SERBIATRIB ‘13
Serbian Tribology
Society
13th International Conference on
Tribology
Faculty of Engineering
in Kragujevac
Kragujevac, Serbia, 15 – 17 May 2013
POVEĆANJE POUZDANOSTI PODSISTEMA KOPANJA
ROTORNOG BAGERA PODEŠAVANJEM TRIBOLOŠKIH
KARAKTERISTIKA REZNIH ELEMENATA
Vojin Vukotić1, Dragan Čabrilo1
Rudnik i Termoelektrana Gacko, Bosna i Hercegovina, Republika Srpska
Abstrakt: Poznato je da prilikom obrade tla, u ovom slučaju skidanja jalovone i kopanja korisne mineralne
sirovine korištenjem rotornih bagera, rezni elementi mašina koji su u kontaktu sa tlom trpe opterećenje i
habaju se. Rezni elementi na rotornom bageru su kofice i zubi. U ovom radu učinjen je pokušaj da se
modeliranjem geometrijskih parametara zuba na kofici isti prilagode režimu i kinematici rezanja tla i smanji
se nivo habanja istih. Cilj je da se poveća pouzdanost rotornog bagera preko povećanja pouzdanosti
podsistema kopanja, čiji je glavni dio rotorni točak sa reznim elementima.Vršeno je snimanje vremenske
slike stanja podsistema kopanja za nekoliko varijanti geometrijskog oblika zuba i proračunavana
odgovarajuća pouzdanost.
Naravno, usvojena je geometrija zuba uz koju je postignut najveći nivo pouzdanosti.
Ključne reči: rotorni bager, pouzdanost, zubi, habanje, geometrija
1.
UVOD
Rotorni bageri su danas najrasprostranjenije
osnovne mašine na površinskim kopovima. Služe
za uklanjanje jalovine ili za kopanje korisne
mineralne sirovine.
Po svom sastavu to je vrlo složen mašinski
sistem. Sastavljen je od niza podsistema, koji svaki
ponaosob
obezbjeđuje
određenu
funkciju
neophodnu za rad bagera.
Podjela na podsisteme je uglavnom sledeća:
 podsistem za kretanje bagera,
 podsistem kopanja,
 podsistem prijemnog transportera,
 podsistem odlagajućeg transportera i
 podsistem
za
zakretanje
gornje
konstrukcije.
Ukoliko samo jedan od pomenutih podsistema
nije u funkciji, tada ni rotorni bager kao cjelina ne
zadovoljava namjeni, odnosno ne obavlja funkciju
kriterijuma u propisanim granicama.
Zapaženo je i to da je različit uticaj na
raspoloživost rotornog bagera, stanje ispravnosti
odnosno pouzdanost pojedinih podsistema.
Teorijskim razmatranjima i ispitivanjima kroz
eksploataciju ovih mašina [2], došlo se do
zaključka da je podsistem kopanja najnepouzdaniji
i da njegova pouzdanost najviše snižava ukupnu
pouzdanost bagera.
Na osnovu određenih istraživanja na rotornom
bageru ЭR – 1250 u sklopu gatačkog ugljenog
basena koje je provodio autor ovog saopštenja, [4]
može se A B C dijagramom prikazati učešće
otkaza po podsistemima rotornog bagera kao na sl.
1, gdje je:
Slika 1. Analiza otkaza na bageru
440
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
1.
2.
3.
4.
5.
Podsistem kopanja
Podsistem prijemnog transportera
Podsistem odlagajućeg transportera
Podsistem za kretanje
Podsistem obrtne plarforme
Očigledno je, sa pomenutog dijagrama, da
podsistem kopanja u ukupnim otkazima participira
sa otprilike 44%.
Podsistem kopanja sastoji se od tri glavna
sklopa: pogonskog elektromotora, reduktora i
radnog točka sa vedricama. Naravno svaki od ovih
sklopova učestvuje u ukupnim zastojima
podsistema kopanja sa svojim zastojima.
U ovom radu, predmet interesovanja i analize je
sklop radnog točka sa vedricama, a sami element
koji se tretira jeste zub i uticaj radne sredine na
habanje istog.
2.
OPŠTI PRISTUP PROBLEMU HABANJA
Habanje mašinskih dijelova je pojava koja se
neminovno javlja na mašinama u toku njihova rada,
odnosno eksploatacije. Posljedica je relativnog
kretanja i pomjeranja dijelova u sklopu koji
ostvaruju fizički kontakt.
Spada u štetne pojavne oblike u toku životnog
ciklusa mašine, javlja se intenzivnije u posljednoj
etapi toga ciklusa a ovim problemom se bave
konstruktori mašine , rukovaoci i održavaoci iste,
kako bi ovo štetno dejstvo sveli na što manju mjeru.
Naučna oblast koja se bavi ovom pojavom
naziva se tribologija.
Dva su osnovna cilja koja se stavljaju pred
tribologe, a to su:
 da mašina što duže traje,
 da ta mašina troši što manje energije,
a u poslednje vrijeme, javlja se i treći;
 da mašina ima što veću pouzdanost.
Zadovoljavanjem ovih ciljeva minimiziraju se i
ukupni troškovi proizvodnje sa konkretnom
mašinom.
2.1 Abrazivno habanje
Najveći broj mašinskih elementata radi u
uslovima abrazivnog habanja. Pojava je
karakteristična po tome što površina koja je u
kontaktu dolazi u dodir sa tvrdim česticama –
abrazivima. Abrazivi mogu biti sadržani u radnoj
sredini ( slučaj kod alata za obradu rezanjem,
obradi tla, i sl. ) ili su na drugi način dospjeli do
kontaktnih površina ( iz vazduha, u mazivu,
prašina, pijesak, čestice blata, … ).
Proces abrazivnog habanja je u uskoj vezi sa
količinom i vrstom abrazivnih čestica, njihovom
tvrdoćom i oblikom, kvalitetom i stanjem tarnih
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
površina, pritiskom i temperaturom u zoni dodira,
te brzinom relativnog kretanja i karakterom
kretanja.
Abrazivno habanje je u dosta slučajeva bilo
predmet interesovanja istraživača. Uspostavljena je
zavisnost između intenziteta habanja u smislu
promjene zapremine dijela na koji se habanje
odnosi i normalnog opterećenja spregnutih površina
i tvrdoće abrazivnih čestica.
Presudan uticaj na intenzitet abrazivnog
habanja, po mišljenju mnogih autora, [1] i [3] ima
opterećenje odnosno aktuelna sila na kontaktnim
površinama. Intenzitet habanja je upravo
proporcionalan sa veličinom opterećenja, a zavisi i
od vrste i oblika tarnih površina, uglova u kontaktu,
vrste trenja, režima rada te naročito od vrste
obrađivanog materijala, odnosno tla koje se kopa, u
slučaju rotornih bagera.
I pored svih preventivnih mjera, habanje se ne
može potpuno spriječiti ali se na tu pojavu može
značajno uticati ako se prethodno spozna njena
suština, te mehanizam nastanka i razvoja.
2.2. Habanje zuba rotornog bagera
Problem habanja radnih elemenata na vedricama rotornih bagera prisutan je još od samog
početka primjene ovih mašina, koje su se na
površinskim kopovima pokazale kao vrlo
produktivne i ekeonomične mašine.
U procesu kopanja dolazi do intenzivnog
habanja reznih površina izazvanih suvim trenjem
klizanja minerala kombinovanog sa značajnim
dinamičkim udarima. To dovodi do neželjenih
promjena na elementima mašine u vidu odvajanja
čestica materijala sa posmatrane površine zuba.
Na proces habanja reznih elemenata, osim
materijala koji se kopa utiče i niz drugih faktora,
kao što su:
 materijal od koga su izrađeni rezni
elementi,
 konstruktivne karakteristike zuba,
 režim rada rotornog bagera i
 specifični otpori kopanju
U procesu kopanja dolazi do klizanja materijala
po reznim elementima pri čemu nastaje neželjeno
habanje zuba. Proces habanja se nesumnjivo
odražava na geometrijske karakteristike reznih
elemenata, na njihov vijek trajanja i opštu
upotrebljivost, a indirektno na kapacitet rotornog
bagera, potrošnju energije i opštu spremnost bagera
za normalnu eksploataciju. Očigledno je da
fenomen habanja ima veliki uticaj na pogonsku
spremnost i pouzdanost rotornog bagera, te ga je
potrebno pažljivo proučiti kako sa aspekta uzroka i
preventivnog djelovanja tako isto i u oblasti
sanacije i uklanjanja eventualnih posljedica.
441
Kroz praksu i terenska ispitivanja odavno je
poznato da povećano habanje zuba na vedricama
rotornih bagera, za posljedicu, ima sledeće
negativnosti:
 povećane otpore kopanju
 smanjen specifičan učinak bagera [t/h]
 povećane vibracije mašine
 povećana specifična potrošnja energije
 povećane troškove održavanja
 smanjenu pouzdanost bagera.
3.
RADNA OPTEREĆENJA I VRSTE
HABANJA ZUBA ROTORNOG BAGERA
Eksploatacioni uslovi za zube na rotornom
bageru koji su u neposrednom kontaktu sa radnom
sredinom koja se kopa, su bez sumnje, vrlo teški i
složeni. Habanje zavisi prvenstveno od osobina
materijala koji se kopa, otpornosti materijala zuba
na habanje ili bolje reći od konstruktivne
prilagođenosti zuba uslovima kopanja na
konkretnom lokalitetu, odnosno kopu, kao i od
režima rada bagera.
U
ovom
slučaju,
zubi
su
izloženi
kombinovanom dejstvu abrazije i udara, koji se
manifestuju kroz nagle skokove opterećenja zuba u
toku rada bagera.
Abrazivno habanje u konačnom obliku rezultira
odnošenjem materijala sa radnih površina zuba i to
na takav način da nakon što bude “ skinut “ jedan
površinski sloj, dolazi pod udar procesa habanja
sledeći površinski sloj, itd.
Ako uporedimo dejstvo abrazije sa brušenjem ili
rezanjem kao procesima mehaničke obrade
materijala, prva konstatacija je da većina abrazivnih
čestica ima negativan ugao rezanja. Zbog toga one
izazivaju na površinama, po kojima se taru,
karakteristične
ogrebotine-abrazivne
brazde,
praćene velikom plastičnom deformacijom i
tečenjem materijala.
Istovremeno efekat rezanja, koji varira od
čestice do čestice, zahvaljujući izvjesnom
smicajnom dejstvu, čiji je uzrok opet negativan
rezni ugao, produkuje mikro strugotinu, a to je
način odnošenja materijala – abrazije.
U toku procesa habanja bagerskog zuba prisutna
je situacija, što se geometrije zuba tiče, kao na
slici 2.
Početna kontura vrha zuba prikazana je linijom
“0”. Linije “1” do “6” prikazuju konture zuba u
funkciji vremena habanja u radu. Kada se zub
pohaba za veličinu hb koja je za zube postojeće
konstrukcije otprilike 30÷40 mm, na odrađenih
200÷250 radnih časova geometrijski izgled vrha
zuba predstavljen je linijom – “6”. Tada se vrši
skidanje pohabanih zuba, stavljaju se novi ili
reparirani, a pohabani šalju na reparaturu.
442
Slika 2. Faze habanja zuba
Kapacitet rotornog bagera zavisi uglavnom od
rada podsistema za kopanje. Tu je veliki doprinos
pravilnih i oštrih zuba kada je i kapacitet najveći. U
funkciji vremena dolazi do zatupljenja zuba usljed
abrazivnog habanja, odnosno do promjene njihovog
geometrijskog oblika. Usljed zatupljenja zuba
povećava se i otpor kopanju, a s tim u vezi dolazi
do povećanog opterećenja prenosnika, pa i čitave
konstrukcije podsistema kopanja.
Konačno, ovo ima za posljedicu promjenu
režima rada bagera, dolazi do smanjenja njegovog
kapaciteta, što se negativno odražava na ekonomske
efekte proizvodnje.
4.
PRILAGOĐAVANJE
OBLIKA ZUBA
GEOMETRIJE
Zub rotornog bagera, koji je u ovom radu
predmet interesovanja, predstavlja kao pojam –
mašinski element. Kada tretiramo konstrukciju bilo
kog mašinskog elementa onda se tu prvenstveno
misli na definisanje:
 geometrijskog oblika,
 materijala,
 kvaliteta obrade i
 termičke obrade
Ovom prilikom ćemo se ograničiti na aspekt
geo-metrije zuba. Da bi na izvjestan način
kvantificirali nivo po-habanosti zuba, pristupilo se
mjerenju pojasa pohabanosti. Usvojen je dužinski
parametar hb prema sl.2, kao pokazatelj istrošenosti
zuba. Ova veličina je mjerena u određenim
vremenskim razmacima pa su na osnovu tih
mjerenja konstru-isani dijagrami zavisnosti hb=f(t),
sl.3.
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
Slika 3. Kriva habanja
Na tom dijagramu uočljive su tri zone. U prvoj
dolazi do početnog intenzivnog habanja zuba.
Kasnije zona II , zub se ravnomjerno i umjereno
haba, da bi se u zoni III počeo intenzivno habati i
tada se pristupa zamjeni zuba. Opredeljujuća
veličina za zamjenu zuba je veličina t0 – teorijski
vijek trajanja. Poznato je iz prakse da se zub ne
mijenja striktno po isteku perioda t0 nego posle
perioda tz , koji se nalazi u tolerantnoj zoni ttol u
odnosu na t0. Veličina tz se može iskustveno
definisati relacijom:
Slika 5. Geometrijski izgled vedrice sa
originalnim zubima
Mjerenja parametra habanja hb, sl.2 i
konstruisanje krive habanja, sl.3 vršena su za
nekoliko zuba na najopterećenijem mjestu na
vedrici - čeoni zub (rezač) pa na dijagramu, sl.6
dajemo izgled krive habanja za te pozicije zuba.
Konstatovano je da zub izdrži 200 ÷ 250 radnih
časova dok se pohaba u nivou od hb  40 mm.
tz = ( 1±0,2) t0
Geometriju zuba smo modelirali tako da smo za
izbranu geometrijsku varijantu snimali krivu
habanja zuba i upoređivali izdržljivost zuba prema
tako konstruisanoj krivoj habanja uz praćenje
popratnih pojava uzrokovanih habanjem zuba.
4.1. Varijanta sa originalnim zubima
Zatečeno stanje zuba na rotornom bageru je, u
geometrijskom smislu, potpuno isto kao što je
proizvođač bagera isporučio u originalnom obliku,
sl.4.
Slika 6. Kriva habanja za originalni zub
4.2. Varijanta II
Učinjena je izmjena samo u domenu geometrije
zuba, a kvalitet materijala od koga je zub
napravljen
nije
mijenjan.
Predložena
je
geometrijska forma na osnovu savremenih stručnih
saznanja, te iskustava drugih rudnika koji koriste
rotorne bagere, sl.7 dok su na sl. 8 definisani
osnovni geometrijski parametri zuba učvršćenog na
vedrici prema radnoj sredini.
Slika 4. Originalni oblik bagerskog zuba
Geometrijski izgled zuba i vedrice sa
relevantnim geometrijskim parametrima dat je na
sl.5
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
Slika 7. Oblik bagerskog zuba varijante II
443
Nakon tih prepravki dobili smo geometrijski
izgled zuba kao na sl. 9 sa geometrijskim
parametrima u zahvatu prema radnoj sredini kao na
sl.10.
Slika 8. Geometrijski izgled vedrice sa
zubima varijante II
Konstatovan je mirniji rad bagera jer je
obezbjeđeno da zubi postepeno prodiru u radnu
sredinu, postoji klin i u vertikalnoj i u horizontalnoj
ravni, a radni dio zuba je znatno duži u odnosu na
originalnu varijantu zuba. Vedrica je manje
otvorena prema bloku koji se kopa, što ima za
posljedicu manje “struganje” vedrice od radni blok.
Prema instrumentima u kabini rukovaoca bagera
zaključeno je da se otpori kopanju savlađuju uz
manju angažovanu snagu mašine.
Takođe, konstatovan je značajan porast
časovnog kapaciteta bagera, što se objašnjava
povećanjem radne dužine zuba i manjim leđnim
uglom. Prilikom ispitivanja ove konstrukcije zuba
su primijećena i izvjesne negativnosti. Naime, usled
ojačanog i previše isturenog leđnog dijela zuba,
uočeno je da se taj leđni dio previše ukopava u
radnu sredinu. Drugim rječima, taj leđni dio ne ide
u otkopanu masu, koju je prethodno vrh zuba
razorio, nego on svojim leđnim, isturenim dijelom
“gnječi” radnu sredinu. Taj razlog, uz previše
dugačak radni dio zuba (L=180 mm) dovodio je do
toga da su zubi savijani, plastično deformisani i
lomljeni u dijelu drške i vrata zuba. [5].
Zbog ove negativnosti nije se ni pristupalo
konstrukciji krive habanja za ovu vrstu zuba.
4.3. Varijanta III
Poslije uočenih nedostataka po prethodnoj
varijanti, ispitivanja su obustavljena i pristupilo se
ispravkama na geometrijskom izgledu zuba:
 dužina radnog dijela skraćena je na
L=165 mm,
 smanjeno je ojačanje leđnog dijela,
 zub je prema radnoj sredini otvoren na
13°14’7”,
 izvršeno je bolje pasovanje drške zuba u
“džep” i
 eliminisano je aksijalno pomjeranje zuba u
“džepu”.
444
Slika 9. Geometrijski izgled zuba varijante III
Slika 10. Geometrijski izgled vedrice sa
zubima varijante III
Osnovna zapažanja u vezi rada bagera sa
ovakvim zubima su:
 Bager je imao miran rad bez udara i
vibracija sa izraženim amplitudama. Ovo se
objašnjava time što je konstrukcija zuba
samim vrhom prilagođena da postepeno
ulazi u radnu sredinu i izaziva manje otpore
kopanju i manje podrhtavanje bagera.
Tome je doprinijela i prilagođenost leđnog
ugla zuba u sprezi sa vedricom prema
radnoj sredini.
 Časovni kapacitet bagera je veći za 15 do
20% u odnosu na rad sa originalnim
zubima.
 Proces kopanja se odvija uz značajno
manju angažovanu snagu mašine nego sa
zubima originalne izvedbe.
 Manji su otpori kopanju.
 Leđni dio zuba je manje isturen pa nema
neželjenog opterećenja koje je za
posljedicu imalo lomljenje zuba.
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13

Mjereni su parametri habanja i prilikom
konstrukcije krive habanja za čeone zube je
konstatovano da je znatno duži vijek
trajanja ove konstrukcije i da iznosi 300 ÷
350 radnih časova, sl.11.
Slika 11. Kriva habanja čeonog zuba varijante III
Budući da je radna dužina ove konstrukcije zuba
za 20 mm veća od odgovarajućeg dijela na
originalnom zubu to se reperna dužina parametra
habanja hb od 40 mm može povećati na 50 mm, pa
imajući to u vidu radni vijek zuba ove konstrukcije
može iznositi i do 500 radnih časova.
Ova geometrijska varijanta usvojena je, urađena
garnitura zuba za potpunu zamjenu na rotornom
bageru i kroz duži period eksploatacije u dobroj
mjeri potvrdila pretpostavke iz eksperimentalne
faze.
Rezultati ovih istraživanja mogu se primjeniti sa
velikom pouzdanošću na kopove sa sličnim radnim
uslovima.
LITERATURA
[1] S. Tanasijević: Osnovi tribologije mašinskih
elemenata, Naučna knjiga, Beograd 1989.
[2] Z. Jugović: Uticaj abrazivnog habanja zuba
rotornog bagera na njegovu pouzdanost, Zbornik
radova, Yutrib ’91 Kragujevac 1991.
[3] B. Ivković: Osnovi tribologije u industriji prerade
metala, Građevinska knjiga, Beograd 1990.
[4] V. Vukotić: Prilog istraživanju efektivnosti složenih
energetskih sistema sa stanovišta integralne
sistemske podrške (logistike) sa posebnim osvrtom
na područje I BTO sistema rudnika “Gacko”,
Magistarski rad, Mašinski fakultet Mostar 1983.
[5] V. Vukotić: Povećanje pouzdanosti podsistema
kopanja rotornih bagera poboljšanjem triboloških
karakteristika reznih elemenata, Doktorska disertacija, Mašinski fakultet Kragujevac, 2002.
ZAKLJUČAK
U sklopu provedenih istraživanja na rotorm
bageru ER 1250 koji je u eksploataciji u sklopu
rudnika „Gacko“ učinjen je pokušaj da se isti
prilagodi uslovima radne sredine preko optimizacije
geometrijskih parametara reznih elemenata – zuba.
Na osnovu polaznih teoretskih postavki iz
oblasti pouzdanosti proizvodnih sistema, te
karakteristika triboloških procesa na reznim
elementima vršena su ispitivanja pouzdanosti
podsistema kopanja rotornog bagera koristeći u
početku zube originalne konstrukcije isporučioca
bagera a posle u nekoliko varijanti zube predložene
geometrijske izvedbe. Modeliranjem triboloških
karakteristika zuba na rotornom bageru podešavanjem geometrijskih parametara istih, kao što je
prikazano u radu, rezultat poboljšanja kroz predloženu geometrijsku varijantu zuba imamo:
 Manje otpore kopanju,
 Manji iznos habanja zuba,
 Veću
eksploatacionu
pouzdanost
podsistema kopanja, a u vezi s tim i samog
rotornog bagera,
 Veći radni vijek zuba,
 Manje troškove održavanja bagera,
 Mirniji rad bagera i
 Veći specifični kapacitet bagera.
13th International Conference on Tribology – Serbiatrib’13
445
Download

SERBIATRIB `13