ĐSTABUL TEKĐK ÜĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ ESTĐTÜSÜ
DOKTORA TEZĐ Osman Cenk FERĐDUOĞLU
Anabilim Dalı : Maden Mühendisliği Programı : Maden Mekanizasyonu
OCAK 2009
KAYAÇ KAZILABĐLĐRLĐĞĐĐ TAYĐĐ ĐÇĐ TAŞIABĐLĐR KAYAÇ KESME DEEY ALETĐĐ GELĐŞTĐRĐLMESĐ
OCAK 2009
ĐSTA BUL TEK ĐK Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ
DOKTORA TEZĐ Osman Cenk FERĐDU OĞLU
505012026
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 17 Ekim 2008 Tezin Savunulduğu Tarih : 12 Ocak 2009
Tez Danışmanı : Prof. Dr. uh BĐLGĐ (ĐTÜ)
Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Mustafa ERDOĞA (ĐTÜ) Prof. Dr. Ali KAHRĐMA (OÜ) Prof. Dr. uri Ali AKÇI (ZKÜ) Doç. Dr. Hanifi ÇOPUR (ĐTÜ) KAYAÇ KAZILABĐLĐRLĐĞĐ Đ TAYĐ Đ ĐÇĐ TAŞI ABĐLĐR
ÖSÖZ
Bu tez kapsamında ülkemizde kullanımı giderek artan mekanize kazı makinalarının performanslarının tahmini için yeni bir cihaz geliştirilmiştir. Kayaç kazılabilirliğinin tayini için güvenilir ve maliyeti düşük bir cihaz imal edilmeye çalışılmıştır. Geliştirilen cihazın gelecekteki yapılacak çalışmalarla kullanım aralığının artmasını dilerim.
Tez çalışmam sırasında yol göstericiliğini, yardımlarını ve sonsuz sabrını benden esirgemeyen danışmanım Sayın Prof.Dr. Nuh BĐLGĐN’e teşekkür ederim. Laboratuvar çalışmalarında yardımlarını ve tecrübelerini esirgemeyen Sayın Doç.Dr. Hanifi ÇOPUR ve Sayın Yrd.Doç.Dr. Cemal BALCI’ya teşekkür ederim.
Ayrıca bu tezin yapılmasında büyük emeği bulunan Sayın Araş. Gör. Deniz TUMAÇ’a çok teşekkür ederim.
Akademik hayatım boyunca her alanda desteğini gördüğüm aileme ve eşime teşekkürlerimi sunarım.
Ocak, 2009 Osman Cenk FERĐDUNOĞLU Maden Yüksek Mühendisi
ĐÇĐDEKĐLER Sayfa KISALTMALAR...vi ÇĐZELGE LĐSTESĐ...viii ŞEKĐL LĐSTESĐ...x SEMBOL LĐSTESĐ...xii ÖZET...xiv SUMMARY...xvi 1. GĐRĐŞ VE AMAÇ... 1
2. TAM CEPHELĐ VE KISMĐ CEPHELĐ TÜEL AÇMA MAKĐELERĐ... 3
2.1 Tam Cepheli Tünel Açma Makineleri... 3
2.2 Kollu Galeri Açma Makineleri... 5
3. TAM CEPHELĐ VE KISMĐ CEPHELĐ TÜEL AÇMA MAKĐELERĐ PERFORMAS TAHMĐ YÖTEMLERĐ... 7
3.1 Tam Cepheli Tünel Açma Makinelerinin Performans Tahmini Đçin Geliştirilen Ampirik Modeller... 9
3.2 Kısmi Cepheli Tünel Açma Makinelerinin Performans Tahmini Đçin Geliştirilen Ampirik Modeller... 10
3.3 Performans Tahmini Đçin Kullanılan Laboratuvar Kesme Deneyleri... 12
3.3.1 Tam boyutlu doğrusal kesme deneyleri... 12
3.3.2 Küçük boyutlu kazı seti ile karot kesme deneyleri... 17
4. DĐSK KESKĐLER VE KOĐK KESKĐLER ĐÇĐ KESME TEORĐLERĐ.... 19
4.1 Disk Keski Teorileri... 19
4.2 Kalem Keski Teorileri... 23
5. GELĐŞTĐRĐLE TAŞIABĐLĐR TEST CĐHAZII TASARIMI VE ĐMALATI... 25
5.1 Taşınabilir Test Cihazının Teknik Özellikleri... 28
5.2 Taşınabilir Kazı Setinin Ölçme Sisteminin Geliştirilmesi... 29
6. GELĐŞTĐRĐLE TAŞIABĐLĐR TEST CĐHAZI ĐÇĐ YAPILA DĐAMOMETREĐ KALĐBRASYO ÇALIŞMALARI... 33
7. DEEYSEL ÇALIŞMALAR... 39
7.1 Deney Ekipmanları... 39
7.1.1 Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti... 39
7.1.2 Geliştirilen Taşınabilir Test Cihazı... 41
7.2 Deneysel Parametreler ve Yöntem... 44
7.3 Kesme Deneylerinde Kullanılan Kayaçların Mekanik Özellikleri... 45
8. DEEYSEL SOUÇLAR... 49
8.1 Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti Mini Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçları Đle Geliştirilen Taşınabilir Kazi Seti Mini Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçlarının Karşılaştırılması... 49
8.2 Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti 13’’ Sabit Kesitli Disk Kesme Derinliği 5 Mm Yardımsız Sonuçları Đle Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti Mini Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçlarının Karşılaştırılması...52
8.3 Geliştirilen Taşınabilir Kazı Seti Mini Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçları Đle Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti 13’’ Sabit Kesitli Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçlarının
Karşılaştırılması... 55
8.4 Geliştirilen Taşınabilir Kazı Seti Mini Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçları Đle Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti 13’’ Sabit Kesitli Disk mm Yardımlı Sonuçlarının Karşılaştırılması... 57
8.5 Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Seti Kalem Keski Yardımlı Sonuçları Đle Geliştirilen Taşınabilir Kazı Seti Mini Disk Kesme Derinliği 5 mm Yardımsız Sonuçlarının Karşılaştırılması... 60
8.6 Deney Sonuçlarının Teorik Hesaplamalarla Karşılaştırılması... 62
9. SOUÇLAR VE TARTIŞMA... 65
KAYAKLAR... 69
KISALTMALAR
RMCI : Kaya Kütlesi Kazılabilirlik Indeksi RMR : Kaya Kütlesi Sınıflama Sistemi RQD : Kaya Kalite Đndeksi
ÇĐZELGE LĐSTESĐ
Sayfa Çizelge 2.1 : Tam cepheli tünel açma makinelerinin özelliklerinin gelişimi
(3.5 metre çapındaki makine için)... 4
Çizelge 2.2 : 3.4 m çaplı tam boyutlu tünel açma makinesi performansı... 5
Çizelge 3.1 : Kazı makinelerinin performansını etkileyen parametreler... 8
Çizelge 3.2 : Orta ağırlıktaki kollu galeri açma makinelerinin laboratuvar spesifik enerji değerine göre seçilmesi... 18
Çizelge 3.3 : Ağır kollu galeri açma makinelerinin laboratuvar spesifik enerji değerine göre seçilmesi... 18
Çizelge 5.1 : Dinamometrenin yapımında kullanılan alüminyum malzemenin Özellikleri... 31
Çizelge 6.1 : 10 adet kalibrasyon deneyinin toplu sonuçları (90 eğim ile yapılan yükleme)... 35
Çizelge 6.2 : 11-20 nolu kalibrasyon deneylerinin toplu sonuçları (900 – düşey yükleme)... 36
Çizelge 6.3 : 21-30 nolu kalibrasyon toplu sonuçları (900 – düşey yükleme)... 36
Çizelge 6.4 : 31-40 nolu kalibrasyon sonuçları (90 yükleme)... 37
Çizelge 7.1 : Deney programı... 44
Çizelge 7.2 : Deney sonuçlarının karşılaştırılması... 45
Çizelge 7.3 : Deneylerde Kullanılan Kayaların Fiziksel ve Mekanik Özellikleri...46
Çizelge 8.1 : Tam boyutlu doğrusal kazı setinde yapılan kesme deney sonuçları (Keski mini disk, kesme derinliği 5 mm, yardımsız)... 49
Çizelge 8.2 : Geliştirilen taşınabilir kazı setinde, kaya numunesinin mengeneye sıkıştırıldığı dsıkıştırıldığı durumda deney sonuçları. (Keski mini disk, kesme derinliği 5mm, yardımsız)... 50
Çizelge 8.3 : Tam boyutlu doğrusal kazı setinde yapılan kesme deney sonuçları (13” SKA Disk, d=5mm,yardımsız)... 52
Çizelge 8.4 : Tam boyutlu doğrusal kazı setinde yapılan kesme deney sonuçları (Mini disk, d=5mm, yardımsız)...52
Çizelge 8.5 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti mini disk kesme derinliği 5 mm yardımsız sonuçları... 55
Çizelge 8.6 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti 13’’ sabit kesitli disk kesme derinliği 5 mm yardımsız sonuçları... 55
Çizelge 8.7 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti mini disk kesme derinliği 5 mm yardımsız sonuçları... 58
Çizelge 8.8 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti 13’’ sabit kesitli disk yardımlı sonuçları... 58
Çizelge 8.9 : Geliştirilen taşınabilir test cihazı d=5mm, yardımsız SE ve tam doğrusal ka s boyutlu doğrusal kazı seti konik keski, S-35/80H, yardımlı SE sonuçları... 61
ŞEKĐL LĐSTESĐ
Sayfa
Şekil 2.1 : Bohn’nun patentini aldığı kaya kazı makinesi... 3
Şekil 2.2 : Tam cepheli tünel açma makinesi... 4
Şekil 2.3 : Dönme ekseni aynaya paralel kesici kafalı kollu galeri açma makinesi...5
Şekil 2.4 : Dönme ekseni aynaya dik kesici kafalı kollu galeri açma makinesi... 6
Şekil 3.1 : Tünel uzunluğuna göre mekanize kazı ile delme – patlatmanın Karşılaştırılması... 7
Şekil 3.2 : Kesme esnasında bir disk keskiye etki eden kuvvetler... 13
Şekil 3.3 : Kesme profili sonucu spesifik enerjinin değişimi... 14
Şekil 3.4 : Küçük boyutlu kesme deney setinde karot numunesinin kesilmesi... 17
Şekil 4.1 : Disk keski altındaki basınç zonu... 19
Şekil 4.2 : Disk keskiye gelen kuvvetlerin şematik gösterimi... 20
Şekil 4.3 : Disk keskinin ilerlemesinin geometrisi... 20
Şekil 4.4 : Disk keski altında altında oluşan basınç alanı... 22
Şekil 5.1 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti... 26
Şekil 5.2 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti hidrolik şeması... 27
Şekil 5.3 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti için imal edilen mini disk keskiler... 29
Şekil 5.4 : Dinamometrenin genel görünüşü ve montajı... 30
Şekil 5.5 : ESAM traveller 1 veri toplama sistemi... 32
Şekil 6.1 : Kalibrasyon deney sonuçlarına tipik bir örnek. 28 nolu kalibrasyon deneyinde uygulanan kuvvet ile mV cinsinden alınan sinyaller arasındaki ilişki... 33
Şekil 6.2 : Hidrolik piston ile yapılan kalibrasyon çalışmaları (90 yükleme)... 34
Şekil 7.1 : Tam boyutlu kesme deney seti ... 39
Şekil 7.2 : Dinamometre... 40
Şekil 7.3 : Kesme kuvvetlerinin kesme hattı boyunca değişimi... 41
Şekil 7.4 : Kaya numunesinin numune kutusu içine çimento ile sabitlenmesi... 42
Şekil 7.5 : Kaya nu munesinin geliştirilen kazı setinin üzerindeki mengeneye sıkıştırılarak deney yapılması... 43
Şekil 8.1 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FN - geliştirilen taşınabilir kazı seti FN ilişkisi (mini disk, d=5mm, yardımsız)... 50
Şekil 8.2 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FR - geliştirilen taşınabilir kazı seti FR ilişkisi (mini disk, d=5mm, yardımsız)... 51
Şekil 8.3 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti SE - geliştirilen taşınabilir kazı seti SE ilişkisi (mini disk, d=5mm, yardımsız)... 51
Şekil 8.4 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FN (13” ska disk, d=5mm, yardımsız) - tam boyu tam boyutlu doğrusal kazı seti FN (mini disk, d=5mm, yardımsız) ilişkisi... 53
Şekil 8.5 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FR (13” ska disk, d=5mm, yardımsız) - boyu tam boyutlu doğrusal kazı seti FR (mini disk, d=5mm, yardımsız) ilişkisi... 53
Şekil 8.6 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti SE (13” ska disk, d=5mm, yardımsız) -
tam byutam boyutlu doğrusal kazı seti SE (mini disk, d=5mm,
yardımsız) ilişkisi... 54
Şekil 8.7 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FN (13” ska disk, d=5mm, yardımsız) - geliştirilen taşınabilir kazı seti FN (mini disk, d=5mm, yardımsız)
ilişkisi... 56 Şekil 8.8 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FR (13” ska disk, d=5mm, yardımsız) – geliştirilen taşınabilir kazı seti FR (mini disk, d=5mm, yardımsız)
ilişkisi... 56 Şekil 8.9 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti SE (13” ska disk, d=5mm, yardımsız) – geliştirilen taşınabilir kazı seti SE (mini disk, d=5mm, yardımsız)
ilişkisi... 57 Şekil 8.10 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FN (13” ska disk, yardımlı) –
geliştirilen taşınabilir kazı seti FN (mini disk, d=5mm, yardımsız) ilişkisi... 59 Şekil 8.11 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti FR (13” ska disk, yardımlı) –
geliştirilen taşınabilir kazı seti FR (mini disk, d=5mm, yardımsız) ilişkisi... 59 Şekil 8.12 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti SE (13” ska disk, yardımlı) –
geliştirilen taşınabilir kazı seti SE (mini disk, d=5mm, yardımsız) ilişkisi... 60 Şekil 8.13 : Tam boyutlu doğrusal kazı seti SEopt (kalem keski sandvik s-35/80h, d=5mm,yardımlı) - geliştirilen taşınabilir kazı seti SE (mini disk,
d=5mm, yardımsız) ilişkisi... 62 Şekil 8.14 : Rostami SKA teorisi ile Roxborough V uçlu disk teorisi FN değerlerinin Karşılaştırılması... 63 Şekil 8.15 : Rostami SKA teorisi ile Roxborough V uçlu disk teorisi FN değerlerinin karşılaştırılması... 63
SEMBOL LĐSTESĐ
d : Kesme derinliği (cm) DTBM : Kesici kafanın çapı (m)
Esta : Statik Elastisite Modülü (GPa) Edyn : Dinamik Elastisite Modülü (GPa) FC : Kesme kuvveti (kgf)
F : Disk keskiye gelen dikey kuvvetlerin ortalaması, (kgf)
F’ : Disk keskiye gelen maksimum normal kuvvetlerin ortalaması, (kgf) FR : Disk keskiye gelen yuvarlanma kuvvetlerinin ortalaması, (kgf) F’R : Disk keskiye gelen maksimum yuvarlanma kuvvetlerin ortalaması, (kgf)
FL : Sürtünme kayıpları FT : Toplam itme kuvveti (kN) γ
γγ
γ : Yoğunluk, (g/cm3)
k : Kesici kafa gücünün aynaya iletilme oranı, birimsiz c : Kesici kafadaki keski adedi
köşe : Kesici kafadaki köşe keski sayısı (5 – 10)
P : Kesici kafa gücü, (kW,HP), yüzeye uygulanan basınç (psi) p : Kesme derinliği (mm)
Q : Birim kazı mesafesinde açığa çıkan pasa hacmi, (m3/km) R : Disk keski yarıçapı (in) = D/2
RPM : Kesici kafanın dakikadaki devir sayısı SE : Spesifik enerji, (kWh/m3)
SEopt : Optimum Spesifik enerji, (kWh/m3)
σc, UCS : Tek eksenli Basınç Dayanımı, (MPa, kg/cm2) σt , BTS : Brazilian Çekme Dayanımı, (MPa, kg/cm2)
T : Tork (kNm)
S : Optimum keskiler arası mesafe (mm)
V : Seçilen disk çapına göre kabul edilebilir disk keski hızı (m/dak.) ψ
ψψ
ψ : CCS tip keskiler için katsayı R : Disk keski yarıçapı (in) = D/2
Ψ : Kırılma çatlağı ile yüzey arasındaki açı (o) λ : Đçsel sürtünme açısı (o)
θ : Keski tepe açısı / 2 (o)
ΦS : Kayaç ile keski arasındaki sürtünme açısı (o) Φ : Keski uç açısı /2 (o)
KAYAÇ KAZILABĐLĐRLĐĞĐĐ TAYĐĐ ĐÇĐ TAŞIABĐLĐR KAYAÇ KESME DEEY ALETĐĐ GELĐŞTĐRĐLMESĐ
ÖZET
Kollu galeri açma makineleri ve tam cepheli tünel açma makineleri gibi mekanize kazı makinelerinin günümüzde kullanımları hem maden hem de inşaat sektöründe hızla artmaktadır. Makine seçiminde yapılacak hata projenin bitim süresinin uzamasına ve çok büyük maddi kayıplara yol açabilir. Bu yüzden makine seçimi ve performans tahmini proje başlamadan önce yapılmalıdır.
Uluslararası alanda tam boyutlu kesme deneyleri, küçük boyutlu kesme deneyleri ve Trondheim Üniversitesinin geliştirdiği tam cepheli tünel açma makinaları performans modeli kabul görmüştür. Bu yöntemler pahalıdır, uzman kadrolar isteyen ve deney yapımı uzun zaman alan yöntemlerdir.
Bu nedenle bu projede taşınabilir, kolay kullanılabilir ve pahalı olmayan ve sonuçları güvenilir olan taşınabilir bir kazı seti geliştirilmiştir. Geliştirilen taşınabilir test cihazı için 13 cm çapında 70o uç açılı mini diskler imal ettirilmiştir. Numune boyutları 20x20x10 cm olan kayaç numuneleri 5 mm kesme derinliğinde yardımsız kazı modu ile kesilerek, keskiye gelen FN, FR kuvvetleri geliştirilen dinamometre ile kayıt edilmiştir. Kesme sonucu çıkan pasa miktarı kullanılarak spesifik enerji hesaplanmıştır. TÜBĐTAK Proje No: MĐSAG-274 kapsamında birim deformasyon ölçer’lerle donatılmış bir dinamometre geliştirilmiş ve saniyede 1000 veri alabilecek bir veri iletişim sistemi seçilmiştir. Dinamometrenin güvenirliliğini denemek için 9o’lik açılı ve düşey yüklemelerle kalibrasyon yapılmıştır, sonuçların güvenilir olduğu ve okumaların tekrar edilebilir olduğu kanısına varılmıştır.
Geliştirilen taşınabilir test cihazı ile,basınç dayanımları 30 ile 174 kg/cm2 arasında değişen 13 adet kayaç numunesi üzerinde geliştirilen küçük boyutlu kazı setinde mini diskle kesme deneyleri yapılmıştır. Tam boyutlu doğrusal kazı setinde 13” çapında sabit kesit alanlı (SKA) disk ve mini disk ile aynı kayaçlar üzerinde kesme deneyleri yapılmıştır.
Geliştirilen taşınabilir cihaz ile aynı koşullarda (mini disk, d=5mm, yardımsız) tam boyutlu doğrusal kesme setinde kesilen 8 farklı kayaç için FN, FR, SE değerlerinin karşılaştırılmıştır. Karşılaştırılan FN değerlerinde R2 değeri 0.75 ve iyi bir eşleşme gözlenmiştir. FR değerlerinde ise değerler dağınık ve düşük bir R2 0.29 oluşmuştur. Tam boyutlu doğrusal kazı setinde V uçlu mini disk ve 13” sabit kesit alanlı disk için 5 mm kesme derinliğinde yardımsız yapılan deneyler sonucunda karşılaştırılan FN ve FR değerlerinde korelasyon katsayıları sırasıyla 0.86 ve 0.75 olarak bulunmuştur. Mini disk ve sabit kesit alanlı endüstriyel kullanımlı disklerin kesme sonuçları arasında anlamlı istatistiksel bağlantılar bulunmuştur. Roxborough V uçlu disk kesme teorisi ve Rostami sabit kesit alanlı disk teorisi FN ve FR karşılaştırmasında, tam boyutlu doğrusal kazı setinde elde edilen değerlere uygun trendler elde edilmiştir.
Geliştirilen taşınabilir test cihazında kullanılan 70o uç açılı mini disk ile TBM’lerde kullanılan sabit kesit alanlı diskler için tahmin yapmanın mümkün olduğu görülmektedir.
Geliştirilen taşınabilir test cihazı kesme sonuçları tam boyutlu doğrusal kazı seti 13” SKA disk ile karşılaştırılmıştır. 13” SKA disk yardımsız kazı modu sonuçlarında FN ve FR değerlerinde 0.49 ve 0.74 korelasyon katsayıları bulunmuştur. SE değerlerinde ise istenilen düzeyde bir istatistik ilişki yakalanamamıştır. Yardımlı kazı modunda FN,FR ve SE değerlerinde düşük korelasyon katsayıları çıkmıştır.
Daha önceki çalışamalarda elde edilen tam boyutlu doğrusal kazı seti kalem keski yardımlı kazı modunda gerçekleşen SEopt değerleri ile geliştirilen taşınabilir cihaz mini disk SE değerleri karşılaştırılmıştır. Kalem keski optimum SE değerleri ile mini disk SE değerleri arasında korelasyon katsayısı 0.62 çıkmıştır. Geliştirilen taşınabilir test cihazının kollu galeri açma makinelerinin performans tahmininde belirli bir istatistiksel doğrulukla kullanılabileceği anlaşılmıştır.
Geliştirilen yeni kazı seti henüz prototip aşamadadır. Özellikle kaya numunelerinin deney sehpasına sabitlenmesi ve kesme derinliğinin daha pratik ve kesin ayarlanması ileriki çalışmalarla çözülmesi gereken sorunlardır. Geliştirilen kaya kesme cihazının güvenilirliği ve daha geniş bir aralıkta sonuç verebilmesi için gelecekteki çalışmalarda farklı mekanik özelliklerdeki kayaçlarla deneyler yapılmalıdır ve kazı makinelerinin yerinde performansları ile ilişkilendirilmelidir.
DEVELOPMET OF A PORTABLE ROCK CUTTIG RIG TO DETERMIE ROCK CUTTABILITY
SUMMARY
Full face tunnel boring machines and partial face tunnel boring machines utilization for mining and civil project are increasing enourmously. Selection of correct mechanized excavator for a given rock media is very important for the success of the project. A great care must be taken for equipment selection and performance prediction in the project design phase.
Full scale linear rock cutting, small scale core cutting and University of Trondheim performance prediction model are widely accepted on the international tunneling society. Laboratory cutting tests are expensive, needs specialist, special equipments and may take long term to perform.
Therefore, a portable, easy to use, reliable, cost less than 10000 $ small scale rock cutting rig is developed in the scope of this research. The table of the rig is moved by a hydraulic cylinder powered by a hydraulic accumulator. Rock samples in 20x20x10 cm of size attached to the table with a special mechanism to cut the rock with a mini-disc, diameter of 13 cm and tip angle of 70°, and the forces acting on the mini-disc and specific energy to cut a unit volume of rock is measured. A force dynamometer equipped with strain gauges are developed in the scope of Tübitak Project No: MĐSAG-274, to measure the forces and a data acquisition system that can collect 1000 data in a second is chosen. Many calibration runs are performed to test the reliability of the data acquisition system, and it is proved that the results of the developed cutting rig are reliable and repeatable.
Rock cutting tests are carried out on 13 different rock samples with the full scale linear cutting rig and the developed portable rock cutting rig. A 13” constant cross section (CCS) disc cutter and mini disc is used for the cutting tests with full scale linear cutting rig.
Results from the full scale cutting rig 13” CCS with mini disc equipt developed rig are compared for 8 different rock samples for an unreleived 5 mm depth of cut. Normal and cutting forces are correlated and correlation coeffients are found to be 0.86 and 0.75 respectively. Disc cutting theories of Roxborough (for discs with an tip angle) and Rostami (for CCS discs) are applied for rock samples used in cutting tests. Trend lines of CCS and mini disk forces are identical to theoretical comparison of disc normal and cutting forces for CCS disc and V shaped disc.
The conical cutter results from previous studies on the full scale linear cutting rig are compared with the developed rock cutting rig results. Optimum specific energy values from releived cutting tests with Sandvik S35/80H cutter are plotted with the index specific energy values from developed cutting rig. Good correlation and 0.62 correlation coeffiicient is found between optimum SE of conical cutter and mini disc index SE values.
Developed portable rock cutting rig is still a prototype and needs further development for a better and more precise results. Rock fixing to moving table and adjusting the depth of cut mechanisims needs design improvements. For further studies more rocks with different mechanical properties must be utilized for cutting to extend the data set.
1. GĐRĐŞ VE AMAÇ
Madencilik ve inşaat sektöründe, yeraltı yapılarının önemi ülkemizde gün geçtikçe artmaktadır. Madenlerde hızlı ve yüksek üretim kapasitesini düşük maliyetlerle sağlamanın tek yolu mekanizasyona gidilmesidir. Mevcut mekanize kazı araçlarında kullanılan ileri teknoloji sayesinde mekanik kazıcılar çok aşındırıcı formasyonlar dışında hemen hemen tüm formasyonlarda kazı yapabilecek modellere sahiptirler. Ülkemizdeki madenlerde, kollu galeri açma makineleri ile kesici yükleyici tipinde mekanik kazı araçları kullanılmaktadır. Son yıllarda madenlerin dışında inşaat sektöründe, tünel açma işleri içinde mekanik kazıcılar daha sık kullanılmaya başlamıştır.
Yapılaşmanın yoğun olduğu yerlerde çevre etkilerin minimize edilmesi şartı mekanize kazıyı delme patlatmaya göre daha avantajlı hale getirmektedir. Mekanize kazının, delme patlatmaya karşı en büyük dezavantajı ilk yatırım maliyetinin yüksek olmasıdır. Fakat, açılacak tünelin uzunluğu ve ilerleme hızı, mekanize kazıyı ekonomik hale getirmektedir. Mekanize kazının, delme patlatmaya karşı en büyük üstünlüğü yüksek ilerleme hızıdır. Đstanbul metrosu, delme patlatma ve hidrolik kırıcı kullanılarak açılmıştır ve günlük ilerleme birkaç metre olarak gerçekleşmiştir. Đzmir Metrosunda ise tam cepheli tünel açma makinesi kullanılmış ve günlük ilerleme 22 m’ye kadar çıkmıştır.
Tünel açma projelerinde uygun kazı makinesi seçimi; kazı verimliliği, hızı ve maliyeti açısından önemlidir. Tünel açma makinelerinin seçiminde dikkat edilmesi gereken kriterleri, Uluslararası Kaya Mekaniği Cemiyeti (ISRM) aşağıda verilen kayaç özellikleri olarak tarif etmiştir [1].
a) Kayaçların dayanım özellikleri (Basınç, çekme,kesme dayanımı)
b) Kayaçların aşındırıcılık özellikleri (Cerchar, Schimazek aşındırıcılık testleri) c) Kırılganlık ve dayanım özellikleri (Shore scleroscope, koni delici, uç batırma,
e) Laboratuvarda yapılan kesme deneyleri
Makinenin, tünel açılacak formasyonların özelliklerine göre seçilmeme durumunda, makinenin tünelden çıkarıldığı veya makine performansının çok düşük olmasından dolayı, yüklenici firma ile işveren arasında hukuki sorunların yaşandığı durumlara rastlanmaktadır.
ISRM tarafından önerilen kriterlerden a, b ve c maddelerinde belirtilen kayaç özellikleri ile makine performansının tahmini için bir çok model geliştirilmiştir. Fakat, kayaç kazılabilirliğinin en gerçekçi tahmini, labovatuvar kesme deneyleri ile yapılabilmektedir. Günümüzde uluslararası alanda kabul görmüş deney setleri, tam boyutlu doğrusal kazı seti ve küçük boyutlu doğrusal kazı setidir.
Laboratuvar kesme deneylerinde metodoloji, kayacı özellikleri bilinen keski veya gerçek bir keski ile belirli kesme profilleri (kesme derinliği, keskiler arası mesafe) yaratacak şekilde kesmek ve bu esnada keskide oluşan kuvvetleri dinamometre ile ölçülmesi esasına dayanmaktadır. Bu deneylerle, elde edilen kesme kuvvetleri ve kesme hattı boyunca çıkan pasa hacmi ile birim hacimdeki kayayı kesmek için harcanan enerji (spesifik enerji) bulunur. Kesme kuvvetleri ve spesifik enerji kullanılarak, mevcut bir makine için kazılan formasyondaki optimum çalışma parametreleri veya deney yapılan formasyon için optimum kesici kafa dizaynı ve çalışma parametrelerini bulmak mümkündür.
Bu araştırmanın ana amacı, kayaç kazılabilirliğinin tayini için taşınabilir, ucuz ve kolay sonuca gidilen, bir cihaz geliştirebilmektir. Küçük ve tam boyutlu kazı seti hem çok pahalıdır, hem de kullanılması için özel eğitilmiş elemana ihtiyaç vardır. Küçük ve tam boyutlu kesme setlerinde daha önceki çalışmalarda kesme deneyleri yapılmış kayaçlar, geliştirilecek olan taşınabilir kazı seti ile kesilerek aralarında istatistik ilişkiler kurulacaktır. Geliştirilecek cihazın güvenilir ve tekrarlanabilir sonuçlar vermesi çok önemlidir. Bu amaçla mümkün olduğu kadar farklı dayanımlardaki kayaç numuneleri ile kesme deneyleri yapılmaya çalışılmıştır.
2. TAM CEPHELĐ VE KISMĐ CEPHELĐ TÜEL AÇMA MAKĐELERĐ
2.1 Tam Cepheli Tünel Açma Makineleri
Mekanize kazının, 1818’de Brunel’nin Thames nehrinin altından tünel açabilmek için geliştirdiği kalkana aldığı patent ile başladığı kabul edilebilir. Geliştirilen kalkanın ana amacı aynada ve gerisinde kalkan boyunca stabilitenin sağlanabilmesiydi. Kazı işlemini madenciler yapmaktaydı [2].
Kaya ortamında tünel açmak için geliştirilen ilk makine, 1881’de Đngiltere Folkstone’da kullanılmıştır. Bu makine dönen 2 kolu ve bu kollar üzerine monte edilmiş tırnakları ile kayayı kazmaya çalışmıştır [2]. 1884 senesinde Albay Beaumont Manş denizinin Fransız tarafında 2.14 metre çapında bir makine ile pilot tünel açmıştır [3].
1919 senesinde Norveçli Bohn tünel açma makinesi için patent almıştır. Bohn’un geliştirdiği makine dönen bir kesici kafaya monte edilmiş uçlarla aynada dairesel hatlar boyunca uçlar arasındaki kayaların kopması prensibi ile kazı yapmaktadır. Şekil 2.1’de Bohn’nun patentini aldığı kaya kazı makinesinin çizimi görülmektedir. [4]. Bu prensip günümüzde kullanılan tam cepheli tünel açma makinelerinin çalışması ile aynıdır.
Şekil 2.1 : Bohn’nun patentini aldığı kaya kazı makinesi [4]
Brunel kalkanından sonra makine dizaynında yeni fikirler ortaya atıldı ve patentleri alındı. Tam cepheli tünel açma makinelerinin gelişimindeki en büyük adım, 1956’da
J. Robbins’in disk keskileri kullanmasıdır, disk keskilerle kazı yapan ilk tam cepheli tünel açma makinesi Oahe baraj projesinde kullanılmıştır [5].
1950’lerden günümüze kaya ortamında tünel açan makinelerin dizaynında ve kazı prensibinde temel bir değişiklik olmamıştır. Makine imalatında kullanılan malzeme kalitesi arttıkça makinelerin, disk keski çapı, keski yatak mukavemeti, aynaya itme kuvveti, kesici kafa deviri ve kesici kafa tork değerinde artış olmuştur. Çizelge 2.1’de tam cepheli tünel açma makinelerinin özelliklerinin gelişimi verilmiştir [5]. Çizelge 2.1 : Tam cepheli tünel açma makinelerinin özelliklerinin gelişimi (3.5 metre
çapındaki çapındaki makine için) [5]
Yıl Keski Çapı
(mm)
Keskiler arası mesafe (mm)
Keski Başına Düşen Baskı Kuvveti (kN/keski)
Kesici Kafa Gücü (kW) 1956 280 68 55 250 1970 305 65 100 300 1980 394 67 190 600 1990 483 70 250 1350 2000 483 70 260 1350
Günümüzde kaya ortamında tam cepheli tünel açma makineleri basınç dayanımı yaklaşık 2500 kg/cm2 olan formasyonlara kadar ve 14 metre çapa kadar tünel açabilen makineler mevcuttur. Şekil 2.2’de tipik bir tam cepheli tünel açma makinesi görülmektedir.
Şekil 2.2 : Tam cepheli tünel açma makinesi [6]
Tam cepheli tünel açma makineleri kazı hızlarına örnek vermek gerekirse; 3.4 metre çapında tam cepheli bir tünel açma makinesı hareketli bant konveyor ile pasa nakli yaparak Çizelge 2.2’deki ilerleme hızlarına ulaşmıştır. Proje Avustralya’da
Katoomba – Hazelbrook arasında 13.4 kilometre uzunluğunda atık su tünelidir. Geçilen formasyonlar ortalama basınç dayanımı 40-50 MPa olan kumtaşlarıdır [7].
Çizelge 2.2 : 3.4 m çaplı tam boyutlu tünel açma makinesi performansı [7] Ortalama net kazı hızı 6.4 m/saat
Ortalama net ilerleme 253 m/hafta En iyi vardiya ilerlemesi 83 m En iyi günlük ilerleme 172.4 m En iyi haftalık ilerleme 703.4 m En iyi aylık ilerleme 2187 m 2.2 Kollu Galeri Açma Makineleri
Kollu galeri açma makineleri, madencilik ve inşaat sektöründe en çok kullanılan mekanize kazı makinesidir. Bu tip makineler zayıf ve orta sert kayaçlarda, problemsiz kazı yapılabilmektedir. Yeraltı maden işletmelerinde kollu galeri açma makineleri, düşük ilk yatırım maliyetleri, hareket esneklikleri ile, hem üretimde hem de hazırlık galerileri açılmasında kullanılmaktadır. Đnşaat sektöründe tünel geometrisi ve uzunluğunun uygun olduğu durumlarda geniş kullanım alanları bulmuştur.
Kollu galeri açma makineleri kesici kafa yapılarına göre dönme ekseni aynaya dik ve paralel olmak üzere 2 modele ayrılmaktadır. Şekil 2.3 ve 2.4’de tipik kollu galeri açma makineleri görülmektedir.
Şekil 2.4 : Dönme ekseni aynaya dik kesici kafalı kollu galeri açma makinesi [9] Kollu galeri açma makineleri masif formasyonlarda basınç dayanımının 500 – 1000 kg/cm2 olduğu yerlerde ve zayıf (süreksizliklerin fazla olduğu) formasyonlarda 1000 – 1500 kg/cm2 basınç dayanımı olan ortamlarda kazı yapabilmektedir.
3. TAM CEPHELĐ VE KISMĐ CEPHELĐ TÜEL AÇMA MAKĐELERĐ PERFORMAS TAHMĐ YÖTEMLERĐ
Tünel projelerinde, mekanize kazı makinesi seçimi ve performans tahmini, proje başarısı için hayati önem taşımaktadır. Makine seçiminde kazılacak formasyonun özellikleri, tünel kesiti geometrisi, tünel uzunluğu ve proje bitiş tarihi önemli kriterlerdir. Tam cepheli tünel açma makineleri büyük ilk yatırım maliyetlerine karşılık yüksek kazı hızları, araziyi örselemeden kazı yapmaları ve sert formasyonlarda çalışabilme özellikleri ile ekonomik kullanım alanları bulmaktadırlar. Kollu galeri açma makineleri, tam cepheli tünel açma makinelerine göre daha kısa tünel uzunluklarında ve daha zayıf formasyonlarda ekonomik kazı yapabilmektedir. Şekil 3.1’de Pakes G.’nin hazırladığı tünel maliyetine ve tünel uzunluğuna göre mekanize kazı makinelerinin ve delme–patlatmanın karşılaştırılması görülmektedir.
Şekil 3.1 : Tünel uzunluğuna göre mekanize kazı ile delme–patlatmanın
karşılaştırılmasıkarşılaştırılması [10]
Makine performansının, net kazı hızının, tahmin edilmesi müteahhit firmanın planlama ve maliyet hesapları yapması için çok büyük önem taşımaktadır. Çizelge 3.1’de kazı makinelerinin performansını etkileyen parametreler iki ana başlık altında verilmiştir [11]. Tünel uzunluğu (m) M al iy et / m
Tam cepheli tünel açma makinesi
Kısmi cepheli tünel açma makineleri Delme - Patlatma
Çizelge 3.1’de verilen makine ve jeolojik parametrelerin dışında operator, tünel içi çalışan ekibin tecrübesi ve organizasyonunda makine performansı üzerindeki etkisi büyüktür. Ayrıca havalandırma, tahkimat ve su atımı mekanize kazı makinelerinin performansında önemli yere sahiptir.
Çizelge 3.1 : Kazı makinelerinin performansını etkileyen parametreler [11] Makine Özelliklerine Bağlı Parametreler
Makine Özellikleri Makinenin tipi
Makinenin ağırlığı ve boyutları Pasa toplama ve taşıma kapasitesi Makinenin yaşı
Makinenin kurulu toplam gücü
Kesici Kafa Özellikleri Kesici kafanın tipi ve boyutu Kesici kafanın gücü
Keskilerin dağılımı ve sayısı Keski tipi ve özellikleri
Jeolojik Parametreler Kaya Kütlesi
Özellikleri Kaya kalite değeri (RQD)
Kaya kütlesi sınıflama sistemi (RMR) Jeolojik süreksizlikler
Hidrojeolojik durum
Kayacın Fiziksel ve Mekanik Özellikleri
Kaya kesme parametreleri (Spesifik enerji, kesme kuvvetleri)
Dayanım özellikleri (Basınç ve çekme dayanımı, kohezyon, elastik değeri) Yüzey sertliği (Shore ve Schmidt çekici değeri)
Kaya dokusu (Porozite, kuvars içeriği, mikroçatlaklar ve tane boyutu)
Aşındırıcılığı (Cerchar değeri) Sismik özellikler (P ve S dalgası) Diğer özellikler (Yoğunluk, nem oranı)
3.1 Tam Cepheli Tünel Açma Makinelerinin Performans Tahmini Đçin Geliştirilen Ampirik Modeller
Geçmişte, tam cepheli tünel açma makinelerinin performans tahminleri için, bir çok model geliştirilmiştir. Bu modellerin çoğu sadece net kazı hızının tahmin edilmesine yönelik geliştirilmiştir. Tam cepheli tünel açma makineleri için geliştirilen modellerin bazıları aşağıda anlatılmıştır:
Tarkoy, Schmidt çekici değeri ile kayaç aşındırıcılığına bağlı olarak net kazı hızının tahmini için bir model geliştirmiştir [12]. Bu modelin en büyük dezavantajı tam cepheli tünel açma makinelerinde performansı üzerinde çok büyük etkisi olan kaya kütlesi özelliklerini ve kazıcı makine özelliklerini dikkate almaması olmuştur.
Graham, geliştirdiği modelde net kazı hızını keski başına düşen baskı (normal) kuvvet, kesici kafa deviri, formasyondan alınan kayaç numunesinin laboratuvar basınç dayanımına göre formüle etmiştir [13]. Modelde kaya kütlesindeki süreksizlikler ve keski parametreleri dikkate alınmamıştır.
Roxborough ve Phillips, kazı hızının tahmini için tünel çapı, keski başına düşen baskı (normal) kuvveti, kayaç basınç dayanımı ve keski uç açısını dikkate alarak bir model geliştirmişlerdir [14]. Bu model Graham’in geliştirdiği modele benzemektedir, fakat keski uç açısı dahil edilmiştir. Geliştirilen modelin geçerli olabileceği kayaç özellikleri iyi tanımlanmıştır.
Farmer ve Glossop, 8 farklı projeden topladıkları makine performans verileri ile ortalama kesme kuvveti ve kayaç çekme dayanımını kullanarak net kazı hızını formülize etmişlerdir [15]. Kaya kütlesi özellikleri ve keski özellikleri dikkate alınmamıştır.
Bamford, net kazı hızını Schmidt çekici değeri, toplam baskı kuvveti, konik delici ve içsel sürtünme açısı ile modellemiştir [16]. Bu model için sadece 1 tünel projesinden veri toplanmıştır, modelin diğer formasyonlar için geçerli olduğu belirsizdir.
Hughes, Graham modeline benzer bir model geliştirmiştir. Net kazı hızını tahmin edebilmek için keski başına düşen baskı kuvveti, laboratuvar basınç dayanımı ve kesici kafa devirini dikkate almıştır. Ayrıca modelde disk keski sayısı ve keski çapı da kullanılmıştır [17]. Kaya kütlesi özellikleri modelde yer almamaktadır.
özelliklerinin tayini için yeni deneyler geliştirmişlerdir. Geliştirilen diğer modellere göre kayaç özellikleri, kaya kütlesi özellikleri ve makine özellikleri, en çok bu modelde kullanılmıştır. Kayacın delinmeye karşı gösterdiği dayanımı Drilling Rate Index (DRI) olarak geliştirilen bir deney ile elde etmişlerdir. Kayacın kırılganlık ve aşındırıcılığının tespiti içinde deneyler geliştirilmiştir. Makine özelliklerinden keski başına düşen baskı kuvveti, keski yapısı, keski çapı, keskiler arası mesafe, tork ve devir sayısı kullanılmıştır. Modelin kullanımında geliştirilen grafikler yardımı ile değerlerin bulunması mümkündür [18]. Modelde kullanılmak için veri üretilecek olan deney aletleri, özel ve uzmanlık isteyen ve her yerde bulunamayacak özelliktedir.
Tam cepheli tünel açma makineleri performans tahmini için bir çok model geliştirilmiştir. Bu modellerden hiç biri evrensel bir çözüm sunamamaktadır. Trondheim Üniversitesi, performans modeli ve tam boyutlu kesme deneyleri, uluslararası alanda kabul görmüş çalışmalardır. Fakat iki yöntem de pahalı, özel ekipmanlar ve uzman kadrolar gerektirmektedir.
3.2 Kısmi Cepheli Tünel Açma Makinelerinin Performans Tahmini Đçin Geliştirilen Ampirik Modeller
Performans tahmini yapabilmek için araştırmacılar, yerinde performans ölçümleri yaparak, jeolojik veriler toplayarak ve laboratuvar deneyleri ile kayaç özelliklerini tayin ederek değişik modeller geliştirilmiştir. Bu modellerden bazıları aşağıda anlatılmıştır:
Bilgin ve arkadaşları, kalkanlı kollu galeri açma makinelerinin performanslarını ve kaya kütlesi özelliklerini yerinde incelemişlerdir. Saha çalışmaları ile elde edilen RQD değerleri, formasyonlardan alınan numunelerin, tek eksenli basınç dayanımları ve makine kesme gücü ile kazı hızını, tahmin edebilmek için regresyon analizi yapılmıştır. Yapılan çalışmada kaya kütlesi kazılabilirlik indeksi tanımlanmış ve 3.1 ve 3.2’deki eşitliklerde verilmiştir [19]. Geliştirilen model yapılacak arazi çalışmaları ile kalkansız kollu galeri açma makineleri içinde genişletilebilir.
RMCI =
σ
c x 100 3 / 2 RQD (3.1)RMCI = Kaya kütlesi kazılabilirlik indeksi RQD = Kaya kalite değeri %
σ
c = Tek eksenli basınç dayanımı, kg/cm2P = Kesici kafa kesme gücü, HP
Thuro ve arkadaşları, tek eksenli basınç dayanımı ile arazide performansını kaydettikleri 132 kW gücündeki bir kollu galeri açma makinesinin, ilerleme hızını tahmin etmek istemiştir. Yapılan istatistik çalışmada 3.3’deki bağıntı bulunmuştur. Daha sonra tek eksenli basınç dayanımı deneyinden elde edilen yük – deformasyon eğrisinin altında kalan alan spesifik kırılma enerjisi olarak tanımlanmıştır. Spesifik kırılma enerji ile ilerleme hızı arasında basınç dayanımı – ilerleme hızı ilişkisinden daha iyi korelasyon bulunmuştur (Eşitlik 3.4) [20].
Đlerleme hızı (m3/saat) = 75.7 – ln(
σ
c) (3.3) Đlerleme hızı (m3/saat) = 107.6 – 19.5 x ln(Wz) (3.4)σ
c = Basınç dayanımı, MPaWz = Yük-deformasyon eğrisi altında kalan alan, spesifik kırılma enerjisi, kJ/m3
3.3 nolu eşitlikte korelasyon katsayısı (R2) 0.62, 3.4 nolu eşitlikte ise korelasyon katsayısı (R2) 0.89 değerine yükselmiştir. Geliştirilen eşitlikler sadece bir kollu galeri açma makinesinin çalışması sırasında toplanan 26 numune ile oluşturulmuştur. Farklı kesme gücünde makineler için ve kaya kütle özelliklerini içerecek şekilde geliştirilmeye açıktır.
Bölüm 3.3.2’de anlatılan küçük boyutlu kesme deneyleri, McFeat-Smith ve R.J.Fowell tarafından geliştirilen sınıflama sistemi, uluslararası alanda kabul görmüştür. Ayrıca, tam boyutlu kesme deney setinde kalem uçlu keskiler kullanılarak, belirli bir formasyon için, kollu galeri açma makinelerinin kesici kafa dizaynı ve performanslarını en gerçekçi şekilde belirlemek mümkündür.
3.3 Performans Tahmini Đçin Kullanılan Laboratuvar Kesme Deneyleri
3.3.1 Tam boyutlu doğrusal kesme deneyleri
Tam boyutlu doğrusal kesme deney setinde, kaya blokları gerçek keskiler ile laboratuvar ortamında kesilebilmektedir. Deney seti, kesme derinliği ve keskiler arası mesafenin değiştirilmesine olanak sağlayarak, farklı kesme profilleri elde etmeyi mümkün kılar.
Tünel açma makinelerinin performansını tahmin etmek için, aşağıdaki parametreler tam boyutlu doğrusal kesme deneyleri ile elde edilir [21]. Şekil 3.2’de kesme esnasında keskiye etki eden kuvvetler ve kesme profili gösterilmiştir.
• s : Keskiler arası mesafe • d : Kesme derinliği
• FR : Ortalama yuvarlanma kuvveti • FN : Ortalama (baskı) normal kuvvet • FR’ : Maksimum yuvarlanma kuvveti • FN’ : Maksimum normal kuvvet • SE : Spesifik enerji
Mekanize kazının veriminin tayini için, en önemli parametre kesme deneyleri ile elde edilen spesifik enerjidir. Spesifik enerji (SE), birim hacimdeki kayayı kesmek için harcanan enerji olarak tarif edilir ve birimi MJ/m3 veya kwh/m3’dür. Kesme deneyleri ile elde edilen ortalama kesme kuvveti, birim kazı hattı boyunca çıkan pasa miktarına bölünerek, spesifik enerji bulunmaktadır. Spesifik enerji, kesme verimi ile ters orantılıdır, yüksek spesifik enerji değerleri, düşük kazı verimini işaret eder.
Şekil 3.2 : Kesme esnasında bir disk keskiye etki eden kuvvetler
Şekil 3.3’de kesme profili sonucu oluşan köprüler ve kesme profilini, matematiksel olarak en iyi ifade eden keskiler arası mesafenin kesme derinliğine oranı (s / d, birimsiz) ile spesifik enerjinin değişimi çizilmiştir. Bu grafik, optimum spesifik enerji değerini belirgin bir şekilde göstermektedir. Grafik üzerinde A ile gösterilen durumda keskiler birbirine yakın olduğu için aşırı sökülme ve kayacı parçalama durumu söz konusudur. Keskiler arası mesafenin fazla olduğu durumda keskiler arası etkileşim olmamakta ve köprü oluşmamaktadır (C noktası, yardımsız kazı modu). Optimum spesifik enerjinin oluştuğu noktada (B noktası, yardımlı kazı modu) minimum enerji ile maksimum kazı yapılmaktadır. Kazı makinelerinin kesici kafa dizaynları ve operasyonel parametreleri makineleri, hep optimum spesifik enerjiye yakın durumda çalışmasına olanak verecek şekilde olmalıdır.
Colorado School of Mines’da Özdemir L.’nin başkanlığında geliştirilen tam boyutlu doğrusal kesme deney seti ile, elde edilen spesifik enerji; net kazı hızı, makine kesme gücü ve spesifik enerji arasındaki ilişki, eşitlik 3.5’ de verilmiştir [22]. Kesici kafa gücünün bilindiği bir mekanize kazı makinesi için, eşitlik 3.5’i kullanarak net kazı hızını bulmak mümkündür.
s = keskiler arası mesafe d = kesme derinliği FR = Yuvarlanma kuvveti FN = Baskı (normal) kuvveti FS = Yanal kuvvet FN FS FR s d
Şekil 3.3 : Kesme profili sonucu spesifik enerjinin değişimi
Colorado School of Mines’da Özdemir L.’nin başkanlığında geliştirilen tam boyutlu doğrusal kesme deney seti ile, elde edilen spesifik enerji; net kazı hızı, makine kesme gücü ve spesifik enerji arasındaki ilişki, eşitlik 3.5’ de verilmiştir [22]. Kesici kafa
Keskiler arası mesafe az, aşırı sökülme, verimsiz kazı Aşırı sökülme ve ezilme
Köprü oluşumu
Keskiler arası mesafe fazla, etkileşim yok, verimsiz kazı Optimum keskiler arası mesafe, verimli kazı
Soptimum Optimum köprü oluşumu A C B A B C s / d Spesifik Enerji SEopt (s / d)opt s/d
gücünün bilindiği bir mekanize kazı makinesi için, eşitlik 3.5’i kullanarak net kazı hızını bulmak mümkündür.
Net Kazı Hızı (m3/saat) = SE
P
kx (3.5)
k = Kesici kafa gücünün aynaya iletilme oranı, birimsiz P = Kesici kafa gücü, kW
SE = Spesifik enerji, kWh/m3
3.5 nolu eşitlikteki k katsayısı, makine tipine ve kaya kütlesi özelliklerine göre değişiklikler göstermektedir ve Colorado School of Mines’da yapılan araştırmalarda kollu galeri açma makineleri için k değerinin 0.45 – 0.55, tam cepheli tünel açma makineleri için 0.85 – 0.90 arasında değiştiği bildirilmiştir [22].
Tam boyutlu doğrusal kesme deney sonuçları ile, kesilen kayaç ortamında dizayn edilmiş bir tüneli açacak tam cepheli tünel açma makinesi için olması gereken makine kesici kafa gücü, tork ve aynaya itme kuvvetini hesaplamak mümkündür (Eşitlik 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10) [21].
Keski adedinin hesaplanması,
Köse TBM C S D = + . 2 (3.6) Nc = Kesici kafadaki keski adedi
DTBM = Kesici kafanın çapı (mm)
S = Optimum keskiler arası mesafe (mm)
Nköşe = Kesici kafadaki köşe keski sayısı (5 – 10)
Kesici kafa devirinin hesaplanması,
TBM D V RPM . π = (3.7)
RPM = Kesici kafanın dakikadaki devir sayısı
V = Seçilen disk çapına göre kabul edilebilir disk keski hızı (m/dak.) DTBM = Kesici kafanın çapı (m)
2 ). 54 . 0 .( . . R TBM L C F D f T = (3.8) T = Tork (kNm)
FR = Keski başına ortalama yuvarlanma kuvveti (kN) DTBM = Kesici kafanın çapı (m)
0.54 = Ortalama kuvvet moment kolu FL = Sürtünme kayıpları
Makine kesici kafa güç hesabı, T
RPM
P=2.π. . (3.9) P = Makine kesici kafa gücü (kW)
T = Tork (kNm)
RPM = Kesici kafanın bir dakikadaki dönüş hızı Makine toplam itme kuvveti,
L C F f
FT = . . (3.10) FT= Toplam itme kuvveti (kN)
Nc = Toplam disk sayısı
FN = Optimum koşulda elde edilen normal kuvvet (kN)
fL = Sürtünme kayıpları
Makine kesici kafa gücü hesaplandıktan sonra, tam boyutlu doğrusal kesme deneyleri ile elde edilen optimum spesifik enerji değeri, eşitlik 3.5’de kullanılarak net kazı hızını bulmak mümkündür. Eşitlik 3.9’da hesaplanan itme kuvveti, operator tarafından uygulandığı taktirde tam cepheli tünel açması optimum koşullarda kazı yapacaktır.
Tam boyutlu kesme deneyleri kayaç kazılabilirliğinin tayininde, tam cepheli tünel makineleri ve kollu galeri açma makineleri için, güvenilir ve kesin sonuçlar vermektedir. Tam boyutlu kesme deneylerinin dezavantajı sayılabilecek yönleri büyük boyutlu numune ihtiyacı, çok pahalı bir deney seti olması nedeniyle dünyada sayılı olması ve deneylerin yapılışında verilerin analizinin uzmanlık gerektirmesidir.
3.3.2 Küçük boyutlu kazı seti ile karot kesme deneyleri
Küçük boyutlu kesme deneyi, kayaçların kazılabilirliğinin tayini için McFeat-Smith ve R.J.Fowell tarafından geliştirilmiş standart bir laboratuvar deneyidir [23].
Küçük boyutlu kesme deneylerinde 7.6 cm çapında karot veya 20 cm x 10 cm x 10 cm boyutlarında numune kullanılmaktadır. Numune sabitlendikten sonra kesme açısı –50, temizleme açısı 50 ve genişliği 12.7 mm olan kama uçlu keski ile, 5 mm kesme derinliğinden kesilir [23]. Kesme sırasında oluşan kuvvetler birim deformasyon ölçer ile donatılmış dinamometre ile bilgisayara kayıt edilir. Küçük boyutlu kesme deneylerinde kullanılan veri toplama seti, tam boyutlu kesme deney setinde kullanılan ile aynıdır. Kayıt edilen kesme kuvvetlerinin ortalaması, birim kesme hattından çıkan pasa mıiktarına bölünerek, spesifik enerji bulunur. Şekil 3.4’da küçük boyutlu kesme deneyinin yapılışı verilmiştir.
Laboratuvarda bulunan spesifik enerji değerleri ile, yerinde net kazı hızı arasında, McFeat-Smith ve R. J. Fowell tarafından geliştirilmiş bir ilişki vardır. Ayrıca bahsi geçen araştırmacılar, laboratuvarda ölçülen spesifik enerjiye göre masif çatlak aralığı geniş formasyonlarda kullanılabilecek kollu galeri açma makinelerinin tiplerini ve karşılaşılabilecek problemleri belirten bir sınıflama sistemi geliştirmişlerdir. [24] Geliştirilen sınıflama sistemi Çizelge 3.2 ve 3.3’de verilmiştir.
Şekil 3.4 : Küçük boyutlu kesme deney setinde karot numunesinin kesilmesi [24] FC FN 50 5 mm 12.7 mm θ θ
Çizelge 3.2 : Orta ağırlıktaki kollu galeri açma makinelerinin laboratuvar spesifik enerji değerine göre seçilmesi [24]
Spesifik Enerji (MJ/m3)
Orta Ağırlıktaki Kollu Galeri Açma Makinelerinin Kullanılabilirliği
20
Aynada 0,3 m ve daha ince tabakalar halinde kaya kütlesi var ise makine ekonomik kazı yapabilir. Titreşimlerin fazla olmasından makine parçaları çabuk aşınır.
15
Kalem keskiler ve düşük hızlı kesme uygundur. Kesme verimi iyi değildir. Saatte 5 m3 kazı imkanı vardır.
12
Makine kazı hızı 9-10 m3/saat, kazı verimi orta – iyi olacak şekilde değişir. Aşındırıcı formasyonlarda keski değişimine dikkat edilmedilir.
8
Makine kazı hızı 10-12 m3/saat, kazı verimi orta – iyi olacak şekilde değişir. Aşındırıcı formasyonlarda keski değişimine dikkat edilmedilir.
5 En kolay kazının yapılabileceği formasyondur. Kazı hızı 20 m3/saat’e kadar çıkabilir.
Çizelge 3.3 : Ağır kollu galeri açma makinelerinin laboratuvar spesifik enerji değerine göre seçilmesi [24]
Spesifik Enerji (MJ/m3)
Ağır Kollu Galeri Açma Makinelerinin Kullanılabilirliği
32
Aynada ince tabakalar halinde kaya kütlesi var ise makine kazı yapabilir. Kazı verimi düşük ve keski sarfiyatının fazla olması beklenir.
25
Ayna masif ise kesme verimi düşüktür. Kalem keskiler ve düşük hızlı kesme uygundur. Kesme verimi iyi değildir. 9-10 m3/saat kazı hızına ulaşılabilir.
17
Makine kazı hızı 12-13 m3/saat, kazı verimi orta – iyi olacak şekilde değişir. Aşındırıcı formasyonlarda keski değişimine dikkat edilmedilir.
8
Makine kazı hızı 30 m3/saat’e ulaşabilir.
Çamurtaşlarında kesme işleminden çok riperleme gerçekleşmektedir.
Küçük boyutlu kesme deneyi uluslararası alanda kabul görmüş bir kesme deneyidir. En büyük avantajı karot numunelerine uygulanabilmesidir, fakat deneyin yapılması, verilerin analizi uzmanlık gerektirmektedir. Ayrıca küçük boyutlu kesme deney seti ile, sadece roadheader tipi mekanik kazıcılar için tahmin yapmak mümkündür.
4. DĐSK KESKĐLER VE KOĐK KESKĐLER ĐÇĐ KESME TEORĐLERĐ
4.1 Disk Keski Teorileri
Disk keskilerin, kayacı belirli bir kesme derinliğinde kesebilmesi için, keskiyi kayaca doğru bastırma ve yuvarlanmasını sağlacak bir hareket gereklidir. Disk keskinin kayacı kesmesi esnasında uygulanan baskı kuvveti (normal kuvvet) ve diskin kesme hattı boyunca kendi ekseni etrafında dönmesini sağlayan yuvarlama kuvveti yapılan çalışmalarla matematiksel olarak ifade edilmeye çalışılmıştır. Disk keskilerde normal kuvvet keskinin kayaç ile temas ettiği yüzeyde basınç bölgesi oluşturmaktadır. Disk keski altındaki basınçla oluşan çekme çatlakları, disk keski ucundan serbest yüzeye veya takip eden disk keskinin oluşturduğu çekme çatlakları ile buluştuğunda kayaç kopmakta (köprü oluşumu) ve kazı işlemi gerçekleşmektedir. Şekil 4.1’de basınç zonu, Şekil 4.2’de kesme esnasında disk keskiye gelen kuvvetler gösterilmiştir.
Şekil 4.1 : Disk keski altındaki basınç zonu [25]
Keski Ezilme zonu Çekme kırıkları Geçiş zonu Orta çatlak Basınç zonu Yanda azalan basınç
Şekil 4.2 : Disk keskiye gelen kuvvetlerin şematik gösterimi [25]
Roxborough ve Phillips, V uçlu disk keskiler için normal ve yanal kuvvetlerin hesabında bir model geliştirmişlerdir. Teorilerinin temeli belirli bir kesme derinliğinde kayacı kesebilmek için gerekli normal kuvvetin bulunmasıdır. Normal kuvveti, kayacın basınç dayanımı ve disk keskinin kayaya temas yüzeyini A, kullanarak hesaplamışlardır [26]. Matematiksel ifadeyi oluştururken Şekil 4.3’te görülen geometrik yaklaşımı kullanmışlardır.
Şekil 4.3 : Disk keskinin ilerlemesinin geometrisi [26]
Kesme hattı boyunca disk ile kayaç temas uzunluğu disk çapı ve kesme derinliği ile ifade edilmiştir (4.1). Temas yüzeyinin alanı için disk uç açısı da kullanılmıştır (4.2).
2 . 2 D p p l= − (4.1) = 2 tan . . . 2 pl φ A (4.2) D/2 FL F FN/2 FN l p A φ l s Disk
ekseni Disk dönüş yönü
Yanal kuvvet (FS) Normal kuvvet (FN) Kesme kuvveti (FR)
Yukarıda tarif edilen eşitliklerin hesabından yola çıkarak ta FN’yi aşağıdaki eşitlikle belirlemişlerdir. 2 2 tan . . 4 p Dp p F = σC φ − , (kN) (4.3)
Yuvarlanma kuvvetinin hesabında ise FN ile FR arasındaki geometrik ilişki kullanılmıştır. p p D F F R = − (4.4) 2 tan 4σ p2 φ FR = C (kN) (4.5)
Rostami, günümüz tam cepheli tünel açma makinelerinde kullanılan sabit kesitli disk keskilere etkiyen kesme kuvvetlerini bulmak için keski altında oluşan basınç alanından faydalanmıştır. Disk keski altında kalan basınç alanı ve kesme kuvvetlerinin geometrisi Şekil 4.4’de gösterilmiştir [27].
Eşitlik 4.6’da P dışındaki bütün değişkenler bilinmektedir. P ise kesme geometrisi (keskiler arası mesafe ve batma derinliği) ve kaya özelliklerinin (UCS ve BTS) bir fonksiyonudur. Basınç zonu için genel bir çözüm bulunamamıştır, sadece doğrusal kazı seti kullanılarak tanımlamaları yapılabilmiştir [27].
1 . . . + =
ψ
γ
T R P FT (4.6) Burada;P = Yüzeye uygulanan basınç (psi) R = Disk keski yarıçapı (in) = D/2 T = Keski ucu kalınlığı
ψ = CCS tip keskiler için ψ değeri sıfıra yakındır ve artan keski ağzı genişliği ile azalır. V tip keskiler için bu değer 1 civarındadır.
− = − R p R 1 cos
γ
R = Disk keski yarıçapı (in) = D/2 p = Kesme derinliği (in)
Şekil 4.4 : Disk keski altında altında oluşan basınç alanı [27]
Rostami, disk keski altındaki basıncı tahmin etmek için aşağıdaki eşitliği önermiştir. Bu çalışma Colorado School of Mines da bulunan EMI deki doğrusal kazı seti veri bankasındaki değerlerden elde edilmiştir [28].
3 2 . . . . . T R S C P C T
γ
σ
σ
= (4.7) Burada; C = Katsayı ≈ 2.12S =Keskiler arası mesafe (in) σc = Tek eksenli basınç dayanımı
σt = Çekme dayanımı
Disk keski altında kalan basıncın bilinmesiyle, aşağıdaki formülasyon kullanılarak, disk keskiye gelen FN ve FR kuvvetleri hesaplanabilir.
= 2 cos
γ
T F F , lbf (4.8) = 2 sinγ
T R F F , lbf (4.9) Burada; FN = Normal kuvvet FR = Yuvarlanma kuvveti Keski ağzı Normal koordinatlar Kaya yüzeyi Tepki kuvveti Yarıçap = R x y R-p P= Kesme derinliği P’ φ β α X’ Ft γ' Fx’ Fy’ Kuvvet bileşenleri Ft γ γ − = − R p R 1 cos
γ
4.2 Kalem Keski Teorileri
Kalem keskilerle ilgili ilk teori Lundberg tarafindan 1974 yılında yayınlanmıştır. Lundberg’e göre kalem keski ile kayaç basınç dayanımının yenilmesi sonucu kırılmaktadır. Kesme kuvveti matematiksel olarak formül 4.10 ve 4.11’de verilmiştir. [29] Ψ = Arctg( ( Cotg (α / 2) )1/3 - )Tg (α / 2))1/3 ) (4.10) ) ( ) ( . 2 ). ( ). 1 ( 2 2 kgf Cos Sin Cos Sin Sin d F C S
ψ
α
ψ
ψ
ϕ
θ
φ
σ
+ + − = (4.11) α = θ + ΦS + λ α < π /2Ψ = Kırılma çatlağı ile yüzey arasındaki açı (o) λ = Đçsel sürtünme açısı (o)
θ = Keski tepe açısı / 2 (o)
ΦS = Kayaç ile keski arasındaki sürtünme açısı (o)
σc = Tek eksenli basınç dayanımı (kg/cm2)
Evans 1984 yılında kalem keskilerle ilgili teorisini yayınlamıştır. Evans’a göre, kesme kuvveti çekme dayanımı ve kesme derinliğinin karesi ile doğru orantılı, basınç dayanımı ile ters orantılıdır. [30]
) ( . . . . 16 2 2 2 kgf Cos d F C t C
σ
φ
σ
π
= (4.12) FC = Kesme kuvveti (kgf) σt = Çekme dayanımı (kg/cm2)σc = Tek eksenli basınç dayanımı (kg/cm2)
d = Kesme derinliği (cm) Φ = Keski uç açısı /2 (o)
5. GELĐŞTĐRĐLE TAŞIABĐLĐR KAZI SETĐ TASARIMI VE ĐMALATI
Kazı seti Hidrokraft A.Ş. yetkilisi Yüksek Makine Mühendisi Ergin Ertan’ın yardım ve desteği ile tasarlanmış ve imal edilmiştir. Taşınabilir kazı seti, 20 x 10 x 10 cm boyutlarındaki kaya numunelerini, 13 cm çapında bir disk keski ile, kesmeye imkan verir. Keski pozisyonu sabittir, kesme derinliği numunenin kasaya yerleştirilmesi ile ayarlanır. Deney aletinde kayayı keskiye doğru hareket ettirmek için bir hidrolik piston bulunmaktadır.
Đlk tasarımda keskiye gelen yuvarlanma kuvvetinin ölçülmesi için, hareketli tablayı keskiye doğru hareket ettiren pistonun yağ basıncı ölçülerek kesme kuvvetinin bulunması düşünülmüştür. Yağ basıncını ölçmek için yerleştirilen elektronik basınç ölçeri bilgisayara bağlayarak kesme esnasında pistonu hareket ettiren yağın basınç değişimi kayıt edilmiştir. Fakat basit ve uygulama kolaylığı için seçilen bu yöntemin, kesme kuvvetlerinin hassas bir şekilde ölçülmesi için yeterli olmadığı gözlenmiştir. Kesme kuvvetlerinin güvenilir ve tekrarlanabilir ölçülebilmesi için 3 eksenli dinamometre yapılmasına karar verilmiştir. Geliştirilen taşınabilir kazı seti dinamometre ve ölçme sistemi Bölüm 5.2’de anlatılmıştır. Kazı seti kesme esnasında diske etkiyen normal kuvvet yönünde 5 ton yükü alabilecek şekilde tasarımlandırılmıştır.
Hidrolik sistemde bir elektrik motoru ve yağın sıkıştırıldığı bir hidrolik akü vardır. Sistem temel prensip olarak, hidrolik akünün belirli bir basınca kadar doldurulması ve depolanan bu enerjinin kayayı keskiye doğru itmesinde kullanmaya dayanır. Hidrolik aküyü kazı setinde bulunan hidrolik el krikosu ile doldurmak mümkündür. Elektriğin olduğu durumda Start düğmesine basılarak çalışan elektrik motoru hidrolik aküdeki yağ basıncını kısa sürede 80 bar’a yükseltir. Hidrolik sistemde bulunan basınç şalteri 80 bar basınca ayarlıdır. Böylece sistemdeki basınç 80 bar’a ulaştığında elektrik motorunu durdurur.
Hidrolik akü doldurulduktan sonra hareket kolunu ileri pozisyona getirerek deneye başlanır. Deneye başlandığı andan itibaren hidrolik aküde depolanan enerji kullanılır.
Deney için hidrolik akü’de depolanan enerji kullanılabildiği gibi hidrolik aküyü doldurmak için kullanılan hidrolik pompada tek başına kayayı keskiye doğru itmek için kullanılabilir. Şekil 5.1’de geliştirilen taşınabilir kazı seti görülmektedir. Şekil 5.2’de imal edilen kazı setinin hidrolik sisteminin şeması verilmiştir.
Şekil 5.1 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti Basınç Şalteri Dişli Pompa Hidrolik Akü Hareket Kolu Disk Keski Dijital Gösterge
1 - M o n o fa ze M o to r, 0 .3 7 k W , 1 4 2 0 d /d 2 - D iş li P o m p a, 1 .3 c c/ d ev ir 3 - E l P o m p as ı 4 - M an o m et re , 1 6 0 B ar 5 - B as ın ç Ş al te ri 6 - K ü re se l V an a 7 - H id ro li k A k ü 8 - B as ın ç E m n iy et V al fi 9 - Y o l V al fi 1 0 - M o d ü le r H ız A y ar V al fi 1 1 - M an o m et re , 1 6 0 B ar 1 2 - B as ın ç Ö lç er 1 3 - H id ro li k S il in d ir Ǿ 5 0 , Ǿ 2 8 x 4 0 0 Ş ek il 5 .2 : G el iş ti ri le n t aş ın ab il ir k az ı se ti h id ro li k ş em as ı 2 7 1 1 1 2 1 3 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K u ll aı m A la n ı T o le ra n s Y ü ze y K al it es i M al ze m e : A ğ ır lı k : Ö lç ek :
5.1 Geliştirilen Taşınabilir Kazı Setinin Teknik Özellikleri
Taşınabilir kazı setinin teknik özellikleri aşağıda verilmiştir. • Hidrolik Akü Özellikleri
Toplam Hacim : 2.5 litre Ön dolum Basıncı : 20 bar Pmax : 160 bar
• Đtme Pistonu Özellikleri Piston Çapı : 2.5 cm Piston Kesit Alanı : 20 cm2
Maksimum itme kuvveti 160 bar basınçda 3200 kgf olur. • Elektrik Motoru Özellikleri
Besleme Voltajı : 220 V Gerilim : 3.2 A
Güç : 0.37 kw
• Hidrolik Pompa Özellikleri Dişli Pompa Pmax : 250 bar
Kapasite : 1.3 cm3/devir • Basınç Şalteri Özellikleri
320 bar kapasiteli 80 bar’a ayarlanmış durumda, hidrolik sistemin maksimum basıncını kontrol eder. Elektrik motorunu sistem basıncı 80 bar’ı geçtiğinde durdurur.
• Elektronik Basınç Ölçer Özellikleri
160 bar kapasiteli, 4-20mA analog çıkışlı, kafa tipi çevirici ile, sinyal çıkışı 2-10 volt aralığına getirilerek, doğrusal kazı seti veri iletişim sistemine bağlanarak veri toplamak mümkündür.
• Keski Özellikleri Keski Uç Açısı : 700 Keski Çapı : 130 mm
Keskinin Sertliği : HRC 56 (Takım Çeliği), Malzeme Kodu 2379
Geliştirilen taşınabilir kazı seti için, imal edilen mini diskler Şekil 5.3’de görülmektedir.
Şekil 5.3 : Geliştirilen taşınabilir kazı seti için imal edilen mini disk keskiler
5.2 Geliştirilen Taşınabilir Kazı Setinin Ölçme Sistemi
Ölçme sistemi, TÜBĐTAK Proje No: MĐSAG-274 kapsamında Yrd.Doc.Dr. Cemal BALCI tarafından geliştirilmiştir. Mini diskin kayayı kesmesi sırasında oluşan 3 yöndeki kuvvetlerin istenilen hassaslıkta güvenilir ölçülebilmesi için birim deformasyon ölçerler kullanılarak bir dinamometre tasarlanmıştır. 2 tonluk kuvvetleri ölçebilecek kapasitedeki dinamometre dizayn edilmiştir, dinamometre Şekil 5.4‘de görülmektedir [31].
Şekil 5.4 : Dinamometrenin genel görünüşü ve montajı
Dinamometrenin yapımında kullanılan malzeme, 5083 alüminyum serisi olup fiziksel ve mekanik özellikleri Çizelge 5.1’de verilmiştir. Ölçme kirişlerinin hassasiyeti ± 0.02 mm toleransla işlenmiştir. [31]
Çizelge 5.1 : Dinamometrenin yapımında kullanılan alüminyum malzemenin özellikleri [31]
Birincil Alüminyum Alaşımı 5083
Kimyasal Bileşimi ALMG 4.5 MN
Standart -AFNOR A-G 4.5 MC-UNI 7790-BS N8
Gerilim Gücü (RM) min 275 N/mm²
Akma Dayanıklığı (Rp 0.2) min 125 N/mm²
Uzama (A5%) max 17
Brinel Sertlik HB min 70
Isı Đletkenliği 110-120 W/M* K
Elektrik Đletkenliği 17 M/OHM-mm²
Elastisite Modülü 71.000 N/mm²
Lineer Isıl Genleşme 23.8 * 10-6/K
Đşlenebilirlik Orta
Kaynak Edilebilirlik Yüksek
Cilalama Düşük
Paslanmaya Direnç Yüksek
Günümüzde gelişen teknoloji sayesinde, çok daha hassas ve iyi sonuçlar veren birim deformasyon ölçerler üretilmektedir. Birim deformasyon ölçer seçiminde dikkat edilmesi gereken özellikler aşağıda verilmiştir:
• Kalibrasyon sabiti sıcaklık ve zamanla değişmemelidir.
• Birim uzama ve kısalma 1x10-6 hassasiyeti ile ölçülebilmelidir. • Noktasal ölçme yapılabilmelidir.
• Dinamik ve statik ölçme yapılabilmelidir. • Ekonomik olmalıdır.
• Ölçümler kolay olmalıdır.
• Birim deformasyon ölçer cevabı uygulanan yüke karşılık, doğrusal olmalıdır.
• Hassas ölçüm yapılabilmelidir.
Dinamometrede birim deformasyon ölçer olarak Measurement Grubu’nun üretmiş olduğu CEA-13-125UN-350 ve CEA-13-125UT-350 bulunmaktadır. Birim deformasyon ölçerleri özel yapıştırıcılarla dinamometre kirişlerine yapıştırıldıktan sonra, altı ayrı Weatstone köprüsü teşkil edecek şekilde kablo bağlantıları
yapılmıştır. Đlk önce birim deformasyon ölçerlerin uçları terminale lehimlenmiş ve daha sonra terminalden çıkan uçlar kabloya lehimlenmiştir [31].
Üç eksenli dinanometre yardımı ile, kaya kesme sırasında kesici uca gelen kuvvetin normal, kesme ve yanal bileşenlerini ayrı ayrı belirleyebilmek için oluşan elektriksel sinyallerin bilgisayar ortamına aktarılması gerekmektedir. Veri toplama sistemi Şekil 5.5’de görülmektedir.
Şekil 5.5 : ESAM traveller 1 veri toplama sistemi
Disk keski kayaya girdiği andan itibaren üzerine gelen kuvvetler artmakta ve kayaçtan parça kopması ile kuvvetler aniden düşmektedir. Kayanın kırılmasından sonra keskiye gelen kuvvetler tekrardan artmakta ve bu olay kesme hattı boyunca devam etmektedir. Kayanın kesilmesi sırasında kuvvetlerin değişim frekansı 300 Hz olduğu düşünülmektedir. Birim deformasyon ölçerlerden gelen sinyali dijital ortama aktarmak için ESAM firmasının Traveller 1 ölçme sistemi kullanılmıştır. Veri aktarma istemi USB bağlantı portu kullanılarak bilgisayara bağlanmaktadır. Dinamometrede ki wheatstone köprülerinden gelen analog sinyal 1000 Hz’lik bir frekans ile örneklenerek sayısallaştırılmaktadır.
