KÜLFEJTÉSI MARÓTÁRCSÁS KOTRÓGÉPEK JÖVESZTŐ SZERKEZETÉNEK ELMÉLETI VIZSGÁLATA ÉS FEJLESZTÉSE

Átírás

1 MIKOVINY SÁMUEL FÖLDTUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA A doktori iskola vezetője: Dr. h.c.mult.dr.kovács Ferenc akadémikus KÜLFEJTÉSI MARÓTÁRCSÁS KOTRÓGÉPEK JÖVESZTŐ SZERKEZETÉNEK ELMÉLETI VIZSGÁLATA ÉS FEJLESZTÉSE Doktori értekezés PhD fokozat elnyeréséhez Kutatóhely: Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Tud. vezetők: Dr. Debreczeni Elemér a műszaki tudomány doktora Dr. Vőneky György PhD tanszékvezető egyetemi docens okl. bányamérnök 2002.

2 TARTALOM TARTALOM oldal 1. BEVEZETÉS 1 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS, A SZAKIRODALOM 6 KRITIKAI VIZSGÁLATA 2.1. A forgácsoláselméletekkel kapcsolatos szakirodalmak A marótárcsás kotrógépek jövesztési folyamatának geometriai és technológiai vizsgálatával foglalkozó szakirodalmak A marótárcsa és a meríték konstrukciós kialakításával foglalkozó szakirodalmak A KUTATÓ-FEJLESZTŐ MUNKA CÉLJA, A KUTATÁSI FELADAT LEHATÁROLÁSA KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK, A VZSGÁLATOK EREDMÉNYEI, FELHASZNÁLÁSUK A kísérleti berendezés ismertetése A forgácsoló berendezés A mérőrendszer Mérésadatgyűjtő rendszer A jövesztőkések és a jövesztett forgács geometriai jellemzői, a kísérleti jövesztőkések és beépítésük A mérések lefolytatása, értékelése Mintavétel, a minták előkészítése mérésre A mérési sorozatok kialakítása, a mérések lefolytatása A mérések értékelése A forgácsolási eredmények értékelése Az agyagminták forgácsolási eredményének értékelése A lignitminta forgácsolási eredményének értékelése Homokkő minta forgácsolási eredményének értékelése A forgácsolási vizsgálatok legfontosabb tapasztalatainak összefoglalása, a jövesztési folyamat erőtani, energetikai paramétereinek számítása A forgácsolási vizsgálatok legfontosabb tapasztalatai A jövesztési folyamat erőtani, energetikai paramétereinek számítása 36

3 TARTALOM 5. A JÖVESZTŐ SZERKEZET JÖVESZTÉSI JELLEMZŐINEK ÉRTELMEZÉSE, MEGHATÁROZÁSA, A JÖVESZTÉSI FOLYAMAT GEOMETRIAI ÉS TECHNOLÓGIAI VIZS- GÁLATA A jövesztő szerkezet jövesztési jellemzőinek értelmezése A jövesztési jellemzők és paraméterek meghatározásához szükséges műszaki és geometriai adatok A forgácsolási paraméterek értelmezése, meghatározása A fogásmélységek értelmezése A forgácsszélességek értelmezése A meríték által jövesztett forgács keresztmetszete Az átlagos forgácsparaméterek értelmezése, számítása Az átlagos forgácsparaméterek a függőleges fő jövesztési síkban Az átlagos forgácsparaméterek a vízszintes fő jövesztési síkban A jövesztési teljesítmények értelmezése, meghatározása A pillanatnyi jövesztési teljesítmény számítása a meríték által jövesztett forgácstérfogatból A pillanatnyi jövesztési teljesítmény számítása a meríték által egyidejűleg jövesztett forgácsok átlagos forgácskeresztmetszetéből Az erőtani, energetikai paraméterek értelmezése, meghatározása Az átlagos erőtani paraméterek számítása Az átlagos energetikai paraméterek számítása A jövesztési folyamat geometriai és technológiai vizsgálata A meríték és bontófog konstrukció A jövesztett blokk és szelet geometriai méretei A jövesztési folyamat technológiai vizsgálata Üzemi technológiai felülvizsgálat A jövesztési teljesítmény meghatározása a marótárcsa hajtás névleges teljesítményéből A forgácsolási és erőtani, energetikai paraméterek meghatározása az adott pillanatnyi jövesztési teljesítményhez 78

4 TARTALOM 6. A MERÍTÉKEK KONSTRUKCIÓS ELLENŐRZÉSÉNEK ÉS KIALAKÍTÁSÁNAK GEOMETRIAI ÉS SZILÁRDSÁGTANI KÉRDÉSEI, MERÍTÉKFEJLESZTÉS Üzemi megfigyelések, a tapasztalatok összegzése Vágóél és bontófog ellenőrzés, fejlesztés Az üzemelő merítékek vágóélének és bontófogainak élgeometriai felülvizsgálata Új vágóél és bontófog élgeometria választás Az új bontófog konstrukció Az üzemelő merítékek geometriai ellenőrzése Az üzemelő meríték konstrukciók felülvizsgálata forgácsképzési szempontból Az üzemelő merítékek geometriai vizsgálata Az üzemelő merítékek szilárdságtani felülvizsgálata A meríték névleges és extrém terhelésének meghatározása Az üzemelő merítékek szilárdsági számításai, annak eredményei Új meríték geometria fejlesztés Új meríték geometria választás Az új fejlesztésű merítékek szilárdságtani ellenőrzése Az új merítékek konstrukciós kialakítása ÖSSZEFOGLALÁS, A LEGFŐBB EREDMÉNYEK ÉRTÉ- KELÉSE 112 FELHASZNÁLT IRODALOM 114 A DOKTORI ÉRTEKEZÉS MELLÉKLETEI

5 BEVEZETÉS 1 1. BEVEZETÉS A szilárd ásványi nyersanyagok döntő többségét külfejtéssel és mélyműveléssel termelik ki. Külfejtéses művelésnél a hasznos ásvány fölött települt meddőt a nyitás és termelés során eltávolítják, majd ezt követi a szabaddá tett haszonanyag kitermelése a nyitott munkatérből. A meddőletakarítás mennyisége az előfordulás jellegétől, adottságaitól függ, a termelés gépesítését térbeli korlátok nem gátolják. A mélyművelés során a hasznos ásvány feltárása aknákkal, tárókkal történik, a termelő bányatérségeket magában a hasznos ásványtestben kell kialakítani. A külfejtés és mélyművelés közötti választás a település földtani-bányatechnikai adottságai, az általuk meghatározott technikai lehetőségek és gazdaságossági mutatók határozzák meg [1]. A külfejtések technikai fejlődése a XX. század első felében olyan mértékű volt, hogy az 1950-es évek elején már külfejtéssel termelték az összes hasznosítható ásvány kb. 48%-át. Ez az arány az 1970-es évek közepére már 75%-ra emelkedett. A külfejtések szerepe a fejlett bányászattal rendelkező országokban igen jelentős. Az építőipari nyersanyagok termelésénél uralkodó a külszíni bányászat, az érc és ásványbányászatban is meghatározó szerepet játszik. Az energiahordozók termelésénél a piaci verseny eredményeként a barnaszenet, ill. lignitet szinte csak külfejtéssel termelik. Ezen alacsony fűtőértékű szenek kitermelése csak külfejtéssel gazdaságos. A termelés több mint 90%-a a külszíni bányászat terméke. A külfejtéses bányaművelés két fő alaptevékenysége a meddőkőzetek letakarítása és a hasznos ásvány kitermelése. E két alaptevékenység különböző művelési technológiával valósítható meg, melynek közös fő elemei a jövesztés, a rakodás és a szállítás. A meddőkőzetek letakarításánál a technológiai folyamathoz tartozik még mint főelem a hányóképzés és esetenként a rekultiváció. A hasznos ásvány kitermelésének technológiai folyamata kiegészül még a tároló helyen, vagy különböző bunkerekben való elhelyezéssel [2]. A technológiai folyamatok a bányakőzetek minőségi állapotváltozását, a külfejtésen belüli elhelyezkedésük megváltozását idézik elő. A bányaművelési technológia szorosan összefügg a művelés tárgyát képező kőzetekkel, azok állapotával, fizikai és egyéb tulajdonságaival. Ez azt jelenti, hogy minden kőzethez vagy kőzetcsoporthoz hozzárendelhető egy olyan művelési technológia, amely biztosítja annak az adott körülmények közötti gazdaságos kitermelését.

6 BEVEZETÉS 2 Ugyanez elmondható a technológiák megvalósításához kiválasztott gépekről, berendezésekről, amelyeknek biztosítaniuk kell a megvalósulás magas műszaki színvonalát, minden technológiai elem magas termelékenységét és megbízhatóságát és a megfelelő élettartamot. A bányaművelési technológia fő elemei között a megvalósítás sorrendje szerint a jövesztés áll az első helyen [2, 3, 4]. A külfejtésekben előforduló nagytömegű, különböző állapotú és tulajdonságú, horizontális és vertikális irányban jelentős mértékben változó kőzetek jövesztése különböző jövesztési módok alkalmazásával történhet, ezek közül a legelterjedtebbek: - a mechanikus jövesztés, - a robbantásos jövesztés, - a hidromechanikus jövesztés, - a kombinált jövesztés. A jövesztés igen bonyolult folyamat, számos tényező hatásától függ. A megfelelő jövesztési mód és eszköz kiválasztásához a kőzetek állapotának és fizikai tulajdonságainak alapos ismerete szükséges. A mechanikus jövesztés a legelterjedtebb jövesztési mód. A külfejtésekben található kőzetek nagy része mechanikusan jöveszthető, részaránya az összes jövesztett kőzeten belül, a jövesztőgépek vágóerejének növekedése következtében, folyamatosan növekszik. A mechanikus jövesztés alatt a kőzetnek a természetes állapotú összletről való rétegenkénti és fogásonkénti leválasztását (forgácsolását), valamint olyan mértékű aprítását értjük, ami lehetővé teszi, hogy a jövesztőgép a kőzetet saját szállító eszközzel szállítsa, vagy szállító eszközre fel tudja adni. A forgács leválasztása a kőzetből valamely éles, megfelelő geometriájú és szilárdságú munkaeszköz (jövesztőkés, bontófog, vágóél) segítségével történik. A külfejtési gyakorlatban a leginkább elterjedt jövesztési mód a mechanikus jövesztést alkalmazó kotrógépes jövesztés. Mind a meddő kőzetek letakarításában, mind a hasznos ásvány termelésében széleskörűen alkalmazzák. A kotrógépes jövesztés legfontosabb előnyei: - igen nagy teljesítmény, - széleskörű alkalmazhatóság, - magas termelékenység, - alacsony költség és élőmunka ráfordítás,

7 BEVEZETÉS 3 - a jövesztés magas szintű koncentrációja. A kotrógépek a konstrukciós kialakítás és a jövesztés-rakodás technológiai műveletei szerint két nagy csoportba sorolhatók: - egykanalas ill. szakaszos v. ciklikus üzemű, - többkanalas ill. folyamatos üzemű kotrógépekre. A kanalas kotrógépek munkafolyamatai: jövesztés, ezzel párhuzamosan a kanáltöltés, a gépen belüli ill. a gép hatáskörzetéhez tartozó anyagszállítás, a kanálürítés és a jövesztéshez történő visszatérés. Ezen munkafolyamatok a szakaszos üzemű gépeknél ciklikusan, a folyamatos üzemű gépeknél egy időben mennek végbe. A folyamatos üzemű, többkanalas kotrógépek két nagy csoportra oszthatók: - merítéklétrás kotrógépek, - marótárcsás kotrógépek. Ezen kotrógépek jövesztő eszköz elnevezéseként a meríték kifejezés terjedt el. A hazai lignitbázisú villamos energia termelését végző Mátrai Erőmű Rt. célbányáiként üzemelő visontai és bükkábrányi külfejtésekben a meddő letakarítását marótárcsás kotrógépekkel, a szén (lignit) kitermelését merítéklétrás kotrógépekkel végzik [5, 6, 7, 8]. A termelési feladatok érzékeltetésére a évi termelési adatokat emelném ki: Összes meddő letakarítás [millió m 3 ] Szénátadás [millió t] Letakarási arány m 3 /t Visonta Bánya Bükkábrányi Bánya 33,086 15,764 4,111 3,751 8,05 4,2 Mivel disszertációmban a marótárcsás kotrógépek jövesztő szerkezetének vizsgálatával és fejlesztésével kívánok foglalkozni, röviden összefoglalom ezen gépek fejlődését és a jelenleg üzemelő gépek konstrukciós felépítését [2, 10, 11, 12]. A modern marótárcsás kotrók működési elve, hogy a jövesztést a forgó felsővázhoz kapcsolódó gém végén elhelyezett forgó marótárcsa kerületére szerelt merítékek végzik a gém elfordítása közben. A jövesztett anyagot a merítékek a marótárcsa tetőpontjáig emelik

8 BEVEZETÉS 4 (szállítják), ahol az kiürülve egy megfelelő rakodó berendezés segítségével a gémen elhelyezett folyamatos szállítóberendezésre (gumihevederes szállítószalagra) kerül. A gémszalagról az anyag a forgó felsőváz közepén elhelyezkedő surrantón keresztül továbbszállító, majd feladó szalagra kerül és általában folyamatos szállítóberendezéssel történik az elszállítása. Ezen berendezések általában lánctalpon önjáró kivitelűek. Az első szabadalmi bejelentések az 1800-as évek végéről és az 1900-as évek elejéről ismertek. Külfejtésben az első marótárcsás kotrógépet 1906-ban állították üzembe. Rohamos fejlődésük az 1930-as évekre tehető. Az első típusok rögzített felsővázas, vágányon járó gépek voltak, ezeket követték a forgó felsővázas vágányon járó, majd önjáró lánctalpas gépek. Az 1930-as évek közepétől elkezdődött az előtolásos marótárcsás kotrógépek gyártása, ezeknél a fogásvétel a gém kitolásával valósítható meg, ezek a helyzetük változtatása nélkül (egy állásból) nagymennyiségű kőzet jövesztését képesek elvégezni. Fogásmélységük független a gém elfordulásától, így állandó sebességű lengetésnél a kanalak töltési foka állandó marad. Az 1940-es években a kisteljesítményű gépeket előtolás nélküli, a nagyteljesítményűeket előtolásos kivitelben gyártották. Az 1950-es évek közepétől, miután megoldották a marótárcsa gém elfordulási sebességének automatikus szabályozását, a közép és nagygépek is nagyrészt előtolás nélküli kivitelben készülnek. Ezen gépek tömege azonos teljesítmény és műszaki paraméterek mellett mintegy 20-25%-kal kisebb, mint az előtolásos gépeké. Az 1940-es évek közepéig a marótárcsás kotrógépeket cellás marótárcsával gyártották, ezeket felváltotta a cellanélküli marótárcsa, amely kedvezőbb ürítést biztosít. A gépek készülhetnek konzolos kihordószalaggal és önjáró rakodószalaggal, az utóbbiak alkalmazása csökkenti a szalagrukkolás gyakoriságát és segíti, megkönnyíti a blokkbevágást. Az utóbbi évtizedben valamennyi jelentősebb gépgyártó megalkotta a hidraulikus gém és kihordószalag mozgatású, ún. kompakt kotrógépeket. Ezen gépek a hagyományos gépekhez képest kisebb önsúllyal épülnek. A hazai külfejtésben kihordószalagos, önjáró rakodószalagos és kompakt - állandó gémhosszúságú - kotrógépek üzemelnek [2,7,8]. Valamennyi kotrógép hernyótalpas menetelőművel rendelkezik. A marótárcsás kotrógépek kétféle fejtési módban tudnak dolgozni: frontfejtésben és pásztafejtésben.

9 BEVEZETÉS 5 A frontfejtést ma már igen ritkán, elsősorban a vágányon járó előtolásos gépeknél alkalmazzák. A pásztafejtésnek kétféle módját használják: a blokkfejtést és az oldal pásztafejtést. A kétféle fejtési mód közül a blokkfejtés terjedt el széleskörűen, mert ez biztosítja a kotrógép teljesítményének lehető legnagyobb kihasználását. A Mátrai Erőmű Rt. hosszú távú bányaművelési terveiben [9], 2015-ig mintegy 627 millió m 3 meddőletakarítással kell számolni, ezt döntően marótárcsás kotrógépekkel végzik. A gépek jövesztő szerkezetének vizsgálata, fejlesztése, kedvezőbb jövesztési feltételeket biztosító merítékek kialakítása, melyek üzeménél kedvezőbb energia- és szerszámköltségeket érhetünk el, megítélésem szerint fontos kutatási feladat. Indokolt, hogy ezen kérdésekkel behatóan foglalkozzunk.

10 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS 6 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS, A SZAKIRODALOM KRITIKAI VIZSGÁLATA A marótárcsás kotró jövesztő szerkezetének vizsgálatához, fejlesztéséhez kapcsolódó szakirodalmakat három tématerületre lehet bontani, ezek: - a forgácsoláselméletekkel kapcsolatos szakirodalmak, - a marótárcsás kotrógépek jövesztési folyamatának geometriai és technológiai vizsgálatával foglalkozó szakirodalmak, - a marótárcsa és meríték konstrukciós kialakításával foglalkozó szakirodalmak A forgácsoláselméletekkel kapcsolatos szakirodalmak A forgácsoláselméleti vizsgálatokhoz tartozik a - forgácsolás folyamatának vizsgálata, - a forgácsolási ellenállás, fajlagos vágóerő, értelmezése, meghatározása, - a jövesztő szerszám (jövesztőkés, bontófog, vágóél) geometriai vizsgálata, késfejlesztés. A forgácsolás folyamatának vizsgálata történhet: - elméleti úton, - laboratóriumi vizsgálati módszerekkel, - helyszíni vizsgálatokkal. A forgácsolás folyamatának elméleti vizsgálatával sok kutató foglalkozott, céljuk általában az adott forgács leválasztásához szükséges forgácsoló- vagy vágóerő meghatározása. A jelentős eredményeket felmutató szerzők és vizsgálati elveik, akik a hagyományos (ékes) jövesztőkéssel történő kőzetleválasztással foglalkoztak: Beron [18,23], a forgács leválását a jövesztőkés előtt keletkező porzónából vezeti le. A forgácsoló erőre tapasztalati összefüggést vezet le, ahol figyelembe veszi a kőzet szakító- és nyírószilárdságát és kísérleti jellemzőket is. Bocsánzy [19,4] a forgács leválasztást a kés mint ék hasításából vezeti le, itt a húzószilárdságnak van a folyamatban döntő szerepe. Ez a réteges szerkezetű anyagoknál, pl. szeneknél adhat elfogadható eredményeket. Evans [20,21] a rideg anyagok jövesztésével foglalkozott, a jövesztőkés egy adott mértékű behatolás után körív mentén szakítja le a kőzetet.

11 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS 7 Kucherow [22], hasonlóan Beronhoz porzónából indítja a forgácsletörést, meghatározza a húzó- és nyírószilárdság viszonyát. Lebrun [24] háromdimenziós modell segítségével, a Coulomb-Mohr törési kritérium szerint számítja a vágóerőt. Merchant [4]a fémek megmunkálásához hasonlóan a forgács leválasztást nyírás útján tételezi fel. Nekrasow [25] a Prandtl plaszticitás elmélet segítségével határozza meg a vágóerő igényt. Nishimatsu [26] a forgács letörését a Coulomb-Mohr feltétel szerint nyírás útján tételezi fel és számít vágó és rányomóerő igényt. Pomeroy [27] kísérleti úton a szakítószilárdságtól függő forgácsoló erőt határozza meg. Potts és Shuttleworth [28] a forgácsoló erőt a nyírófeszültség függvényeként határozzák meg. További forgácsolási elméletek olvashatók a [29]-es irodalomban. Ezen elméletek alapján meghatározott vágóerők sokszor igen távol állnak a mért értékektől és a forgácsolás folyamatáról nem adnak kellő információt. A forgácsolás folyamatának laboratóriumi vizsgálatával sok szerző és sok kutatólaboratórium foglalkozott és foglalkozik [10,11,12,14,30,K1,K10]. A laboratóriumi vizsgálatoknál általában az üzemből származó nagymintán, üzemi vagy modellkésekkel végezve a forgácsolásokat, a reális jövesztési folyamatot modellezni tudjuk és a kapott eredmények alapján a tényleges forgácsolási folyamat erőtani, energetikai paraméterei számíthatók. A vizsgálatoknál meghatározzák a jövesztőkésre ható erőket és a forgácsparaméterek alapján határozzuk meg az adott kőzet jöveszthetőségi jellemzőit, a forgácsolási ellenállást vagy fajlagos vágóerőt. A vizsgálatok eredményei alapján fejleszthetünk jövesztőkést (bontófogat, vágóélt). A Geotechnikai Berendezések (korábban Bányagéptani) tanszéken több mint 30 éve foglalkozunk jövesztéselméleti kérdésekkel és laboratóriumi kőzetforgácsolási vizsgálatokkal [K1,K10,K13,14,30,31,32,33]. A talajok jöveszthetőségének vizsgálatával Vetrov [35,36] és Dombrovszkij [37] foglalkozott igen részletesen és behatóan. Ezen két kutató eredményei alapján tárgyalják a jövesztés folyamatát a szerzők [2] irodalomban is. Vetrov részletesen foglalkozott a kopott késekkel való jövesztéssel és ebben a témában széleskörű laboratóriumi eredményekre támaszkodva von le következtetéseket. Egyértelműen javasolja, hogy az erőtani, energetikai paraméterek meghatározása a laboratóriumi vizsgálatokkal meghatározott kőzetforgácsolási eredmények alapján történjen.

12 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS 8 Természetes, hogy a legpontosabb és legmegbízhatóbb vizsgálati eredményeket a helyszíni vizsgálatokkal nyerhetjük. Durst és Vogt [12] bemutatja a Mannesmann Demag cég által kifejlesztett vizsgáló berendezés elvét (A) és a mérési módszert (B) (2.1. ábra) 2.1. ábra. A Mannesmann Demag cég mobil mérőberendezése a jövesztési folyamat vizsgálatára A vizsgálati módszerrel a reális jövesztési folyamat a helyszínen vizsgálható egy jövesztőkéssel (bontófoggal). A vizsgálat szerintem drága és költséges. A mérés technikai hátterét meg kell teremteni. A forgácsolási ellenállást vagy fajlagos vágóerőt vonatkoztatják a jövesztett forgács keresztmetszetére (N/cm 2, N/m 2 ), és a jövesztő eszköz vágóél hosszára (N/cm, N/m), az utóbbit főleg többkanalas kotrógépekkel történő jövesztéseknél [28,2,14,30,35, 36,37]. Megítélésem szerint a jövesztési folyamat modellezésénél a forgácskeresztmetszetre jutó fajlagos vágóerő használata a célszerű, mert a forgácskeresztmetszet a jövesztés tetszőleges helyén egyértelműen értelmezhető, számítható, és ismerve a kőzet jöveszthetőségi paramétereit, ebből az erőtani, energetikai paraméterek meghatározhatók. Bontófoggal szabdalt vágóélnél a vágóélhossz értelmezése nem egyértelmű és az azonos vágóélhosszhoz különböző forgácskeresztmetszetek tartozhatnak, így a tényleges erők számítása bonyolult és bizonytalan a vágóélhosszra értelmezett fajlagos vágóerő alapján.

13 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS 9 A jövesztő szerszám kialakításával, fejlesztésével sok szerzőnél találkozunk a lágy talajoktól a kemény kőzetek jövesztéséig, [10,3,12,13,35,38,39,40,41,42,43,44,45]. A fejlesztések célja az adott jövesztési feladatra optimális késélgeometria, fejforma és rögzítés meghatározása. A fejlesztést segítik a forgácsolási vizsgálatok és az üzemi megfigyelések, mérések, [34,46,47] A marótárcsás kotrógépek jövesztési folyamatának geometriai és technológiai vizsgálatával foglalkozó szakirodalmak A marótárcsás kotrógépek jövesztési folyamatának geometriai és technológiai vizsgálatával foglalkozó szakirodalom igen széleskörű és sokrétű [2,10,11,12,13,48,49, 50,51,52,53,54,55]. Ez alaposan kidolgozott és részleteiben is ismertetett területe a témának. A [2] és [50] szakirodalom összefoglalja a fejtési technológiákat és részletes elemzést ad a technológia választáshoz. A felsőkotrásban végzett blokkfejtésnél a blokk és a szeletek jövesztési módját jól szemlélteti a 2.2. ábra. A jövesztés történhet függőleges forgácsokkal, melyek lehetnek egysorosak (2.2.a. ábra)vagy többsorosak (2.2.b.ábra), vízszintes forgácsokkal (2.2.c.ábra) illetve kombinált jövesztéssel (2.2.d.ábra). Függőleges forgácsokkal érhető el a legnagyobb blokkmagasság, itt a legkisebb a fajlagos energia felhasználás és a dinamikus hatás a marótárcsára. A kotrógép hatásfoka a b és d változatban a legmagasabb. Ezért állékony kőzetekben célszerű a függőleges többsoros forgácsokkal dolgozni (b eset) ábra. A blokk és szeletek jövesztési módja

14 2. SZAKIRODALMI KITEKINTÉS A marótárcsa és a meríték konstrukciós kialakításával foglalkozó szakirodalmak Ebben a témakörben a szakirodalom szűkebb, és csak az általános kérdésekkel foglalkozik. A marótárcsa konstrukciós módozatait részletesen bemutatják a [4,10,11,12,13,48,55] irodalmak. A meríték konstrukciós kialakításáról kevés irodalomban olvashatunk. Az általános elvek a [12,35] irodalmakban megtalálhatók. Vetrov [35] összefoglalja az általában alkalmazott merítékformákat, ezek a 2.3. ábrán láthatók ábra. Az általában alkalmazott merítékformák, a bontófog vágóélre ültetése Mindenhol a szimmetrikus meríték-kialakítással találkozunk. Raaz [54] említi cikkében az aszimmetrikus meríték szükségességét, ezzel a tanszéken a [K11]-es kutatás keretében már korábban foglalkoztunk. A meríték konstrukciós kialakításának és szilárdságtani vizsgálatának kérdéseivel az irodalmakban nem találkozunk. Ezt a nagy gépgyártók gyártási titokként kezelik, nem hozzák nyilvánosságra. Disszertációmban a jövesztendő kőzet, az alkalmazott technológia és a jövesztő szerkezet közötti kapcsolatok vizsgálatával kívánok foglalkozni, ami elősegíti új, jobb feltételekkel üzemelő jövesztő szerkezetek kifejlesztését.

15 3. A KUTATÓ FEJLESZTŐ MUNKA CÉLJA A KUTATÓ FEJLESZTŐ MUNKA CÉLJA, A KUTATÁSI FELADAT LEHATÁROLÁSA A kutatási cél olyan vizsgálati módszer kidolgozása, amelynek segítségével a marótárcsás kotró jövesztő szerkezete felülvizsgálható illetve új jövesztő szerkezet (meríték) fejleszthető, amely - kisebb fajlagos energiaigény mellett jöveszt, - hosszabb jövesztő szerszám élettartamot biztosít, - egyszerűbb gyártást, felújítást, bontófog cserét tesz lehetővé, - alkalmazásánál a marótárcsa hajtás és a fordítómű hajtás túlterhelés nélkül üzemel. A vizsgálati módszer segítségével adott kőzetkörülmények mellett, adott műszaki paraméterekkel dolgozó marótárcsás kotrónál a technológia jellemzői optimalizálhatók, az optimális üzemeltetési feltételek megválaszthatók. Az optimális feltételekhez jövesztő szerkezet fejleszthető, tervezhető, gyártható. Az optimális üzemeltetési feltételeket a jövesztendő kőzet forgácsolhatósági anyagjellemzői, a marótárcsás kotrógép műszaki paraméterei és az alkalmazott jövesztési technológia jellemzői közötti bonyolult, sokparaméteres kapcsolatrendszerben kell megválasztani úgy, hogy a lehetséges jövesztési teljesítményt a legkisebb költségráfordítással érjük el. A jövesztő szerkezet vizsgálatához, fejlesztéséhez vizsgálni kell az elemi jövesztő eszköz, a jövesztő kés (bontófog, vágóél) és a kőzet jövesztés közbeni kapcsolatát. Forgácsolási vizsgálatokkal meg kell határozni a kőzet forgácsolhatósági jellemzőit. Vizsgálni kell az élgeometria és a késkopások hatását a kőzet forgácsolhatósági jellemzőire. A vizsgálatok segítséget nyújtanak a bontófog és vágóél geometriai jellemzőinek megválasztásához is. El kell végezni a jövesztő szerkezet jövesztési folyamatának geometriai és technológiai vizsgálatát. Meg kell határozni a jövesztő szerkezet jövesztési jellemzőit az alkalmazott jövesztési technológiánál. Vizsgálni kell a jövesztési jellemzők és a kőzet forgácsolhatósági jellemzői közötti kapcsolatokat, ezek hatását a konstrukciós paraméterekre. Meg kell választani az optimális üzemeltetési feltételeket. Ezen feltételeknél vizsgálandók a meglévő konstrukciók illetve ezen feltételekhez fejleszthetők új konstrukciók.

16 3. A KUTATÓ FEJLESZTŐ MUNKA CÉLJA 12 Üzemelő meríték konstrukciók ellenőrzésénél, valamint új meríték konstrukciók kifejlesztésénél el kell végezni az élgeometriai vizsgálatokat a vágóélre és bontófogra, felül kell vizsgálni a bontófogat, ha szükséges, új bontófog választandó ill. új bontófog fejlesztendő. El kell végezni a meríték geometria ellenőrzését forgácsképzési, bontófog elhelyezési és beállítási szempontból. El kell végezni a szilárdságtani felülvizsgálatokat úgy a régi meríték konstrukciókra, mint az újakra. Új meríték tervezésénél figyelembe kell venni többek között a gyárthatósági, felújíthatósági, anyagszállítási, ürítési és egyéb szempontokat is, amelyet az éppen jövesztett anyag tulajdonságai indokolnak. A kutatási feladat lehatárolása A nagyteljesítményű, forgó felsővázas, lánctalpakon önjáró, modern építésű marótárcsás kotróknál a jellemző technológia a felsőkotrásban végzett blokkfejtés, többsoros függőleges forgácsokkal. A jövesztendő blokkot több szeletre osztva felülről lefelé haladva jövesztik le. A blokk és szelet paramétereit alapvetően meghatározzák a jövesztendő kőzet tulajdonságai és a jövesztőgép geometriai jellemzői, műszaki paraméterei. Mivel egy adott szeletben a vízszintes irányú jobbra-balra lengetésekkel végzett jövesztéseknél az előtolás nélküli (állandó gémhosszúságú) gépeknél a kanál névleges töltéséhez szükséges sebesség szabályozás, az un. koszinuszos szabályozás a mai technikai szinten könnyen megvalósítható, ezért általában az azonos teljesítmény és műszaki paraméterek mellett a könnyebb és egyszerűbb előtolás nélküli gépeket alkalmazzák. A visontai és bükkábrányi külfejtésekben is döntően ilyen típusú gépekkel történik a meddőletakarítás a fenti technológiával. Vizsgálataimat a vázolt technológia és géptípus feltételezése mellett végzem el. A vizsgálatok eredményei a forgácsképzési különbségek figyelembevétele mellett a vízszintes forgácsokkal történő jövesztéseknél is alkalmazhatók. A kisebb termelékenységet biztosító vízszintes forgácsképzéssel történő jövesztést a kevésbé állékony kőzetekben, illetve réteges beágyazások jövesztésénél kényszerülünk választani, ahol a vízszinteshez közeli behatolás ill. forgácsleválasztás kisebb energiaigényű jövesztést eredményezhet. A vizsgálatok eredményei a kitolható gémű gépekre is alkalmazhatók azzal az egyszerűsítéssel, hogy ott egy-egy lengetésnél a sebességet nem kell szabályozni, mert a fogásmélység állandó és a kanál névleges töltéséhez állandó forgácsszélesség és állandó sebességű lengetés tartozik. Természetesen a változó gémhosszhoz az azonos lengetési (kerületi) sebességhez más-más lengetési szögsebesség tartozik.

17 3. A KUTATÓ FEJLESZTŐ MUNKA CÉLJA 13 A Geotechnikai Berendezések tanszéken (korábbi Bányagéptani tanszék) végzett több évtizedes kőzetforgácsolási, jövesztő szerv fejlesztési és üzemi mérési és megfigyelési eredmények [K7,K10,K18,K19] bizonyították, hogy a bonyolult, összetett jövesztő mozgást végző jövesztő szerkezeteknél a fő jövesztési technológiai műveletre kell a jövesztő szerv optimális paramétereit megválasztani és az egyéb műveletekre ellenőrizni, hogy sehol ne állhasson elő olyan feltétel, amely a jövesztést megakadályozza ill. káros terheléseket, jövesztő szerv tönkremenetelt eredményez. Ezt az elvet a marótárcsás kotrógépek jövesztő szerv fejlesztésénél is figyelembe kell venni és alkalmazni kell. A Visonta Bányában és Bükkábrány Bányában a marótárcsás kotróknál végzett megfigyeléseink, adatgyűjtésünk, a leváltott merítékek elemzése, valamint az üzemeltető kollégák tapasztalatai alapján megállapíthattuk, hogy igen jelentősek a bontófog és vágóél kopások, és ez a jellemző tönkremeneteli mód. A kopások a bontófogaknál általában aszimmetrikusak, ez bontófog beállítási problémát jelez az alkalmazott technológiánál. Igen jelentősek az oldal vágóél elkopások, ami technológia megválasztási és bontófog elhelyezési kérdéseket vet fel. Ezek a tapasztalatok és a jövesztés magas energiaigénye indokolják, hogy ezen problémák megoldásával foglalkozzunk. Kutatási megbízás keretében foglalkoztunk az SRs-1200 marótárcsás kotrógép merítékeinek komplex vizsgálatával, disszertációmban ezen vizsgálatok eredményeit mutatom be alkalmazási példaként. [K17,16,17]

18 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK, A VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI, FELHASZNÁLÁSUK Ahogy a 3. fejezetben összefoglaltuk, adott műszaki paraméterekkel rendelkező marótárcsás kotrók technológiai jellemzőinek optimalizálása, az optimális üzemeltetési feltételek megválasztása, a meríték geometriai és szilárdságtani méretezése, a vágóél és bontófog geometriai és forgácsolási paramétereinek meghatározása a jövesztendő kőzet megbízható forgácsolhatósági anyagjellemzőinek ismeretében végezhető el. A forgácsolhatósági anyagjellemzők meghatározását laboratóriumi forgácsolási vizsgálatokkal végeztem A kísérleti berendezés ismertetése A kőzetforgácsolási vizsgálatok végzésére a Geotechnikai Berendezések tanszék géplaboratóriumában kísérleti berendezést alakítottunk ki, ahol bányaüzemből származó nagymintán üzemi jövesztőkésekkel, vagy az üzemi jövesztőkést (bontófogat) modellező késekkel reális forgácsolási paraméterekkel tudjuk a jövesztéseket elvégezni. A forgácsoló berendezéshez mérő és számítógépes mérésadatgyűjtő rendszer kapcsolódik, meggyorsítva a mérés és kiértékelés munkáját. A forgácsoló berendezés elvi felépítése a 4.1. ábrán látható ábra. A forgácsoló berendezés elvi felépítése

19 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK A forgácsoló berendezés A forgácsoló berendezést hosszgyalugépből alakítottuk ki, a berendezésről készült fényképfelvételek a melléklet M.4.1., M.4.2. ábráin láthatók. A gyalugép 3x1 m-es mozgó asztalára fogjuk fel a mintatartó ládát, amelybe a mintát jellegének és szilárdságának megfelelően gipszbe vagy betonba ágyazzuk. Az asztal és vele együtt a minta mozgatására két lehetőség kínálkozik. Az egyik a gyalugép eredeti funkciójának megfelelő villanymotoros mozgatás. A villanymotor 3 fokozatban állítható hajtóművön keresztül képes különböző sebességekkel mozgatni a gépasztalt. A mozgatás fogasléc-fogaskerék kapcsolattal történik. A különböző vágási sebességek melletti forgácsoláshoz hidraulikus asztalmozgató szerkezetet is kialakítottunk, amely lehetővé teszi a vágási sebesség adott határok közötti folyamatos szabályozását. A berendezésen a forgácsolandó kőzetminta mozog, és a forgácsoló kés áll. Ez a megoldás a gyalugép konstrukciójából adódik és méréstechnikai szempontból számos könnyebbséggel jár. A háromkomponensű erőmérő asztal a keresztgerenda késtartóinak helyén kialakított megfogó szerkezethez van rögzítve, így a mérővezeték különösebb mozgás, mozgatás nélkül vezethető a háromcsatornás töltéserősítőhöz. A kívánt forgácsvastagság és forgácspozíció beállítása a késtartó keresztgerenda és a forgácsoló egység megfelelő irányú mozgatásával történhet. A pontos értékek nóniusz skálán állíthatók A mérőrendszer A kés igénybevételi állapotának leírásához a késre ható térbeli forgácsoló erő nagyságának és irányának ismerete szükséges. Ennek egy célszerű meghatározási módja lehet, ha mérjük a forgácsoló erő három egymásra kölcsönösen merőleges komponensét. Az általunk felépített mérőlánc három fő egysége a következő volt: - a kés felfogatására alkalmas érzékelő asztal, - analóg jelkezelő, erősítő egység, - a mérési adatok megjelenítését, rögzítését és kiértékelését végző számítógépes rendszer. Érzékelő asztalként a Kistler cég által gyártott 9255 típusú erőmérő asztalt alkalmazzuk. Ez a cég komoly tapasztalatokkal rendelkezik a piezoelektromos elven működő erő és nyomaték mérő eszközök gyártásának területén. Az asztal 260x260 mm-es felfogatási felülettel rendelkezik, amely 4 db, piezoelektromos elemekből felépített érzékelő cellán keresztül adja át az ébredő erőt a hosszgyalúgép keresztgerendájára. Az érzékelő asztal villamos

20 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 16 csatlakozására már a három irányban ébredő erővel arányos jel van kivezetve. Az erők három irányú szétválasztását az érzékelő cellák speciális kialakítása és bekötése biztosítja. A komponensek irányát természetesen a szakirodalomban használatos irányokhoz illeszkedően választottuk, és az asztal célszerű orientációjú felszerelésével valósítottuk meg. A piezoelektromos átalakítási elvnek köszönhetően a mérőasztal nagy merevséggel és ebből következően magas sajátfrekvenciával rendelkezik. Ezen tulajdonságok elengedhetetlenek a gyors erőváltozások mérés közbeni követéséhez. A merev felépítés biztosítja a megfelelő felbontást a nagy erők tartományában is. Az alábbiakban megadjuk az érzékelő legfontosabb paramétereit: mérési tartomány: vágó- és oldalerő: kn, nyomóerő: kn, linearitás: < ± 1 % áthallás az erőcsatornák között: < ± 2 %, sajátfrekvencia: vágó- és oldalerő: 2 khz, rányomóerő: 3 khz. Az érzékelő asztal villamos csatlakozóján megjelenő jel, töltés jel, ami speciális jelfeldolgozó és kondicionáló egységet követel. Erre a feladatra a Kistler cég 5019A típ. háromcsatornás ún. töltéserősítőjét alkalmaztuk. A három csatorna közös kezelői és kijelző felülettel rendelkezik, ami a csatorna erősítőkkel közös házba van beépítve. Az egyes csatornákra jellemző jelkondicionáló paraméterek a kezelő egység segítségével, egymás után, de csatornánként egymástól függetlenül állíthatók be. A csatlakoztatott érzékelők érzékenységi tényezőjének (pc/kn) megadása után a mérőlánc külön kalibrálást nem igényel. Ennek feltétele, hogy a két egységet összekötő kábel megfeleljen a töltéserősítők által támasztott magas követelményszintnek. Ezt kielégítendő a gyár által ajánlott 1687B jelű kábelt alkalmazzuk erre a célra. Egy-egy vágási kísérlet időtartama általában nem haladja meg a 3 másodpercet. Ez megengedi, hogy a max. jelváltozási sebesség biztosításához mindhárom csatornát short időállandójú beállítással üzemeltessük. A 3 másodperces mérési idő alatt a rövid időállandójú beállítás sem okoz észlelhető töltésszivárgást. A három csatorna kimenetén, alacsony impedancián, ±5V-os tartományba konvertálva kapjuk meg az erőknek megfelelő analóg feszültségjelet.

21 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK Mérésadatgyűjtő rendszer A töltéserősítők által szolgáltatott analóg jel digitalizálására, közvetlen mérés utáni megjelenítésére, majd rögzítésére ill. kiértékelésére IBM PC számítógépet használunk. A digitalizáláshoz elláttuk a PC-t erre alkalmas mérőkártyával. (Advantech PCL-818). A kártyára épített A/D konverter felbontása 12 bit, max. mintavételi sebessége 40 khz, amit ezeknél a méréseknél természetesen nem használunk ki. A kártya kezelésére külön ehhez a mérési programhoz készült egy WINDOWS környezetben futó mérőprogram, amely a billentyű nyomásra induló mintavételezést adott darabszámú minta begyűjtése után megállítja és az erők lefutásának megfelelő görbéket megjeleníti a színes kijelzőn. A mintavételi sebességet mindhárom csatornán 100 minta/s értékre állítjuk be. Ezáltal az erők lefutása megfelelő felbontással ábrázolódik az időben, ugyanakkor még jól kezelhető mintaszámot eredményez. Ha a vágásból nyert görbéket alkalmasnak ítéljük a forgácsolás jellemzésére, akkor azokat mágneslemezen rögzítjük. Az értéktelen forgácsolási kísérlet görbéit nem rögzítjük A jövesztőkések és a jövesztett forgács geometriai jellemzői, a kísérleti jövesztőkések és beépítésük A jövesztőkések és a jövesztett forgács geometriai jellemzői A külfejtésekben üzemelő mechanikus jövesztést végző jövesztő berendezések jövesztőkései (bontófogai) általában ék formájú, adott vágóél hosszal rendelkező jövesztő eszközök. A jövesztőkés a jövesztési folyamat él-geometriai, valamint a jövesztett forgács geometriai jellemzői a 4.2. ábrán láthatók, és ezek az alábbiak: A jövesztőkés konstrukciós adatai: α é a - ékszög, - vágóél szélessége, δ, 0 - oldalszög, ε K - késfej oldalszög. Az utóbbi kettő a jövesztés irányától függően változó értékű.

22 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK ábra. A jövesztőkés, a jövesztési folyamat élgeometriai, a jövesztett forgács geometriai jellemzői A jövesztési folyamat él-geometriai jellemzői: γ v - vágószög, β h - homlokszög, δ h - hátszög. Ezen szögeket a kés jövesztőeszközre ültetése ill. a mindenkori jövesztési irány határozza meg. A szögek közötti kapcsolatok: β h + γ v = 90 o, α é + δ h = γ v, A késfej oldalszög lehet 0 o -os (ε K = 0), és ha ehhez, δ =0 o -os oldalszöget választanak, 0 párhuzamos falú késről beszélünk. Külfejtési talajok jövesztésénél gyakran alkalmazzák ezt a késfej formát. Ha ε K > 0, akkor a késfej szélessége a késszár irányában növekszik, ez általában a ridegebb anyagok jövesztésére javasolható fejforma. Ha ε K < 0, a késfej szélessége hátrafele csökken, ezt a széles élű kések típusainál figyelhetjük meg, amelyek a plasztikusabb anyagok jövesztésére javasolhatók. A jövesztett forgács geometriai jellemzői: s - forgács vastagság, melyet a jövesztés ill. késoldalról vizsgálva fogásmélységnek nevezünk,

23 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 19 A forg ψ K s k - a forgács keresztmetszete, - kitörési szög, - a forgács kitörési magassága. A jövesztési folyamatra értelmezhetünk egy átlagos forgácsszélességet, amely az átlagos forgácskeresztmetszetből számítható: t forg A = s forg. A jövesztőkéseket jellemezhetjük működésük és elhelyezésük szerint [3,K7,K16]. Működésük jellemzésére a β h homlokszöget vagy a γ v vágószöget használják. Tangenciális működésűnek minősíthető a jövesztőkés, ha a jövesztés döntően hasítás útján valósul meg, itt a rányomóerő kicsi a vágóerőhöz viszonyítva. A nyomási zóna kisebb, a kőzet felaprózódása is kisebb mértékű, így a jövesztés energiaigénye is kisebb. Az ilyen kések homlokszöge meghaladja a 30 o -ot (β h 30 o ), külfejtési talajok jövesztésénél β h elérheti a o -os értéket is. Radiális működésűnek minősíthető a jövesztőkés, ha a jövesztés döntően nyírás, torlasztás útján valósul meg, a rányomóerő meglehetősen nagy a vágóerőhöz képest: elérheti, sőt meghaladhatja a vágóerő nagyságát. Az ilyen kések homlokszöge kicsi, a kések által létrehozott nyomási zóna nagy, a jövesztés energiaigénye nagyobb, mint a tangenciális működésű késeké. Külfejtési talajok és kőzetek jövesztésénél törekedni kell a tangenciális működésű vágóél és bontófog kialakításokra. Mivel a jövesztés közvetlen költségét a vágás energiaköltsége és a késfelhasználás (bontófog és vágóél felhasználás), költsége határozza meg, törekedni kell ezen költségek minimális értéken tartására. A vágás, jövesztés energiaköltsége arányos a kőzet átlagos fajlagos vágóerejével. Meghatározásának módját később részletesen ismertetjük. A vágóélek és bontófogak tönkremenetelét alapvetően a kopás okozza, de a keményebb kőzetek jövesztésénél előfordul a bontófogak törése is. A vágóélek és bontófogak kopása alapvetően függ azok alaki jellemzőitől, a kőzet koptató hatásától és a jövesztő eszközök anyagától. Ha a kopás következtében a vágóélek és a bontófogak alaki tényezői és jellemzői megváltoznak, ez nagymértékben növelheti a vágás-jövesztés energiaköltségét. Ezért törekedni kell olyan konstrukciók kialakítására, ahol a jövesztés közben a kés alaki tényezői és jellemzői nem, vagy csak kis mértékben változnak.

24 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 20 A bontófogak törése akkor következhet be, ha nem a jövesztésnél ténylegesen fellépő erőhatásokra történt a szilárdsági méretezése. A bontófog megfelelő elhelyezése és rögzítése javíthat a szárterheléseken. Keményebb kőzetekben a forgácsletörés dinamikus hatásai is hozzájárulnak a bontófog törésekhez. A kísérleti jövesztőkések és beépítésük A külfejtésből származó kőzetek forgácsolására két kísérleti késtípust alakítottunk ki, egy tangenciális működésű etalon kést (T kés) és egy radiális működésű etalon kést (R kés). Ezek a 4.3. ábrán láthatók ábra A tangenciális működésű etalonkés (T kés) és a radiális működésű etalonkés (R kés) Figyelembe véve a külfejtési merítékek vágóélének és bontófogainak működését, valamint a jelenleg üzemelő bontófogak geometriáját, széles, egyenes élű kísérleti késeket alakítottunk ki, a kések élszélessége a = 40 mm. A kések hátszöge δ h = 8 o, ami a szakirodalomban is javasolt optimális bontófog hátszög. A radiális működésű etalon késnél a homlokszög β h = 5 o, a tangenciális működésűnél β h = 40 o. Mivel a jelenleg üzemelő bontófogak nem rendelkeznek oldalszöggel, így a kísérleti késeknél is δ = 0 o -os oldalszöget választottunk., 0

25 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 21 A kopott állapotú késsel történő forgácsolás vizsgálatára, figyelembe véve a 2. fejezetben összefoglalt megállapításokat és saját megfigyeléseinket, egy hátfelület mentén lekopott, tangenciális működésű kést modelleztünk (TK kés). Ez a 4.4. ábrán látható ábra. Kopott tangenciális működésű kés (TK kés) A visszakopási felület szélességét b v = 8 mm-re, visszakopási hátszögét δ v = 10 o ra választottuk. A kés éles marad, de a vágóél közelében negatív a hátszög. A hátfelület miatt megnő a jövesztés vágóerő igénye és még nagyobb arányban a rányomóerő igénye. Ennek számszerű értékét mérésekkel is meg kívántuk határozni, hogy az erőtani, energetikai számításoknál figyelembe vehessük hatását. A megadott élgeometriájú késfejekhez radiális késszár elrendezést alakítottunk ki, mert így tudtuk az erőmérő asztalhoz csatlakoztatni úgy, hogy a három irányú erő függetlenül mérhető legyen (4. 5. ábra) ábra A kísérleti jövesztőkések mérőasztalhoz rögzítése, a jövesztés közben fellépő erők

26 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 22 Forgácsolás közben a jövesztőkésre ható térbeli forgácsoló erő F f felbontható: - a forgácsolás irányú vágóerőre (F v ), - a forgácsolás irányára és a vágóélre merőleges rányomó erőre (F R ), - a forgácsolás irányára merőleges, vágóél irányú oldalerőre (F o ) A mérések lefolytatása, értékelése Mintavétel, a minták előkészítése mérésre A mintatartó ládák bányaüzembe szállítása után az MT5-ös (SRs-1200) kotró által jövesztett szürke agyagból, az agyagrétegek között elhelyezkedő kis vastagságú lignitből és az MT-9-es kotró által jövesztett blokkban előforduló homokkőből vettünk mintákat. A mintákat a helyszínen daru segítségével a mintatartó ládákba helyezték és a javítóműhely udvarán öntötték ki gipsszel, ill. finom betonnal. Az agyag és lignitminták rögzítésére gipszet, a homokkő minta rögzítésére betont alkalmaztunk. A minták előkészítésénél és beszállításánál úgy időzítettünk, hogy a vizsgálatok azonnal elkezdhetők legyenek, hogy a minták a legnagyobb mértékben reprezentálják az eredeti kőzetállapotot. A vízveszteség megakadályozására a mintákat a laboratóriumban fóliával takartuk le a forgácsolások megkezdéséig és a forgácsolások szünetében is A mérési sorozatok kialakítása, a mérések lefolytatása A bányaüzemből két alkalommal összesen 6 db nagymintát szállítottunk be a tanszéki laboratóriumba, ebből 4 db szürke agyagminta, 1 db lignitminta, 1 db homokkőminta. A mintákat római számozással, a méréseket arab számozással láttuk el az egyértelmű azonosítás érdekében: Agyagminta I-IV (AI-AIV), mérés A01-A72, Lignitminta I (SzI), mérés Sz01-Sz22, Homokkő minta I (HI), mérés H01-H17. Az agyagmintákon 72 db mérési ciklust, a lignitmintákon 22 db mérési ciklust, a homokkő mintákon 17 db mérési ciklust rögzítettünk. Az összesen 111 db mérésből csak néhány mérést kellett figyelmen kívül hagyni a mintában előforduló belső anyaghiba miatt, amit nem jellemző forgácsolásnak minősítettünk.

27 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 23 A mintákat a forgácsoló berendezés asztalára emelve csavarozással rögzítettük, sík mintafelületet forgácsolva, majd beállítva a fogásmélységet és késpozíciót, a mérő és mérésadatgyűjtő rendszer és a forgácsolás egyidejű indításával elvégeztük a forgácsolásokat. A mérés után a forgácsoló erőket megjelenítve a képernyőn, ellenőriztük azok helyességét. Ha alkalmasnak ítéltük a forgácsolás jellemzésére, akkor mágneslemezen rögzítettük azokat a mérés azonosítóival együtt. A mérés rögzítésével párhuzamosan rögzítettük a forgács jellemzőit, a fogásmélységet (s), a forgács kitörési magasságát (s k ), az átlagos kitörési szöget (ψ K ) ill. a forgács legnagyobb átlagos szélességét, amelyek alapján az átlagos forgácskeresztmetszet megszerkeszthető ill. számítható. A forgácsolásokat zárt forgácsképzési móddal folytattuk le, ahol a jövesztőkés önálló, szimmetrikus forgácsot jöveszt ki (4.2.ábra). A marótárcsás kotrók merítékeinek forgácsképzésénél az egyes bontófogak általában önállóan jövesztenek, így az erőtani, energetikai méretezésnél a zárt forgácsképzésnél meghatározott forgácsolhatósági jellemzőkkel számolhatunk A mérések értékelése A mérések által szolgáltatott eredmények kiértékelését időben eltolva, később végeztük el. A mérési diagramokat megjelenítve kiválasztottuk az értékelendő szakaszokat. A kiértékelésnél az EXCEL táblázatkezelő programot használtuk. Ezzel előnyösen elvégezhető a görbék megjelenítése, a hozzájuk tartozó statisztikus jellemzők kiszámítása. A 4.6. ábrán egy jellemző vágó- és rányomóerő diagramot látunk az idő függvényében.

28 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK ábra Jellemző vágóerő (F V ) és rányomóerő (F R ) görbék Minden egyes méréshez az alábbi adatokat és forgácsolhatósági jellemzőket rögzítettük és számítottuk ki és foglaltuk táblázatba: - vágás száma adott mintán (pl. A45), - kés típusa (pl. T, tangenciális működésű), - vágási forma (pl. zárt), - vágás iránya (pl. általános vagy rétegirányú, rétegre merőleges), - fogásmélység s [mm], - átlagos forgács keresztmetszet A forg [mm 2 ], - mért adatok száma [db], - átlagos vágóerő F V [N], - átlagos rányomó erő F R [N], - átlagos oldalerő F 0 [N], az erőknél megadtuk a statisztikai jellemzőket, szórás, maximum, szórás/átlag - átlagos fajlagos vágóerő f V [N/mm 2 ], - erőarány k F,R = F V / F R.

29 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 25 A mellékletben az agyagmintán végzett mérésekről bemutatunk egy értékelő táblázatot. (M.3.1. táblázat). A kőzetek forgácsolhatósági jellemzői A jövesztési folyamat erőtani, energetikai paramétereinek meghatározására az átlagos fajlagos vágóerőt használjuk, mely az átlagos forgácskeresztmetszetre számított átlagos vágóerő: f V = F A V forg. Az átlagos fajlagos vágóerőt adott kőzetnél, adott késtípusra, éles (új állapotú) késre határozzuk meg. A vágási folyamat rányomó- és oldalerő igényének számítása az erőarányok alapján történhet. Az erőarányokat az átlagos vágó- és rányomóerőből és az átlagos vágó- és oldalerőből számítjuk: k F V F, R = ; F R k F V F, 0 =. F 0 Szimmetrikus vágásoknál az oldalerő általában a nulla körül ingadozik és átlagértéke is nulla, így ezt a jövesztési folyamat számításánál figyelmen kívül szokták hagyni. Ahogy korábban említettük, a jövesztő szerszám (jövesztő kés, bontófog, vágóél) jövesztés közben folyamatosan elhasználódik. Megváltoznak élgeometriai jellemzői, és így a forgácsolhatósági jellemzők is megváltoznak. A vágóerő azonos forgácsparaméterek mellett megnő, az erőviszony általában lecsökken, a rányomóerő nagyobb mértékben növekszik, mint a vágóerő. A kés kopottsági állapotát k K kopottsági tényezővel vesszük figyelembe. A kopottsági tényező az éles késsel ill. a kopott késsel végrehajtott azonos forgácsparaméterek melletti forgácsolások átlagos vágóerő értékeinek viszonyát fejezi ki:

30 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 26 k K FV, kopott =. F V, új Új késnél k K = 1, kopott késnél k K > 1, értéke átlagos kopottsági állapotnál k K = 1,2 1,5 közötti. Túlkopott jövesztő eszközzel végzett jövesztéseknél elérheti a k K = 2 értéket is. A jövesztő szerszám szilárdságtani méretezése a szerszámra ható csúcserők figyelembevételével történhet. Ha megfigyeljük a forgácsleválás folyamatát, (4..6. ábra), minden forgácsleválásnál fellép egy csúcserő, majd az erő egy minimális értékre csökken és kezdődik a következő forgácsleválasztás. A maximális vágóerő átlagos értékét, amely a vágóerő csúcs várható értéke, a forgácsképzésre jellemző k f,d forgácsolás dinamikai tényezőjével számíthatjuk az átlagos vágóerőből. A forgácsolás dinamikai tényezője: k F V,max f, d =. F V A különböző forgácsolandó kőzeteknél k f,d különböző értékű [35]: - plasztikus talajoknál k f,d = 1,05 1,1 (folyamatos forgácsleválasztásnál), - lágy, repedezett talajoknál k f,d = 1,1 1,3 (lépcsős forgácsleválasztás), - ridegebb, repedezett kőzeteknél k f,d = 1,2 1,5 (kisdarabos forgácsleválasztás), - kemény kőzeteknél k f,d = 1,5 2 (nagydarabos forgácsleválasztás). Konkrét forgácsolásoknál ez a forgácsolási erődiagram alapján meghatározható.

31 4. KŐZETFORGÁCSOLÁSI VIZSGÁLATOK 27 Az átlagos fajlagos vágóerő mint energetikai jellemző Egy konkrét forgácsolásnál, ilyen az egy jövesztőkéssel a laboratóriumban végrehajtott forgácsolás is, a vágóerő (F v ) a forgácsolási út ( l ) függvényében változik. A forgácsolás energiaigénye W f = L 0 F v () l dl, az F v vágóerő L úthosszon végzett munkája, ez a F v ( l ) függvény alatti terület. Az átlagos vágóerő: F L 1 = F L () l dl V v = 0 Wf L, ahol - L a teljes vágási (forgácsolási) úthossz. Mivel a forgácsolási sebesség (v jöv ) állandó, a vágóerőt az idő függvényében is ábrázolhatjuk (4.6. ábra), és ekkor az átlagos vágóerő: F V = 1 T T 0 F v () t dt, ahol - T a forgácsolás összes ideje. Így a forgácsolási energiaigény W f = F L. V A forgácsolás fajlagos energiaigénye (w f), a kijövesztett tömör forgácstérfogatra (V forg ) vonatkoztatott energiaigény: Wf FV L w f = = = f v. Vforg A forg L