Technische Universiteit Delft
Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie
M. Ozgen Functioneel ontwerp van een portaalschraper voor kolen.
Doctoraalopdracht, Rapport 99.3.TT.5159, Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek.
Voor het afgraven van weinig abrassieve bulkgoederen als steenkool en kunstmest uit opslaghopen worden speciale machines ontworpen. Schrapers zijn de meest voorkomende afslagmachines (reclaimers) voor het afgraven van dit soort materialen. Schrapers worden onder andere ontworpen door de firma Stork RMO B.V.
Door het beëindigen van de kolenmijnbouw in Duitsland en Engeland neemt de stroom importkolen via Nederlandse havens toe. Hiervoor moeten de capaciteiten van de overslagbedrijven uitgebreid worden om zo hoog mogelijk doorzet per jaar te realiseren. De grote capaciteiten worden met name gevonden door toename van de breedte van de velden. Daardoor moeten de afmetingen van de afslagmachines aanzienlijk vergroot worden. In dit rapport wordt een functioneel ontwerp van een afslagmachine, geschikt voor de velden met een breedte van 70 meter, behandeld. Als
ontwerpconcept wordt uitgegaan van een portaalschraper met een vaste arm en een afvoer via een hooggelegen transportband met een capaciteit van 2000 m3 per uur. Dit concept wordt gemaakt op basis van volgende belangrijke kenmerken van de portaalschraper tot andere afslagwerktuigen:
Mogelijkheid om langs de hopen te rijden. Lage fabricage- en onderhoudskosten Automatisch en onbemande bedrijfvoering
Deze karakteristieke eigenschappen van de portaalschraper kunnen voordelen opleveren bij het rangschikken met andere afslagmachines. Het zijn bovendien betrouwbare machines voor het doseren en homogeniseren van het stortgoed in een open opslagplaats.
Om een goed beeld te krijgen over de functionaliteit van het gekozen concept wordt de functionering van de portaalschraper getoetst. Hiervoor werd het Overslagbedrijf Amsterdam (OBA) als voorbeeld gekozen. Na de berekening van de bezettingsgraden van de machines bij OBA blijkt dat gekozen capaciteit (2000 m3 per uur) eigenlijk te laag is voor de verwachte kolenstroom bij OBA. Hiernaast is ook het afgraven van de hopen aan de frontzijde en aan de zijkant van een hoop vergeleken. Het blijkt dat afgraven aan de frontzijde van de hoop betere resultaten oplevert t.a.v. capaciteit van het
opslagterrein. Hierbij moet opgemerkt worden dat afslagmachines die niet langs de hopen kunnen rijden, niet gebruikt kunnen worden bij de overslagbedrijven.
Voor dit rapport is er van uitgegaan dat de portaalschraper alleen kolen zal afgraven. Het afgraven van andere materialen zal voor het ontwerp van de portaalschraper geen gevolgen hebben. Wel zal bij het afgraven van een andere materiaal als gevolg van een andere dichtheid de capaciteit van de schraper veranderen of een afwijkend te installeren vermogen vragen voor de schraperketting.
De staalconstructie voor de schraper wordt ontworpen in overeenstemming met ISO 5049/1 "Mobile continuous bulk handling equipment rules, for the design of structures". Indien ISO 5049/1 niet in richtlijnen voorziet, wordt gebruik gemaakt van DIN- en NEN normen.
De belastingen die op een portaalschraper in rekening worden gebracht zijn voor een groot deel afkomstig uit de eigen gewichten van de staalconstructies. Het bijkt dat de totale graafkrachten een heel klein deel van de totale belastingen vormen, nl. kleiner dan 10%. De portaalschraper wordt hiermee beschouwd als een overwegend statisch belaste constructie.
De capaciteit van een portaalschraper wordt bepaald door de hoeveelheid materiaal die de bladen tegenkomen op hun schraapweg van bovenaan de pile tot onderaan de pile. Als men begint met het afgraven van een pile dan zal slechts een gedeelte van de schraperarm in contact komen met het materiaal in opslag. Naarmate men de schraperarm geleidelijk meer naar beneden laat zakken zal een steeds grotere lengte van de schraperarm in contact komen met het materiaal in opslag. Voor meer duidelijkheid zie hierna weergegeven figuur.
Portaalschraper aan het werk
In de praktijk blijkt dat de belastingen uit het gewicht van de bladen 35 à 40% van de totale belastingen op een schraperarm vormen. Daarom wordt bij het ontwerp geprobeerd om een zo licht mogelijk blad te bereiken. Om een lichter blad te bereiken wordt een afgraafprincipe gekozen waarbij volle bladbreedte en hoogte in alle standen van de arm benut kunnen worden.
Schraperkettingen worden in het algemeen aangedreven met kortsluitanker motoren met vloeistofkoppeling. Vanwege de schokkende beweging van de ketting en grote massatraagheid van het systeem wordt de tandwielkast zwaar belast. Om de schokkende beweging te dempen worden vloeistofkoppeling en grote kettingwielen toegepast. In de praktijk blijkt dat de vloeistofkoppeling niet zo veel dempend effect heeft en de toepassing van een groter wiel betekent een groter aandrijfmoment, grotere tandwielkast en dus duurdere constructie.
Om bovengenoemde reden worden voor de aandrijving van de schraperketting twee langzaamdraaiende hydromotoren gekozen. Deze motoren zijn licht en bestand tegen de schokkende beweging van het kettingwiel. Een bijkomend voordeel van de hydraulische aandrijving is het variabele toerental.
Zoals hiervoorn is beschreven, wordt er als ontwerpconcept uitgegaan van een portaalschraper met een vaste arm. Voor het liggerconcept wordt in dit rapport een vakwerkconstructie gekozen. De keuze wordt gemaakt op basis van volgende vier belangrijke criteria:
Stijfheid en sterkte overweging Minimale gewicht
Vervuiling
Fabricage- en onderhoudkosten De lengte van de schraperarm wordt grotendeels bepaald door de breedte van het veld. De plaats van het ophangpunt van de arm wordt zodanig bepaald dat door het optredende maximale spanning op het ophangpunt én het middelpunt tussen ophangpunt en armdraaipunt op het portaal ongeveer gelijk blijven. Ter plaatse van de armdraaipunt is de vorm van de arm vooral bepaald door de kettingloop. Dit moet zo gebeuren dat de kettinglengte in elke stand van de arm gelijk blijft. De hoogte en de breedte van de arm worden grotendeels bepaald door omleidwielen en de breedte van het schraperblad. De afmetingen van de diagonalen zijn afhankelijk van de veldlengte en maximale kniklast. De keuze van de minimale doorsnede van de randstaven van de schraperarm werd gemaakt met behulp van toelaatbare spanningen.
De schraperarm wordt gedragen door een A-vormige portaalconstructie. De vorm van het portaal wordt bepaald door de doorsnede van het opslagveld. Er is geprobeerd om een portaal met zo laag mogelijk gewicht te construeren, binnen de grenzen die in de normen gesteld worden door de eisen t.a.v. stijfheid, sterkte en instabiliteit. Om het gewicht van het portaal te minimaliseren werd bij het ontwerp een verloop van de plaatdiktes meegenomen. Voor de controleberekening van de ontworpen staalconstructie werd het eindige elementen pakket ANSYS 5.4 gebruikt. Een eindige elementen pakket geeft de mogelijkheid om de spanningen en vervormingen met een groter nauwkeurigheid te berekenen.
De staalconstructie wordt gedimensioneerd voor twee soorten staal, nl. Fe510 en Fe360. Na het uitvoeren van de eindige elementen berekening blijkt dat op het gewicht van de totale staalconstructie 30 ton bespaard kan worden door gebruik te maken van Fe510i.p.v. Fe360.
Uit deze studie blijkt dat de ontworpen portaalschraper alleen rendabel kan functioneren bij een voldoende opslagterrein, omdat hij de hoop niet aan de frontzijde kan afgraven. Er wordt dan ook aanbevolen een onderzoek te verrichten naar een ontwerp van een afslagmachine die ook aan de frontzijde kan afgraven.
Rapporten studenten Transporttechniek en Logistieke Techniek
