Kayaç kazilabilirliğinin tayini için taşınabilir kayaç kesme deney aletinin geliştirilmesi
Development of a portable rock cutting rig to determine rock cuttability
Yazar: OSMAN CENK FERİDUNOĞLU
Danışman: PROF. DR. NUH BİLGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Disk keskiler = Disk cutters ; Kazı makineleri = Excavation machinery ; Kazı mekaniği = Excavation mechanic ; Kazılabilirlik = Excavatability

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. Bu tip makineler kullanılmadan önce kayaçların kesilebilirlik özellikleri çok iyi tespit edilmelidir. 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. Bu çalışmada taşınabilir, kolay kullanılabilir ve pahalı olmayan ve sonuçları güvenilir olan küçük boyutlu 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. TÜBİTAK Proje No: MİSAG-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.13 farklı kayaç numunesi üzerinde tam boyutlu doğrusal kazı setinde mini disk ve sabit kesit alanlı disk ile deneyler yapılmış sonuçlar geliştirilen kazı seti sonuçları ile karşılaştırılmış ve daha önceki çalışmalarda konik keskilerle aynı kayaçlar üzerinde yapılan deney sonuçları da veri tabanına eklenince yeni geliştirilen küçük boyutlu ve taşınabilir kazı setinin mekanize kazı makineleri için performans tahmininde belirli bir istatistiksel doğrulukla kullanılabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
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 specialists, 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: MİSAG-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.