Oscillating Disc Cutter (ODC), klassik disk kesgichning ilgarilanma harakatiga boshqariladigan ekssentrik yuqori chastotali tebranishni qo‘shib, kesgich bilan tog‘ jinsi o‘rtasidagi uzluksiz kontaktni davriy yuklash–bo‘shatish sikllariga aylantiradigan mexanik tog‘ jinsini kesish usulidir. Ushbu tadqiqotda ODCning tog‘ jinsini parchalash xatti-harakati nazariy kinematik model, LS-DYNA asosidagi SPH–FEM simulyatsiyasi va Linear Cutting Machine laboratoriya tajribalari yordamida o‘rganilgan. Simulyatsiya modeli qizil qumtosh uchun JHC material modelidan foydalanib qurilgan va ham nazariy kuch prognozlari, ham eksperimental kesish kuchlari bilan tekshirilgan. Sonli model bilan nazariy kuchlar orasidagi o‘rtacha xato %8,89; laboratoriya tajribalari bilan taqqoslashdagi eng katta nisbiy xato esa %15,14 deb qayd etilgan.

Manba tadqiqot natijalariga ko‘ra, ODC uzluksiz kontaktli an’anaviy disk kesgichga nisbatan o‘rtacha kesish yuklarini sezilarli darajada kamaytirgan. Natijalar bo‘limida o‘rtacha dumalash, yon va normal kuchlarda taxminan %70,9, %59,4 va %67,9 kamayish bildirilgan. O‘rganilgan parametrlar fazosida eng past solishtirma energiya 1,30 MJ/m³ `e = 5 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` sharoitida olingan; bu qiymat eng yuqori ekssentriksiz etalon sarfga nisbatan taxminan %78,08 energiya kamayishiga mos kelgan. Biroq kattaroq ekssentriklik cho‘qqi zarba yuklarini oshirishi mumkinligi sababli, minimal energiya sarfi bilan minimal mexanik zo‘riqish bir xil ish nuqtasi emas.

Tadqiqot muammosi

Roadheader va shunga o‘xshash yerosti qazish mashinalarida an’anaviy kesuvchi asboblar qattiq tog‘ jinsida yuqori siqish kuchlari, ishqalanish, zarba va yeyilish sharoitida ishlaydi. Tog‘ jinsi qattiqligi oshgani sari uchning yeyilishi tezlashadi va qazib olinadigan birlik hajmga sarflanadigan energiya ortadi.

Tadqiqotning boshlang‘ich nuqtasi mo‘rt tog‘ jinslarining cho‘zilish mustahkamligi siqilish mustahkamligidan ancha past ekanidir. Undercutting yondashuvi tog‘ jinsini faqat to‘g‘ridan-to‘g‘ri ezish o‘rniga erkin yuzaga tomon cho‘zilish va egilish kuchlanishlari hosil qilib parchalashni maqsad qiladi. ODC bu yondashuvni ekssentrik tebranish orqali yanada dinamik qiladi.

Tebranma Disk Kesgich Qanday Ishlaydi?

ODCda disk kesgich markazi sobit to‘g‘ri chiziqli yo‘l bo‘ylab yurish o‘rniga ilgarilanma yo‘nalishdagi harakatga ekssentrik aylanish harakatini qo‘shadi. Natijada kesgich tebranish siklining faqat ma’lum qismida tog‘ jinsiga tegadi; keyin qisqa muddatga undan ajraladi va keyingi siklda qayta kontaktga kiradi. Bu harakat uzluksiz siqish o‘rniga takroriy zarba, yoriq o‘sishi va kuchlanishning bo‘shashishini yuzaga keltiradi.

Kinematik model

Kesgich ekssentrik markazining harakati manba tadqiqotda quyidagicha aniqlangan:

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

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

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

Bu yerda \(e\) ekssentriklik, \(v\) ilgarilanma tezlik, \(\omega\) burchak tezlik va \(t\) vaqtdir.

Tadqiqot ikki o‘lchamsiz parametrni belgilaydi:

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

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

\(R_e\) ekssentriklikning disk radiusiga nisbatini, \(R_v\) esa chiziqli ilgarilanma bilan tebranma harakat o‘rtasidagi bog‘lanishni ifodalaydi.

Rv Nisbati Nima Uchun Muhim?

Manba tadqiqotga ko‘ra, \(R_v \geq 1\) bo‘lganda kesgich tog‘ jinsi bilan asosan uzluksiz kontakt rejimida ishlaydi va klassik undercutting rejimiga yaqinlashadi. \(0 \leq R_v \leq 1\) oralig‘ida esa disk har bir tebranish siklida tog‘ jinsidan davriy ravishda ajraladi. Bu ajralish ODCga xos zarbali yuklash–bo‘shatish mexanizmini hosil qiladi.

Shu sababli tadqiqotning asosiy simulyatsiyalari asosan \(0 \leq R_v \leq 1\) oralig‘ida bajarilgan, taqqoslash uchun uzluksiz kontaktli \(R_v > 1\) holati ham qo‘llangan.

O‘rganilgan harakat parametrlari

Parametrik tadqiqot uchta asosiy o‘zgaruvchiga qurilgan:

• Ekssentriklik, e: taxminan 0–7 mm oralig‘idagi holatlar.
• Ilgarilanma tezlik, v: asosiy parametrik tahlillarda taxminan 120–180 mm/s.
• Tebranish chastotasi, f: asosan 30, 45 va 60 Hz.

Asosiy muhandislik diapazoni uchun 1–5 mm ekssentriklik va 30–60 Hz chastota tanlangan. Mualliflar 5 mm dan yuqori ekssentriklik yuqori chastotada laboratoriya tajribalarida jiddiy konstruktiv tebranish va podshipnik shikastlanishi xavfini tug‘dirishi mumkinligini ta’kidlaydi. Shu sababli 6 va 7 mm shartlar optimal ish nuqtasi emas, balki chegaraviy xatti-harakatni o‘rganish uchun nazorat holatlari sifatida baholangan.

Kesgich–tog‘ jinsi kontakt mexanikasi

ODCning bir siklida disk avval oldingi sikl qoldirgan yuzaga tegadi. Disk ilgarilagan sari kontakt yoyi kattalashadi, tog‘ jinsi ichida kuchlanish maydoni rivojlanadi va kesgich ma’lum burchakka yetganda tog‘ jinsi yuzasidan ajraladi.

Tadqiqot bu kontakt hududini yarim kontakt burchagi \(\psi\), oniy yo‘nalish va kontakt yoyi orqali tavsiflaydi. Nazariy yondashuv kichik ekssentriklik va past \(R_v\) sharoitida kuchlar uchun analitik yaqinlashgan ifodalarni beradi; biroq mualliflar bu formulalar katta sinishlar, yuqori deformatsiya tezliklari va haqiqiy tog‘ jinsini ko‘chirish jarayonlarini yolg‘iz o‘zi ifodalay olmasligini ta’kidlaydi.

Nega SPH–FEM Birgalikda Ishlatildi?

Tog‘ jinsini kesishda yoriqlar o‘sgan sari klassik chekli elementlar to‘ri haddan tashqari deformatsiyalanishi mumkin. Aksincha, faqat SPHdan foydalanish butun model bo‘yicha hisoblash xarajatini oshirishi mumkin. Tadqiqotda ikki usulning afzalliklari birlashtirilgan.

• FEM: Kichik deformatsiyali uzoq tog‘ jinsi hududlari va qattiq disk kesgich.
• SPH: Kesgich yaqinidagi kuchli sinish, parchalanish va katta deformatsiya hududi.

Kesgich bilan SPH tog‘ jinsi hududi o‘rtasidagi o‘zaro ta’sir avtomatik node-to-surface kontakt usuli bilan modellashtirilgan.

Tog‘ jinsi material modeli

Tog‘ jinsi uchun Johnson–Holmquist–Concrete (JHC) modeli ishlatilgan. Model bosimga bog‘liq mustahkamlik, deformatsiya tezligi ta’siri va shikastlanish evolyutsiyasini birgalikda hisobga oladi.

Shikastlanish o‘zgaruvchisi \(D\) taxminan 0 bo‘lganda tog‘ jinsi sog‘lom, \(D\) taxminan 1 ga yetganda esa to‘liq shikastlangan deb qabul qilinadi.

Simulyatsiyalarda ishlatilgan qizil qumtoshning eksperimental bir o‘qli siqilish mustahkamligi 26,45 MPa, Young moduli 12,5 GPa, zichligi 2325 kg/m³ va Poisson koeffitsienti 0,36 deb berilgan.

JHC Modeli Qanday Kalibrlangan?

Diametri 50 mm va balandligi 100 mm bo‘lgan standart qumtosh namunalariga 0,5 mm/daqiqa siljish tezligida bir o‘qli siqish sinovi o‘tkazilgan.

Eksperimental o‘rtacha UCS qiymati 26,45 MPa, sonli model prognozi esa 26,23 MPa bo‘lgan. Ular orasidagi nisbiy farq taxminan %0,84 ni tashkil etgan. Sonli kuchlanish–deformatsiya egri chizig‘i elastik qism va cho‘qqi mustahkamligi bo‘yicha tajriba bilan mos ekanligi ko‘rsatilgan.

Sonli model geometriyasi

Tog‘ jinsi bloki 200 × 200 × 50 mm o‘lchamlarda modellashtirilgan. Disk kesgich diametri 100 mm, balandligi 20 mm va pona burchagi 60° dir.

Tog‘ jinsi uchun 3 mm to‘r o‘lchami tanlangan. To‘r sezgirligi tahlilida 4,5 mm dan 2,0 mm gacha bo‘lgan aniqliklar sinovdan o‘tkazilgan; kichikroq elementlar aniqlikni biroz oshirgan bo‘lsa-da, hisoblash vaqtini 24 soatdan oshirishi mumkinligi sababli 3 mm aniqlik–hisoblash xarajati muvozanati sifatida tanlangan.

Laboratoriya tekshiruvi

Sonli model tadqiqotchilar ishlab chiqqan yuqori qattiqlikdagi Linear Cutting Machine yordamida tekshirilgan. Kesgich tebranishi og‘ir xizmat servo motori bilan, tog‘ jinsining ilgarilanma harakati esa AC servo boshqaruvli sharikli vint tizimi bilan ta’minlangan.

Kuch ma’lumotlari 5 kHz namuna olish chastotasida qayd etilgan va har bir kesish holati tog‘ jinsi geterogenligining ta’sirini kamaytirish uchun uch marta takrorlangan.

16 Hz da eksperimental o‘rtacha kesish kuchi 3,50 ± 0,11 kN, simulyatsiya natijasi 4,03 kN bo‘lib, nisbiy xato %15,14 ni tashkil etgan. 20 Hz da eksperimental qiymat 3,45 ± 0,14 kN, sonli natija 3,88 kN va xato %12,46 bo‘lgan.

Simulyatsiya laboratoriya tajribalarida kuzatilgan mayda chang bilan kattaroq mo‘rt tog‘ jinsi bo‘laklarining birgalikda hosil bo‘lishiga xos parchalanish tuzilmasini sifat jihatdan ham qayta hosil qilgan.

Nazariy tekshirish

SPH–FEM natijalari analitik kuch modeli bilan ham taqqoslangan. O‘rganilgan to‘qqiz holatda nazariy va sonli dumalash kuchlari o‘rtasidagi o‘rtacha farq %8,89, eng katta farq esa %16,8 deb bildirilgan.

Mualliflar farqni analitik modelning chiziqli va yarim-statik farazlari bilan, SPH–FEM modelining esa yuqori tezlik, inertsiya va chiziqli bo‘lmagan tog‘ jinsi shikastlanishini bevosita ifodalashi bilan izohlaydi.

Ekssentrik Kesish Nega An’anaviy Disk Kesishdan Kamroq Kuch Talab Qiladi?

An’anaviy disk kesgichda tog‘ jinsi bilan kontakt uzluksizdir. Shu sababli qarshilik kuchlari uzluksiz to‘planadi. Tadqiqotda `e = 0 mm`, `v = 120 mm/s`, `f = 60 Hz` sharoitida dumalash kuchining cho‘qqi qiymati 7,25 kN, o‘rtacha qiymati esa 4,58 kN deb berilgan.

`e = 3 mm` bo‘lganda kesgich tog‘ jinsi bilan uzluksiz kontaktda bo‘lish o‘rniga yuqori chastotali zarba sikllarini hosil qiladi. Har bir siklda orqaga chekinish paytida kuchlar nolga yaqin qiymatlarga tushadi. Shu tarzda uzluksiz qarshilik yig‘ilishi oldi olinadi.

Ushbu taqqoslashda o‘rtacha natijaviy kuch taxminan 5,12 kN dan 1,75 kN gacha kamaygan va taxminan %66 pasaygan. Bunga qarshi ravishda cho‘qqi yon kuch 1,48 kN dan 2,55 kN gacha oshgan. Bu natija ODC o‘rtacha yuklarni kamaytirar ekan, qayta kontakt paytidagi yon zarbalarni oshirishi mumkinligini ko‘rsatadi.

Uch bosqichli tog‘ jinsini parchalash sikli

Manba 16-rasm ekssentrik kesish siklini uch mexanik bosqichda ko‘rsatadi:

1. Cho‘qqi yuklash: Kesgich uchi ostida kuchli kuchlanish konsentratsiyasi hosil bo‘ladi.
2. Shikastlanish rivojlanishi: Kuchlanish maydoni kengayadi va mikro yoriqlar tog‘ jinsi ichida tarqaladi.
3. Kuchlanishning bo‘shashi: Tog‘ jinsi bo‘lagi ajralganda kesgich orqaga chekinadi va mahalliy kuchlanish tez kamayadi.

Mualliflar talqiniga ko‘ra, bu sikl kesgich oldida uzluksiz siqilgan ezilish yadrosi hosil bo‘lishini cheklaydi va tog‘ jinsida to‘plangan deformatsiya energiyasining har bir siklda qisman nolga qaytishiga imkon beradi.

Ekssentriklik Oshgani Sari Kesish Kuchi Doimo Kamayadimi?

Yo‘q. O‘rtacha kuchlar ma’lum bir oraliqqacha kamayadi, biroq cho‘qqi kuchlar chiziqli xatti-harakat qilmaydi. 60 Hz va 120 mm/s sharoitida o‘rtacha dumalash kuchi `e = 0 mm` uchun 4,58 kN dan `e = 5 mm` uchun taxminan 1,14 kN gacha kamaygan.

Bunga qarshi ravishda cho‘qqi dumalash kuchi avval kamayadi va taxminan e = 3 mm atrofida minimumga yetgach, kattaroq ekssentrikliklarda yana ortadi. Tadqiqot bu U-shaklli xatti-harakatni past ekssentriklikda yuklash–bo‘shatish afzalligi ustun bo‘lishi, yuqori ekssentriklikda esa kontakt burchagi, qayta kirish tezligi va inertsiya kuchlarining kuchayishi bilan bog‘laydi.

Shu sababli ODC loyihalashda “ekssentriklik qanchalik katta bo‘lsa, shunchalik yaxshi” yondashuvi qo‘llab-quvvatlanmaydi.

Ilgarilanma tezlikning ta’siri

`e = 3 mm` o‘zgarmas saqlanganda ilgarilanma tezlik 120 mm/s dan 180 mm/s gacha oshirilsa, kesgich har bir tebranishda duch keladigan tog‘ jinsi hajmi ortadi.

Bu oraliqda:

• O‘rtacha dumalash kuchi taxminan %29,10 oshgan.
• O‘rtacha normal kuch taxminan %36,67 oshgan.
• O‘rtacha yon kuch taxminan %28,57 oshgan.

Yuqoriroq ilgarilanma tezlik bir xil vaqt ichida ko‘proq tog‘ jinsini ko‘chirishga imkon berishi mumkin; biroq oniy yuklarni va asbobdagi mexanik zo‘riqishni ham oshiradi.

Tebranish Chastotasi Oshganda Nima Bo‘ladi?

Tadqiqotda 30 Hz dan 60 Hz gacha oshirilganda har bir sikldagi kontakt vaqti va alohida tog‘ jinsiga kirish chuqurligi kamayadi, biroq vaqt birligida ko‘proq yuklash sikli yuz beradi. Bu holat ham o‘rtacha, ham cho‘qqi kuchlarni kamaytirgan.

`e = 3 mm` sharoitida chastota 30 Hz dan 60 Hz gacha oshirilganda o‘rtacha dumalash kuchi 2,22 kN dan 1,57 kN gacha, ya’ni taxminan %29,3 kamaygan. O‘rtacha normal kuch 1,53 kN dan 1,08 kN gacha tushgan. Cho‘qqi natijaviy kuch esa 9,09 kN dan 6,62 kN gacha kamaygan.

Mualliflar yuqori chastotaning ikki ta’sirini ta’kidlaydi: uzluksiz qarshilik yig‘ilishi uchun kamroq vaqt qolishi va takroriy zarbalar mikro yoriqlar o‘sishini tezlashtirishi.

Solishtirma Energiya Nima?

Solishtirma energiya (Specific Energy, SE) birlik tog‘ jinsi hajmini parchalash uchun sarflanadigan mexanik energiyani ko‘rsatadi. Pastroq SE tog‘ jinsini parchalash samaradorligi yuqoriroq ekanini anglatadi.

Tadqiqotda:

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

va batafsilroq:

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

ko‘rinishida hisoblangan.

Bu yerda \(F_r\) oniy dumalash kuchi, \(v\) oniy kesish tezligi, \(A\) parchalangan kesim yuzasi va \(w\) model qalinligidir.

Energiya natijalari

Ekssentriksiz S1 va S5 holatlarida solishtirma energiya mos ravishda taxminan 5,73 va 5,93 MJ/m³ deb topilgan.

Ekssentrik holatlarning katta qismi esa taxminan 1,30–3,37 MJ/m³ oralig‘idadir.

Eng past solishtirma energiya:

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

sharoitida olingan.

Bu qiymat tadqiqotdagi eng yuqori ekssentriksiz SE qiymatiga nisbatan taxminan %78,08 kamayishga mos keladi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Asosiy tajriba va simulyatsiya zanjiri

An’anaviy kesgich va ODC taqqoslanishi

Manbada qayd etilgan asosiy yutuqlar

Optimal tushunchasining chegarasi

Maqolada “optimal” deb ta’riflangan `Re = 0,1` va `Rv = 1/(5π)` kombinatsiyasi uzluksiz matematik global optimallashtirish natijasida topilmagan. SPH–FEM hisoblarining yuqori xarajati sababli fizik jihatdan qo‘llash mumkin bo‘lgan parametrlar fazosida tizimli grid search bajarilgan.

Shu bois manbada ko‘rsatilgan ish nuqtasi sinovdan o‘tkazilgan kombinatsiyalar orasida kuchli mahalliy optimum sifatida baholanishi kerak.

Dala qo‘llanilishidagi cheklovlar

Tadqiqotdagi kesgich qattiq jism sifatida qabul qilingan va asbob yeyilishi modellashtirilmagan. Tog‘ jinsi muhiti bir jinsli deb qaralgan; tabiiy bo‘g‘inlar, qatlamlanish, uzilishlar va geterogen mineral tuzilma bevosita modelga kiritilmagan.

Haqiqiy tog‘ jinsi massivlarida bu omillar kesish qarshiligi va yoriq yo‘lini o‘zgartirishi mumkin. Mualliflar bu soddalashtirishlar energiya samaradorligi va asbob xizmat muddati prognozlarini optimistik qilishi mumkinligini ochiq aytadi.

To‘liq Miqyosli TBM yoki Roadheaderga Bevosita Ko‘chirish Mumkinmi?

Bitta kesgichli laboratoriya miqyosida olingan foizli yutuqlar to‘liq o‘lchamli TBM yoki roadheader tizimiga ayni nisbatlarda ko‘chishi ko‘rsatilmagan. Katta miqyosli tizimlarda ko‘p kesgichlar orasidagi kuchlanish o‘zaro ta’siri, tog‘ jinsi massividagi uzilishlar, atrof bosimi, tayanch konstruksiya tebranishi va podshipnik charchashi natijalarni o‘zgartirishi mumkin.

Shunga qaramay, tadqiqotning asosiy yuklash–bo‘shatish mexanizmi kattaroq miqyosda ham fizik jihatdan amal qilishi mumkinligi ilgari surilgan.

Sanoat loyihalash muammolari

Yuqori chastotali ekssentrik yuritma faqat afzallik bermaydi. Tadqiqotda uchta muhim muhandislik muammosi ta’kidlangan:

• Kesgich boshi va asosiy podshipniklarga uzatiladigan qarshi kuchlarni cheklash uchun kuchli tebranish izolyatsiyasi kerak.
• 60 Hz gacha bo‘lgan uzluksiz sikllar val va podshipnik o‘rindiqlarida charchash xavfini yuzaga keltirishi mumkin.
• Ekssentrik mexanizm qo‘shimcha quvvat talab qiladi; umumiy tizim yutug‘i birlamchi itarish kuchi va burash momentining kamayishi bilan birga baholanishi kerak.

Kelajakdagi ishlar

Mualliflar haqiqiy tunnel tasvirlaridan bo‘g‘inli va geterogen SPH tog‘ jinsi modellarini yaratadigan Vision-to-Physics yondashuvi ustida ish olib borilayotganini bildirmoqda. Shuningdek, geologik sharoitga qarab ODC parametrlarini real vaqtda sozlaydigan mashina ko‘rishiga asoslangan trayektoriya va harakatni boshqarish tizimlari rejalashtirilmoqda.

Keyingi muhim tekshirish bosqichi integrallashgan modelni to‘liq miqyosli dala kesish tajribalari bilan taqqoslashdir.

Manba va Usul Haqida Izoh

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

Mualliflar: Yuxuan Zhang, Huijun Liang, Zhibin Li, Zhipeng Fang va Bijuan Yan. Mas’ul muallif Bijuan Yan.

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

Nashr: Machines, 2026, 14, 829. MDPI.

DOI: 10.3390/machines14070829

Nashr jarayoni: 13 iyun 2026 da qabul qilingan, 5 iyul 2026 da qayta ko‘rib chiqilgan, 13 iyul 2026 da qabul qilingan va 21 iyul 2026 da nashr etilgan.

Taqriz: Taqrizdan o‘tgan tadqiqot maqolasi.

Litsenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

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

Ma’lumotlardan foydalanish: Ma’lumotlarni mas’ul muallifdan so‘rab olish mumkinligi bildirilgan.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Zhibin Li va Zhipeng Fang Weishi Heavy Industry Co., Ltd. xodimlaridir. Boshqa mualliflar tijoriy yoki moliyaviy manfaatlar to‘qnashuvi yo‘qligini bildirgan. Moliyalashtiruvchilarning tadqiqot dizayni, ma’lumotlarni tahlil qilish, talqin, yozish yoki nashr qarorida roli bo‘lmagani qayd etilgan.

Asosiy metodologik cheklovlar: Kesgich qattiq jism sifatida qabul qilingan; progressiv asbob yeyilishi modellashtirilmagan. Tog‘ jinsi bir jinsli muhit deb qaralgan. Tabiiy bo‘g‘in va qatlamlanish kabi uzilishlar hisobga olinmagan. Grid search orqali topilgan optimum uzluksiz parametrlar fazosining matematik global optimumi emas. Bitta kesgichli laboratoriya miqyosida olingan energiya yutuqlarini to‘liq miqyosli TBM yoki roadheaderga aynan shu foizlarda to‘g‘ridan-to‘g‘ri umumlashtirib bo‘lmaydi.