Technische Universiteit Delft
Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie
P. Adrichem Constructief ontwerp van een trekbaggerlepel met trillende beitels voor de mineraalwinning. Doctoraalopdracht, Rapport 91.3.2860.GV, Sectie Grondverzet.
Uit de Niger-rivier in Mali moet een goudafzetting worden gewonnen, bestaande uit een dunne toplaag los zand/grind, dikte 0.4 m, goudgehalte 0.585 g/m³ met daaronder een relatief zeer dunne laag conglomeraat, dikte 0.15 m, goudgehalte 31 g/m³. Hieronder bevindt zich de bedrock (dalbodem). De maximale waterdiepte in het regenseizoen in de rivier bedraagt 4 m. In het droge seizoen heeft de rivier een geringe waterdiepte en kunnen banken droogvallen. De rivierbreedte bedraagt l à 2 km, afhankelijk van het seizoen. Wat betreft goudgehalte en snijkrachten heeft het conglomeraat de meeste aandacht.
In de eerste vierdejaars opdracht [rapport 90.3.2734.GV] is een filosofie ontwikkeld voor het innovatief ontwikkelen van het baggergedeelte van mineraalwinnings- en verwerkingswerktuigen.
In de tweede vierdejaars opdracht [rapport 91.3.2815.GV] zijn met behulp van deze ontwerpfilosofie een drietal principe-oplossingen gegenereerd voor het baggerdeel van het mineraalwinningswerktuig voor het concrete projekt in de Niger-rivier in Mali.
Op grond van verschillende beslissingscriteria is gekozen voor een werktuig, zie figuur l, bestaande uit:
één trekbaggerlepel met zuigmond en drijvende leiding, geschikt voor het winnen van het losse zand/grind; één trekbaggerlepel met trillende tanden, geschikt voor het winnen van het conglomeraat.
Beide werktuigen kunnen bevestigd worden aan de graafarm van een standaard graafmachine, die op een ponton geplaatst is tezamen met de IHC scheidingsinstallatie .
Figuur 1. Optimale baggermethode Mali-projekt.
Het zand/grind wordt op continue hydraulische wijze ontgraven. I.v.m. de bewegingsvrijheid tijdens het discontinu ontgraven van de graafmachine en constructieve problemen, die men tegenkomt bij een starre bevestiging van de zuigleiding, is gekozen voor een drijvende leiding. De baggerpomp is hierbij op/in het ponton geplaatst, waarbij de persleiding direct op de roterende zeeftrommel van de scheidingsinstallatie kan worden aangesloten. M.b.v. de baggerlepel wordt op mechanische discontinue wijze het conglomeraat ontgraven. Het gefragmenteerde conglomeraat dient in een hopper met breekinstallatie te worden gedesintegreerd alvorens het materiaal in de zeeftrommel kan worden geleid.
Afsteuning van de reaktiekrachten van de snij- en ontgravingskrachten worden met twee spudpalen en drie draden uitgevoerd. Voorwaarde is hierbij wel dat de verankeringsmiddelen optimaal moeten samenwerken. De draden worden bevestigd aan z.g. dodemansbedden, dit zijn verankeringspunten gemaakt van staal en bielzen in de rivierafzetting. Hiervoor is gekozen omdat met gewone ankers geen hoge houdkracht in het losse zand/grind verkregen kan worden. De dodemansbedden kunnen in het droge seizoen, wanneer de waterstand in de rivier laag is en er banken droogvallen, door de plaatselijke bevolking worden geconstrueerd/gefrabriceerd. Het werktuig kan nu gedurende het gehele jaar gebruik maken van deze verankeringspunten. Aan de hand van het mijnplan zullen de lokaties van de dodemansbedden vastgesteld moeten worden. Men mag er vanuit gaan dat na gebruik deze dodemansbedden niet verwijderd hoeven te worden.
Berekening van de reaktiekrachten op de spudpalen, ten gevolge van de snijkracht van 500 KN, toont aan dat deze snijkracht niet met behulp van spuds opgevangen kan worden.
Constructieve problemen, met name verkrijging van de houdkracht van de spuds, hebben er toe geleid dat naar een andere verankeringsmethode is uitgekeken. In figuur 2 is de nieuwe verankeringsmethode gegeven, waarbij duidelijk ook de nieuwe werkmethode naar voren komt. Het gehele werktuig zwenkt om de achterdraad waarbij, tijdens het discontinu ontgraven van het conglomeraat, de gehele snijkracht door de achterdraad wordt opgevangen. De zijdraden dienen ter positionering van het ponton en voor voorspanning op de achterdraad te zorgen, zodat een stabiel geheel ontstaat.
Figuur 2. Nieuwe verankerings- en werkmethode.
De hoofdontwerpstructuur, die in het rapport gevold wordt, bestaat uit het allereerst dimensioneren van het werktuig geschikt voor het snijden van het conglomeraat. Tweede stap is het dimensioneren van het werktuig of ontgravingsmiddel voor het winnen van het zand/grind.
De werkmethode bestaat uit het eerst op hydraulische wijze ontgraven van het zand/grind waarbij een bepaald gebied geschoond wordt, om vervolgens het conglomeraat trillend te snijden.
Het baggersysteem dient geschikt te zijn voor het voeden van een 3 module IHC jig. De maximale jig-toevoer, rekeninghoudend met 10% recirculatie, bedraagt circa 55 m³/h vaste stof.
De maximale hoeveelheid conglomeraat die gewonnen kan worden bedraagt ca. 30 m³/h. Hierbij is rekening gehouden met de cyclustijd en het verlies dat optreedt ten gevolge van zuiver snijden van het conglomeraat.
Indien trillend gesneden wordt, vindt er een reductie plaats van de benodigde snijkracht van ca. 60%. In dit geval van 1200 KN niet trillend snijden, naar 500 KN trillend snijden.
Naar het trilsysteem dat gebruik maakt van een servosysteem, om de gehele baggerlepel in trilling te brengen (zie figuur 3), gaat verreweg de voorkeur uit omdat dit systeem opgebouwd is uit standaard componenten.
Het servosysteem kan aangedreven worden door standaard equipment dat bij de geschikte standaard graafmachine (Caterpillar 245) als derde funktie standaard leverbaar is.
Het benodigde trilvermogen (215 KW) wordt in dit geval als maximaal leverbaar gezien. Uit de trilfrequentie (10 Hz) en de maximale beitelamplitude (2.4 mm) volgt een maximale snijsnelheid van 0.06 - 0.07 m/s voor het snijden van het conglomeraat.
Uitgaande van een maximale toevoer van ca. 55 m³/h aan de scheidingsinstallatie en 40% "oversize", dit is het gedeelte dat in de zeeftrommel wordt afgevoerd en waarin zich geen goud meer bevindt (steriel afval), dient het hydraulische systeem ca. 90 m³/h vaste stof te ontgraven.
De maximale toevoer aan de scheidingsinstallatie heeft tot gevolg dat men met een zeer lage snelheid (0.05 m/s) het zand/grind dient te ontgraven. In het rapport is het gehele hydraulische systeem gedimensioneerd. Er is tot de conclusie gekomen dat gezien de geringe maximale capaciteit van 90 m³/h, het op mechanische wijze verwijderen van het zand/grind de voorkeur heeft. Het hydraulische systeem vergt een te grote investering en is opgebouwd uit onderdelen die blood gesteld zijn aan een relatief hogere slijtage. Bovendien is de mate waarin mengselvorming optreedt niet met zekerheid te voorspellen en door plaatsing van de baggerpomp boven de waterlijn is deze niet zelf aanzuigend!
Nu wordt dus dezelfde baggerlepel gebruikt als bij het ontgraven van het conglomeraat. Door de beperkte inhoud (2.2 m³) van de bak dient enkele malen een graafcyclus uitgevoerd te worden.
Bij de verankering van het werktuig is bij de achterdraad gekozen voor een ingeschoren draad, waardoor de benodigde houdkracht van de lier en het draadoppervlak met 50% gereduceerd worden.
Door een voorspanning (120 KN) op de achterdraad te houden tijdens met name het snijden van het conglomeraat, wordt een acceptabele plaatsafwijking van maximaal 0.8 - 1 m. van het ponton verkregen.
De voorspanning op de achterdraad zal geleverd moeten worden door de twee voordraden tezamen. De krachten op de lieren zullen tijdens het zwenken van het het ponton voortdurend ingesteld en aangestuurd moeten worden. Het belang van een juiste instrumentatie is hierbij niet te onderschatten. Voor de dimensionering van de dodemansbedden is gekozen voor het plaatsen van een soort "kist", die gevuld dient te worden met het zand/grind, waardoor de houdkracht van het dodemansbed per eenheid van lengte verhoogd wordt. Doel van dit alles is om de totale lengte van de dodemansbedden te beperken.
Voor wat betreft de stabiliteit van het ponton is alleen gekeken naar het verticaal evenwicht. Wil men een uitspraak doen over de stabiliteit van het gehele werktuig, dan zal een uitgebreide calculatie benodigd zijn waarbij met name gekeken dient te worden naar wat de invloed is van het trillend snijden op de totale stabiliteit van het werktuig.
Een algemeen plan van het uiteindelijke ontwerp is afgebeeld in figuur 4. De totale kosten van het werktuig worden geschat op 4.5 miljoen gulden (excl. B.T.W.).
Figuur 4. Algemeen plan.
Bezien we de in de tweede opdracht gevonden principeoplossing, die als uitgangspunt van deze opdracht diende, en het uiteindelijke geconstrueerde werktuig, dan kan geconcludeerd worden dat in veel opzichten het ontwerp is verbeterd.
De aanzet hiertoe is geweest het niet kunnen toepassen van spudpalen, hetgeen pas bij de berekening en dimensionering van de verschillende
deelcomponenten naar voren is gekomen. Met name de verankeringsmethode heeft een stempel gedrukt op het uiteindelijke constructieve ontwerp van het mineraalwinningswerktuig.
Samenvattend kan gezegd worden dat het uiteindelijke ontwerp van het mineraalwinnings- en verwerkingswerktuig een aantal nieuwe aspecten in zich heeft, waarbij bestaande technieken en deelcomponenten, waaruit het baggersysteem opgebouwd is, als uitgangspunt hebben gediend.
