Oscillating Disc Cutter (ODC), klasik disk kesicinin ilerleme hareketine kontrollü eksantrik yüksek frekanslı salınım ekleyerek kesici ile kaya arasındaki sürekli teması periyodik yükleme–boşaltma çevrimlerine dönüştüren mekanik bir kaya kesme yöntemidir. Bu çalışmada ODC'nin kaya kırma davranışı teorik kinematik model, LS-DYNA tabanlı SPH–FEM simülasyonu ve Linear Cutting Machine laboratuvar deneyleriyle incelenmiştir. Simülasyon modeli kırmızı kumtaşında JHC malzeme modeli kullanılarak kurulmuş ve hem teorik kuvvet tahminleri hem de deneysel kesme kuvvetleriyle doğrulanmıştır. Sayısal model ile teorik kuvvetler arasındaki ortalama hata %8,89; laboratuvar deneyleriyle karşılaştırmadaki en yüksek göreli hata ise %15,14 olarak raporlanmıştır.

Kaynak çalışmanın sonuçlarına göre ODC, sürekli temaslı geleneksel disk kesiciye kıyasla ortalama kesme yüklerini belirgin biçimde azaltmıştır. Sonuç bölümünde ortalama yuvarlanma, yan ve normal kuvvetlerde yaklaşık %70,9, %59,4 ve %67,9 azalma bildirilmiştir. İncelenen parametre uzayında en düşük özgül enerji 1,30 MJ/m³ ile `e = 5 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` koşulunda elde edilmiş; bu değer en yüksek eksantriksiz referans tüketimine göre yaklaşık %78,08 enerji azalmasına karşılık gelmiştir. Ancak daha yüksek eksantriklik pik darbe yüklerini artırabildiğinden minimum enerji tüketimi ile minimum mekanik zorlanma aynı çalışma noktası değildir.

Araştırmanın problemi

Roadheader ve benzeri yeraltı kazı makinelerinde geleneksel kesici takımlar sert kayada yüksek basma kuvvetleri, sürtünme, darbe ve aşınma altında çalışır. Kaya sertliği arttıkça uç aşınması hızlanır ve birim kazı hacmi başına gereken enerji yükselir.

Çalışmanın çıkış noktası, kırılgan kayaçların çekme dayanımının basma dayanımından çok daha düşük olmasıdır. Undercutting yaklaşımı, kayayı yalnız doğrudan ezmek yerine serbest yüzeye doğru çekme ve bükülme gerilmeleri oluşturarak parçalamayı hedefler. ODC bu yaklaşımı eksantrik salınım yoluyla daha dinamik hale getirir.

Salınımlı Disk Kesici Nasıl Çalışır?

ODC'de disk kesicinin merkezi sabit bir doğrusal yol izlemek yerine ilerleme yönündeki harekete eksantrik dönme hareketi bindirir. Böylece kesici bir salınım çevriminin yalnız belirli bölümünde kayaya temas eder; ardından kısa süreli olarak kayadan ayrılır ve bir sonraki çevrimde yeniden temas eder. Bu hareket sürekli basma yerine tekrarlanan darbe, çatlak büyümesi ve gerilme boşalması oluşturur.

Kinematik model

Kesicinin eksantrik merkezinin hareketi kaynak çalışmada şu şekilde tanımlanmıştır:

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

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

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

Burada \(e\) eksantriklik, \(v\) ilerleme hızı, \(\omega\) açısal hız ve \(t\) zamandır.

Çalışma iki boyutsuz parametre tanımlamaktadır:

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

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

\(R_e\), eksantrikliğin disk yarıçapına oranını; \(R_v\) ise doğrusal ilerleme ile salınımlı hareket arasındaki ilişkiyi ifade eder.

Rv Oranı Neden Önemlidir?

Kaynak çalışmaya göre \(R_v \geq 1\) olduğunda kesici kaya ile büyük ölçüde sürekli temas halinde davranır ve klasik undercutting rejimine yaklaşır. \(0 \leq R_v \leq 1\) aralığında ise disk her salınım çevriminde kayadan periyodik olarak ayrılır. Bu ayrılma, ODC'nin karakteristik darbeli yükleme–boşaltma mekanizmasını oluşturur.

Araştırmanın esas simülasyonları bu nedenle ağırlıklı olarak \(0 \leq R_v \leq 1\) aralığında yürütülmüş, ayrıca karşılaştırma amacıyla sürekli temaslı \(R_v > 1\) durumu da kullanılmıştır.

İncelenen hareket parametreleri

Parametrik çalışma üç temel değişken üzerine kurulmuştur:

• Eksantriklik, e: yaklaşık 0–7 mm aralığındaki durumlar.
• İlerleme hızı, v: ana parametrik analizlerde yaklaşık 120–180 mm/s.
• Salınım frekansı, f: başlıca 30, 45 ve 60 Hz.

Ana mühendislik aralığı için 1–5 mm eksantriklik ve 30–60 Hz frekans seçilmiştir. Yazarlar 5 mm üzerindeki eksantrikliğin yüksek frekansta laboratuvar deneylerinde ciddi yapısal titreşim ve yatak hasarı riski doğurabildiğini belirtmektedir. Bu nedenle 6 ve 7 mm'lik koşullar optimum çalışma noktası değil, sınır davranışını incelemek üzere kontrol durumları olarak değerlendirilmiştir.

Kesici-kaya temas mekaniği

ODC'nin tek çevriminde disk önce bir önceki çevrimin bıraktığı yüzeye temas eder. Disk ilerledikçe temas yayı büyür, kaya içinde gerilme alanı gelişir ve kesici belirli bir açıya ulaştığında kaya yüzeyinden ayrılır.

Çalışma bu temas bölgesini yarım temas açısı \(\psi\), anlık yönelim ve temas yayı üzerinden tanımlamaktadır. Teorik yaklaşım küçük eksantriklik ve düşük \(R_v\) koşullarında kuvvetler için analitik yaklaşık ifadeler verir; ancak yazarlar bu formüllerin büyük kırılmalar, yüksek şekil değiştirme hızları ve gerçek kaya kaldırma süreçlerini tek başına temsil edemediğini vurgulamaktadır.

Neden SPH–FEM birlikte kullanıldı?

Kaya kesiminde çatlaklar büyüdükçe klasik sonlu eleman ağı aşırı bozulabilir. Buna karşılık yalnız SPH kullanmak tüm modelde hesaplama maliyetini artırabilir. Çalışmada iki yöntemin avantajları birleştirilmiştir.

• FEM: Küçük deformasyonlu uzak kaya bölgeleri ve rijit disk kesici.
• SPH: Kesici yakınında yoğun kırılma, parçalanma ve büyük deformasyon bölgesi.

Kesici ile SPH kaya bölgesi arasındaki etkileşim otomatik node-to-surface temas yöntemiyle modellenmiştir.

Kaya malzeme modeli

Kaya için Johnson–Holmquist–Concrete (JHC) modeli kullanılmıştır. Model; basınca bağlı dayanım, şekil değiştirme hızı etkisi ve hasar evrimini birlikte ele alır.

Hasar değişkeni \(D\) yaklaşık 0 iken kaya sağlam, \(D\) yaklaşık 1'e ulaştığında ise tamamen hasarlı kabul edilir.

Simülasyonlarda kullanılan kırmızı kumtaşının deneysel tek eksenli basınç dayanımı 26,45 MPa, Young modülü 12,5 GPa, yoğunluğu 2325 kg/m³ ve Poisson oranı 0,36 olarak verilmiştir.

JHC modeli nasıl kalibre edildi?

50 mm çapında ve 100 mm yüksekliğinde standart kumtaşı numuneleri 0,5 mm/dakika deplasman hızında tek eksenli basınç testine tabi tutulmuştur.

Deneysel ortalama UCS değeri 26,45 MPa, sayısal modelin tahmini ise 26,23 MPa olmuştur. Aradaki göreli fark yaklaşık %0,84'tür. Sayısal gerilme–şekil değiştirme eğrisinin elastik bölüm ve tepe dayanımı bakımından deneyle uyumlu olduğu gösterilmiştir.

Sayısal model geometrisi

Kaya bloğu 200 × 200 × 50 mm boyutlarında modellenmiştir. Disk kesicinin çapı 100 mm, yüksekliği 20 mm ve kama açısı 60°'dir.

Kaya için 3 mm ağ büyüklüğü seçilmiştir. Ağ duyarlılık analizinde 4,5 mm'den 2,0 mm'ye kadar çözünürlükler denenmiş; daha küçük elemanlar doğruluğu bir miktar artırsa da hesaplama süresini 24 saatin üzerine çıkarabildiğinden 3 mm çözünürlük doğruluk-hesap maliyeti dengesi olarak seçilmiştir.

Laboratuvar doğrulaması

Sayısal model, araştırmacıların geliştirdiği yüksek rijitlikli Linear Cutting Machine kullanılarak doğrulanmıştır. Kesici salınımı ağır hizmet servo motoruyla, kaya ilerlemesi ise AC servo kontrollü bilyalı vida sistemiyle sağlanmıştır.

Kuvvet verileri 5 kHz örnekleme frekansında kaydedilmiş ve her kesme durumu kaya heterojenliğinin etkisini azaltmak için üç kez tekrarlanmıştır.

16 Hz'de deneysel ortalama kesme kuvveti 3,50 ± 0,11 kN, simülasyon sonucu 4,03 kN olup göreli hata %15,14'tür. 20 Hz'de deneysel değer 3,45 ± 0,14 kN, sayısal sonuç 3,88 kN ve hata %12,46'dır.

Simülasyon ayrıca laboratuvar deneylerinde görülen ince toz ile daha büyük gevrek kaya parçalarının birlikte oluştuğu parçalanma yapısını nitel olarak da yeniden üretmiştir.

Teorik doğrulama

SPH–FEM sonuçları analitik kuvvet modeliyle de karşılaştırılmıştır. İncelenen dokuz durumda teorik ve sayısal yuvarlanma kuvvetleri arasındaki ortalama fark %8,89, en yüksek fark ise %16,8 olarak raporlanmıştır.

Yazarlar farkı analitik modelin doğrusal ve yarı-statik kabulleriyle, SPH–FEM modelinin ise yüksek hız, atalet ve doğrusal olmayan kaya hasarını doğrudan temsil etmesiyle açıklamaktadır.

Eksantrik Kesim Geleneksel Disk Kesiminden Neden Daha Az Kuvvet Gerektiriyor?

Geleneksel disk kesicide kaya ile temas süreklidir. Bu nedenle direnç kuvvetleri sürekli birikir. Çalışmada `e = 0 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` koşulunda yuvarlanma kuvvetinin pik değeri 7,25 kN, ortalaması ise 4,58 kN olarak verilmiştir.

`e = 3 mm` olduğunda kesici kaya ile sürekli temas etmek yerine yüksek frekanslı darbe çevrimleri oluşturur. Her çevrimde geri çekilme sırasında kuvvetler sıfıra yakın değerlere düşer. Böylece sürekli direnç birikimi engellenir.

Bu karşılaştırmada ortalama bileşke kuvvet yaklaşık 5,12 kN'dan 1,75 kN'a düşmüş ve yaklaşık %66 azalmıştır. Buna karşılık pik yan kuvvet 1,48 kN'dan 2,55 kN'a yükselmiştir. Bu sonuç, ODC'nin ortalama yükleri azaltırken yeniden temas anındaki yanal darbeleri artırabileceğini göstermektedir.

Üç aşamalı kaya kırma çevrimi

Kaynak Şekil 16, bir eksantrik kesme çevrimini üç mekanik aşamayla göstermektedir:

1. Pik yükleme: Kesici ucunun altında yoğun gerilme konsantrasyonu oluşur.
2. Hasar ilerlemesi: Gerilme alanı büyür ve mikroçatlaklar kaya içinde yayılır.
3. Gerilme boşalması: Kaya parçası ayrıldığında kesici geri çekilir ve lokal gerilme hızla düşer.

Yazarların yorumuna göre bu çevrim, kesicinin önünde sürekli sıkışmış bir ezilme çekirdeği oluşmasını sınırlar ve kaya içinde biriken şekil değiştirme enerjisinin her çevrimde kısmen sıfırlanmasını sağlar.

Eksantriklik Arttıkça Kesme Kuvveti Sürekli Azalır mı?

Hayır. Ortalama kuvvetler belirli bir aralığa kadar düşmektedir, fakat pik kuvvetler doğrusal davranmaz. 60 Hz ve 120 mm/s koşulunda ortalama yuvarlanma kuvveti `e = 0 mm` için 4,58 kN'dan `e = 5 mm` için yaklaşık 1,14 kN'a kadar düşmüştür.

Buna karşılık pik yuvarlanma kuvveti önce azalmakta ve yaklaşık e = 3 mm civarında minimuma ulaştıktan sonra daha yüksek eksantrikliklerde yeniden artmaktadır. Çalışma bu U-biçimli davranışı, düşük eksantriklikte yükleme–boşaltma avantajının baskın olmasına; yüksek eksantriklikte ise temas açısı, yeniden giriş hızı ve atalet kuvvetlerinin güçlenmesine bağlamaktadır.

Bu nedenle ODC tasarımında “eksantriklik ne kadar büyükse o kadar iyidir” yaklaşımı desteklenmemektedir.

İlerleme hızının etkisi

`e = 3 mm` sabit tutulduğunda ilerleme hızı 120 mm/s'den 180 mm/s'ye çıkarıldığında kesicinin her salınımda karşılaştığı kaya hacmi büyür.

Bu aralıkta:

• Ortalama yuvarlanma kuvveti yaklaşık %29,10 artmıştır.
• Ortalama normal kuvvet yaklaşık %36,67 artmıştır.
• Ortalama yan kuvvet yaklaşık %28,57 artmıştır.

Daha yüksek ilerleme aynı sürede daha fazla kaya kaldırabilir; ancak anlık yükleri ve takım üzerinde oluşan mekanik zorlanmayı da yükseltir.

Salınım Frekansı Arttığında Ne Oluyor?

Çalışmada 30 Hz'den 60 Hz'ye çıkıldığında her çevrimdeki temas süresi ve bireysel kaya giriş derinliği azalmakta, ancak birim zamanda daha fazla yükleme çevrimi oluşmaktadır. Bu yapı hem ortalama hem de pik kuvvetleri azaltmıştır.

`e = 3 mm` koşulunda frekans 30 Hz'den 60 Hz'ye yükseltildiğinde ortalama yuvarlanma kuvveti 2,22 kN'dan 1,57 kN'a, yani yaklaşık %29,3 azalmıştır. Ortalama normal kuvvet 1,53 kN'dan 1,08 kN'a düşmüştür. Pik bileşke kuvvet ise 9,09 kN'dan 6,62 kN'a gerilemiştir.

Yazarlar yüksek frekansın iki etkisini vurgulamaktadır: sürekli direnç birikimi için daha az zaman kalması ve tekrarlanan darbelerin mikroçatlak büyümesini hızlandırması.

Özgül Enerji Nedir?

Özgül enerji (Specific Energy, SE), birim kaya hacmini parçalamak için harcanan mekanik enerjiyi gösterir. Daha düşük SE daha verimli kaya kırma anlamına gelir.

Çalışmada:

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

ve daha ayrıntılı olarak:

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

şeklinde hesaplanmıştır.

Burada \(F_r\) anlık yuvarlanma kuvveti, \(v\) anlık kesme hızı, \(A\) parçalanmış kesit alanı ve \(w\) model kalınlığıdır.

Enerji sonuçları

Eksantriksiz S1 ve S5 durumlarında özgül enerji sırasıyla yaklaşık 5,73 ve 5,93 MJ/m³ olarak bulunmuştur.

Eksantrik durumların büyük bölümü ise yaklaşık 1,30–3,37 MJ/m³ aralığındadır.

En düşük özgül enerji:

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

koşulunda elde edilmiştir.

Bu değer, çalışmadaki en yüksek eksantriksiz SE değerine göre yaklaşık %78,08 azalmaya karşılık gelmektedir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Ana deney ve simülasyon zinciri

Geleneksel kesici ve ODC karşılaştırması

Kaynakta raporlanan ana kazanımlar

Optimum kavramının sınırı

Makalenin “optimum” diye tanımladığı `Re = 0,1` ve `Rv = 1/(5π)` kombinasyonu, sürekli matematiksel bir küresel optimizasyon sonucunda bulunmamıştır. SPH–FEM hesaplarının yüksek maliyeti nedeniyle fiziksel olarak uygulanabilir parametre uzayında sistematik bir grid search yapılmıştır.

Dolayısıyla kaynakta belirtilen çalışma noktası, test edilen kombinasyonlar arasında güçlü bir yerel optimum olarak değerlendirilmelidir.

Saha uygulamasındaki sınırlamalar

Çalışmadaki kesici rijit gövdedir ve takım aşınması modellenmemiştir. Kaya ortamı homojen kabul edilmiştir; doğal eklemler, tabakalanma, süreksizlikler ve heterojen mineral yapısı doğrudan modele dahil edilmemiştir.

Gerçek kaya kütlelerinde bu unsurlar kesme direncini ve çatlak güzergâhını değiştirebilir. Yazarlar bu basitleştirmelerin enerji verimliliği ve takım ömrü tahminlerini iyimser hale getirebileceğini açıkça belirtmektedir.

Tam ölçekli TBM veya roadheader'a doğrudan aktarılabilir mi?

Tek kesicili laboratuvar ölçeğindeki yüzde kazanımların tam boy TBM veya roadheader sistemine aynı oranlarda aktarılacağı gösterilmemiştir. Büyük ölçekli sistemlerde çoklu kesiciler arasındaki gerilme etkileşimi, kaya kütlesi süreksizlikleri, çevre basıncı, taşıyıcı yapı titreşimi ve rulman yorulması sonuçları değiştirebilir.

Bununla birlikte çalışmanın temel yükleme–boşaltma mekanizmasının daha büyük ölçekte de fiziksel olarak geçerli olabileceği öne sürülmektedir.

Endüstriyel tasarım sorunları

Yüksek frekanslı eksantrik tahrik yalnız avantaj üretmez. Çalışmada üç önemli mühendislik problemi vurgulanmaktadır:

• Kesici kafası ve ana rulmanlara iletilen karşı kuvvetleri sınırlamak için güçlü titreşim izolasyonu gerekir.
• 60 Hz'e kadar sürekli çevrimler şaft ve rulman yataklarında yorulma riski oluşturabilir.
• Eksantrik mekanizmanın ek güç gereksinimi vardır; toplam sistem kazancı birincil itme ve tork azalmasıyla birlikte değerlendirilmelidir.

Gelecek çalışma

Yazarlar gerçek tünel görüntülerinden eklemli ve heterojen SPH kaya modelleri üreten Vision-to-Physics yaklaşımı üzerinde çalışıldığını belirtmektedir. Ayrıca jeolojik koşullara göre ODC parametrelerini gerçek zamanda ayarlayan makine görüşü tabanlı yörünge ve hareket kontrol sistemleri planlanmaktadır.

Bir sonraki kritik doğrulama aşaması, bütünleşik modelin tam ölçekli saha kesme deneyleriyle karşılaştırılmasıdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

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

Yazarlar: Yuxuan Zhang, Huijun Liang, Zhibin Li, Zhipeng Fang ve Bijuan Yan. Sorumlu yazar Bijuan Yan'dır.

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

Yayın: Machines, 2026, 14, 829. MDPI.

DOI: 10.3390/machines14070829

Yayın süreci: 13 Haziran 2026'da alınmış, 5 Temmuz 2026'da revize edilmiş, 13 Temmuz 2026'da kabul edilmiş ve 21 Temmuz 2026'da yayımlanmıştır.

Hakemlik: Hakemli araştırma makalesidir.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY).

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

Veri erişilebilirliği: Verilerin sorumlu yazardan talep edilebileceği bildirilmiştir.

Çıkar çatışması: Zhibin Li ve Zhipeng Fang, Weishi Heavy Industry Co., Ltd. çalışanıdır. Diğer yazarlar ticari veya finansal çıkar çatışması olmadığını beyan etmiştir. Finansörlerin araştırma tasarımı, veri analizi, yorum, yazım veya yayın kararında rol almadığı belirtilmiştir.

Temel yöntemsel sınırlar: Kesici rijit gövde kabul edilmiştir; ilerleyici takım aşınması modellenmemiştir. Kaya homojen ortam olarak ele alınmıştır. Doğal eklem ve tabakalanma gibi süreksizlikler hesaba katılmamıştır. Grid search ile bulunan optimum sürekli parametre uzayının matematiksel küresel optimumu değildir. Tek-kesici laboratuvar ölçeğinde elde edilen enerji kazançları tam ölçekli TBM veya roadheader'a doğrudan aynı yüzdeyle genellenemez.