Oscillating Disc Cutter (ODC), классикалык диск кескичтин илгерилөө кыймылына башкарылуучу эксцентриктүү жогорку жыштыктагы термелүүнү кошуп, кескич менен тоо тектеринин ортосундагы үзгүлтүксүз тийишүүнү мезгилдүү жүктөө–бошотуу циклдерине айландыруучу механикалык тоо тек кесүү ыкмасы. Бул изилдөөдө ODCнин тоо текти бузуу жүрүм-туруму теориялык кинематикалык модель, LS-DYNA негизиндеги SPH–FEM симуляциясы жана Linear Cutting Machine лабораториялык эксперименттери менен изилденген. Симуляциялык модель кызыл кумташ үчүн JHC материалдык моделин колдонуу менен түзүлүп, теориялык күч божомолдору жана эксперименттик кесүү күчтөрү менен текшерилген. Сандык модель менен теориялык күчтөрдүн ортосундагы орточо ката %8,89; лабораториялык эксперименттер менен салыштыруудагы эң жогорку салыштырмалуу ката %15,14 деп билдирилген.

Булак изилдөөнүн жыйынтыктарына ылайык, ODC үзгүлтүксүз тийишкен салттуу диск кескичке салыштырмалуу орточо кесүү жүктөрүн олуттуу азайткан. Жыйынтык бөлүмүндө орточо тоголонуу, каптал жана нормал күчтөрдүн болжол менен %70,9, %59,4 жана %67,9 төмөндөшү билдирилген. Изилденген параметрлер мейкиндигинде эң төмөн өзгөчө энергия 1,30 MJ/m³ `e = 5 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` шартында алынган; бул мааниси эксцентриситетсиз эң жогорку эталондук сарптоого салыштырмалуу болжол менен %78,08 энергиянын азайышына туура келген. Бирок чоңураак эксцентриситет чокулук сокку жүктөрүн көбөйтө алгандыктан, минималдуу энергия сарптоо менен минималдуу механикалык күчтөнүү бир эле иш чекити эмес.

Изилдөө маселеси

Roadheader жана ушуга окшогон жер астындагы казуучу машиналарда салттуу кесүүчү шаймандар катуу тоо текте жогорку кысуу күчтөрү, сүрүлүү, сокку жана эскирүү шартында иштейт. Тоо тектин катуулугу өскөн сайын учтун эскириши тездетилип, казылган бирдик көлөмгө керектүү энергия көбөйөт.

Изилдөөнүн баштапкы негизи — морт тоо тектеринин созулуу бекемдиги кысуу бекемдигинен кыйла төмөн болушу. Undercutting ыкмасы тоо текти түздөн-түз жанчуу менен гана эмес, эркин бетке карай созулуу жана ийилүү чыңалууларын жаратып бөлүүнү көздөйт. ODC бул ыкманы эксцентриктүү термелүү аркылуу динамикалуураак кылат.

Термелүүчү Диск Кескич Кантип Иштейт?

ODCде диск кескичтин борбору туруктуу түз сызык бойлой жүрүүнүн ордуна илгерилөө багытындагы кыймылга эксцентриктүү айлануу кыймылын кошот. Ошентип, кескич термелүү циклинин белгилүү гана бөлүгүндө тоо текке тийет; андан кийин кыска мөөнөткө ажырап, кийинки циклде кайра тийишет. Бул кыймыл үзгүлтүксүз кысуунун ордуна кайталанган соккуну, жараканын өсүшүн жана чыңалуунун бошошун жаратат.

Кинематикалык модель

Кескичтин эксцентриктүү борборунун кыймылы булак изилдөөдө төмөнкүдөй аныкталган:

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

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

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

Бул жерде \(e\) — эксцентриситет, \(v\) — илгерилөө ылдамдыгы, \(\omega\) — бурчтук ылдамдык жана \(t\) — убакыт.

Изилдөө эки өлчөмсүз параметрди аныктайт:

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

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

\(R_e\) эксцентриситеттин диск радиусуна катышын, ал эми \(R_v\) түз сызыктуу илгерилөө менен термелүү кыймылынын ортосундагы байланыштын көрсөткүчүн билдирет.

Rv Катышы Эмне Үчүн Маанилүү?

Булак изилдөөгө ылайык, \(R_v \geq 1\) болгондо кескич тоо тек менен негизинен үзгүлтүксүз тийишүү режиминде иштеп, классикалык undercutting режимине жакындайт. \(0 \leq R_v \leq 1\) аралыгында болсо диск ар бир термелүү циклинде тоо тектен мезгил-мезгили менен ажырайт. Бул ажыроо ODCге мүнөздүү соккулуу жүктөө–бошотуу механизмин түзөт.

Ошондуктан изилдөөнүн негизги симуляциялары негизинен \(0 \leq R_v \leq 1\) аралыгында жүргүзүлүп, салыштыруу үчүн үзгүлтүксүз тийишкен \(R_v > 1\) абалы да колдонулган.

Изилденген кыймыл параметрлери

Параметрдик изилдөө үч негизги өзгөрмөгө негизделген:

• Эксцентриситет, e: болжол менен 0–7 mm аралыгындагы абалдар.
• Илгерилөө ылдамдыгы, v: негизги параметрдик талдоолордо болжол менен 120–180 mm/s.
• Термелүү жыштыгы, f: негизинен 30, 45 жана 60 Hz.

Негизги инженердик диапазон үчүн 1–5 mm эксцентриситет жана 30–60 Hz жыштык тандалган. Авторлор 5 mmден жогору эксцентриситет жогорку жыштыкта лабораториялык эксперименттерде олуттуу конструкциялык термелүүгө жана подшипниктин бузулуу коркунучуна алып келиши мүмкүн экенин белгилешет. Ошондуктан 6 жана 7 mm шарттар оптималдуу иш чекити эмес, чек аралык жүрүм-турумду изилдөөчү көзөмөл абалдары катары бааланган.

Кескич–тоо тек тийишүү механикасы

ODCнин бир циклинде диск алгач мурунку цикл калтырган бетке тийет. Диск илгерилеген сайын тийишүү жаасы чоңоёт, тоо тектин ичинде чыңалуу талаасы өнүгөт жана кескич белгилүү бурчка жеткенде тоо тек бетинен ажырайт.

Изилдөө бул тийишүү аймагын жарым тийишүү бурчу \(\psi\), учурдагы багытталуу жана тийишүү жаасы аркылуу аныктайт. Теориялык ыкма кичине эксцентриситет жана төмөн \(R_v\) шартында күчтөр үчүн аналитикалык жакындатылган туюнтмаларды берет; бирок авторлор бул формулалар ири сынууларды, жогорку деформация ылдамдыктарын жана чыныгы тоо текти алып салуу процесстерин өз алдынча толук бере албай турганын баса белгилешет.

Эмне Үчүн SPH–FEM Бирге Колдонулган?

Тоо тек кесүүдө жаракалар чоңойгон сайын классикалык чектүү элементтер тору ашыкча деформацияланышы мүмкүн. Ал эми жалгыз SPH колдонуу бүт модель боюнча эсептөө чыгымын көбөйтөт. Изилдөөдө эки ыкманын артыкчылыктары бириктирилген.

• FEM: Кичине деформациялуу алыскы тоо тек аймактары жана катуу диск кескич.
• SPH: Кескичке жакын күчтүү сынуу, майдалануу жана чоң деформация аймагы.

Кескич менен SPH тоо тек аймагынын өз ара аракеттенүүсү автоматтык node-to-surface тийишүү ыкмасы менен моделденген.

Тоо тек материалынын модели

Тоо тек үчүн Johnson–Holmquist–Concrete (JHC) модели колдонулган. Модель басымга көз каранды бекемдикти, деформация ылдамдыгынын таасирин жана бузулуунун өнүгүшүн бирге эске алат.

Бузулуу өзгөрмөсү \(D\) болжол менен 0 болгондо тоо тек бүтүн, \(D\) болжол менен 1ге жеткенде толук бузулган деп кабыл алынат.

Симуляцияларда колдонулган кызыл кумташтын эксперименттик бир октук кысуу бекемдиги 26,45 MPa, Young модулу 12,5 GPa, тыгыздыгы 2325 kg/m³ жана Poisson коэффициенти 0,36 деп берилген.

JHC Модели Кантип Калибрленген?

Диаметри 50 mm жана бийиктиги 100 mm болгон стандарттуу кумташ үлгүлөрү 0,5 mm/мүнөт жылыш ылдамдыгында бир октук кысуу сынагынан өткөрүлгөн.

Эксперименттик орточо UCS мааниси 26,45 MPa, сандык моделдин божомолу болсо 26,23 MPa болгон. Алардын ортосундагы салыштырмалуу айырма болжол менен %0,84 түзгөн. Сандык чыңалуу–деформация ийри сызыгынын серпилгич бөлүгү жана чоку бекемдиги боюнча экспериментке шайкештиги көрсөтүлгөн.

Сандык моделдин геометриясы

Тоо тек блогу 200 × 200 × 50 mm өлчөмүндө моделденген. Диск кескичтин диаметри 100 mm, бийиктиги 20 mm жана клин бурчу 60° болгон.

Тоо тек үчүн 3 mm тор өлчөмү тандалган. Тор сезгичтиги талдоосунда 4,5 mmден 2,0 mmге чейинки чечилиштер сыналган; майда элементтер тактыкты бир аз жогорулатса да эсептөө убактысын 24 сааттан ашыра алгандыктан, 3 mm чечилиш тактык–эсептөө чыгымы тең салмактуулугу катары тандалган.

Лабораториялык текшерүү

Сандык модель изилдөөчүлөр иштеп чыккан жогорку катуулуктагы Linear Cutting Machine аркылуу текшерилген. Кескичтин термелүүсү оор режимдеги сервомотор менен, ал эми тоо тектин илгерилөөсү AC серво башкарылган шариктүү винт системасы менен камсыздалган.

Күч маалыматтары 5 kHz үлгү алуу жыштыгында жазылып, ар бир кесүү абалы тоо тектин бир тектүү эместигинин таасирин азайтуу үчүн үч жолу кайталанган.

16 Hzде эксперименттик орточо кесүү күчү 3,50 ± 0,11 kN, симуляция натыйжасы 4,03 kN болуп, салыштырмалуу ката %15,14 түзгөн. 20 Hzде эксперименттик мааниси 3,45 ± 0,14 kN, сандык натыйжа 3,88 kN жана ката %12,46 болгон.

Симуляция лабораториялык эксперименттерде байкалган майда чаң менен чоңураак морт тоо тек бөлүктөрүнүн бирге пайда болушуна мүнөздүү майдалануу түзүлүшүн сапаттык жактан да кайталай алган.

Теориялык текшерүү

SPH–FEM натыйжалары аналитикалык күч модели менен да салыштырылган. Изилденген тогуз абалда теориялык жана сандык тоголонуу күчтөрүнүн ортосундагы орточо айырма %8,89, эң жогорку айырма болсо %16,8 деп билдирилген.

Авторлор айырманы аналитикалык моделдин сызыктуу жана жарым-статикалык божомолдору менен, ал эми SPH–FEM моделинин жогорку ылдамдыкты, инерцияны жана сызыктуу эмес тоо тек бузулуусун түздөн-түз чагылдыруусу менен түшүндүрүшөт.

Эксцентриктүү Кесүү Эмне Үчүн Салттуу Диск Кесүүгө Караганда Аз Күч Талап Кылат?

Салттуу диск кескичте тоо тек менен тийишүү үзгүлтүксүз болот. Ошондуктан каршылык күчтөрү үзгүлтүксүз топтолот. Изилдөөдө `e = 0 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` шартында тоголонуу күчүнүн чоку мааниси 7,25 kN, орточо мааниси болсо 4,58 kN деп берилген.

`e = 3 mm` болгондо кескич тоо тек менен үзгүлтүксүз тийишүүнүн ордуна жогорку жыштыктагы сокку циклдерин жаратат. Ар бир циклде артка чегинүү учурунда күчтөр нөлгө жакын маанилерге түшөт. Ошентип, каршылыктын үзгүлтүксүз топтолушу токтотулат.

Бул салыштырууда орточо жыйынтык күч болжол менен 5,12 kNдан 1,75 kNга төмөндөп, болжол менен %66 азайган. Ошол эле учурда чоку каптал күч 1,48 kNдан 2,55 kNга жогорулаган. Бул натыйжа ODC орточо жүктөрдү азайтып жатып, кайра тийишүү учурундагы каптал соккуларды күчөтүшү мүмкүн экенин көрсөтөт.

Үч баскычтуу тоо тек сындыруу цикли

Булактагы 16-сүрөт эксцентриктүү кесүү циклин үч механикалык баскыч менен көрсөтөт:

1. Чоку жүктөө: Кескич учунун астында күчтүү чыңалуу концентрациясы пайда болот.
2. Бузулуунун илгерилеши: Чыңалуу талаасы чоңоёт жана микрожаракалар тоо тек ичинде жайылат.
3. Чыңалуунун бошошу: Тоо тек бөлүгү ажыраганда кескич артка чегинип, жергиликтүү чыңалуу тез төмөндөйт.

Авторлордун түшүндүрмөсү боюнча, бул цикл кескичтин алдында үзгүлтүксүз кысылган майдалануу өзөгүнүн пайда болушун чектеп, тоо текте топтолгон деформация энергиясынын ар бир циклде жарым-жартылай нөлгө түшүшүнө шарт түзөт.

Эксцентриситет Көбөйгөн Сайын Кесүү Күчү Дайыма Азаябы?

Жок. Орточо күчтөр белгилүү аралыкка чейин төмөндөйт, бирок чоку күчтөр сызыктуу жүрбөйт. 60 Hz жана 120 mm/s шартында орточо тоголонуу күчү `e = 0 mm` үчүн 4,58 kNдан `e = 5 mm` үчүн болжол менен 1,14 kNга чейин төмөндөгөн.

Бирок чоку тоголонуу күчү адегенде азайып, болжол менен e = 3 mm айланасында минимумга жеткенден кийин жогорку эксцентриситеттерде кайра өсөт. Изилдөө бул U-түрүндөгү жүрүм-турумду төмөн эксцентриситетте жүктөө–бошотуу артыкчылыгы үстөм болушу; жогорку эксцентриситетте болсо тийишүү бурчу, кайра кирүү ылдамдыгы жана инерция күчтөрүнүн өсүшү менен байланыштырат.

Ошондуктан ODC долбоорлоодо “эксцентриситет канчалык чоң болсо, ошончолук жакшы” деген ыкма колдоого алынбайт.

Илгерилөө ылдамдыгынын таасири

`e = 3 mm` туруктуу кармалганда, илгерилөө ылдамдыгы 120 mm/sден 180 mm/sге жогорулатылса, кескич ар бир термелүүдө жолуккан тоо тек көлөмү көбөйөт.

Бул аралыкта:

• Орточо тоголонуу күчү болжол менен %29,10 өскөн.
• Орточо нормал күч болжол менен %36,67 өскөн.
• Орточо каптал күч болжол менен %28,57 өскөн.

Жогорку илгерилөө ошол эле убакытта көбүрөөк тоо текти алып салууга мүмкүндүк берет; бирок учурдагы жүктөрдү жана шайманда пайда болгон механикалык күчтөнүүнү да көбөйтөт.

Термелүү Жыштыгы Көбөйгөндө Эмне Болот?

Изилдөөдө 30 Hzден 60 Hzге жогорулатылганда ар бир циклдеги тийишүү убактысы жана жеке тоо текке кирүү тереңдиги азайып, бирок убакыт бирдигинде көбүрөөк жүктөө цикли пайда болот. Бул түзүлүш орточо жана чоку күчтөрдүн экөөнү тең азайткан.

`e = 3 mm` шартында жыштык 30 Hzден 60 Hzге жогорулатылганда орточо тоголонуу күчү 2,22 kNдан 1,57 kNга, башкача айтканда болжол менен %29,3 азайган. Орточо нормал күч 1,53 kNдан 1,08 kNга төмөндөгөн. Чоку жыйынтык күч болсо 9,09 kNдан 6,62 kNга азайган.

Авторлор жогорку жыштыктын эки таасирин баса белгилешет: үзгүлтүксүз каршылык топтолушу үчүн убакыттын аз калышы жана кайталанган соккулардын микрожаракалардын өсүшүн тездетиши.

Өзгөчө Энергия Деген Эмне?

Өзгөчө энергия (Specific Energy, SE) тоо тектин бирдик көлөмүн майдалоого сарпталган механикалык энергияны көрсөтөт. Төмөн SE тоо текти натыйжалуураак сындырууну билдирет.

Изилдөөдө:

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

жана кененирээк:

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

түрүндө эсептелген.

Бул жерде \(F_r\) — учурдагы тоголонуу күчү, \(v\) — учурдагы кесүү ылдамдыгы, \(A\) — майдаланган кесилиш аянты жана \(w\) — моделдин калыңдыгы.

Энергия жыйынтыктары

Эксцентриситетсиз S1 жана S5 абалдарында өзгөчө энергия тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен 5,73 жана 5,93 MJ/m³ болуп табылган.

Эксцентриктүү абалдардын көпчүлүгү болсо болжол менен 1,30–3,37 MJ/m³ аралыгында.

Эң төмөн өзгөчө энергия:

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

шартында алынган.

Бул маани изилдөөдөгү эң жогорку эксцентриситетсиз SE маанисине салыштырмалуу болжол менен %78,08 азайууга туура келет.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Негизги эксперимент жана симуляция чынжыры

Салттуу кескич менен ODC салыштыруу

Булакта билдирилген негизги жетишкендиктер

Оптимум түшүнүгүнүн чеги

Макалада “оптимум” деп аныкталган `Re = 0,1` жана `Rv = 1/(5π)` айкалышы үзгүлтүксүз математикалык глобалдык оптималдаштыруунун натыйжасында табылган эмес. SPH–FEM эсептөөлөрүнүн жогорку баасынан улам физикалык жактан колдонууга мүмкүн болгон параметрлер мейкиндигинде системалуу grid search жүргүзүлгөн.

Ошондуктан булакта көрсөтүлгөн иш чекити сыналган айкалыштардын арасында күчтүү жергиликтүү оптимум катары бааланышы керек.

Талаада колдонуудагы чектөөлөр

Изилдөөдөгү кескич катуу дене деп алынган жана шайман эскириши моделденген эмес. Тоо тек чөйрөсү бир тектүү деп кабыл алынган; табигый жаракалар, катмарлануу, үзгүлтүктөр жана гетерогендүү минералдык түзүлүш түздөн-түз моделге киргизилген эмес.

Чыныгы тоо тек массивдеринде бул факторлор кесүү каршылыгын жана жарака жолун өзгөртө алат. Авторлор бул жөнөкөйлөтүүлөр энергия натыйжалуулугу жана шаймандын өмүрү боюнча божомолдорду оптимисттик кылышы мүмкүн экенин ачык белгилешет.

Толук Масштабдуу TBM же Roadheaderга Түз Өткөрсө Болобу?

Бир кескичтүү лабораториялык масштабда алынган пайыздык утуштар толук өлчөмдөгү TBM же roadheader системасына ошол эле катыштарда өтөрү көрсөтүлгөн эмес. Чоң масштабдуу системаларда көп кескичтердин ортосундагы чыңалуу өз ара таасири, тоо тек массивинин үзгүлтүктөрү, айлана басымы, ташуучу түзүлүштүн термелүүсү жана подшипник чарчоосу натыйжаларды өзгөртө алат.

Ошентсе да, изилдөөнүн негизги жүктөө–бошотуу механизми чоңураак масштабда да физикалык жактан жарактуу болушу мүмкүн деп сунушталат.

Өнөр жай долбоорлоо көйгөйлөрү

Жогорку жыштыктагы эксцентриктүү жетектөө артыкчылык гана жаратпайт. Изилдөөдө үч маанилүү инженердик көйгөй баса белгиленет:

• Кескич башына жана негизги подшипниктерге берилген каршы күчтөрдү чектөө үчүн күчтүү термелүү изоляциясы талап кылынат.
• 60 Hzге чейинки үзгүлтүксүз циклдер валда жана подшипник орундарында чарчоо коркунучун жаратышы мүмкүн.
• Эксцентриктүү механизм кошумча кубат талап кылат; жалпы система утушу негизги түртүү күчү жана буроо моментинин азайышы менен бирге бааланышы керек.

Келечектеги изилдөө

Авторлор чыныгы туннель сүрөттөрүнөн жаракалуу жана гетерогендүү SPH тоо тек моделдерин түзүүчү Vision-to-Physics ыкмасы иштелип жатканын билдиришет. Ошондой эле геологиялык шарттарга жараша ODC параметрлерин реалдуу убакытта жөнгө салуучу машина көрүүсүнө негизделген траектория жана кыймыл башкаруу системалары пландалууда.

Кийинки критикалык текшерүү баскычы — интеграцияланган моделди толук масштабдуу талаа кесүү эксперименттери менен салыштыруу.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

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

Авторлор: Yuxuan Zhang, Huijun Liang, Zhibin Li, Zhipeng Fang жана Bijuan Yan. Жооптуу автор — Bijuan Yan.

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

Жарыя: Machines, 2026, 14, 829. MDPI.

DOI: 10.3390/machines14070829

Жарыялоо процесси: 13-июнь 2026-жылы алынган, 5-июль 2026-жылы кайра каралган, 13-июль 2026-жылы кабыл алынган жана 21-июль 2026-жылы жарыяланган.

Рецензиялоо: Рецензияланган изилдөө макаласы.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

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

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Маалыматтарды жооптуу автордон сурап алууга болору билдирилген.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Zhibin Li жана Zhipeng Fang Weishi Heavy Industry Co., Ltd. кызматкерлери. Башка авторлор коммерциялык же каржылык кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен. Каржылоочулардын изилдөө дизайнына, маалымат талдоого, чечмелөөгө, жазууга же жарыялоо чечимине катышпаганы көрсөтүлгөн.

Негизги методологиялык чектөөлөр: Кескич катуу дене деп кабыл алынган; прогрессивдүү шайман эскириши моделденген эмес. Тоо тек бир тектүү чөйрө катары каралган. Табигый жарака жана катмарлануу сыяктуу үзгүлтүктөр эске алынган эмес. Grid search менен табылган оптимум үзгүлтүксүз параметрлер мейкиндигинин математикалык глобалдык оптимуму эмес. Бир кескичтүү лабораториялык масштабда алынган энергия утуштарын толук масштабдуу TBM же roadheaderга ошол эле пайыз менен түздөн-түз жалпылоого болбойт.