A mechatronika alkalmazása a bányagépek tervezésében

Átírás

1 A mechatronika alkalmazása a bányagépek tervezésében Dr. ANDRÁS József Dr. KOVÁCS József Petrozsényi Egyetem Petrosani, str. Universitatii nr. 20

2 1530-ből való Georgius Agricola igazsága: "A bányászatot egyetlen társadalom sem tekinti közömbösen: érdemeit felnagyítva dicsőítik vagy érdemeit elhallgatva pocskondiázzák." Teller Ede : "Nézetem szerint korunk legnagyobb veszélye a félelem. Különösen kétfajta félelemnek lehetnek szörnyű következményei: ha egymástól félünk, illetve ha a fejlődéstől félünk."

3 Jób könyve 28. fejezet Ének a bölcsességről: 28,1-28 A bölcsesség fensége 1 Van az ezüstnek lelőhelye,és helye az aranynak, ahol kimossák, 2 a vasat a földből hozzák elő, s a melegtől megolvadt kő érccé változik, 3 határt vet az ember a sötétségnek, és felkutatja mindennek a végét, a homály köveit és a halál árnyékát is. 4 Tárnákat nyit idegen nép, leereszkedik oda, hová ember még nem tette lábát, és lebeg távol az emberektől. 5 A kenyértermő földet, tűzzel forgatja fel alul, 6 köveiben zafírt talál és porában arany van, 7 ösvényét madár nem ismeri, s a keselyű szeme ki nem fürkészi, 8 nem tapossák azt büszke vadak, nem jár azon oroszlán. 9 Ráteszi kezét a kemény sziklára, felforgatja a hegyek fenekét, 10 aknákat vág a sziklában, és a szeme mindenféle drágaságra mered, 11 megvizsgálja a folyók fenekét és rejtett dolgokat hoz napvilágra. 12 De hol található a bölcsesség, és hol van az értelem lelőhelye? 13 Ember a hozzá vivő utat nem ismeri, és nem lehet azt az élők földjén megtalálni. 1 Bizony az ezüstnek bányája van, és helye az aranynak, a hol tisztítják. 2 A vasat a földből hozzák elő, a követ pedig érczczé olvasztják. 3 Határt vet az ember a setétségnek, és átkutatja egészen és végig a homálynak és a halál árnyékának kövét. 4 Aknát tör távol a lakóktól: mintha lábukról is megfelejtkeznének, alámerülnek és lebegnek emberektől messze. 5 Van föld, a melyből kenyér terem, alant pedig fel van forgatva, mintegy tűz által; 6 Köveiben zafir található, göröngyeiben arany van. 7 Van ösvény, a melyet nem ismer a sas, sem a sólyom szeme nem látja azt. 8 Nem tudják azt büszke vadak, az oroszlán sem lépked azon. 9 Ráveti kezét az ember a kovakőre, a hegyeket tövükből kiforgatja. 10 A sziklákban tárnákat hasít, és minden drága dolgot meglát a szeme. 11 Elköti a folyók szivárgását, az elrejtett dolgot pedig világosságra hozza. 12 De a bölcseség hol található, és az értelemnek hol van a helye? 13 Halandó a hozzá vivő utat nem ismeri, az élők földén az nem található.

4 A világon elsőként a Selmecbányához tartozó Szélakna Felső-Biber tárójában végzett bányabeli robbantást február 8-án Weindl Gáspár bányamester 1735-ben a világ legrégibb, utódaiban máig fennálló bányászati tanintézete, egyszersmind a magyar műszaki felsőoktatás gyökerét alkotó bányatisztképző iskola fölállítatott. Az erdélyi születésű Born Ignác ( ) bécsi udvari kamarai tanácsos, hírneves bányász és természettudós szorgalmazására 1786 szeptemberében megtartották az első nemzetközi bányász-kohász kongresszust és létrehozták a világ első nemzetközi műszaki-tudományos egyesületét "Societät der Bergbaukunde" névvel. A magyar csille. A lengyelországi Wieliczka kősóbányászatban még a 19. században is használták

5 A bányagépek hagyományos tervezése külön-külön kezeli a tervezés alanyának szerkezeti és funkcionális részeit (mechanikus, villamossági, hidraulikus és vezérlő egységeit). A mechatronika, mint tervezési filozófia, innovatív megközelítést ajánlhat a külszíni vagy mélyműveléses bányászatban alkalmazott gépek és berendezések rendszeres tervezésében. Ezen gépek többtartományos jellege, a hagyományos tervezésben arra vezethet, hogy a külön tartományokhoz tartozó szerkezeti funkcionális részeinek optimális összehangolása nem lehetséges. A jelen dolgozat annak az elgondolásnak az elméleti és fogalmi vonatkozásait vizsgálja, hogy a mechatronika által inspirált mérnöki tervezés módszerei hogyan alkalmazhatók a banyagépek fejlesztésében. Ismert tény, hogy a bányászatban alkalmazott gépek és berendezések szerkezeti komplexitása, azok működési környezetének változatossága és agresszivitása, késést idézett elő a korszerű tudomány vívmányai által serkentett technológiai haladás terén.

6 Ennek ellenére, az utóbbi két évtizedben, az általános technológiai haladás befolyásának köszönhetően, a bányagépek és berendezések példátlan kifinomultságot és komplexitást értek el. Az informatika, a szenzorok, a meghajtó egységek terén elért haladás a vezérlő és ellenőrző szerkezetek terén is előrelépést gerjesztett, áthidalva a mechanikus szerkezetek fogalmi elavultságát. Ez, az általános technológia területén létrejött haladás új módszereket követelt a bányagépek tervezése és fejlesztése vonatkozásában is. Érdemes megfigyelni, hogy a bányászati technológiák fejlődésének az a sajátossága, hogy egy komponens ugrásszerű újítása, a másik két komponenst is újításra kényszeríti, ami ciklikusan, végül ahhoz vezet, hogy egy teljesen új technológia alakul ki. A banyagépek egy másik sajátossága az, hogy a gépesítés követi a technológiai eljárást, ahhoz illeszkedik. A teljesítmény növelése méret és súlynövelést igényel, a mozgó munkahely a gép mobilitását helyezi a fontos adottságok közé, s a 4 művelet 4 végrehajtó eszközt igényel, tehát a szakosítás és univerzalitás között kell kompromisszumot elérni.

7 A BÁNYAGÉPEK FEJLŐDÉSÉNEK SAJÁTOSSÁGAI A bányászat, az emberiség történetében, hosszú ideig, jelentős hatást gyakorolt az általános társadalmi és gazdasági fejlődésre. Több olyan korszakalkotó technológiai újítás, mint például a gőzgép vagy a szivattyúk a bányászat aranykorához kötődnek. A következő korszakban, a bányászat, mint nyersanyag-szolgáltató, a technológia fejlődésének eredményeit elsőnek alkalmazta, mint például a sűrített levegő, villamosmotor, hidraulika, stb., serkentve ezek fejlődését. Függetlenül a napjainkban észlelhető relatív stagnálástól, melyet a bányászatra ható súlyos gazdasági, pénzügyi és környezetvédelmi korlátozások okoztak, a bányászat továbbra is alapvető eleme minden jövőre vonatkozó elemzésnek, ami az energiaforrások, és az alapvető nyersanyagokkal való ellátást illeti. Egy viszonylagos pangásokat és evolúciókat, egymást követő fejlődési időszakok után, a bányászatban alkalmazott kulcsfontosságú technológiák, berendezések és műszaki megoldások a harmadik évezred küszöbén, elértek egy bizonyos fokú érettséget, amely egy forradalmi ugrás kezdetének indító elemét jelentette, melynek hatása napjainkban is érzékelhető. A gyártási technológiáknak, a jelenlegi technológiai fejlődés hajtóelemeinek, mint az elektronika, finommechanika, automatikus vezérlés és a számítástechnika, példátlan haladása, melynek eredményeit egyszerűbben és gazdaságilag motiváltabban lehetett beilleszteni más iparágakban, mint a bányászatban, oda vezetett, hogy a bányagépek fejlődésében lemaradás jött létre a technológiai fejlődés élvonalában lévő ipari területekhez viszonyítva.

8 Mivel hogy a bányászatban alkalmazott technológiák és berendezések fejlődése lassabb ütemben haladt, más ipari ágakhoz viszonyítva, ezek tervezési-fejlesztési módszerei is késve nyertek tudományos megalapozást. Mindezek a problémák jelennek meg ma, a bányászat vonatkozásában, nem csupán a fejlődő országokban, amelyek a hagyományos alapvető nyersanyagok világméretű szolgáltatói, hanem a jól fejlesztett gazdasággal rendelkező országokban is. Ahhoz hogy e jelenségek túlszárnyazásához életképes megoldások szülessenek, az eddigi technológiai fejlődés ismerete szükséges. Ahogyan ezt Klaus Spies [5] német feltaláló és ipartörténeti szakember kimutatta, a bányászatban alkalmazott technológia fejlesztése mindig a kreativitás és a hagyományos megoldások szimbiózisából született, mivelhogy az innováció a bányászati tevékenység terén külön sajátosságokkal rendelkezik.

9 Egyrészt bonyolult, mivel sokdimenziójú (a bánya életciklus folyamatának több szakaszára vonatkozik, úgymint a feltárás, kitermelés és feldolgozás, erőforrásgazdálkodás, újrahasznosítás, bánya bezárás és környezet-helyreállítás), másrészt maga a kitermelés, bár egyszerű alapműveleteken alapszik, célspecifikus gépeket és berendezéseket igényel. Tudva azt, hogy a bányászati technológia három alapvető műveleten alapszik, éspedig a jövesztés, rakodás-szállítás és üregbiztosítás, ezen alapműveletek gépesítése néha egymástól függetlenül, de egymást befolyásolva fejlődött. Ezzel kapcsolatosan az alábbi következtetéseket lehet levonni: - A technológiai fejlődés meghatározó eleme a kőzet jövesztése, tehát az ezt végző gép vagy technológia. - Kiindulva egy bizonyos pillanattól, a fejlődés, illetve az előrelépés fontos tényezője a jövesztés gépesítése által elért magasabb termelékenység, nagyobb kőzethozam, melynek következménye a további műveletek gépesítésének/korszerűsítésének szükségessége.

10

11 A vágathajtásban a jövesztést és a lejövesztett készlet szállítóeszközbe rakását végző F-típusú gépek kifejlesztése az 1950-es évek elején kezdődött. Az Országos Bányagépgyártó Vállalat az F-2 típustól az F-8 típusig terjedő sorozatban közel négy évtized alatt mintegy 300 darabot gyártott és ebből mintegy 90 darabot exportált Kínába, Csehszlovákiába, Jugoszláviába, Romániába, Spanyolországba, Tunéziába és Lengyelországba. Az F-6HK típusú gép licencét az osztrák VOEST-Alpine bányagépgyártó cég megvásárolta és továbbfejlesztett változatait (AM 75, AM 100) a világ számos országában használják bányavágatok, alagutak hajtására. Ursitz József találta fel 1959-ben biztosítására alkalmaspáncélpajzsot. a frontfejtések

12 A radikalis technologiai fordulatok a banyatechnikaban Korszakalkoto ujitás Feltalalva (elso alkalmazas) Europaban valo alkalmazás (dokumentált) HAzai alkalmazas (alkotas) Robbantasos jövesztés század Süritett levegős furogép Réselőgép Hdraulikus tám Lépegető biztositas (pajzs) Fémácsolásos homlokfejtés Hengeres fejtögépr Teljesen (complex) gépesitett fejtés

13 BÁNYÁSZAT Feltárás Kitermelés Előkészítés Környezeti hatás, rekultiváció Ásványi nyersanyag: a Föld felszínén vagy a felszín alatt, a földkéregben előforduló olyan szilárd, légnemű vagy cseppfolyós halmazállapotú ásványok dúsulása, amelyek közvetlenül vagy feldolgozás után hasznosíthatók.

14

15 Fémácsolásos homlokfejtés ( Lupényi banya eredeti tervrajza 1929) kaparo szalitoberendezéssel

16

17 Hazai vonatkozásban, ennek a fejlődésnek fontos mozzanata a Kárpátmedencében történt, éspedig a bányászatban a robbanóanyagok alkalmazása, (Selmecbánya-1627), de vannak források, amelyek a 14. századig vezetnek a Nyugati Kárpátok aranybányáiban. Különben az első sínen haladó csille is itt jelent meg, szintén a 14. században First recorded use of black powder for rock blasting (Hungary). A huszadik században, a szénbányászat fejlődésében egyedi technológiai újdonságként sorolható be az évben a Lupényi bányában beindított fémbiztosítás, amely az első kísérletezése a világon a fémbiztosítással ellátott frontfejtésnek, amint a 2. ábrán látható.

18 . Ábra Fémácsolásos homlokfejtés ( Lupényi banya eredeti tervrajza 1929) kaparó szálliítóberendezéssel.

19 3. Ábra A Kasper- féle pajzs biztosítás.

20 4. Ábra A Dowty cég által fejlesztett 5. Ábra: A szovjet OMKT pajzs hidraulikus biztosítás biztosiítás

21 Magyar pajzsszerkezet szénomlasztásos fejtéshez. (Bocsánczi J.: A mélyműveléses bányászat termelő munkagépei. Műszaki Könyvkiadó, 1985.) Az egykori Szovjetunióban alkalmazott pajzs-biztosítások és az angol lépegető hidraulikus támasztókeret összehangolt felhasználása magyar találmány. Ezek adják a várpalotai típusú hidraulikus önjáró páncélpajzs biztosítások jelentőségét e/80 Az úgynevezett frontfejtések (szénbányászati tömegtermelő munkahelyek) nyitvatartására szolgáló berendezéseknek a fejtési homlokot követve vándoroló egyfajta gépi szerkezetei a fejtési pajzsok. Ezek magyar típusainak a Várpalotai Szénbányák, az Országos Bányagépgyártó Vállalat és a Bányászati Kutató Intézet közös szabadalma alapján történt gyártása Várpalotán fejlődött ki úgy, hogy abban a hazai gyártásból nem biztosítható minőségű hidraulikai-rendszerek szállításával Nyugat-európai cégek is részt vettek. Az utóbbiakkal csakhamar a tervezésre és a nemzetközi kereskedelemre is kiterjedő együttműködésben 1968-tól mintegy 50 típus alakítottak ki, köztük a vastag telepek szénomlasztásos lefejtésére (23. ábra) alkalmasakat is. Az egyik magyar pajzstípus világra szóló sikert ért el között a Ruhr-vidéken, ami megnyitotta a magyar pajzsok számára Angliától Kínán keresztül Új-Zélandig a piacot.

22

23 1627 First recorded use of black powder for rock blasting (Hungary).

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36 Verancsics Faustus (Vrančić, Faust; Verantius Faustus)

37

38

39

40

41

42

43 ON TOOTH FORCE MEASUREMENT REAL TIME EXPERIMENT WITH IN TOOTH FORCE TRANSDUCER with RADIO TRANSMISSION

44 MEASURED RECORDED DIAGRAMS

45 PROCESSED DATA

46 PROCESSED DATA, DEMONSTRATING THE UNBALANCE OF SYMETRIC BUCKET

47 PROCESSED DATA

48 TERHELÉS P p

49 TERHELÉS P K p KONVERGENCIA

50 TERHELÉS Maximalis nyomás Biztonsági szelep Pmax Elöfeszitési nyomás Po Ke Kmax KONVERGENCIA

51 TERHELÉS E1 E2 E3 Pmax Po Ke Kmax KONVERGENCIA

52 TERHELÉS Pmax Po3 Po1 Po2 Ke Kmax KONVERGENCIA

53 TERHELÉS Pmax Po3 Po1 Po2 Ke Kmax KONVERGENCIA

54 TERHELÉS Pmax Po3 Po1 Po2 Ke Kmax KONVERGENCIA

55 K r 2 > K r 1 P 2 max > Portanţa specifică, P, kn/m 2 P 2 0 > P P 1 max Instabil Stabil 1 Convergenţa relativă, K, mm/m

56 Teherbírás Stabilitás Teherbírás Konvergencia Konvergencia rugalmasság Előfeszítés Előfeszítés rugalmasság Teherbírás Teherbírás Stabilitás

57