Oscillating Disc Cutter (ODC), klassik disk kəsicinin irəliləmə hərəkətinə idarə olunan eksantrik yüksək tezlikli salınım əlavə etməklə kəsici ilə süxur arasındakı fasiləsiz təması dövri yükləmə–boşaltma sikllərinə çevirən mexaniki süxur kəsmə üsuludur. Bu tədqiqatda ODC-nin süxuru parçalama davranışı nəzəri kinematik model, LS-DYNA əsaslı SPH–FEM simulyasiyası və Linear Cutting Machine laboratoriya təcrübələri ilə araşdırılmışdır. Simulyasiya modeli qırmızı qumdaşında JHC material modelindən istifadə etməklə qurulmuş və həm nəzəri qüvvə proqnozları, həm də eksperimental kəsmə qüvvələri ilə təsdiqlənmişdir. Sayısal model ilə nəzəri qüvvələr arasındakı orta xəta %8,89; laboratoriya təcrübələri ilə müqayisədə ən yüksək nisbi xəta isə %15,14 olaraq bildirilmişdir.

Mənbə tədqiqatın nəticələrinə görə ODC, fasiləsiz təmaslı ənənəvi disk kəsici ilə müqayisədə orta kəsmə yüklərini nəzərəçarpacaq dərəcədə azaltmışdır. Nəticələr bölməsində orta yuvarlanma, yanal və normal qüvvələrdə müvafiq olaraq təxminən %70,9, %59,4 və %67,9 azalma bildirilmişdir. Araşdırılan parametr məkanında ən aşağı xüsusi enerji 1,30 MJ/m³ ilə `e = 5 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` şəraitində əldə edilmiş; bu qiymət ən yüksək eksantriksiz istinad sərfinə nisbətən təxminən %78,08 enerji azalmasına uyğun gəlmişdir. Lakin daha böyük eksantriklik pik zərbə yüklərini artıra bildiyindən minimum enerji sərfi ilə minimum mexaniki yüklənmə eyni iş nöqtəsi deyildir.

Tədqiqat problemi

Roadheader və oxşar yeraltı qazıntı maşınlarında ənənəvi kəsici alətlər sərt süxurda yüksək sıxma qüvvələri, sürtünmə, zərbə və aşınma altında işləyir. Süxurun sərtliyi artdıqca ucluğun aşınması sürətlənir və vahid qazıntı həcminə tələb olunan enerji yüksəlir.

Tədqiqatın çıxış nöqtəsi kövrək süxurların dartılma möhkəmliyinin sıxılma möhkəmliyindən xeyli aşağı olmasıdır. Undercutting yanaşması süxuru yalnız birbaşa əzmək əvəzinə sərbəst səthə doğru dartılma və əyilmə gərginlikləri yaradaraq parçalamağı hədəfləyir. ODC bu yanaşmanı eksantrik salınım vasitəsilə daha dinamik edir.

Salınımlı Disk Kəsici Necə İşləyir?

ODC-də disk kəsicinin mərkəzi sabit düzxətli yol izləmək əvəzinə irəliləmə istiqamətindəki hərəkətə eksantrik fırlanma hərəkəti əlavə edir. Beləliklə, kəsici bir salınım siklinin yalnız müəyyən hissəsində süxurla təmas edir; sonra qısa müddətə süxurdan ayrılır və növbəti sikldə yenidən təmas edir. Bu hərəkət fasiləsiz sıxma əvəzinə təkrarlanan zərbə, çat böyüməsi və gərginliyin boşalması yaradır.

Kinematik model

Kəsicinin eksantrik mərkəzinin hərəkəti mənbə tədqiqatda aşağıdakı kimi müəyyən edilmişdir:

\[ \theta(t)=\omega t \]

\[ X_O(t)=vt+e\sin(\omega t) \]

\[ Y_O(t)=e\cos(\omega t) \]

Burada \(e\) eksantriklik, \(v\) irəliləmə sürəti, \(\omega\) bucaq sürəti və \(t\) zamandır.

Tədqiqat iki ölçüsüz parametr müəyyən edir:

\[ R_e=\frac{e}{a} \]

\[ R_v=\frac{v}{\omega e} \]

\(R_e\), eksantrikliyin disk radiusuna nisbətini; \(R_v\) isə xətti irəliləmə ilə salınımlı hərəkət arasındakı əlaqəni ifadə edir.

Rv Nisbəti Niyə Vacibdir?

Mənbə tədqiqata görə \(R_v \geq 1\) olduqda kəsici süxurla əsasən fasiləsiz təmasda davranır və klassik undercutting rejiminə yaxınlaşır. \(0 \leq R_v \leq 1\) intervalında isə disk hər salınım siklində süxurdan dövri şəkildə ayrılır. Bu ayrılma ODC-nin xarakterik zərbəli yükləmə–boşaltma mexanizmini yaradır.

Buna görə tədqiqatın əsas simulyasiyaları əsasən \(0 \leq R_v \leq 1\) intervalında aparılmış, müqayisə məqsədilə fasiləsiz təmaslı \(R_v > 1\) vəziyyəti də istifadə olunmuşdur.

Araşdırılan hərəkət parametrləri

Parametrik tədqiqat üç əsas dəyişən üzərində qurulmuşdur:

• Eksantriklik, e: təxminən 0–7 mm intervalındakı hallar.
• İrəliləmə sürəti, v: əsas parametrik təhlillərdə təxminən 120–180 mm/s.
• Salınım tezliyi, f: əsasən 30, 45 və 60 Hz.

Əsas mühəndislik intervalı üçün 1–5 mm eksantriklik və 30–60 Hz tezlik seçilmişdir. Müəlliflər 5 mm-dən böyük eksantrikliyin yüksək tezlikdə laboratoriya təcrübələrində ciddi struktur vibrasiyası və podşipnik zədələnməsi riski yarada bildiyini bildirirlər. Buna görə 6 və 7 mm şərtləri optimal iş nöqtəsi deyil, sərhəd davranışını araşdırmaq üçün nəzarət halları kimi qiymətləndirilmişdir.

Kəsici–süxur təmas mexanikası

ODC-nin bir siklində disk əvvəlcə əvvəlki siklin qoyduğu səthlə təmas edir. Disk irəlilədikcə təmas qövsü böyüyür, süxurun daxilində gərginlik sahəsi inkişaf edir və kəsici müəyyən bucağa çatdıqda süxur səthindən ayrılır.

Tədqiqat bu təmas sahəsini yarım təmas bucağı \(\psi\), ani istiqamətlənmə və təmas qövsü ilə müəyyən edir. Nəzəri yanaşma kiçik eksantriklik və aşağı \(R_v\) şəraitində qüvvələr üçün analitik təxmini ifadələr verir; lakin müəlliflər bu düsturların iri qırılmaları, yüksək deformasiya sürətlərini və real süxur qoparma proseslərini təkbaşına təmsil edə bilmədiyini vurğulayırlar.

Niyə SPH–FEM birlikdə istifadə edildi?

Süxur kəsilməsində çatlar böyüdükcə klassik sonlu element toru həddindən artıq deformasiyaya uğraya bilər. Əksinə, yalnız SPH istifadə etmək bütün model üzrə hesablama xərcini artıra bilər. Tədqiqatda iki üsulun üstünlükləri birləşdirilmişdir.

• FEM: Kiçik deformasiyalı uzaq süxur sahələri və sərt disk kəsici.
• SPH: Kəsiciyə yaxın intensiv qırılma, parçalanma və böyük deformasiya sahəsi.

Kəsici ilə SPH süxur sahəsi arasındakı qarşılıqlı təsir avtomatik node-to-surface təmas üsulu ilə modelləşdirilmişdir.

Süxur material modeli

Süxur üçün Johnson–Holmquist–Concrete (JHC) modeli istifadə edilmişdir. Model təzyiqdən asılı möhkəmliyi, deformasiya sürətinin təsirini və zədələnmənin təkamülünü birlikdə nəzərə alır.

Zədələnmə dəyişəni \(D\) təxminən 0 olduqda süxur sağlam, \(D\) təxminən 1-ə çatdıqda isə tam zədələnmiş qəbul edilir.

Simulyasiyalarda istifadə olunan qırmızı qumdaşının eksperimental bir oxlu sıxılma möhkəmliyi 26,45 MPa, Young modulu 12,5 GPa, sıxlığı 2325 kg/m³ və Poisson əmsalı 0,36 olaraq verilmişdir.

JHC modeli necə kalibrləndi?

50 mm diametrli və 100 mm hündürlüklü standart qumdaşı nümunələri 0,5 mm/dəqiqə yerdəyişmə sürətində bir oxlu sıxılma sınağına məruz qoyulmuşdur.

Eksperimental orta UCS qiyməti 26,45 MPa, sayısal modelin proqnozu isə 26,23 MPa olmuşdur. Aradakı nisbi fərq təxminən %0,84-dir. Sayısal gərginlik–deformasiya əyrisinin elastik hissə və pik möhkəmlik baxımından təcrübə ilə uyğun olduğu göstərilmişdir.

Sayısal model həndəsəsi

Süxur bloku 200 × 200 × 50 mm ölçülərində modelləşdirilmişdir. Disk kəsicinin diametri 100 mm, hündürlüyü 20 mm və paz bucağı 60°-dir.

Süxur üçün 3 mm tor ölçüsü seçilmişdir. Tor həssaslığı təhlilində 4,5 mm-dən 2,0 mm-ə qədər qətnamələr sınaqdan keçirilmiş; daha kiçik elementlər dəqiqliyi müəyyən qədər artırsa da hesablama müddətini 24 saatdan yuxarı qaldıra bildiyinə görə 3 mm qətnamə dəqiqlik–hesablama xərci tarazlığı kimi seçilmişdir.

Laboratoriya doğrulaması

Sayısal model tədqiqatçıların hazırladığı yüksək sərtlikli Linear Cutting Machine istifadə edilərək doğrulanmışdır. Kəsicinin salınımı ağır xidmət tipli servo mühərriklə, süxurun irəliləməsi isə AC servo idarə olunan kürəcikli vint sistemi ilə təmin edilmişdir.

Qüvvə məlumatları 5 kHz nümunələmə tezliyində qeydə alınmış və hər kəsmə vəziyyəti süxur heterogenliyinin təsirini azaltmaq üçün üç dəfə təkrarlanmışdır.

16 Hz-də eksperimental orta kəsmə qüvvəsi 3,50 ± 0,11 kN, simulyasiya nəticəsi 4,03 kN olub nisbi xəta %15,14-dür. 20 Hz-də eksperimental qiymət 3,45 ± 0,14 kN, sayısal nəticə 3,88 kN və xəta %12,46-dır.

Simulyasiya həmçinin laboratoriya təcrübələrində müşahidə olunan incə tozla daha iri kövrək süxur parçalarının birlikdə yarandığı parçalanma quruluşunu keyfiyyətcə də təkrar yaratmışdır.

Nəzəri doğrulama

SPH–FEM nəticələri analitik qüvvə modeli ilə də müqayisə edilmişdir. Araşdırılan doqquz halda nəzəri və sayısal yuvarlanma qüvvələri arasındakı orta fərq %8,89, ən yüksək fərq isə %16,8 olaraq bildirilmişdir.

Müəlliflər fərqi analitik modelin xətti və yarı-statik fərziyyələri ilə, SPH–FEM modelinin isə yüksək sürəti, ətaləti və qeyri-xətti süxur zədələnməsini birbaşa təmsil etməsi ilə izah edirlər.

Eksantrik Kəsmə Niyə Ənənəvi Disk Kəsmədən Daha Az Qüvvə Tələb Edir?

Ənənəvi disk kəsicidə süxurla təmas fasiləsizdir. Buna görə müqavimət qüvvələri davamlı toplanır. Tədqiqatda `e = 0 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` şəraitində yuvarlanma qüvvəsinin pik qiyməti 7,25 kN, orta qiyməti isə 4,58 kN olaraq verilmişdir.

`e = 3 mm` olduqda kəsici süxurla fasiləsiz təmas etmək əvəzinə yüksək tezlikli zərbə siklləri yaradır. Hər sikldə geri çəkilmə zamanı qüvvələr sıfıra yaxın qiymətlərə düşür. Beləliklə, fasiləsiz müqavimət yığılması əngəllənir.

Bu müqayisədə orta nəticə qüvvəsi təxminən 5,12 kN-dan 1,75 kN-a düşmüş və təxminən %66 azalmışdır. Buna qarşılıq pik yanal qüvvə 1,48 kN-dan 2,55 kN-a yüksəlmişdir. Bu nəticə ODC-nin orta yükləri azaldarkən yenidən təmas anındakı yanal zərbələri artıra biləcəyini göstərir.

Üç mərhələli süxur qırma sikli

Mənbə Şəkil 16 bir eksantrik kəsmə siklini üç mexaniki mərhələ ilə göstərir:

1. Pik yükləmə: Kəsici ucunun altında intensiv gərginlik konsentrasiyası yaranır.
2. Zədələnmənin irəliləməsi: Gərginlik sahəsi böyüyür və mikroçatların süxur daxilində yayılması baş verir.
3. Gərginliyin boşalması: Süxur parçası ayrıldıqda kəsici geri çəkilir və lokal gərginlik sürətlə azalır.

Müəlliflərin şərhinə görə bu sikl kəsicinin qarşısında fasiləsiz sıxılmış əzilmə nüvəsinin yaranmasını məhdudlaşdırır və süxurda toplanan deformasiya enerjisinin hər sikldə qismən sıfırlanmasına imkan verir.

Eksantriklik Artıqca Kəsmə Qüvvəsi Fasiləsiz Azalırmı?

Xeyr. Orta qüvvələr müəyyən intervala qədər azalır, lakin pik qüvvələr xətti davranmır. 60 Hz və 120 mm/s şəraitində orta yuvarlanma qüvvəsi `e = 0 mm` üçün 4,58 kN-dan `e = 5 mm` üçün təxminən 1,14 kN-a qədər azalmışdır.

Buna qarşılıq pik yuvarlanma qüvvəsi əvvəlcə azalır və təxminən e = 3 mm ətrafında minimuma çatdıqdan sonra daha yüksək eksantrikliklərdə yenidən artır. Tədqiqat bu U-formalı davranışı aşağı eksantriklikdə yükləmə–boşaltma üstünlüyünün dominant olması; yüksək eksantriklikdə isə təmas bucağı, yenidən giriş sürəti və ətalət qüvvələrinin güclənməsi ilə əlaqələndirir.

Buna görə ODC layihələndirilməsində “eksantriklik nə qədər böyükdürsə, bir o qədər yaxşıdır” yanaşması dəstəklənmir.

İrəliləmə sürətinin təsiri

`e = 3 mm` sabit saxlanıldıqda irəliləmə sürəti 120 mm/s-dən 180 mm/s-ə qaldırıldıqda kəsicinin hər salınımda qarşılaşdığı süxur həcmi artır.

Bu intervalda:

• Orta yuvarlanma qüvvəsi təxminən %29,10 artmışdır.
• Orta normal qüvvə təxminən %36,67 artmışdır.
• Orta yanal qüvvə təxminən %28,57 artmışdır.

Daha yüksək irəliləmə eyni vaxtda daha çox süxur qopara bilər; lakin ani yükləri və alət üzərində yaranan mexaniki gərginliyi də artırır.

Salınım Tezliyi Artanda Nə Baş Verir?

Tədqiqatda 30 Hz-dən 60 Hz-ə qaldırıldıqda hər sikldə təmas müddəti və fərdi süxura daxilolma dərinliyi azalır, lakin vahid zamanda daha çox yükləmə sikli yaranır. Bu quruluş həm orta, həm də pik qüvvələri azaltmışdır.

`e = 3 mm` şəraitində tezlik 30 Hz-dən 60 Hz-ə qaldırıldıqda orta yuvarlanma qüvvəsi 2,22 kN-dan 1,57 kN-a, yəni təxminən %29,3 azalmışdır. Orta normal qüvvə 1,53 kN-dan 1,08 kN-a düşmüşdür. Pik nəticə qüvvəsi isə 9,09 kN-dan 6,62 kN-a geriləmişdir.

Müəlliflər yüksək tezliyin iki təsirini vurğulayırlar: fasiləsiz müqavimət yığılması üçün daha az vaxt qalması və təkrarlanan zərbələrin mikroçat böyüməsini sürətləndirməsi.

Xüsusi Enerji Nədir?

Xüsusi enerji (Specific Energy, SE), vahid süxur həcmini parçalamaq üçün sərf olunan mexaniki enerjini göstərir. Daha aşağı SE daha səmərəli süxur qırılması deməkdir.

Tədqiqatda:

\[ SE=\frac{W}{V} \]

və daha ətraflı olaraq:

\[ SE= \frac{\int_0^t F_r(\tau)v(\tau)d\tau} {A \cdot w} \times 10^3 \]

şəklində hesablanmışdır.

Burada \(F_r\) ani yuvarlanma qüvvəsi, \(v\) ani kəsmə sürəti, \(A\) parçalanmış kəsik sahəsi və \(w\) model qalınlığıdır.

Enerji nəticələri

Eksantriksiz S1 və S5 hallarında xüsusi enerji müvafiq olaraq təxminən 5,73 və 5,93 MJ/m³ olaraq tapılmışdır.

Eksantrik halların böyük hissəsi isə təxminən 1,30–3,37 MJ/m³ intervalındadır.

Ən aşağı xüsusi enerji:

• e = 5 mm
• v = 120 mm/s
• f = 60 Hz
• Re = 0,1
• Rv = 1/(5π)
• SE = 1,30 MJ/m³

şəraitində əldə edilmişdir.

Bu qiymət tədqiqatdakı ən yüksək eksantriksiz SE qiymətinə nisbətən təxminən %78,08 azalmaya uyğun gəlir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Əsas təcrübə və simulyasiya zənciri

Ənənəvi kəsici ilə ODC müqayisəsi

Mənbədə bildirilən əsas qazanclar

Optimal anlayışının sərhədi

Məqalədə “optimal” kimi müəyyən edilən `Re = 0,1` və `Rv = 1/(5π)` kombinasiyası fasiləsiz riyazi qlobal optimallaşdırma nəticəsində tapılmamışdır. SPH–FEM hesablamalarının yüksək xərci səbəbindən fiziki olaraq tətbiq oluna bilən parametr məkanında sistematik grid search aparılmışdır.

Buna görə mənbədə göstərilən iş nöqtəsi sınaqdan keçirilən kombinasiyalar arasında güclü bir yerli optimum kimi qiymətləndirilməlidir.

Sahə tətbiqində məhdudiyyətlər

Tədqiqatdakı kəsici sərt cisimdir və alət aşınması modelləşdirilməmişdir. Süxur mühiti homogen qəbul edilmişdir; təbii çatlar, laylanma, fasiləsizliklər və heterogen mineral quruluşu birbaşa modelə daxil edilməmişdir.

Real süxur massivlərində bu amillər kəsmə müqavimətini və çat trayektoriyasını dəyişə bilər. Müəlliflər bu sadələşdirmələrin enerji səmərəliliyi və alət ömrü proqnozlarını optimist edə biləcəyini açıq şəkildə bildirirlər.

Tam miqyaslı TBM və ya roadheader-a birbaşa ötürülə bilərmi?

Tək kəsicili laboratoriya miqyasında əldə edilən faiz qazanclarının tam ölçülü TBM və ya roadheader sisteminə eyni nisbətlərdə ötürüləcəyi göstərilməmişdir. Böyük miqyaslı sistemlərdə çoxsaylı kəsicilər arasındakı gərginlik qarşılıqlı təsiri, süxur massivi fasiləsizlikləri, ətraf təzyiqi, daşıyıcı struktur vibrasiyası və podşipnik yorğunluğu nəticələri dəyişə bilər.

Bununla belə, tədqiqatın əsas yükləmə–boşaltma mexanizminin daha böyük miqyasda da fiziki baxımdan keçərli ola biləcəyi irəli sürülür.

Sənaye layihələndirmə problemləri

Yüksək tezlikli eksantrik ötürücü yalnız üstünlüklər yaratmır. Tədqiqatda üç mühüm mühəndislik problemi vurğulanır:

• Kəsici başlığına və əsas podşipniklərə ötürülən əks qüvvələri məhdudlaşdırmaq üçün güclü vibrasiya izolyasiyası tələb olunur.
• 60 Hz-ə qədər fasiləsiz sikllər val və podşipnik yuvalarında yorğunluq riski yarada bilər.
• Eksantrik mexanizmin əlavə güc tələbi vardır; ümumi sistem qazancı ilkin itələmə və fırlanma momentinin azalması ilə birlikdə qiymətləndirilməlidir.

Gələcək tədqiqat

Müəlliflər real tunel görüntülərindən çatlı və heterogen SPH süxur modelləri yaradan Vision-to-Physics yanaşması üzərində işlənildiyini bildirirlər. Bundan əlavə, geoloji şəraitə uyğun olaraq ODC parametrlərini real vaxtda tənzimləyən maşın görməsi əsaslı trayektoriya və hərəkət idarəetmə sistemləri planlaşdırılır.

Növbəti kritik doğrulama mərhələsi inteqrə olunmuş modelin tam miqyaslı sahə kəsmə təcrübələri ilə müqayisəsidir.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Numerical Investigation of Rock-Cutting Mechanics and Energy Efficiency of an Oscillating Disc Cutter.

Müəlliflər: Yuxuan Zhang, Huijun Liang, Zhibin Li, Zhipeng Fang və Bijuan Yan. Məsul müəllif Bijuan Yan-dır.

Qurumlar: School of Mechanical Engineering və School of Vehicle and Traffic Engineering, Taiyuan University of Science and Technology; Weishi Heavy Industry Co., Ltd.

Nəşr: Machines, 2026, 14, 829. MDPI.

DOI: 10.3390/machines14070829

Nəşr prosesi: 13 iyun 2026-cı ildə qəbul edilmiş, 5 iyul 2026-cı ildə yenidən işlənmiş, 13 iyul 2026-cı ildə qəbul edilmiş və 21 iyul 2026-cı ildə dərc olunmuşdur.

Rəyçilik: Rəyli tədqiqat məqaləsidir.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Maliyyələşdirmə: Taiyuan University of Science and Technology Scientific Research Initial Funding, Grant No. 20252092; Datong City Science and Technology Achievement Transformation Project, Grant No. 2025055.

Məlumatların əlçatanlığı: Məlumatların məsul müəllifdən tələb oluna biləcəyi bildirilmişdir.

Maraqların toqquşması: Zhibin Li və Zhipeng Fang, Weishi Heavy Industry Co., Ltd. əməkdaşlarıdır. Digər müəlliflər kommersiya və ya maliyyə maraqlar toqquşması olmadığını bəyan etmişlər. Maliyyələşdirən qurumların tədqiqat dizaynı, məlumatların təhlili, şərh, yazı və ya nəşr qərarında rol oynamadığı bildirilmişdir.

Əsas metodoloji məhdudiyyətlər: Kəsici sərt cisim qəbul edilmişdir; proqressiv alət aşınması modelləşdirilməmişdir. Süxur homogen mühit kimi götürülmüşdür. Təbii çat və laylanma kimi fasiləsizliklər nəzərə alınmamışdır. Grid search ilə tapılan optimum fasiləsiz parametr məkanının riyazi qlobal optimumu deyil. Tək kəsicili laboratoriya miqyasında əldə edilən enerji qazancları tam miqyaslı TBM və ya roadheader-a birbaşa eyni faizlə ümumiləşdirilə bilməz.