnog reza. Takođe se ukazuje na uticaj otpora kopanju kod definisanja tehnoloških parametara rada bagera, koji se analizira u zavisnosti od snage pogona rotora i tehnoloških parametara reza. Lazić A. [38], [39] je za potrebe istraživanja selektivnog otkopavanja razvio Model simulacije rada rotornog bagera i Dinamički model planiranja proizvodnje. Modeli simulacije su zasnovani na usklađivanju kinematsko-konstruktivnih karakteristika bagera sa karakteristikama radne sredine i omogućavaju analiziranje rada rotornog bagera korišćenjem većeg broja ulaznih parametara u relativno kratkom periodu obrade. Lako se mogu prilagoditi različitim tipovima rotornih bagera i različitim uslovima radne sredine. Lazić A., Klačar R., Bošković S. [40] su u monografiji Selektivno otkopavanje uglja na površinskim kopovima razradili tehnologiju selektivnog otkopavanja rotornim bagerima, hidrauličnim bagerima kašikarima, kombajnima (Surface Miner) i ripovanja buldozerima, pri čemu su za definisanje optimalne tehnologije rada pomenute opreme korišćeni i modeli simulacije rada rotornog bagera, hidrauličnog bagera kašikara, kombajna, ripovanja buldozerom i dinamički model planiranja proizvodnje. Bošković S. [6] u magistarskoj tezi Kombinovana tehnologija selektivnog otkopavanja na primjeru površinskog kopa Gračanica - Gacko, se bavi istraživanjem optimalnih tehničko-tehnoloških rešenja otkopavanja mineralne sirovine u zavisnosti od tri osnovna kriterijuma i to: kvalitet otkopane mineralne sirovine, kapacitet opreme i troškovi eksploatacije. Analizirana su tehnološka rešenja selektivnog otkopavanja rotornim bagerom, kombajnom i ripovanjem. Bošković S. [7], [8], [9], [10], [12], [15], [25], [50], [70], [71] se bavio i učestvovao u istraživanjima: izbora optimalne opreme i tehnologije eksploatacije na površinskim kopovima uz primenu i razvijanje modela simulacije, otpora kopanju u funkciji fizičko-mehaničkih karakteristika radne sredine, primeni geofizičkih istraživanja pri rešavanju problema otkopavanja otkrivke, optimizacijom parametara reza rotornog bagera, mogućnostima otkopavanja otkrivk sa povećanim otporima kopanju i uticaju radne sredine na raspoloživost BTO sistema. Bošković S., Jovančić P., Ignjatović D., Rakićević D., Maneski T. [11] su u radu Vibration as deciding parameter during revitalization process for replacing the bucket wheel drive su istraživali uticaj povećanja snage pogona rotora na ponašanje konstrukcije strele rotora. Merenjem vibracija pre i posle zamene reduktora, dokazana je ispravnost postupka jer su izmerene vibracije sa novim pogonom i do 15 puta manje nego sa starim pogonom. 2.2. Dosadašnja iskustva istraživanja predmetne problematike u konkretnim uslovima radne sredine na primeru Površinskog kopa Gacko Površinski kop Gračanica u Gacku, godišnjeg kapaciteta 2,2 miliona tona uglja, je otvoren 1978. god. i bio je podeljen na dva eksploataciona polja: Polje A i Polje B. Do 1999. godine, proizvodnja uglja i otkrivke je vršena uglavnom primenom kontinualne tehnologije. Eksploatacija uglja je vršena rotornim bagerom, odnosno BTD sistemom (rotorni bager - transporteri sa trakom - deponija uglja), a proizvodnja otkrivke se vršila sa dva rotorna bagera, odnosno BTO sistema (rotorni bager - transporteri sa trakom - odlagač) [66], [70], [71]. Rotorni bageri su radili u bloku (Slika 2.1.), a otkopavanje je vršeno kombinovanim rezovima, pri čemu je samo u prvom, najgornjem pojasu, otkopavanje vršeno vertikalnim rezovima, a ostali pojasevi su otkopavani horizontalnim rezovima (Slika 2.2.). Rezultat toga, ili bolje rečeno posledice su bile nepovoljno dinamičko ponašanje konstrukcije bagera, pucanje vedrica, veće habanje zuba, veća potrošnja električne energije, manja rezna sila, manji kapacitet bagera i dr. Slika 2.1. Rotorni bager ER-1250 16/1,5 u BTO sistemu Slika 2.2. Način kopanja rotornim bagerom na Površinskom kopu Gacko Konstruktivni parametri rotornog bagera ER-1250 16/1,5 su dati u Tabeli 2.1. Tabela 2.1. Konstruktivni parametri rotornog bagera ER-1250 16/1,5 Nekako istovremeno, krajem 90-ih godina, ukazala se potreba za izmenom sistema eksploatacije, kako na proizvodnji uglja tako i na proizvodnji otkrivke. Eksploatacija uglja rotornim bagerom je, usled raslojavanja ugljenog sloja i pojave velikog broja proslojaka jalovine u uglju, postala ekonomski neopravdana. Zato je primenjena tehnologija selektivnog otkopavanja uglja diskontinualnom opremom, čime je postignuto značajno poboljšanje kvaliteta otkopanog ulja, što se direktno odrazilo na pouzdaniji rad kotlovskog postrojenja termoelektrane i povećanje proizvodnje električne energije. Što se tiče proizvodnje otkrivke, u Polju B površinskog kopa, došlo je pojave materijala sa povećanom čvrstoćom u litološkom članu N, koji nisu bili registrovani dotadašnjim istražnim radovima. Povećana čvrstoća, odnosno povećan otpor kopanju radne sredine prouzrokovao je niz problema na rotornom bageru: prekomerno habanje zuba na vedricama, pucanje vedrica, pucanje rotora, pucanje strele rotora, a značajna opterećenja je trpila i sama konstrukcija bagera. Zubi na vedricama su praktično samo ostavljali tragove na stenskom materijalu, a u sledećem rezu odlamali komadiće materijala između stvorenih brazdi (Slika 2.3.). Sve je to prouzrokovalo drastično povećanje zastoja i pad kapaciteta rotornog bagera. Situacija se sve više pogoršavala, kako je rasla debljina sloja otkrivke sa povećanim otporom na kopanje, pa je rad rotornog bagera u ovakvoj sredini postao ekonomski neopravdan i čak fizički potpuno onemogućen. Slika 2.3. Brazde koje u ostavljaju zubi na rotoru bagera u stenskom materijalu Prethodna istraživanja navedene problematike, koja su poslužila kao osnova za dalja istraživanja su vršili Geoinženjering - Sarajevo i Institut za rudarska istraživanja Tuzla. Geoinženjering - Sarajevo [20] je vršio Laboratorijska ispitivanja petrografskih svojstava, sile rezanja i fizičko mehaničkih osobina stenskih masa litostratigrafskog člana područja PK Gračanica - Gacko u okviru kojih je ispitivanje otpora kopanju vršeno metodom rasklinjavanja. Eksperimenti su vršeni na po tri probna tela za svaki ispitivani uzorak pri čemu je registrovana maksimalno dostignuta rezna sila i dubina penetracije u trenutku dostizanja maksimalne sile, kao i površina preseka uzorka zahvaćenog penetracijom. Na osnovu ispitivanja izvršena je klasifikacija stena sa otporima kopanju od 379 do 1216 kN/cm i čvrstoćom na pritisak od 17 do 64,65 daN/cm2. Institut za rudarska istraživanja Tuzla [27], [28], [29] je u periodu od 1980. do 1986. godine vršio ispitivanja fizičko-mehaničkih karakteristika otkrivke i uglja u Gatačkom ugljenom basenu sa ciljem utvrđivanja otpora kopanju i dokazivanja kapaciteta rotornih bagera. Istraživanja su su bila bazirana na ispitivanju rezne sile u zavisnosti od debljine, širine i visine reza i brzine okretanja strele rotora. Metodologija ispitivanja se zasnivala na merenju snage na pogonu rotora i specifičnog utroška energije u zavisnosti od nabrojanih parametara i analizi dobijenih rezultata. Obzirom da navedena istraživanja nisu bila dovoljna za izbor optimalnog rešenja otkopavanja slojeva otkrivke sa povećanim otporom kopanju, pristupilo se novim istraživanjima, koja su se odvijala u dve faze. Prva faza je imala cilj da se geološkim istraživanjima utvrde fizičko-mehaničke karakteristike, prostorni položaj i debljina slojeva litološkog člana N sa povećanim otporom na kopanje. Geološka istraživanja su vršena kako u polju B, tako i u Centralnom polju u kome je predviđen nastavak eksploatacije u Gatačkom ugljenom basenu nakon zatvaranja Površinskog kopa Gračanica. Geoing Group Beograd [19] je vršio Ispitivanja fizičko-mehaničkih svojstava radne sredine površinskog kopa Gračanica Gacko sa analizom stabilnosti kosina. Izveštaj su radili autori Prof. Dr Milan Cvetković, Mr Jelena Majstorović, Mr Branko Petrović, Dragana Savić, dipl. ing. geol. i Siniša Jovović, dipl. ing. geol. U toku istraživanja na uzorcima su ispitivani: vlažnost, zapreminska težina, poroznost, granulometrijski sastav, Atterberg-ove granice kosistencije, stišljivost tla, otpornost smicanju, otpori rezanju, jednoosna čvrstoća na pritisak, čvrstoća na zatezanje, brzina prostiranja elastičnih talasa, dinamički modul elastičnosti i dinamički Poisson-ov koeficijent. Po svom obimu navedena istraživanja predstavljaju najkompleksnija istraživanja fizičko-mehaničkih karakteristika otkrivke sa povećanom čvrstoćom u Gatačkom ugljenom basenu i omogućila su dalja istraživanja na izboru optimalnog rešenja otkopavanja otkrivke sa povećanim otporom kopanju. Rezultati fizičko-mehaničkih svojstava otkrivke za svaki litološki član su dati u Tabeli 2.2. Tabela 2.2. Fizičko-mehanička svojstva litoloških članova Litološki član Ng predstavlja najveći deo masa otkrivke uglja na Površinskom kopu Gračanica. Ova sredina je definisana kao laporoviti krečnjaci i laporci, a javljaju se u gornjoj zoni krovine ugljenog sloja. Debljina varira od nekoliko metara do 82,5 m. Heterogenog su sastava i anizotropnih fizičko-mehaničkih svojstava, kako u vertikalnom tako i u horizontalnom smeru. Petrografski ovu stensku masu čine varijante laporovitih krečnjaka sa proslojcima lapora i laporovitih glina. U pogledu čvrstoće, sredina pripada, uglavnom, umereno čvrstim do čvrstim stenskim masama, zavisno od petrografskog sastava, dok su neke partije svrstane u meke stenske mase. U celini posmatrano, sredina je kompaktna, masivne teksture, pukotinski slabo izdeljena, osim zona tektonske aktivnosti. Na osnovu ispitivanja stenske mase sa terenskim ispitivanjima i na uzorcima u laboratoriji, dobijena fizičko-mehanička svojstva su pokazala heterogene rezultate. Istraživanjima je definisana otkrivka po parametru otpora rezanja u uslovima radne sredine što je veoma važno za projektovanje tehnologije eksploatacije zbog drastične promene kapaciteta rotornih bagera u zavisnost od specifičnog otpora kopanja (KF), odnosno otpora rezanju (KL). Rezultati geoelektričnih istraživanja i istražnog bušenja omogućili su definisanje položaja i rasprostiranje (lateralno i po dubini) stena unutar litostratigrafskog člana N, dok je laboratorijskim ispitivanjima izvršena preciznija determinacija stenske mase prema svojim petrološkim, hemijskim i fizičko-mehaničkim svojstvima (sa posebnim osvrtom na otpor rezanju i brzini prostiranja Vp i Vs talasa). Ovakav pristup rešavanju problema omogućio je rejonizaciju stenskih masa unutar ovog člana prema parametrima dobijenim terenskim i laboratorijskim ispitivanjima. Kategorizacija stenske mase otkrivke glavnog ugljenog sloja na Površinskom kopu Gračanica u Gacku izvršena je u četiri kategorije prema otporu rezanja i brzini prostiranja elastičnih longitudinalnih talasa (Tabela 2.3.). Tabela 2.3. Kategorizacija otkrivke Stenske mase sa povećanim otporom kopanju koje su svrstane u kategorije K3 i K4, prate slojevitost i izgrađuju veći deo terena obuhvaćenog istraživanjima. Predstavljene su sa tri međusobno odvojena sloja sa otporima rezanju > 1000 N/cm u uslovima radne sredine. I sloj sa otporima kopanja > 1000 N/cm u uslovima radne sredine se u hemijskom pogledu razlikuje od ostala dva sloja sa otporima pri rezanju > 1000 N/cm u uslovima radne sredine, jer se pored laporovitih krečnjaka javlja i vitrokristaloklastičan tuf kod koga je procenat SiO2 do 56,42%. Laboratorijskim ispitivanjima dobijeni su sledeći fizičko-mehanički parametri tufa: - prirodna vlažnost odmah po otvaranju uzorka ra = 17,50 - 30,27 (%), - brzina longitudinalnih talasa Vp = 2145 - 2733 (m/s), - otpor pri rezanju odmah po otvaranju uzorka KL = 784,60 - 1209,23 (N/cm), - otpor pri rezanju KL = 830 - 1384,61 (N/cm) u opsegu vlaga 6,45 - 14,28 (%). U ovom sloju se pored vitrokristaloklastičnog tufa javljaju i laporoviti krečnjaci sa vrlo visokim procentom CaCO3 > 85 % i sledećim dobijenim vrednostima fizičko- mehaničkih parametara: - prirodna vlažnost odmah po otvaranju uzorka ra = 3,81 - 7,85 (%), - brzina longitudinalnih talasa Vp = 2400 - 3511 (m/s), - otpor pri rezanju odmah po otvaranju uzorka KL = 806,00 - 1230,77 (N/cm), - otpor pri rezanju KL = 953,84 - 1200,00 (N/cm) za vlagu 2,01 - 6,45 (%). II i III sloj sa otporima pri rezanju > 1000 N/cm u uslovima radne sredine su po svom hemijskom sastavu i fizičko-mehaničkim svojstvima jako slični i u litološkom pogledu predstavljaju laporovite mikritske i intramikritske krečnjake sa visokim procentom karbonatne komponente. Slojevi su stratigrafski razdvojeni sredinom I. Laboratorijskim ispitivanjima dobijeni su sledeći fizičko-mehanički parametri: - prirodna vlažnost odmah po otvaranju uzorka ra = 3,52 -12,65 (%), - brzina longitudinalnih talasa Vp = 2000 - 3591 (m/s), - otpor pri rezanju odmah po otvaranju uzorka KL = 806,00 - 1200,00 (N/cm), - otpor pri rezanju KL = 815,38 - 1384,60 (N/cm) u opsegu vlaga 1,30 - 5,23. Analizirajući sve dobijene rezultate kompleksnih istraživanja (geofizičkih, geomehaničkih, istražnog bušenja, hemijskih i petroloških ispitivanja) načinjen je inženjersko-geološki model terena (Slika 2.4.) po zastupljenim kategorijama stenske mase, gde su izdvojene dve sredine čija su svojstva data pojedinačno: - Sredina I (Kategorija stene K i K2) koja ne predstavlja problem pri okopavanju otkrivke glavnog ugljenog sloja; - Sredina II (Kategorija stene K3 i K4) predstavlja problem za rad kontinualne opreme koji se ispoljava u padu kapaciteta i smanjenju pouzdanosti rada sistema. U litološkom pogledu stenske mase Sredine II odgovaraju vitrokristaloklastičnom tufu i laporovitim krečnjacima sa procentom CaC03 > 85 %. Slika 2.4. Inženjersko-geološki model terenapo parametru otpora pri rezanju sredine N Druga faza u istraživanju otkopavanja otkrivke sa povećanom čvrstoćom na Površinskom kopu Gračanica u Gacku, je bio da se sagledaju svi aspekti mogućnosti primene rotornih bagera u konkretnim uslovima radne sredine. Pri tome je Man Takraf [42] vršio ispitivanja specifičnog otpora rezanja otkrivke na Površinskom kopu Gračanica u Gacku u cilju procene mogućnosti otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom i davanja preporuke za nabavku novog rotornog bagera sa povećenom reznom silom. Za te potrebe su izvršena dva testa i to sondiranje udarom i test klinom na osnovu čega je kompanija Man Takraf predložila isporuku rotornog bagera SRs 500 sa snagom pogona rotora od 700 kW, ali nije došlo do nabavke ovog rotornog bagera zbog nedostatka finansijskih sredstava. Zato se pristupilo istraživanju mogućnosti povećanja rezne sile, odnosno kapaciteta postojećeg rotornog bagera ER-1250 16/1,5. Ova istraživanja su vršena u dva dela. Prvi deo je obuhvatio istraživanja optimizacije procesa otkopavanja u laboratoriji Technische Universitat Bergakademie iz Frajberga [18]. Istraživanja su vodili Prof. Drebenstedt C., Vorona M., Gassner W., a obuhvatila su: ispitivanje radne sredine (fizičko-mehaničke karakteristike, mineralni sastav i abrazivnost), rezne sile (ispitivanje uticaja konstruktivnih parametara na reznu silu) i vrste reza kao osnovnog tehnološkog parametra za optimizaciju procesa otkopavanja. Za potrebe ovih istraživanja izvršeno je reprezentativno uzorkovanje stenskog materijala na površinskom kopu, a iz neporemećenog uzorka izdvojena su jezgra uzoraka za dalja ispitivanja i to u pravcu i normalno na pravac slojevitosti (Slika 2.5.). Slika 2.5. Uzorci za ispitivanje izdvojeni iz neporemećenog uzorka upravno (vertikalni) i u pravcu slojevitosti (paralelni) Na uzorcima su ispitivane fizičko-mehničke karakteristike radne sredine, hemijski sastav, rezna sila, kao i optimizacija snage pogona rotora i optimizacija vrste reza. Ispitivanja radne sredine su obuhvatila ispitivanje fizičko-mehaničkih karakteristika (Tabela 2.4.), mineralnog sastava (Tabela 2.5.) i abrazivnosti (Tabela 2.6.). Tabela 2.4. Fizičko-mehaničke karakteristike ispitivanih uzoraka Rezultati eksperimenta su pokazali razliku u zavisnosti od pravca opterećenja. Prosečna čvrstoća na pritisak je bila za 2 MPa (20%) manja kod uzorka B (horizontalno jezgro), nego kod uzorka A (vertikalno jezgro), a za razliku od pritisne čvrstoće, zatezna čvrstoća je veća za 0,4 MPa (30%). To pokazuje da je lomljivost (čvrstoća na pritisak/zatezna čvrstoća) uzorka A znatno veća (62%), nego uzorka B. Dinamički modul elastičnosti kod uzorka A je veći za 4 MPa, nego kod uzorka B. Rezultati ispitivanja mineralnog sastava ukazuju (kao i u prethodnim istraživanjima u Gatačkom ugljenom basenu) na visok sadržaj kalcijum karbonata (CaCO3) - između 88% i 93%, dok je istovremeno sadržaj silicijum dioksida nizak i iznosi samo 2% do 6%. Prisustvo ovog minerala je i glavni uzročnik habanju alata za rezanje. Tabela 2.5. Mineralni sastav ispitivanih uzoraka Rezultati ispitivanja mineralnog sastava su pokazali da testirana otkrivka nije abrazivna. Ipak je izvršen eksperiment i upoređivanje uzorka sa drugim materijalima, kako bi se proverio i procenio nivo abrazije, a rezultati su dati u Tabeli 2.6. Tabela 2.6. Abrazivnost ispitivanih uzoraka Eksperiment se sastoji od rezanja u uzorku, alatom od mekog materijala (poput aluminijuma) pod uglom od 45°. Dubina reza je 20 mm, razmak između rezova 40 mm, a brzina rezanja 1 m/s. Rezultati ispitivanja dati na Slici 2.6., potvrđuju ocenu o abrazivnim svojstvima otkrivke, odnosno mali uticaj na habanje alata za rezanje. Slika 2.6. Habanje alata (zuba) u zavisnosti od debljine reza i vrste stenskog materijala Ispitivanje rezne sile je vršeno na specijalizovanoj aparaturi HXS 1000-50 (Slika 2.7.), koja omogućava izvođenje eksperimenata sa različitim alatima za rezanje i podešavanjima ugla rezanja. Aparatura je opremljena kamerom koja se koristi za snimanje procesa rezanja i uređajem za lasersko skeniranje. Kamera ima mogućnost zapisa od 120.000 frejmova u sekundi, a uređaj za skeniranje omogućuje merenje rastojanja između lasera i površine uzorka sa preciznošću od < 70 |im. Analiza rezultata merenja rezne sile i izrada modela površine testiranog uzorka (Slika 2.8.) je vršena na računaru DEWE 5000, opremljenim specijalnim programskim paketom (Slika 2.9.). U eksperimentu su korišćeni originalni alat za rezanje (zub rotornog bagera ER-1250 16/1,5 (Slika. 2.10.a) i specijalno napravljeni alati MT-10 i MT-60 (Slika 2.10. b, c). Slika 2.7. Aparatura HXS1000-50 za merenje rezne sile Slika 2.8. Izgled površine i modelpovršine testiranog uzorka Slika 2.9. Računar DEWE 5000 sa prikazom merenja i video zapisom Slika 2.10. Alati za rezanje korišćeni za ispitivanje rezne sile Ispitivanje rezne sile i specifičnog utroška energije je vršeno u zavisnosti od brzine rezanja (Slika 2.11.), ugla rezanja (Slika 2.12.) i debljine reza (Slika 2.13.). Uticaj brzine rezanja Slika 2.11. Uticaj brzine rezanja na: a) reznu silu i b) specifičnu potrošnju energije Rezultati merenja ukazuju da sa porastom brzine rezanja dolazi do blagog porasta rezne sile, ali i specifične potrošnje energije. Uticaj ugla rezanja Slika 2.12. Uticaj ugla rezanja na: a) reznu silu i b) specifičnu potrošnju energije Sa prethodnih dijagrama se uočava da rezna sila ima minimalnu vrednost za uglove rezanja od 30 do 50°, a specifična potrošnja energije ima svoj minimum za ugao od 38°. Uticaj debljine reza Slika 2.13. Uticaj debljine reza na: a) reznu silu i b) specifičnu potrošnju energije Uticaj dubine reza na reznu silu i specifičnu potrošnju energije je ispitivan na alatu MT-60 i sa dijagrama se može zaključiti da sa povećanjem debljine reza dolazi do linearnog povećanja rezne sile, dok specifična potrošnja energije ne opada proporcionalno sa povećanjem debljine reza. U ovom eksperimentu utvrđen je i odnos razmaka između zuba u zavisnosti od dubine rezanja (Slika 2.14.). Slika 2.14. Uticaj debljine reza na odnos između razmaka zuba i dubine reza U Tabelama 2.7. do 2.9. su date izmerene i proračunate vrednosti rezne sile i specifične potrošnje energije za sve tri vrste zuba koji su korišćeni u eksperimentu u zavisnosti od debljine reza i ugla rezanja. Tabela 2.7. Vrednost rezne sile i specifične potrošnje energije za uzorak MT-10 Tabela 2.8. Vrednost rezne sile i specifične potrošnje energije za uzorak MT-60 Na osnovu ovih rezultata moguće je predviđanje procesa rezanja za različite debljine reza i ugla rezanja od 30 do 50°. Vrednost rezne sile (y) u zavisnosti od debljine reza (x) može se računati po formuli: y = 6,45+0,10-x, a specifična potrošnja energije y = 9,90-x" ' . Predviđanje uticaja debljine reza na reznu silu i specifičnu potrošnju energije je dato na Slikama 2.15. i 2.16. Slika 2.15. Uticaj debljine reza na vrednost rezne sile Slika 2.16. Uticaj debljine reza na specifičnu potrošnju energije Ispitivanje zuba Ispitivanje zuba, odnosno kinematike procesa kopanja, je vršeno sa aspekta izbora optimalnog oblika i vrste zuba, ugla rezanja i međusobnih rastojanja na vedricama rotora, sa ciljem postizanja što dužeg radnog veka i njihove dalje modernizacije. Za kinematsku analizu su korišćene određene tehničke karakteristike rotornog bagera ER-1250 16/1,5 (Tabela 2.10.) i konstruktivne šeme rotora i strele rotora. Koordinate tačaka zuba za analizu su određene pomoću modela rotora (Slika 2.17.), a šema za kinematski proračun je data na Slici 2.18. Tabela 2.10. Tehničke karakteristike rotornog bagera korišćene za proračun Slika 2.17. Model rotora i koordinate tačaka zuba Slika 2.18. Sema za kinamtski proračun: a) prikaz preseka rotora; b) prikaz odozgo; c) proces kopanja Kinematska analiza je vršena analitičkom metodom, pri čemu se kretanje zuba razmatra u 2 koordinatna sistema: XYZ - vezano za rotor i X'Y'Z' - vezano za osnovu bagera. Proračun je rađen za proces kopanja u horizontalnoj ravni sa okretanjem rotora u levu i desnu stranu sa spuštanjem strele rotora. Ugao 91 se menja od 45° do 225° sa povećanjem od 15°, dok ugao 93 iznosi 20°. U zavisnosti od strane u koju se rotor okreće, zavisi i koji su zubi u kontaktu sa stenskim materijalom. Na primer, pri okretanju u levu stranu, u kontaktu su zubi 4, 5 i 6, pa zazor projekcije ugla na X'Y'Z' ravan ima negativne vrednosti. To povlači prisustvo trenja između bočne ivice zuba i radne površine, što dovodi do povećanja potrebne snage za proces otkopavanja i izaziva brzo habanje zuba. Na Slici 2.19. su crvenom bojom označene ivice zuba koje imaju kontakt sa stenskim materijalom. Sadašnji pravougaoni oblik zuba uzrokuje trenje bočne ivice, a samim tim i habanje, pod bilo kojim uslovima kopanja, što ukazuje na potrebu promene oblika zuba, čime bi se smanjila potrebna specifična sila razaranja stene i produžio vek trajanja zuba. Sl. 2.19. Vedrice rotora sa zubima: a) Pokretni vektor zuba; b) Površina trenja zuba Na osnovu rezultata izvršenih eksperimenata izvedeni su određeni zaključci za vrednost optimalnog ugla rezanja, odnos razmaka između zuba i dubine reza, oblik zuba i vrstu zuba. Optimalni ugao rezanja iznosi približno 40°, a njemu odgovara ugao zazora od 20°, na osnovu čega se izvodi zaključak da je neophodno podešavanje ugla rezanja. Na taj način se može smanjiti specifični utrošak energije i do 10 %. Osim toga, habanje zuba će biti značajno manje (10-30%) kod preporučenog ugla rezanja. Neravnomerno habanje zuba raspoređenih na vedricama, kao i brazde u stenskom materijalu (Slika 2.3.) jasno ukazuju da je odnos razmaka između zuba (Slika 2.20.) i dubine reza neodgovarajući i da ga je neohodno izmeniti u cilju optimizacije procesa. Primećeno je da zubi 2, 3 i 4 ne učestvuju ravnomerno u otkopavanju, odnosno ne ostvaruju istu debljinu reza, usled čega se i pojavljuju brazde u stenskom materijalu. Takođe zubi različitih vedrica ostavljaju tragove rezanja na istom mestu, što zahteva dodatnu snagu. Promenom debljine reza, kao i brzine okretanja rotora, postižu se različiti efekti - u jednom slučaju dolazi do ravnomernijeg rada, ali i do pada kapaciteta, a u drugom slučaju je to obrnuto. Iz svega toga se izvodi zaključak da je neophodno smanjiti razmak između zuba 2, 3, 4 i 5 pogotovu i zbog toga što se debljina reza u procesu kopanja smanjuje od maksimuma do 0. Slika 2.20. Raspored zuba na vedricama Oblik zuba je je veoma bitan kod optimizacije kopanja, jer su rezultati ispitivanja jasno pokazali da zona trenja između bočnih ivica zuba i radne sredine nastaje pri preopterećenom radu rotora. To dovodi do značajnog povećanja otpora kopanju i većem habanju zuba. Ovo trenje je teško izbeći podešavanjem uglova kod originalnih zuba koji su pravougaonog oblika, pa su predložena dva oblika zuba trapezoidnog oblika sa izmenama oblika u planu (TP) i boku (TC) (Slika 2.21.). Slika 2.21. Predloženi oblikzuba trapezoidnog oblika: a) uplanu; b) u boku Optimizacija snage pogona rotora Utvrđivanje optimalne snage pogona rotora je veoma značajno sa aspekta povećanja rezne sile, odnosno kapaciteta rotornog bagera. Kod otkopavanja stenskog materijala rotornim bagerom ER-1250 16/1,5 kontakt sa radnom sredinom ima 6 aktivnih vedrica (Slika 2.22.). Slika 2.22. Prikaz aktivnih vedrica uprocesu kopanja: a) fotografija u radnoj sredini; b) model Snaga rezanja (PG) i ukupna sila rezanja (FG) se računaju nezavisno od vedrice i oblika zuba. Snaga otkopavanja je: (2.2) gde je: PM - ukupna snaga motora (kW), PH - snaga za dizanje materijala od mesta otkopavanja do mesta istresanja (kW), PR - snaga utrošena da se prevaziđe trenje alata u radnoj sredini (kW), QP - kapacitet bagera (m /s), p - gustina iskopanog materijala u (t/ m ), g - gravitacija (m/s ), Dw - prečnik rotora (m). Proračunom se dobija da je snaga rezanja približno 294 kW. Ukupna sila rezanja se definiše po obrascu: FG = PG/VC, (kN), (2.3) gde je: VC brzina rezanja (m/s). Proračunom se dobija da sila rezanja na rotoru iznosi 109 kN. Izvršeni eksperimenti rezanja omogućavaju procenu sile rezanja za aktivne alate rezanja. U zavisnosti od položaja vedrice razlikuje se i dubina rezanja, a sila rezanja se može odrediti po formuli y = 6,45+0,10x . Rezultati su prikazani u Tabeli 2.11. Prethodna formula je validna samo za rad u punom bloku, pa izračunate vrednosti sile rezanja za vedrice označene kao A-3, B-3, C-3 i D-3 moraju biti smanjene do određene vrednosti, koja nije manja od 50% iz razloga što minimalna sila rezanja na rotoru mora biti približno 103,8 kN. Tabela 2.11. Sila rezanja za aktivne zube Iz dobijenih rezultata je zaključeno da su mogućnosti rada rotornog bagera ER-1250 16/1,5 sa postojećim pogonom rotora skoro maksimalne, što znači da je za povećanje kapaciteta bagera neophodno instalisati pogon rotora veće snage, a njegovo dimenzionisanje zahteva dodatna istraživanja. Ispitivanje tehnoloških parametara (vrste reza) Što se tiče vrste reza kao tehnološkog parametra, od koga u procesu otkopavanja stenske mase najviše zavisi kapacitet rotornog bagera, ukazano je na neophodnost daljih istraživanja koja bi opredelila optimalnu vrstu reza rotornog bagera u konkretnim uslovima radne sredine. Drugi deo u istraživanju mogućnosti otkopavanja otkrivke sa povećanim otporom kopanju rotornim bagerom je podrazumevao povećanje specifične sile kopanja i optimizaciju parametara reza u postupku revitalizacije rotornog bagera ER-1250 16/1,5 [26]. Osnovni razlozi za revitalizaciju su bili loše pogonsko stanje rotornog bagera prouzrokovano dugogodišnjim radom u radnoj sredini sa povećanim otporom kopanju i nedovoljna specifična sila kopanja, koja proizilazi iz male snage pogona rotora (315 kW). Cilj revitalizacije je bio da se poveća pogonska spremnost rotornog bagera i da se analizom rezultata teoretskih i eksperimentalnih istraživanja izvrši optimizacija snage pogona rotora i parametara reza rotornog bagera u funkciji smanjenja otpora kopanju, minimizacije potrošnje energije i povoljnog dinamičkog ponašanja konstrukcije bagera. To je ujedno i jedan od zadataka ove disertacije i rezultati tih istraživanja su detaljno analizirani u u poglavljima od 4. do 10. 3. TEORETSKE OSNOVE RADA ROTORNOG BAGERA 3.1. Opšte o rotornim bagerima Rotorni bager predstavlja samohodnu mašinu kontinualnog dejstva, namenjenu za otkopavanje jalovine i korisne mineralne sirovine na površinskim kopovima (Slika 3.1.). Osnovni delovi rotornog bagera su: uređaj za kopanje (rotor), sistem za unutrašnji transport, mehanizam za kretanje i noseća konstrukcija [4], [38], [39], [40] [41], [47], [49], [52], [59]. Slika 3.1. Rotorni bager ER-1250 16/1,5 Otkopavanje materijala vrši se vedricama koje su ravnomerno raspoređene i pričvršćene na obodu rotora. Istovremeno sa obrtanjem rotora u vertikalnoj ravni i okretanjem strele rotora zajedno sa platformom u horizontalnoj ravni, svaka vedrica otkopava iz masiva odrezak koji je određen oblikom i geometrijskim parametrima. Obrtanjem rotora i nailaskom punih vedrica u zonu istovarnog sektora, materijal se prazni iz vedrica, predaje prijemnom transporteru sa trakom na streli rotora i dalje redom, zavisno od broja transportera na bageru, poslednjem istovarnom transporteru. Kod rotornih bagera se istovremeno sa otkopavanjem vrši transport i utovar otkopanog materijala u transportna sredstva, a ređe se vrši i direktno prebacivanje materijala u otkopani prostor površinskog kopa ili skladištenje na deponiji. Rotorni bager je danas, svakako, najrasprostranjenija mašina na površinskim kopovima lignita za otkopavanje mekih i srednje tvrdih materijala. Tokom višedecenijskog razvoja ovih mašina stvorene su konstrukcije koje mogu na zadovoljavajući način da odgovore veoma raznovrsnim rudarsko-tehničkim zahtevima otkopavanja. Ove konstrukcije bagera obezbeđuju visoke tehničko-ekonomske pokazatelje u radu, zahvaljujući, pre svega, nizu tehničko-eksploatacionih prednosti u odnosu na druge vrste bagera (visoka sigurnost u radu, relativno mala ugradnja metala 0,20-1,10 t/m /h, mala specifična potrošnja energije 0,15-0,50 kWh/m i visoki koeficijent korisnog dejstva radnog organa 0,8-0,9). Iako je korišćenje obrtnog točka sa vedricama za dizanje vode za potrebe navodnjavanja bilo poznato još u starom veku, ideja za kopanje tla točkom rodila se tek krajem prošlog veka, posle primene parne mašine na bagerima kašikarima. Posle niza raznih patenata, krajem prošlog veka u SAD i početkom ovog veka u Evropi, tek 1913. godine Švander u Francuskoj patentirao radni točak sa vedricama (rotor), koji iskopani materijal u procesu obrtanja predaje direktno transporteru sa trakom na streli rotora. Vlasnik patenta, nemačka firma Humbolt, je 1916. godine konstruisala prvi rotorni bager na šinama, koji je naredne godine počeo sa radom na površinskom kopu Bergwitz. Masovniji početak primene ovih bagera na površinskim kopovima počinje između 1935. i 1936. godine, uključivanjem fabrike LMG u proizvodnju rotornih bagera, kao i bržim razvojem proizvodnje lignita u Nemačkoj. Oblast primene rotornih bagera se neprestano širila, kako u pogledu čvrstoće materijala koji se njima može direktno otkopavati, tako i u pogledu prilagođavanja bagera najraznovrsnijim rudarsko-geološkim i drugim uslovima na površinskim kopovima. Već 1933. godine je izgrađen bager sa kapacitetom od 760 m /h, visinom kopanja od 13 m, snagom motora rotora od 74 kW, ukupnom instalisanom snagom od 300 kW i čija masa je iznosila 352 tone. Prvi put je primenjen trogusenični mehanizam za kretanje 1934. godine, a devetogusenični mehanizam 1937. godine. Do 1938. godine izgrađeno je preko 50 rotornih bagera, a pedeset godina kasnije preko 800 komada. Proizvodnja rotornih bagera u SAD počinje 1943. godine. Do 1951. godine proizvodili su se rotorni bageri sa rotorom ćelijskog tipa. Tada je prvi put primenjen polućelijski tip, što im je znatno povećalo kapacitet. Od 1955. godine počinje sve masovnija proizvodnja rotornih bagera i za dubinski i za visinski rad. Kasnije su proizvedeni i prvi bageri sa promenljivom dužinom strele. Od 1960. godine proizvode se rotorni bageri sa povećanom reznom silom i većim kapacitetima. Počev od 1955. godine izrađuju se rotorni bageri za dubinski i visinski rad, što je omogućilo njihovu primenu na eksploataciji ležišta sa vrlo složenim uslovima zaleganja slojeva korisne mineralne sirovine i povećalo stepen koncentracije proizvodnje unutar jednog površinskog kopa smanjenjem broja transportnih horizonata. Međutim, dubina kopanja ispod nivoa stajanja je ograničena maksimalnim usponom transportera na streli bagera (oko 18°), odnosno, visinom zglobne veze strele na platformi bagera iznad planuma. Dubinski rad, bez okretanja vedrica, je tehnološki komplikovan zbog nemogućnosti otkopavanja materijala u suprotnom smeru, čime se ostvaruje neprekidan rad pri kretanju unazad. Zbog toga, rotorni bager mora da otkopava jedan dubinski blok, čija dužina zavisi od dužine strele rotora, krećući se napred, posle čega se u praznom hodu vraća unazad za dvostruku dužinu bloka, pa se ciklus naizmenično ponavlja. Za regularni kontinualni dubinski rad neophodno je okrenuti vedrice za 180°, što je naravno, uslovljeno posebnom konstrukcijom rotora. Do 1960. godine rotorni bageri bili su predviđeni isključivo za otkopavanje materijala do srednje čvrstoće, ali izgradnjom rotornih bagera sa povećanim specifičnim silama kopanja stvorili su se uslovi za otkopavanje polučvrstih i čvrstih jalovinskih materijala i uglja. Pojava rotornih bagera sa produžnim strelama rotora bila je svojevremeno propraćena veoma bučnom reklamom i optimističkim prognozama. Na prvi pogled primamljive tehnološke mogućnosti ovih bagera obećavale su u eksploataciji osetno veće vremensko i kapacitetno iskorišćenje u odnosu na rotorne bagere sa nepromenljivim dužinama strela rotora. Međutim, zbog evidentnih nedostataka (znatno složenija konstrukcija transportera sa trakom na bagerima, opasne vibracije cele konstrukcije, naročito kod otkopavanja raznorodnih materijala, osetno povećanje mase bagera za oko 10 do 17%, itd.), rotorni bageri sa produžnim strelama nisu našli širu primenu na površinskim kopovima. Sve češća primena na eksploataciji nagnutih slojeva zahtevala je od mašinogradnje izgradnju takvih rotornih bagera koji se mogu uspešnije prilagoditi ležišnim prilikama, odnosno, povećanim nagibima etažnih ravni. Taj zahtev je doveo do izgradnje bagera sa uređajem za automatsko horizontiranje gornjeg okretnog dela bagera. Ovde se, međutim, ne može zanemariti činjenica, da ugradnjom ovog uređaja čitava konstrukcija bagera postaje složenija, a što je još nepovoljnije, masa bagera se povećava za 8 do 10%. Kod rotornih bagera je najrasprostranjeniji gusenični mehanizam za kretanje, pri čemu se broj gusenica kreće od 2 do 16 zavisno od mase bagera, nosivosti tla, potrebne učestanosti transporta, rada u krivinama, itd. Gusenični uređaj za transport obezbeđuje zadovoljavajuće manevarske sposobnosti bagera, ne zahteva strogo planiranje trase, savlađuje relativno velike uspone, itd. Međutim, ovaj uređaj za transport ima i svojih nedostataka od kojih treba izdvojiti sledeće: velika masa uređaja, složenost konstrukcije, veliki gubici energije na transportu, intenzivno habanje elemenata uređaja za transport bagera, a samim tim i kratak vek trajanja, razbijanje tla ispod gusenica pri većem broju prolaza bagera istom trasom, itd. U cilju eliminisanja pomenutih nedostataka guseničnog uređaja za transport, konstruisani su i drugi transportni uređaji: koračajući, šinsko-gusenični i koračajuće- šinski uređaj za transport. Do danas, međutim, ovi uređaji na rotornim bagerima nisu našli širu primenu. Ekspanzija kontinalnog rada osnovne mehanizacije na površinskim kopovima iziskivala je sve produktivnije rotorne bagere, pa se može slobodno reći da je vremenom rotorni bager postao sigurno najsavršenija i najrasprostranjenija mašina kontinualnog dejstva u rudarstvu. Dijapazon primene rotornih bagera, u pogledu čvrstoće materijala koje može direktno otkopavati i u pogledu prilagođavanja bagera najraznovrsnijim rudarsko- tehničkim, hidrogeološkim i klimatskim uslovima, je veoma širok. Rotorni bageri se mogu klasifikovati po raznim obeležjima, a obzirom da je razvoj ovih bagera bio veoma buran, u stručnoj literaturi postoji čitav niz klasifikacija, koje su u primeni. Prema nemačkoj klasifikaciji rotorni bageri se prema osnovnim konstruktivnim karakteristikama dele u klase A, B i C (Tabela 3.1. i Slika 3.2.). Tabela 3.1. Uporedni parametri različitih tipova rotornih bagera balasta u obliku slova C. Povoljan im je koeficijent bagerovanja, tehnološki su vrlo prihvatljivi, ali uz relativno visoko težište. Projektovani su sa i bez pretovarnog uređaja. Najveći broj bagera na našim površinskim kopovima, koji pripadaju ovoj klasi su: SRs 1200, SchRs 630, SRs 2000, SRs 1300 i ER-1250 16/1,5; • C - Veliki bageri imaju karakteristične noseće stubove koturača sa užadima sa spuštenim nosačem balasta koji se praktično veže za gornju obrtnu platformu. Ova vrsta bagera ima relativno nisko težište, ali i složen transportni put otkopanog materijala. Rotorni bager SchRs 1760, koji radi na površinskom kopu Polje D, ima niz karakteristika bagera klase C. Rastuća koncentracija proizvodnje na površinskim kopovima zahtevala je od proizvođača rudarskih mašina povećanje jediničnih kapaciteta i visina kopanja mašina, smanjenje radnih masa, bolje prilagođavanje rudarsko-geološkim, hidrogeološkim i klimatskim uslovima, povećanje pouzdanosti, poboljšanje komfora ljudstva koje opslužuje mašinu, pri istovremenom smanjenju vremena opsluživanja i dr. Intenzivan razvoj tipova i modela rotornih bagera pripada periodu šezdesetih i sedamdesetih godina. U navedenom periodu isporučen je veliki broj bagera sa jasnim tendencijama ka optimizaciji osnovnih tehničkih karakteristika (kapacitet, visina kopanja, raspon bagera, površinski pritisak na tlo, povećanje rezne sile). Najveći rotorni bager proizveden je 1987. godine, kada je Krupp isporučio površinskom kopu Hambah, bager teoretskog kapaciteta 19200 m /h. Veličina, oblik i konstrukcija rotornog bagera zavise posebno od zahtevanog kapaciteta, načina utovara materijala i specifičnih uslova rada na površinskom kopu. Na oblik i konstrukciju bitno utiče dozvoljeni nagib kosina, zatim čvrstoća materijala koji se otkopava i dozvoljeni specifični pritisak na tlo. Oblik i konstrukcija moraju biti prilagođeni uslovima dobrog i lakog održavanja. Konstrukcija rotornog bagera je predstavljena na Slici 3.3. Slika 3.3. Konstrukcija rotornog bagera (1. Rotor sa vedricama, koji se nalazi na streli rotora zajedno sa pogonom; 2. Strela rotora (katarka), koja se svojim krajem oslanja na okretnu platformu (gornju gradnju); 3. Istovarna strela ili istovarni most; 4. Konzola protivtega i protivteg za uravnoteženje konstrukcije rotornog bagera u odnosu na okretnu platformu i transportni mehanizam; 5. Nadgradnja rotornog bagera, koja služi kao oslonac za vešanje strele rotora, konzole protivtega, istovarne strele; 6. Okretna platforma, na kojoj se nalazi oprema rotornog bagera (uređaji, postrojenja, instalacije); 7. Oslono-okretni mehanizam sa okretnom platformom; 8. Donje postolje (donja gradnja); 9. Mehanizam za kretanje.) 3.2. Otkopavanje materijala rotornim bagerima - tehnologija rada U vertikalnoj podeli površinskog kopa element koji odgovara visini kopanja bagera je etaža. Kada se radna ravan bagera poklapa sa transportnom ravni, onda je visina etaže ista kao i visina bloka. Kada bager radi na raznim radnim ravnima tovareći iskopani materijal na jedan transportni horizont, koristi se pojam podetaže. Ovde je etaža suma pojedinih otkopanih podetaža kod utovara na jedan transportni horizont [38], [39], [40] [41], [47], [49], [52]. Kod visinskog i dubinskog rada bagera sa jednog radnog horizonta, celu etažu treba posmatrati kao sumu posebnih elemenata, zbog tehnoloških razlika koje se javljaju pri visinskom i dubinskom radu. Pri visinskom radu otkopavani masiv lociran je izvan ose rotora ili ispred rotora, i iznad radnog planuma bagera. Posle otkopavanja masiva za iznos napredovanja čela (bloka) za jedan ciklus, bager se primiče ka čelu. Kod regularnog dubinskog kopanja napredovanje rotornog bagera vrši se unazad, jer bager praktično otkopava radni planum. Otkopana čeona kosina locirana je između ose rotora i donjeg stroja bagera, a ispod radnog planuma. Pokret radnih kašika ima karakter kopanja ispod sebe. Rotorni bageri mogu raditi u frontu, bloku i boku (poluboku). Rad u frontu se retko koristi i to pre svega kod šinskih bagera i za selektivno otkopavanje. Otkopavanje se vrši sa dvostranim (blok) ili jednostranim (bok) obrtanjem nosača rotora u odnosu na osu kretanja pri cikličnom pomeranju bagera ili bez obrtanja kod stalnog kretanja bagera pri radu u frontu. Savremeni rotorni bageri konstruisani su prvenstveno za rad u bloku. To rezultira iz sledećih osobina bagera: - Rotornog sistema za kopanje, koji ne omogućava kopanje masiva na celoj visini etaže sa jednim prolazom bagera duž radnog fronta; - Guseničnog mehanizma za kretanje koji ima velike otpore pri kretanju; - Mehanizma za obrtanje gornjeg stroja koji je prilagođen za bočno pomeranje sistema za kopanje. Kinematika radnog procesa bagera u bloku bazira se na sledećim osnovnim pokretima: - Rotacionom radnom pokretu rotora; - Obrtnom bočnom pomeranju strele rotora koje se postiže okretanjem gornjeg stroja oko vertikalne ose bagera; - Vertikalnim ili horizontalnim prilaženjem rotora masivu (vertikalni ili horizontalni rez). Radni i tehnički parametri rotornih bagera su visina kopanja (Hk), maksimalni radijus kopanja (Rk), radijus kopanja na nivou stajanja (R^), dužina strele rotora (L), radijus istresanja (Ri), maksimalna (Himax) i minimalna (Himin) visina istresanja i prečnik rotora (D) (Slika 3.4.). Visine podetaža rotornih bagera ispod i iznad nivoa stajanja bagera određuju se na osnovu konstruktivnih mogućnosti i ograničene su dozvoljenim uglom nagiba nosača rotora, od 27° pri visinskom i 18° pri dubinskom radu. Slika 3.4. Osnovni radni parametri rotornog bagera U raznim fazama radnog procesa rotornog bagera otkopava se: odrezak (element masiva otkopan sa jednom vedricom rotora), rez (deo masiva koji se sastoji od niza odrezaka otkopanih jednim pomeranjem strele rotora u stranu iz jednog položaja rotornog bagera) i pojas (deo masiva koji se otkopava nizom rezova dobijenih uzastopnim prilaženjem rotornog bagera masivu po celoj dubini bloka). Oblik i vrste reza Otkopavanje stenskog materijala se vrši vedricom na rotoru u vremenu kretanja vedrice po luku koji je određen radijusom kopanja i uglom okretanja bagera. Kao rezultat kružne putanje rezanja, dobija se rez u obliku srpa, a deo reza koji se zahvata jednom vedricom je odrezak. Rez je definisan debljinom, odnosno položajem krajnje tačke zuba vedrice u dva uzastopna položaja prilaženja bagera masivu, zatim visinom i uglom okretanja bagera u horizontalnoj projekciji. Otkopavanje se vrši sa dve tipske vrste reza i to: vertikalnim (Slike 3.5.a, b i 3.6.a) i horizontalnim rezovima (Slike 3.5.c i 3.6.b). Osnova za podelu na otkopavanje vertikalnim i horizontalnim rezovima je pravac prilaženja masivu Razlikuje se pravac prilaženja masivu rotora i pravac radnog pokreta vedrice u momentu kontakta sa materijalom, tako da u slučaju slaganja ta dva pravca nastupa vertikalni rez (odrezak), dok kada su ova dva pravca međusobno upravni, nastupa horizontalni rez ili odrezak. Kod horizontalnog reza, takođe, ugao koji zaklapaju pravac prilaženja rotora masivu i pravac radnog pokreta vedrice u momentu kontakta sa materijalom treba da bude v = 90° To je teško ostvariti ali je moguće ako se pravac pomeranja rotora seče sa pravcem radnog pokreta vedrice u momentu kontakta sa materijalom, baš u tački koja predstavlja momenat kontakta sa materijalom, jer u tom trenutku njihove tangente u datoj tački međusobno zauzimaju normalni položaj. Ovo pitanje je istaknuto pre svega zbog definicije vertikalnog reza u uslovima selektivnog otkopavanja slojeva manje debljine od poluprečnika rotora. U takvim uslovima visina reza, definisana je debljinom proslojaka i direktno utiče na korak pomeranja bagera. Smanjenjem visine reza moguće je povećati i njegovu debljinu i na taj način nadoknaditi deo gubitaka kapaciteta. Slika 3.5. Vrste reza rotornog bagera Slika 3.6. Vertikalni (a) i horizontalni rez (b) Međutim, sa povećanjem koraka pomeranja bagera povećava se i ugao koji zaklapa pravac radnog pokreta vedrice u kontaktu sa materijalom sa pravcem kretanja rotora (v). Osim toga, sva ostala obeležja vertikalnog reza prema navedenoj definiciji ostaju ista, a pošto i ovaj uslov kao što se vidi iz prethodnog razmatranja nikad nije ispunjen, definicija za vertikalni i horizontalni rez se može potpunije formulisati pored pravca prilaženja rotora masivu uključenjem i debljine odreska. Prema tome, kod vertikalnog reza pravac prilaženja rotora masivu je paralelan sa donjom ivicom pojasa koji se otkopava, a trenutna debljina odreska raste sa povećanjem ugla okretanja rotora od momenta ulaska vedrice u masiv do maksimalne vrednosti u trenutku izlaska vedrice iz masiva (na h = R), dok je kod horizontalnog reza pravac prilaženja rotora masivu pod uglom u odnosu na donju ivicu pojasa koji se otkopava, a trenutna debljina odreska se smanjuje sa povećanjem ugla okretanja rotora do minimalne vrednosti u trenutku izlaska vedrice iz masiva. Trenutna debljina odreska je u funkciji ugla okretanja rotora i koraka pomeranja bagera. U slučaju kada je visina pojasa manja ili jednaka visini zuba vedrice h < b, otkopava se horizontalnim rezom i to je jedini mogući način otkopavanja proslojaka ove debljine. Ako se prihvati definicija za horizontalni i vertikalni rez u ovom slučaju se može razdvojiti samo usecanje u ovakav rez. Postizanje kompletne debljine ili širine ovog reza može se ostvariti prilazom rotora bagera kao za vertikalni rez pri čemu se potpuna debljina reza postiže sa više manjih vertikalnih odrezaka ili prilazom rotora kao za horizontalni rez pri čemu se do kompletne visine dolazi otkopavanjem više manjih horizontalnih odrezaka. Osnovna obeležja vertikalnog reza su: mogućnost postizanje veće visine kopanja, povoljniji uslovi za automatsku regulaciju procesa otkopavanja, minimalni dinamički udari na rotor, manji otpor materijala na kopanje, manja potrošnja energije za dizanje materijala do visine istresanja materijala iz vedrice, odsustvo grebena u planumu. Nedostaci su maksimalni broj pomeranja u toku jednog tehnološkog ciklusa, veći specifični pritisak pri radu u odnosu na horizontalne rezove, nepovoljniji odnos čistog kopanja prema pomoćnim operacijama u toku jednog tehnološkog ciklusa. Kod horizontalnog reza smanjen je broj pomoćnih operacija i specifični pritisak, veća je potrošnja energije za dizanje materijala do visine istresanja iz vedrice, teža je realizacija automatskog upravljanja, povećani su gubici, odnosno razblaženje na kontaktu sa drugim materijalima i veći je obim pomoćnih radova na planumu kretanja bagera. Da bi se primenili horizontalni rezovi i ostvarila ista visina etaže, neophodno je prvi pojas otkopati vertikalnim rezovima, jer to horizontalnim rezovima praktično nije moguće zbog ograničenog gornjeg položaja rotora. Takođe i najniži pojas treba otkopati vertikalnim rezovima radi uklanjanja grebena koji ostaju na niveleti kretanja bagera čime se eliminišu pomoćni radovi planiranja etažne ravni. Ostatak po visini etaže otkopava se u tom slučaju horizontalnim rezovima i to je praktično najprihvatljivija varijanta primene horizontalnih rezova, dakle u kombinaciji sa vertikalnim rezovima (Slika 3.5.d, e). Posledica primene samo horizontalnih rezova je manja visina etaže i veći obim pomoćnih radova na planiranju što zahteva angažovanje dodatne opreme za pomoćne radove. Primena kombinovanog otkopavanja horizontalnim i vertikalnim rezovima sa sobom nosi negativnosti i jednog i drugog načina. To su teška i komplikovana regulacija automatskog upravljanja i veći ugao nagiba čeone kosine da bi se pojas otkopao horizontalnim rezovima bez pomeranja bagera unazad za svaki rez. Pošto je granični ugao nagiba čeone kosine definisan iz uslova stabilnosti kosine za određenu visinu etaže, koji se verifikuje u toku rada, primena horizontalnih rezova predstavlja ograničavajući faktor, ako je manja vrednost. Horizontalni rezovi se mogu primeniti i u tom slučaju ali su prisutni nedostaci koji se odražavaju kroz promenu pojasa posle malog broja rezova i povećan broj rezova smanjene zapremine, što povećava utrošak vremena za istu zapreminu materijala, odnosno za otkopavanje pojasa. Pored manje visine etaže, dužina bloka je u intervalu Lfr = (0,5 - 0,7)D, što znači da se povećava odnos pomoćnih operacija u odnosu na zapreminu bloka. Na izbor rezova kod tehnologije rada rotornog bagera najveći uticaj ima debljina sloja koji se otkopava, nagib radne kosine i otpor kopanju. Kopanje vertikalnim odrescima vrši se na taj način da se osovina rotora pomera u horizontalnoj ravni iz tačke O^ u tačku 02 (Slika 3.7.) za debljinu reza cmax. Okretanjem rotora u vertikalnoj i strele rotora u horizontalnoj ravni (za uglove i ) vrši se otkopavanje u rezu visine h. Nejednake dužine rezova otežavaju automatizaciju i programiranje, zbog čega se širina bloka smanjuje za 20 do 25%. SIika 3.7. Parametri vertikalnog odreska i reza rotornog bagera: a) vertikalni presek odreska: b) prostorni izgled i dimenzije reza rotornog bagera Sl. 3.8. Bagerski blok u planu sa maksimalnim iskorišćenjem radnih dimenzija bagera Šema kopanja rotornim bagerom je sa konstantnim radijusima kopanja Rki i Rk2 , a debljina (c) i širina (b) odreska su promenljive po celoj širini bloka. Maksimalna debljina odreska (cmax) i minimalna širina (bmiu) su u pravcu kretanja bagera (po osovini bloka). Za svaki naredni rez bager se pomera za debljinu odreska cmax iz tačke O^ u tačku O2. Na taj način se kod kopanja višerednim vertikalnim odrescima dobijaju srpoliki rezovi, odnosno nizovi odrezaka u planu (Slika 3.8.) jednake dužine. Povećanjem brzine okretanja strele rotora u planu, smanjenje debljine svakog odreska se nadoknađuje povećanjem njegove širine, čime se približno održava konstantan poprečni presek svakog odreska (F = bc = const), pa time i potpuno punjenje vedrica. U kopanju učestvuju dva zuba svake vedrice: prednji i jedan od bočnih, zavisno od smera okretanja strele rotora. Brzina okretanja strele rotora reguliše se do ugla fi = 60° (Slika 3.9.), a zatim ostaje konstantna [cos 60° = 0,5, pa je vk(60) = 2vk(0)]. Ako je ugao okretanja veći od 60°, dolazi do smanjenja punjenja vedrica (jer je širina odreska b = 2 bmin, u daljem okretanju konstantna, a debljina odreska c se i dalje smanjuje) zbog nemogućnosti daljeg povećanja brzine okretanja strele rotora. To povlači i smanjenje kapaciteta bagera. Slika 3.9. Promene brzine okretanja strele rotora u bloku (a) i slaganje brzine okretanja strele i rotora (b) Brzine okretanja strele rotora (vk) i rotora (vr) daju rezultantnu brzinu kopanja (v), koja sa brzinom okretanja rotora zatvara tzv. kinematički ugao nagiba trajektorije rezanja (y) (Slika 3.9. b). Ugao nagiba bočnih stranica vedrica (Slika 3.10.) uvek je nešto veći od ovog ugla ), da bi se izbeglo njihovo vučenje i trenje po bočnoj površini rezanja, čime se sprečava povećanje otpora kopanju max « 10 — 12°). Parametri rotora računaju se po formulama: - broj obrtaja rotora: - obodna brzina rotora: - lučni razmak između vedrica (ugao između vedrica u radijanima): - broj vedrica u kontaktu sa otkopom: Slika 3.10. Parametri odreska Parametri jednog odreska (Slika 3.10.) se računaju po sledećim formulama: f = h/r - odnos visine odreska i poluprečnika rotora, a = cmax/b - odnos debljine i širine odreska, - ugao odreska u radijanima, F - površina poprečnog preseka odreska na visini h = r (m ), Vk - brzina okretanja katarke (m/min). Osim prethodnih faktora i povećanje koeficijenta rastresitosti izaziva smanjenje debljine i širine odreska, kao i brzine okretanja strele rotora (za istu visinu reza - odreska); sa smanjenjem visine odreska, srazmerno se povećavaju debljina i širina odreska, kao i brzina okretanja strele rotora. Samo se tako održava kapacitet bagera, inače bi došlo do njegovog smanjenja zbog smanjenog punjenja vedrica. Debljina odreska cmax progresivno raste sa opadanjem visine odreska (h). Međutim, debljina odreska je ograničena širinom bočne stranice vedrice (cmax < hE) posle čega dolazi do smanjenja kapaciteta ako se i dalje nastavlja smanjivanje visine reza (odreska). To znači da je visina reza (odreska), kod koje je cmax = hE, donja limitirajuća visina ispod koje se ne ide u normalnim okolnostima. Sa porastom koeficijenta rastresitosti smanjuje se i donja limitirajuća visina reza (odreska). Kopanje horizontalnim odrescima vrši se na taj način što se osovina rotora pomeri u vertikalnoj ravni iz tačke u Oi u O2 (Slika 3.11.) za debljinu odreska cmax. Za razliku od vertikalnih odrezaka, ovde je debljina odreska najveća (cmax) na početku kopanja (na ulazu vedrice u odrezak), a najmanja (c = 0) na kraju (na izlazu vedrice iz odreska). Slika 3.11. Parametri horizontalnog odreska rotornog bagera: a) vertikalni presek odreska; b) prostorni izgled i dimenzije reza Kod kopanja horizontalnim odrescima nema podele etaže na rezove, odnosno pojaseve, jer se cela etaža kopa horizontalnim rezovima. Izgled rezova (reda odrezaka) u planu je isti kao i kod vertikalnih odrezaka (Slika 3.8.). Medutim, velika je razlika u broju i dužini pomeranja bagera (Slika 3.12.), što najbolje ilustruje razliku u vremenu utrošenom na pomoćne operacije. Sl. 3.12. Broj i dužine pomeranja bagera kod kopanja vertikalnim višerednim (a) i kombinovanim (b) odrescima Zapremina horizontalnog srpolikog reza (niza odrezaka) kopanog rotornim bagerom (Slika 3.11.b i 3.13.) sa visinom (hr) i širinom bloka (B) računa se po formuli: Debljina odreska (reza) c se sa okretanjem bagera desno ili levo od ose kretanja smanjuje, da bi se za ugao okretanja fiu(g) = 90° dobila debljina c = 0. Između debljine odreska (reza) c i visine hr postoji sledeći odnos (Slika 3.13.): gdje je: r - poluprečnik rotora po zubima vedrica (m), rt - poluprečnik rotora bez vedrica (m). Za zavisnost u prethodnoj formuli postoji uslov da je hr < r > hE (hE - širina bočne stranice zuba kao i kod vertikalnog reza), što znači da je i debljina odreska ograničena (cmax < hE), kao i kod kopanja vertikalnim odrescima. Slika 3.13. Dimenzije rotora i horizontalnog odreska Širina bloka je zbir unutrašnje (Bu) i spoljašnje (Bv ) širine (Slika 3.14.): Sada proizilazi da je zapremina horizontalnog srpolikog reza: Slika 3.14. Sema za proračun zapremine reza u bloku Kapacitet bagera u horizontalnom rezu (redu odrezaka): gde je: to - vreme okretanja bagera u rezu (pojasu), min: gde je: lo - dužina luka okretanja u bloku (m), (Slika 3.14.), Rk - dužina strele rotora (m), vk - brzina okretanja strele rotora (m/min). Sada je kapacitet bagera u horizontalnom rezu: ili u obliku: Poprečnipresek odreska zavisi od trenutne debljine i širine odreska (Slike 3.10. i 3.15.), računate po uglu rotacije rotora: Trenutna debljina vertikalnog odreska (Slika 3.15.a) računa se po formuli: Trenutna debljina horizontalnog odreska (Slika 3.15.b) računa se po formuli: Slika 3.15. Promene poprečnog preseka vertikalnog (a) i horizontalnog odreska rotornog bagera (b) Stvarne dimenzije odreska se razlikuju od teoretskih zbog vibracija rotora. Trenutna širina odreska je takođe zavisno promenjiva od ugla okretanja rotora i maksimalne širine na izlazu iz vertikalnog, odnosno na ulazu u horizontalni odrezak po formuli: Visina reza (odreska) zavisi i od poluprečnika rotora i punog ugla kopanja yu: Sada se formula za proračun trenutnog poprečnog preseka odreska može napisati u obliku: Trenutni maksimalni poprečni presek vertikalnog odreska je kod p = n/2, odnosno na visini h = r. Ugao maksimalnog poprečnog preseka horizontalnog odreska je promenljiv i zavisi od odnosa Rk/r. Normalnim se smatra da je maksimalni poprečni presek horizontalnog odreska kod 9 = 0°. Promene dimenzija odreska c, b i Fu funkciji ugla predstavljene su na Slici 3.16. Slika 3.16. Promene debljine, širine i poprečnogpreseka odreska: a) vertikalni odrezak; b) horizontalni odrezak U svakom trenutku u kopanju učestvuje nekoliko vedrica sa različitim poprečnim presecima odrezaka, jer prva vedrica izlazi iz odreska, druga je negde na sredini odreska, treća ulazi u odrezak, itd. Broj vedrica, koje su u jednom trenutku u kontaktu sa stenom (u odresku), zavisi od ukupnog broja vedrica na rotoru, prečnika rotora i visine sloja (reza) kopanja. Ukupni trenutni poprečni presek svih odrezaka F^9, je zbir trenutnih pojedinačnih poprečnih preseka i predstavlja isprekidanu periodičnu funkciju ugla 9 (Slika 3.17.). Tačka prekida nastaje u momentu ulaska i izlaska vedrice iz odreska (stene). Skokovita promena funkcije nastaje za vertikalni odrezak u momentu izlaska, a za horizontalni u momentu ulaska u odrezak (stenu). Srednji poprečni presek jednog odreska je: Srednja ukupna površina poprečnog preseka odrezaka za jedan okretaj rotora iznosi: Slika 3.17. Funkcija promena ukupnog trenutnogpoprečnogpreseka svih odrezaka: a) vertikalni odrezak; b) horizontalni odrezak Uvrštavajući prethodno izvedenu zavisnost za Fsr, dobijamo: gde je: kw - koeficijent uticaja promene ugla na širinu odreska, Ako se izvrši zamena: — kw = ke, dobija se izraz: gde je: ke - koeficijent srednje ukupne površine poprečnog preseka odrezaka u funkciji maksimalne površine jednog odreska. Aktivna dužina rezanja vedricama je potrebna zbog proračuna potrebne sile i snage kopanja, baš kao i trenutni poprečni preseci odrezaka. Ivice sečiva vedrice rotornog bagera (Slika 3.18.) su u obliku luka, u kojem se izdvaja pravolinijski deo dna vedrice (li), prelazni (krivi) deo bočnih ivica sa radijusima krivine rv(l2) i pravi deo bočnih ivica pod uglom pv(fiv > u odnosu na normalu (l3). Slika 3.18. Oblik ivice sečiva vedrice rotornog bagera Dimenzije na Slici 3.18. su: 11 - pravolinijski deo dna vedrice odgovara trenutnoj širini reza; 12 - krivi deo bočne stranice vedrice uslovljen oblikom sečiva vedrice; 13 - pravi deo bočne stranice vedrice, pod uglom nagiba (fiv) većim od ugla trajektorije kopanja (^). Iz toga proizilazi: Primer promena ovih funkcija prikazan je na Slici 3.19. Slika 3.19. Promena aktivnih dužina sečiva vedrice za vertikalni (a) i horizontalni (b) odrezak Ukupna aktivna dužina rezanja u datom trenutku (L9) predstavlja zbir funkcija (l9) koje su periodične funkcije rotacije rotora; zavisi od promena funkcija (lv), ugla rezanja (pu) i ugla razmeštaja vedrica po obodu rotora (v). Primer ovih promena prikazan je na Slici 3.20. Slika 3.20. Srednja i trenutna aktivna dužina rezanja u funkciji ugla za vertikalni (a) i horizontalni (b) odrezak Isprekidanost funkcija nastaje u tačkama M i N, koje predstavljaju momenat ulaska i izlaska vedrice iz stenskog materijala. Srednja aktivna dužina rezanja jedne vedrice u okviru ugla 9u iznosi: Srednja ukupna dužina rezanja za jedan okretaj rotora iznosi: Metode određivanja aktivne dužine rezanja vedrica mogu biti: - metoda pravougaonog oblika odreska, koja ne uzima u obzir uticaje zakrivljenosti ivica sečiva vedrica, - analitičko-grafička metoda i - pojednostavlj ena metoda funkcij e izgleda vedrice. Metoda pravougaonogpoprečnog preseka odreska može se primenjivati samo kod vedrica sa malim zakrivljenjima sečiva, a počiva na pretpostavci o upravnosti dna i bočnih stranica vedrice, tj.: Deo h odgovara trenutnoj debljini odreska promenljivoj u zavisnosti od ugla 9: Deo l2 odgovara širini odreska i usvojen je kao konstantan, tj. nezavisan od ugla 9: Srednja ukupna dužina rezanja: Analitičko-grafička metoda pociva na izvesnim pojednostavljenjima, prikazanim na Slici 3.21., i to: lč - ceoni aktivni deo rezne ivice vedrice; lb - bocni aktivni deo rezne ivice vedrice; l - ukupna aktivna dužina rezanja vedricom; rv, Pv - kao i kod Slike 3.18.; x - trenutna debljina odreska; y - trenutna širina odreska. Slika 3.21. Oznake delova rezne ivice vedrice rotornog bagera Aktivna dužina rezanja vedricom je zbir ceone i bocne dužine. Čeoni deo vedrice (lč) je paralelan osi rotora. Trenutna aktivna dužina čeone sekuće ivice vedrice je: Srednja aktivna dužina čeone sekuće ivice jedne vedrice za ugao rotacije rotora (9u) je: Srednja ukupna aktivna dužina čeonih sekućih ivica je: Posle transformacija i sređivanja dobijamo: Ako se označi sa: onda se dobija: Srednja ukupna aktivna dužina čeonih sekućih ivica je proporcionalna maksimalnoj širini odreska. Koeficijent proporcionalnosti (kč) je funkcija visine kopanja i odnosa radijusa rotora sa radijusom kopanja. Na (kč) najviše utiče ugao kopanja (9u), tj. visina reza (odreska). Uticaj promene radijusa kopanja u granicama, ustanovljenim za dati tip bagera, bio bi neznatan. To znači da je proračun koeficijenta (kč) moguć primenom konstantnog radijusa kopanja, što odgovara srednjoj vrednosti za dati tip bagera. Bočna rezna ivica vedrice pravi luk radijusa rv i pravolinijski deo koji od vertikale odstupa za ugao fiv. Trenutna aktivna dužina bočne ivice je: Tako određena funkcija za oblast ^ < pk rešava se tabelarno metodom Simpsona u oblasti 0 < ^ < 40° i metodom trapeza za ugao ^ > 40°. Zato se veličina lb(V) može predstaviti kao funkciju jedne promenljive: gde je: Xk = rv(1 - sinpv) (3.70) Pojednostavljena metoda funkcije izgleda odreska vedricom se često primenjuje u praksi. Krivolinijski oblik funkcije trenutne dužine bočne ivice vedrice zamenjen je pravolinijskim. Primena ove metode je ograničena za proračun približnih vrednosti. Širina odreska postaje konstantna. Za usvojeno pojednostavljenje oblika reza, srednja ukupna dužina rezne ivice vedrice iznosi: ili u obliku: Oblast primene ove metode ograničena je debljinom odreska i visinom kopanja (reza) kroz zavisnosti: Zavisnost srednje ukupne aktivne dužine rezne ivice vedrica od tehničkog kapaciteta može se odrediti usvajanjem definicije oblika odreska i visine kopanja (reza). Usvojimo uobičajeni oblik odreska definisan odnosom debljine i širine cmax/b = 1,5 i visine kopanja (reza) h = 0,5D, tj. = n/2. Površina odreska je funkcija tehničkog kapaciteta: odakle je: Uvrštavanjem ovako izračunate širine b i cmax (u zavisnosti od Qth) dobija se da je srednja ukupna dužina rezne ivice vedrice: 3.3. Otpor materijala na kopanje Otkopavanje stenskog materijala rotornim bagerom se vrši vedricama koje su ravnomerno raspoređene i pričvršćene na rotoru. Otkopavanje se vrši istovremenim okretanjem rotora u vertikalnoj ravni i strele rotora sa platformom u horizontalnoj ravni. (Slika 3.22.). Obrtanjem rotora i nailaskom punih vedrica u zonu istovara, materijal se iz vedrica prazni na sistem unutrašnjeg transporta pomoću istovarnog levka ili dozera sa sopstvenim pogonom. Slika 3.22. Rotor sa strelom rotora Suštinska razlika između otkopavanja materijala i čistog kopanja ogleda se u tome što se kod rotornih bagera pored razaranja masiva vrši zahvatanje i podizanje materijala do visine njegovog pražnjenja u predelu istovarnog sektora rotora. Rezni deo radnih elemenata mašina za kopanje u podužnom preseku ima oblik klina. Na samom početku procesa rezanja dolazi do sabijanja materijala ispred reznog elementa. Kada dođe do uravnoteženja sile pritiska prednje ivice reznog elementa sa maksimalnim otporom materijala na smicanje u ravni klizanja nastupa smicanje ili otkidanje većih ili manjih komada materijala i počinje proces ponovnog sabijanja [2], [3], [4], [15], [16], [17] [18], [19], [20], [21], [22], [27], [28], [29], [31], [35], [53] [54], [58], [62], [64], [70], [71] . Rastresiti materijal bez kohezije ne pruža bitan otpor reznim elementima za dobijanje i materijal preko njih klizi u vedricu bagera (Slika 3.23.). Plastični materijal, koji ima malu koheziju, pruža mali otpor i u vidu neprekidne struške klizi u vedricu. Suvi vezani materijal sa većom kohezijom pri procesu dobijanja lomi se u komade i pruža veći otpor kopanju. Cvrste stene (velika kohezija i čvrstoća na pritisak) zahtevaju znatne sile kopanja, jer se moraju u komadima lomiti iz masiva. Sila smicanja neprekidno osciluje oko neke srednje vrednosti, pri čemu laka tla daju takozvanu kvazistatičku promenu, a teška tla daju izrazito dinamičku promenu sile rezanja. Spektralne gustine glavnih i sekundarnih frekvenci odlamanja materijala iz masiva date su od trenutka odlamanja celog zahvaćenog bloka. Glavni i sekundarni lom označava da se između većih blokova javljaju manji, jer to nije klasično sečenje, već odlamanje deo po deo. Pored frekfence lomljenja postoji sopstvena frekfenca bagera. Mora se voditi računa da sopstvene oscilacije bagera ne budu u blizinu frekfenci lomljenja materijala, jer može doći do rezonance sa neželjenim posledicama. Slika 3.23. Oblici kidanja (loma) i kretanje rezne sile za različite materijale Ukupni otpor materijala na kopanje Konstrukcija bagera mora da savlada ukupan otpor materijala koji se kopa. Danas je kod svih proizvođača rotornih bagera opšte prihvaćen princip da se, kod dimezionisanja snage pogona rotora i kružnog kretanja gornje gradnje, ukupni otpor materijala na kopanje razlaže na tri komponente (Slika 3.24.): tangentnu (Pt), bočnu (Pb) i normalnu (Pn). Slika 3.24. Sile koje deluju na vedricupri otkopavanju materijala (P - rezultanta sile kopanja, Pt - tangentna sila kopanja, Pb - bočna sila kopanja, Pn - normalna sila kopanja) Tangentna komponenta - Pt deluje u ravni radnog elementa, ima smer suprotan njegovom obrtanju i pravac tangente na trajektoriju rezanja, a savlađuje se snagom motora za pogon radnog elementa. Bočna komponenta - Pb deluje u ravni kružnog kretanja radnog elementa, ima smer suprotan okretanju strele radnog elementa i pravac tangente na trajektoriju okretanja, a savlađuje se snagom pogona za kružno kretanje gornje gradnje bagera. Normalna komponenta - Pn deluje u ravni radnog elementa u okviru ugla kopanja, ima pravac normale na trajektoriju obrtanja radnog elementa, a savlađuje se snagom pogona za transport bagera (pri radu bagera sa vertikalnim rezovima ) ili težinom strele radnog točka kod rotornog bagera (pri radu bagera sa horizontalnim rezovima). Obodna sila na rotoru savlađuje sledeće otpore: - Prez - otpor na rezanje (odvaljivanje) materijala iz masiva, uključujući otpor trenja reznih elemenata u čelu radnog bloka; - Ppod - otpor na podizanje materijala u vedricama do visine pražnjenja istih u okviru istovarnog sektora; - Ppunj - otpor na punjenje vedrica materijalom; - Ptr - otpor trenja između materijala u vedrici i kružne skliznice rotora u procesu podizanja materijala do visine pražnjenja vedrica; - Pkin - otpor na saopštenje kinetičke energije materijalu u vedrici odnosno ubrzanje materijala do brzine vedrice. U procesu rada rotornog bagera, a zbog uticaja brojnih i raznovrsnih činilaca, vrednosti pojedinačnih otpora podložne su stalnim promenama. Tako na primer: - Otpor na rezanje materijala u direktnoj je zavisnosti od fizičko-mehaničkih karakteristika materijala koje se pak sa svoje strane mogu menjati kako po dužini tako i po visini otkopnog bloka (što je materijal tvrđi to je ovaj otpor veći i obrnuto); - Otpor na podizanje materijala do visine pražnjenja vedrica direktno je zavisan od nasipne mase materijala koji se otkopava: veći je za materijale većih nasipnih masa, manji je pri radu bagera vertikalnim rezovima, a raste sa porastom visine pojaseva i konstruktivne visine istovarnog sektora; - Otpor na punjenje vedrica materijalom direktno zavisi od režima rada i vrste materijala koji se otkopava; - Otpor trenja direktno zavisi od vrednosti koeficijenta punjenja vedrica materijalom, kao i od konstrukcije same vedrice; - Otpor inercije zavisi od dimenzija rotora i njegove brzine obrtanja, itd. Shodno napred izloženom, obodna sila na rotoru se može definisati izrazom: Vrednost komponenta Ppunj, Ptr, Pkin su male u odnosu na Prez i približno iznose: pri čemu veća vrednost odgovara mekšim materijalima. Pri obradi rezultata istraživanja, specifični otpor materijala na kopanje (KL ili KF) određuje se na taj način što se od obodne sile na rotoru oduzme samo sila koja je potrebna za dizanje materijala do visine pražnjenja vedrica i delenjem razlike sa površinom poprečnih preseka odrezaka ili dužinom reznih ivica svih vedrica koje su istovremeno u kontaktu sa materijalom. Shodno ovome, specifični otpor materijala na kopanje obuhvata ne samo utrošak energije na odvajanje materijala iz masiva (rezanje) već i na savlađivanje otpora na punjenje vedrica materijalom otpora trenja između materijala u vedrici i kružne skliznice i otpora na ubrzavanje materijala do brzine obrtanja rotora. Prema tome izraz za obodnu silu može se pisati u obliku: pri čemu je: gde je: Pk - sila kopanja. Ovakav način određivanja obodne sile na rotoru (Pt=Pk+Ppod) koriste danas svi veliki proizvođači rotornih bagera u svetu kao što su: Rusija, Nemačka, Ceška republika, itd. Sila kopanja za bagere se određuje po obrascu: odnosno, njena srednja vrednost iznosi: gde je: Kf- specifični otpor materijala na kopanje (N/cm ), F - zbir površina poprečnih preseka odrezaka svih vedrica koje se istovremeno nalaze u procesu rezanja (m ), K - specifični otpor materijala na kopanje (N/cm), Li - zbirna dužina reznih elemenata koje su istovremeno u procesu rezanja (cm), Fsr - srednja (po luku kopanja u ravni rotora) vrednost površine poprečnog preseka odreska (cm2), Lsr - srednja (po luku kopanja) vrednost dužine reznog elementa vedrice koja je u kontaktu sa materijalom (cm), m - broj vedrica koje se istovremeno nalaze u procesu rezanja tj. u kontaktu sa materijalom. Sila potrebna za podizanje materijala do visine pražnjenja vedrica se može definisati izrazom: Odnosno, snaga potrebna za podizanje materijala je: gde je:Qt - teoretski kapacitet bagera (rm /h), Y - nasipna masa materijala (t/m ), g - ubrzanje zemljine teže (m/s ), V - obodna brzina rotora (m/s), hd - visina dizanja materijala u vedricama do mesta pražnjenja istih (m). Budući da je snaga motora na rotoru definisana izrazom: potrebna snaga motora za kopanje iznosi: gde je: Nm - snaga motora za pogon rotora (kW), Nk - snaga potrebna za kopanje materijala (kW), Npod - snaga za podizanje materijala do visine pražnjenja vedrica (kW), n - koeficij ent korisnog dejstva pogona rotora. Specificni otpor materijala na kopanje Ukupan otpor na kopanje nije prikladna veličina za definisanje suštine samog procesa kopanja rotornim bagerima, zato što se istovremeno u kontaktu sa materijalom nalazi različit broj vedrica. Shodno tome, svrsishodnije je da se ukupan otpor na kopanje svede na neku uporednu vrednost, odnosno da se izrazi u specifičnom obliku (Slika 3.25.). Danas su u upotrebi uglavnom dva načina za izražavanje specifičnog otpora na kopanje: - odnos sile kopanja i zbirne površine poprečnih preseka odrezaka svih vedrica koje se istovremeno nalaze u kontaktu sa materijalom - kF (N/cm ); - odnos sile kopanja i zbirne dužine reznih elemenata svih vedrica koje su istovremeno u kontaktu sa materijalom, tj. u procesu rezanja - kL (N/cm). Oba pokazatelja specifičnog otpora na kopanje su dovoljno pouzdani za praktičnu primenu. U Nemačkoj i Ceškoj Republici veću primenu je dobio pokazatelj kL. Ovo se može objasniti činjenicom što su prvi rotorni bageri koristili za otkopavanje mekih materijala, bagerske vedrice su bile bez zuba, pa je specifični otpor na kopanje malo zavisio od površine poprečnog preseka odreska. Međutim, sve šira primena rotornih bagera na otkopavanju čvrstih materijala i uglja, a s tim u vezi i ugradnja vedrica sa zubima, čini da je kF reprezentativni pokazatelj specifičnog otpora materijala na kopanje tj. da znatno bolje odražava samu fizičku suštinu procesa kopanja. Upravo zbog toga u Rusiji je isključivo u upotrebi pokazatelj kF. Slika 3.25. Sematski prikaz određivanja specifičnog otpora na kopanje: a) u odnosu na površinu poprečnih preseka odrezaka b) u odnosu na dužinu rezne ivice u kontaktu sa materijalom Zbog određenih anomalija kao što je, na primer, da porastom površine poprečnog preseka odreska pokazatelj kL raste, a pokazatelj kF opada, u primeni je i treći pokazatelj kFL, a koji predstavlja: - odnos tangentne komponente sile kopanja i kvadratnog korena iz proizvoda zbirne površine poprečnih preseka odrezaka i zbirne dužine reznih ivica koje su u kontaktu sa materijalom kFL (N/cm). Specificni otpor materijala na kopanje po površini poprecnog preseka odreska Specifični otpor materijala na kopanje po površini poprečnog preseka odreska kF definisan je odnosom sile kopanja i srednje zbirne površine poprečnih preseka odrezaka svih vedrica koje se istovremeno nalaze u kontaktu sa materijalom, odnosno u procesu rezanja. Dakle, ovaj pokazatelj je definisan izrazom: Kako je obodna sila na rotoru definisana izrazom: i da se sila kopanja može odrediti po obrascu: pri čemu je snaga potrebna za kopanje: Sledi da se specifični otpor materijala na kopanje dobije na taj način što se od obodne sile oduzme sila potrebna za podizanje materijala u vedricama do visine pražnjenja i razlika podeli sa zbirnom površinom poprečnih preseka svih odrezaka koji se istovremeno isecaju iz materijala. Specificni otpor materijala na kopanje po dužini reznih ivica vedrica Specifični otpor materijala na kopanje po dužini reznih ivica kL predstavlja odnos sile kopanja i srednje zbirne dužine reznih ivica svih vedrica koje se istovremeno nalaze u kontaktu sa materijalom. Prema tome ovaj pokazatelj definisan je izrazom: I kod pokazatelja kL tangentna komponenta otpora na kopanje određuje se na način koji je objašnjen. Dužina reznih ivica svih vedrica koje se istovremeno nalaze u kontaktu sa materijalom određuje se na način koji sledi u daljem tekstu. 3.4. Kapacitet rotornog bagera Kapacitet kontinualnih sistema sa rotornim bagerima najviše zavisi od prvog i osnovnog elementa sistema - rotornog bagera. Kapacitet rotornog bagera predstavlja efekat rada izražen u m (ili t), otkopane mase u jedinici vremena i izražava se kao: teoretski kapacitet, tehnički kapacitet, eksploatacioni kapacitet i efektivni kapacitet [36], [38], [39], [40], [48], [52]. Teoretski kapacitet dobija se na osnovu konstruktivnih i kinematskih karakteristika bagera. Tehnički kapacitet, pored konstruktivnih karakteristika bagera, obuhvata faktore uticaja radne sredine (otpor kopanju, raspucalost, plastičnost, lepljivost, parametre za stabilnost kosina) i tehnologije rada bagera u bloku, odnosno, učešće čistog vremena otkopavanja u ukupnom proizvodnom vremenu za otkopavanje bloka. Eksploatacioni kapacitet u suštini predstavlja tehnički kapacitet korigovan učešćem zastoja, koji se javljaju u toku planiranog radnog vremena i ukupnog vremena rada. Izražava se za određeni vremenski period eksploatacije. Pored planiranih zastoja sistema i zastoja zbog manevarskih i pomoćnih operacija kod proračuna eksploatacionog kapaciteta uključeni su i neplanirani zastoji. Efektivni kapacitet dobija se na kraju kalendarskog perioda po tačnom utvrđivanju efektivnog radnog vremena i ukupno izmerenih otkopanih količina otkrivke ili uglja. Prema tome, kapacitet rotornog bagera zavisi od sledećih grupa uticajnih faktora: - Konstruktivni i kinematski parametri kopanja i transporta, prečnik rotora i dužina strele, zapremina, broj i konstrukcija vedrica, brzine rotacije, okretanja, spuštanja i podizanja radnog organa, vreme reverzije okretanja strele, tip i brzina mehanizma za transport bagera, dinamičke karakteristike, čvrstoća, dugovečnost i sigurnost osnovnih delova; - Fizičko-mehaničke osobine stenskog materijala, u prvom redu njegov specifični otpor kopanju, lomljivost, raspucalost u masivu, plastičnost, lepljivost, vlažnost i dr.; - Stepen podudarnosti tehnoloških elemenata otkopa (širine bloka, visine i ugla kosine etaže) sa parametrima bagera; - Sistem eksploatacije i organizacija rada na površinskom kopu (elementi sistema eksploatacije, broj i vreme radnih smena u toku godine, sistem eksploatacije, dužina fronta, vrsta i organizacija transporta i dr.). Između nabrojanih uticajnih faktora, samo su konstruktivni i kinematski faktori za određeni model bagera konstantni. Ostali uticajni faktori su promenljivi i zavise od uslova eksploatacije. Teoretski kapacitet rotornog bagera računa se kao proizvod računske zapremine jedne vedrice (E) i broja istresanja na minut (n): Pošto se vedrice pune rastresenim materijalom, to se i teoretski kapacitet prikazuje u m /h rastresenog stenskog materijala. Teoretski kapacitet pokazuje konstruktivne i energetske mogućnosti rotornog bagera i ograničen je zapreminom vedrica na rotoru, snagom pogona ili propusnom moći transportera. Teoretski kapacitet rotornog bagera može se računati i preko zapremina rezova po formuli: gde je: c - debljina reza (m), v - brzina okretanja strele rotora (m/min), h - visina reza (m). Tehnički kapacitet rotornog bagera je njegov maksimalno mogući kapacitet u određenom otkopu i steni. U tehničkom kapacitetu su uključena svojstva stene i organizacija procesa otkopavanja otkopa, a računa se po formuli: gde je: kp - koeficijent punjenja vedrica, kr - koeficijent rastresitosti stene, ko - koeficijent otkopa (produktivnosti). Koeficijent otkopa ili koeficijent produktivnosti uzima u obzir uticaj svih manevarskih operacija u otkopavanju bloka: približavanje bagera otkopu, spuštanje rotora i odmicanje bagera, prelaz na obradu sledećeg bloka (u sledeći ciklus otkopavanja), tj. približavanje bagera bloku i podizanje rotora. Pored toga, ovim koeficijentom se uzimaju u obzir i gubici kapaciteta od ubrzanja i usporenja okretanja strele u početku i na kraju rezova reverziranja, gubici usled srpastog oblika rezova, van oblasti regulacije i gubici zbog smanjenja visine krajnjih rezova prema otkopanom prostoru. Manevarski pokreti rotornog bagera koji znatno utiču na kapacitet bagera zavise od geometrije radilišta i konstruktivnih parametara bagera. Manevarski pokreti mogu biti u vertikalnim ravnima i obuhvataju dizanje i spuštanje rotora, produžavanje strele rotora i kretanje bagera i bočni koji obuhvataju neproduktivne pokrete strele oko vertikalne ose bagera uglavnom zbog promene reza koji se otkopava i otkopavanja Dokazano je da osnovni uticaj na kapacitet imaju manevarski pokreti u vertikalnim ravnima. Uticaj bočnih manevarskih pokreta je zanemarljiv, posebno ako je vešt rukovaoc bagera. Veća dubina napredovanja čela, porast širine bloka, i povećanje ugla nagiba čeone kosine smanjuju manevarske pokrete za vreme rada i povećavaju kapacitet bagera. Povećanje visine etaže dovodi do porasta manevarskih pokreta i pada kapaciteta bagera. Najmanje manevara vrši se kod etaže koja se sastoji iz jednog pojasa, ali su sa aspekta tehnologije rada povoljnije visoke etaže. Tehnički kapacitet se može izraziti i kao odnos zapremine bloka i proizvodnog radnog vremena za otkopavanje bloka: gde je: V - zapremina bloka, Tb - vreme otkopavanje bloka. Zapremina bloka se izražava kao proizvod širine visine i dužine bloka: Osnovna proizvodna operacija rada rotornog bagera je otkopavanje ili rezanje i izvodi se na geometrijskom i tehnološkom delu bloka koji se zove rez, kružnim kretanjem strele sa rotorom na širini bloka. Zapremina reza iznosi: gde je: B - širina bloka, h - visina reza, c - debljina reza. Geometrijski elementi za proračun zapremine su prikazani na Slici 3.26. Slika 3.26. Geometrijski elementi za proračun zapremine reza Oznake na slici predstavljaju: B - Širina bloka, Bs - Spoljašnja širina bloka, Bu - Unutrašnja širina bloka, H - Visina pojasa (reza), c - Debljina reza, P^ - Ugao okretanja na stranu ka masivu, p2 - Ugao okretanja na stranu ka otkopanom prostoru. Širina bloka (B) sastoji se od delova bloka, u odnosu na osu kretanja bagera: - prema masivu: Bu = Rk sinP 1 i - prema otkopanom prostoru: Bs = Rk sinP^, pa je: Vreme otkopavanja bloka (Tb) se može izraziti na sledeći način: >de su:N - broj pojaseva na visini bloka, N = H/(0,5 ^ 0,7)D, n - broj rezova na dužini bloka, n = Lb/d, i - broj pojasa, j - broj reza, tr - vreme otkopavanja reza, tpr - vreme promene reza, tp - vreme promene pojasa, tb - vreme promene bloka. Eksploatacioni kapacitet rotornog bagera, pored nabrojanih faktora koji utiču na tehnički kapacitet, odražava još i uticaj organizacije rada bagera, transporta i održavanja u određenom vremenskom periodu, a računa se po formuli: gde je: T - posmatrano vreme (h), Kv - koeficijent iskorišćenja vremena, računa se po formuli: Kv = (T-tpZ-tnz)/T, (3.101) tpz - vreme planiranih zastoja (neradno vreme, mesečni planski preventivni pregledi i opravke, godišnji, srednji i veliki remonti, rekonstrukcije), tnz - vreme neplaniranih zastoja. Korišćenjem statističkih podataka i moderne računarske tehnike, eksploatacioni kapacitet (Qes) rotornog bagera u bilo kom razmatranom kalendarskom periodu vremena (smena, nedelja, mesec ili godina) (Tk) računa se iz izraza: gde je: Kt - koeficijent tehnološkog iskorišćenja vremena rada bagera dat formulom: tv - ukupno vreme rada bagera, tp - ukupno vreme pomoćnih tehnoloških operacija koje obuhvata manevrisanje u bočnoj i vertikalnim ravnima, pomeranje transportera, obilaženje transportera na kraju fronta, itd., Kth- koeficijent tehničkog iskorišćenja vremena u razmatranom periodu kalendarskog vremena To - vreme tehničkog opsluživanja bagera, Tr - vreme remonta bagera, Ko - koeficij ent organizacionog iskorišćenja vremena: to - ukupno vreme zastoja iz organizacionih razloga. Savesnim prikupljanjem podataka o navedenim vremenima i njihovom obradom dobijaju se objektivne vrednosti ostvarenih kapaciteta, a mogu se relativno precizno predvideti pokazatelji pouzdanosti bagera i njegov kapacitet. 4. MODELIRANJE PROCESA OTKOPAVANJA I PRORACUN ELEMENATA REZA I ODRESKA U Centru za površinsku eksploataciju iz Beograda, formiran je Simulacioni model rada rotornog bagera koji omogućava analizu većeg broj ulaznih parametara u relativno kratkom vremenskom intervalu [38], [39], [40], [57]. Kod formiranja modela simulacije rada rotornog bagera korišćeni su podaci iz modela radne sredine (poglavlje 2.2. - Dosadašnja iskustva istraživanja predmetne problematike u konkretnim uslovima radne sredine na primeru Površinskog kopa Gacko). Primenjena je digitalna simulacija i to diskretno-vremenski sistem simulacije. Ovakav simulacioni pristup najviše odgovara pošto se određene interakcije delova sistema dešavaju u diskretnim vremenskim intervalima. Sam razvoj modela ili sistema simulacije izvršen je analitičkom pripremom na osnovu kompletne dekompozicije procesa rada bagera u vremenu pogonske spremnosti. Pošto određivanje tehnoloških parametara rada rotornog bagera i proračun kapaciteta u suštini predstavljaju kompleks usklađenja tehničko-tehnoloških karakteristika bagera sa parametrima radne sredine, model simulacije rada rotornog bagera pruža mogućnost za analizu većeg broja mogućih kombinacija uz uključivanje niza parametara koji svojom interakcijom imaju znatan uticaj na krajnje rezultate. Zbog toga simulacija predstavlja analizu stvarnog stanja i otvara mogućnost za veliki broj eksperimenata na modelu u cilju dobijanja informacija o ponašanju sistema u različitim tehnološkim uslovima. Potrebno je naglasiti da proces simulacije sam po sebi apriori ne daje optimalno rešenje primene rotornog bagera, ali uz pomoć metode iteracije, na osnovu više uzastopnih prolaza uz modifikaciju ulaznih parametara može se dovesti do optimalnog rešenja. Konkretno to se odnosi i na promenu tehnoloških parametara (broj pojaseva, debljina reza, brzina okretanja strele rotora, širina bloka, itd.), u okviru ograničenja na bazi fizičko-mehaničkih karakteristika do postizanja maksimalnog kapaciteta sistema u odnosu na sve prethodno dobijene rezultate analize. Radi se zapravo o variranju parametara ili grupa parametara u procesu simulacije sa nastojanjem da se odrede one veličine koje daju maksimalne krajnje rezultate. Prema tome, model simulacije po svojoj prirodi simulira uticaj radne sredine preko promena tehnoloških parametara i njihovo uzajamno dejstvo. Osnovni elementi za model simulacije rada rotornog bagera su rotorni bager sa kinematsko konstruktivnim karakteristikama i determinisana radna sredina sa fizičko- mehaničkim karakteristikama. Kinematsko-konstruktivne karakteristike bagera koje su neophodne u proceduri analize su: - Visina kopanja Hk; - Dužina strele rotora Lk; - Visina rotora do reduktora hr; - Prečnik rotora D; - Zapremina vedrice V; - Broj istresanja n^; - Visina bočne ivice zuba vedrice cB; - Osnovne brzine horizontalnog kretanja strele sa rotorom v^-v^; - Maksimalna brzina horizontalnog kretanja strele sa rotorom vk max; - Brzina vertikalnog kretanja strele sa rotorom vk; - Brzina kretanja bagera Vk; - Debljina strele rotora od ose do donje ivice hk; - Visina vešanja strele sa rotorom u vertikalnoj osi bagera Ho; - Horizontalno rastojanje vešanja strele od ose bagera X; - Dužina uređaja za kretanje od ose bagera prema čeonoj kosini F; - Uglovi slobodnog rezanja as1- as2; - Parametri za proveru snage motora. Polazna pretpostavka je da se reznom silom bagera mogu savladati otpori kopanju materijala koji se javlja na okonturenom prostoru površinskog kopa, podešavanjem geometrijskih parametara reza. U modelu simulacije rada rotornog bagera tehnološki proces na otkopavanju sastoji se od osnovnih i pomoćnih operacija tako da se kao tehnološki zaokružena celina za proračun tehničkog kapaciteta izdvaja blok, gde je zaokružen ciklus svih radnih i pomoćnih operacija bagera. Osnovna operacija je rezanje materijala, odnosno otkopavanje, dok su pomoćne operacije manevarski pokreti bagera u pripremi za otkopavanje, tako da je ukupno vreme rada bagera pored vremena za otkopavanje opterećeno i vremenom za pomoćne operacije. Modelirane pomoćne operacije obuhvataju: - Pomeranje bagera za sledeći rez; - Manevar bagera za sledeći niži pojas; - Manevar bagera za sledeći blok. Obuhvatanjem svih vremena u kojima se odvijaju radne i pomoćne operacije na otkopavanju bloka dolazi se do ukupnog vremena za otkopavanje bloka prema formuli (3.97). Ako se posmatra dominirajuća šema rada rotornog bagera u bloku, kontinualnost dejstva pri otkopavanju je uslovna. Bager periodično ponavlja određene operacije i manevre. Proces kopanja počinje od gornjeg pojasa koji se po dužini bloka zahvata sa više rezova dok se ne postigne maksimalna dužina bloka. Bageri ne mogu da održe stalnu debljinu reza pa se punjenje vedrica obezbeđuje povećanjem širine odreska koja počinje odmah po izlasku strele rotora iz ose kretanja bagera. Ovaj manevar je automatski regulisan obično do otklona od 60o, a zatim ostaje sa konstantnom brzinom do kraja okretanja. Sledi manevar spuštanja rotora za visinu pojasa na sledeći niži pojas, pa se cela operacija ponavlja sekvencijalno do potpunog otkopavanja bloka na svim pojasevima, odnosno po visini etaže. Tada počinje ponavljanje celog ciklusa. Ovo pokazuje da je proces otkopavanja u bloku cikličan proces. Prisutan je sve vreme kontinuitet pogona sistema, ali nije kontinuitet toka materijala. U ciklusu otkopavanja postoje operacije koje su determinisane veličine i operacije sa vremenima koja su slučajne veličine. Determinisane veličine su vreme otkopavanja reza (tr) i broj pojaseva (N). Slučajne veličine su broj rezova na dužini bloka, vreme promene reza, vreme promene pojasa i vreme promene bloka. Vremena svih manevarskih i pomoćnih operacija su slučajne veličine. Najkraće vreme ovih operacija se može definisati na osnovu kinematskih karakteristika bagera: brzine kretanja bagera, brzine horizontalnog i vertikalnog kretanja strele rotora. Takođe, na osnovu konstruktivnih karakteristika može se definisati maksimalna debljina reza, sa kojom se otkopava najmanji broj rezova na dužini bloka. Odavde proizilaze ograničenja na osnovu kinematsko-konstruktivnih karakteristika prema kojima se dobijaju minimalne vrednosti za vremena pomoćnih operacija u idealnim uslovima rada. U realnim uslovima rada rotornog bagera snimanjem pomoćnih operacija, broja i debljine rezova, mogu se utvrditi ograničenja pojavljivanja maksimalnih vrednosti slučajnih veličina tako da se definiše interval pojavljivanja ispitivanih vrednosti i to: - d (dmax-dminX - n (Lb /dmax-Lb /dmin), - "tpr (tpr min-tpr maxX - ^p (tp min-tp maxX - "tb (tb min-tb max^ Statističkom analizom dobija se raspodela pojavljivanja navedenih vrednosti na konstatovanim intervalima između minimalnih kinematsko-konstruktivnih i maksimalnih, praktično utvrđenih vrednosti tako da je moguće preuzeti realno stanje sistema za model simulacije kao empirijske raspodele. Pomoću generatora slučajnih brojeva sa empirijskih raspodela izraženih preko kumulante, dobijaju se potrebne vrednosti za sve navedene slučajne veličine u toku simulacije. Procedura utvrđivanja tehnoloških parametara rada bagera sprovodi se za sve definisane karakteristične slučajeve za radnu sredinu. Formiranje baze pravila tehnoloških parametara rada bagera na osnovu karakterističnih slučajeva ima i alternativnu mogućnost. Posle interpolacije kao što je navedeno, nosioci informacija o radnoj sredini su miniblokovi sa nizovima podataka o strukturnim i fizičko-mehaničkim karakteristikama. Za svaki od miniblokova moguće je, primenom modela simulacije, izvršiti ispitivanje mogućih tehnoloških parametara rada rotornog bagera i usvojiti za bazu pravila one kojima se postiže najveći kapacitet proizvodnje. Posle toga i tehnološki parametri rada bagera povezani su sa težištima miniblokova i identifikuju se na celoj površini minibloka prilikom nailaska bagera. Ova procedura je potpuno logična i jasna i predstavlja osnovnu ideju za kompleksnu analizu rada bagera u realnom prostoru i vremenu i sagledavanje dinamičkog karaktera proizvodnje. Međutim u kontekstu analize rada rotornog bagera, primenom modela simulacije pojedinačno po miniblokovima, postavlja se pitanje racionalnosti obrade, prvo zbog velikog broja miniblokova i drugo zbog potrebe da se izvrši analiza više mogućih kombinacija tehnoloških parametara pojedinačno po svakom bloku. Zbog toga su za ispitivanje tehnoloških parametara rada bagera izdvojeni karakteristični slučajevi koji predstavljaju radnu sredinu realnog prostora površinskog kopa. Kod većeg raspona oscilacija strukturnih i fizičko-mehaničkih karakteristika, broj karakterističnih slučajeva je veći. Obrnuto, kod manjeg raspona u kome se javljaju vrednosti debljine i vertikalnog položaja proslojaka i fizičko-mehaničkih karakteristika, izdvaja se i manji broj karakterističnih slučajeva koji se detaljno analiziraju. Broj karakterističnih slučajeva zavisi od veličine intervala podele raspona pojavljivanja parametara radne sredine i istovremeno od veličine ovog intervala zavisi i stepen poklapanja karakterističnih slučajeva sa konkretnim uslovima radne sredine u minibloku. Kada se u konkretnim uslovima pojavi razlika između usvojenih i realnih vrednosti, onda se karakterističan slučaj radne sredine sa usvojenim tehnološkim parametrima, svodi na konkretne uslove radne sredine. Pošto izdvojeni karakterističan slučaj tada predstavlja osnovu od koje se polazi, prvo se koriguju (ili usklađuju) visine pojaseva, pa zatim debljine rezova u skladu sa prisutnim otporom kopanja. Razlike debljina pojaseva koje nastaju su veoma male, tako da praktično nemaju uticaja na definisani nagib kosine etaže i po pravilu on ostaje isti. Primena karakterističnih slučajeva ne odstupa od osnovne ideje, ali celu analizu svodi na racionalniju dužinu obrade. Pojedinačna analiza tehnoloških parametara rada bagera za svaki miniblok ili preciznije, za svaki blok rotornog bagera, predstavlja stalnu alternativnu mogućnost kod prediktnog modeliranja. Direktno se može primeniti i za automatizovano formiranje i dopunjavanje baze pravila kod direktnog upravljanja proizvodnjom rotornog bagera istim ovim modelom, koji tada dobija normativni karakter. Proračun kapaciteta rotornog bagera u modelu simulacije je izvršen prema metodologiji koja je prikazana u sledećem tekstu. gde je: E - zapremina vedrice (m ), n - broj istresanja vedrica rotora u minuti (min-1), hi - visina pojasa (m), c - debljina odreska (m), vbmax - maksimalna brzina okretanja strele rotora (m/min). Osnovna brzina okretanja strele rotora: Srednje brzina okretanja strele rotora: gde je: fti - ugao okretanja strele rotora prema unutrašnjoj bočnoj kosini (°), f$2 - ugao okretanja strele rotora spoljašnjoj bočnoj kosini (°), ^ri - ugao regulacije u pojasu (°), Srednje vreme okretanja strele rotora: gde je: L - dužina strele rotora (m), e - horizontalno rastojanje tačke vešanja strele rotora od vertikalne ose okretanja bagera (m), r - poluprečnik rotora (m). Vreme promene reza u bloku: gde j e: cmax - maksimalna debljina reza (m), vt - brzina transporta bagera (m/min). Broj rezova u pojasu se određuje shodno zavisnosti: gde je Lbmin dužina otkopavanja bloka za jedan tehnološki ciklus, koja se dobija na osnovu ograničenja dok strela ne udari u drugi donji pojas i iznosi: Vreme promene pojasa: gde je: Lb - dužina otkopavanja bloka za jedan tehnološki ciklus (m). Vreme promene bloka definisano je izrazom: Vreme otkopavanja bloka: Zapremina bloka: Tehnički kapacitet rotornog bagera, za definisane tehnološke parametre, iznosi: gde je: ko - korekcioni koeficijent koji uzima u obzir uslove otkopavanja materijala, a iznosi 0,97. Prosečni tehnički kapacitet - Qthpr manji je od tehničkog kapaciteta dobijenog na bazi tehnološke šeme otkopavanja bloka zbog čisto tehnološke nemogućnosti da se neprekidno radi u regularnom bloku tj. zbog gubitka u kapacitetu kod usecanja bagera na kraju etaže u novi blok. Shodno tome prosečni tehnički kapacitet bagera iznosi: gde je: kg - koeficijent gubitka u kapacitetu zbog usecanja bagera u novi blok sveden na kapacitet bagera u regularnom bloku: Le - dužina etaže (m), l - dužina zone u kojoj se vrši usecanje u novi blok (m), kkl - korekcioni koeficijent tehničkog kapaciteta bagera. 4.1. Rezultati proracuna kapaciteta rotornog bagera ER-1250 16/1,5 Na osnovu prikazanog modela formiran je softver za proračun kapaciteta rotornog bagera, koji se generalno sastoji od tri dela - forme i to: 1. Forma za unos tehničkih parametara rotornog bagera (Slika 4.1.); 2. Forma za unos tehnoloških parametara rada rotornog bagera (Slika 4.2.); 3. Forma sa izlaznim podacima (Slika 4.3.) Slika 4.1. Forma za unos tehničkih parametara rotornog bagera Slika 4.2. Forma za unos tehnoloških parametara rotornog bagera Slika 4.3. Forma sa izlaznim podacima Proračun primenom modela je izvršen za rad za 9 karakterističnih slučajeva za maksimalne radne parametre rotornog bagera, pri radu sa horizontalnim i vertikalnim rezovima za sledeće uslove: - Visina etaže: H = 15 m; - Vertikalna podela na pojaseve pri kombinovanom radu sa vertikalnim i horizontalnim rezovima koja se primenjuje na Površinskom kopu Gacko: 1. pojas: 3,25 m - vertikalni rezovi, 2. pojas: 9 m - horizontalni rezovi, 3. pojas: 2,75 m - vertikalni rezovi; - Vertikalna podela na pojaseve pri radu sa vertikalnim rezovima: 1., 2., 3. i 4. pojas: 3,25 m - vertikalni rezovi, 5. pojas: 2 m - vertikalni rezovi; - Dubina bloka: 3,25 m; - Obodna brzina horizontalnog kretanja rotora: 12, 18 i 24 m/min; - Debljina reza: 0,10, 0,15 i 0,20 m. Rezultati proračuna dati su u Tabelama 4.1. - 4.18. Pregledni i uporedni rezultati proračuna prikazani su u Tabelama 4.19. - 4.21. i na Slikama 4.4. - 4.6. Tabela 4.19. Rezultati proračunatih vrednosti pri radu sa horizontalnim rezovima Tabela 4.20. Rezultati proračunatih vrednosti pri radu sa vertiklnim rezovima Tabela 4.21. Uporedni rezultati proračunatih vrednosti Slika 4.4. Kapacitet rotornog bagera u bloku pri radu sa kombinovanim(horizontalnim i vertikalnim) i vertikalnim rezovima Slika 4.5. Uporedni dijagram potrebne snage za dizanje materijala pri radu sa horizontalnim i vertikalnim rezovima Slika 4.6. Uporedni dijagram raspoložive sile kopanja pri radu sa horizontalnim i vertikalnim rezovima Iz prikazanih rezultata simulacije rada i formula za proračun kapaciteta (poglavlje 3. - Teoretske osnove rada rotornog bagera), dobijaju se kapaciteti rada rotornog bagera u horizontalnom i vertikalnom rezu u automatskom režimu rada bagera (i bez pomoćnih operacija), odnosno u uslovima rada bagera kakvi su planirani za eksperimentalna merenja: 5. MODELIRANJE STRUKTURE RADNOG ORGANA I STATIČKI I DINAMIČKI PRORAČUN Uticaj različitih vrsta reza (horizontalni/vertikalni), kao i različitih parametara odreska kod otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom na dinamičko ponašanje bagera kao i na naponsko stanje celokupne konstrukcije bagera, ispitan je numeričkim putem, primenom metode konačnih elemenata na primeru rotornog bagera ER-1250 16/1,5 [11], [14], [25], [26], [32], [37], [50], [54], 5.1. Metoda konacnih elemenata, osnovne postavke Nezaobilazan korak u ispitivanju konstrukcija predstavlja numerička analiza, odnosno metoda konačnih elemenata, Model, kojim se idealizuje kontinualna (neprekidna) struktura, podelom (diskretizacijom) na male elemente pravilnog geometrijskog oblika koji se nazivaju konačni elementi, opisuje ponašanje dela strukture preko zajedničke tačke susednih elemenata (čvorna tačka), sa osobinom da je pomeranje svih susednih elemenata u njoj isto, Modeliranje predstavlja kompleksan proces preslikavanja fizičkog modela u računarski, primenom idealizacije. Fizički model, sa svojom geometrijom i graničnim uslovima (oslonci i opterećenja), pretpostavljena vrsta i raspored pomeranja, deformacije i napona po modelu, čine polaznu osnovu procesa modeliranja. Modeliranje se ostvaruje kroz izbor tipa, broja, veličine konačnih elemenata za diskretizaciju, stepene slobode čvorova i granične uslove, kao i uvođenje idealaizacija i uprošćenja. Razlikuju se statički i dinamički proračuni nosećih struktura. Modeliranje je izvršeno konačnim elementima grede i ploče. 5.1.1. Konačni element grede - ukupno naprezanje, matrica krutosti, opterećenja i masa Konačni element grede definisan je lokalnim koordinatnim sistemom (xyz), geometrijskim karakteristikama poprečnog preseka za glavne ose (Ax, Ay, Az, Ix, Iy i Iz), dužinom (L) i materijalom (E i v (G)). Podužna osa x definisana je sa početkom u prvoj i smerom ka drugoj tački, dok se poprečne glavne ose y i z zbog moguće proizvoljne rotacije oko x ose definišu dopunskim uglom ili tačkom. Naprezanje i krutost grede se sastoji iz sledećih potpuno nezavisnih naprezanja: - podužno (aksijalno) naprezanje štapa, - uvijanje (torzija) štapa, - savij anje grede u x-y ravni i - savij anje grede u y-z ravni. Podužno naprezanje i uvijanje zahtevaju po jedan stepen slobode (x translacija i rotacija), dok oba savijanja zahtevaju po dva stepena slobode (translacija y/z i rotacija z/y) krajnjih čvorova elementa. Tako se dobija svih šest stepena slobode čvorne tačke, odnosno 12 stepeni slobode elementa koji ima dve čvorne tačke. Tačke unutar elementa imaju samo pomeranja, a nemaju rotacije. Oznake i pozitivni smerovi veličina grede prikazane su na Slici 5.1. Slika 5.1. Oznake i pozitivni smerovi veličina grede Matrica krutosti elementa grede u prostoru reda 12*12 glasi: Clanovi i podmatrice krutosti sa stepenima slobode glase: Opterećenje elementa grede glasi: Matrica masa bez momenata inercije nosivosti glasi: Pošto je matrica krutosti grede u prostoru reda 12*12 onda i matrica transformacije veličina iz lokalnog u globalni sistem mora biti istog reda (12*12). Ona ima kvazidijagonalni oblik sa identičnim podmatricama reda 3*3 za potrebe obe čvorne tačke i tri stepena slobode translacije i rotacije odvojeno. Lokalni sistem grede je već definisan. Podužna osa grede je ujedno i lokalna x osa sa početkom u prvoj čvornoj tački i smerom ka drugoj tački. Problem transformacije predstavlja činjenica da se glavne poprečne ose (y i z) lociraju rotacijom oko lokalne x ose u zavisnosti od vrste poprečnog preseka. Ukupna matrica transformacije glasi: Clanovi podmatrice transformacije predstavljaju kosinuse pravaca lokalnih x, y i z osa u odnosu na globalne ose. Transformacija se dobija iz dva koraka (Slika 5.2.). Prvo se postavljaju lokalne poprečne ose y i ztako da z osa bude paralelna sa globalnom XZ ravni. Ukoliko se glavne ose preseka ne poklapaju sa ovako definisanim lokalnim osama imamo drugi korak koji predstavlja rotaciju osa y i zu lokalne y i z ose za ugao a. Ugao rotacije se može definisati direktno zadavanjem ugla ili da se on preračuna na osnovu definisanja dopunske tačke koja se obično locira u lokalnu xy ravan i da pri tome ne leži na lokalnoj x osi. Slika 5.2. Matrica transformacije Transformacija glasi: Matrica krutosti i vektor opterećenja konačnog elementa grede u globalnom koordinatnom sistemu glase: 5.1.2. Konačni elementploče Vrste naprezanja elementa ploče (Slika 5.3.) su: - naprezanje u ravni ploče - membransko naprezanje i - naprezanje upravno na ravan ploče - savijanje ploče. Naprezanje u ravni ploče ima dva stepena slobode translacije i dve sile u ravni i tri komponente deformacije i napona, Savijanje ploče ima stepen slobode translacije i sile u pravcu normale ploče i dva stepena slobode rotacije i momenta savijanja oko osa koje leže u ravni ploče i tri komponente deformacije i napona, U linearnoj teoriji tanke ploče, naprezanje u ravni ploče nije u sprezi sa naprezanjem upravno na ravan ploče. Ako se ploča koristi za analizu trodimenzionalnih struktura onda će zbog transformacije lokalnih veličina u globalnu doći do povezivanja (sabiranja) obe vrste naprezanja ploče, Trougaoni membranski element prikazan je na Slici, 5,4, u svom lokalnom koordinatnom sistemu i stepenima slobode, Slika 5.4. Trougaoni membranski element Stepeni slobode pomeranja tačke unutar elementa su pretpostavljene linearnom funkcijom (polinomom) koordinata tačke: Vektori deformacije, napona, pomeranja i sila i koordinate tačke unutar elementa i matrice diferencijalnih operatora, veza i elastičnosti materijala ovog problema glase: Pošto su članovi matrice [B] konstantni sledi da su i komponente deformacije u elementu konstantne. Zbog toga se ovaj trougaoni element naziva trougao sa konstantnim deformacijama (CST-ConstantStrain Triangle). Matrica krutosti trougla konstantne debljine t glasi: Red matrice krutosti je: [6*3]*[3*3]*[3*6]=[6*6]. Matrica krutosti svakog, pa i ovog elementa, se može dekomponovati na blokove po broju čvornih tačaka. Red svakog bloka, koji je kvadratni, iznosi broj stepeni slobode čvora i u ovom slučaju iznosi [2*2]. Dekomponovana matrica krutosti glasi: Dobijanje svakog bloka dekomponovane matrice krutosti je omogućeno na osnovu pravila matričnog računa u vidu: Vektor koncentrisanih masa elementa glasi: {m}e = ^ {1 1 1 1 1 1}T gde je m = pAt - masa elementa. Podela ploče preko odnosa kraće strane i debljine glasi: a) b/t < 5(8) - veoma debela ploča, b) b/t = 5(8)^8(10) - debela ploča, c) b/t = 8(10)^100 - tanka ploča i d) b/t > 100 - veoma tanka ploča (ljuska). Pretpostavke klasične teorije tanke ploče i ljuske su: - deformacije su male, - srednja ravan ploče ostaje nedeformisana u ravni i - deformacije poprečnog smicanja su nula. Druga pretpostavka razdvaja membransko naprezanje ploče od naprezanja upravno na ravan ploče. Treća pretpostavka ne važi kod debelih ploča, odnosno mora se uzeti u obzir rad poprečnih sila po debljini ploče. Naponi indukovani u elementu ploče opterećene savijanjem (poprečna sila i momenti savijanja) su prikazani na Slici 5.5. kao i sile i momenti u diferencijalno malom elementu. Slika 5.5. Naponi i sile i momenti u savijenoj ploči Priraštaji sila i momenata glase: Sile i momenti u preseku definisani preko napona po jedinici dužine preseka su: Na osnovu pretpostavki teorije tanke ploče imamo deformacije Sz=0, Yxz=0 i Yyz=0 i pomeranja w=w(x,y), u=-z-0y=-z- Dw/Dx i v=-z-0X =-z-5w/5y. Nepoznate deformacije glase: Prethodne jednačine zavise isključivo od poprečnog pomeranja w koje je u funkciji koordinata tačke x i y. Potrebno je definisati relacije momenti-pomeranja. Za ovo je potrebno znati da je tanka ploča u ravnom stanju napona kod koga je poprečni napon az zanemarljiv u odnosu na ax i oy. Relacija napon-deformacija za ravno stanje napona glasi: Zamenom jednačina deformacije u relacije napon-deformacija i tih relacija u jednačine momenta u preseku dobija se: Krutost ploče na savijanje je analogna krutosti grede na savijanje (EI), odnosno ako je v=0 dobija se i za D sledeće: Sada se mogu izračunati i poprečne sile u preseku kao: Veliki broj konačnih elemenata savijanja ploče je razvijen i prikazan u literaturi. Osnovni problem predstavlja usvajanje interpolacionog modela pomeranja w(x,y), jer on najviše utiče na tačnost rada. Nema univerzalnog modela interpolacije koji pokriva širok spektar primene, već je za svaku grupu problema potrebno iznaći najpovoljniji model. Najprostiji elementi su trougao i četvorougao. Ponovo treba napomenuti da prikazana teorija važi samo za tanku ploču i ljusku. Ako je ploča debela, potrebno je uzeti u obzir uticaj smičućih poprečnih sila na deformaciju klizanja. Trougaoni element se vrlo često koristi kod problema savijanja ploča. Kao najjednostavniji element je trougao sa 9 stepeni slobode, po tri u svakoj tački (poprečno pomeranje i rotacije oko osa koje leže u ravni ploče - w,0x i 0y) (Slika 5.6.). Slika 5.6. Stepeni slobode trougaone ploče pri savijanju Sledeći standardnu proceduru očito je da se polje pomeranja može aproksimirati sa 9 međusobno nezavisnih funkcija, odnosno polinom interpolacije trećeg reda sa 9 članova, U daljem tekstu koristi se nekomformni element T-9 Rotacije tačke glase: 9x=dw/dy i 9y=-dw/dx (znak minus zato što ova rotacija proizvodi negativno pomeranje), Pomeranje tačke unutar elementa može se napisati u sledećem obliku: Matricu diferencijalnih operatora možemo izvesti na osnovu definisanog vektora deformacije i pomeranja tačke: Vrednosti stepena slobode (pomeranja) tačaka trougla sa svojim koordinatama u lokalnom sistemu glase: Matrica izvoda putem proizvoda sledećih matrica je: Sada matrice veza glase: Na kraju matrica krutosti elementa u lokalu glasi: Pošto matrica veza [N] ne zavisi od podintegralnih veličina (zavisi samo od koordinata tačaka) daje se rešavanje samo integrala po površini i debljini elementa: Rešavanjem pojedinih površinskih integrala dobija se površina elementa i njegove statičke i aksijalne inercione momentne površine. Vrednosti ovih integrala u usvojenom lokalnom koordinatnom sistemu glase: Dalji postupak dobijanja matrice krutosti nije prikazan. Ona je reda 9*9 odnosno sa podmatricama reda 3*3 (tačke). Vektor opterećenja elementa glasi: U linearnoj oblasti sa malim deformacijama membransko i savojno naprezanje su razdvojeni. Cvorna tačka pri membranskom naprezanju ima dva stepena slobode translacije u ravni ploče (u,v), dok pri savojnom naprezanju ima jednu translaciju poprečno na ploču (w) i dve rotacije oko osa koje su u ravni ploče (0x i 0y). Šesti stepen slobode (rotacija oko ose upravne na ploču (0z) ne postoji za ovaj element. Cvor ovog elementa ima pet stepeni slobode u lokalnom sistemu. Pošto se sve veličine konačnog elementa transformišu iz lokalnog u globalni sistem, lokalni stepeni slobode čvora se pri tome premeštaju po globalnim zavisno od položaja elementa u prostoru. Takođe, pri tome se u jednom čvoru susreću i sabiraju oba naprezanja. Na Slici 5.7. prikazan je element. Slika 5.7. Element naprezanja Jednačine ravnoteže za oba naprezanja posebno glase: Jednačina ravnoteže za element sa oba naprezanja glasi: Matrica krutosti, vektor opterećenja i pomeranja u globalnom sistemu glase: [k]e =[T]T [k]e [T] , a =[T]T {s}e , {F}e =[T]T {F}e , gde su l, m i n kosinusi pravaca x, y i z ose. Matrica transformacije mora biti kvadratna reda (broj tačaka elementa * broj globalnih stepeni slobode čvorne tačke). Matrice [0] dopunjavaju matricu transformacije. 5.2. Proracun nosećih struktura Osnovna statička jednačina u matričnom obliku i globalnom koordinatnom sistemu glasi: m gde je : |K] = £ krs - globalna matrica krutosti, e=1 Je {8} = |{51}T{s2}T...{ss}T...{5n}T| - globalni vektor pomeranja, {F} = {{^{f^}T...{Fs}T...{Fn}T} - globalni vektor opterećenja, {8s},{Fs} - globalni vektor pomeranja i opterećenja čvora s, krs = [T]T[krs ]JT] - matrica krutosti KE-a u globalnom sistemu, [T] - matrica transformacija lokalnog u globalni sistem, [krs] = (|[B] [D][B]dV)e - matrica krutosti KE-a lok.sistemu, [D] - matrica elastičnosti materijala - problema, [B]=[L] [N] - matrica veza deformacije i pomeranja, [ L] - matrica diferencijalnih operatora problema, [ N] - funkcije oblika konačnog elementa, {ct} = [D]({e}g - {e0} ) = [D]([B]{8^ - {s0}e) - vektor napona konačnog elementa, {s}e = [B]{8^ - vektor deformacije konačnog elementa, {s0} - inicijalna deformacija elementa (npr. temperatura), {8}e - vektor pomeranja konačnog elementa, čvor r,s = 1, 2, 3,..., n, n - ukupan broj čvornih tačaka modela, element e = 1, 2, 3,..., m, m - ukupan broj konačnih elemenata, e - konačni element. Globalni vektor pomeranja čvorne tačke s se sastoji iz najviše tri translacije i tri rotacije (zavisi od vrste problema) koje ujedno predstavljaju stepene slobode kretanja tačke: Globalni vektor opterećenja čvorne tačke s (koncentrisano opterećenje) se sastoji najviše iz tri sile i tri momenta. Globalno koncentrisano opterećenje čvora se može generisati od spoljašnjeg globalnog koncentrisanog opterećenja čvora (c) i lokalnog opterećenja elementa (temperatura - t, površinsko - A i zapreminsko - V opterećenje) transformisanog u globalno koncentrisano opterećenje kao: Globalne veličine se dobijaju tako što se one lociraju i dodaju na globalni sistem jednačina ravnoteže, odnosno stepene slobode. Ako veličina nije definisana direktno u globalnom sistemu onda se ona transformiše iz lokalnog u globalni sistem. Na ovaj način se uslovno raznorodne veličine sabiraju, odnosno veličina se formira za globalni sistem. Metode za rešavanje statičke matrične jednačine ravnoteže podeljene su u dve grupe i to: direktne i iterativne. U direktne spadaju metode Gauss-ove eliminacije i dekompozicije Choleski, dok u iterativne metode, koje se manje primenjuju spadaju Gauss-Seidel-ova metoda i gradijentna metoda. U dinamičkom proračunu sve veličine su još u funkciji vremena. Pošto je statički proračun specijalni slučaj dinamičkog (vreme t = 0) globalna matrica krutosti ostaje ista, odnosno formira se na isti način. Na konačni element pri dinamičkoj analizi pored statičkih deluju još i dinamičke sile (inercijalne i prigušujuće sile). Pomeranje i brzina bilo koje tačke elementa sada glasi: Ne izvodeći detaljno definišu se sledeće veličine : [M] = ž mrs +[M]c - globalna matrica masa, [M]C - matrica spoljašnjih (dodatnih) koncentrisanih masa, mrs ] = (j[Nr ]T p[ Ns ]dV)e - matrica masa konačnog elementa, p - gustina, odnosno masa jedinice zapremine konačnog elementa, [B] = z[brs]e = Z(J[Nr] p[Ns]dV)e - globalno prigušenje, p - koeficijent proporcionalnosti, {s(t)}, {š (t)}, {8(t)} - globalni vektor ubrzanja, brzine i pomeranja u funkciji vremena, {F(t)} = {F(t)}c + {F(t)}e - prinudni globalni vektor sila, {F(t)}c - prinudni globalni vektor koncentrisanog opterećenja, {F(t)}e - prinudni globalni vektor opterećenja konačnih elemenata. Dinamička jednačina kretanja strukture može biti izvedena primenom Lagrange- ove jednačine ili Hamilton-ovog principa. Lagrange-ova dinamička jednačina glasi: Diferenciranjem izvedenih veličina dobija se osnovna dinamička jednačina prinudnih prigušenih oscilacija u matričnom obliku i globalnom sistemu: Matrica masa konačnog elementa i celog modela može biti definisana kao puna matrica sa inercionalnim članovima i kao dijagonalna sa koncentrisanim masama. Metoda koncentrisanih masa se više koristi (iako je netačnija) zbog mnogo lakšeg rešavanja dinamičke matrice. Po ovoj metodi se u svaki čvor konačnog elementa ravnomerno koncentriše masa elementa(me) podeljena sa brojem čvorova (n) elementa, odnosno: Dinamički model noseće strukture se svodi na konačan broj stepeni slobode. Slobodne neprigušene oscilacije u matričnom obliku glase: Ova jednačina pomnožena sa leve strane sa inverznom matricom masa može se napisati u direktnom ili inverznom obliku: Matrica [H] = [M]-1[K] se naziva dinamička matrica sistema. Pretpostavljanjem rešenja vektora pomeranja u harmoničnom obliku {8(t)} = {80}elfflt dinamička jednačina postaje (-o2[I] + [H]){80} = {0}, Determinanta ove jednačine mora biti jednaka nuli, Ona daje sopstvene vrednosti {q0} = dijag{o2^22 --2r --0n} na osnovu kojih se određuje ^{H-}ns - {^}7] - matrica sopstvenih vektora za n sopstvenih vrednosti sa ns stepeni slobode, Soptstvene vrednosti dinamičke matrice sistema pred- stavljaju sopstvene frekvence sistema (modela), Određivanje slobodnih frekvenci svih stepena slobode sistema nema tehničkog smisla (bitne su uglavnom prvih deset) i zahteva ogromno vreme rada kompjutera, Kompjuterski programi imaju mogućnost određivanja malog broja sopstvenih frekvenci, Na osnovu sopstvenih frekvenci sledi određivanje glavnih oblika oscilovanja koji treba da budu opisani glavnim normalnim q (normirane po masama) koordinatama, Metode za rešavanje dinamičke jednačine podeljene su na transformacione (Jacobi) i iterativne (Power metoda, iteracija polinomima, iteracija podprostora - Rayleigh-Ritz, metoda traženja determinante). Glavni oblici oscilovanja imaju oblike deformacija modela pod zamišljenim opterećenjem. Najlošije ponašanje konstrukcije se iskazuje prvim oblikom oscilovanja pa redom dalje. Konstrukcija ima dobro dinamičko ponašanje ukoliko je prva frekvenca velika i ukoliko je razmak između frekvenci veliki, To je moguće ostvariti ukoliko je konstrukcija izvedena sa maksimalnom krutošću i minimalnom masom. Sopstvena frekvenca je proporcionalna Vk/m , 5.3. Analiza razvijenih programa Programi koji primenjuju metodu konačnih elemenata prema nameni se mogu podeliti na programe opšte i specifične namene. Dalja podela se odnosi na vrstu analize i problema koju program rešava. Osnovni nedostaci analiziranih programa su ograničavajući faktori primene. Analizu razvijenih programa možemo podeliti u dva pravca. Prvi pravac predstavlja analiza izvornih programa prisutnim u knjigama, dok drugi analizu instalisanih programa. Lista nekih instalisanih programa glasi: ADINA, ANSYS, ASKA, BERSAFE, DYNAL, IMAGES, MARC, MSC pal-cal, NASTRAN, NISEE, NONSAP, SAP IV-V-80-81 -86-90, STRESS, STRUDL, SUPERSAP i dr. Razvijeni programi proračuna omogućavaju statički, dinamički i termički proračun linijskih, površinskih i zapreminskih problema. Komuniciranje između programa je omogućeno preko skupova podataka (datoteka). Svi skupovi podataka (datoteke) se nakon rada programa brišu osim ulaznih i izlaznih. 5.4. Model radnog organa rotornog bagera ER-1250 16/1,5 metodom konacnih elemenata Strela rotornog bagera ER-1250 16/1,5 (Slika 3.22.) je cevaste konstrukcije ukupne dužine 18,5 metara. Model strele uređen je metodom konačnih elemenata [11], [25], [26], [37]. Ukupno je definisano 5.245 čvornih tačaka, 703 linijska konačna elementa i 5.161 površinski konačni element. Model strele prikazan je na Slici 5.8. Slika 5.8. Model strele rotora Rotor bagera ER-1250 16/1,5 prečnika je 6,5 metara i na njemu je postavljeno 9 vedrica i 9 predrezača. Rotor je bezćelijskog tipa sa paocima (Slika 3.4). Model rotora urađen je metodom konačnih elemenata. Ukupno je definisano 6.736 čvornih tačaka, 93 linijska konačna elemenat i 5.058 površinskih konačnih elementa. Model rotora je prikazan na Slici 5.9. Slika 5.9. Model rotora 5.5. Staticki i dinamicki proracun radnog organa rotornog bagera ER-1250 16/1,5 metodom konačnih elemenata Na Slikama 5.10. - 5.13. prikazan je model proračuna i rezultati proračuna strele rotora metodom konačnih elemenata. Proračun je izveden za dva slučaja opterećenja: - pri punom iskorišćenju snage elektromotora (najnepovoljniji slučaj) odnosno pri isključenju sigurnosne spojnice i dodato težinsko vertikalno opterećenje (materijal u traci i sekundarne težine) i - statički proračun od inercijalnog opterećenja (1g) mase rotora i pogonske grupe. Slika 5.10. Računski modeli strele rotora a) Prvi slučaj opterećenja - maksimalna deformacija iznosi 5,5 mm b) Drugi slučaj opterećenja - maksimalna deformacija iznosi 10,8 mm Slika 5.11. Deformacija strele rotora a) Prvi slučaj opterećenja - puno iskorišćenje snage i dodato težinsko vertikalno; b) Drugi slučaj opterećenja - inercijalno opterećenje (1g) od mase rotora i pogonske grupe Slika 5.12. Ekvivalentni naponi (MPa) Analiza ponašanja strele rotora za prvi slučaj opterećenja (maksimalno opterećenje u radu) pokazuje da je povoljno. Analiza ponašanja strele rotora za drugi slučaj opterećenja (inercijalno u iznosu od 1g), takođe, pokazuje da je povoljno. Sledi dinamički proračun sopstvenih frekvenci i vibracija strele rotora. a) Prvi sopstveni oblik oscilovanja - fo1 = 4,7 Hz (282 o/min) a) Drugi sopstveni oblik oscilovanja - fo2 = 5 Hz (300 o/min) b) Treći sopstveni oblik oscilovanja - fo3 = 6,6Hz (396 o/min) c) Četvrti sopstveni oblik oscilovanja - fo4 = 7,9 Hz (474 o/min) d) Peti sopstveni oblik oscilovanja - fo5 = 11 Hz (660 o/min) e) Sesti sopstveni oblik oscilovanja - fo6 = 17 Hz (1020 o/min) f) Sedmi sopstveni oblik oscilovanja - fo7 = 22 Hz (1320 o/min) Slika 5.13. Prvih sedam sopstvenih oblika oscilovanja strele rotora Na Slikama 5.14. - 5.19. prikazan je model proračuna i rezultati proračuna rotora metodom konačnih elemenata. Proračun je izveden za dva slučaja opterećenja (položaj vedrice i predrezača u odnosu na paoke) pri punom iskorišćenju snage elektromotora (najnepovoljniji slučaj) odnosno pri isključenju sigurnosne spojnice. Slika 5.14. Računski model rotora za prvi slučaj opterećenja Slika 5.15. Deformacija rotora za prvi slučaj opterećenja Maksimalna deformacija za prvi slučaj opterećenja iznosi 82 mm. Slika 5.16. Ekvivalentni naponi rotora za prvi slučaj opterećenja (MPa) Analiza za prvi slučaj opterećenja pokazuje da je ponašenje rotora povoljno, budući da su maksimalni naponi i deformacije pri maksimalnom opterećenju znatno ispod dozvoljenih granica, odnosno maksimalni napon je oko 180 MPa. Slika 5.17. Računski model rotora za drugi slučaj opterećenja Slika 5.18. Deformacija rotora za drugi slučaj opterećenja Maksimalna deformacija za drugi slučaj opterećenja je 94 mm. Slika 5.19. Ekvivalentni naponi rotora za drugi slučaj opterećenja (MPa) Analiza za drugi slučaj opterećenja pokazuje da je ponašanje rotora povoljno, budući da su maksimalni naponi i deformacije pri maksimalnom opterećenju znatno ispod dozvoljenih granica, odnosno maksimalni napon je oko 183 MPa. Analizom rezultata statičkog i dinamičkog proračuna radnog organa (strela i rotor) može se konstatovati da radni organ ima ponašanje koje je tehnički prihvatljivo. 6. METODOLOGIJA OPTIMIZACIJE PARAMETARA REZA ROTORNIH BAGERA Optimizacijom parametara reza rotornih bagera vrši se izbor najbolje varijante iz mogućih ili povoljnih varijanti u kontekstu usvojenih kriterijuma. Takva najbolja varijanta se naziva optimalno rešenje optimizacionog zadatka i predstavlja kompromis između želja (kriterijuma) i mogućnosti (ograničenja) i najčešće predstavlja najbolje rešenje određenog matematički definisanog problema [1], [45], [46], [51]. 6.1. Definisanje zadatka optimizacije Zadatak optimizacije je da se izvrši izbor parametara reza pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom u funkciji efektivnosti i efikasnosti rada rotornih bagera. Obzirom da se otkopavanje materijala vrši sa dve tipske vrste reza (vertikalni i horizontalni), optimizacija podrazumeva izbor, pre svega vrste reza, a potom i parametara izabrane vrste reza u funkciji povećanja ukupne efektivnosti i efikasnosti rada bagera pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom. 6.2. Izbor metodologije optimizacije parametara reza rotornih bagera Iz zadatka optimizacije parametara reza očigledno je da se optimalno rešenje problema mora tražiti između više alternativa sa suprostavljenim ili delimično suprostavljenim kriterijumima koji imaju veći broj različitih atributa i neuporedive jedinice mere, itd. U ovakvim slučajevima optimizaciono rešenje se traži izborom najbolje alternative iz skupa datih, odnosno definisanih alternativa metodama višekriterijumske optimizacije. Kod metoda višekriterijumske optimizacije, suštinski drugačijih u odnosu na metode kojima se rešavaju problemi jednokriterijumske optimizacije, svi faktori koji utiču na odluku, odnosno svi ishodi koje bi imalo eventualno rešenje, posmatraju se kao kriterijumi čije vrednosti treba da budu optimalne. Dakle, treba naći rešenje koje je najbolje po svim razmatranim kriterijumima istovremeno uz uvažavanje činjenice da su oni međusobno, delimično ili potpuno konfliktni i po svojoj prirodi veoma raznorodni. Za nalaženje optimalnog rešenja ovakvih problema razvijen je veliki broj metoda i tehnika višekriterijumske analize (odlučivanja, optimizacije) i svima je zajedničko: - Prisustvo više kriterijuma (funkcija cilja, funkcija kriterijuma) za odlučivanje; - Neuporedivost j edinica mere kriterijuma; - Izbor rešenja. Za optimizaciju parametara reza rotornih bagera korišćena je višekriterijumska metoda sa višeatributivnom ocenom, odnosno bodovanje referentnih indikatora. Metod višekriterijumskog odlučivanja je posebno efektivan u sledećim situacijama: - Kada se donosi odluka o izboru između dva ili više mogućih, alternativnih rešenja; - Kada se odluka odnosno izbor mora sprovesti na osnovu celovite analize problema, uzimajući u obzir dva ili više kriterijuma; - Kada se želi ravnoteža očiglednih suprotnosti između ekonomskih i drugih interesa radi zadovoljenja dugoročnih ciljeva; - Kada se teži najboljem kompromisnom rešenju. Rešavanje modela višekriterijumskog odlučivanja najčešće se sprovodi kroz sledeće četiri faze: - Identifikacija problema; - Definisanje problema; - Analiza mogućih alternativa ostvarenja cilja i definisanje rezultata; - Izbor optimalne alternative rešenja problema. Identifikacija problema odnosi se na prikupljanje i klasifikaciju podataka, zatim obradu podataka i na kraju interpretaciju prikupljenih i obrađenih podataka koji će pomoći pravilnoj identifikaciji problema. Prvi korak u fazi identifikacije je selekcija podataka i informacija koje donosilac odluke nalazi iz različitih izvora. Glavni cilj selekcije je izdvajanje podataka i informacija koje su bitnije od ostalih za dati problem. Suština ove faze je prikupiti i obraditi podatke tako da se omogući formiranje modela odlučivanja. Druga faza, definisanje problema, je svakako najvažnija faza procesa odlučivanja, jer od toga kako će se definisati problem zavisi i mogućnost njegovog rešavanja. Definisanje problema je izuzetno kompleksna aktivnost i kao takva može se raščlaniti na sledeće skupove aktivnosti: - Identifikacija komponenti problema - proces uočavanja pojedinačnih komponenti problema, analiza njihovog sadržaja i analiza njihovih veza; - Analiza povezanosti problema sa drugim problemima; - Definisanje ciljeva koje treba ostvariti rešavanjem problema - ključni korak druge faze, ali i celine procesa odlučivanja, jer se isti donosilac odluke, u neizmenjenim uslovima, može različito ponašati u zavisnosti od postavljenog cilja; - Definisanje mogućih načina ostvarenja postavljenih ciljeva - korak u kom je potrebno identifikovati moguće alternative ostvarenja cilja. U trećoj fazi procesa odlučivanja vrši se analiza mogućih alternativa ostvarenja cilja, odnosno merenje efekata koji se mogu ostvariti ukoliko se te alternative realizuju. Procenat preciznosti definisanja i merenja efekata alternativa zavisi od stanja neizvesnosti u kojem se donosilac odluke nalazi. U ovoj fazi je potrebno svaku alternativu pojedinačno analizirati, odnosno izračunati rezultate u slučaju realizacije date alternative. Problem je potrebno posmatrati i šire, sa stanovišta uslova i ograničenja pod kojima se rezultati mogu postići. Stoga, u analizu treba uključiti i moguća stanja prirode koja određuju ograničenja, koja moraju da zadovolje dobijeni rezultati. Stanja prirode definišu se kao slučajni događaji, na koje donosilac odluke ne može da utiče. Ako se stanja prirode obeleže sa Sj, tada za posmatranu alternativu Ai donosilac odluke mora definisati rezultate koje treba postići posmatrano u odnosu na svako od mogućih stanja Sj koja je identifikovao. Stanja prirode mogu biti različita, tehnička, ekonomska i tako dalje, a sve u zavisnosti od problema koji se rešava. Rezultat treće faze je skup stanja prirode S = Sj i skup efekata E. Ukoliko ima m alternativa i n mogućih stanja prirode, onda skup efekata E je matrica sa m n elemenata. (6.1) gde je: eij - efekti alternative u zavisnosti od nastupanja mogućih stanja Sj. U zavisnosti od stepena neizvesnosti u kom se nalazi donosilac odluke, efekti alternativa eij mogu biti precizno definisani ili procenjeni. Poslednja faza procesa odlučivanja podrazumeva izbor najbolje alternative rešenja problema odlučivanja. Izbor je jednostavan kada neka alternativa dominira nad drugima. To će biti ona alternativa čiji su efekti bolji u odnosu na efekte drugih alternativa. Međutim, takve situacije su retke i obično je neophodno dobijeni skup efekata vrednovati prema određenim kriterijumima. Kriterijum izbora optimalne alternative definiše donosilac odluke u skladu sa njegovim subjektivnim stavom. Kod modela višekriterijumskog odlučivanja uvek postoji dva ili više kriterijuma za izbor alternative. U literaturi se mogu naći dva osnovna pristupa višestrukom odlučivanju - višeciljno odlučivanje i višekriterijumsko odlučivanje. Kod višeciljnog odlučivanja potrebno je selektovati jednu alternativu koja će maksimizirati vrednost funkcije cilja, dok se kod višekriterijumskog odlučivanja bira jedna alternativa uzimajući u obzir više kriterijuma. Sve metode višekriterijumskog odlučivanja karakterišu sledeći zajednički elementi: - Alternative - predstavljaju različite izbore akcija koje su na raspolaganju donosiocu odluke. Skup alternativa je ograničen skup, u opsegu od nekoliko do nekoliko stotina; - Višestruki atributi - Atributi se drugačije nazivaju ciljevi ili kriterijumi odlučivanja. Atributi predstavljaju različite dimenzije sa kojih se posmatraju alternative. Kriterijumi mogu imati i svoje podkriterijume, koji se dalje mogu granati na nove kriterijume. Najčešće, metode višekriterijumskog odlučivanja pretpostavljaju samo jedan nivo kriterijuma, odnosno odsustvo hijerarhije, mada postoje i metode koje podrazumevaju hijerarhijsku strukturu kriterijuma (AHP metoda); - Konfliktni kriterijumi - pošto su kriterijumi različite dimenzije istih alternativa, čest je slučaj da su oni u međusobnom konfliktu; - Neuporedive jedinice - različiti kriterijumi imaju različite jedinice mere, pa su međusobno neuporedivi. Koristeći metode višekriterijumskog odlučivanja, problem neuporedivih jedinica može biti rešen; - Težine odluka - većina metoda višekriterijumskog odlučivanja zahteva da se kriterijumima dodele težine, prema njihovoj važnosti; - Matrica odlučivanja - Problem višekriterijumskog odlučivanja najčešće se prikazuje u matričnom obliku, definisanjem matrice odlučivanja, kao u Tabeli 6.1. Redovi tabele sadrže detaljan opis ishoda alternativa Ai, po svim relevantnim karakteristikama Cj. Tabela 6.1. Matrica odlučivanja Element matrice aij predstavlja osobine alternative Ai (i = 1, 2,..., m) kada je ona ocenjena prema kriterijumu odlučivanja Cj (j = 1, 2,..., n). U procesu odlučivanja donosilac odluke određuje težine relativnih osobina kriterijuma odlučivanja wj (j = 1, 2,..., n). Matematički osnov algoritma metoda višekriterijumske analize može se opisati kao izbor jedne iz konačnog niza m alternativa Ai (i = 1, 2,..., m) na osnovu n kriterijuma Xj (j = 1, 2,..., n). Svaka od alternativa predstavlja vektor Ai = (x^, xi2,..., xij,..., xin), gde je xij vrednost j-tog atributa za i-tu alternativu. Da bi se model višekriterijumskog odlučivanja matematički formulisao, neophodne su informacije o svim alternativnim realizacijama procesa za koji se odluka donosi, kao i o ciljevima koje donosilac odluke želi da ostvari. Takođe, potrebno je utvrditi na koji način svaka od alternativa doprinosi ostvarenju postavljenog cilja. U zavisnosti od donosioca odluke, rešenje modela ne mora biti jedinstveno. 7. TERENSKA ISPITIVANJA RADA ROTORNOG BAGERA ER-1250 16/1,5 Terenska ispitivanja vrste i parametara reza izvršena su na rotornom bageru ER-1250 16/1,5 koji radi Površinskom kopu Gacko (Slika 7.1.). Ispitivanja su izvršena u veoma čvrstom materijalu sa otporom na kopanje od preko 1000 N/cm. Slika 7.1. Rad rotornog bagera ER-1250 16/1,5 u bloku Istraživanje se sastojalo u određivanju kapaciteta i merenju angažovane struje za pogon rotora, preko koje je izračunavana angažovana snaga za kopanje, specifični otpor materijala na kopanje i specifična potrošnja energije. Tehnološki, u toku rada, ispitivanja kapaciteta su izvršena u zavisnosti od debljine reza (10, 15, 20 i 25 cm) i brzine okretanja strele rotora (12, 18 i 24 m/min). Otkopavanje za iste parametre reza vršeno je prvo horizontalnim, a zatim i vertikalnim rezom, u bloku širine 25 m i visine 3,25 m. Istovremeno sa merenjem angažovane struje, vršeno je i merenje dinamičkog ponašanja bagera, merenjem ubrzanja na karakterističnim tačkama (momentna poluga reduktora), kao i merenje napona. Merenje ubrzanja vršeno je senzorom trokomponentnog ubrzanja VIBRO, Mikroelektronika Beograd - Analog device USA. Pri radu sa horizontalnim rezovima maksimalna debljina odreska bila je 20 cm, jer je nakon ove vrednosti dolazilo do preopterećenja pogona rotora i kružnog kretanja. Sa vertikalnim rezovima otkopavanje je vršeno i sa 25 cm. Rezultati merenja su prikazani u Tabelama 7.1. - 7.3. Tabela 7.1. Rezultati merenja angažovane struje za pogon rotora i otpora na 8. ANALIZA PONASANJA ROTORNOG BAGERA ER-1250 16/1,5 PRI OTKOPAVANJU MATERIJALA SA POVEĆANOM ČVRSTOĆOM Analiza ponašanja rotornog bagera ER-1250 16/1,5 pri radu u tvrdim materijalima izvršena je odvojeno za rad sa horizontalnim i vertikalnim rezovima pri radu sa parametrima odreska koji su bili istovetni za obe vrste reza. Merenja su izvršena za različite parametre reza i odreska (debljina i širina) i to: za debljinu reza 0,10, 0,15 i 0,20 m, širine odrezka 16, 24 i 30 cm, odnosno za brzinu okretanja strele rotora od 12, 18 i 24 m/min. Tokom istraživanja vršena su merenja angažovane struje za pogon rotora. Istovremeno merena je dinamika rada rotornog bagera merenjem ubrzanja na momentnoj poluzi reduktora rotora. Kontrolno je vršeno i merenje napona na konstrukciji strele rotora. Izvršena je analiza sledećih parametara za različite vrste rezova i parametre odreska, i to: - analiza angažovane struje za pogon rotora (snage koja proizilazi iz angažovane struje), - analiza specifične potrošnje energije za različite vrste rezova i različite odnose debljine i širine odrezaka, - analiza specifične sile kopanja i otpora materijala na kopanje i - analiza dinamičkog ponašanja bagera pri radu sa različitim vrstama rezova. Angažovana struja za pogon rotora Sprovedena istraživanja pokazuju sledeće rezultate: - Angažovana struja, pa samim tim i snaga pri otkopavanju materijala horizontalnim rezovima je veća u proseku za oko 50% u odnosu na dobijene vrednosti pri merenju sa vertikalnim rezovima. Prosečna vrednost angažovane struje (srednja maksimalna vrednost) pri radu sa horizontalnim rezovima bila je 710 A, dok je pri radu sa vertikalnim rezovima ova vrednost bila 475 A; - Sa horizontalnim rezovima pri debljini odreska od 20 cm i brzini okretanja strele rotora od 24 m/min dobijene su maksimalne vrednosti snage pri čemu su pogoni rotora i kružnog kretanja bili pred preopterećenjem; - Sa vertikalnim rezovima bilo je moguće otkopavanje i sa debljinom reza od 0,25 m. Razlog ovome je što rotorni bager pri radu sa vertikalnim rezovima raspolaže većom reznom silom, a samim tim i mogućnošću da za isti otpor materijala kopanju može ostvariti veći kapacitet. Slika 8.1. Angažovana struja za pogon rotora za različite tipove rezova i parametre odreska Odnos debljine i širine odreska i potrošnja energije Potrošnja energije je izračunata u funkciji angažovane snage i ostvarenog kapaciteta. Specifična potrošnja energije pri radu sa vertikalnim rezovima je u proseku manja (Slika 8.2.). Slika 8.2. Specifična potrošnja energije za različite tipove rezova i parametre odreska Merenja angažovane struje (snage) pokazala su da je za iste uslove rada (parametri odreska - odnos debljine i širine odreska) specifična potrošnja energije kod primene horizontalnog reza veća za oko 50% u odnosu na vertikalni rez. Na Slikama 8.3. - 8.8., prikazana je promena specifične potrošnje energije za različite debljine i širine odrezaka, odnosno debljine 10 cm, 15 cm i 20 cm i širine odrezaka - 16 cm, 24 cm i 30 cm. Slika 8.3. Specifična potrošnja energije za debljinu reza 10 cm i širine odrezaka 16 cm (1), 24 cm (2) i 30 cm (3) Slika 8.4. Specifična potrošnja energije za debljinu reza 15 cm i širine odrezaka 16 cm (1), 24 cm (2) i 30 cm (3) Slika 8.5. Specifičnapotrošnja energije za debljinu reza 20 cm i širine odrezaka 16 cm (1), 24 cm (2) i 30 cm (3) Slika 8.6. Specifična potrošnja energije za širinu odreska 16 cm i debljinu reza 10 cm (1), 15 cm (2) i 20 cm (3) Slika 8.7. Specifičnapotrošnja energije za širinu odreska 24 cm i debljinu reza 10 cm (1), 15 cm (2) i 20 cm (3) Slika 8.8. Specifična potrošnja energije za širinu odreska 30 cm i debljinu reza 10 cm (1), 15 cm (2) i 20 cm (3) Generalno sa povećanjem debljine i širine odreska i njihovim odnosom se smanjuje specifična potrošnja energije, s tim da je kod primene vertikalnog reza ona manja. Odnos raspoložive sile kopanja i izmerenih otpora na kopanje Raspoloživa sila kopanja se menja u funkciji parametara odreska i snage potrebne za kopanje i podizanje materijala do visine pražnjenja. Na Slici 8.9. prikazan je izmereni otpor materijala na kopanje pri otkopavanju horizontalnim i vertikalnim rezom. Slika 8.9. Uporedni prikaz izmerenih otpora na kopanje pri otkopavanju horizontalnim i vertikalnim rezom Na Slikama 8.10. i 8.11. prikazan je odnos raspoložive sile kopanja i izmerenog otpora na kopanje za vertikalni i horizontalni rez. Sa Slike 8.10. se može videti da su kod horizontalnog reza, sa brzinom kružnog kretanja od 24 m/min i debljinom reza od 20 cm, otpori veći od raspoložive sile kopanja, što je rezultiralo preoterećenjima motora za pogon rotora i kružnog kretanja. Slika 8.10. Odnos raspoložive sile kopanja i izmerenih otpora na kopanje kod otkopavanja sa horizontalnim rezom Slika 8.11. Odnos raspoložive sile kopanja i izmerenih otpora na kopanje kod otkopavanja sa vertikalnim rezom Merenja su pokazala da je veći otpor na kopanje kod primene horizontalnih rezova. Prosečne dobijene vrednosti kod rada sa horizontalnim rezovima (720 N/cm) su veće za oko 50% u poređenju sa prosečnim vrednostima dobijenim pri radu sa vertikalnim rezovima(480 N/cm). Dinamičko ponašanje bagera Analiza dinamičkog ponašanja bagera pokazala je da je za iste uslove rada (kapacitete i parametre odreska) dinamičko ponašanje kod primene vertikalnog reza daleko povoljnije. Tokom merenja registrovana su veća ubrzanja kod horizontalnog reza i to u svim pravcima kako u vremenskom tako i frekventnom domenu. Zajedničko za obe vrste reza je da su vrednosti ubrzanja izuzetno visoke što ukazuje na nepovoljan dinamički rad bagera. Vrednosti ubrzanja kreću se i do 10 m/s što se može smatrati ekstremno visokim vrednostima ubrzanja, što za posledicu ima velika oštećenja čelične konstrukcije bagera. Registrovane sopstvene frekvence pri merenju saglasne su vrednostima sopstvenih frekvenci dobijenih metodom konačnih elemenata u proračunu. Najizraženija sopstvena frekvenca je 5,1 Hz. Na Slici 8.12. prikazana su karakteristična ubrzanja u frekventnom domenu. Slika 8.12. Karakteristična ubrzanja u frekventnom domenu i ubrzanja na 5,1 Hz Prosečne srednje vrednosti ubrzanja pri radu sa horizontalnim i vertikalnim rezovima u vremenskom i frekventnom domenu prikazane su u Tabeli 8.1., a izmerene srednje vrednosti na Slikama 8.13. i 8.14. Tabela 8.1. Prosečne srednje vrednosti ubrzanja u radu sa horizontalnim i vertikalnim rezovima Na Slici 8.13. su dati uporedni dijagrami srednjih vrednosti ubrzanja u vremenskom i frekventnom domenu, i to odvojeno za horizontalni (a) i vertikalni rez (b). Slika 8.13. Uporedni prikaz ubrzanja u vremenskom domenu za horizontalni rez (a) i vertikalni rez (b) Slika 8.14. Uporedni prikaz ubrzanja u frekventnom domenu za horizontalni rez (a) i vertikalni rez (b) Kod pojedinih merenja sa vertikalnim rezom pojavljuju se veća ubrzanja samo u bočnom pravcu. Razlog ovome su verovatno samo loše projektovani rezni elementi koji materijal otkopavaju bočnom stranom zuba (Slika 8.15.). Slika 8.15. Prikaz loše geometrije zuba na bageru ER-1250 16/1,5 Rezultati svih merenja su pokazali da otkopavanje materijala sa vertikalnim rezovima ima prednosti u odnosu otkopavanje sa horizontalnim rezovima. 9. OPTIMIZACIJA PARAMETARA REZA ROTORNOG BAGERA ER-1250 16/1,5 Analiza ponašanja rotornog bagera ER-1250 16/1,5 pri radu u tvrdim materijalima izvršena je odvojeno za rad sa horizontalnim i vertikalnim rezovima pri radu sa parametrima odreska koji su bili istovetni za obe vrste reza. Merenja su izvršena za različite parametre odrezka i to za debljinu reza 0,10, 0,15 i 0,20 m i za brzinu okretanja strele rotora od 12, 18 i 24 m/min.. Rezultati merenja prikazani su u Tabeli 9.1., a sama analiza je detaljno prikazana u poglavlju 8. Tabela 9.1. Rezultati merenja pri radu rotornog bagera ER-1250 16/1,5 u tvrdim materijalima Obzirom da se otkopavanje materijala vrši sa dve tipske vrste reza (vertikalni i horizontalni), optimizacija podrazumeva izbor, pre svega vrste reza, a potom i parametara izabrane vrste reza u funkciji povećanja ukupne efektivnosti i efikasnosti rada bagera pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom. Izmerene vrednosti kapaciteta bagera, kao veoma važnog kriterijuma za izbor optimalnog rešenja, su u saglasnosti sa rezultatima dobijenih simulacijom rada rotornog bagera (poglavlje 4). Iz pomenute analize u poglavlju 8, nedvosmisleno je da su svi mereni parametri vertikalnog reza značajno veće efektivnosti i efikasnosti u odnosu na parametre horizontalnog reza, pre svega, kada se ima u vidu potrošnja električne energije (Tabela 9.1.). Kada je reč o izboru vrste reza, optimum rešenja je vertikalni rez. Sledeći zadatak optimizacije parametara reza je izbor optimuma rešenja za parametre vertikalnog reza pri čemu su analizirane sledeće varijante: - Varijanta 2 (V2): debljina reza 0,10 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 18 m/min; - Varijanta 3 (V3): debljina reza 0,10 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 24 m/min; - Varijanta 4 (V4): debljina reza 0,15 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 12 m/min; - Varijanta 5 (V5): debljina reza 0,15 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 18 m/min; - Varijanta 6 (V6): debljina reza 0,15 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 24 m/min; - Varijanta 7 (V7): debljina reza 0,20 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 12 m/min; - Varijanta 8 (V8): debljina reza 0,20 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 18 m/min; - Varijanta 9 (V9): debljina reza 0,20 m i brzina okretanja strele rotora Vb = 24 m/min. Za sve varijante definisana je lista kriterijuma: - Angažovana električna energija za pogon rotora; - Specifična potrošnja energije; - Otpor materijala na kopanje; - Dinamičko ponašanje bagera; - Tehnički kapacitet bagera. Za određivanje težine (značaja) kriterijuma definisana je sledeća petostepena skala: Važnost Težina (wi) Veoma važan 5 Donekle važan 4 Srednje važan 3 Donekle nevažan 2 Veoma nevažan 1 Značaj pojedinih kriterijuma prikazan je u Tabeli 9.2. Svaka alternativa odluke se procenjuje sa aspekta zadovoljenja svakog kriterijuma. Za izbor moguće varijante odabrani su sledeći nivoi satisfakcije: Mere za donošenje alternativnih odluka se dobijaju tako što se za svakom paru varijante i kriterijuma dodeljuje mera za satisfakciju, odnosno mera za odlučivanje. Pošto postoji četiri kriterijuma i devet alternativa za odlučivanje (5 9 = 45), dobija se 45 mera za alternativne odluke koje su date u Tabeli 9.3. Vrednosti svake alternative dobijaju se tako što se težina dodeljena kriterijumu pomnoži sa merom alternativne odluke. Dobijene vrednosti za svaku alternativnu odluku prikazane su u Tabeli 9.4. Zbir ocena (Ukupna ocena), za svaku varijantu predstavlja ukupnu vrednost alternative na bazi koje se bira optimum rešenja (najveća ukupna ocena) i donosi odluka. abela 9.4. Vrednosti alternativa za odlučivanje Prema utvrđenoj metodologiji izvršeno je rangiranje varijanti parametara vertikalnog reza pri radu rotornog bagera ER-1250 16/1,5 u tvrdim materijalima, Tabela 9.5. Kako se iz tabele vidi, optimalno rešenje dobijeno višekriterijumskom optimizacijom je Varijanta 9, odnosno maksimalna efektivnost i efikasnost pri radu analiziranog rotornog bagera postiže se pri radu sa vertikalnim rezom debljine 0,20 m i brzinom okretanja strele rotora od 24 m/min. Tabela 9.5. Rangiranje varijanti parametara vertikalnog reza 10. ZAKLJUČNA RAZMATRANJA Rotorni bager je najrasprostranjenija mašina na površinskim kopovima velikih kapaciteta i namenjen je za otkopavanje mekih i srednje tvrdih materijala. Problem se javlja kod otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom, odnosno povećanim otporom na kopanje, što dovodi do drastičnog smanjenja kapaciteta rotornog bagera, veće potrošnje električne energije, habanja zuba, pucanja vedrica i nepovoljnog dinamičkog ponašanja konstrukcije bagera koje može da prouzrokuje brojna oštećenja u prvom redu na rotoru i streli rotora, a zatim i na celoj konstrukciji bagera. Kada se desi ovakav slučaj, što je primer na površinskim kopovima u Gacku i Beočinu, onda preostaju samo dve mogućnosti. Prva je prodaja rotornog bagera kao polovne opreme i izbor neke druge tehnologije otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom, a druga je da se pristupi određenim istraživanjima u cilju poboljšanja performansi rotornog bagera. Sva istraživanja rada rotornog bagera uvek idu u pravcu poboljšanja performansi bagera, sa ciljem povećanja njegove produktivnosti, produženju radnog veka i smanjenja troškova održavanja i eksploatacije. Dosadašnja istraživanja su pokazala da se izvesna poboljšanja u radu rotornog bagera na otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom mogu postići optimizacijom određenih konstruktivnih i tehnoloških parametara, čiji je osnovni cilj praktično povećanje raspoložive rezne sile uz što veću zaštitu bagera od nepovoljnih dinamičkih udara tokom rada. Konstruktivni parametri čijom optimizacijom se može postići povećanje rezne sile bagera su: snaga pogona rotora, oblik vedrica, oblik, dimenzije i raspored zuba bagera i ugao rezanja. Tehnološki parametri čijom se optimizacijom može uticati na povećanje rezne sile kod otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom, a samim tim i na povećanje produktivnosti bagera, produženju radnog veka i smanjenja troškova održavanja i eksploatacije, su vrsta i parametri reza. Obzirom da još uvek ne postoji opšte prihvaćena metodologija određivanja uticaja vrste i parametara reza rotornog bagera u funkciji otpora na kopanje, kao i njihovom uticaju na konstrukciju bagera, u ovoj doktorskoj disertaciji je definisana metodologija istraživanja navedenog problema, koja se može koristiti pri izboru i optimalnom korišćenju rotornih bagera na površinskim kopovima u uslovima radne sredine sa povećanim otporom kopanju. Istraživanja su realizovana na teorijskom i eksperimentalnom nivou sa ciljem da se izvrši optimizacija parametara reza i odreska rotornog bagera u funkciji otpora na kopanje, potrošnje energije i dinamičkog ponašanja bagera pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom. Na teorijskom nivou su obuhvaćeni iskustveni podaci i dosadašnja istraživanja, pri čemu su korišćeni modeli simulacije, koji su zasnovani na usklađivanju kinematsko- konstruktivnih karakteristika rotornog bagera sa karakteristikama radne sredine i koji omogućavaju analizu ponašanja bagera korišćenjem većeg broja ulaznih parametara u kratkom periodu obrade. Terenska ispitivanja izvršena su na rotornom bageru ER-1250 16/1,5, koji radi na Površinskom kopu Gacko u veoma čvrstom materijalu sa otporom na kopanje od preko 1000 N/cm. Površinski kop Gacko je izabran kao karakterističan primer, ne samo po tome što se u otkrivci uglja pojavljuju veoma čvrsti materijali, nego i po tehnologiji otkopavanja. Naime, rotorni bageri od početka primene u Gatačkom ugljenom basenu rade na otkopavanju otkrivke kombinovanim rezovima, pri čemu je samo u prvom, gornjem pojasu otkopavanje vršeno vertikalnim rezovima, a ostali pojasevi su otkopavani horizontalnim rezovima (Slika 2.2.). Rezultat toga su upravo bili mala rezna sila, veće habanje i utrošak zuba, često pucanje vedrica, pucanje rotora i strele rotora i slično. Ovi problemi su se direktno odražavali na mali kapacitet rotornog bagera, nisku pouzdanost i velike troškove održavanja. Terenska istraživanja su se sastojala u merenju angažovane struje za pogon rotora, preko koje je su izračunati: specifična potrošnja energije, angažovana snaga za kopanje, specifični otpor materijala na kopanje, rezna sila i kapacitet bagera. Takođe je vršeno merenje ubrzanja i napona na karakterističnim tačkama (poluge reduktora) u svrhu praćenja dinamičkog ponašanja bagera u uslovima otkopavanja materijala sa povećanom čvrstoćom. Sva merenja su vršena ponaosob za horizontalni i vertikalni rez debljine 10, 15, 20 i 25 cm i brzine okretanja strele rotora od 12, 18 i 24 m/min (širine reza 16, 24 i 30 cm). - Raspoloživa rezna sila za savladavanje otpora na kopanje je znatno veća kod vertikalnog, nego kod horizontalnog reza; - Angažovana struja (i snaga) pri radu sa horizontalnim rezovima je znatno veća u odnosu na vertikalne rezove; - Kapacitet rotornog bagera prilikom korišćenja vertikalnih rezova je veći, jer se sa vertikalnim rezovima mogao otkopavati materijal i sa debljinom odreska 25 cm, dok je za horizontalne rezove limit bio 20 cm (pri brzini okretanja strele rotora od 24 m/min), pri čemu je dolazilo do preopterećenja motora za pogon rotora i kružnog kretanja; - Specifična potrošnja energije pri radu sa vertikalnim rezom je znatno manja, nego kod horizontalnog reza; - Raspoloživa snaga za rezanje pri radu sa vertikalnim rezom je veća nego kod horizontalnog reza zbog manjeg utroška snage za dizanje materijala; - Dinamičko ponašanje konstrukcij e je znatno nepovoljnij e kod horizontalnog, nego kod vertikalnog reza, što nepovoljno utiče na strukturu bagera; - Pobuda izazvana horizontalnim rezom je izraženija i nepovoljnija od pobude izazvane vertikalnim rezom; - Optimalni parametri vertikalnog reza za otkopavanje materijala sa povećanim otporom na kopanje u uslovima Površinskog kopa Gacko su: debljina reza 0,20 m i brzina okretanja strele rotora 24 m/min. Iz svega napred navedenog nedvosmisleno se može zaključiti da rad rotornim bagerom sa vertikalnim rezovima ima višestruke prednosti u odnosu na rad sa horizontalnim rezovima i predstavlja optimalno rešenje za otkopavanje materijala sa povećanom čvrstoćom i kao takav se može i treba primeniti na Površinskom kopu Gacko. Samim tim je dokazano da se metodološki postupak korišćen u ovoj disertaciji, može primeniti za definisanje optimalne vrste i parametara reza rotornog bagera i na drugim površinskim kopovima, gde postoji problem otkopavanja materijala sa povećanom cvrstoćom. 11. PRAVCI DALJEG ISTRAZIVANJA U toku istraživanja vezanih za optimizaciju parametara reza rotornog bagera pri otkopavanju materijala sa povećanom čvrstoćom, koja su bila predmet ove disertacije, uočen je niz problema čije bi rešavanje vodilo u pravcu poboljšanja performansi bagera sa krajnjim ciljem daljeg povećanja produktivnosti, produženju radnog veka bagera i smanjenju troškova održavanja i eksploatacije. Problematika vezana za uočene probleme konstruktivne prirode, u prvom redu nedostatke reznih elemenata, nije bila predmet ove disertacije, ali se ukazala potreba da se problemi prepoznaju i otvore na način koji treba da bude preporuka i polazna osnova za dalja istraživanja poboljšanja performansi rotornog bagera ER-1250 16/1,5. Glavni problem koji se pojavio u toku istraživanja za potrebe ove disertacije se ogleda u tome da se kod pojedinih merenja opisanih u poglavljima 7 i 8, pojavljuju veća ubrzanja u bočnom pravcu kretanja strele rotora. Uočeno je da rezni elementi (zubi), materijal otkopavaju bočnom stranom, što dovodi do prekomernog habanja zuba (Slika 8.15.) i pucanja vedrica. Zbog toga se nameće zaključak, da su rezni elementi na rotoru loše projektovani, što ukazuje na potrebu kompleksnih istraživanja: - optimalnog oblika i geometrije zuba, - optimalnog ugla rezanja, - optimalnog rasporeda i broja zuba na vedricama i - optimalnog rasporeda, oblika i geometrije vedrica. Prilikom predloženih istraživanja bilo bi poželjno da se definiše adekvatan metodološki postupak optimizacije navedenih parametara zuba i vedrica na rotoru, koji bi se mogao koristiti i za različite tipove rotornih bagera i otkopavanje materijala sa povećanom čvrstoćom u drugim uslovima radne sredine. Slika 3.2. Tipovi rotornih bagera Navedena podela nije čvrsto definisana i postoje određena preklapanja između navedenih tipova. Potrebno je naglasiti osnovne karakteristike pojedinih tipova: • A - Kompaktni (hidraulični) rotorni bageri su sa relativno kratkom strelom u odnosu na prečnik rotora, imaju veliki kapacitet u odnosu na masu i dimenzije bagera i relativno nisko težište. Nedostaci se ogledaju u relativno manjem radnom veku konstrukcije, a u tehnološkom smislu imaju niži koeficijent bagerovanja. Tipični primeri kompaktnih rotornih bagera na našim površinskim kopovima su C 700S, SRs 400, SchRs 800. Na površinskom kopu Visonta u Mađarskoj radi najveći kompaktni rotorni bager firme SANDVIK, Tip PE 100, Model 1300/1,5*20 teoretskog kapaciteta 6700 rm3/h; • B - Bageri sa C ramom imaju povezanu gornju gradnju, centralni stub i nosač Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Докторске дисертације Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. Doktorske disertacije Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Provenance A statement of any changes in ownership and custody of the resource since its creation that are significant for its authenticity, integrity, and interpretation. The statement may include a description of any changes successive custodians made to the resource. Докторати Mediator An entity that mediates access to the resource and for whom the resource is intended or useful. In an educational context, a mediator might be a parent, teacher, teaching assistant, or care-giver. Томашевић Александра Title A name given to the resource Оптимизација параметара реза роторног багера при откопавању материјала са повећаном чврстоћом Optimization of Bucket Wheel Excavator Cutting Parameters at mining Of Materials with Increased Strength Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. DD_Boskovic Sasa Subject The topic of the resource роторни багер параметри реза отпор на копање динамика багера капацитет оптимизација специфична потрошња енергије bucket wheel excavator cutting parameters resistance to digging excavator dynamics capacity optimization specific energy consumption Creator An entity primarily responsible for making the resource Бошковић Саша Publisher An entity responsible for making the resource available Универзитет у Београду - Рударско-геолошки факултет Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2016 Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Игњатовић Драган Чебашек Владимир Манески Ташко Rights Information about rights held in and over the resource Ауторство-Некомерцијално-Делити под истим условима 3.0 Србија (CC BY-NC-ND 3.0) Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource pdf Language A language of the resource српски Type The nature or genre of the resource text Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context AT-42833-0199 Description An account of the resource Откопавање материјала роторним багером је веома сложен физичко-механички процес. Показатељи ефективности тог процеса зависе од великог броја разноврсних чинилаца од којих се посебно могу истаћи: физичко-механичке карактеристике материјала који се откопава, режим рада багера и избор технолошких параметара блока, одреска и реза, геометрије ведрица и зуба итд. Посебан проблем се јавља код откопавања материјала повећане чврстоће, што је чест случај на нашим површинским коповима. Димензионисање специфичне силе копања багера према мањим масама изузетно чврстог материјала је нерационално и решење треба тражити или у откопавању ових маса другом опремом или оптимизацији рада роторног багера тј. избору оптималне врсте реза и параметара одреска у циљу смањења отпора на копање, смањења потрошње енергије и смањење динамичких утицаја на конструкцију роторног багера. Досадашњим истраживањима ове проблематике, установљено је да се извесна побољшања у раду роторног багера на откопавању материјала са повећаном чврстоћом могу постићи оптимизацијом одреĊених конструктивних и технолошких параметара, чији је основни циљ практично повећање расположиве резне силе багера и максимално искоришћење расположивих могућности багера уз максималну заштиту багера од неповољних динамичких удара током рада. Врста и параметри реза су основни технолошки параметри чијом се оптимизацијом може утицати на: смањење отпора копању у материјалима са повећаном чврстоћом, повећање капацитета роторног багера, минимизацију потрошње енергије и повољније динамичко понашање конструкције багера. То је уједно и предмет истраживања ове дисертације, а основни циљ је да се кроз спроведена истраживања дефинише методологија која ће се користити при избору и оптималном коришћењу роторних багера на површинским коповима у условима радне средине са повећаним отпором копању. Истраживања у оквиру докторске дисертације су реализована на теоријском и експерименталном нивоу. На тај начин је сагледан, отворен и детерминисан проблем, сагледана могућа и одабрана оптимална решења и извршена практична провера добијених резултата у конкретним условима радне средине. Теренска испитивања, анализа добијених резултата и оптимизација параметара реза при откопавању материјала са повећаном чврстоћом на површинском копу Гацко показала су да се најбољи ефекти рада роторног багера постижу са вертикалним резом дебљине 0,20 м, ширине 0,30 м, односно са брзином обртања стреле ротора од 24 м/мин. Доказано је да је неопходно променити постојећу технологију откопавања роторним багером, али и даљим комплексним истраживањима поставити методологију оптимизације конструкције резних елемената ротора. Mining of material by a bucket wheel excavator is a very complex physical physical-mechanical process. Indicators of the effectiveness of this process depends on a number of various factors, of which in particular may be emphasized: physical-mechanical characteristics of the material to be mined, mode of excavator operation and selection of block technological parameters, slice and cut, and the geometry of the buckets and teeth, etc. A particular problem occurs in the excavation of materials with increased strength, which is often the case in our opencast mines. Sizing of excavator specific digging forces towards smaller masses of extremely hard material is irrational and a solution should be sought either in the excavation of these masses by other equipment or by optimization of bucket wheel excavator operation i.e. in the selection of the optimal type of cut and parameters of slices in order to reduce resistance to digging, reducing energy consumption and reducing the dynamic effects on the structure of the bucket wheel excavator. Current research of this issue, it was found that certain improvements in the operation of the bucket wheel excavator on the mining of materials with increased strength can be achieved by optimizing of some structural and technological parameters, whose main goal is virtually increasing the available cutting forces of the excavator and maximum utilization of the available options with maximum protection of the excavator from the adverse impact of dynamic impacts during operation. Type and parameters of cut are the basic technological parameters that contribute to optimizing may affect: reduction of mining resistance in materials with the increasing strength, increasing the capacity of the bucket wheel excavator, minimizing energy consumption and more favorable dynamic behavior of excavator structure. It is also the subject of this thesis, and the primary goal through conducted researches is to define methodology to be used during selection and the optimal use of bucket wheel excavators in opencast mines in the working environment with the increased resistance to mining. Researches within this thesis were implemented at the theoretical and experimental levels. In this way was perceived an open and determined problem, was reviewed possible, selected optimal solutions, and carried out in practice checkups of results obtained in the concrete conditions of the working environment. Field tests, analysis of the obtained results and optimization of cutting parameters during the mining of materials with increased strength in the opencast mine Gacko has shown that the best effects of excavator operation are achieved with vertical cut and thickness of 0.20 m, width 0.30 m, i.e. with the slewing speed of bucket wheel boom of 24 m/min. It has been demonstrated that it is necessary to change the existing mining technology by the bucket wheel excavator, but also with further complex research to set up a methodology of optimizing the structure of the bucket wheel cutting elements. bucket wheel excavator capacity cutting parameters excavator dynamics optimization resistance to digging specific energy consumption динамика багера капацитет оптимизација отпор на копање параметри реза роторни багер специфична потрошња енергије