ELEKTRİKLİ YERKAZAR KEPÇELERİ VE BAŞARIMINI

ETKİLEYEN DEĞİŞTİRGENLER

Electrical Shovel Excavator Dippers, and Parameters Influencing Performance

Metin ÖZDOĞAN

İdeal Makine Danışmanlık Ltd. Şti., Ankara, Türkiye

ÖZET : Bu bildiride, elektrikli maden yerkazarlarının kazı ve yükleme birimleri

olan kepçeleri ve bunların kazabilirliğini ve başarımını etkileyen değiştirgenler

incelenmiştir. Kepçenin diş ve kazış açısı, ve bu açıların basamakta kazışa etkisi,

açının ayarlanması ve en uygun duruma getirilmesi açıklanmıştır. Ayrıca, kepçe

saplanış-kazış gereçlerine ve kepçe aşınma bölgelerine değinilmiş; kepçe

başarımını etkileyen kayaç kazılabilirliği, kepçe dolma çarpanı, kayaç kabarma

çarpanı gibi değiştirgenler tartışılmıştır. Kazılan kayaca ve işletmeye uygun

kepçe seçiminde göz önünde bulundurulması gereken yönler belirtilmiştir.

ABSTRACT : In this paper, dippers which are digging and loading units of

electrical open cast mining shovel excavators and their excavability and

performance parameters are investigated. Tooth and rake angle, and their effect

on bench excavation, adjustment and optimization of these angles are explained.

Furhermore, GET ground engaging tools and wear areas are explained and

parameters influencing the performance of dippers like rock diggability, rock

swell factor, dipper fill factor are discussed. Points considered in the selection of

mine and rock matched dippers are given.

1 GİRİŞ

Elektrikli yerkazı makinelerinin kazılıp taşınacak, yüklenecek kayaç ya da

madene değen, girişen, en önemli birimidir. Bütün görkemli teknolojiler,

kocaman diğer birimler, hep kayayı kazan-yükleyen bu bölümü çalıştırmak

içindir. Kepçe, kazı makinesinin uç beyidir, cephede savaşan eridir.

Yöneticilerden, bakım-onarım birimlerinden daha çok ilgiyi hak eden kısımdır.

Bu uç birim yıllardır, yalnız işletmecilerden değil yerkazı makinesi

üreticilerinden de yeterli ilgiyi görmemiştir. Elektrikli yerkazar kepçe tasarımı

ana hatlarının, neredeyse elli yıldır hiç değişmediği belirtilerek, son on yıldır

yapımcı firmaların kepçe tasarımı ile daha çok ilgilenmeye başladıklarından söz

edilmektedir. Üreticilerin bunu, işletme, bakım giderlerini düşürmek ve daha az

aşınan, kayacın daha az yapıştığı kepçeler geliştirmek için yaptıkları

belirtilmektedir, (Shi ve Joseph, 2005). Kepçelerin kazı basamağındaki kayaç ile

girişimini sağlayan birimleri de kepçe damağına takılan kepçe dişi kökleri ve

dişleridir. Bu girişim birimlerinin görevi hem kayaca saplanışı sağlamak hem de

kepçenin aşınmaya karşı savunmasız alanlarını kendisi aşınarak korumaktır,

(Carter, 2008).

Yerkazar kepçeleri çalıştıkları kayacın cinsine göre anılır; kömür kepçeleri, kaya

kepçeleri gibi. Kömür kepçeleri, kömür daha yeğni yoğunlukta olduğundan

genellikle daha kocaman olup daha ince gereçten yapılabilir. Kömürün

parçalanmasını sağlamak için bunların içi bölüntülü olabilir. Kaya kepçeleri ise

örtükazı için yapılmış olup vuruşa, aşınmaya dayanıklı olması için daha kalın

gereçten üretilir; buna ek olarak değişebilen aşıntı plakaları ile kaplanır. Ayrıca,

çalıştığı kayacın türüne göre kolay, orta ve ağır hizmet türü kepçeler olarak da

anılabilirler.

Tutamak tipine göre çeşitleri yerkazar kepçeleri, tutamak kısmı olanlar ve

olmayanlar olmak üzere iki ana türe ayrılır. Olağan uygulamada, boşaltma

yüksekliğinin sorun olmadığı durumlarda, yerkazar kepçeleri tutamaklı olarak

üretilir. Şayet küçük kapasiteli bir yerkazar büyük bir kaya taşıtına yüklemek

durumunda ise bu durumda tutamaksız kepçe yeğlenir. Tutamaksız kepçe

sayesinde 1.2-1.8 m ek boşaltma yüksekliği kazanılır, (Anon a, 2005).

Kepçe ve kayaç ağırlıklarına bağlı olarak, her yerkazı makinası bir dizi

kepçe hacmi taşıyabilecek yetidedir. Yerkazarın, genel kepçe kapasite aralığına

karar verildiğinde makine yapımcısı firma ile istenen kesin teknik özellikler

kayacın parçalanışına, kayacın ağırlığına, bakım gibi düzenlerine bağlı olarak

tartışılıp görüşülerek karara bağlanır, (Sargent, 1990).

2 GENEL

2.1 Kepçe Değişim Nedenleri

Açık ocakta çalışan bir elektrikli yerkazarın kepçesinin yenisi ile değiştirilmek

istenme nedenleri aşağıda belirtilen gerekçelerden bir ya da birkaçı olabilir:

Eldeki kaya taşıtlarının daha iyi dolmasını sağlamak. Bu kaya taşıtlarını daha az

kepçe sayısında doldurmak. Alınacak daha büyük kaya taşıtlarına uyum

sağlamak. Toplam üretim miktarını arttırmak için kepçe büyütmek. Kayaç

yoğunluğundaki değişime uyum sağlamak için ya da daha önceki yoğunluk

hesaplarının yanlış olması. Yerkazı makinesinin değişik bir kayaçta çalışma

durumunda kalması. Yıpranmış kepçenin artan bakım-onarım giderlerini

azaltmak. Kepçenin daha çok kullanımda kalmasını sağlamak. Kepçenin bakım

aralıklarını uzatmak. Diğer makinelerdeki kepçelere uyum sağlamak ve onlarla

değiştirilebilir kılmak. Kepçe dolma çarpanını yükseltmek. Kaya taşıtlarının aşırı

yüklenmelerini önlemek. Uygun olmayan kepçeyi değiştirmek, (Anon. d, 2005).

2.2 Kepçe İriliğinin Belirlenmesi

Kepçe ya da yerkazar üretim miktarının belirlenmesinde başlangıç noktası,

kayacın yerindeki yoğunluğudur. İkinci adım patlatma ya da yüklemeden sonraki

gevşek ağırlığı verecek olan kabarma ya da kabarış çarpanıdır. Kepçe doluş

çarpanı (silme kapasitenin yüzdesi), malzemenin kepçe hacmine göre hacim

değerini verir, (Sargent, 1990).

Yerkazı makinesi yapımcıları tarafından verilen standart kepçe kapasiteleri

genellikle yerinde birim ağırlığı 2,3 Ton/m3

, kabarış çarpanı (kabarma katsayısı)

1,30 olan kayaca göre hesaplanır. Bu durumda kabarmış kayaç birim ağırlığı

1.77 Ton/m3 olmaktadır, (Özdoğan, 2002). Bu nedenle, kazılacak kayaç

varsayılandan daha hafif ise seçilen makinede daha büyük kepçe kullanılabilir.

Yerkazarlar ilke olarak yük kaldırıcı araçlara (vinç) benzerler. Her

yerkazarın kaldırabileceği bir anma ve ağdırma yükü (rated and maximum

suspended load) vardır. Kepçenin ağırlığı ile içindeki kayacın ağırlıkları toplamı

ağdırma yükünü aşmamalıdır. Kepçenin ölü ağırlığı azaltılabilirse ya da

malzeme yeğni ise aynı makine modeli için daha büyük hacimli bir kepçe

seçilebilir. Kazılıp yüklenecek kayacın yerinde ve kabarmış yoğunluğuna,

kabarış çarpanına, aşındırıcılığına, yüklenecek taşıtların boyut ve taşıma yetisi

gibi özelliklerine göre kepçe iriliği belirlenir. Kepçe anma kapasitesi elektrikli

yerkazar yapımcılarınca silme olarak belirtilir; bu kepçenin içine alabileceği

suyun hacmidir, (Anon. b, 2003).

Kepçe doluş çarpanı, kepçe içindeki gevşek kayaç hacminin, kepçenin anma

hacmine oranıdır. Bu oran 100 ile çarpılıp Kepçe Doluş Yüzdesi olarak da ifade

edilebilir. Kepçe iriliğinin belirlenmesi ve en uygun kepçe yükünün elde

edilmesi bakımından kepçe doluş çarpanı kavramı iyi anlaşılmalıdır, (Anon. b,

2003). Parçalanmanın başarılı olmadığı, çok iri parçalı kayaların bulunduğu,

durumdaki kazılarda kepçe doluş çarpanı değerleri 0.40 ile 0.50 arasında değişir.

Daha gevşek ve hafif çökel malzemede bu değer 1.20 ye kadar yükselebilir. İyi

patlatılmış ve parçalanmış örtü katmanında ise bu değer ortalama olarak 0.85

olarak alınabilir, (Sargent, 1990).

2.3 Kepçe İçindeki Yararlı Yük

Kepçe içindeki kayaç ağırlığı, t/m3, kepçe hacmi ile kayacın kabarmış birim

ağırlığının çarpımı ile hesaplanır. Kayacın kabarmış birim ağırlığı ise, t/m3,

kayacın yerinde birim ağırlığının, t/m3, kabarma çarpanına bölümü ile elde edilir.

Kabarmış kayaç ağırlığını ölçmenin en iyi yolu arada sırada bir kepçe dolusu

kayacın ağırlığını tartmaktır; bu tür tartılar ile, kullanılan kayaç kabarış

çarpanının doğruluğu izlenebilir.

Yeni kuşak yerkazarlar ve kaya taşıtları yük izleme düzenekleri ile donatılmış

olup her kepçenin içindeki yararlı yükün ağırlığı ve her kamyonun sırtında

taşıdığı yararlı yükün ağırlığı işletmenler tarafından anında görülebilir; ayrıca bu

bilgiler sayısal teknolojilerle sürekli yazılıp işlenebilir. Sözgelimi, elektrikli

yerkazar kepçesi yararlı yükünü ölçen P&H LoadWeigh® düzeneği gibi,

(Paterson ve Özdoğan, 2001). Böylece, gerek yükleme ve gerekse taşıyıcı aracın

yük yeteneğinin tümünden yararlanılıp yararlanılmadığı izlenebilir.

3 KEPÇENİN YAPISI VE SAPLANIŞ-KAZIŞ GEREÇLERİ

3.1. Kepçenin Yapısı

Elektrikli maden yerkazarının kazı birimi kepçe ya da kovasıdır. Bu kazı

biriminin diş kökü yardımı ile değiştirilebilen dişlerinin takıldığı kesici bir kenarı

bulunur. Kepçenin içindeki kayacın boşaltılmasını sağlayan açılıp kapanan bir

kapağı vardır ve kepçe bir kepçe koluna bağlanmıştır, (Patnayak et al, 2008).

Kepçe, ana gövde, kepçe ağzı ve diş düzenekleri, kepçe kapağı, ve kepçe

tutamak kısmı gibi ana öğelerden oluşur, Şekil 1. Gerek kepçenin ve gerekse

kepçe diş, diş kökü, damak gibi kısımların aşıntıya karşı dayanıklı yapılması ve

korunması bakımından kazılacak kayacın aşındırıcılık özellikleri alınacak kayaç

örneklerinin kazı mühendisliği deneyliklerinde ölçülmesi ile belirlenir. Bu

deneyler sonucunda kayacın aşındırganlık göstergesine göre yeri belirlenip

yapımcıya verilir. Üretici bu verileri göz önüne alarak koşullara en uygun

kepçeyi üretip işletmeye verir.

Kayaç aşındırıcılığı, aşındırıcılık sınıflaması, Cerchar aşınma indeksi gibi

bilgiler ve bu konuda yurdumuz kayaçlarında yapılan bir araştırmanın sonuçları

(Yaralı, 2008) tarafından verilmiştir. Araştırmacıya göre, kayacın dayanımı ve

sertliği, mineral bileşimi, mineral parçacık boyutu ve sertliği kayacın

aşındırıcılığını etkileyen değiştirgenler arasında bulunur. Bunların dışında

kayaçtaki kuvars ve diğer aşındırıcı minerallerin miktarı ve bunların ortalama

parçacık boyutu ve kayacın çimentolanma derecesi de önemli olmaktadır.

Bunların ölçüsü arttıkça kayaç aşındırıcılığı da artmaktadır, (Yaralı, 2008).

Şekil 1. Bir yerkazar kepçesi,(Anon a, 2005)

Yerinde (basamakta) ve kabarmış kayaç birim ağırlığı, kabarış çarpanı,

kepçe doluş çarpanı, kepçe biçimi, kayaç aşındırıcılığı, anma ve tepe ağdırma

yükü, aşınma plakaları, kepçe tutamağı kaldırış kuvveti, kaya taşıtı iriliği,

basamak yüksekliği, basamak patlatması ve kayaç parçalanışı, kayaç

aşındırganlığı gibi etmenlerin kepçenin kazdığı kayaç miktarını bir diğer deyişle

başarımını etkilediği bilinmektedir.

3.2 Kepçe Saplanış-Kazış Gereçleri

Kepçenin saplanış ve kazışını sağlamak üzere kepçe ağzına (damak) takılan diş

ve diş düzeneklerine kepçe saplanış-kazış gereçleri denir. Bunlar, kepçenin kazı

basamağında kayaç ile girişimini sağlarlar. Hem kepçe ağzının, kepçe tabanının,

köşelerinin ve taban kenarlarının aşınmasını önlerler, hem de kepçenin kayaca

dokunuş enini bir bakıma azaltarak kayaca daha yüksek bir saplanış ve kazış

kuvveti aktarılmasını gerçekleştirirler.

Kepçe kayaç girişim gereçleri de denilen bu gereçler, kepçenin

basamaktaki kayaca daha iyi saplanışını ve kendisi aşınarak kepçenin aşınmaya

karşı savunmasız olan kesimlerini korumak gibi bir işlevi vardır, (Carter, 2008).

Yeni kuşak kepçe dişleri bağlantı elemanları tokmak kullanmadan sökülüp

takılabilecek biçimde üretilmektedir. Kepçe dişinde bir diğer gelişme de,

kullanıldıkça keskinliğini kaybetmeyecek bileşimde gereçten ve tüm malzemesi

aşınıp bitinceye kadar kullanılabilen dişlerdir. Saplanış-kazış gereçleri önemli bir

tüketim gereci olup bazı kayaçlarda çok önemli bir gider kalemi oluşturabilir,

(Carter, 2008). Ana hatlarıyla iki tür kepçe dişi düzeneği bulunur: Tek parçalı

dişler, bunlara kazma diş de denir; çok parçalı birleştirilmiş dişler.

3.2.1 Tek Parçalı Kazma Dişler

Tek parçalı dişler, tek parça halinde döküm olup kepçe damağına bağlantı kama

sistemi ile çakılırlar. Bu daha eski bir düzenek olup seyrek olarak

kullanılmaktadır. Kazma ucu körelince, dişin tümü çıkarılıp atılır; bu durumda

çelik malzemenin hepsi yitirilmektedir; oysa parçalı diş düzeneğinde yalnız

aşınan diş ucu değiştirilir. Kazma dişlerin tek yararlı yanı bağlantı yeri sayısının

azlığıdır. Tek bağlantı noktası kepçe damağıdır; sıkılığın denetleneceği tek yer

orasıdır, bu nedenle bakımı görece kolaydır. Kazma dişte, iki parçalı düzeneğe

göre daha ağır tek bir parçanın sökülüp takılması gibi bir eksinlik söz konusudur.

3.2.2 İki Parçalı Birleşik Dişler

Tek parçalı kazma dişlerin eksikliklerini gidermek için geliştirilmiş güncel bir

diş düzeneğidir. Diş ucu ve bunun takıldığı bir diş kökünden oluşur. Diş ucu

aşındığında, kırıldığında diş düzeneğinin yalnızca uç kısmı atılıp yenisi takılarak

diş tüketim giderleri azaltılır. Parçalı oluşu nedeniyle sökülüp takılması daha

kolaydır. Çok parçalı diş düzeneklerinin tek eksiği, bağlantı yerlerinin çokluğu

nedeniyle bağlantı yeri sıkılıklarının sürekli denetlenmesi gereğidir. Birleşik

dişler çoklukla iki parçalı olmakla birlikte özellikle sallama kepçeli

yerkazarlarda üç parçalı olanlar da vardır.

Birbirine bağlanmış bileşenlerden oluşan birleştirilmiş dişi oluşturan

öğeler; diş ucu, diş kökü, sıkıştırma kaması ve C-biçimli kenetleyici, kıskaç ve

dişi diş köküne bağlayan bir bağlaç, (Şekil 2). Kepçe damağı ile diş kökü yerine

çok ince ayarlı bir biçimde oturacak boyutlarda olmalıdır. Bu, taşlama ve

yeniden işleme gerektirmeden yerine oturması için önemlidir. Diş kökü gevşek

oturursa, kök oynar, kepçe damağına zarar verip diş kökünün erken kırılmasına

neden olur.

Diş uçları belirli diş kökleri ve uygulamalara göre çeşitli biçim ve

uzunluklarda üretilir. Kayaç kazımı için yapılmış diş uçları, yüksek dayanımlı ve

daha uzun sürede aşınması için uzun ve et kalınlığı yüksek yapılır. Özetle, diş

uçlarının tasarımı, yapıldıkları malzemeler, ölçüleri özgül uygulama koşullarına

göre ayarlanır. Diş kökleri de zamanla aşınıp bozulduklarında yenileri ile

değiştirilir.

Şekil 2. Birleşik bir kepçe dişi düzeneği,(Anon. a, 2005)

4. KEPÇE KAZIŞ ÖZELLİKLERİ

4.1 Kepçe Kazış Geometrisi ve Kepçeye Etki Eden Kuvvetler

Bir elektrikli yerkazar iş döngüsünün kazı bileşeni, iki öğenin, itiş ve kaldırış

devinimlerinin bir bileşimidir. Kazı sırasında kaldırış hareketi kepçeyi kazı

basamağında yukarı doğru çektirir, itiş hareketi ise kepçeye itme kuvveti

uygulayarak kazılan kayaç içinde tutulmasını sağlar. Kaldırış devinimi sırasında,

itiş devinimi kepçenin basamakta iş döngüsünün kazı bileşeni süresince

kepçenin uygun bir derinlikte saplanışını sağlar. Bu nedenle itiş kuvveti kepçe

saplanışını, kaldırış kuvveti ise koparış kuvvetini temsil eder, (Patnayak et al,

2008). Kepçe saplanışı kepçe kolu ve kepçenin ağırlıklarının dikey bileşen

kuvvetleri ve itiş motorunca kepçe koluna uygulanan itiş kuvvetinin dikey

bileşenleri toplamıdır. Kepçe koparış kuvveti itiş kuvveti ve kaldırış halatı

çektiriş kuvveti bileşkesidir. Bum kaykılması olmaması için itiş kuvvetinin

koparış kuvvetinin yatay bileşke kuvvetinden büyük olmaması gerekir, (Şekil 3).

Şekil 3. Erişme-taşıma kolu kaykılması ve neden olduğu sarsıntı,(Anon. a, 2005)

Son yıllarda elektrikli yerkazarlarda kazı kinematiği ve dinamiği, kazı yörüngesi,

kazı derinliği gibi kazı mekaniği konusunda çalışmalar artmıştır. Bu konuda

ayrıntılı çözümleme (Shi ve Joseph, 2005), (Demirel ve Frimpong, 2007)

tarafından verilmiştir. Bir kepçe tasarım çalışması için bir elektrikli yerkazarın

kazı döngüsünün modellemesi yapılarak, kepçe başarımı yerkazar kazı döngüleri

ile bağlantılı olarak benzetişimi (simülasyon) yapılmıştır. Elektrikli yerkazarın

enerji verimliliği, (en uygun birim elektrik tüketimi), için yapılan kazı en

iyileştirmesi ve benzetişim çalışmasında; gene yerkazar kazı kinematiği ve

dinamiği, kazıya direnç gösteren kuvvetler, aracın kazı verimliliği konusunda

ayrıntılı bilgi verilmiştir, (Offei ve Fripong, 2007).

En iyi kazı verimliliği için makine işletmeni itiş ve kaldırış hareketini öyle

ayarlamalıdır ki en uygun kazı derinliğini elde etsin, en az enerji tüketimi ile

kepçeyi en kısa sürede doldursun, (Offei ve Frimpong, 2007). Kazı derinliği,

kesme kalınlığı itiş kuvvetinin çoğaltılıp azaltılması ile sağlanır. Kesme

kalınlığının çok olması kaldırış hızını azaltabilir ve kazı süresinin artışına neden

olabilir, erişme-taşıma kolu kaykılması oluşabilir. Elektrikli yerkazarlarda

yapılan bir çalışmada, eşit kazı süresi olan döngülerde, sığ kesme kalınlığının

derin kesme kalınlığından daha az kaldırış enerjisi tükettiğini belirtilmiştir,

(Patnayak ve Tannant, 2005).

Yeni kuşak elektrikli yerkazarlar itiş ve kaldırış kuvvetlerini en iyi duruma

getirip ayarlayan, araç kullanıcısının ustalık ve isteğine bırakmayan P&H

OptiDig®

gibi düzeneklerle donatılmışlardır, (Paterson ve Özdoğan, 2001). Bu

aygıt, sayısal teknoloji sayesinde makinenin kazı devinimini algılayarak itiş ve

kaldırış devinimlerini dengeleyerek enerji tüketimini, malzeme yoğunluğu ve

işletmenin deneyiminden bağımsız olarak, en uygun hale getirir.

4.2 Kepçe Kazış Açısı ve Kepçe Diş Açısı

Kepçe dişi açısı ve kepçe kazış açısı kepçenin doluş biçimini ve doluş sürecinde

ne kadar enerji tüketildiğini belirleyen etkileyicilerdir. Kazış ve diş açısı Şekil 4

de gösterilmiştir. Kazış açısı arttırılıp küçültülürken, kepçe dişi açısı da buna

bağlı olarak kendiliğinden ayarlanır, (Şekil 4).

Diş açısı ne kadar büyükse (dikse), kesme eylemi de o kadar artar. Bu

yüzden diş açısı, olabildiğince büyük olacak biçimde ayarlanmaya çalışılır.

Burada, dikkat edilecek nokta, kepçe ökçesi aşıntı kolanı açıklığı öyle

ayarlanmalıdır ki aşınma kabul edilebilir düzeyde olsun. Uygulamada, kepçe dişi

açısı çok dik (yüksek) ise kepçenin topuk kısmı erken aşınacaktır. Bu durumda,

kepçe ökçesi aşıntı kolanında ve kepçe dişi köklerinin alt kısmında çok aşıntı

oluşur. Kepçe dişi açısı çok yatık (küçük) ise kepçe doğru dürüst dolmaz ve

basamağı kesmekten ziyade tırmalar; diş kökleri üst kısmı çok aşınır.

Şekil 4. Yerkazar kepçesi kazış ve diş açısı,(Anon. a, 2005)

Aşınmanın çok önemli olmadığı kolay kazıda (koşullarında), daha dik

kazış açısı (saplanış açısı) en yüksek verimliliği sağlar. Aşınmanın çok aşırı

olabildiği çetin kazıda, daha yatık kazış açısı (daha çok saplanış için)önerilir.

Aşındırgan olmayan kayaçta bile aşırı düşük kazış açısı kepçe saplanışını

azaltabilir.

Kazış açısı, diş açısını, kazı basamağına uygulanan kuvveti, kepçenin

aşınmasını doğrudan etkiler. Kazış açısı, ayar çubuklarının boyu ayarlanarak en

uygun hale getirilir. Kazış açısını dikleştirmek, kepçe ağzının işe daha çok

koşularak, verimliliğin arttırılması ve enerji tüketiminin azaltılmasını sağlar.

Düşük kazış açısı ile çalıştığında, kepçe dişi kayaca saplanıp, yontarak kopardığı

için yerkazar aşırı biçimde güç tüketir. Kazış açısının büyümesi, makinenin güç

tüketimini azaltır, kayacın basamaktan taranarak kazılmasını sağlar, (Anon. a,

2005).

4.2.1 Kepçe Kazış Açısının Uygunlaştırımı

Diş ve kazış açısı ayarı için önerilen başlangıç açıları aşağıda verilmiştir, Çizelge

1. Kazış açısının, kayaç yoğunluğuna, patlatmanın niteliği ve sıklığına göre en

uygun kazı elde etmek için ince ayarı gerekebilir.

Çizelge 1. Diş açısı ve kazış açısı ayarı için önerilen başlangıç açıları, (Anon. a,

2005)

Çetin Kayaç Kazısı Orta Çetinlikte Kazı

Diş Açısı 46º- 48º 48º-50º

Kazış Açısı 57º-59º 59º-61º

Kepçe, kazı basamağında kaldırış halatları dikeye yakın bir biçimde çalışıyor ise

bu makinenin basamağa iyi yanaştırılmış olduğunu gösterir. Bu konumda

makine, kepçe dişine en yüksek kaldırış kuvvetini uygulayarak kazı verimliliğini

en yükseğe çıkartır.

4.3. Kepçe Aşınma Alanları ve Kayaç Aşındırıcılığı

Kazılacak ya da kazılmakta olan kayacın aşındırıcılık özellikleri arada sırada

yapılacak ölçümlerle belirlenmelidir; Yapımcıya elde edilen bu değerler

verilmeli,kepçe buna göre tasarlanıp üretilmelidir. Bu deneyler ve nasıl

yapılacaklarına dair ayrıntılı bilgi (Yaralı, 2008), (Özdemir 2008), ve (Nilsen et

al, 2006) tarafından verilmiştir. Bu konuda çeşitli dizinler bulunmasına karşın en

bilineni Cerchar Abrasivity Index (CAI) ' dir.

Yüksek Aşınma Alanları

Şekil 5. Birinci derecede kepçe aşıntı alanları,(Anon. a, 2005)

Kömür içeren kayaçlarda yapılan bir çalışmada (Yaralı et al, 2008) Cerchar

aşındırganlık dizini ve taşın yapısal özellikleri arasındaki ilişki verilmiştir. Buna

göre ortalama kuvars tane iriliği ile Cerchar Aşındırganlık Dizini (CAI) arasında

iyi bir doğrusal ilişki vardır. Çalışma ayrıca, mineral bileşenleri, çimento tipi,

çimentolaşma derecesi, kuvars içeriği, ortalama kuvars tane iriliği gibi

özelliklerin Cerchar Aşındırganlık Dizini'ni (CAI) etkilediğini bildirmektedir.

Kepçe dişi, damağı, yanaklarında kullanılan aşıntı ve kapak örtüleri

aşağıda açıklanmıştır: Diş ucu dibi ile diş kökü birleşme yeri en çok aşınan

yerdir. Aşıntı kapakları adından da anlaşılacağı gibi kendisi aşınarak, diş ile diş

kökünün birleştiği yerin aşınmasını önler, (Anon. a, 2005).

Damak koruyucu örtüleri bütünüyle aşınıp damağın ve yanağın aşınmasına

yol açmadan değiştirilmelidir. Bir başka deyişle, koruma görevini yapamayacak

duruma gelmeden yenisi takılmalıdır. Damak aşıntı örtülerini değiştirirken,

bütün örtü bağlantı elemanları ile birlikte değiştirmelidir Kepçe ökçesinin köşe

ve orta bölümlerini aşınmadan korumak için ökçe koruma kuşakları bulunur,

(Anon. a, 2005).

5. KEPÇE BAŞARIMINI ETKİLEYEN DEĞİŞTİRGENLER

Yerkazarın iş döngüsünün kazı evresi kepçenin kazı basamağında geçirdiği

gerçek süreyi gösterir. İş döngüsünün dönüş ve boşaltış evreleri ise kazılan

kayacın yük aracına taşınıp boşaltıldığı evrelerdir, (Patnayak et al, 2008).

Yerkazar bir örnek kayaçta kazı yaparken bile, başarımında aşağıdaki etmenler

de etkili olur; operatörün teknik ve stili, makine tipi, kepçe ve diş tasarımı, kazı

yörüngesi (kepçe saplanış derinliği ve kazı boyu), kayaç katmanına göre kazı

yönü, (Patnayak et al, 2008).

Herhangi bir işin ne kadar verimli yapıldığı, o iş için doğru araca sahip

olunup olunmadığına bağlıdır. Yerkazı araçlarının iş yapan kısmı olan kepçeler,

karmaşık birimler olup bir çok değiştirgen tarafından etkilenirler. İlk bakışta

kepçenin başarımı iriliği ile doğru orantılı gibi görünebilir; Oysa, kepçe hacmi

tek başına, kepçenin başarımını etkilemez. Kepçenin ağırlığı, biçimi, kazılmakta

olan kayacın yapısı, makine işletmeninin eğitimi ve ustalığı gibi bazı etkenler de

kepçenin ne kadar kayaç kazabildiğini etkilemektedir, (Anon. a, 2005).

Kepçenin kazdığı kayaç miktarını belirleyen ve etkileyen ana değiştirgenler

ayrıntılarıyla aşağıda verilmiştir:

5.1 Kayaç Yoğunluğu

Her ne kadar kepçenin kapasitesi hacmi ile ölçülmekte, m3, ise de, bu

kapasitesinin sınırı içindeki kayacın ağırlığıdır. Çünkü, makinenin kaldırma

yeteneğinin bir sınırı vardır. Kepçe ve donanımlarının (koşumlarının) ölü ağırlığı

ve kepçe içindeki kayacın ağırlığı toplamı ağdırma yükü (denge bozucu yük)

sınırını aşmamalıdır. Bu yüzden, kepçe başarganlığını değerlendirmek için kayaç

hacmi ile ağırlığı arasındaki ilişki kesinlikle bilinmelidir. Özgül ağırlık maddenin

suya göre göreceli yoğunluğudur. Suyun yoğunluğu ise litre başına 1.0 kg. dır.

5.2 Kayaç Kabarış Çarpanı

Kayaç kabarış çarpanı, gevşetilmiş kayacın birim hacimdeki ağırlığının, kayacın

yerindeki (kazı basamağında) birim hacim ağırlığına oranı olarak tanımlanır,

(Çizelge 4). Kabarış çarpanı kayaç patlatıldığında ya da kazıldığında kaya

parçaları arasında kalan boşluğun değeridir.

Kayaç Kabarış Çarpanı = Kayacın gevşek birim ağırlığı, kg/m3

Kayacın yerinde birim ağırlığı, kg/m3

Kabarış çarpanı, kayaç patlatıldığında ya da kepçe tarafından basamaktan

koparılıp gevşek hale getirildiğinde kayaç parçaları arasındaki boşluklardan

dolayı kayaç hacmindeki artışı ya da kabarışı gösterir. Kabarış çarpanı ne kadar

yüksek ise, basamaktaki belirli hacimdeki bir kayacı kaldırmak için o kadar çok

sayıda kepçe boşaltmak gerekecektir.

Bugünkü büyük kepçelerde ise bunun tersine olarak, kayaç kepçenin içine

akarken hafif bir sıkışım olduğunu da görüyoruz. Kepçenin içindeki kayacın

gerçek ağırlığını merak ediyorsak, kamyona iki üç dolu kepçe boşaltıp götürüp

tartmak, ortalama kepçe yükü ağırlığı konusunda bir fikir edinmek en iyisidir.

Yeni kuşak yerkazarlarda ve kaya taşıtlarında her kepçe yükünü gösteren yük

ölçme ve izleme düzenekleri bulunmaktadır.

Çizelge 2. Bazı malzemelerin karşılaştırmalı ağırlık ve kabarış çarpanları,

(Anon. a, 2005).

Malzeme Ağırlık Özgül Ağırlık Kabarış Çarpanı

Kg/m3

(Yerinde)

Antrasit 1305 1.31 0.35

Taşkömürü 1127 1.13 0.35

Bakır Cevheri 2254 2.25 0.35

Demir Cevheri 3958 3.94 0.25-0.60

Kumtaşı 2456 2.45 0.40-0.60

Takonit Cevheri 3684 3.68 0.70

5.3 Kaldırılabilen Yük ve Ağdırma yükü

Yerkazar, kepçe içindeki kayacın ağırlığından başka, kepçenin kendi ağırlığını

da kaldırmak durumundadır. Bir yerkazar, model ve biçimine göre, kepçeyi ve

içindeki yükü kaldırabilecek şekilde ayarlanır; buna kaldırılabilen yük (rated

suspended load) denir.

Yerkazarca kaldırılabilen yük, iyice doldurulmuş kepçenin içindeki yük

artı kepçenin ve ilgili parçalarının toplam ağırlığıdır. Yerkazarın ağdırma yükü

(maximum suspended load) ise belirli bir yerkazar modeli için yapısal ya da

termal sınırlar ya da bunların birlikteliğinden oluşan etmenlerin oluşturduğu

güvenli olarak ağdırmadan yani dengesi bozulmadan kaldırılmasına izin verilen

en yüksek yük sınırıdır.

5.4 Kepçe Tutamağı Çektiriş Kuvveti

Bir yerkazarın kepçeyi yukarı kaldırış yeteneği ve yeterli kesme kuvveti

sağlaması tutamak çektiriş kuvvetine ve yerkazarın ön bölümünün biçimine

bağlıdır. Tutamak çektirişi, kepçeye kaldırış halatı tarafından uygulanan

kuvvettir.

5.5 Silme ve Yığma Kepçe Kapasitesi

Silme kepçe kapasitesi bir kepçenin alabildiği su miktarının hacmi olup m3

cinsinden ifade edilir. Elektrikli yerkazar kepçe hacimleri bu şekilde ifade edilir.

Yığma kepçe kapasitesi ise daha ziyade hidrolik yerkazar üreticileri tarafınca

kullanılır, kazılan malzemenin 45° veya 60° derece açıda kepçe üstünde yığın

hacmidir, (Anon. b, 2003).

5.6 Kepçe Doluş Çarpanı

Kepçe içindeki kayacın gevşek hacminin kepçenin anma silme hacmine oranı

olarak tanımlanır.

Kepçe Doluş Çarpanı : Kepçe İçindeki Gevşek Kayacın Hacmi

Kepçenin Silme Anma Hacmi

Kepçenin doluş çarpanı bir bakıma kayacın akış kolaylığını gösterir. Kepçe

tasarım ve yapım özellikleri de kayacın akış kolaylığını olumlu ya da olumsuz

yönde etkilemektedir. Bu nedenle, aynı kayaçta çalışan, aynı kapasiteli iki ayrı

üreticiye ait kepçenin doluş çarpanı farklı olabilir. Ocak koşullarına uygun

üretilmiş ısmarlama kepçeler, iyi parçalanmış kayaçta, 1.00 - 1.20 hatta daha

yüksek doluş çarpanlarına ulaşabilirler, (Anon. b, 2003).

5.7 Kayaç Kazılganlığı

Kayaç Kazılganlığı kazı basamağındaki kayacın, kazılmaya karşı gösterdiği

direngenlik olarak tanımlanır. Bu direngenliğin düzeyi kayacın sertliğine, birim

ağırlığına, parçalanmasına ve başka etkenlere bağlıdır. Örneğin, kayacın ağırlığı

içerdiği minerallere, neme, parçacık boyutu ve yapısına göre de büyük ölçüde

değişebilir, (Anon. b, 2003). Kayacın kepçeye akış ve doluş kolaylığı demek

olan kepçe doluş çarpanı ile bir kayacın kazılganlığı belirlenebilir. Kepçe doluş

çarpanı kayacın kepçe içine akış kolaylığını göstermekle birlikte, kepçenin

tasarım ve yapısı da kepçenin doluş özelliklerini etkileyebilir. Kepçeye doluş

kolaylığı ölçüt alındığında, Çizelge 3, kayaçların kazılganlığı kepçe doluş

çarpanı ile dizelenebilir, (Anon. b, 2003).

Çizelge 3. Kepçe doluş çarpanına göre kayaç kazılganlık dizelemesi (Anon b,

2003).

Kayaç Kazılganlığı Kepçe Doluş Çarpanı (yaklaşık)

Kolay Kazılgan 1.05 - 1.20

Orta-Kolay Kazılgan 1.00 - 1.15

Çetin Kazılgan 0.90 - 1.00

Çok Çetin Kazılgan 0.85 - 0.95

6 SONUÇLAR

Kepçe başarımını etkileyen önemli bir değiştirgen de kesme kalınlığıdır, bir

başka deyişle malzemeye kepçe saplanış derinliğidir. Kesme kuvveti kepçe itiş

ve kepçe kaldırış kuvvetlerinin bileşkesi olup kesme kalınlığı yerkazar

işletmeninin ustalık ve deneyimine bağlıdır. Deneyimli ve yetenekli işletmenler

en uygun kazı derinliğini elde ederler. Ancak günümüz sayısal teknolojileri yeni

kuşak yerkazarlarda, kendiliğinden optimum kesme derinliğini ayarlayan

düzenek ve donanımları takılabilir kılmaktadır. Kazış yörüngesinin bir diğer

bileşeni olan kazı uzunluğu da kepçe başarımını etkileyen bir değiştirgendir.

Kepçe kayaç girişimini sağlayan kepçe saplanış ve kazış birimleri (kepçe

diş düzeneği) hem kepçenin basamaktaki kayaca saplanışını sağlar, hem de

kepçenin aşınmaya karşı savunmasız alanlarını kendisi aşınarak korur, (Carter,

2008). Bazı aşındırgan kayaçlarda kayaç-kepçe girişim gereçleri çok önemli bir

gider kalemi olabilir. Kepçe dişlerinin bu koruma işlevine ek olarak ayrıca kepçe

aşıntı plakaları da koruma sağlar.

Kepçe diş açısı ve kazış açısı, kepçe dolum sürecinde, doluşu ve enerji

tüketimini belirleyen ana etmenlerdir. Ayar çubukları ile kazış açısı aşağı yukarı

ayarlanırken, diş açısı da buna bağlı olarak kendiliğinden ayarlanmış olur. Amaç

en yüksek kesme kuvveti elde etmek için olabildiğince büyük diş açısına

ulaşmaktır; ancak bu açı öyle ayarlanır ki kabul edilebilir bir aşınma düzeyi için

de uygun bir kepçe ökçe kolanı açıklığı bırakılır. Diş açısı ile ökçe kolanı

açıklıkları dengeli olmalıdır, (Anon. a, 2005).

Kepçe doluş çarpanı değerini yükseltmek için geniş ağızlı ve büyük

hacimli kepçeler kullanılması önerilmektedir, (Kahle, 1990). Kepçe doluş

çarpanı bir bakıma malzeme akış kolaylığını gösterir. Ancak, kepçenin tasarım

ve yapısı da kepçe doluş oranını arttırıp eksiltebilir. Ocak koşullarına göre

üretilmiş ısmarlama kepeler, iyi parçalanmış kayaç koşullarında, % 100 - % 120

ve ötesi doluş yüzdelerine ulaşabilirler, (Anon. b, 2003).

Tutamaksız kepçelerin yapılış amacı, yerkazı makinesinin kaya taşıtına yükleme

yüksekliğini arttırmak içindir. Gelişen dev kaya taşıtlarına ayak uydurabilmek

bakımından geliştirilmiştir. Elektrikli yerkazarların ömrü boyunca en az bir kez

kaya taşıtı filosu yenilenir. Bunu gözönünde tutarak, ileride daha büyük kaya

taşıtlarına geçilebileceğinden, tutamaksız kepçeleri yeğlemek ileriye dönük bir

kolaylık olabilir.

İşletme ve kayaç koşullarına uygun seçilmiş, keskin kepçe dişleri olan

bakımlı, ve yüklediği araca uyumlu kepçeler makineleri daha verimli ve üretken

kılar. Kazı döngü süreleri kısalır. Kepçe itiş ve kaldırış devinimini eşgüden

düzenekler, kepçenin doluşunu içindeki malzemenin ağırlığını algılayıp uyaran

düzenekler, daha hızlı dönüş motorları ya da üçüncü bir dönüş motoru konması,

kazı aynasına doğru yanaşımı ve doğru kazı izgesini sağlayıcı sistemler iş

döngüsünün kazı ve öteki bölümlerini kısaltarak döngüyü önemli ölçüde

kısaltmaya katkıda bulunabilir, Fiscor, (2007). Bu düzenekler kepçenin dolayısı

ile yerkazarın başarımını arttırabilir. Nitekim, bu tür sistemlerin bazıları yeni

kuşak makinalarda kullanılmaya başlamıştır; bunlar, P&H OptiDig®, P&H

LoadWeigh® gibi optimum kazı ve yük ölçüm sistemleri, üçüncü bir dönüş

motoru ve dişli kutusu gibi donanımlardır.

Gerek yerkazar üreticisinin, gerekse araştırma-geliştirme kuruluşlarının ve

işletmelerin tüm çabası her kepçe içindeki yararlı yükün bir kaç ton

arttırılabilmesi içindir. Yapımcı firmaların geliştirdikleri yeni tip kepçeler

araştırma kurumlarında 1/25 ölçeğinde modelleri yapılarak deney evinde

özellikleri, dolma süreleri, ton başına enerji tüketimleri, aşınma gibi özelikleri

denemektedir, (Fiscor, 2005). Fiscor’un yazdıklarına göre uygunlaştırılmış

(optimized) kepçelerde yararlı yük ve başarım artışı maden işletmelerince de

doğrulanmıştır.

KAYNAKLAR

Anon. a, 2005; Peak Performance Practices, Dippers, P&H MinePro Services,

Milwaukee, USA.

Anon. b, 2003; Yüksek Başarım Uygulamaları, Yerkazar Seçkisi, P&H MinePro

Services, Milwaukee, USA.

Anon. c, 2006; P&H Dipper Fact Sheet, Milwaukee, USA.

Anon. d, 2005; P&H Dipper Analysis Guide, Milwaukee, USA.

Atkinson, T., 1986; Assesment of abrasive wear resistance potential in rock

excavation machinery, International Journal of Mining and Geological

Engineering, 1986, Vol.3, pp 151-163

Atkinson, T., 1992; Selection and sizing of mining equipment, Chapter 13.3.

pp.1311-1333, SME Mining Engineering Handbook 2nd

Ed., Vol2.SME,

Colorado, USA

Awuah-Offei, K., and Frimpong, S., 2006; Cable shovel digging optimization for

energy efficiency, Mechanism and Machine Theory, Vol. 42 (2007) pp.995-1006

Carter, A.R., 2008; GET Smart, Coal Age, June 2008, Vol.113, No.6, pp 44-46

Demirel, N. and Frimpong, S., 2007; Dragline dynamic modelling for efficient

Excavation, 20th International Mining Congress and Exhibition of Turkey-

IMCET 2007, Ankara, Turkey, pp. 265-276

Fiscor, S., 2005; Optimized dippers fine-tune shovel performance, Coal Age,

June 2005, pp 28-34. www.coalage.com

Fiscor, S., 2007; Productivity considerations for shovels and excavators, http://www.womp-int.com/story/2007vol16/story024.htm

Halatchev, R.A. And Knights, P.F., 2007; Spatial variability of shovel dig

performance, International Journal of Mining, Reclamation and Environment,

Vol.21, No.4, December 2007, pp 244-261

Kahle, M.B., 1990; Chapter 6. Productivity, SME Surface Mining 2nd

Ed., USA

http://books.smenet.org/Surf_Min_2ndEd/sm-ch06-sc14-ss00-bod.cfm

Kennedy, B.A., Editor, 1990 ; SME Surface Mining 2nd

Ed., USA

“http://books.smenet.org/Surf_Min_2ndEd/sm-ch06-sc14-ss00-bod.cfm”

Nilsen, B. et al, 2006; Abrasivity testing for rocks and soils, Tunnels and

Tunnelling International, April 2006; http://folk.ntnu.no/bnilsen/T&T part

2_0406.pdf

Özdemir, L., 2008; Cerchar Abrasivity Index physical property measurements,

Colorado School of Mines, Golden, USA;

http://www.mines.edu/academic/mining/research/emi07_physical_ property

Özdoğan, M., 2002; Elektrikli yerkazı makinalarının kazı gücü etkileyicileri ve

karşılaştırma ölçütleri, Madencilik, Cilt 41, Aralık 2002, s. 3-10.

Paterson, L.B., ve Özdoğan, M., 2001; Performance of the bigger, faster and

smarter new generation electric mining shovels, Türkiye 17. Uluslararası

Madencilik Kongresi ve Sergisi, s.237-242.

Patnayak, S. and Tannant, D.D., 2005; Performance monitoring of electric cable

shovels, International Journal of Mining , Reclamation and Environment,

Vol.19, No.4, pp 276-294.

Patnayak et al, 2008 ; Operator and dipper tooth influence on electric shovel

performance during oil sands mining, International Journal of Mining,

Reclamation and Environment, Vol.22, No.2, pp 120-145.

Sargent, F.R., 1990; Mining and Quarry Shovels Productivity and Costs, SME

Surface Mining 2nd

Ed.,USA, http://books.smenet.org/Surf_Min_2ndEd/sm-ch06-

sc04-ss00-bod.cfm

Shi, N., ve Joseph, T.G., 2005; Optimizing shovel dipper design for cutting soft

rock and soils, Türkiye 19. Uluslararası Madencilik Kongresi ve Sergisi, s.145-

151.

Singh, S.P. and Narendrula, R., 2006; Productivity indicators for loading

equipment, CIM Bulletin May 2006, Volume 1 No.3. Available online at: www.cim.org

Yaralı, O., 2008; Kayaçların delinebilirlik ve aşındırıcılıklarının belirlenmesi,

Türkiye 16. Kömür Kongresi ve madencilik Sergisi 26-28 mayıs 2008,

Zonguldak, Türkiye, s. 65-75.