1 500 2 http://romeka.rgf.rs/files/original/Doktorske_disertacije/DD_Petrovic_Branko/DD_Petrovic_Branko.2.pdf f1d2eb52877d4e7a0dc09b3186cb0972 PDF Text Text UNIVERZITET U BEOGRADU RUDARSKO - GEOLOŠKI FAKULTET Branko M. Petrović OPTIMIZACIJA DUŽINE STRELE ROTORNIH BAGERA U FUNKCIJI STABILNOSTI KOSINA I EFEKTIVNOSTI RADA NA POVRŠINSKIM KOPOVIMA LIGNITA SRBIJE doktorska disertacija Beograd, 2016. Mentor: dr Vladimir Čebašek, docent, Mehanika stena, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Članovi komisije: dr Vladimir Čebašek, docent, Mehanika stena, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet dr Nebojša Gojković, redovni profesor, Mehanika stena, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet dr Predrag Jovančić, vanredni profesor, Mehanizacija u rudarstvu i energetici, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet dr Tomislov Šubaranović, docent, Površinska eksploatacija ležišta mineralnih sirovina, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet dr Radoje Pantović, redovni profesor, Rudarstvo i geologija, Univerzitet u Beogradu, Tehnički fakultet u Boru Datum odbrane: OPTIMIZACIJA DUŽINE STRELE ROTORNIH BAGERA U FUNKCIJI STABILNOSTI KOSINA I EFEKTIVNOSTI RADA NA POVRŠINSKIM KOPOVIMA LIGNITA SRBIJE Rezime Rotorni bageri su mašine koje se u današnje vreme najviše primenjuju u procesu masovne eksploatacije uglja zahvaljujući, pre svega, nizu tehničko- eksploatacionih prednosti u odnosu na druge vrste bagera. Raznovrsni rudarsko-tehnički zahtevi otkopavanja doprineli su razvoju nekoliko tipova ovih mašina, tako da svaki od njih ima svoje prednosti i nedostatke u odnosu na drugi tip. Predmet istraživanja u disertaciji odnosi se na izbor optimalne konstrukcije strele bagera i njene usaglašenosti sa uslovima radne sredine koji će vladati na površinskim kopovima lignita Srbije, imajući u vidu složene uslove eksploatacije (velika dubina sinklinalnog zaleganja uglja, neophodnost selektivnog rada, prisutnost nepovoljnih materijala sa stanovišta stabilnosti kosina i dr.). Polazeći od činjenice da još uvek ne postoji opšte prihvaćena metodologija određivanja optimalne dužine strele rotornog bagera, kao i njenog uticaja na konstrukciju bagera, u disertaciji je definisana celokupna metodologija istraživanja navedenog problema uz analizu i sistematizovanje dosadašnjih saznanja i rezultata istraživanja u ovoj oblasti. Pri izradi doktorske disertacije korišćene su metode modeliranja strele bagera, modeliranja radne sredine i modeliranja rada mehanizacije uz primenu realnih podataka sa površinskih kopova R.B. KOLUBARA i terenskih merenja dinamičkog ponašanja bagera u radu. Implementacija ovako koncipirane metodologije optimizacije dužine strele rotornih bagera u funkciji stabilnosti kosina, pri otkopavanju lignita Srbije, omogućila bi znatno pouzdanija rešenja, kako same konstrukcije bagera tako i geometrije kopa, tj. njegovih zahtevanih visina i uglova nagiba, uz bolje ekonomske i ekološke učinke. Ključne reči: površinski kop, parametri bloka, kapacitet, rotorni bager, strela bagera, geomehanika, stabilnost kosina, ekonomija, Naučna oblast: Rudarsko inženjerstvo Uža naučna oblast: Mehanika stena UDK: 621.879:624.131.537(043.3) 624.04:621.879.44(043.3) 1. UVOD Rotorni bager predstavlja samohodnu mašinu kontinuiranog dejstva, namenjenu za otkopavanje jalovine i korisne mineralne sirovine na površinskim kopovima. Danas je, svakako, jedna od najrasprostranjenijih mašina na površinskim kopovima lignita za otkopavanje mekih i srednje tvrdih stenskih materijala. Tokom višedecenijskog razvoja ovih mašina razvijene 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. Prednosti rotornih bagera se ogledaju kroz visoku sigurnost u radu, relativno malu ugradnju metala 0.2-1.1 t.h/m3, malu specifičnu potrošnju energije 0.15-0.5 kWh/m3 i visoki koeficijent korisnog dejstva radnog organa 0.8-0.9). Prema DIN standardu svi rotoni bageri dele se na takozvane kompaktne bagere klase A, koji se odlikuju kratkom strelom i konstrukcijom strele od punih zidova, klase B sa rešetkastom strelom i kapacitetom do 6.000 m3/h i klase C sa rešetkastom strelom kapacitetom preko 6.000 m3/h i pretovarnim mostom. Svaki od ovih tipova bagera ima svoje prednosti i nedostatke koji se ogledaju u mogućnosti ostvarivanja tehničko-tehnoloških parametara bloka i podetaže, nabavnoj ceni i dr. U prethodnom periodu prilikom izbora rotornih bagera nije primenjivana uporedna sveobuhvatna tehno- ekonomska analiza pogodnosti tipa bagera i dužine strele za konkretne uslove radne sredine lignitskih basena Srbije, pre svega sa aspekta usaglašenosti dužine strele i mogućnosti ostvarivanja zahtevanih uglova nagiba kosina koji obezbeđuju uslove stabilnosti kosina i bezbednog rada na površinskom kopu. 1.1. Predmet istraživanja Predmet ovog istraživanja je sveohuhvatna analiza i naučno zasnovana metodologija koja će omogućiti da se izabere optimalna konstrukcija strele rotornog bagera za uslove radne sredine koji će u narednom periodu vladati na našim površinskim kopovima lignita (P.K. RADLJEVO, P.K. POLJE E, P.K. POLJE F, P.K. DRMNO i dr.) imajući, pre svega, u vidu složene uslove eksploatacije kao što su velika dubina sinklinalnog zaleganja, neophodnost selektivnog rada, nepovoljni materijali sa aspekta stabilnosti kosina i dr. Izbor rotornog bagera i naročito ostvarivanje njegovog projektovanog kapaciteta u realnim uslovima na jednom površinskom kopu u najvećoj meri zavisi od usaglašenosti geometrijskih parametara strele i radnog organa sa uslovima radne sredine. Naime, izbor dužine strele je u direktnoj zavisnosti od mogućnosti ostvarivanja tehničko-tehnoloških parametara bloka i podetaže i ostvarivanja optimalnih kapaciteta. Rotorni točak (rotor) i strela rotornog točka (strela bagera) predstavljaju dva najvitalnija dela rotornog bagera. Ovi delovi bitno utiču na konstrukciju celog bagera, određuju tehnološke parametre odreska, reza i bloka, njegov proizvodni potencijal i dr.). Povećanjem dužine strele rotornog točka ostvaruju se povoljniji uslovi za otkopavanje kao i parametri bloka. Veoma je važno odrediti optimalnu dužinu strele budući da svako povećanje dužine strele rotornog točka ima za posledicu povećanje mase celog bagera i to linerano, dok se ne zahteva promena prečnika obrtno-oslonog kruga i donje gradnje, nakon čega je povećanje mase daleko veće. Prevelika dužina strele u odnosu na konkretne uslove radne sredine (broj, moćnost i položaj proslojaka) dovodi do osetnog povećanja mase bagera, a samim tim i njegove nabavne cene. Obrtnuto, poddimenzionisana dužina strele ima za posledicu osetan pad vremenskog i kapacitetnog iskorišćenja bagera, odnosno smanjenje koeficijenta efikasnosti rada bagera u bloku i nemogućnost ostvarivanja zahtevanih uglova nagiba bočnih kosina i dr., a pri tome, uslovi rada su manje bezbedni. 1.2. Cilj istraživanja Iz navedenog se vidi da je osnovni cilj istraživanja da se analizom teoretskih i eksperimentalnih istraživanja rada rotornih bagera izvrši optimizacija dužine strele rotornog bagera za uslove radne sredine lignitskih basena Srbije, a u funkciji veće stabilnosti otkopnih etaža. Primenjenom metodologijom obuhvaćeni su iskustveni podaci i dosadašnja istraživanja, savremeni postupci i metode istraživanja u ovoj oblasti. Razvojem algoritma samog toka istraživanja, uz primenu računara, omogućiće se stvaranje preduslova za izbor optimalne dužine strele rotornog bagera i njegove konstrukcije. Dobijeni rezultati obezbediće bolju efektivnost rada rotornih bagera u sklopu kontinualnih sistema i postizanje pozitivnih ekonomskih efekata što će doprineti pravilnom izboru bagera pri otvaranju novih površinskih kopova. 1.3. Osnovne hipoteze Polazeći od tih činjenica, a posebno uzimajući u obzir da još uvek ne postoji opšte prihvaćena metodologija određivanja optimalne dužine strele rotornog bagera u uslovima radne sredine lignitskih basena Srbije, kao i njihovog uticaja na konstrukciju bagera, u doktorskoj disertaciji definisana je celokupna metodologija istraživanja navedenog problema uz analizu i sistematizovanje dosadašnjih saznanja i rezultata istraživanja u ovoj oblasti . Na površinskim kopovima izvršena su ispitivanja prvenstveno uticaja dužine strele na ostvarivanje tehnoloških parametara, odnosno mogućnost napredovanja u okviru podetaže, ostvarivanje širine bloka, ostvarivanje uglova nagiba bočnih kosina i proračun kapaciteta za konkretne uslove. Dobijeni rezultati omogućiće pravilan izbor strele rotornog bagera što će uticati na veću sigurnost rada, bolju efektivnost rada rotornih bagera i BTO sistema (bager-traka-odlagač) kada se selektivno otkopavaju jalovina i ugalj, bolju stabilnost radnih i završih kosina, postizanje pozitivnih ekonomskih efekata i doprineti pravilnom izboru bagera pri otvaranju novih površinskih kopova. Prilikom izrade ove disertacije korišćeni su savremeni programski paketi za modeliranje strele primenom metode konačnih elementama, za modeliranje i proračun rada bagera u selektivnom radu, programski paketi za modeliranje i proračun stabilnosti kosina, kao i programski paketi za ekonomsku analizu. 1.4. Metodologija istraživanja Istraživanja u okviru doktorske disertacije su realizovana na teorijskom i eksperimantalnom nivou. Na taj način, potpuno je sagledan, otvoren i determinisan problem, sagledana su moguća rešenja i odabrana optimalna, a pri tome je i izvršena praktična provera dobijenih rezultata. Pri izradi doktorske disertacije korišćene su metode modeliranja rada mehanizacije, kao i metode konačnih elemenata za modeliranje radnog organa rotornog bagera (rotora) i modeliranje radne sredine u cilju određivanja dinamičkog ponašanja i tehničko-tehnoloških mogućnosti rotornih bagera, u cilju pravilnog izbora konstrukcije bagera. Provera definisane metodologije istraživanja je obavljena sa realnim podacima sa površinskih kopova R.B. KOLUBARA i terenskim merenjima dinamičkog ponašanja rotornog bagera u cilju izbora optimalnih parametara rada bagera tako da dobijeni razultati mogu biti korišćeni za izbor optimalne dužine strele rotornih bagera prilikom izbora i kupovine mehanizacije za potrebe novih rudnika lignita Srbije. Metodologija istraživanja je prikazana na Slici 1.1. i sastoji se iz tri faze: faze sistemske analize, faze modeliranja i faze optimizacije. Istraživanjem je obuhvaćeno: • Analiza celokupne problematike, posebno pristup uticajnim faktorima, stabilnosti kosina, dijagnostici ponašanja i proučavanju postojeće literature ; Izrada modela strele rotornog bagera metodom konačnih elemenata ; Proračun sopstvene frekfence i dinamičkog ponašanja radnog organa; Izrada simulacionog modela rada rotornog bagera i proračun parametra bloka i podetaže za različite tipove rotornih bagera i dužine strela ; Izrada modela radne sredine za proračun njene stabilnosti ; Terenska merenja dinamičkog ponašanja strele i potvrda modela ; Obrada i ekonomska analiza dobijenih rezultata ; Diskusija i zaključak. Slika 1.1. Metodologija istraživanja 1.5. Naučni doprinos disertacije Tema doktorske disertacije obuhvata istraživanje veoma aktuelne i značajne problematike iz oblasti površinske eksploatacije i izbora opreme za rad u složenim uslovima radne sredine (velika raslojenost uglja, složeni uslovi zaleganja i dr.). Posebna pažnja biće posvećena detaljnom izučavanju i analizi uticaja dužine strele na obezeđenje stabilnih kosina (izrada blagih kosina pri projektovanim visinama kopanja), kao i uticaj na efektivnost procesa rada bagera i ukupnu ekonomiku eksploatacije. Na osnovu postavljenih ciljeva i zadataka, disertacija treba da pruži naučni doprinos kroz: • detaljno izučavanje i analizu uticaja fizičko-mehaničkih svojstava radne sredine na stabilnosti kosina, odnosno na efektivnost procesa rada rotornog bagera ; • definisanje metodologije za izradu simulacionog modela stabilnosti kosina i rada rotornog bagera ; • definisanje metodologije za izradu modela radnog elementa rotornog bagera (strele bagera) metodom konačnih elemenata i terenskih merenja koja će verifikovati model rada bagera i dinamičko ponašanje pri otkopavanju u složenim uslovima radne sredine ; • izbor optimalne dužine strele rotornih bagera za uslove radne sredine površinskih kopova lignita u Srbiji. Sa realizacijom ovako postavljenih istraživanja stvoriće se uslovi za definisanje metodologije za optimalan izbor dužine strele uz smanjenje troškova eksploatacije. 1.6. Primenljivost rezultata istraživanja Metodologija optimizacije dužine strele rotornih bagera u funkciji stabilnosti kosina i efektivnosti rada na površinskim kopovima lignita Srbije je veoma aktuelna jer do sada prilikom izbora rotornih bagera nije vršena naučna i tehno-ekonomska analiza pogodnosti tipa bagera i optimalne dužine strele za konkretne uslove radne sredine lignitskih basena Srbije, pre svega sa aspekta usaglašenosti dužine strele i mogućnosti ostvarivanja zahtevanih uglova nagiba kosina u cilju ostvarivanja stabilnosti kosina i bezbednog rada na površinskom kopu. Predložena metodologija će stvoriti preduslove da za složene uslove radne sredine koji se očekuju u narednom periodu (P.K. POLJE E, P.K. RADLJEVO i dr.) izvrši izbor, kako optimalnog tipa bagera, tako i optimalne dužine strele. Ovakvim pristupom će se se omogućiti bezbedniji rad sa jedne strane, a sa druge strane postići će se maksimalni ekonomski efekti rada rotornih bagera. Kako se za nove površinske kopove očekuje nabavka novih rotornih bagera, metodologija i integralni tehno-ekonomski model biće prihvatljivi već u fazi izrade tehno-ekonomske dokumentacije za otvaranje kopova i nabavku nove opreme. 1.7. Struktura disertacije sa kratkim pregledom poglavlja Postavljeni ciljevi i metodologija istraživanja odredili su osnovni sadržaj disertacije koji je struktuiran u dvanaest poglavlja. U prvom poglavlju dat je prikaz postavke i opis problema, ciljevi, osnovne hipoteze, primenjena metodologija i primenljivost istraživanja, kao i kratak prikaz sadržaja rada. U drugom poglavlju dat je kratak pregled istraživanja i iskustava u predmetnoj oblasti, kako u zemlji, tako i u inostranstvu. U trećem poglavlju date se teoretske osnove rada rotornih bagera, počev od konstruktivnih karakteristika, preko tehnologije rada i kapaciteta. Četvrtim poglavljem opisano je modeliranje radne sredine na površinskim kopovima lignita, uz navođenje metoda i programskih paketa koji se tom prilikom koriste da bi se što realnije definisao prostor budućih površinskih kopova. U ovom poglavlju istaknut je značaj procesa modeliranja u svim periodima površinske eksploatacije. U petom poglavlju dat je prikaz teoretskih osnova proračuna stabilnosti kosina (uticajni faktori, karkter uticaja kada se koji faktor uzima u obzir, sadržaj i obim potrebnih laboratorijskih ispitivanja fizičko-mehaničkih svojstava materijala i metode proračuna). Prikazan je proračun faktora stabilnosti parcijalnih kosina za različite visine i nagibe etaža za uslove radne sredine R.B. KOLUBARA. U šestom poglavlju analizirano je dinamičko ponašanje i naponsko stanje strele bagera u funkciji promene dužine strele. Određene su promene sopstvenih frekfencija, mase strele i napona u funkciji dužine strele. Modeliranje je izvršeno metodom konačnih elemenata. U sedmom poglavlju prikazana su terenska ispitivanja dinamike rada rotornog bagera u konkretnim uslovima radne sredine R.B. KOLUBARA, čime je potvrđena verodostojnost modela. U osmom poglavlju izvršena je analiza tehnoloških mogućnosti za različite tipove rotornih bagera. Pre svega, razmatran je uticaj dužine strele bagera na ugao nagiba bočne kosine, širinu bloka, dužinu otkopavanja bloka u jednom tehnološkom ciklusu, kao i na sigurnosno rastojanje koje se može ostvariti između bagera i etaže. Posebno je razmatran uticaj dužine strele na kapacitet rotornog bagera, odnosno na efikasnost rada u okviru bloka kao i uticaj na stabilnost kosina i bezbedan rad bagera. U devetom poglavlju izvršena je ekonomska analiza u funkciji promene dužine strele rotornog bagera. Uzeta su u obzir neophodna investiciona ulaganja koja su neophodna zbog promene dužine strele, kao i ekonomski efekti koji se dobijaju sa povećanjem dužine strele. U desetom poglavlju data su zaključna razmatranja vezana za istraživanje uticaja promene dužine strele rotornih bagera. U jedanaestom poglavlju dat je pregled korišćene literature. 2. PREGLED DOSADAŠNJIH ISTRAŽIVANJA I ISKUSTAVA U OVOJ OBLASTI Strela bagera čini najopterećeniji i najbitniji deo konstrukcije bagera, učestvujući sa svega 6 do 13 % u masi celog bagera. Njena dužina se bira u zavisnosti od tehnoloških zahteva otkopavanja ležišta, a mora biti usklađena i sa konstruktivnim mogućnostima bagera. Na osnovu zahteva tehnologije otkopavanja koja je usaglašena sa fizičko-mehaničkim svojstvima ležišta, stvaraju se uslovi za izbor optimalnih parametara bagera, a samim tim i za određivanje potrebne dužine strele. Slika 2.1. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na težinu bagera (G) različitih kapaciteta Ruski stručnjak H.r. Dom6pobckhh je u svojoj monografiji MHOrOKOBiuOBbiE 3KCKABATOPBI [12] naznačio faktore od kojih zavisi dužina strele bagera. Konstruktivna šema bagera (prečnik rotora, visina zgloba oslonca strele, poprečni presek strele, gabariti gusenica itd.), zadata tehnologija i rudarsko-geološki uslovi rada (karakteristike i sastav materijala u kojima radi bager, visina i dubina kopanja, nagibi čeonih i bočnih kosina itd.) su najznačjniji od njih. Promena težine bagera u zavisnosti od dužine strele i prečnika rotora na primeru bagera kapaciteta Q=5000 (m3/h), prikazana je na Slikama 2.1. i 2.2. Slika 2.2. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) i prečnika rotora (Dp) na težinu bagera (G) kapaciteta Q=5000 (m3/h) Polazeći od osnovnih podataka, isti autor je dao izraz za proračun minimalne dužine strele : gde su : Ls - dužina strele bagera (m) ; Hk - maksimalna visina kopanja (m) ; hz - visina zgloba oslonca strele (m) ; Ymax - granični uglovi nagiba transportera na streli bagera (o). Takođe, za određivanje dužine strele bagera (Ls) može se koristiti približna zavisnost od prečnika rotora (Drt) : Autor Thomas Meyer (ThyssenKrupp) u svom radu Otkopavanje i transport uglja na površinskim kopovima uglja sa posebnim osvrtom na selektivno otkopavanje [33], kao i Nenad Veljković (ThyssenKrupp) u svom radu Razvoj kontinualnih rudarskih mašina u rudnicima lignita EPS-a i njihova primena u pogledu selektivnog otkopavanja [66], dali su analizu rada nekih tipova rotornih bagera na kopovima Elektroprivrede Srbije, sa posebnim osvrtom na tip bagera, dužinu strele i njihov selektivni rad. Na osnovu analize urađene uz pomoć programskog paketa CATSIM, identifikovani su oni parametri koji utiču na efikasnost rada rotornog bagera u procesu selektivnog otkopavanja. Ulazni podaci su: visina i širina bloka, uglovi nagiba kosina, teoretski kapacitet, prečnik radnog točka, položaj zgloba strele bagera, dohvat rotora, dimenzije trake, brzina kretanja, brzina okretanja strele bagera i brzina njenog podizanja. Kao rezultat se dobijaju: pojedinačno radno vreme, ukupno radno vreme za jedan blok, efektivni kapacitet i efikasnost bagera. Tom prilikom je zaključeno da u zavisnosti od dužine strele bagera, rotorni bageri otkopavaju blokove određene visine, širine i dužine, tj. sa povećanjem dužine strele bagera povećava se i dužina bloka (Slika 2.3.). Takođe, sa povećanjem zapremine bloka povećava se i efikasnost bagera. Slika 2.3. - Uticajni faktori na efikasnost rada bagera Širina bloka je određena uglom okretanja strele bagera, kao i njenom dužinom (Slika 2.4.). Analiza rada navedenih bagera rađena je za različite visine bloka i to između 8 i 22 m. Kao referentni bager uzet je bager SchRs- 630x25/6 (TIP B). Za selektivno otkopavanje urađene su varijacije ukupne visine kopanja i proizvoljno izabrane visine podetaža. Došlo se do zaključka da ne postoji velika razlika u efikasnosti između bagera tipa (A) i (B), dok je kod bagera tipa (C) uočena kao nedostatak relativno kratka dužina strele bagera (Slika 2.5.). Slika 2.4. - Određivanje širine bloka Slika 2.5. - Uporedna analiza efikasnosti rada rotornih bagera tipa (A), (B) i (C) Kao konačni zaključak navedene su prednosti koje duža strela bagera ima u odnosu na kraću, i to: • duža strela bagera je pogodnija za selektivno otkopavanje u gornjim podetažama; • duža strela bagera ima manji nagib trake na streli bagera pri radu u gornjim podetažama; • pri radu sa dužom strelom bagera, smanjuje se interval pomeranja transportera; • duža strela bagera omogućuje veće dubine kopanja; • duža strela bagera omogućuje veću dužinu i efikasnost bloka, pa samim tim i veći kapacitet; • sa dužom strelom bagera moguće je otkopavati etaže koje zahtevaju manje uglove nagiba što je posebno značajno pri radu u materijalu sa slabijim fizičko-mehaničkim svojstvima. Studija pod naslovom Istraživanje i utvrđivanje tehnološko-tehničkih osnova za projektovanje rotornih bagera za otkopavanje otkrivke i uglja na površinskim otkopima SR Srbije [52], koja je urađena od strane Stručnog tima na Katedri za mehanizaciju rudnika Rudarsko-geološkog fakulteta u Beogradu (1988. godina), imala je za cilj da na osnovu tadašnje Strategije dugoročnog razvoja energetike SR Srbije, utvrđenih rezervi uglja , rudarsko-geoloških uslova u kojima će raditi bageri, stečenih iskustava u dotadašnjoj eksploataciji i nabavci bagera, sagleda mogućnost za izbor, projektovanje i proizvodnju domaćih bagera za otkopavanje uglja i otkrivke na površinskim otkopima u SR Srbiji. Tom prilikom su obrađena dotadašnja iskustva i problematika u nabavci rotornih bagera za površinske kopove SR Srbije. Prikazani su razni tipovi bagera iz mnogih zemalja proizvođača te vrste mehanizacije (DR Nemačka, SSSR, ČSSR, SAD, SR Nemačka), date su njihove konstruktivne karakteristike kao i tehnološke šeme rada na otkrivci, uglju i odlaganju. Takođe su obrađena i poglavlja vezana za razvoj proizvodnje uglja iz površinske eksploatacije, postojeće stanje i dinamiku razvoja površinskih otkopa lignita, geološku građu, inženjersko-geološke i hidrogeološke uslove ležišta, fizičko-mehanička svojstva radne sredine sa definisanjem građe ugljenog sloja, otpore rezanja, geomehaničke uslove stabilnosti kosina i nosivosti tla, instalisane kapacitete, dinamiku proizvodnje uglja i otkrivke, prikaz i analizu uzajamnih zavisnosti geometrijskih i kinematskih parametara bagera i parametara radne sredine, procenu budućih potreba za rotornim bagerima kao i ekonomska razmatranja. Zaključeno je da je za osvajanje proizvodnje rotornih bagera, koji će biti prilagođeni radnoj sredini površinskih kopova Srbije, neophodno angažovanje velikog broja stručnjaka rudarske, mašinske, elektro, građevinske i geološke struke sa prvenstvenim ciljem da se odrede parametri mehanizacije saglasni radnoj sredini u kojoj će oni raditi, urade projekti, organizuje probni rad bagera kao i njihovo uhodavanje. Pri tome, vrlo bitan je i organizacioni faktor kome treba posvetiti izuzetnu pažnju. U svom magistarskom radu Istraživanje uzajamnog uticaja konstrukcije točka i strele rotornog bagera i njihove pouzdanosti [44], autor D. Polovina je analizom i obradom podataka za veći broj rotornih bagera pokazao značaj i ulogu njihove strele i rotora, tj. njihov uticaj na rad i pouzdanost rotornog bagera. Tom prilikom je naveo i materijale koji se primenjuju za izradu i montažu čelične konstrukcije strele, kao i antikorozionu zaštitu koja se primenjuje za njeno održavanje. Posebno poglavlje posvetio je dužini strele bagera, kao i njenom opterećenju gde je zaključeno da neadekvatno odabrana dužina strele ima za direktnu posledicu preveliku masu bagera ili nedovoljnu visinu otkopavanja. Autor S. Kovačević je u svom radu Tehničko-tehnološki zahtevi za konstruisanje rotornog bagera pogodnog za površinske kopove lignita u Srbiji [23], dao prikaz zahteva za konstruisanje rotornog bagera za rad na površinskim kopovima lignita Srbije, koji su proistekli iz sagledavanja fizičko- mehaničkih svojstava materijala u kojima će raditi bager, tehničkih parametara bloka i kapaciteta, kao i pretpostavki nekih od bitnih karakteristika tog bagera koji ispunjava napred navedene uslove. Imajući u vidu fizičko-mehaničke karakteristike materijala u kojima će raditi bager, kao i uslove koje treba da ispuni, pretpostavljeni su neki od tehničko-tehnoloških karakteristika koje bi taj bager trebalo da ima: • teoretski kapacitet između Qt = 3500-4200 rm3/h; • visina kopanja oko 20 m, sa mogućnošću rada ispod nivelete stajanja do 5m • specifični pritisak na tlo a p= 10 N/cm2; • prečnik radnog točka Drt = 12.2 VQ; • broj istresanja vedrice u min. 44-48; • brzina rezanja 2,4-2,8 m/s; • pri konstruisanju bagera težiti da odnos teoretskog kapaciteta (Qt) i ukupne težine bagera (G) bude: Autori Pavlović V., Ignjatović D., Stepanović S. i Petrović B. su u svom radu Metodologija izbora rotornog bagera za selektivnu eksploataciju uglja [38], dali prikaz metodologije izbora rotornog bagera za selektivnu eksploataciju uglja na površinskom kopu kolubarskog basena uglja P.K. RADLJEVO. Analizirani su različiti tipovi rotornih bagera (kompaktni i standardni), uz proračun tehnoloških parametara i kapaciteta, kao i utvrđivanje efikasnosti rada, procena troškova nabavke i operativnih troškova. Ulazne podatke za analize prdstavljaju: parametri radne sredine sa najznačajnijim strukturnim karakteristikama, kao što su: debljina i nagib proslojaka u uglju i kvalitet uglja. Fizičko-mehanička svojstva radne sredine utiču na dimenzionisanje otkopavanja sa parametrima bloka i izbor rotornog bagera preko moguće debljine reza i nivoa selekcije, kao i uslova vezanih za stabilnost kosina i nosivost podloge. Za svaki deo okonturenog prostora etaže vrši se interpolacija i interpretacija karakteristika radne sredine i kapaciteta bagera u selektivnom radu za različite vrednosti otpora kopanja uglja i jalovine. Za upoređenje karakteristika standardnih i kompaktnih rotornih bagera posmatrani su sledeći tehničko-tehnološki i ekonomski parametari: • tehnološke mogućnosti i konstruktivne karakteristike rotornih bagera; • investicioni troškovi; • eksploatacioni troškovi i • troškovi održavanja. Tom prilikom je konstatovano da kompaktni bageri imaju manji koeficijent vremenskog iskorišćenja rada u bloku (odnos proizvodnog i neproizvodnog vremena rada) koji iznosi 0.55 do 0.65, u odnosu na standardne rotorne bagere kod kojih je taj koeficijent od 0.75 do 0.85. Razlozi su brojni i raznovrsni a prevashodno se mogu izdvojiti nedostaci koji se ogledaju u činjenicama da manja dužina strele bagera povlači za sobom manju širinu, manju visinu i manji korak napredovanja bagera u bloku, da nije moguć nesmetani pristup dozera u cilju planiranja trase za nastup bagera, da se formiraju veći uglovi nagiba čeonih i bočnih etažnih kosina i dr. Preliminarna analiza investicionih troškova pokazala je da su kompaktni bageri nešto jeftiniji u nabavci ali da su troškovi održavanja nešto veći kao i da je nešto kraći njihov eksploatacioni vek. Prosečni eksploatacioni troškovi prema sprovedenoj analizi su kod kompaktnih bagera veći za oko 20%. Sprovedena tehno-ekonomska analiza je pokazala da je za uslove radne sredine površinskog kopa RADLJEVO, sa aspekta tehnologije rada i kapacitativnog iskorišćenja, optimalna primena rotornih bagera klase (B). U prilog tome idu i iskustva stečena na površinskim kopovima Tamnave. Ilić Lj. je u svom radu Uticaj geomehaničkih karakteristika na izbor bagera [20], prikazao rezultate višegodišnjeg istraživanja vezanih za uticaj geomehaničkih karakteristika radne sredine na izbor mehanizacije kao i dimenzionisanje geometrije etaža površinskog kopa. U konkretnom slučaju, geomehanika se u rudarstvu razvila u dva pravca i to: oblast definisanja geometrije površinskog kopa i druga oblast, izbor rudarske opreme u zavisnosti od geoloških karakteristika ležišta. Prilikom izbora rudarske opreme za površinski kop sa određenim kapacitetom, veoma je značajno da izabrani bager pored potrebnih tehničko-tehnoloških parametara (kapacitet, visina i širina bloka, nagib etaža) zadovolji i sposobnost kopanja materijala u kome će raditi, što se prvenstveno odnosi na tačan proračun njegove rezne sile. Dosadašnja iskustva pokazuju da se ponekad za definisanje karakteristika rotornog bagera razmatrao samo njegov kapacitet koga on treba da ostvari, a da se zbog zanemarivanja ostalih kriterijuma često dolazilo u nepriliku kao što je slučaj na površinskom kopu SUVODOL, kada je izabran rotorni bager SchRs- 2000, koji nije mogao u potpunosti da iskoristi svoju visinu kopanja zbog problema sa otporima pri kopanju materijala. Zato je neohodno da se nakon definisanja visine i nagiba etaže, tačno odrede i ostale osobine materijala koji se otkopava, a to su tvrdoća, abrazivnost, lepljivost, komadnost, otpori kopanja, tj. rezna sila za čije se određivanje mogu upotrebiti i neke od korelacionih metoda. Autori Cvetković M., Popović R. i Majstorović J. su u svom radu Geomehanička istraživanja u fazi eksploatacije i njihov značaj [9], dali prikaz neophodnosti geomehaničkih istraživanja u fazi rudarske eksploatacije na površinskim kopovima. Kao pozitivan primer istraživanja u procesu eksploatacije, prikazali su dva slučaja, i to: prvi slučaj se odnosi na P.K. TAMNAVA ZAPAD - RB KOLUBARA, a drugi na površinski kop boksita ZAGRAD - Nikšić. Materijal koji se otkopava, bilo da je reč o mekom tlu ili pak steni, pod dejstvom spoljnih sila se deformiše a toj deformaciji suprotstavljaju se sile unutrašnje veze. Kada spoljne sile porastu do određene veličine i kada prekorače vrednost otpora unutrašnjih sila, tada dolazi do razaranja unutrašnje veze, a time i do rušenja tla. Na ovoj jednostavnoj i osnovnoj pretpostavci zasnivaju se svi inženjerski proračuni, pa time i proračuni stabilnosti radnih etaža i završne geometrije konstrukcije površinskog kopa. Sva istraživanja rudnog ležišta počevši od geoloških preko hidrogeoloških pa do geomehaničkih, koja se obavljaju za potrebe projektovanja rudaraske eksploatacije, bez obzira na obim i vrstu istražnih radova, imaju u većoj ili manjoj meri samo prognozni karakter. Otvaranjem i razvojem eksploatacije površinskog kopa, istraživanja se moraju usmeriti prevashodno na detaljno inženjersko-geološko kartiranje kako bi se uočili i najtanji litološki članovi ili pukotine, koje se bušenjem nisu mogle identifikovati. Tako je na površinskom kopu TAMNAVA ZAPAD - RB KOLUBARA, rudarska operativa uočila jedan proslojak ugljevite gline u alevritima koji nije bio identifikovan u fazi geoloških istraživanja bušenjem. Na osnovu toga, predloženo je da se tehnologija otkopavanja otkrivke prilagodi tako da suma smičućih sila bude manja od sile otpora najslabijeg litološkog člana (upravo kod proslojka ugljevite gline), uključujući i deformacije izazvane sniženjem nivoa podzemnih voda. Otvaranje i razrada površinskog kopa ZAGRAD - Nikšić izvršeni su po projektu koji je koristio geomehaničke parametre morenskog materijala dobijene u fazi geoloških istraživanja bušenjem. Na osnovu „in-situ" definisanih vrednosti parametara čvrstoće na smicanje, došlo se do saznanja da se mogu povećati uglovi nagiba radnih etaža i završne kosine što se direktno odražava na smanjenje troškova nepotrebnog skidanja i transporta jalovinskih naslaga. U svom radu, Značaj analize stabilnosti kosina za proces eksploatacije uglja u RB KOLUBARA [42], autori Petrović B., Radisavljević Z. i Milošević D. su na nekoliko primera vezanih za R.B. KOLUBARA pokazali značaj analize stabilnosti kosina površinskog kopa i njen uticaj na dalji tok proizvodnje. Osnovni cilj kod projektovanja kosina površinskog kopa je postići maksimalan nagib za zadatu maksimalnu visinu kosine pri minimalnom faktoru sigurnosti i optimalnim uslovima stabilnosti. Pravilno definisanje geometrije kosine, kako parcijalne tako i generalne, čini nešto neizostavno već u fazi projektovanja, a tokom eksploatacije nešto obavezno. Zadnjih petnaestak godina na kopovima R.B. KOLUBARA desio se izvestan broj havarija koje su posledica upravo nepoštovanja osnovnih načela projektovanja i razvoja rudarskih radova na njima. Neopravdana improvizacija, bez relevantnih analiza i proračuna, za posledicu je imala havariju unutrašnjeg odlagališta POLJE B (pokrenuto oko 80.000.000 m3 odložene mase). U zoni severne kosine površinskog kopa POLJE D, 2011. godine je usled klizanja gornjih delova etaže (gline), došlo do oštećenja rotornog bagera (pogonska oznaka G-3), pri čemu je bager bio van upotrebe oko godinu dana (Slika 2.6.). Slika 2.6. Oštećeni bager (G-3) usled zarušavanja etaže na severnoj kosini kopa Polje D Naknadnom analizom stabilnosti pomenute kosine utvrđena je vrednost faktora sigurnosti Fs=0.83, pri koeficijentu pornog pritiska ru=0, odnosno Fs=0.62 pri ru=0.2. Slično se desilo i sredinom 2013. godine u zoni sela Junkovac, kada su usled velikog ruča pokrenute odložene mase (oko 20.000.000 m^) ugrozile nekoliko domaćinstava pomenutog sela. I ovde je bilo reči o nepoštovanju struke i rada bez prethodnih i tokom proizvodnje urađenih analiza stabilnosti kosina kopa. Autori Čebašek V. i Gojković N. su u svom radu Analiza stabilnosti kosina metodom konačnih elemenata [11], prikazali mogućnost primene konačnih elemenata za određivanje faktora sigurnosti (Fs) pri analizi stabilnosti kosina površinskog kopa. Dobijene rezultate su uporedili sa rezultatima drugih metoda koje su u upotrebi za rešavanje ove problematike. Zaključeno je da u slučaju kada je kosina izgrađena od poluvezanih i nevezanih materijala, tada je praktičnija primena metoda granične ravnoteže. Međutim, u slučaju kada kosina ima složenu građu, tako da se pored poluvezanih i nevezanih nalaze i čvrsti stenski materijali, onda je primena metode konačnih elemenata opravdana (Slika 2.7.), bolje reći i poželjna. Slika 2.7. - Model kosina sa mrežom konačnih elemenata Tehno-ekonomska analiza optimalnog izbora opreme površinskog kopa uglja [68], je rad autora Vučetić A.,Vučetić S. i Pešić M. u kome je prikazan izbor optimalnog rotornog bagera za selektivnu eksploataciju uglja sa aspekta mikroekonomije. Pri nabavci rotornog bagera za selektivno otkopavanje uglja na površinskom kopu dilema pred kojom se menadžment može naći je opravdanost izvršenog ulaganja, odnosno da li izabrati rotorni bager koji je jeftiniji ali nešto slabijih perfomansi ili skuplji ali sa boljim radnim karakteristikama. Kako bi menadžment doneo ispravnu odluku potrebno je da definiše metodologiju za optimalni izbor rotornog bagera, koja mora da bude objektivna i proveriva a rezultat koji opredeljuje izbor mora biti jasan i nedvosmislen. Kao mera za izbor uglavnom se uzima prosečni trošak proizvodnje jedne tone uglja koju otkopa bager. Kroz simulaciju rada dva izabrana rotorna bagera u periodu od 20 godina, uzeti su u obzir visina investicionih ulaganja, koja prethodi stavljanju bagera u funkciju, kao i operativni troškovi njihovog angažovanja u posmatranom periodu. Došlo se do zaključka da je i pored većeg početnog investicionog ulaganja bolje izabrati takav bager nego bager sa manjim investicionim ulaganjem, a većim prosečnim troškovima proizvodnje. T.S. Golosinski i R.K. Singhal su u svom radu Productivity from bucket wheel excavators [16], razmatrali produktivnost rotornih bagera, naglasivši da ona zavisi od nekoliko faktora i to: broja, veličine i oblika vedrica, prečnika rotora, njegove brzine okretanja u minuti, dužine strele bagera, njene brzine zaokretanja i podizanja, visine etaže, uglova nagiba etaža, pouzdanosti bagera, efikasnosti njegovog održavanja, pouzdanosti ostalih komponenti rudarskog sistema, organizacije posla, efikasnosti planiranja i upravljanja procesom itd. Istakli su da se proračun kapaciteta bloka (Qb), koji se koristi za kratkoročno planiranje, može izraziti na sledeći način: gde su : Qt - teoretski kapacitet (rm3/h), td - neto vreme kopanja bloka (h), tm - vreme manevrisanja tokom kopanja bloka (h), fs - faktor bubrenja iskopanog materijala. Produktivnost bloka (Qb) ne odražava svu složenost procesa otkopavanja materijala rotornim bagerom, pa se za to i ne može koristiti za dugoročno planiranje rada rudnika već samo za kratkoročno. Dodatni gubitak produktivnosti se dešava na krajevima bloka i pri otkopavanju bloka u teškim vremenskim uslovima. Kako se ugao zaokretanja strele bagera povećava, tako se i produkrivnost bagera smanjuje. Na (Slici 2.8.), prikazan je pad produktivnosti u zavisnosti od ugla okretanja strele bagera. Produktivnost se može održavati za uglove zaokretanja do 60o, mada većina rezova zahteva veće uglove što i rezultira padom produktivnosti. Slika 2.8. - Pad produktivnosti bagera u zavisnosti od ugla okretanja strele bagera Tačna procena vremena rada bagera zahteva poznavanje njegovih perfomansi, prateće opreme, precizne geološke karakteristike ležišta i organizaciju rada. Preporučljivo je da procenu godišnjeg kapaciteta bagera treba pratiti u odnosu na sličnu opremu pri sličnim uslovima otkopavanja. Grupa autora A. Brkić, T. Manevski, D. Ignjatović, P. Jovančić i V. Spasojević-Brkić, je u svom radu Diagnostics of bucket wheel excavator discharge boom dynamic perfomance and its reconstruction [8], istražila uzroke loših dinamičkih perfomansi rotornog bagera C-700 S koji radi na površinskom kopu u R.B. KOLUBARA. Statički i dinamički proračuni su napravljeni primenom metode konačnih elemenata (MKE), a potvrđeni su eksperimentalnom metodom - analizom vibracija. Primena ove metodologije znatno doprinosi poboljšanju perfomansi cele konstrukcije bagera, što pokazuju i rezultati merenja (maksimalne deformacije su smanjene sa 104 mm na 51.5 mm), dok su sva ubrzanja strukture svedena u granice dozvoljenog (do 2m/s2). Bošnjak S. , Zarić N. , Oguamanam D. su u svom radu On the dynamic modelling of bucket wheel excavators [5], razmatrali dinamičko ponašanje bagera izazvano otporom kopanja, koje zavisi od relativno velikog broja faktora koji se mogu svrstati u dve grupe. Prvu grupu čine dinamičke karakteristike noseće konstrukcije i mehanizma, a drugu, karakteristike tla. Analiza dinamičkog ponašanja je zahtevala rešavanje dva problema : • problem dinamičkog modelovanja cele mašine ; • problem modelovanja spoljašnjeg opterećenja izazvanog otporom tla pri kopanju. Tokom procesa kopanja, osnovni elementi konstrukcije gornje gradnje rotornih bagera (stub, konzola protivteg, strela bagera, odložna strela) izloženi su opterećenjima koja izazivaju podužne, savojne i uvojne oscilacije. Podužne oscilacije rešetkastih struktura mogu da se razmatraju nezavisno od savojnih i uvojnih oscilacija, zbog relativno velike krutosti strukture u pomenutom pravcu. Dakle, pri modeliranju strukture rotornih bagera odgovarajućim izborom referentnih tačaka (čvorova) razmatrane konstrukcije i njihovih stepena slobode, trebalo je obuhvatiti savojne i uvojne oscilacije podstruktura. Na osnovu analize opterećenja i komparativne analize rezultata proračuna naponsko- deformacionog stanja originalne strukture obrtne platforme (Slika 2.9.), i nekoliko varijanti njenog kontrukcionog poboljšanja, razvijeno je: • konstrukciono rešenje strukture obrtne platforme koja zadovoljava kriterijume čvstoće i elastične stabilnosti, kao i zahtev da se rekonstrukcija izvede bez demontaže nadgradnje ; • tehnologija zamene i sanacije teško oštećnih delova strukture obrtne platforme. Slika 2.9. - 3D model strukture obrtne platforme Rekonstrukcijom strukture obrtne platforme ojačavanjem donje ploče i zatvaranjem postojećeg tehnološkog otvora, ostvareni su sledeći efekti: • eliminisan je koncentrator napona u zoni pojave prslina i pukotina ; • znatno blaža promena polja deformacije strukture i • znatno niži (za 1,73 puta) nivo naponskog stanja u kritičnim zonama. U svom radu Slope stability evaluations by limit equilibrium and finite element methods applied to a railway in the moroccan rif [3], autori K. Baba, L. Bahi, L. Ouadif, A. Akhssas su predstavili analizu stabilnosti kosine uz železničku prugu između Gangier-grada i Gangier-luke (Maroko), i to na dva načina, pomoću metode granične ravnoteže (konvencijalna metoda) i metodom konačnih elemenata (FEM). Proračuni su rađeni za dva stanja i to za suvo i zasićeno, uz primenu tri softvera: PLAXIS, GEOSLOPE i TALREN (prva dva programa za konvencijalnu metodu, a zadnji za metodu konačnih elemenata), pri Mohr-Coulomb-ovom kriterijumu loma. Faktori sigurnosti (Fs) su prikazani u (Tabeli 2.1.). Tabela 2.1. - Faktori sigurnosti Može se zaključiti da su vrednosti dobijenih faktora sigurnosti (Fs) približne, pogotovo za Morgenstern-Price-ovu, Bishop-ovu metodu i (FEM). Takođe su zaključili da se primenom konačnih elemenata mogu odrediti pomeranja, predvideti mehanizam loma i korišćenjem rezultata proračuna bolje aproksimirati realno stanje terena. Autor Jakub Gottvald je u svom radu Analysis of vibrations of bucket wheel ekcavator SchRs - 1320 during mining process [17], prezentovao rezultate merenja vibracija na bageru SchRs - 1320 tokom otkopavanja na površinskom kopu TUŠIMICE. Vibracije su merene na 28 mesta gornje čelične konstrukcije pri čemu su izmereni signali povezani sa operativnim podacima centralnog kompjutera. Za izračunavanje frekvencijskih opsega mogu se koristiti razne vrste transformacija. Najpoznatije su Fourier Transform (FT) i njegove modifikacije Fast Fourier Ttansform (FFT), koje su naročito pogodne za analize stacionarnih signala. Rezultati merenja pokazuju da su vibracije počele odmah nakon pokretanja rotora i da su se amplitude povećale nakon početka kopanja materijala (vrhovi amplituda 0.52 Hz, 1.38 Hz, 1.70 Hz i 2.0 Hz, a nakon uključenja pumpe reduktora rotora 2.26 Hz). Slika 2.10. - Izmereni signali u vremenskom period br. 2 Slika 2.11. - Merenja akcelerometra A_063 z, vremenski period br. 2 Slika 2.12. - Merenja akcelerometra A_17 y, vremenski period br. 2 Kao zaključak je izneto da su merenja urađena na celoj visini etaže čija visina (He=20.5 m) približno odgovara visini tačke vešanja strele bagera, što podrazumeva da je strela bagera bila u horizontalnom položaju. Rezultati merenja frekvencija za krajnje položaje strele se razlikuju za 0.035 Hz. Poređenjem prirodnih frekvencija tokom kopanja sa prirodnim frekvencijama koje su eksperimentalno merene, ustanovilo se da sile kopanja smanjuju vrednostost ovih prvih. 3. TEORETSKE OSNOVE RADA ROTORNIH BAGERA Rotorni bageri (Slika 3.1.) su samohodne mašine kontinualnog dejstva koje se koriste na površinskim kopovima za otkopavanje mekih i srednje tvrdih materijala. Otkopavanje materijala vrši se vedricama koje su ravnomerno raspoređene i pričvršćene na obodu rotora. Obrtanjem rotora u vertikalnoj ravni i nosača rotora zajedno sa platformom u horizontalnoj ravni, vedrice se pune i nailaskom u zonu istovarnog sektora prazne, pri čemu se materijal predaje prijemnom transporteru sa trakom na streli bagera i dalje redom, zavisno od broja transportera na bageru, poslednjem istovarnom transporteru [21, 24, 25, 28, 37, 40, 51]. Slika 3.1. — 1. Strela bagera, 2. Uže za pomeranje kolica, 3. Vitlo za strelu bagera, 4. Pogon dizanja strele bagera, 5. Radni točak, 6. Pogon radnog točka, 7. Kabina rukovaoca, 8. Noseća konstrukcija kabine rukovaoca, 9. Pogon dizanja kabine rukovaoca, 10. Stub, 11. Zatege, 12. Strela protivtega, 13. Protivteg, 14.Elektro - kabina, 15. Kran, 16. Pretovarni uređaj, 17. Kabina rukovaoca pretovarnog uređaja, 18. Pogon za dizanja pretovarnog uređaja, 19. Istovarni levak, 20. Gusenice 21. Donji stroj sa kuglibanom 22. Obrtna platforma gornjeg stroja (sa pogonom za kružno kretanje), 23. Prijemni transporter-traka 1, 24. Transporter-traka 2, 25. Ttransporter-traka 3, 26. Transporter za prikupljanje materijala - prljava traka. 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 0,2-1,1 t.h/m3, mala specifična potrošnja energije 0,15-0,5 KWh/m^ i visoki koeficijent korisnog dejstva radnog organa 0,8-0,9). Tokom istorije, ideja za kopanje tla točkom rodila se tek krajem XIX veka na osnovu obrtnog točka sa vedricama za dizanje vode za potrebe navodnjavanja koje je bilo poznato još u starom veku. Švander (Francuska) je 1913. godine patentirao radni točak sa kašikama koji iskopani materijal za vreme okretanja istovara direktno na transporter. Nemačka firma Humbolt je na osnovu toga 1916. godine konstruisala prvi rotorni bager na šinama koji je 1917. godine počeo sa radom na površinskom kopu BERGWITZ. Masovniji početak primene ovih bagera na površinskim kopovima počinje imeđu 1935. i 1936. godine, uključivanjem fabrike LMG u proizvodnju rotornih bagera, kao i bržim razvojem prizvodnje lignita u Nemačkoj. U SSSR-U rotorni bageri su počeli da se primenjuju od 1934. godine dok je industrijska proizvodnja ovih mašina počela 1947. godine u 3yeBCKOMjmTeiiHOMexaHmecKOM 3aBOffy (3JIM3). Razvoj rotornih bagera u SAD je zapažen 1943. godine kada je prvi rotorni bager za direktno pebacivanje jalovine počeo sa radom na površinskom kopu SIVA. Počev od 1955. godine počinje sve masovnija proizvodnja rotornih bagera i za dubinski i za visinski rad, dok od 1960. godine raste proizvodnja rotornih bagera sa povećanom reznom silom i većim kapacitetima (1987. Krupp je Hambahu isporučio bager teoretskog kapaciteta Qteor = 19200 m^/h). Slika 3.2. - Poređenje veličina rotornih bagera u vremenskom intervalu od 50 godina 3.1. Klasifikacija rotornih bagera Klasifikacija rotornih bagera može se uraditi po raznim obeležjima, ali se danas najčešće koristi klasifikacija prema konstrukciji, na rotorne bagere tipa A, B i C (Slika 3.3. i Tabela 3.1.). Slika 3.3. - Različiti tipovi rotornih bagera Tabela 3.1. - Uporedni parametri različitih tipova rotornih bagera Kompaktni (hidraulični) rotorni bageri - tip A (Slika 3.4.), 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 random veku konstrukcije a u tehnološkom smislu imaju niži koeficijent bagerovanja (tipični primeri ove klase bagera su C-700, SRs-400, SchRs-800). Slika 3.4. - Rotorni bager tip A Bageri sa "C" ramom - tip B (Slika 3.5.), imaju povezanu gornju gradnju, centralni stub i nosač balasta u obliku slova "C". Povoljan im je koeficijent bagerovanja, tehnološki veoma dobri uz relativno visoko težište (tipični primeri ove klase bagera su SRs-1200, SchRs-630, SRs-2000, SRs-1300). Slika 3.5. - Rotorni bager tip B Veliki bageri - tip C (Slika 3.6.), 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 otkopnog materijala (tipični primer ove klase bagera je SRs-6300, SchRs-1760, SchRs-2300). Slika 3.6. - Rotorni bager tip C Zahtev za povećanjem proizvodnje na površinskim kopovima doprineo je da proizvođači rudarskih mašina povećaju jedinični kapacitet i visinu kopanja mašina, smanje radnu masu, prilagode rudarske mašine rudarsko-geološkim, hidrogeološkim i klimatskim uslovima, povećaju pouzdanost, poboljšaju komfor Ijudstva koje opslužuje mašinu itd. 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, čvrstoća materijala koji se otkopava i dozvoljeni specifični pritisak na tlo. 3.2. Kostruktivni delovi rotornog bagera Rotorni bager ima osnovne i pomoćne uređaje (Slika 3.7.). U osnovne uređaje spadaju: uređaj za kopanje, sistem za unutrašnji transport materijala na bageru, transportni uređaj, pogonski uređaj, uređaj za upravljanje, noseća konstrukcija. Pomoćne uređaje čine: uređaji za podmazivanje, uređaji za zagrevanje, rasvetu, uređaji za potrebe tehničkog održavanja i remonta itd. [25, 37, 54, 55, 56, 57, 58, 59]. Slika 3.7. - Glavne komponente rotornog bagera: 1. gusenični transportni mehanizam, 2. donja gradnja, 3. oslono-obrtni deo, 4. gornja gradnja sa protivtegom, 5. strela bagera, 6. radni točak, 7. pogonski sistem za dizanje i spuštanje strele radnog točka, 8. istovarna strela Radni organ rotornog bagera čine: • strela bagera (radnog točka) i • rotor (radni točak) sa elementima i pogonom (telo radnog točka, vedrice, skliznice, pogonski motor, reduktor, spojnica). Strela bagera (Slika 3.8.) pripada glavnoj nosećoj čeličnoj konstrukciji bagera i ona je najodgovorniji i najopterećeniji deo konstrukcije bagera. Rad bagera se sastoji od glavnih kretanja (obrtanje radnog točka i kružno kretanje gornje gradnje) i pomoćnih kretanja (kretanje u pravcu nastupa i promena visinskog položaja radnog točka u vertikalnoj ravni). Strela kao najopterećeniji deo konstrukcije bagera učestvuje svega sa 6 do 13% od mase celog bagera. Smanjenje naprezanja povećanjem poprečnih preseka delova konstrukcije dovodi do znatnog povećanja mase celog bagera. U opštem slučaju, procentualno učešće masa pojedinih delova u odnosu na ukupnu masu bagera približno iznosi: • radni točak sa strelom 12% • protivteg 18% • odložna strela 4,5% • konstrukcija centralnih stubova 9-10% • obrtna platforma sa ležajem 17-18% • donja gradnja sa transportom 40% Noseća konstrukcija strele treba da prenese sve sile (koje se javljaju u radu, transportu i mirovanju) na centralnu konstrukciju bagera. Oblik noseće konstrukcije proizilazi iz pravca delovanja opterećenja, zahtevanih tehnoloških parametara bagera, pozicioniranja pomoćnih konstrukcija, ugradnje instalacija, položaja radnog točka, presipnih mesta, transportera i zahteva održavanja. Primenjuju se dva osnovna tipa konstrukcije i to: • konstrukcija strele punih zidova • konstrukcija strele u obliku rešetke. 1. desni noseći zid 2. levi noseći zid 3. donja poprečna veza 4. gornja poprečna veza 5. poprečna pregrada iza radnog točka 6. fiksni ležaj vratila radnog točka 7. slobodni ležaj vratila radnog točka 8. konstrukcija za uležištenje pogonskih motora radnog točka Slika 3.8. - Čelična konstrukcija nosača radnog točka (strela bagera) Dužina strele se bira u zavisnosti od tehnoloških zahvata otkopavanja ležišta a mora biti usklađena i sa konstruktivnim mogućnostima mašine. Fizičko-mehaničke osobine materijala koji se otkopava, uz geološke karakteristike ležišta, određuju optimalan tip bagera za to ležište, odnosno njegove tehničke karakteristike. Na osnovu zahteva tehnologije otkopavanja koja je usaglašena sa geomehaničkim svojstvima ležišta, stvaraju se uslovi za izbor optimalnih parametara bagera, a samim tim i za određivanje potrebne dužine strele, naravno i uz optimizaciju ekonomskih pokazatelja. Dužina strele (Ls) je u određenoj srazmeri sa sledećim parametrima: • prečnikom radnog točka ; • dispozicijom uređaja i agregata ugrađenih na streli ; • visinom tačke vešanja strele od planuma ; • poprečnim presekom strele ; • gabaritima hodnog uređaja. Na osnovu statističke obrade više modela kompaktnih bagera (Krupp, O&K, Demag, Takraf) dobijeni su sledeći odnosi prečnika radnog točka i dužine strele (Tabela 3.2.): Tabela 3.2. - Odnos dužine strele (Ls) i prečnika radnog točka (Drt) za kompaktne bagere Kod klasičnih bagera (Krupp, O&K i Takraf) odnos dužine strele i prečnika radnog točka je drugačiji (Tabela 3.3.). Tabela 3.3. - Odnos dužine strele (Ls) i prečnika radnog točka (Dt) za klasične bagere za klasične bagere Na osnovu uporednog pregleda može se zaključiti da se odnosi dužine strele i prečnika rotornog točka kreću u jednom širokom dijapazonu : Strele na bagerima koji otkopavaju materijale male čvrstoće i zapreminske težine su manjeg poprečnog preseka, odnosno imaju veću vitkost (deponijski rotorni bageri koji otkopavaju-utovaraju već rastresiti material za deponiju) od bagera predviđenih za čvrste materijale. Uticaj dužine strele na masu bagera je očigledan i ukazuje na neopravdanost većih dužina od 70 m za bagere većeg kapaciteta. Određivanje optimalne dužine strele je veoma bitno radi usklađivanja sa uslovima radne sredine i konstruktivnim karakteristikama bagera. Neadekvatno odabrana dužina strele ima za direktnu posledicu preveliku masu bagera ili nedovoljnu visinu otkopavanja. Radni točak (rotor) predstavlja najkarakterističniji konstruktivni deo bagera (po njemu je i dobio ime), pri čemu su njegovi osnovni parametri: prečnik, broj vedrica, zapremina i oblik vedrica i geometrija reznih elemenata. Prečnik rotora (Drt) se kreće u opsegu od 4.2 m do 21.6 m, a sve u zavisnosti od veličine bagera i njegove namene. U zavisnosti od težine bagera, prečnik rotora u proseku se kreće: gde je: Gb - težina bagera (Gb=Mb* g); Mb - masa bagera ; g - ubrzanje zemljine teže. U zavisnosti od teoretskog kapaciteta (Qteo) prečnik rotora se može izračunati iz izraza: Pojedini autori , međutim kao polaznu osnovu uzimaju tehnički kapacitet bagera: gde je: Qt - tehnički kapacitet bagera ; q- zapremina vedrice (m3) ; nc- broj istresanja u minutu (min ) ; kr - koeficijent rastresitosti materijala. Odgovarajućom smenom, dobija se zavisnost prečnika rotornog bagera od kapaciteta kao: gde je: Z- broj vedrica ; q - zapremina vedrice (m^) ; Vp-brzina rezanja (m/s) ; Qt - tehnički kapacitet bagera (m3/h) ; kr - koeficijent rastresitosti materijala. Često se koriste i formule: mada se moraju obazrivo prihvatiti i smatrati da dobijene vrednosti imaju orijentacioni karakter. Klasifikacija rotora po određenim karakteristikama data je u (Tabeli 3.4. Tabela 3.4. - Klasifikacija rotora po određenim karakteristikama Transporter na streli bagera ima ulogu da otkopani materijal iz presipa u rotoru transportuje do presipa u obrtnoj osi bagera. Kapacitet transportera zavisi u osnovi od širine trake, njene brzine i ugla nagiba bočnih valjaka a treba ga uskladiti sa teoretskim kapacitetom rotora. Prilikom dubinskog rada, nagib transportera na streli ne sme biti veći od 18°. U slučaju većeg ugla transport materijala se obavlja pokrivanjem materijala sa specijalnom trakom. Mehanizam za kružno kretanje ima zadatak da dovede radni točak u željeni položaj, da obavlja kružno kretanje u toku rada i da celu gornju gradnju u stanju zastoja drži u određenom položaju. Sastoji se od zupčastog venca i pogona za kružno kretanje sa malim zupčanikom. Mehanizam za kretanje služi za premeštanje mašine za vreme radnog procesa i pri transportovanju, pri čemu omogućuje da se težina bagera i druga spoljna opterećenja prenesu na tlo. Pri tome treba ostvariti ravnomeran raspored sila koje se prenose na sve elemente nosećeg mehanizma za kretanje i obezbediti što manji specifični pritisak na podlogu. Ravnomerno opterećenje nosećih delova zahteva primenu statički određene noseće konstrukcije, što se postiže pomoću oslanjanja cele konstrukcije na tri tačke. Malo specifično opterećenje podloge zahteva veliku noseću površinu mehanizma za kretanje, a ona se postiže povećanjem površine i broja gusenica (kod modernih bagera specifično opterećenje podloge se kreće od 10 do 16 N/cm2). 3.3 Tehnologija rada rotornog bagera Rotorni bageri mogu raditi u frontu, boku (poluboku) i bloku (Slika 3.9.). Rad u frontu se retko koristi i to pre svega kod šinskih bagera i za selektivno otkopavanje [37, 39, 40, 41, 45]. Slika 3.9. - Šeme rada rotornih bagera u bloku (a) i boku (b) Otkopavanje materijala se vrši sa dvostranim (blok) ili jednostranim (bok) obrtanjem strele bagera u odnosu na osu kretanja pri cikličnom pomeranju bagera ili bez obrtanja, kod stalnog kretanja pri radu u frontu. Savremeni rotorni bageri konstruisani su prvenstveno za rad u bloku. Kinematika radnog procesa bagera u bloku bazira se na sledećim osnovnim pokretima: • rotacionom radnom pokretu rotora ; • obrtnom bočnom pomeranju strele bagera koje se postiže okretanjem gornjeg stroja oko vertikalne ose bagera ; • vertikalnim ili horizantalnim prilaženjem rotora masivu (vertikalni ili horizontalni rez). Radni parametri rotornog bagera su: • visina kopanja (Hk) - visina merena od nivoa stajanja bagera do 0,75 od prečnika radnog točka (Drt), kada je strela bagera maksimalno podignuta ; • radijus kopanja (Rk) - predstavlja projekciju rastojanja od ose bagera do vrha noževa vedrice u gornjem položaju rotora i iznosi : • dužina strele bagera (Ls) - rastojanje od osovine rotora do osovine obrtanja na konstrukciji bagera ; • prečnik rotora (Drt) ; • horizontalno rastojanje od osovine vešanja strele bagera do vertikalne ose bagera (x) ; • radijus istresanja (Ri) ; • maksimalna (Himax) i minimalna (Himin) visina istresanja. Osnovna tehnološka šema rada rotornih bagera je visinski rad u bloku koji ima svoju visinu, širinu i dubinu (Slika 3.10.). Slika 3.10. - Visinski rad rotornog bagera u bloku Visinski rad rotornog bagera u bloku sastoji se u otkopavanju celokupne visine bloka u nekoliko rezova (Slika 3.11.). Visine rezova po pravilu treba da iznose: Slika 3.11. - Šema za određivanje visine rezova Broj rezova po visini bloka (ceo broj), može se dobiti iz uslova: gde su : H - visina bloka (m) ; Drt - prečnik rotora (m). Visine pojedinačnih rezova su gornji rez: ostali rezovi : donji rez: Visina otkopnog bloka može, a ne mora da odgovara maksimalnoj otkopnoj visini bagera. U pogonskim uslovima se najčešće teži da se visina bloka izjednači sa maksimalnom otkopnom visinom bagera, jer se na taj način povećava opšta koncentracija radova na otkopu tj. smanjuje se broj etaža i zahvata veći obim masa za jedan korak pomeranja etažnih transportera. Takva nastojanja, međutim, nije uvek moguće realizovati u radnim uslovima, jer je visina bloka često limitirana geomehaničkim uslovima stabilnosti etažnih kosina. Smanjenjem visine bloka u odnosu na maksimalno moguću visinu, postiže se sledeće: • povećava se dužina otkopavanja bloka za jedan ciklus napredovanja bagera što doprinosi da se sa istim vremenskim gubicima na neizbežnim pomoćnim operacijama (vreme promene podetaže i vreme promene bloka) otkopa veći obim masa za jedan ciklus napredovanja bagera, tj. da se ostvari bolje kapacitetno iskorišćenje bagera ; • smanjuje se ugao okretanja nosača radnog točka koji izlazi van opsega ugla automatske regulacije brzine kružnog kretanja, pa se ostvaruje bolje punjenje vedrica na radnom točku tj. bolje kapacitetno iskorišćenje bagera. Međutim, smanjenjem visine bloka smanjuje se koncentracija rada u okviru jedne etaže i šire u okviru celog otkopa (neopravdan je veći broj etaža i transportnih horizonata na otkopu) i povećava se vreme zastoja zbog češćeg pomeranja etažnih transportera, pa se izbor optimalne visine bloka mora posmatrati, ne samo sa tehničkog (bolje kapacitetno iskorišćenje bagera) već sa tehnoekonomskog aspekta. Povećanje koncentracije rada, odnosno visine otkopnog bloka na račun rada bagera po visinskim i dubinskim rampama najčešće nema efekta, budući da rad bagera po rampama povlači za sobom mnogo manevarskih pokreta i praznih hodova bagera što se direktno odražava na gubitke u kapacitetnom i vremenskom iskorišćenju bagera. Formiranje bočne kosine etaže rotornim bagerom se vrši tako što se sukcesivno smanjuje unutrašnji ugao okretanja strele bagera pri otkopavanju nižih rezova (Slika 3.12.). Slika 3.12. - Šematski prikaz bočne kosine Ugao nagiba bočne kosine (P b) zavisi od radijusa kopanja gornjeg reza (Rkg), graničnog ugla okretanja strele bagera pri otkopavanju donjeg reza (9 udgr) i visine bloka (H). Ugao okretanja strele bagera prema masivu pri otkopavanju donjeg reza mora biti veći ili jednak uglu slobodnog rezanja: ^ - ugao slobodnog rezanja (u granicama 35°do 65°). Ugao nagiba bočne kosine može se odrediti iz relacije gde je: hrg - visina otkopavanja merena od nivoa stajanja bagera do centra ose rotora pri otkopavanju gornjeg reza (m); r - poluprečnik rotora (m); lg - horizontalno rastojanje između ose bagera i ose rotora pri otkopavanju prvog reza (m); ld - horizontalno rastojanje između ose bagera i donje ivice bočne kosine (m); gde je: Rg - radijus kopanja gornjeg reza (m); Rd - radijus kopanja donjeg reza (m); - ugao obrtanja strele bagera prema masivu pri otkopavanju gornjeg reza (o); - ugao obrtanja strele bagera prema masivu pri otkopavanju donjeg reza (o); Radijus otkopavanja gornjeg reza (Rg), meren od ose rotora do vertikalne ose obrtanja, definisan je izrazom: a radijus kopanja donjeg reza (Rd), meren od ose rotora do vertikalne ose obrtanja bagera, definisan je izrazom: gde je: Ls - dužina strele bagera (m); ag, ad - uglovi nagiba strele bagera pri otkopavanju gornjeg, odnosno, donjeg reza (o); e - horizontalno rastojanje između zglobnog oslonca strele bagera na platformi i vertikalne ose obrtanja bagera (m); Pri formiranju čeone kosine, rotor bagera je postavljen upravno na etažnu kosinu pa luk koji u rezu formira rotor predstavlja deo kruga (Slika 3.13.). Ugao nagiba čeone kosine može se kretati u granicama: Slika 3.13. - Šema za određivanje graničnog ugla nagiba čeone kosine Granični ugao nagiba čeone kosine zavisi od visine otkopavanja i konstruktivnih karakteristika bagera : gde je: F - dužina gusenica merena od vertikalne ose okretanja bagera do njene prednje ivice (m); f - minimalno odstojanje krajnje prednje ivice gusenica do donje ivice etažne kosine (m); Veličina (f) obuhvata vrednost (f) koja proizilazi iz polukružnog oblika donje ivice čeone kosine i vrednosti (f) kao graničnog sigurnosnog rastojanja gusenica od donje ivice kosine (Slika 3.14.): gde je: E - odstojanje od krajnje bočne ivice gusenice do podužne ose bagera (m); f- sigurnosno odstojanje gusenica od donje ivice etažne kosine obzirom na mogućnost pojave odrona iz kosina, obično 1.5 - 2 m. Granični ugao nagiba čeone kosine ima smisla samo kao završni ugao kosine na kraju etaže. Prema tome, za određene dužine otkopavanja bloka moguće je bagerom izvesti i određene minimalne uglove nagiba čeonih kosina prema obrascu: gde je: Z - dužina (dubina) otkopavanja bloka (m). Slika 3.14. - Šema za određivanje minimalnog odstojanja gusenica od donje ivice bloka Širina bloka je u funkciji radijusa kopanja gornjeg i donjeg reza, visine bloka, ugla nagiba bočne kosine i uglova obrtanja strele bagera prema masivu pri otkopavanju gornjeg reza i ugla obrtanja prema otkopanom prostoru pri otkopavanju donjeg reza. Parametri koji ograničavaju širinu bloka su: • Udaljenost gornje ivice bočne kosine prema masivu od podužne ose bagera, širina dela bloka prema masivu po gornjem rezu (fig); • Udaljenost donje ivice bočne kosine prema otkopanom prostoru od podužne ose bagera, širina dela bloka prema otkopanom prostoru po donjem rezu (fi d). Maksimalna vrednost gornje širine dela bloka prema masivu se postiže kod punog okretanja strele bagera prema bočnoj kosini pri otkopavanju prvog reza za ugao ygu = 90o. Veličina Bg je tada jednaka radijusu kopanja gornjeg reza. Veličina Bd zavisi od ugla okretanja strele bagera ka bočnoj kosini prema otkopanom prostoru pri otkopavanja donjeg reza (yds). Širina bloka (Slika 3.15.) iznosi: Širina gornjeg dela reza prema masivu je: Za ugao ygu = 90°, Bgu = Rg, širina gornjeg dela reza prema masivu je: Obzirom da je širina donjeg dela reza prema otkopanom prostoru: sledi da je ukupna širina bloka: Slika 3.15. - Šema za određivanje širine bloka Maksimalna širina bloka koja se može ostvariti otkopavanjem rotornim bagerom pri određenom uglu okretanja strele bagera prema otkopanom prostoru, pri otkopavanju donjeg reza, smanjuje se sa porastom visine bloka i smanjenjem ugla nagiba bočne kosine. Gornja vrednost ovog ugla je ograničena na 50° (najčešće se usvaja 30°) jer pri prekoračenju ove vredosti nastaje potiskivanje materijala u stranu iz oblasti postojećeg "klina" što osetno smanjuje punjenje vedrica i povećava obim radova pomoćne mehanizacije. Uticaj širine bloka na kapacitet bagera se manifestuje preko promene debljine reza usled povećanja ugla zaokretanja nosača radnog točka prema bočnoj kosini, kada je punjenje vedrica radnog točka slabije. Usvajanje manje širine bloka od maksimalno moguće, s obzirom na geometrijske parametre bagera, ima za posledicu smanjenje vremenskog iskorišćenja bagera zbog češćeg pomeranja etažnih trakastih transportera, a pri određenoj dužini etaže evidentno je smanjenje i vremenskog i kapacitetnog iskorišćenja bagera zbog češćeg uklapanja istog za otkopavanje novog bloka. Smanjenje širine bloka radi povećanja ukupne otkopne širine, tj. otkopavanje bloka iz dva prolaza bagera za jedan položaj etažnog transportera (otkopavanje dva bloka umesto jednog) utiče na smanjenje kapacitetnog iskorišćenja bagera jer je odnos vremena pomoćnih operacija i vremena čistog kopanja (glodanja) u ovom slučaju nepovoljniji. Pri ovakvom radu evidentno je smanjenje vremenskog iskorišćenja (manevrisanje bagerom radi uklapanja za otkopavanje novog bloka) mada je nekad ovakav rad opravdan zbog ređeg pomeranja etažnih transportera što naročito može biti značajno u zimskom i kišnom periodu. Na našim površinskim kopovima lignita, zbog geomehaničkih uslova stabilnosti, od interesa je da ugao nagiba bočne kosine bude što manji, kako bi se izbeglo obrušavanje bočne kosine sa svim negativnim posledicama koje takvo obrušavanje materijala iz kosine može izazvati. U cilju dobijanja što blažeg ugla nagiba bočne kosine neophodno je prvu podetažu otkopavati sa uglom zaokretanja prema unutrašnjoj kosini ygu = 90o. Budući da kod rotornog bagera ugao zaokretanja sa regulisanom brzinom ne prelazi yr = 60 -H 70o, to su evidentni gubici u kapacitetu bagera na ugaonim delovima podetaža ygu - yr tj. na delovima podetaža gde bager radi sa konstantnom brzinom kružnog kretanja nosača radnog točka. Procentualni gubitak kapaciteta u funkciji ugla regulisane brzine i maksimalnog ugla zaokretanja nosača radnog točka je definisan izrazom: za <PU = <Pr za (pu > (pr Određeno smanjenje gubitaka u kapacitetu, i kod ugla zaokretanja nosača radnog točka (pu = 90° , može se ostvariti na taj način što se ne izvodi pun zaokret nosača radnog točka za svaki rez, već za svaki treći ili četvrti, čime se stvara uslov da se povećaju debljine odrezaka izvan opsega ugla automatske regulacije gde širine odrezaka ostaju konstantne. Dužina otkopavanja bloka predstavlja zbir debljina pojedinačnih rezova po dubini bloka čime se formira pojas, koji se otkopava u jednom nastupanju bagera po njegovoj osi kretanja. Dužina pojasa, odnosno, nastupanja po dubini bloka posle koje se bager vraća nazad za prelazak u sledeći niži pojas, zavisi od visine bloka, ugla nagiba čeone kosine i gabarita strele bagera i guseničnog mehanizma za kretanje. Za stvarnu maksimalnu dužinu otkopavanja bloka po pojasevima, usvaja se manja vrednost koja se dobija po osnovu dva ograničenja : gde je: Z^ - dužina otkopavanja bloka ograničena prilaskom bagera donjoj ivici čeone kosine (m); Z2 - dužina otkopavanja bloka ograničena dodirom konstrukcije strele bagera i gornje ivice nižeg reza (m). Slika 3.16. - Šema za određvanje dužine bloka iz uslova prilaska bagera donjoj ivici kosine bloka Dužina otkopavanja bloka koja proizilazi iz ograničenja prilaska bagera donjoj ivici čeone kosine može se odrediti po šemi prikazanoj na (Slici 3.16.) i iznosi: Dužina otkopavanja bloka koja proizilazi iz ograničenja dodira konstrukcije strele bagera i gornje ivice drugog reza može se odrediti po šemi prikazanoj na (Slici 3.17.) i iznosi: gde je: d - odstojanje krajnje donje ivice strele bagera od njene ose (m); t - granična udaljenost prilaska konstukcije strele bagera gornjoj ivici drugog reza (m); hv - visina gornjeg reza (m); aq - vertikalni ugao nagiba strele bagera pri otkopavanju donjeg reza (°). Slika 3.17. - Šema za određivanje dužine bloka iz uslova dodira konstrukcije Veći uglovi nagiba čeone i bočne kosine utiču na povećanje kapaciteta bagera. Za veći ugao nagiba čeone kosine, a za određenu visinu bloka, moguće je ostvariti veću dužinu otkopavanja bloka za jedan ciklus napredovanja bagera, a s tim u vezi i bolje kapacitetno iskorišćenje. Za veći ugao nagiba bočne kosine, a za određenu širinu bloka, moguće je smanjiti uglove zaokretanja nosača radnog točka bagera koji izlaze van opsega ugla automatske regulacije. Smanjenjem uglova zaokretanja (obično u I-oj i Il-oj podetaži) ostvaruje se bolje punjenje vedrica materijalom, a time i bolje kapacitetno iskorišćenje bagera. Tehnološki parametri odreska (Slika 3.18.) su: h - visina odreska koja odgovara visini reza (m); So - debljina odreska koja je u funkciji ugla okretanja strele bagera u odnosu na podužnu osu bagera () i ugla rezanja (p) (m); b - širina odreska koja je u funkciji brzine okretanja strele bagera, Vv, odnosno, ugla okretanja strele bagera u odnosu na podužnu osu bagera (). Slika 3.18. - Tehnološki parametri odreska Debljina odreska (So) koja je jednaka debljini reza, se ostvaruje pomeranjem bagera na početku ulaska u novi rez, odnosno, kada je strela rotora u krajnjim položajima prema masivu i otkopanom prostoru, kada se ujedno i menja smer okretanja. Debljina odreska se menja u zavisnosti od ugla okretanja strele bagera levo i desno od podužne ose bagera po zavisnosti: i u zavisnosti od ugla okretanja vedrice oko horizontalne ose rotora po zavisnosti: U opštem slučaju se debljina odrezaka, u zavisnosti od ugla okretanja strele bagera u odnosu na podužnu osu bagera i položaja vedrice u okviru ugla rezanja, može odrediti shodno zavisnosti: gde je: S(pp - tekuća vrednost debljine odreska u funkciji od ugla okretanja strele bagera (0 i ugla rezanja (p); S0 - debljina odreska merena na visini poluprečnika rotora (p = 90°) i za položaj strele bagera u pravcu podužne ose bagera (p = 0°), kada je S0 = Smax. Konstruktivno ograničenje maksimalne debljine odreska je bočna dužina vedrice, odnosno, Smax < Lbv. Širina odreska (b) se menja u zavisnosti od brzine okretanja strele bagera u odnosu na podužnu osu bagera i broja pražnjenja vedrica u minuti. Pri konstantnoj brzini okretanja strele bagera, širine odrezaka u okviru reza su jednake i iznose: Pri promenjljivoj brzini okretanja strele bagera promenjljive su i širine odrezaka: pri čemu je: gde je: Vb - konstantna brzina okretanja strele bagera (m/min); Vb0 - osnovna linearna brzina pomeranja strele bagera merena u pravcu podužne ose bagera, odnosno, za cp = 0° (m/min); Vbq) - promenjljiva brzina okretanja strele bagera (m/min); n - broj pražnjenja vedrica (min ). 3.4. Kapacitet rotornih bagera Kapacitet kontinualnih sistema sa rotornim bagerima najviše zavisi od prvog i osnovnog elementa sistema - rotornog bagera [25, 27, 28, 35, 36, 37, 38, 44, 45, 51, 64, 65]. Kapacitet rotornog bagera predstavlja efekat rada izražen u (m3) ili (t) otkopane mase u jedinici vremena i izražava se kao: teoretski kapacitet, tehnički kapacitet, eksploatacioni kapacitet i efektivni kapacitet. Teoretski kapacitet (Qt) dobija se na osnovu konstruktivnih i kinematičkih karakteristika bagera. Tehnički kapacitet, (Qth ) pored konstruktivnih karakteristika bagera, obuhvata i 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 (Qe ) 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 (Qef) 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 kinematički parametri kopanja i transporta, prečnik rotora i dužina strele, zapremina, broj i konstrukcija kašika, brzina rotacije, okretanje, spuštanje i podizanje 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 kinematički faktori za određeni model bagera konstantni. Ostali uticajni faktori su promenljivi i zavise od uslova eksploatacije. Teoretski kapacitet (Qt) rotornog bagera računa se kao proizvod računske zapremine jedne kašike (q) i broja istresanja na minut (n) : Qt — 60 q n (rm3/h) (3.41) Pošto se kašike pune rastresenim materijalom, to se i teoretski kapacitet prikazuje u (m3/h) rastresenog stenskog materijala. Teoretski kapacitet pokazuje konstruktivne i energetske mogućnosti rotornog bagera i ograničen je zapreminom kašika na rotoru, snagom pogona ili propusnom moći transportera. Teoretski kapacitet rotornog bagera može se računati i preko zapremina rezova po formuli: Qt = 60 svh (rm3/h) (3.42) gde je: s - debljina reza (m); v - brzina okretanja strele (nosača rotora) (m/min); h - visina sloja (m). Tehnički kapacitet (Qth ) rotornog bagera je njegov maksimalno mogući kapacitet u određenom otkopu i steni. U tehničkom kapacitetu su uključena svojstva stene i organizacija procesa bagerovanja otkopa, a računa se po formuli: Qth = Qt kp fr (čm3/h) gde je: kp - koeficijent punjenja kašika; kr - koeficijent rastresitosti stene; k0 - koeficijent otkopa (produktivnosti). Koeficijent otkopa (k0) ili koeficijent produktivnosti uzima u obzir uticaj svih manevarskih operacija u bagerovanju bloka: približavanje bagera otkopu (kod bagera sa izvlačenjem katarke - izvlačenje), spuštanje rotora i odmicanje bagera, prelaz na obradu sledećeg bloka (u sledeći ciklus bagerovanja), tj. približavanje bagera otkopu 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 (obuhvataju dizanje i spuštanje rotora, produžavanje strele bagera i kretanje bagera) i bočni (obuhvataju neproduktivne pokrete strele oko vertikalne ose bagera uglavnom zbog promene reza koji se otkopava i otkopavanja rezova prema otkopanom prostoru). 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 reza, ali su sa aspekta tehnologije rada povoljnije visoke etaže. Uticaj dužine etaže na kapacitet bagera izražava se preko koeficijenta gubitaka u kapacitetu (Kg) zbog usecanja bagera u novi blok, pošto je kapacitet bagera pri usecanju u novi blok osetno manji nego pri radu u regularnom bloku. Prema tome, broj usecanja u blok je u direktnoj zavisnosti od dužine etaže. Koeficijent gubitaka u kapacitetu zbog usecanja u novi blok se može definisati izrazom: gde je: L - dužina etaže (m); lu - dužina zone u kojoj se vrši usecanje u novi blok (m); % - koeficijent korekcije kapaciteta bagera « 0,6). Eksploatacioni kapacitet (Qe) 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 : gde je: 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 (Qe) rotornog bagera u bilo kom razmatranom kalendarskom vremenskom periodu (smena, nedelja, mesec ili godina), računa se iz izraza: gde je : Tk - razmatrani kalendarski vremenski period (smena, nedelja, mesec, godina); Kt - koeficijent tehnološkog iskorišćenja vremena rada bagera dat formulom: gde je: 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 (Tk) : gde je: T0 - vreme tehničkog opsluživanja bagera; Tr - vreme remonta bagera; K0 - koeficijent organizacionog iskorišćenja vremena: gde je : t0 - ukupno vreme zastoja iz organizacionih razloga. 4. MODELIRANJE RADNE SREDINE NA POVRŠINSKIM KOPOVIMA LIGNITA Pojam modela i modeliranja zasniva se na postojanju sličnosti između dva sistema i to realnog i apstraktnog sistema. Realni, stvarni procesi sadrže veliki broj promenljivih veličina koje treba obuhvatiti da bi se potuno i korektno opisao sistem. Radi upoznavanja i razumevanja procesa, delova i sistema koji se proučavaju u celini, a naročito radi predviđanja ponašanja sistema, potrebno je da se izvrše određeni eksperimenti i istraživanja. Direktna istraživanja na sistemima koji mogu biti poslovni, ekonomski, organizacioni, proizvodni, tehnički i dr., po pravilu su vrlo skupa, obimna ili nemoguća ako su sistemi u fazi projektovanja. Tada se za ispitivani sistem traži zamena sličnim sistemom - modelom [4, 6]. Osnovna osobina modela i istovremeno potreba za modeliranjem proizilazi iz činjenice da se na taj način omogućava eksperimentisanje i analiza koja na realnim sistemima nije moguća. Samim tim, direktno se koristi kod odlučivanja u slučaju predviđanja posledica ili nastalih stanja donetih odluka, bez intervencije na realnoj pojavi. Vrlo važna osobina je to da se rezultati dobijeni modelom mogu proveravati i analizirati jednostavno bez rizika i velikih troškova u relativno kratkom vremenskom periodu obrade. Eksperimentalno ispitivanje radne sredine ili njenih modela je jedna dopunska mogućnost da se dođe do pouzdanih podataka o stanju napona, deformacija ili pomeranja, kao podataka koji su neophodni za analizu radne sredine. U okviru eksperimentalnih metoda razvijaju se razni postupci koji koriste podatke i saznanja iz fizike (posebno optike i elektronike), matematike, mehanike krutog i deformabilnog tela, reologije, hemije, geologije, mehanike tla, automatike i digitalne tehnike. Dobijeni podaci veoma su bitni za ocenu nosivosti i stabilnosti radne sredine, posebno u odnosu na dejstvo lokalnih koncentracija napona, stvaranja plastičnih područja, mehanizam loma, kao i na uticaj promene mehaničkih karakteristika materijala zavisno od vremena i temperaturnih promena. Pri tome, opterećenje može da bude mehaničko, termičko, hemijsko i dr., može da bude statičko ili dinamičko (periodično, harmonijsko, udarno, impulsno ili stohastički promenljivo kao kod zemljotresa ili kod turbulentnih uticaja vetra ili vode). Ovim ispitivanjima analiziraju se problemi vezani za razna stanja u odnosu na prirodu sredine koja se ispituje: izotropna ili anizotropna, homogena ili nehomogena, kontinualna ili diskontinualna, u oblasti elastičnih, plastičnih ili visokoelastičnih deformacija. Ponekad se kao dopunski problem javlja problem prenošenja rezultata dobijenih modelskim ispitivanjem na originalnu radnu sredinu, služeći se pri tome teorijom modelske sličnosti. Veoma je važno poznavanje reoloških i mehaničkih karakteristika modelskih materijala pri čemu svako modelsko ispitivanje mora biti praćeno i baždarenjem (kalibracijom tog modelskog materijala). U površinskoj eksploataciji uglja, modeliranje radne sredine podrazumeva detaljnu analizu realnog prostora površinskih kopova na nivou baza podataka etažnih ravni koje se formiranju interpolacijom i interpretacijom rezultata izvornih geoloških istražnih radova i svih ostalih rezultata ispitivanja. To su strukturne karakteristike, inženjersko-geološke karakteristike,fizičko- mehaničke karakteristike, karakteristike kvaliteta, hemijska, tehnička, mineraloško-petrografska ispitivanja, kao i sva ostala ispitivanja koja su potrebna da se u potunosti defineše realni prostor površinskih kopova. Za modeliranje radne sredine koriste se metode interpolacije i optimizacije vertikalne podele ležišta na etaže [10, 27, 35, 43] . Druga faza modeliranja sistema površinske eksploatacije predstavlja modeliranje tehnologije rada opreme na površinskim kopovima, pošto je tehnologija otkopavanja najvažniji deo sistema površinske eksploatacije. Modeliranje se vrši na osnovu detaljne dekompozicije tehnoloških procesa otkopavanja na sve radne i manevarske operacije prema kinematsko- konstruktivnim karakteristikama i tehnološkim parametrima rada. U ovoj fazi modela obuhvaćena je i realna vremenska slika stanja i ponašanja proizvodnih sistema na površinskim kopovima. Primenjene su metode simulacionog modeliranja, statistička analiza i metoda Monte Karlo. Treća faza modeliranja sistema površinske eksploatacije predstavlja integraciju prethodne dve faze modela. Realno okontureni prostor površinakih kopova interpretira se kao baza podataka koja sadrži sve bitne parametre radne sredine od kojih zavisi definisanje tehnoloških parametara eksploatacije. Simulacionom tehnikom vrši se izbor tehnoloških parametara rada opreme koji daju potreban kapacitet proizvodnje i istovremeno se preuzimaju podaci o kvalitetu otkopane sirovine. Stabilnost proizvodnje ispituje se na bazi raspona pojavljivanja kapaciteta i kvaliteta otkopane sirovine u realnom prostoru površinskog kopa u odnosu na graničnu vrednost. U zavisnosti od karakteristika ležišta defineše se kontura površinskog kopa prema prirodnim, tehničko- tehnološkim i ekonomskim kriterijumima i ona predstavlja ograničeni realni prostor određen za eksploataciju. 4.1. Geotehnički model Geotehničkim model predstavlja osnovu za projektovanje nagiba kosina i sastoji se od četiri sastavna modela: - geološkog modela, - struktumog modela, - modela stenskog masiva (svojstva stenskog materijala), - hidrogeološkog modela. Prikazani modeli takođe se primenjuju i za druge aspekte projektovanja rudarske eksploatacija, na primer za određivanje rudnih rezervi i projektovanje rudarskih radova. Međutim, pojedina svojstva svakog od navedenih modela su od ključnog značaja za proces projektovanja nagiba kosina. Geotehnički model je moguće primeniti i za druge važne potrebe, kao što je analiza primarnog ("in-situ") naponskog stanja i njegove promene, naročito kod projektovanja veoma visokim kosina, u slučejevima kada su u okolini prisutne podzemne prostorije, kao i za analizu uticaja seizmičnosti. Slika 4.1. - Geotehnički model Geološki model Geološki model predstavlja 3D prikaz geološke građe terena u zoni gde će biti formirane kosine površinskog kopa. Kategorije zastupljenih materijala u modelu ne zavise samo od litološkog sastava nego i od vrste i stepena alteracije koji mogu značajno da utiču na svojstva materijala, kako pozitivno tako i negativno. U pojedinim ležištima, posebno kod onih koja se nalaze u tropskim predelima, veliki uticaj pri projektovanju nagiba kosina može da ima i geomorfologija. Detaljno izučavanje regionalnih geoloških karakteristika terena i samog procesa mineralizacije je od posebne važnost za formiranj ovog modela. Prilikom projektovanja kosina moraju se sprovesti detaljna i sveobuhvatna geološka istraživanja kako samog ležišta, tako i okolnog stenskog masiva uključujući i jalovinu, pri čemu je potrebno posebnu pažnju posvetiti istraživanjima inženjerskih karakteristika terena. Povećanjem visine kosina površinskog kopa, posebnu pažnju je potrebno obratiti na uticaj izmenjenog naponskog stanja, naročito na koncentraciju napona u nožici kosine. Geološkim modelom je neophodno obuhvatiti procenu naponskog stanja. Strukturni model Strukturni model, koji je potreban za projektovanje kosina, obično se razvija na dva nivoa: - glavne strukture (nabori, rasedi u zoni sistema radnih kosina i samog površinskog kopa); - strukturne pukotine (pukotine, rasedi u zoni etaža). Prethodna podela je izvršena, prvenstveno, na osnovu prostorne zastupljenosti navedenih strukturnih svojstava i očekivanog uticaja na konstruktivne elemente kosina površinskih kopova. Glavni rasedi su obično postojani, kako po pravcu pružanja, tako i po padu, mada mogu imati i veći zev. Shodno prethodnom, može se očekivati da će imati uticaja prilikom projektovanja sistema radnih kosina ili završnih kosina površinskog kopa. S druge strane, strukturne pukotine obično imaju ograničen postojanost i manji zev, pa samim tim se u razmatranje uzimaju prilikom projektovanja etaža i, eventualno, sistema radnih kosina. Model stenskog masiva Svojstva stenskog materijala, u kome se kosine formiraju, određuju njihovu geometriju i samim tim način na koji će biti izvršeno njihovo projektovanje. U vezanim stenskim materijalima, strukturna svojstva, najčešće, predstavljaju ograničavajući faktor, čak i kod relativno visokih kosina. U poluvezanim i nevezanim stenskim materijalima, kao i kod kosina sa velikom visinom, čvrstoća stenskog masiva predstavlja osnovni ograničavajući faktor. Prilikom utvrđivanja svojstava stenskog materijala, moraju se u obzir uzeti moguće promene karakteristika sa vremenom (reološka svojstva). Ovo je od posebnog značaja u slučajevima gde su u stenskom masivu zastupljeni glinoviti materijali skloni bubrenju ili škriljci ispunjeni glinom, kod kojih može doći do redukovanja čvrstoće i drugih svojstava nakon njihovog otvaranja. Prilikom utvrđivanja svojstava stenskog materijala, projektant kosina može da pruži važne podatke koji su bitni za druge rudarske aktivnosti, na primer, za projektovanje bušačko-minerskih radova. Ovu činjenicu ne treba prevideti prilikom izrade programa za ispitivanje stenskog materijala. Povratna analiza uzroka pojave nestabilnosti, pa čak i stabilnih kosina, može imati velikog značaja prilikom određivanja svojstava stenskog materijala. Podaci prikupljeni detaljnim praćenjem promena stanja pojedinih delova kosina i u početnom periodu kod formiranih završnih kosina, mogu obezbediti podatke o svojstvima celokupnog stenskog masiva koje se obično ne mogu utvrditi pomoću laboratorijskih ispitvanjima na malim uzorcima, a koja se izvode za potrebe izrade Studije izvodljivosti i ranijim fazama projektovanja. Hidrogeološki model Hidrogeološke karakteristike terena, određene pomoću analize pritisaka podzemnih voda i karakteristika kretanja površinskih voda, mogu imati značajan negativan uticaj na stabilnost kosina, pa ih je neophodno detaljno izučiti. Ova svojstva su obično jedini elementi koji se, prilikom projektovanja kosina, mogu lako menjati primenom odgovarajućih mera za odvodnjavanje, naročito na nivo sistema radnih kosina ili većih sistema kosina. Međutim, odvodnjavanje i primena mera za smanjivanje pritisaka podzemnih voda zahtevaju potpunu posvećenost da bi se efikasno primenile na površinskom kopu, a obično zahtevaju značajno vreme za njihovo projektovanje i implementaciju. Identifikacija i definisanje hidrogeološkog režima u ranim fazama projektovanja su stoga od ključnog značaja. U fazi izrade računarskog modela ležišta, mogu se primeniti pet tipova modela. Ovi modeli uglavnom koriste iste ulazne podatke ali imaju razičite izlazne forme. Koriste se: • Triangulacijski model - sačinjava niz trouglova formiranih na bazi referentnih tačaka (bušotina). Triangulacijom se predstavljaju površine terena, krovine ili padine sloja, rudnog tela, površinskog kopa i sl. (Slika 4.2.). Slika 4.2. - Triangulacijski model ležišta • Mrežni - digitalni model_- predstavlja grupa linija ili stringova kojima se uglavnom ograničavaju površine, slično kao kod triangulacije. Može se izvoditi kao površinski ili prostorni model , pri čemu elementi mreže mogu biti pravougaonik (kvadrat) ili neki drugi prikaz (Slika 4.3). Slika 4.3. - Prikaz mrežnog modela ležišta • Konturni model - posebno pogodan za prikazivanje planova koji se rade u dve dimenzije kao i za mrežni model kvaliteta izlaza koji zavisi od gustine same mreže (Slike 4.4.). Slika 4.4. - Konturni model • Žičani model - defineše prostorni oblik objekta koji se modelira. Njime se predstavljaju rudna tela, rasedi, prostorije u rudnicima sa podzemnom eksploatacijom i td. (Slika 4.5). Slika 4.5. - Žičani model • Blok model - defineše se model ležišta ili površinskog kopa sa 3D podelom na blokove i podblokove. Predstavlja se metodom interpolacije, statističkim ili geostatističkim metodama, krigovanjem i metodom najbližih susednih tačaka. Ima najširu primenu u modeliranju ležišta i površinskih kopova (Slika 4.6.) [27]. Slika 4.6. - Blok model Baza podataka predstavlja osnovu modeliranja sistema površinske eksploatacije za upravljanje proizvodnjom i obuhvata tri osnovne grupe podataka i to: • podatke o izvornim geološkim istražnim radovima; • podatke o vremenskom karakteristikama ponašanja proizvodnog sistema (vremenski periodi i zastoji proizvodnog sistema) u realnom vremenu eksploatacije i • podatke o konstruktivnim, kinematskim i tehnološkim karakteristikama opreme za eksploataciju. Podaci o izvornim geološkim istražnim radovima su dobijeni u fazi istraživanja ležišta i laboratorijskim ispitivanjima. Prema koncepciji modela grupišu se kao: strukturne karakteristike, fizičko-mehaničke karakteristike i karakteristike kvaliteta. Ovi podaci su vezani za lokaciju istražnog rada (istražne bušotine) i na taj način tačno je preciziran njihov prostorni položaj. U sledećem koraku ove podatke treba interpretirati na okonturenom prostoru površinskog kopa, tako da u celini bude pokriven svim potrebnim podacima. To se radi tako što se prvo izvrši vertikalna podela na etaže, a zatim se svaka etaža deli na određeni broj miniblokova. Podela etaže na miniblokove (u horizontalnoj projekciji) znači diskretizaciju prostora etaže na skup tačaka za koje se vrši interpolacija izvornih geoloških podataka. U prvom slučaju pre interpolacije, nosilac niza informacija je bušotina ili neki drugi istražni rad, dok je u drugom slučaju posle interpolacije,dalji nosilac niza informacija težište minibloka. Izbor odgovarajuće metode za interpolaciju u ravni, vrši se prema kriterijumu najmanjeg odstupanja interpolovanih vrednosti u odnosu na realne vrednosti. Forma i dimenzije mreže za interpolaciju i veličina miniblokova definišu se na osnovu više kriterijuma. Po pravilu visina miniblokova usaglašena je sa visinom etaže. Kod definisanja širine i dužine miniblokova postoji više uslova i to: • ugao nagiba završne kosine etaže; • dimenzije eksploatacionog bloka bagera; • saglasnost površine miniblokova sa površinom poligona etaže i • intezitet promena i veličina raspona pojavljivanja strukturnih karakteristika, fizičko-mehaničkih karakteristika i karakteristika kvaliteta. Drugi deo baze sadrži podatke o vremenskom ponašanju proizvodnog sistema. To su periodi rada i zastoja sistema sa dužinom intervala i frekvencijom pojavljivanja. Predstavljanje podataka je kompleksno, u realnom prostoru (sa kordinatama x, y i z) i u realnom vremenu koje određuje aktuelnost prostornog položaja prema dinamici razvoja radova na površinskom kopu. Realni prostor i realno vreme su dva nivoa pripreme podataka koji se integrišu u zajedničku bazu podataka tako da potpuno definišu stanje radne sredine. Treća grupa podataka predstavlja konstruktivne kinematske i tehnološke karakteristike opreme koja se koristi za eksploataciju i ima stalni karakter [5]. Informacione tehnologije (IT) su veoma zastupljene u rudarstvu pri obradi i upravljanju podacima, korišćenjem programskih paketa za 3D projektovanje, modeliranje i integraciju prostornih baza podataka sa primenom dobijenih rezultata. Suština njihove primene ogleda se u povezivanju funkcija planiranja, projektovanja, nadzora, analize, odlučivanja i povratnog upravljačkog delovanja, kroz povećanje proizvodnje, produktivnosti, pouzdanosti, sigurnosti rada i operativnosti. Savremeni računarski programi kao osnovu za razvoj aplikacija koriste različite metode, od kojih su najčešće primenjene Lerchsa-Grossmanova metoda (LG), Floating Cone Method - metod "plutajuće kupe" i dinamičko programiranje. U oblasti rudarstva danas se koriste brojni računarski programi koji su prilagođeni specifičnostima koje karakterišu rudarsku delatnost. Neki od njih su: ❖ Surpac (definisanje kvantiteta i kvaliteta ležišta, geostatistike, modeliranje, planiranje eksploatacije mineralnih sirovina, kontrola proizvodnje, automatizacija određenih procesa eksploatacije) ; ❖ Gems (istraživanje, modeliranje, projektovanje rudarskih radova, praćenje proizvodnje) ; ❖ Minex (za slojevita ležišta (ugalj), upravljanje geološkim podacima i modelom, planiranje eksploatacije, definisanje najisplativijih delova ležišta, proračun rezervi, praćenje produktivnosti u proizvodnji, za rekultivaciju i saniranje kopa) ; ❖ Whittle (ekonomska optimizacija ležišta) ; ❖ Rock Ware (izrada kontura, mreža i karata određenih površina) ; ❖ LogPlot (izrada i prikaz geotehničkih, geofizičkih, rudarskih i ostalih podataka) ; ❖ Vulcan (analiza geološke građe ležišta, izrada blok modela, proračun rezervi, projektovanje plana i praćenje eksploatacije, upravljanje tim procesima) ; ❖ MineSuite (upravljanje i praćenje rudarskih procesa) ; ❖ Datamine (upravljanje geološkim podacima i rezervama mineralnih sirovina, razvoj plana eksploatacije, projektovanje i upravljanje rudarskim radovima, praćenje proizvodnje) ; ❖ Micromine (statistički proračuni, klasifikacija, kategorizacija i proračun rezervi, optimizacija kosina etaža, upravljanje i praćenje napredovanja rudarskih mašina). 4.2. Model površinskog kopa RADLJEVO Za izradu digitalnog modela površinskog kopa RADLJEVO, kao osnovne informacije korišćeni su podaci o istražnim bušotinama (ukupno 505 istražne bušotine). Ovi podaci su iskombinovani sa rezultatima uzorkovanja uglja (i analiza) i uključeni su u geološku bazu podataka modela za P.K. RADLJEVO. Uz pomoć baze podataka, izrađeno je 46 profila koji su služili kao osnova za povezivanje pojedinačnih slojeva, a napravljen je i digitalni model terena (DTM)- Digital Terrain Model koji predstavlja triangulaciju svih dostupnih podataka koji se tiču podine i krovine svakog sloja [65]. Blok model, korišćen za dalji rad, pokrio je celu razmatranu površinu i imao je dužinu od 8.440 m (sever-jug), širinu 8.975 m (istok-zapad) i visinu od 160 m (Slika 4.7.). Pošto se blok sastoji od brojnih modela pojedinačnih blokova, svakom od njih se mora odrediti veličina i pravac, tako da su za blok model Polja RADLJEVO određene sledeće veličine blokova: X=30m; Y=30m; Z=2m (osnovni blok) X=15m; Y=15m; Z=1m (pod-blok) Slika 4.7. - Dimenzije blok modela (osnovni blokovi i pod-blokovi) Osnovne karakteristike litoloških članova na istražnom području su: različito horizontalno rasprostranjeni, promenljive debljine i česte pojave proslojaka. Izražena litološka slojevitost u vertikalnom profilu i nejednako horizontalno prostiranje litoloških članova, imaju za posledicu izraženo horizontalno i vertikalno, odnosno prostorno strujanje podzemnih voda, koje je posebno izraženo u zonama kontakta peskova i šljunkova, odnosno gornjeg ugljenog sloja sa peskovima međuslojne izdani. Ovih nekoliko pomenutih činjenica je uticalo na strategijsku odluku pri izboru osnovnih karakteristika modela, da se pristupi izradi višeslojevitog modela, sa mogućnošću automatske promene hidrodinamičkog stanja strujnog polja, zavisno od uslova strujanja podzemnih voda [65]. Hidrodinamički model površinskog kopa RADLJEVO je koncipiran i izražen kao višeslojeviti model sa ukupno osam slojeva, posmatrano u vertikalnom profilu i to počev od površine terena. U Tabeli 4.1. dati su korespodentni slojevi modela i terena. Tabela 4.1. - Korespodentni slojevi modela i terena Na Slici 4.8. prikazani su šematizovani litološki profili, pri čemu se težilo da se što više postigne vernost modela u odnosu na prirodu. Slika 4.8. - Šematizovani litološki profili u pravcu zapad-istok i sever-jug Legenda: 1. Glinoviti i alevritični sedimenti; 2. Peskovi i šljunkovi povlatne izdani; 3. Ugljena serija; 4. Peskovi međuslojne izdani; 5. Peskovi podinske izdani; 6.Glinoviti sedimenti Fizičko-mehanička svojstva zastupljenih geoloških slojeva prikazani su u Tabeli 4.2. Tabela 4.2. - Fizičko-mehanička svojstva geoloških slojeva Nakon izvršene vertikalne podele na etaže i proračuna stabilnosti pojedinačnih kosina i celokupnog sistema kosina, a na osnovu fizičko- mehaničkih svojstava litoloških članova, formiran je model kosina radnih etaža (Slika 4.9.). Slika 4.9. - Model kosina radnih etaža U modelu su integrisani i sledeći parametri uglja: • donja toplotna vrednost (KJ/kg); • sadržaj vlage (%); • sadržaj pepela (%); • sadržaj sumpora (%); • pitanje isparljivosti (%). Putem Inverzne metode procene razdaljine, ovi su atributi kasnije proračunati za sve ostale pojedinačne blokove i predstavljaju osnov za dalja razmatranja. U Tabeli 4.3. prikazan je kvalitet uglja po slojevima. Tabela 4.3. - Kvalitet uglja po slojevima KVALITET UGLJA PO SLOJEVIMA Na sledećim slikama, uz pomoć softverskog paketa za projektovanje SURPAC, prikazani su geološki uslovi ležišta RADLJEVO. Slika 4.10. - Pregledna karta P.K. RADLJEVO sa lokacijom i profilima Slika 4.11. - Istočno-zapadni profil E1 prikazuje rasprostiranje slojeva i uslove stratifikacije Slika 4.12. - Istočno- zapadni profil E2 prikazuje rasprostiranje slojeva i uslove stratifikacije Slika 4.13. - Istočno-zapadni profil E3 prikazuje rasprostiranje slojeva i uslove stratifikacije Slika 4.14. - Severno-južni profil N1 prikazuje rasprostiranje slojeva i uslove stratifikacije Slika 4.15. - Severno-južni profil N2 prikazuje rasprostiranje slojeva i uslove stratifikacije Slika 4.16. - Severno-južni profil N3 prikazuje rasprostiranje slojeva i uslove stratifikacije Slika 4.17. - Principijalan projektovani kop RADLJEVO sa prikazanim sistemom kosina i ugljem Slika 4.18. - Severno-južni profil N koji prikazuje kombinaciju projektovanog kopa i rasprostiranje sloja Slika 4.19. - Severno-južni profil M koji prikazuje kombinaciju projektovanog kopa i rasprostiranje sloja 5. ANALIZA STABILNOSTI KOSINA Analiza stabilnost kosina površinskog kopa spada među važnije inženjerske proračune koji služe kao osnova projektovanju površinskog kopa. Geometrija kosine određena je geomehaničkim karakteristikama materijala u kosini, strukturno-geološkim karakteristikama ležišta u području završne kosine i rudarsko-tehnološkim uslovima. Tehnologija otkopavanja ne utiče na određivanje stabilnosti završne kosine, a geometrija kosine isključivo zavisi od parametara čvrstoće materijala u završnoj kosini. Osnovni cilj kod završnih kosina površinskog kopa je postići maksimalni nagib za zadatu konačnu maksimalnu visinu kosine pri minimalnom faktoru sigurnosti i optimalnim uslovima stabilnosti. Uticajni faktori na stabilnost kosina dati su u Tabeli 5.1. U analizama stabilnosti kosina osnovni parametri koji kao svojstva materijala ulaze u proračun su: kohezija (C), ugao unutrašnjeg trenja (9) i zapreminska masa (y). Određivanje ovih parametara izvodi se metodom direktnog smicanja uzoraka ili metodom triaksijalne kompresije [7, 13, 14, 15, 29, 30, 34, 46, 49, 53]. Jednačina linije graničnog stanja za slučaj linearnog odnosa normalnog i smičućeg napona ima oblik: T = C + on tg<p (5.1) gde su: T - smičući napon; C - kohezija; an - normalni napon; V - ugao unutrašnjeg trenja; Ako postoji pritisak vode uzduž ravni smicanja, tada jednačina graničnog stanja ima oblik: T = C + (an — u) tg<p (5.2) gde je: u - porni pritisak; Tabela 5.1. - Uticajni faktori na stabilnost kosina [45] Faktor sigurnosti (Fs) predstavlja uslove ravnoteže u kosini i to u odnosu na graničnu ravnotežu. Graničnom ravnotežom smatramo uslove kada su sile koje teže da pomere materijal duž ravni klizanja, jednake otpornim silama koje deluju duž te ravni. Tako faktor sigurnosti (Fs) predstavlja i pokazatelj mogućnosti povećanja nagiba i visine kosine zavisno od otpornih parametara koji karakterišu materijal u kome se vrši analiza stabilnosti. gde su: Fs - faktor sigurnosti ; Tf - smičuća čvrstoća tla; Tm - prosečna veličina smičućih napona na kliznoj površini potrebna da održi klizno telo u ravnoteži; Korektno utvrđivanje relevantnih fizičko - mehaničkih parametara, predstavlja jedan od najsloženijih inženjerskih zadataka s obzirom da je priroda veoma često komplikovana, teren varijabilan, izbor metoda relativno ograničen, a rizik manji ili veći, često neizbežan u svakoj ljudskoj aktivnosti. Obim i kvalitet terenskih istražnih radova i laboratorijskih ispitivanja, može često biti nedovoljan da bi se mogla izvršiti korektna i racionalna interpretacija rezultata merenja. Iz tog razloga, sadržaj i obim laboratorijskih ispitivanja fizičko - mehaničkih svojstava materijala, dati su u Tabeli 5.2. Postoji više metoda ispitivanja stabilnosti kosina. Uglavnom se zasnivaju na pretpostavkama da se pri narušavanju stabilnosti kosine obrazuje klizna površina po kojoj gornja masa klizi na donjoj duž ove površine, pri čemu se gornja klizajuća i donja nepokretna masa usvajaju kao krute i da klizanje nastaje kada u svakoj tački klizne površine napon smicanja (xm) usled dejstva spoljne sile dostigne otpornost smicanja tla (xf). Prema tome, uslov za stabilnost kosina je da postoji ravnoteža između spoljnih sila (vlastita težina tla i svako drugo spoljno opterećenje) i unutrašnjeg otpora tla (kohezija i trenje). Prvi radovi o stabilnosti kosina, koji su se pojavili u Francuskoj (Coulomb, 1773; Francais, 1820.), pretpostavljajući ravne površine klizanja, trasirali su dalji razvoj izučavanja kosina sa kružno - cilindričnim kliznim površinama. Daljim razvojem došlo se do toga da se klizno telo tretira kao jedno homogeno telo — rezultantne metode (Taylor, 1937. i 1948; Frochlich, 1951.) ili se deli u lamele -- metode lamela (Krey, 1926; Terzaghi, 1929; May i Brahtz, 1936.), a proračun se izvodi grafički (Fellenius, 1927. i 1936.) i analitički (Bishop, 1955.). Kružne površine klizanja nisu mogle uspešno da se primene u uslovima složenog nehomogenog terena, pa su se razvile metode sa proizvoljnim oblikom klizne ravni (Janbu, 1954, 1957. i 1973; Morgenstern i Price, 1965; Nonveiller, 1965.). Sve ove metode uzele su linearan kriterijum loma, međusobno se razlikuju po različitim pretpostavkama, redosledu i tehnici proračuna. Drugi pravac izučavanja stabilnosti kosina bio je usmeren na osnovne postavke teorije plastičnosti (Druckor i Prager, 1952; Sokolovski, 1942.), a u kasnijim pristupima i na proračun stabilnosti metodom konačnih elemenata (Clough I Woodward, 1967; Chang i Duncan, 1970; Loo i Ler, 1973.). Tabela 5.2. - Sadržaj i obim laboratorijskih ispitivanja fizičko-mehaničkih svojstava stena [45] Sve metode proračuna stabilnosti kosina u načelu mogu se podeliti na: • metode granične ravnoteže ; • metode teorije plastičnostii ; • metode konačnih elemenata. Metode granične ravnoteže — ove metode su zasnovane na ispitivanju stabilnosti celokupnog kliznog tela za stvarne ili potencijalne klizne ravni duž kojih se pomera nestabilna masa kao celina. Faktor sigurnosti (Fs) računa se za više potencijalnih kliznih ravni, a usvaja se ona klizna ravan sa minimalnim faktorom sigurnosti i naziva se kritična klizna ravan. U osnovi su dva postupka analize stabilnosti tla iznad predpostavljene klizne ravni, i to: a) analizira se ravnoteža celokupne mase tla iznad klizne ravni i te metode poznate su kao rezultantne metode (metoda kruga trenja-Taylorova metoda, metoda logaritamske spirale-metoda Pendulića i grafičke metode-kod homogenih materijala za brzu i orjentacionu proveru). b) klizno telo se izdeli na niz lamela, pa se ispituje ravnoteža svih lamela ponaosob, bilo grafičkim ili analitičkim putem. Metode su poznate kao metode lamela, a često su u upotrebi: • Švedska metoda (Fellenius, 1927.) - netačan faktor sigurnosti (Fs) za razvučena klizišta sa visokim pornim pritiskom, klizna ravan kružnog oblika ; • Bišopova modifikovana metoda (Bishop, 1955.) - tačna metoda samo za kružnu kliznu ravan, zadovoljava uslove ravnoteža vertikalnih sila i ukupnih momenata, međulamelarne sile su horizontalne ; • Metoda ravnoteže sila - zadovoljava ravnotežu sila, primenjiva za sve izvedene i zakrivljene klizne ravni, usvaja nagnute međulamelarne sile; • Pojednostavljena metoda Janbua (Janbu, 1968.) - zadovoljava ravnotežu sila, primenjiva za sve oblike klizne ravni, usvaja horizontalne međulamelarne sile, faktor sigurnosti (Fs) je manji od izračunatog metodama koje zadovoljavaju sve uslove ravnoteže ; • Modifikovana švedska metoda (US Army Corps of Engineers, 1970.) - zadovoljava ravnotežu sila, primenjiva za sve oblike klizne ravni, usvaja nagib međulamelarnih sila jednak nagibu padine, faktor sigurnosti (Fs) je često značajno veći od izračunatog metodama koje zadovoljavaju sve uslove ravnoteže ; • Metoda Lowea i Karafiatha (Lowe i Karafiath, 1960.) - opšte najtačnija metoda ravnoteže sila, primenjiva za sve oblike klizne ravni, zadovoljava uslove ravnoteže za vertikalne i horizontalne sile ; • Opšta metoda Janbua (Janbu, 1968.) - zadovoljava sve uslove ravnoteže, primenjiva za sve oblike klizne ravni, vrlo tačna vrednost faktora sigurnosti (Fs) ; • Metoda Spencera (Spencer, 1967.) - zadovoljava sve uslove ravnoteže, primenjiva za sve oblike klizne ravni, vrlo tačna vrednost faktora sigurnosti (Fs) ; • Metoda Morgensterna i Pricea (Morgenstern i Price, 1965.) - zadovoljava sve uslove ravnoteže, primenjiva za sve oblike klizne ravni, tačna vrednost faktora sigurnosti (Fs) ; • Metoda Sarme (Sarma, 1973.) - zadovoljava sve uslove ravnoteže, primenjiva za sve oblike klizne ravni. Metode teorije plastičnosti - zasivaju se na iznalaženju graničnog naponskog stanja, odnosno na određivanju uslova koji dovode do stvaranja plastičnih deformacija u kosinama. Manje se primenjuju nego navedene metode granične ravnoteže, ali imaju teoretski i razvojni značaj naročito prilikom analize nosivosti temelja i pritiska na potporne konstrukcije, kao i pri rešavanju specijalnih slučajeva stabilnosti. Primena teorije plastičnosti bazira se na diferencijalnim jednačinama ravnoteže u ravni i na Coulomb - Mohrovom kriterijumu loma. Metoda konačnih elemenata (MKE) - upotrebom ove metode moguće je realnije proceniti raspodelu napona, deformacije i pomeranja u kosini i to na bazi modeliranja terena nakon geomehaničkih istraživanja kojima se obuhvataju sve njegove osobine i efekti, kao što su: primarni naponi u tlu, heterogenost, anizotropija, diskontinualnost, efekat progresivnog loma i sl. Proračun faktora sigurnosti (Fs) etaža na površinskom kopu POLJE E - R.B. KOLUBARA (sitnozrni pesak i ugalj), urađen je korišćenjem tri metode : Morgenstern-Price, Bishop i Janbu (model na slici Slici 5.1.), pri različitim vrednostima pornog pritiska (ru=0.0, ru=0.2 i ru=0.5 ). Rezultati proračuna prikazani su tabelarno (Tabela 5.3. i 5.4.) i grafički (Slika 5.2). Slika 5.1. - Model površinskog kopa POLJE E - R.B. KOLUBARA Fizičko-mehanička svojstva sitnozrnog peska su : • ugao unutrašnjeg trenja p = 29° • kohezija C =26 (KN/m2) • zapreminska masa Y = 20.20 (KN/m3) Fizičko-mehanička svojstva uglja su • ugao unutrašnjeg trenja cp = 34° • kohezija C =180 (KN/m2) • zapreminska masa Y = 11,47 (KN/m3) Visina etaža je definisana vertikalnom podelom ležišta i za analizirani prostor usvojeno je He=20 m (i za pesak i za ugalj). Ugao nagiba kosina (ar) za usvojenu visinu etaže određuje se nakon sprovedene analize stabilnosti tako da za konkretnu parcijalnu kosinu iznosi ar = 40o (pesak) i a r = 70o (ugalj). Slika 5.2. - Proračun faktora sigurnosti (Fs) parcijalne kosine primenom softverskog paketa SLIDE v.6.0, Rocscience In Tabela 5.3. - Rezultati proračuna faktora stabilnosti (Fs) parcijalne kosine sitnozrnog peska za različite visine (He) i nagibe etaže (ar) na površinskom kopu POLJE E- R.B. KOLUBARA Tabela 5.4. - Rezultati proračuna faktora stabilnosti (Fs) parcijalne kosine uglja za različite visine (He) i nagibe etaže (ar) na površinskom kopu POLJE E - R.B. KOLUBARA Slika 5.3. - Faktori sigurnosti parcijalnih etaža za različite visine (He) i nagibe kosina (ar)sitnozrnih peskova Kao što se vidi na gornjem dijagramu za sitnozrni pesak (Slika 5.3.), pri visini etaže He=20 m, ugao nagiba kosine ne sme prelaziti 40o Etaže na uglju (Slika 5.4.), za visinu etaže He=20 m, mogu imati nagib i do 70o I za ostale materijale i kosine na površinskim kopovima R.B. KOLUBARA, princip proračuna faktora sigurnosti (Fs) i njegovih prikazivanja je isti. Mora se napomenuti da su analize rađene uz pretpostavku da su etaže homogene. Slika 5.4. - Faktori sigurnosti parcijalnih etaža za različite visine (He) i nagibe kosina (ar)uglja (R.B. KOLUBARA) Može se zaključiti da pravilno proračunata i definisana geometrija kosine, pored toga što utiče na sigurnost rada tokom eksploatacije, ima i veliki značaj na odabir opreme, tj. u čvrstoj je vezi sa njenim konstruktivnim parametrima. Ovo se posebno odnosi na dužinu strele bagera jer, ukoliko je ona duža, moguće je otkopavati etaže koje zahtevaju manje uglove nagiba, što je od posebnog značaja pri radu u materijalima sa slabim fizičko-mehaničkim svojstvima. U narednim poglavljima to će biti prikazano kroz analizu rada tri različita tipa bagera. 6. DINAMIČKO I STATIČKO PONAŠANJE STRELE BAGERA SchRs- 630 KAO POSLEDICA TEHNOLOŠKOG ZAHTEVA ZA POVEĆANJEM DUŽINE STRELE Uticaj produžavanja strele bagera na dinamičko ponašanje konstrukcije strele i na naponsko stanje celokupne konstrukcije bagera, ispitano je numeričkim putem, primenom metode konačnih elemenata. Kao referentni bager za istraživanja usvojen je rotorni bager tipa SchRs 630 25/6 proizvođača O&K (sada Krupp). Ovo je jedan od najzastupljenijih tipova rotornihh bagera na površinskim kopovima u okviru Elektroprivrede Srbije. Do sada je izrađivan u više modela (sa različitom zapreminom kašike (900 litara, 630 litara i 740 litara), ali sa istim konstruktivnim dimenzijama (dužina strele 35 metara). Slika 6.1. - Bager tipa SchRs 630 25/6 (osnovne dimenzije) 6.1. Metoda konačnih 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 idelaizacija i uprošćenja [1, 31, 32, 48, 50, 60, 61, 62, 63, 67]. Razlikuju se statički i dinamički proračuni nosećih struktura. a). Statički proračun nosećih struktura Jednačina statičke ravnoteže sila-pomeranje u matričnom obliku glasi: gde je : [K] = E^f^rsjg - ukupna (globalna) matrica krutosti tela ; (5 }-globalni vektor pomeranja ; (F)-ukupni vektor spoljašnjeg opterećenja elastičnog tela ; \krs\e = [T]T[krs]e[T]- matrica krutosti konačnog elementa u globalnom sistemu ; [T]-matrica transformacija lokalnog u globalni sistem ; [krs]e- matrica krutosti konačnog elementa u lokalnom sistemu. Za gredni element (strela će biti modelirana grednim elementima), kao što se može videti u nastavku, matrica krutosti u lokalnom koordinatnom sistemu glasi: gde je : Bz- krutost grede na savijanje u XY ravni (oko Z-pravca) ; GIX- torziona krutost grede. Metode za rešavanje statičke matrične jednačine ravnoteže dele se na direktne i iterativne. U direktne spadaju Gauss-ove eliminacije i Dekompozicije Choleski, a u iterativne Gauss-Seidel-ova metoda i Gradijentna metoda. b). Dinamički proračun nosećih struktura Za razliku od prethodno pomenutog statičkog proračuna gde su sva opterećenja konstantna u vremenu, pri dinamičkoj analizi na konstrukciju (posledično na svaki konačni element) deluju još i dinamičke sile koje su u funkciji vremena (inercijalne i prigušujuće sile). Ponašanje konstrukcije izložene dejstvu dinamičkih sila u najopštijem slučaju, opisuje se osnovnom dinamičkom jednačinom prinudnih prigušenih oscilacija u matričnom obliku i globalnom sistemu: gde je: [M] - globalna matrica masa ; [B] - globalno prigušenje ; [K] - globalna matrica krutosti ; [F(t)} - prinudni globalni vektor sila. Pri dinamičkoj analizi konstrukcija treba imati na umu razliku između vibracija i oscilacija. Kod oscilacija postoji zakonomernost procesa ponavljanja, a kod vibracija zakonomernost ne može da se nađe, uz napomenu da kada se ispituje dinamičko ponašanje konstrukcija postoji problem kako modelirati vektor sila. 6.2. Modeliranje strele bagera SchRs 630 Za modeliranje strele bagera SchRs-630 korišćen je softverski paket KOMIPS. Uzimajući u obzir izgled konstrukcije strele bagera, konstrukcija je modelirana grednim elementima (elementima kratke grede). Rešetkasta čelična konstrukcija prikazana je na Slici 6.2. Slika 6.2. - Čelična rešetkasta konstrukcija strele, izgled donjeg pojasa, gornjeg pojasa i bočnog zida Osim rešetkaste čelične konstrukcije strele u obzir su uzeti i svi ostali elementi koji utiiču na krutost konstrukcije strele, odnosno uzeta su i poprečna ukrućenja kao i vratila radnog točka i povratnog bubnja, moment-poluge oba reduktora, delovi konstrukcije za nošenje trake, kao i zatege. Model strele sastoji se od 290 grednih elemenata i prikazan je na Slici 6.3. Slika 6.3. - Model strele sastavljen od grednih elemenata Geometrijske karakteristike poprečnih preseka svih greda, koje su važne za numerički proračun, kao što je rečeno izračunate su primenom softverskog paketa KOMIPS, a po pravilima Otpornosti materijala. Na Slici 6.4. prikazan je jedan tipičan gredni element konstrukcije strele (prolazni "I profil'), sa pripadajućim osama. Slika 6.4. - Porečni presek jednog grednog elementa strele Kao što se vidi sa slike, osa x je podužna osa, a y i z su glavne težišne ose poprečnog preseka. Geometrijske karakteristike poprečnog preseka grede važne za proračun su: Ax - površina poprečnog preseka ; Ay, Az - smičuće površine duž osa y i z ; Ix, Iy, Iz - momenti inercije za ose x, y i z (pokazuju kako se poprečni presek suprotstavlja savijanju oko ose, važni i za statički i za dinamički proračun) ; Wx, Wy, Wz - otporni momenti inercije (važni za statički proračun). Geometrijske karakteristike pojedinih karakterističnih grednih elemenata iz svake funkcionalne podgrupe od kojih je strela sastavljena, date su ilustrativno u Tabeli 6.1. Npr. element označen u tabeli kao "podužna greda" je prolazni "I profif' i predstavnik je svoje klase, iako su četiri noseće grede promenljivog poprečnog preseka (sve te promene su uzete u obzir u proračunu). Isto tako, vratilo radnog točka modelirano je kao greda promenljivog poprečnog preseka tako da su i tu sve promene prečnika vratila uzete u obzir. Tabela 6.1. - Geometrijske karakteristike pojedinih karakterističnih grednih elemenata Geometrijske karakteristike poprečnih preseka date su u odnosu na lokalni koordinatni sistem grede, a orijentacija u odnosu na globalne ose je naknadno definisana. 6.3. Određivanje sopstvenih frekvencija oscilovanja strele bagera SchRs 630 Strela bagera (sa pripadajućim graničnim uslovima) za koju je rađen dinamički proračun prikazana je na Slici 6.5. Strela je smeštena u elastično okruženje, odnosno modelirane su i zatege o kojima strela "visi" na jarmu. Slika 6.5. - Dinamički model strele bagera, granični uslovi i opterećenja Tačke 1 predstavljaju uležištenje strele i tim tačkama je sprečena translacija u sva tri pravca. Tačke 2 su tačke veze zatege i jarma, pa su njima sprečena sva pomeranja (i translacije i rotacije). Tačke 3 predstavljaju zglobne veze strele i zatega, pa je tim tačkama lokalno oslobođen jedan stepen slobode, odnosno dozvoljena je rotacija u tom zglobu oko ose y. Isto se može postići ako se zatege modeliraju elementima štapa, a ne elementima grede. Mase reduktora (oko 8 t) i radnog točka (oko 20 t) uzete su u obzir kao koncentrisane mase pri dinamičkom proračunu, što se može videti sa slike. Dužina osnovne strele iznosi 34,93 m, a masa 64869,48 kg. Slika 6.6. - Prva tri moda oscilovanja konstrukcije strele Strela je produžavana sa korakom od 1 m, bez promene poprečnih preseka greda, visine i širine rešetke. Od 1 do 5 m strela je produžavana tako što se ukupno produženje ravnomerno raspodeljivalo na srednjih pet segmenata koji su gotovo jednaki što se tiče konstrukcije (postoje male razlike, odnosno ojačanja u donjoj zoni prvog i gornjoj zoni poslednjeg segmenta od srednjih pet). Ukupno produženje od 6m podrazumeva produženje jednog segmenta za 29,56% dužine, što je nepovoljno sa mnogo aspekata čvrstoće konstrukcije. Iz tog razloga se za ukupno produženje strele od 6m uvodi jedan novi segment i celokupno produženje se sada raspoređuje na šest (5+1) segmenata. Numeričkim putem je provereno da su dodavanjem tog segmenta zadržane dinamičke karakteristike konstrukcije, bez obzira na povećanje mase (oko 1 t), što samo potvrđuje da je ovakvo koncepcijsko rešenje produženja od 6 m mnogo kruće (M = I—) u odnosu na rešenje gde je produženje od 6 m raspoređeno na pet segmenata. Zato se i dalja produženja rade tako što se zadržava ubačeni segment, a ukupna dužina se raspodeljuje na šest segmenata. Pri ovom proračunu originalne zatege postojeće strele korišćene su za svaku sledeću produžavanu strelu. Pritom je položaj zatega diktiran geometrijom (dužinom) jarma i samih zatega, što podrazumeva da nije isti za izvornu i za produžene strele. Slika 6.7. - Promena geometrije jaram-zatega sa produženjem strele Jasno je da se sa produženjem strele položaj zatege menja, odnosno ugao koji zaklapaju konstrukcija strele i zatega se smanjuje. Pritom, 10 m predstavlja krajnju granicu do koje mogu biti korišćene postojeće zatege i jaram, jer za svako sledeće produženje dva kruga koja predstavljaju jaram i zategu se uopšte ne bi presekla. Međutim, sa prethodne slike može se videti da je i pri dužini od 10 m geometrija jaram-zatega jako narušena (ugao između zatege i strele jako mali, a između jarma i zatege jako veliki). Ove varijacije nužno dovode do promene geometrije mehanizma za podizanje-spuštanje strele radnog točka, a što implicira nužnost preprojektovanja elemnata ovog mehanizma (koturače, užad, užni bubnjevi, pogonski agregati). Isto tako, za produženje od 10 m ukupna masa strele povećala se za oko 5 t, što bi imalo svoje posledice na noseću konstrukciju celog bagera. Međutim, to nije predmet ovog razmatranja, ovde se razmatranje ograničava samo na konstrukciju strele. Rezultati dinamičkog proračuna prikazani su u Tabeli 6.2. za strelu produžavanu od 1m do (fiktivnih) 10 m. Tabela 6.2. - Rezultati dinamičkog proračuna Slika 6.8. - Dijagram promene sopstvenih frekvencija sa povećanjem dužine strele Slika 6.9. - Dijagram promene mase sa povećanjem dužine strele Kao što je prethodno rečeno, za produženje strele od 6 m, ubačen je novi segment, odnosno masa konstrukcije je svesno povećana, tako da se taj "skok" na dijagramu ne može smatrati važnim. 6.4. Naponsko i deformaciono stanje u konstrukciji strele bagera SchRs-630 izloženoj radnom opterećenju Rađen je numerički proračun konstrukcije opterećene referentnim radnim opterećenjem (statički proračun) i sopstvenom težinom greda koje čine datu konstrukciju. Slika 6.10. - Proračunski model (statika) Sa Slike 6.10. se može videti da su granični uslovi isti kao i za dinamički proračun, jer reprezentuju realne uticaje uklonjenog dela konstrukcije. Što se prividnog radnog opterećenja tiče, ukupna sila kopanja od 25 t raspodeljena je u realnim odnosima na tri sile (vertikalna 1, obimna 0,3 i čeona 0,15). U obzir nisu uzete mase reduktora i radnog točka, kao ni ostala opterećenja (težine) kojima je strela radnog točka izložena u realnim radnim uslovima. Zato su dobijeni nivoi napona (proračunski je dobijen napon oko 4 (kN/cm2)) znatno niži od očekivanih. Opterećenje je uneto na obimu radnog točka (koncentrisana sila u jednoj tački), koji je simuliran krutom gredom (Slika 6.11.). Slika 6.11. - Izgled elastične linije konstrukcije izložene fiktivnom radnom opterećenju (izvorna strela) Promena napona u jednom elementu donjeg pojasa prvog segmenta (blizu uležištenja strele), koji poseduje respektivno visok nivo napona i za slučaj osnovne i produženih strela, data je u Tabeli 6.3. Slika 6.12. - Dijagrami promene napona u elementu donjeg pojasa prvog segmenta sa povećanjem dužine strele Sa dijagrama se može uočiti da se za produženje strele od 6 m napon u ovom elementu povećao za više od 30 % vrednosti napona u istom elementu postojeće strele bagera. Takođe se može uočiti da velika produženja strele (8, 9, 10 m) nemaju smisla. Promena napona u elementu bočnog desnog zida rešetkaste konstrukcije (gledano od uležištenja ka vrhu strele), u daljem tekstu "kosi element", koji spaja poslednje vertikalne stubove i uležištenje vratila radnog točka, prikazana je u Tabeli 6.4. Tabela 6.3. - Promena napona u jednom elementu donjeg pojasa prvog segmenta Tabela 6.4. - Promena napona u elementu bočnog desnog zida rešetkaste konstrukcije Slika 6.13. - Dijagrami promene napona u kosom elementu desnog bočnog zida sa povećanjem dužine strele Promena napona u elementu leve zatege strele bagera (gledano od vrha jarma ka vrhu strele) prikazana je u Tabeli 6.5. Slika 6.14. - Dijagrami promene napona u elementu leve zatege strele sa povećanjem dužine strele Tabela 6.5 - Promena napona u elementu leve zatege strele bagera Izgled elastične linije deformacije osnovne i strela produženih za 2, 4, 6, 8 i 9 m može se videti na Slici 6.15.. Strela bagera ponaša se kao greda sa prepustom (uočava se fiktivni pokretni oslonac na levom kraju pre tačke gde se strela vezuje za zategu) na čijem kraju se nalazi sila, a koja je kontinualno opterećena sopstvenom težinom. Vidi se da za mala produženja strela ostaje kruta, dok se za velika ponaša elastično. U Tabeli 6.6. prikazan je ukupni ugib za sve korake produženja strele. Tabela 6.6. - Ukupni ugib za sve korake produženja strele Slika 6.15. - Promena izgleda elastične linije strele sa promenom dužine (statički proračun) Slika 6.16. - Grafički prikaz promene ugiba sa povećanjem dužine strele Zaključak i preporuka na osnovu svega prethodno prikazanog je da se, bez promene konstrukcije rešetkaste strukture (visine, širine rešetke i poprečnih preseka greda), može ići maksimalno na produženje strele do 5m. 7. TERENSKA ISPITIVANJA DINAMIČKOG PONAŠANJA ROTONOG BAGERA Terenska ispitivanja dinamičkog ponašanja rotornog bagera SchRs 630 izvršena su na površinskom kopu TAMNAVA ZAPAD u cilju validizacije modela koji je dobijen na modelu urađen metodom konačnih elemenata. Merenja su obavljena korišćenjem senzora trokomponentnog ubrzanja, tipa VIBRO, Mikroelektronika Beograd-Analog device USA (Slika 7.1.). Slika 7.1.- Senzor trokomponentnog ubrzanja Prva tri moda oscilovanja konstrukcije strele primenom metode konačnih elemenata (Slika 6.6.) su sledeća: • Savijanje u horizontalnoj ravni (prvi mod oscilovanja) - sopstvena frekvencija 1,4 Hz • Savijanje u vertikalnoj ravni (drugi mod oscilovanja) - sopstvena frekvencija 3,9 Hz • Uvijanje (treći mod oscilovanja) - sopstvena frekvencija 5,4 Hz Kao što je prethodno rečeno, ispitivanja sopstvenih frekvenciji izvršeno je na rotornom bageru, u normalnom radu bagera, uz pomoć gorenavedenog senzora ubrzanja, kada su merne trake postavljene na vrh strele bagera (Slika 7.2.). Slika 7.2. - Položaj mernih traka na bageru Dobijeni rezultati prikazani su na Slikama 7.3., 7.4., 7.5., 7.6. i 7.7.. Sa dijagrama se može uočiti tehnički prihvatljiva saglasnost numerički izračunatih i izmerenih sopstvenih vrednosti. Dobijeni rezultati potvrđuju validnost numeričkog modela, jer se sa dijagrama jasno uočavaju navedene frekvence. Prema tome, numerički model je verodostojan i može se koristiti za analizu produžetka strele. Ispitivanja naponskog stanja u streli bagera izvršeno je pre završetka montaže bagera, kada su lamele još uvek bile neopterećene. Dobijena vrednost napona u modelu (oko 4 kN/cm2) je niža od stvarne jer u modelu nisu uzete u obzir težine. Crvena boja - vertikalni pravac; Plava boja - bočni pravac radne strele; Crna boja - podužni pravac radne strele. U nastavku su data pojedina karakteristična merenja. 7.1. Rezultati merenja sopstvenih frekvenciji Slika 7.3. - Merenje br. 1 Slika 7.4. - Merenje br.2 Slika 7.5. - Merenje br.3 Freauencv [Hz] Slika 7.6. - Merenje br.4 Slika 7.7. - Merenje br.5 7.2. Napon u lamelama strele bagera Merenje sila u lamelama strele bagera izvršeno je primenom ekstenziometrijskih mernih traka. Izvršenim merenjima određen je napon u levoj lameli strele bagera, od sopstvenih težina bagera i iznosi: Izvršenim merenjima određen je napon u desnoj lameli strele bagera, od sopstvenih težina bagera (Slika 7.8.) i iznosi : Izvršenim merenjima određen je napon u desnoj lameli kontratega od sopstvenih težina bagera (Slika 7.9.) i iznosi: Slika 7.8. - Napon u desnoj lameli strele bagera Slika 7.9. - Napon u desnoj lameli strele kontratega 8. MODELIRANJE PROCESA OTKOPAVANJA I PRORAČUN PARAMETARA BLOKA I PODETAŽE ZA RAZLIČITE DUŽINE STRELE Kao što je u predhodnom tekstu izneto, otkopavanje materijala rotornim bagerom je veoma složen fizičko-mehanički proces, a pokazatelji efektivnosti tog procesa zavise od brojnih i raznovrsnih činilaca od kojih posebno treba istaći: fizičko-mehaničke karakteristike materijala koji se otkopava, režim rada bagera, izbor tehnoloških parametara bloka, podetaže i odreska, geometriju vedrica i reznih elemenata, itd. [19, 21, 25, 27, 28, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 45]. Da bi celokupan proces eksploatacije u svakom svom segmentu posedovao sigurnost kako za mašine kojima se vrši otkopavanje tako i za ljudstvo koje ih opslužuje, neophodno je uticajne parametre definisati tako da se rizik koji je tom prilikom prisutan svede na najmanju moguću meru. Istovremeno, mora se voditi računa da i ekonomski pokazatelji ne odstupaju od normi koje ih čine opravdanim. Dužina strele bagera (Ls), kao vrlo bitan konstruktivni parametar bagera, znatno utiče na širinu bloka (B), ugao nagiba bočne kosine (Pb), rastojanje od ose bagera do nožice kosine (Lmax), dužinu bloka (Z) i kapacitet bagera (Q). Često se međutim u praksi ovo zanemaruje tako da menadzment kompanije tek sa zakašnjenjem uočava propust koji uglavnom za posledicu ima bespotrebni utrošak značajnih novčanih sredstava. Kroz analizu ovih parametara za tri tipa bagera C-700 (tip A), SchRs- 630x25/6 (tip B) i SRs-2000x32/5 (tip C)), potvrdiće se gore izneto i pokazati neophodnost za ovakvom analizom uvek pre donošenja konačne odluke o dimenziji bagera kao i njegove strele bagera. Konstruktivni parametri navedenih bagera dati su u Tabeli 8.1. Tabela 8.1 - Karakteristike bagera 8.1. Analiza uticaja dužine strele radnog točka (Ls) na ugao nagiba bočne kosine (pb) Rezultati analize uticaja dužine strele bagera (Ls) na ugao nagiba bočne kosine (pb) za svaki od navedenih bagera prikazani su na Slikama 8.1., 8.2., 8.3. i 8.4. Slika 8.1. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na ugao nagiba bočne kosine (pb) za bager C-700 Slika 8.2. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na ugao nagiba bočne kosine (pb) za bager SchRs-630x25/6 Slika 8.3. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na ugao nagiba bočne kosine (pb) za bager SRs-2000x32/5 Na Slici 8.4. prikazani su zajedno uočljivo da veće dužine strele bagera takvih karakteristika čije etaže zahtevaju rezultati analize sva tri bagera i lako je omogućavaju otkopavanje materijala manje nagibe bočnih kosina (pb). Slika 8.4. - Zavisnost ugla nagiba bočne kosine (pb) od dužine strele bagera (Ls) za sva tri bagera (za vrednost osnovnih dužina strela) 8.2. Analiza uticaja dužine strele radnog točka (Ls) na širinu bloka(B) Rezultati proračuna širine bloka (B) u zavisnosti od dužine strele bagera (Ls) prikazani su za svaki bager pojedinacno (Slike 8.5., 8.6., 8.7.), kao i za sva tri bagera uporedno (Slika 8.8.). Slika 8.5. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na širinu bloka (B) za bager C-700 Slika 8.6. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na širinu bloka (B) za bager SchRs-630x25/6 Slika 8.7 - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na širinu bloka (B) za bager SRs-2000x32/5 Slika 8.8. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na širinu bloka (B) uporedno za sva tri bagera (za vrednost osnovnih dužina strela) Uočljivo je da veća dužina strele bagera (Ls) omogućava otkopavanje bloka veće širine (B) pri istoj visini etaže (He). To opet dovodi do zaključka da će bageri sa većom dužinom strele bagera ostvariti veći kapacitet tj. ostvariće veću efikasnost bloka (veća širina bloka smanjuje obim pomoćnih radova na pomeranju transportera). 8.3. Analiza uticaja dužine strele radnog točka (Ls) na dužinu bloka(Z) Rezultati proračuna dužine bloka (Z) u zavisnosti od dužine strele bagera (Ls) prikazani su za svaki bager pojedinacno (Slike 8.9., 8.10., 8.11.), dok je uporedna analiza za sva tri bagera data na Slici 8.12. (sa osnovnim dužinama strele). Slika 8.9. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na dužinu bloka (Z) za bager C-700 Slika 8.10. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na dužinu bloka (Z) za bager SchRs-630x25/6 Slika 8.11. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na dužinu bloka (Z) za bager SRs-2000x32/5 Slika 8.12. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na dužinu bloka (Z) uporedno za sva tri bagera (za vrednost osnovnih dužina strela) Evidentno je da bageri sa većom dužinom strele bagera (Ls) mogu otkopati veću dužinu bloka (Z) što dovodi do smanjenja vremena manipulativnih radnji bagera, a samim tim do povećanja njegovog vremenskog iskorišćenja (veće napredovanje u okviru jedne podetaže smanjuje obim radova pomoćne mehanizacije na ravnanju planuma i njeno angažovanje uz rotorne bagere). 8.4. Analiza uticaja dužine strele radnog točka (Ls) na sigurnosno rastojanje bagera od nožice etaže (Lmax) Što se tiče sigurnosnog rastojanja bagera od nožice etaže (Lmax), logično je da veća udaljenost bagera od etaže garantuje njegov sigurniji rad tj. eventualno zarušavanje etaže ne može ga ugroziti. To potvrđuju i rezultati analize uticaja dužine strele bagera (Ls) na rastojanje od ose bagera do nožice etaže (Lmax), koji su prikazani na Slikama 8.13., 8.14., 8.15., (posebno za svaki od bagera). Uporedna analiza za sva tri bagera prikazana je na Slici 8.16.. Slika 8.13. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na rastojanje od ose bagera do nožice etaže (Lmax) za bager C-700 Slika 8.14. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na rastojanje od ose bagera do nožice etaže (Lmax) za bager SchRs-630x25/6 Slika 8.15. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na rastojanje od ose bagera do nožice etaže (Lmax) za bager SRs-2000x32/5 Slika 8.16. - Uticaj dužine strele bagera (Ls) na rastojanje od ose bagera do nožice etaže (Lmax) uporedno za sva tri bagera (za vrednost osnovnih dužina strela) 8.5. Analiza uticaja dužine strele bagera (Ls) na kapacitet bagera (Q) Analiza kapaciteta navedenih bagera, koje su oni ostvarili od početka njihovog rada pa do 2013. godine (RB KOLUBARA), prikazana je na sledećim tabelama i slikama (2014. i 2015. godina nisu razmatrane iz razloga što je poplava onemogućila normalan rad mehanizacije tako da bi se u analizu ušlo sa nerelevantnim podacima), [54, 55, 56, 57, 58, 59]. Tabela 8.2. - Dosadašnji rad bagera SchRs-630x25/6 (P.K. TAMNAVA-ZAPAD) Slika 8.17. - Vremensko i kapacitativno iskorišćenje bagera SchRs-630x25/6 (P.K. TAMNA VA-ZAPAD) Tabela 8.3. - Dosadašnji rad bagera SRs-2000x32/5 (P.K. TAMNAVA-ZAPAD) Slika 8.18. - Vremensko i kapacitativno iskorišćenje bagera SRs-2000x32/5 (P.K. TAMNAVA-ZAPAD) Slika 8.19. - Vremensko i kapacitativno iskorišćenje bagera C-700 (P.K. POLJE B) Tabela 8.4. - Dosadašnji rad bagera C-700 (P.K. POLJE B) Takođe, za svaki od navedenih bagera izračunat je tehnički kapacitet (Qth) u funkciji njihove dužine strele bagera (Ls), visine etaže (He), i ugla bočne kosine^). Rezultati proračuna dati su u Tabelama 8.5., 8.6., 8.7. Tabela 8.5. - Vrednosti tehničkog kapaciteta (Qth) za bager SchRs-630x25/6 Tabela 8.6. - Vrednosti tehničkog kapaciteta (Qth) za bager SRs-2000x32/5 Tabela 8.7. - Vrednosti tehničkog kapaciteta (Qh) za bager C-700 Može se izvesti zaključak da veća dužina strele bagera (Ls), (bageri Tipa B i C), omogućava mnoge prednosti u odnosu na manju dužinu strele, koja je karakteristična za kompaktne bagere (bageri Tipa A). Navedene tehnološke pogodnosti bagera sa dužim strelama utiču na povećanje njegove efikasnosti rada u bloku (Slika 8.20.), pa tako u zavisnosti od visine efikasnosti bloka, kod bagera sa dužim strelama ona se kreće oko 80%, dok je za kompaktne bagere sa kratkom srtelom do 70%. Slika 8.20. - Zavisnost efikasnosti bloka od dužine strele bagera za različite tipove bagera Takođe se može konstatovati da se pri radu bagera sa dužom strelom smanjuje broj i interval pomeranja transportera, što svakako utiče na efikasnost otkopavanja. Visina, širina i dužina bloka koji se otkopava, evidentno mogu imati veće vrednosti ako bager poseduje dužu strelu, što se direktno odražava i na njegov veći učinak.Takođe, duža strela omogućuje i veću dubinu kopanja što opet pruža veću fleksibilnost pri selektivnom radu. To se odnosi i na selektivni rad bagera u gornjim podetažama, kada duža strela bagera usled svog podizanja može obezbediti manji nagib, koji je veoma značajan za rad tračnog tratransportera koji se nalazi na njoj. Duža strela bagera ima značaj i za stabilnost kosina etaža, posebno kada se otkopava materijal sa slabijim fizičko- mehaničkim svojstvima. Sa dužom strelom moguće je otkopati etaže koje zahtevaju manje uglove nagiba, pri čemu je i sigurnosno rastojanje između bagera i nožice etaže veće, što garantuje i veću sigurnost usled eventualnog obrušavanja etaže. Analizom tehničkog (Qth) i eksploatacionog (Qex) kapaciteta bagera SchRs-630x25/6 u funkciji promene dužine njegove strele od Ls = 35 m do 40 m (visina etaže He = 20 m, nagib čeone kosine ač = 40o), dobijaju se rezultati prikazani u Tabeli 8.8.. Te vrednosti predstavljaju osnov za razmatranja koja za krajnji cilj treba da pokažu ekonomsku opravdanost povećanja postojeće dužine strele (Ls). Pošto je u prethodnim analizama utvrđeno da to povećanje dužine strele može ići samo do 5 m (zaključak iz 6. poglavlja), ekonomska analiza je rađena shodno tim dužinama, kao što je prikazano u Tabeli 8.8., uz korak promene njene dužine od 1 m. Tabela 8.8. - Vrednosti tehničkog (Qh) i eksploatacionog (Qex) kapaciteta za bager SchRs-630x25/6 u funkciji promene dužine strele bagera (Ls) 9. EKONOMSKA ANALIZA Da bi se uradila ekonomska ocena nekog projekta, neophodno je integrisati tržišne karakteristike sa karakteristikama proizvodnog procesa, što nimalo nije jednostavno. Zato proces inženjerskog odlučivanja treba shvatiti kao proces koji se ostvaruje kroz nekoliko faza: a) faza pripreme - nakon proučavanja određenog problema započinje se sa analizom ideja i predlaganjem mogućih inženjersko-ekonomskih rešenja. Poređenje alternativnih rešenja vrši se komparacijom na osnovu ukupnih i jediničnih troškova, kao i na osnovu „principa kompleksnosti". Najpre treba utvrditi obim i strukturu troškova za svaku alternativu a potom sagledati ekonomsku opravdanost svake alternative, pri čemu sve inženjerske odluke moraju polaziti od onih alternativa koje zadovoljavaju sledeći uslov : gde su : SV - sadašnja vrednost svih očekivanih budućih troškova; P - ukupni prihod; T - ukupni troškovi; (1 + K) - funkcija novca tokom vremena (diskontni faktor); K - godišnja diskontna stopa; n - broj godina, odnosno diskontnih perioda. b) donošenje odluke - konačnu odluku treba da donesu mendžeri proizvodnje zajedno sa odabranim timom stručnjaka pri čemu treba znati da pogrešno donešena odluka može imati dalekosežne posledice po dalju egzistenciju preduzeća. Ispravno doneta odluka treba da omogući stvaranje povoljnih uslova poslovanja uz ostvarenje štovećeg profita ; c) implementacija (sprovođenje) donete odluke - traje određeno vreme i po pravilu se odvija u više etapa. 9.1. Definisanje odgovarajuće metodologije Za donošenje ispravne odluke pri izboru najboljeg od razmatranih varijantnih rešenja dužine strele bagera, neophodno je definisati odgovarajuću metodologiju. Ona mora biti objektivna i proverena a rezultat koji opredeljuje izbor mora biti jasan i nedvosmislen. Zato, pored visine investicionih ulaganja, koja se menja upravo proporcionalno sa promenom dužine strele, na donošenje konačne odluke bitan uticaj imaju i troškovi rada svakog varijantnog rešenja sprave u zadatom vremenskom periodu. Najpre treba utvrditi zajednički imenitelj varijantnih rešenja koji će poslužiti za njihovo upoređivanje. Kao najpogodniji zajednički imenitelj za poređenje se nameću prosečni troškovi proizvodnje kubnog metra jalovine ili korisne mineralne sirovine koju otkopa bager tokom posmatranog perioda eksploatacije. Matematičko-statističkim modelom se simulira kretanje ekonomskih parametara vezanih za otkop (u ovom slučaju jalovine) prema predviđenoj dinamici u zadatom vremenskom periodu (analiza rađena za 20 godina), pri čemu se u obzir uzima kako visina investicionih ulaganja koja prethodi stavljanju varijantnih rešenja sprave u funkciju, tako i operativni troškovi njenog angažovanja u posmatranom periodu. Na kraju se upoređuju prosečni troškovi proizvodnje za svako varijantno rešenje [2, 18, 22, 26, 47, 68]. Ako ukupne troškove proizvodnje obeležimo sa (C) a obim proizvodnje sa (q), pri čemu znamo da ukupni troškovi proizvodnje (C) prvenstveno zavise od ostvarenog obima proizvodnje (q), ovu njihovu zavisnost možemo predstaviti monotono rastućom i neprekidnom funkciom: gde su : C - ukupni troškovi proizvodnje ; q - obim proizvodnje. Ova funkcija ukupnih troškova izražava zavisnost njihovog kretanja od obima proizvodnje u jednom vremenskom trenutku i za date tehničko- tehnološke i organizacione uslove proizvodnje. Jasno je da veći obim proizvodnje zahteva uvećanje ukupnih troškova i obratno, manji obim proizvodnje znači manje troškove. Troškovi sami po sebi nisu homogena kategorija i zavisno od potrebe ili kriterijuma mogu se klasifikovati na više načina. Tako se klasifikacija troškova može izvršiti prema mestu njihovog nastanka (troškovi izrade i troškovi režije), prema faktorima proizvodnje (troškovi radne snage, materijala i sredstava za rad), prema vezanosti za nosioce troškova (pojedinačni i zajednički), prema načinu vezivanja za nosioce (direktni i indirektni troškovi), itd. Za potrebe ove analize korišćena je podela troškova na fiksne i varijabilne. Fiksni troškovi su konstantni i u ukupnom iznosu ne zavise od ostvarenog obima proizvodnje ali se u zavisnosti od ostvarenog obima proizvodnje menjaju po jedinici proizvoda. Tipični fiksni trošovi koji se javljaju u analizi su amortizacija (5% od vrednosti sprave godišnje) i troškovi osiguranja. Varijabilni troškovi se menjaju sa promenom obima proizvodnje (tipičan predstavnik varijabilnih troškova u modelu su troškovi energije). Ostali triškovi su grupisani po kategorijama i razvrstani su na fiksnu i varijabilnu komponentu. Treba napomenuti da je podela troškova na fiksne i varijabilne relativna i da su na duži rok posmatrano svi troškovi varjabilni. Pošto se naredna analiza zasniva na praćenju rezultata za svaku godinu pojedinačno, to je odabrana klasifikacija troškova na fiksne i varijabilne metodološki opravdana. Imajući u vidu da je za date tehničko-tehnološke i organizacione uslove proizvodnje visina varijabilnih troškova upravo proporcinalna ostvarenom obimu proizvodnje (fiksni troškovi u celini ostaju konstantni), gornja funkcija ukupnih troškova može biti predstavljena na sledeći način: gde su: F(q) - varijabilni troškovi ; f - fiksni troškovi. Funkcionalna zavisnost obima proizvodnje i fiksnih i varjabilnih troškova data je kroz normalnu jednačinu prave koja predstavlja funkciju ukupnih troškova i glasi: gde su: C - ukupni troškovi ; x - obim proizvodnje (jalovine) ; a - koeficijent proporcionalnosti (predstavlja prosečne varjabine troškove i određuje ugao (uspon) trenda ekstrapolirane funkcije) ; b - slobodni član u funkciji (predstavlja fiksne troškove). Ekstrapolacija funkcije vrši se statističkom metodom najmanjih kvadrata. Sistem normalnih jednačina za datu funkciju troškova glasi: gde je : n - broj parova vrednosti (Xt, Ct). 9.2. Polazni podaci Za utvrđivanje prosečnih troškova proizvodnje kubnog metra jalovine, koga otkopa bager u svojim varijantnim rešenjima, pošlo se od sledećih činjenica: - Dužina strele radnog točka menja se u granicama od 35 do 40 m (ova granica je određena proračunima u Poglavlju 6) ; - Dinamika godišnje proizvodnje bagera data je po varijetetima dužine strele radnog točka, a na osnovu tehničkog kapaciteta bagera (Qth); - Visine investicionih ulaganja sa cenama izraženim u evrima (€) date su po varijetetima dužine strele radnog točka, pri čemu je kao polazna uzeta cena sprave od 18.000.000 (€). Obzirom na njenu težinu od 1.700 (t), to daje cenu od 10.588,25 (€/t). Svako razmatrano produženje strele prouzrokuje dodatno povećanje cene sprave za 7.500 (€/t) ; - Efekti distorzije sadašnjih investicionih ulaganja i budućih operativnih troškova eliminisani su diskontaovanjem projektovanih troškova i proizvodnje na sadašnju vrednost diskontnom stopom od 8% ; - Visina troškova poslovanja definisana je normativima utrošaka prema podacima iz Tabele 9.1., pri čemu je izvršeno dekomponovanje ovih troškova na fiksnu i varjabilnu komponentu prema zajedničkom algoritmu za sva varijantna rešenja dužine strele. Tabela 9.1. - Troškovi poslovanja prema normativima utrošaka - Amortizacija, koja predstavlja tipičan fiksni trošak poslovanja obračunata je proporcionalnom metodom po godišnjoj stopi od 5% vrednosti za sve varijante produženja strele radnog točka ; - Troškovi osiguranja, koji su po svojoj prirodi takođe fiksni troškovi, obračunati su po stopi od 1% vrednosti bagera ; - Pošto se radi o mikroekonomiji sprave (bagera), plasman i prodajna cena otkrivenog uglja nisu razmatrani ; - Pretpostavljena stopa inflacije iznosi 0%. 9. 3. Rezultati analize Primenjujući prethodno definisane parametre u modelu za analizu došlo se do prosečne cena proizvodnje po m3 rotornog bagera SchRs-630 za različite dužine strele radnog točka. Ti rezultati su prikazani u Tabeli 9.2. i Tabeli 9.3. Tabela 9.2. - Cene proizvodnje po m3 rotornog bagera SchRs-630, za dužine strele bagera Ls=35 m, Ls=36 m i Ls=37 m Grafička interpretacija rezultata iz prethodne dve tabele (fiksni troškovi, varijabilni troškovi, ukupni troškovi i godišnja proizvodnja), data je na Slici 9.1. Slika 9.1. - Odnos fiksnih troškova, varijabilnih troškova, ukupnih troškova i godišnje proizvodnje za različite dužine strele bagera SchRs-630 U Tabeli 9.4. date su vrednosti prosečnih troškova proizvodnje (€/m3) za svaku analiziranu dužinu strele bagera, a njihova grafička interpretacija je prikazana na Slici 9.2. Tabela 9.4. - Prosečni troškovi proizvodnje Slika 9.2. - Prosečni troškovi proizvodnje bagera SchRs-630 za različite dužine strele bagera Razmatrajući prethodne rezultate analize može se zaključiti da u slučaju promene dužine strele bagera do 2 m (Ls=36 m i Ls=37 m), prosečni troškovi proizvodnje rastu. Sa daljom promenom dužine strele (Ls=38m, Ls=39 m i Ls=40 m), ti troškovi opadaju čime je mogućnost produženja strele bagera potvrđena i preko ekonomskih pokazatelja. 10. ZAKLJUČNA RAZMATRANJA Rotorni bageri su mašine koje su u današnje vreme našle najveću primenu pri kontinualnoj eksploataciji uglja u Srbiji. Zahvaljujući svojim tehničko- tehnološkim karakteristikama u mogućnosti su da ostvare veoma raznovrsne rudarsko-tehničke zahteve otkopavanja, ostvarujući pri tome visoku sigurnost u radu, malu specifičnu potrošnju energije, visoki koeficijent korisnog dejstva radnog organa itd. U zavisnosti od fizičko-mehaničkih svojstava radne sredine u kojoj radi, bager je neophodno prilagoditi tim uslovima rada. Izbor bagera i ostvarenje njegovog projektovanog kapaciteta u realnim uslovima na površinskom kopu u najvećoj meri zavisi od usaglašenosti geometrijskih parametara strele bagera i radnog organa sa uslovima radne sredine. Strela bagera i rotor (rotorni točak) predstavljaju dva najvitalnija dela rotornog bagera koja bitno utiču na konstrukciju celog bagera, kao i na tehnološke parametre odreska, reza i bloka, njegov proizvodni potencijal i dr. Prema najčešće primenjivanoj podeli, bageri se dele na takozvane kompaktne bagere klase A, koji se odlikuju kratkom strelom i konstrukcijom strele od punih zidova, klase B sa rešetkastom strelom i kapacitetom do 6.000 m3/h i klase C sa rešetkastom strelom kapaciteta preko 6.000 m3/h i pretovarnim mostom. Svaki od ovih tipova bagera ima svoje prednosti i nedostatke koji se ogledaju u mogućnosti ostvarivanja tehničko-tehnoloških parametara bloka i podetaže, nabavnoj ceni i dr. Izbor rotornog bagera i naročito ostvarivanje njegovog projektovanog kapaciteta u realnim uslovima na jednom površinskom kopu, u najvećoj meri zavisi od usaglašenosti geometrijskih parametara strele bagera i radnog organa sa uslovima radne sredine. Naime, izbor dužine strele je u direktnoj zavisnosti od mogućnosti ostvarivanja tehničko-tehnoloških parametara bloka i podetaže i ostvarivanja optimalnih kapaciteta. Rotor (rotorni točak) i strela bagera predstavljaju dva najvitalnija dela rotornog bagera. Ovi delovi bitno utiču na konstrukciju celog bagera, određuju tehnološke parametre odreska, reza i bloka, njegov proizvodni potencijal i dr. Povećanjem dužine strele bagera ostvaruju se povoljniji uslovi za otkopavanje kao i parametri bloka. Veoma je važno odrediti optimalnu dužinu strele, budući, da svako povećanje dužine strele bagera ima za posledicu povećanje mase celog bagera i to linerano, dok se ne zahteva promena prečnika obrtno-oslonog kruga i donje gradnje, nakon čega je povećanje mase daleko veće. Prevelika dužina strele u odnosu na konkretne uslove radne sredine (broj, moćnost i položaj proslojaka) dovodi do osetnog povećanja mase bagera, a samim tim i njegove nabavne cene. Obrtnuto, poddimenzionisana dužina strele ima za posledicu osetan pad vremenskog i kapacitetnog iskorišćenja bagera, odnosno smanjenje koeficijenta efikasnosti rada bagera u bloku i nemogućnost ostvarivanja zahtevanih uglova nagiba bočnih kosina i dr., a pri tome, uslovi rada su manje bezbedni. U dosadašnjem periodu primene rotornih bagera u svrhu eksploatacije uglja, prilikom izbora rotornog bagera, nije primenjivana uporedna sveobuhvatna tehno-ekonomska analiza pogodnosti tipa bagera i dužine strele za konkretne uslove radne sredine, pre svega sa aspekta usaglašenosti dužine strele i mogućnosti ostvarivanja zahtevanih uglova nagiba kosina koji obezbeđuju bezbedan rad na površinskom kopu. Dosadašnja istraživanja koja su razmatrala ovu problematiku, uglavnom su se bavila ili samo bagerom i njegovim konstruktivnim delovima ili samo radnom sredinom u kojoj se obavlja eksploatacija. Cilj ovog istraživanja bio je da se analizom teoretskih i eksperimentalnih istraživanja rada rotornih bagera izvrši optimizacija dužine strele bagera za uslove radne sredine basena lignita Srbije, a u funkciji veće stabilnosti otkopnih etaža i ostvarivanja maksimalnih kapaciteta. Dobijeni rezultati doprineće boljoj efektivnosti rada bagera u sklopu kontinualnih sistema i postizanju pozitivnih ekonomskih efekata, što će značajno doprineti pravilnom izboru bagera pri otvaranju novih površinskih kopova. Dužina strele bagera, kao vrlo bitan konstruktivni parametar bagera, znatno utiče na širinu bloka, ugao nagiba bočne kosine, rastojanje od ose bagera do nožice etaže, dužinu bloka i kapacitet bagera. Visina, širina i dužina bloka koji se otkopava, evidentno mogu imati veće vrednosti ako bager poseduje dužu strelu, što se direktno odražava i na njegov veći učinak.Takođe, duža strela omogućuje i veću dubinu kopanja što opet pruža veću fleksibilnost pri selektivnom radu. To se odnosi i na selektivni rad bagera u gornjim podetažama, kada duža strela bagera usled svog podizanja može obezbediti manji nagib, koji je veoma značajan za rad tračnog transportera koji se nalazi na njoj. Duža strela bagera ima značaj i za stabilnost kosina etaža, posebno kada se otkopava materijal sa slabijim fizičko-mehaničkim svojstvima. Sa dužom strelom moguće je otkopati etaže koje zahtevaju manje uglove nagiba, pri čemu je i sigurnosno rastojanje između bagera i nožice etaže veće, što garantuje i veću sigurnost usled eventualnog obrušavanja etaže. Sva istraživanja u okviru ove disertacije su realizovana na teorijskom i eksperimentalnom nivou, uz korišćenje savremenih programskih paketa za modeliranje strele bagera (konačni elemenati), modeliranje i proračun rada bagera u bloku, modeliranje i proračun stabilnosti kosina i programskog paketa za ekonomsku analizu. Provera definisane metodologije istraživanja je obavljena sa realnim podacima sa površinskih kopova RB KOLUBARA i terenskim merenjima dinamičkog ponašanja bagera. Primenjena metodologija se sastoji iz tri faze: • Faza sistemske anaize - analiza sistema rotorni bager, sistema radna sredina, stabilnost kosina; • Faza modeliranja - modeliranje strele bagera, procesa otkopavanja i konstruktivnih i tehnoloških parametara površinskog kopa; • Faza optimizacije - optimizacija izbora dužine strele bagera u funkciji stabilnosti kosina i efektivnosti rada sa verifikacijom kroz ekonomsku analizu. Ovako definisana metodologija i integralni tehno-ekonomski model svakako će doprineti da se već u fazi izrade tehno-ekonomske dokumentacije za otvaranje novog površinskog kopa izvrši izbor, kako optimalnog bagera, tako i njegove optimalne dužine strele, što će omogućiti bezbedniji rad sa jedne strane, a sa druge strane, postići će se maksimalni ekonomski efekti rada bagera. Da bi se utvrdila zavisnost dužine strele i neophodnih investicija, neophodno je izraditi dinamički model strele bagera i utvrditi mogućnost produženja strele bagera, kako sa aspekta povećanja mase, tako i sa njenog uticaja na dinamiku bagera. Istraživanja na primeru strele bagera tipa SchRs 630 pokazala su da se povećanjem dužine strele za prvih 5 metara masa strele gotovo linerano raste. Takođe, povećanjem dužine strele, raste i napon u streli. Zaključak i preporuka na osnovu svega prethodno prikazanog je da se, bez promene konstrukcije rešetkaste strukture (visine, širine rešetke i poprečnih preseka greda), može ići maksimalno na produženje strele do 5m. Povećanje dužine strele preko 5 metara uticalo bi na promenu dizajna bagera, povećanje prečnika oslonog ležaja, površine gusenica i dr. Dobijeni rezultati terenskih ispitivanja pokazali su tehnički prihvatljivu saglasnost numerički izračunatih i izmerenih sopstvenih vrednosti. Ti rezultati potvrdili su i validnost numeričkog modela, i dokazali da je on verodostojan i da se može koristiti za analizu uticaja produžetka strele na masu i dinamiku bagera. Budući da se na površinskim kopovima koriste 3 vrste rotornih bagera (tipa A, B i C) izvršena je analiza tehničko-tehnoloških mogućnosti svakog od navedenih tipova bagera i to za različite dužine strela. Kao primer korišćeni su rotorni bageri koji se najčešće koriste u Elektroprivredi Srbije, i to kao primer za bager klase A, bager SchRs 700, kao primer za klasu B, bager SchRs 630 i kao primer za klasu C, bager SRs 2000. Analiza je pokazala da kompaktni bageri (tip A) imaju niz ograničenja u tehničko-tehnološkom smislu, pre svega sa aspekta širine i dužine bloka, visine otkopavanja bloka, dužine napredovanja u okviru jedne podetaže i dr., što uslovljava smanjenje efikasnosti u okviru bloka, pa samim tim i efektivnog kapaciteta. Takođe, pri produžetku strele bagera za 5 metara, ne mogu se ostvariti neophodni parametri sigurnosti sa aspekta stabilnosti kosina (nemogućnost formiranja kosina sa blažim uglom za potrebnu visinu etaže). Sa druge strane, bageri tipa B i C imaju značajnih prednosti koje im omogućavaju povećanje kapaciteta i ostvarivanje neophodnih blagih kosina što garantuje potrebnu stabilnost kosina. Budući da su se bageri tipa SchRs 630 u dosadašnjoj eksploataciji pokazali kao najpouzdaniji tipovi bagera, oni su uzeti kao primer za optimizaciju dužine strele u funkciji efektivnosti rada i stabilnosti kosina na površinskim kopovima lignita Srbije. Na osnovu proračuna iz modela rada rotornog bagera, za različite dužine strele, dobijene su vrednosti tehničkog i eksploatacionog kapaciteta za različite visine otkopavanja i uglove nagiba kosina. Sa dobijenim vrednostima kapaciteta i potrebnim ulaganjima za produžetak strele, urađena je ekonomska analiza za te dužine strele bagera SchRs 630. Kao najpovoljniji zajednički imenitelj za poređenje uzet je prosečan trošak proizvodnje kubnog metra otkrivke, koga bager otkopa tokom posmatranog perioda, tako da se matematičko-statističkim modelom simuliralo kretanje ekonomskih parametara vezanih za otkopavanje otkrivke prema predviđenoj dinamici, za vremenski period od 20 godina. Dobijeni rezultati analize potvrđuju mogućnost produženja dužine strele bagera i preko ekonomskih pokazatelja, tačnije, za produženje strele za 5 m prosečni troškovi proizvodnje imaju manju vrednost u odnosu na bager sa osnovnom dužinom strele. Produžetkom strele za preko 5 metara znatno brže raste masa bagera (gotovo eksponencijalno), pri čemu, efekti povećanja efikasnosti rada bagera u bloku znatno sporije rastu. Urađena ekonomska analiza je, preko utvrđenih ekonomskih parametara, pokazala da je optimalna dužina strele za ovaj tip bagera 40 m, što verifikuje i rezultate dobijene matematičkim modeliranjem strele bagera i terenskim ispitivanjima dinamičkog ponašanja bagera. Generalno, može se zaključiti: • geološkim modelom i analizom stabilnosti kosina neophodno je definisati parametre etaža koje bager treba da otkopa; • matematičkim modelom strele bagera treba odrediti dužine za koju strela može da se produži; • potvrdu, tj. verifikaciju ovog modela, treba uraditi terenskim ispitivanjima dinamičkog ponašanja bagera; • modeliranjem procesa otkopavanja i proračuna parametara bloka i podetaža, za različite dužine strele bagera, treba dokazati da bageri sa dužom strelom imaju veću efektivnost, da mogu otkopati blok veće širine, dužine i visine, da imaju manji broj i interval pomeranja transportera, da mogu da ostvare manje nagibe bočnih kosina etaža koji su veoma bitni za njihovu stabilnost, da imaju veće sigurnosno rastojanje između bagera i nožice etaže, da mogu da ostvare veću dubinu kopanja, kao i ostvarenje manjih uglova dizanja strele pri selektivnom radu u gornjim podetažama; • sa povećanjem dužine strele bagera, prosečni troškovi proizvodnje opadaju; Ovako definisana metodologija i integralni tehno-ekonomski model mogu se vrlo uspešno primeniti prilikom izbora bagera i određivanja njegove optimalne dužine strele. Kada je reč o pravcima daljih istraživanja u ovoj oblasti, svakako da za analizu može biti interesantan odnos dužine strele bagera i njegove sile rezanja. Naime, može se ostvariti i veća dužina strele na račun smanjenja potrebne sile kopanja, odnosno smanjivanja potrebne mase pogonskog sistema. Drugi pravac može biti istraživanje i optimizacija parametara bloka i podetaže za konkretne uslove rada, kroz model ležišta i model površinskog kopa, kao i specifičnih analiza rizika (tehničko-tehnoloških, ekoloških i ekonomskih) u svim fazama realizacije modela. 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 дужине стреле роторних багера у функцији стабилности косина и ефективности рада на површинским коповима лигнита Србије Bucket Wheel Excavators Boom Length Optimization in Function of Slopes Stability And Effectiveness of Operation on the Serbian Lignite Open Cast Mines Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. DD_Petrovic Branko Subject The topic of the resource површински коп параметри блока капацитет роторни багер стрела багера геомеханика стабилност косина економија open pit block parameters capacity bucket wheel excavator excavators boom length geomechanics slope stability economy Creator An entity primarily responsible for making the resource Петровић Бранко 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 Чебашек Владимир Гојковић Небојша Јованчић Предраг Шубарановић Томислов Пантовић Радоје 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-42833-0207 Description An account of the resource Роторни багери су машине које се у данашње време највише примењују у процесу масовне експлоатације угља захваљујући, пре свега, низу техничко- експлоатационих предности у односу на друге врсте багера. Разноврсни рударско-технички захтеви откопавања допринели су развоју неколико типова ових машина, тако да сваки од њих има своје предности и недостатке у односу на други тип. Предмет истраживања у дисертацији односи се на избор оптималне конструкције стреле багера и њене усаглашености са условима радне средине који ће владати на површинским коповима лигнита Србије, имајући у виду сложене услове експлоатације (велика дубина синклиналног залегања угља, неопходност селективног рада, присутност неповољних материјала са становишта стабилности косина и др.). Полазећи од чињенице да још увек не постоји опште прихваћена методологија одређивања оптималне дужине стреле роторног багера, као и њеног утицаја на конструкцију багера, у дисертацији је дефинисана целокупна методологија истраживања наведеног проблема уз анализу и систематизовање досадашњих сазнања и резултата истраживања у овој области. При изради докторске дисертације коришћене су методе моделирања стреле багера, моделирања радне средине и моделирања рада механизације уз примену реалних података са површинских копова Р.Б. КОЛУБАРА и теренских мерења динамичког понашања багера у раду. Имплементација овако конципиране методологије оптимизације дужине стреле роторних багера у функцији стабилности косина, при откопавању лигнита Србије, омогућила би знатно поузданија решења, како саме конструкције багера тако и геометрије копа, тј. његових захтеваних висина и углова нагиба, уз боље економске и еколошке учинке. Bucket wheel excavators (BWE) are machines that are nowadays the most frequently used in the mass mining of coal, thanks to, more than all, a series of technical and exploitation advantages over other types of excavators. A variety of mining and technical mining requirements contributed to development of several types of these machines, so that each of them has its advantages and disadvantages compared to other type. The subject of the thesis relates to the selection of the optimal excavator boom and its compliance with the conditions of the working environment, which will prevail on the opencast lignite mines in Serbia, having in mind the complex mining conditions (great depth of synclinal coal dipping, the necessity of selective operation, the presence of unfavorable material from the standpoint of slope stability, etc.). Starting from the fact that there is still no generally accepted methodology for determining the optimum length of BWE boom, as well as its impact on the structure of the excavator, the thesis defines the overall research methodology of this issue to the analysis and systematization of current knowledge and research results in this area. In this thesis were used modeling methods of excavator boom, working environment modeling and modeling of operating machinery with the use of real data from the opencast mines of MB KOLUBARA and field measurements of the dynamic behavior of excavator during operation. Implementation of such designed methodology for optimization of BME'S boom length in the function of slope stability, during excavation of lignite excavation in Serbia, would allow significantly more reliable solutions, both the structure and geometry of the mine, i.e. its required heights and angle of inclination, with better economic and environmental effects. block parameters bucket wheel excavator capacity economy excavators boom length geomechanics open pit slope stability геомеханика економија капацитет параметри блока површински коп роторни багер стабилност косина стрела багера 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