Investigación de la separación de fragmentos durante el corte de roca con una hoja de sierra circular basada en ANSYS/LS

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 17346 (2022) Citar este artículo

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Las hojas de sierra circular se utilizan ampliamente en el procesamiento de piedra. El modelo de simulación numérica de corte de roca dura con hoja de sierra circular basado en ANSYS/LS-DYNA se estableció para investigar el complejo problema dinámico en el corte de roca. Se estudió mediante simulación numérica el mecanismo de falla de la roca y la influencia de los parámetros de corte sobre la fuerza de corte y los fragmentos de roca. Los resultados demostraron que los modos de falla de la roca fueron principalmente falla por tracción con algo de falla por corte y falla por compresión. La fuerza de corte y el número de fragmentos aumentaron con la velocidad de avance. Con el aumento de la velocidad de rotación de la hoja de sierra circular, la fuerza de corte y el número de fragmentos disminuyeron y tendieron a estabilizarse. Con el aumento de la distancia entre las hojas de sierra circular, la fuerza de corte y el número de fragmentos de roca aumentan y luego mantienen la estabilidad básica, y cuando la distancia entre las hojas de sierra circular doble alcanza los 25 mm, se formará una placa de roca completa y la interacción de la sierra circular las cuchillas disminuirán. La simulación numérica puede simular con precisión la rotura de la roca y la fuerza cuando una hoja de sierra circular corta la roca.

Las hojas de sierra circular se utilizan con frecuencia en muchas industrias, como las que cortan roca dura, hormigón y vidrio. Para las formaciones de roca dura, el método de rotura de la roca y la fuerza de corte durante el proceso de corte de la roca con hojas de sierra circular son esenciales para los investigadores que diseñan hojas de sierra circular y otras herramientas de corte.

Muchos investigadores han realizado muchos estudios teóricos y pruebas experimentales y han adoptado varios métodos de simulación numérica para considerar la fuerza de corte en el proceso de corte de roca con una hoja de sierra circular. Xu et al. llevó a cabo una serie de experimentos para estudiar las características de corte y la relación de fuerzas en el aserrado circular1 e investigó la energía y las fuerzas del rectificado de granito2 con una hoja de sierra circular. Huang et al. propusieron un modelo predictivo de potencia de aserrado basado en la fuerza tangencial3. Aslantas et al. investigó el efecto de la fuerza de corte axial en una hoja de sierra circular utilizada para cortar mármol4. Karakurt aplicó el método Taguchi para determinar la fuerza de corte y las variables operativas de una hoja de sierra circular5. La energía de corte específica es un índice de evaluación crítico del rendimiento de corte de la hoja de sierra circular. Aydin et al. utilizaron un experimento para investigar la influencia de las variables operativas y las propiedades de la roca en la energía específica6. Yurdakul et al. estudiaron la predicción de energía de corte específica mediante métodos estadísticos7. Ersoy et al. investigaron los efectos de los parámetros de la roca en la propiedad de corte de hojas de sierra circular con diferentes velocidades de avance y profundidades de corte8. Kahraman et al. establecieron modelos que se utilizaron para evaluar la producción de losas y las propiedades de la roca con una serie de mediciones de rendimiento de sierras circulares de gran diámetro9.

Muchos estudiosos han estudiado la aserrabilidad, los daños, los fragmentos de roca y el desgaste de las hojas de sierra circular. Güney estableció un modelo para predecir el rendimiento de una sierra de gran diámetro basado en la dureza de la superficie de la roca, que puede usarse para predecir la aserrabilidad del carbonato10. Fener et al. utilizaron análisis de regresión simple y múltiple para investigar las correlaciones entre la aserrabilidad y las propiedades de la roca 11. Ersoy et al.12 y Aydin et al.13 investigaron la influencia de los parámetros operativos y las características de la roca cortada en el desgaste de una sierra circular. Zeng et al.14 estudiaron la influencia de los parámetros de corte sobre el daño del carbón y las rocas con el corte con hoja de sierra circular. Tang et al.15 y Liu et al.16 investigaron el daño a las rocas basándose en un modelo constitutivo estadístico de daños a las rocas. Los fragmentos de roca fueron estudiados por Lu et al. Basado en LS-DYNA17. Aydin et al.18 investigaron la predicción del rendimiento de la hoja de sierra basándose en la red neuronal artificial y el análisis de regresión. Tumac et al. había estudiado el rendimiento de corte con la hoja de sierra circular de gran diámetro19 y la predicción del rendimiento de aserrabilidad de gran diámetro20. Turchetta et al.21 estudiaron la fuerza de corte y el desgaste de la hoja de sierra circular a alta velocidad. Wang et al.22 investigaron la hoja de sierra circular cortando roca con un método de simulación numérica. Sin embargo, el artículo estudió la influencia de los parámetros de corte de la hoja de sierra sobre el daño de la roca y la fuerza de corte, en el proceso de corte de roca con una hoja de sierra circular con una profundidad de corte constante. Pero hay menos investigaciones sobre el fragmento de roca con corte con hoja de sierra circular, y han investigado los parámetros de corte de la influencia de la hoja de sierra flexible en la deformación de la hoja de sierra y el daño de la roca sin el fragmento de roca en el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular. verticalmente23. Lu et al.24 han investigado la placa cónica de rotura de roca formada por la hoja de sierra circular cortando roca, pero no hay ninguna investigación sobre la hoja de sierra circular cortando roca. Tao et al.25 estudiaron la hoja de sierra circular cortando piedra con el método de simulación de elementos finitos de dinámica no lineal, el artículo estudió la regla de movimiento y el mecanismo de desgaste. Wicaksana et al.26 han investigado la cortadora rompiendo roca en el proceso de corte con un método de simulación numérica considerando las propiedades dinámicas de la roca; en el artículo, la investigación considera las propiedades dinámicas de la roca.

Estudios anteriores han logrado muchos avances en hojas de sierra circular. La mayoría de los investigadores han estudiado la fuerza de corte, la energía de corte específica, la aserrabilidad de la roca y el desgaste de la hoja de sierra circular en el proceso de corte de roca con una hoja de sierra circular. Y hay muchos investigadores que investigan cómo romper rocas (piedras) con otros cortadores. Hay menos investigación sobre la hoja de sierra circular que corta la roca formando muchos fragmentos y el daño de la roca. Por lo tanto, el manuscrito ha investigado los parámetros de corte de la hoja de sierra circular que corta la roca verticalmente, la influencia sobre los fragmentos de roca y el daño de la roca con un método de simulación numérica. Y la simulación numérica se modifica con el experimento de corte de roca con hoja de sierra circular. Las velocidades de avance de la hoja de sierra circular se establecen en 0,10, 0,12, 0,14, 0,16, 0,18, 0,20, 0,22, 0,24, 0,26, 0,28 y 0,30 m/min, las velocidades de rotación se establecen en 1000, 1400, 1800, 2200, 2600 y 3000 r/min, y la distancia de las hojas de sierra circular dobles se establece en 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 y 50 mm, para investigar la influencia de los parámetros de corte en el corte de la hoja de sierra circular. rendimiento y los fragmentos de roca en el proceso de corte de roca con sierra circular. Por lo tanto, los resultados de la simulación podrían guiar el procesamiento de rocas.

En el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular, la fuerza de corte se compone de la fuerza normal, la fuerza tangencial y la fuerza axial, como se muestra en la Fig. 1. La fuerza normal se forma por la compresión entre la hoja de sierra circular y la roca. La fricción de deslizamiento relativa entre la hoja de sierra y la roca forma la fuerza tangencial. La fuerza axial se forma mediante la extrusión de fragmentos entre la hoja de sierra circular y la pared de roca. Y el efecto de las partículas abrasivas de diamante de una hoja de sierra de diamante sobre la fuerza de corte durante el corte de roca se muestra en la Fig. 1. En comparación con la fuerza de corte, la fuerza normal y la fuerza tangencial, la fuerza axial es demasiado pequeña para simplificar la resolución. modelo. Por lo tanto, las ecuaciones para resolver las fuerzas tangenciales y normales durante el corte de roca con una hoja de sierra circular se muestran en las fórmulas (1) y (2)27.

donde \({l}_{s}\) es la longitud del arco de un solo segmento, \({l}_{w}\) es la longitud del arco de un solo canal, \(\updelta \) es la longitud continua relación de la hoja de sierra, y \(\delta =\) 0,713.

donde C es el número de abrasivos efectivos en un solo bloque, \({A}_{a}\) es el número de abrasivos de diamante que cortan por unidad de área, \(\eta \) es la relación entre las partículas abrasivas efectivas y las partículas abrasivas de diamante realmente involucradas en el corte y generalmente son 2/3, y b es el ancho de la sección de la hoja de sierra circular.

donde \({l}_{c}\) es la longitud del arco de aserrado, D es el diámetro de la hoja y \(\beta \) es el ángulo del arco de aserrado.

donde \({C}_{p}\) es la profundidad de corte del abrasivo de diamante único.

La hoja de sierra circular que corta el modelo de roca dura.

La profundidad máxima de corte de un solo diamante abrasivo se presenta como fórmula (7),

donde \(\theta \) es la mitad del ángulo en la parte inferior de corte y se toma como 60 grados, \({V}_{f}\) es la velocidad de alimentación y \({V}_{r}\ ) es la velocidad de rotación.

Según la Fig. 1, las soluciones de las fuerzas tangenciales y normales se pueden expresar de la siguiente manera:

donde \({F}_{t}\) es la fuerza tangencial, \({F}_{n}\) es la fuerza normal, \({F}_{x}\) es la fuerza horizontal, y \({F}_{y}\) es la fuerza vertical. Entre ellos, la longitud del arco de contacto de la hoja de sierra circular y la roca determinó el valor de \(k\); sin embargo, \(k\) es una variable dinámica.

La roca es un material heterogéneo casi frágil. El modelo constitutivo RHT se aplica para simular la roca, que puede usarse para investigar el daño de la roca con corte con hoja de sierra circular. El modelo constitutivo RHT puede simular el rendimiento de la roca, que tiene 34 parámetros y la mayoría de los parámetros se pueden probar y calcular con precisión. El modelo RHT se puede aplicar para describir la resistencia a la falla, el límite elástico inicial y la resistencia residual de la roca con carga. El modelo RHT incluye tres superficies de tapa, superficie de resistencia residual, superficie de falla y superficie límite elástica, lo que ayuda al modelo constitutivo a expresar la relación entre la presión hidrostática, la resistencia a la falla y el límite elástico.

Ecuación de la función de superficie límite elástica:

Mientras que el límite de la superficie de rendimiento está representado por

donde \({P}_{0}\) es el límite elástico del material; \({Y}_{cla}^{*}\) es la relación entre la resistencia elástica y la resistencia última del material; \({P}^{*}\) es la presión hidrostática normal.

La función de falla g correspondiente \({Y}_{fail}^{*}\) de la superficie de falla se expresa de la siguiente manera:

donde \({\sigma }_{eq}^{*}\) es la tensión equivalente normalizada y normalizada como

donde, \({f}_{c}\) es la resistencia a la compresión uniaxial, \({Y}_{txc}^{*}(P)\) es la fuerza del meridiano comprimido. La evolución de esta variable viene dada como

donde \({F}_{RATE}(\dot{\varepsilon )}\) es el factor de mejora de la tasa de deformación dinámica, que se muestra en la siguiente ecuación.

donde \({R}_{3}(\theta )\) es el radio radial correspondiente a cualquier ángulo de tensión y la relación del radio meridional radial, que se muestra en la siguiente ecuación.

en el cual, \(\theta ={\text{cos}}^{-1}\left(\frac{3\sqrt{3}{J}_{3}}{2{J}_{2}^ \frac{3}{2}}\right)/3\), \(0\le \theta \le \pi /3,\)

cual, 0.51 \(\le \) Q2 \(\le \) 1.0, cual A, N, \(\partial , \delta , {Q}_{2}\) y \({B}_{Q} \) son los parámetros del material.

La superficie de resistencia residual se describe a continuación,

donde B es la constante de superficie de falla residual; y M es el índice de superficie de falla residual.

La descripción del frente es la siguiente: Si el frente está ubicado entre el límite elástico y la superficie máxima de falla, entonces

donde, \({\varepsilon }_{pl,eq}\) y \({\varepsilon }_{plhard/eq}\) son la deformación plástica correspondiente a la superficie de falla actual y la falla máxima, respectivamente.

Cuando el frente está ubicado entre la superficie de falla máxima y la superficie de falla residual, la superficie de falla depende de la cantidad de daño D.

donde, \({\varepsilon }_{f,min}\) es la deformación plástica mínima en el momento de la falla del material, tomando 0.01, \({D}_{1}\) y \({D}_{ 2}\) son las constantes de daños materiales; \({\varepsilon }_{P}\) es la deformación plástica.

La propagación no homogénea de las grietas en el espacio provoca la anisotropía de los materiales derivados, y es necesario considerar el comportamiento anisotrópico para construir la relación de daño constitutivo con la acción de la carga externa. A cada grieta se le asigna un valor de daño para describir el estado de la grieta, considerando la discreción del vector nork. Las variables de daño de las familias de fracturas se definen como un conjunto, que se expresa como la fórmula (25), \({d}_{i}\) es la variable interna de daño de la i-ésima grieta.

Se debe considerar que la matriz de la roca contiene un solo grupo de fracturas en primer lugar para simplificar. Suponiendo que el vector normal del grupo de fracturas es n, y el \(d=d({\varvec{n}})\), se utiliza para representar la densidad de distribución de fracturas, es decir, la variable de daño en general. Es necesario determinar la expresión de energía libre del sistema de matriz de fractura para construir un modelo de mecánica de daños basado en la termodinámica. Considerando únicamente la disipación de energía de la propagación de grietas, la energía libre de deformación del sistema es función de la variable macroscópica \(\varepsilon \) y la variable de daño d, como se representa en la función (26)

donde, \({C}^{hom}\left(d\right)\) es el tensor elástico efectivo del material dañado.

Que se puede obtener derivando la energía libre de las variables internas. En primer lugar, establezca la relación macro tensión-deformación como se muestra en la fórmula (27),

Se obtiene la fuerza térmica relacionada con la variable de daño, es decir, la fuerza impulsora del daño.

Según la segunda ley de la termodinámica, la disipación de energía causada por la propagación de la fractura no es negativa y satisface la ecuación. (29)

En el marco de la termodinámica, generalmente se adopta el criterio de daño basado en la tasa de liberación de energía de deformación, como se muestra en la ecuación. (30)

donde, \(R\left(d\right)\) es la función de resistencia de la evolución del daño (propagación de grietas), para el criterio de daño (31). Las condiciones de carga son las siguientes:

Suponiendo que la roca es material ortorrómbico, la evolución del daño obedece al criterio de ortogonalización.

donde, \({\lambda }^{d}\) es el multiplicador de daño.

Similar a la teoría plástica clásica, la ecuación de evolución del daño considerando las condiciones de carga y descarga es la siguiente:

El multiplicador de daño \({\lambda }^{d}\) se puede determinar mediante la condición de consistencia del daño (g = 0 y \(\dot{\text{g}}=0\)), de la siguiente manera,

Además, la relación tensión-deformación en forma de tasa se puede establecer con base en el criterio de evolución del daño. En primer lugar, la relación macroscópica tensión-deformación se expresa en forma diferencial como la ecuación. (35)

Y existe la siguiente relación, que se muestra como (36)

Y luego obtenga la ecuación como (37)

donde, \({C}^{tan}\) es el tensor elástico tangencial del material, la expresión específica como (38)

entre ellos, los parámetros de endurecimiento por daño \({H}_{d}=-\partial g/\partial d\).

En la Fig. 2 se muestra un modelo tridimensional de corte de roca con una hoja de sierra circular. La hoja de sierra circular y para roca se simplificó como un cuboide de 800 \(\times \) 300 \(\times \) 300 mm, y el El modelo de hoja de sierra circular tiene un diámetro de 600 mm y un espesor de 5 mm con 24 dientes en forma de U. La hoja de sierra circular se soldó a la periferia de un núcleo de acero circular. El modelo de material RHT y el SOLID_164 hexaédrico de 8 nodos se aplican para mallar el modelo de roca, el tamaño del elemento se establece en 1 mm mediante MeshTool. El artículo estudia principalmente los fragmentos de roca y la fuerza de corte de la hoja de sierra circular, la hoja de sierra circular está entrelazada con material RÍGIDO. Los parámetros clave de la roca se muestran en la Tabla 1. Los parámetros clave del material del modelo constitutivo de la roca y el modelo de hoja de sierra se aplican en el modelo de simulación numérica, presentado en las Tablas 2 y 3. Toda la restricción se agregó a la superficie inferior de la roca, restringiendo el desplazamiento en las direcciones x, y, z (a la derecha e izquierda de la superficie y delante y detrás de la superficie). Los límites no reflectantes, que no están cortados, se agregaron a la superficie de la roca para simular con precisión las rocas reales. Con el objetivo de resolver el problema de interacción entre la hoja de sierra circular y la roca, se aplicó el acoplamiento automático Lagrange/Lagrange28. Para la hoja de sierra circular se utilizaron las restricciones de desplazamiento de las direcciones y y z y las restricciones de rotación de los ejes x e y. Se aplicó a la hoja de sierra circular el movimiento lineal en la dirección y y la rotación alrededor del eje x. El paso de tiempo se estableció en 0,01 s para generar el archivo de cálculo. El archivo k se importó a ANSYS/Slover para realizar el cálculo con la estación de trabajo, 40 núcleos informáticos. Este artículo investigó el mecanismo de fragmentación de la roca con hojas de sierra circular durante el proceso de corte de la roca.

El modelo de simulación numérica de roca de corte de hoja de sierra circular.

Se estableció el banco de pruebas de corte de roca con hoja de sierra circular para realizar el corte vertical de la hoja de sierra circular en roca. El banco de pruebas de roca de corte de hoja de sierra circular se muestra en la Fig. 3. La cámara de alta velocidad se aplica para fotografiar la roca de corte de hoja de sierra circular, el sensor de fuerza y ​​el sistema de adquisición de señal de fuerza se aplican para recolectar la roca de corte de hoja de sierra circular. fuerza. La hoja de sierra circular corta roca verticalmente, con una velocidad de rotación de 1000 r/min y una velocidad de avance de 0,20 m/min.

El banco de pruebas de corte de rocas con hojas de sierra circular.

Los resultados experimentales del corte vertical de roca con una hoja de sierra circular se presentan en la Fig. 4 (1). El error de la fuerza de corte, la fuerza normal, la fuerza tangencial y la fuerza axial de los resultados de la simulación experimental y numérica es inferior a 0,05, por lo tanto, la simulación numérica es precisa. Y los resultados del experimento y la simulación numérica se muestran en la Fig. 4 (2), los resultados de la simulación numérica indicaron que la roca se rompió formando varios fragmentos con el corte de la hoja de sierra circular. Y los resultados del experimento mostraron que hay varios fragmentos de roca. Los resultados del experimento de corte de roca con hoja de sierra circular modificaron la simulación numérica, lo que ayuda a mejorar la precisión de la simulación numérica.

Los resultados experimentales del corte de roca con una hoja de sierra circular.

Los resultados de la simulación numérica del proceso de fragmentación de roca al cortar roca con una hoja de sierra circular a una velocidad de avance de 0,3 m/min y una velocidad de rotación de 3000 r/min se muestran en la Fig. 5. En el proceso de corte de roca, el La hoja de sierra circular comprime la roca, el campo de daño de la roca se formó y propagó en la etapa inicial, y luego la zona de daño se expandió. La región dañada de la roca se generó en la posición de contacto alrededor de la hoja de sierra circular, como se muestra en la Fig. 5a. Los elementos detrás de la hoja de sierra circular fueron los primeros en verse afectados por la hoja de sierra, lo que provocó daños y tensiones. La tensión obvia apareció en el centro frontal del área de contacto de la hoja de sierra circular y la roca, y más cerca del frente del centro de la posición de contacto de la hoja de sierra circular y la falla de la roca, la tensión del elemento de roca era distinta, con el borde del segmento de la hoja de sierra que ejerce la fuerza de corte sobre los elementos de roca, como se muestra en la Fig. 5b. La mayoría de los elementos a ambos lados de la hoja de sierra circular no fallaron principalmente porque la roca generó deformación elástica. Como se muestra en la Fig. 5c, el campo de daños se extendió con la continuación del corte de roca y algunos elementos en el campo de daños fallaron. La deformación del elemento de roca se produjo en la posición de la hoja de sierra circular cortando roca. Mientras la hoja de sierra giraba, la deformación del elemento que entraba en contacto con el borde del segmento de la hoja de sierra era obvia. A medida que aumentaba la profundidad de corte, aumentaba el área de contacto de la hoja de sierra circular y la roca, y aumentaba la longitud del campo de daño; sin embargo, el ancho del campo de daño disminuyó. El número de elementos de falla aumentó a medida que la hoja de sierra circular cortaba la roca, como se muestra en la Fig. 5d. El área dañada disminuyó cuando la hoja de sierra circular cortó la roca y la roca se rompió para formar fragmentos, como se muestra en la Fig. 5e. Al comparar la Fig. 5d, e, es evidente que el campo de daño en ambos lados de la hoja de sierra circular disminuyó y el número de elementos de falla aumentó.

La hoja de sierra circular corta roca con una profundidad de corte de 10 mm, velocidad de avance de 0,3 m/min y velocidad de rotación de 3000 r/min.

Algunos fragmentos se formaron a medida que aumentaba la profundidad del corte y disminuía el área dañada. Algunos elementos en el campo de daños no fallaron, principalmente debido a la deformación elástica generada por la roca y a la tensión de compresión. La Figura 5f muestra que muchos fragmentos se cayeron de la roca y la zona de daño disminuyó. La posición de la grieta fue aleatoria debido a que la roca es un tipo de material heterogéneo, como se muestra en las figuras 5d-f. Como se muestra en la Fig. 5f, aparecen más fragmentos sin regularidad, formando algunas regiones de fractura. En las regiones de daño delantera y trasera de la hoja de sierra circular, los elementos no lograron simular los fragmentos de roca que formaron la roca cuando la hoja de sierra cortó la roca. Los fragmentos se formaron principalmente en la parte media del área de corte, y los fragmentos más grandes se separaron del área intermedia de la zona de intersección de la hoja de sierra circular y la roca.

Al comparar las figuras 5d a f, con el aumento de la profundidad de corte, es evidente que el campo de daño disminuyó, los elementos fallaron y se formaron algunos fragmentos en el área de corte de roca. A medida que aumentó la profundidad de corte, el área dañada disminuyó y aumentó el número de elementos y fragmentos de falla. La eliminación de elementos de falla provocó que algunos elementos que no alcanzaron los criterios de falla se separaran de la roca y formaran fragmentos. La mayoría de los fragmentos se formaron en la parte media del área de corte a ambos lados de la hoja de sierra circular. La hoja de sierra circular cortó roca con una alta velocidad de rotación y se formaron muchos fragmentos, convirtiéndose en el medio de interacción de la hoja de sierra y la roca en ambos lados de la ranura de la sierra, que fue la razón principal para el desarrollo de la fuerza axial. . La fuerza aplicada en ambos lados de la ranura de la sierra es más significativa en el medio del área de corte, provocando roturas graves y un mayor campo de daño.

Para investigar la distribución del daño de la roca, se utilizaron diferentes secciones transversales, como se muestra en la Fig. 6. Seis secciones en la dirección y y una sección en la dirección x indicaron que la fragmentación de la roca y el daño se distribuyeron a lo largo de la hoja de sierra circular en el interior de la roca. La principal zona de daño se distribuyó a lo largo del arco y a ambos lados de la hoja de sierra circular. El campo de daño se distribuyó aleatoriamente y la roca no falló ni formó fragmentos que se desprendieran de la roca. Comparando los seis perfiles (Fig. 6b-g) correspondientes a la Fig. 6a, se puede concluir que la distribución del campo de daño a lo largo de la profundidad longitudinal de la hoja de sierra está estrechamente relacionada con la velocidad de rotación y la velocidad de avance. La zona de daño no está distribuida uniformemente en la Fig. 6a; el campo de daño aumenta de izquierda a centro y disminuye de centro a derecha con una velocidad de rotación en sentido antihorario y una velocidad de avance hacia abajo. El área con mayor daño está en el medio y el lado izquierdo tiene el menor daño. Debido al efecto de la velocidad de rotación simulada y la velocidad de avance sobre la roca, se mejora el daño de la hoja de sierra a la roca. El área dañada en el lado derecho es mayor que en el lado izquierdo debido al par de fragmentos formados por el corte de la hoja de sierra. El campo de daño se distribuye aleatoriamente en la parte superior del borde del arco de la veta de sierra, y los fragmentos de roca se encuentran principalmente en la superficie superior.

La distribución de diferentes secciones transversales en la dirección y.

Las distribuciones de las diferentes secciones transversales mostraron claramente las diferentes distancias de erosión entre los dos lados de la hoja de sierra y la roca a diferentes profundidades. La profundidad de corte de la hoja de sierra circular tiene una influencia significativa en el rendimiento de corte. A mayor profundidad de corte, hay muchas grietas que se cruzan y se forman demasiados fragmentos debido a la isotropía y continuidad de la roca. Se indica que la simulación numérica del corte de roca con una hoja de sierra circular puede reproducir el proceso de fragmentación de la roca.

Para investigar el mecanismo de fragmentación de la roca para la interacción entre la hoja de la sierra circular y la roca, se seleccionaron cinco elementos de falla en el campo de trituración en el primer punto de contacto entre la hoja de la sierra circular y la roca durante el corte vertical de la hoja de la sierra circular en la roca, como se presenta. en la Fig. 5, para medir el valor de tensión, presión y daño versus tiempo para investigar la falla en el corte de roca con una hoja de sierra circular, como se muestra en la Fig. 7. Un valor positivo de la presión indica tensión de compresión, mientras que un valor negativo indica tensión de tracción. Puede haber tres tipos diferentes de modos de falla que ocurren en el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular, incluyendo falla por compresión, tracción y corte. El método de investigación es similar al de referencia22 y probable que sea de referencia25. Mientras que el esfuerzo de tracción del elemento que alcanzó 18,2 MPa indicó falla por tracción, el esfuerzo de corte que alcanzó 39,7 MPa predijo falla por corte; de ​​lo contrario, el elemento exhibe falla por compresión.

Presión y daño correspondiente versus tiempo en diferentes posiciones.

Como se muestra en la Fig. 7a, la presión del punto de prueba 1 (elemento 124,123) alcanzó 55,1 MPa; el esfuerzo cortante fue de 21,5 MPa, que es inferior a 39,7 MPa, y el esfuerzo de tracción fue inferior al umbral de resistencia a la tracción de 18,2 MPa y el valor de daño alcanzó 1, por lo que se determinó que el punto de prueba 1 es una falla por compresión. El valor de daño del punto de prueba 2 obtuvo 1 y la tensión de tracción alcanzó 18,18 MPa debido a un valor de extracción relativamente bajo; el esfuerzo cortante fue de 16,83 MPa, lo que significa que la falla no se debió al esfuerzo cortante, lo que indica que el modo de falla del punto de prueba 2 fue una falla por tracción, como se muestra en la Fig. 7b. Para el punto de prueba 4, la tensión cortante alcanzó 39,7 MPa; sin embargo, la tensión de tracción y la tensión de resistencia fueron menores que la resistencia a la tracción de 18,2 MPa, lo que indicó una falla por corte.

Entre los cinco puntos de prueba, 3 puntos mostraron falla por tracción, 1 mostró falla por compresión y 1 indicó falla por corte. Entonces, se puede resumir que el modo de falla de los elementos rocosos es principalmente falla por tracción; algunos son fallas por compresión y corte, como se muestra en la Tabla 4.

La hoja de sierra circular cortó roca dura con una velocidad de rotación de 2000 r/min y velocidades de avance de 0,10, 0,12, 0,14, 0,16, 0,18, 0,20, 0,22, 0,24, 0,26, 0,28 y 0,30 m/min. La Figura 8 muestra los fragmentos de la hoja de sierra circular cortando roca con velocidades de avance de 0,10, 0,14, 0,18, 0,22, 0,26 y 0,30 m/min. A medida que aumentó la velocidad de alimentación, la cantidad de fragmentos de roca aumentó notablemente. Cuando la velocidad de avance era de 0,10 m/min, los fragmentos eran menores y la extensión del área dañada de la roca era indistinta al aumentar la velocidad de avance. Los elementos dañados no dejaron de disminuir. La mayor velocidad de avance acelera el daño del modelo de roca; cuando el valor de daño llega a 1, el elemento falla y se elimina. Cuando la velocidad de alimentación era baja, la deformación elástica o plástica del elemento rocoso no alcanzó la resistencia a la falla del elemento rocoso; sin embargo, cuando la velocidad de alimentación era mayor, la deformación de la roca alcanzó la deformación de falla, provocando que el elemento de roca fallara y se eliminara. La velocidad de alimentación afecta en gran medida la formación de fragmentos de roca y los fragmentos de roca aumentan al aumentar la velocidad de alimentación.

Fragmentación de roca con hoja de sierra circular cortando a varias velocidades de avance.

Se llevaron a cabo simulaciones numéricas en una hoja de sierra circular cortando roca a diferentes velocidades de avance. La fuerza se obtuvo a partir de los resultados de la simulación numérica. Las fuerzas de corte, normales, tangenciales y axiales se compararon con diferentes velocidades de corte para investigar la influencia de la velocidad de avance sobre la fuerza. La fuerza de corte aumentó a medida que aumentó la velocidad de avance, como se indica en la Fig. 9a. Las curvas de fuerza normal se indican en la Fig. 9b. Y la tendencia de que la fuerza normal cambie con la velocidad de avance es la misma que la fuerza de corte, y la fuerza normal aumenta al aumentar la velocidad de avance. La velocidad de avance influye en gran medida en la fuerza y ​​la fuerza de corte aumenta al aumentar la velocidad de avance. Las curvas de fuerza tangencial y fuerza axial de la velocidad de alimentación se trazan en la Fig. 9c, d, y la fuerza tangencial y la fuerza axial aumentan al aumentar la velocidad de alimentación, lo que coincide con el análisis de la Ref.23.

La fuerza responde a diferentes velocidades de rotación.

En la Fig. 10 se representan los fragmentos de la hoja de sierra circular que corta roca a diferentes velocidades de rotación de 1000, 1400, 1800, 2200, 2600 y 3000 r/min a una velocidad de avance de 0,20 m/min. La Figura 10 muestra que el número de fragmentos de roca disminuye con el aumento de la velocidad de rotación. Es evidente que la velocidad de rotación influyó significativamente en la formación de fragmentos y en el campo de daño. La tendencia de cambio del campo de daño de roca es similar a la Ref.22, sin embargo, no se han investigado los fragmentos de roca con diversos parámetros. El fragmento de roca está relacionado con daños en la roca. Por lo tanto, los fragmentos de roca y los daños de la roca deben discutirse juntos. El área dañada de la roca con la hoja de sierra circular disminuyó al aumentar la velocidad de rotación, mientras que el número de fragmentos de roca disminuyó.

Fragmentos de roca de la hoja de sierra circular cortando a varias velocidades de rotación.

La influencia de la velocidad de rotación sobre la fuerza se muestra en la Fig. 11. A medida que la velocidad de rotación aumentó, la fuerza disminuyó notablemente y el rango de disminución también se redujo. Con el aumento de la velocidad de rotación, las unidades de la hoja de sierra circular avanzaron, el número de ciclos de rotación aumentó, la cantidad de corte de la roca dura mediante un proceso disminuyó y la fuerza de interacción entre la hoja de sierra circular y la roca dura. disminuido. Además, la cantidad y el volumen de fragmentos de roca disminuyeron y la cantidad de corte por ciclo disminuyó. La velocidad de rotación de la hoja de sierra circular aumentó, lo que provocó que disminuyera la zona de daño en ambos lados de la ranura de la sierra. Al aumentar la velocidad de rotación, disminuyó la cantidad de raspado entre la hoja de la sierra circular y la pared de roca a ambos lados de la ranura de la sierra; la interacción entre la hoja de sierra y las paredes de roca a ambos lados de la ranura de la sierra disminuyó, provocando una disminución en la fuerza axial.

La variación de la fuerza media con la velocidad de rotación para diferentes velocidades de alimentación.

Se comparó y analizó una imagen de nube de fuerza tridimensional con diferentes velocidades de avance y rotación. La influencia de la velocidad de avance sobre la fuerza es más notable que la de la velocidad de rotación. La velocidad de rotación disminuyó a medida que aumentó la velocidad de avance, lo que provocó que la fuerza aumentara. La Figura 12 muestra que la fuerza de corte de la hoja de sierra circular aumenta a medida que aumenta la velocidad de avance y disminuye la velocidad de rotación. Los parámetros de corte tienen una gran influencia en la fuerza. Se selecciona una velocidad de rotación mayor y una velocidad de avance menor para cortar roca dura y reducir la fuerza. Sin embargo, la menor velocidad de avance y la mayor velocidad de rotación disminuyen la eficiencia de corte.

Imagen de nube de fuerza tridimensional de la velocidad de avance y la velocidad de rotación.

Hojas de sierra circular dobles que cortan roca dura con una velocidad de avance de 0,3 m/min; una velocidad de rotación de 3000 r/min; Se compararon las separaciones entre las hojas de sierra doble de 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 y 50 mm. Los resultados de la fragmentación de la roca se muestran en la Fig. 13. Cuando la distancia era pequeña, no se formó ninguna losa de roca entre las hojas de sierra; la roca estaba completamente rota y el número de fragmentos de roca formados por la interacción con la hoja de sierra circular era pequeño. El pequeño espacio entre las hojas de sierra circular dobles dio como resultado la superposición de la fuerza ejercida por las hojas de sierra circular sobre la roca, que alcanzó la resistencia a la falla de la roca y eliminó la roca fallida, formando un espacio de sierra más grande. Cuando el espacio entre las hojas de sierra doble era pequeño, era difícil formar una losa completa entre las hojas de sierra circular doble. Cuando la distancia entre las hojas de sierra doble alcanzó los 15 mm, se formó una sección de losa de roca entre las hojas de sierra doble. Debido a la superposición de la fuerza de la hoja de sierra, la parte media de la losa de roca falló y se rompió, y se formaron muchos fragmentos de roca, como se muestra en la Fig. 13b. La cantidad de losa de roca aumentó cuando el espacio entre las hojas de sierra alcanzó los 20 mm; la losa de roca estaba menos rota y había menos fragmentos de roca que cuando el espacio entre las palas era de 15 mm, como se muestra en la Fig. 13c. A medida que aumentaba el espacio entre las hojas de sierra circular, aumentaba el ancho de la losa de roca formada. La hoja de sierra circular que cortaba la roca formó muchos fragmentos, pero como la distancia entre las dos hojas de sierra circular era pequeña, la cantidad de fragmentos era menor.

Fragmentos de roca con distintos espacios entre hojas de sierra circular doble.

Las fuerzas de las hojas de sierra circular doble con varios espacios cortando roca se representan en la Fig. 14. La fuerza de corte aumentó primero y luego se estabilizó al aumentar el espacio. Las variaciones de la fuerza normal y tangencial con el aumento del espaciamiento fueron similares a la fuerza de corte. Sin embargo, la variación en la fuerza axial con el espaciado de las hojas de sierra fue bastante diferente, como se muestra en la Fig. 14d. La fuerza axial varió, disminuyendo primero y estabilizándose al aumentar el espaciamiento. La influencia de la distancia sobre la fuerza axial es obvia, como se presenta en la Fig. 14d. Cuando el espacio alcanzó los 25 mm, las fuerzas de corte, normales, tangenciales y axiales fluctuaron constantemente. Las fuerzas de la hoja de sierra circular 1 y de la hoja de sierra circular 2 son diferentes. Debido a que la roca es un material anisotrópico, la fuerza de las hojas de sierra tenía una ligera diferencia entre las dos hojas de sierra circular. Las hojas de sierra dobles cortaron la roca con la misma velocidad de rotación y velocidad de avance, y el área sin cortar entre las hojas de sierra fue superpuesta por el mismo campo de fuerza de la hoja de sierra, lo que redujo la fuerza de corte. Sin embargo, a medida que aumentaba la distancia entre dos hojas de sierra circular, la superposición de tensiones entre las hojas de sierra disminuía y aumentaban la fuerza de corte, la fuerza normal y la fuerza tangencial. La fuerza axial de las hojas de sierra circular disminuyó porque la interacción axial entre las hojas de sierra disminuyó al aumentar la distancia de separación. La fuerza axial es causada principalmente por la extrusión de fragmentos entre la roca y la hoja de sierra. Cuando la distancia entre las hojas de sierra circular era superior a 25 mm, la fuerza axial de las hojas de sierra tendía a ser estable.

Fuerza de las hojas de sierra circular dobles con diferentes espaciamientos cortando roca.

La energía de corte específica de la hoja de sierra circular que corta la roca es un índice importante del rendimiento de corte. Y los parámetros de corte de la hoja de sierra circular tienen un gran efecto sobre la energía de corte específica. La energía de corte específica de una hoja de sierra circular se define como la relación entre el consumo de energía de corte de la hoja de sierra y la suma del volumen roto y el valor de daño a la roca de 1 volumen. Los resultados de la investigación de la energía de corte específica de la hoja de sierra circular. Las curvas de energía de corte específicas con varias velocidades de avance, velocidades de rotación y la distancia entre hojas de sierra dobles se muestran en la Fig. 15.

Energía de corte específica de una hoja de sierra circular con varios parámetros de corte.

La velocidad de avance tiene una gran influencia en la energía de corte específica y la relación entre el consumo de energía de corte específico y la velocidad de avance es una función cuadrática. A medida que aumenta la velocidad de avance, aumenta la energía de corte específica, como se muestra en la Fig. 15a. La fuerza de corte de la hoja de sierra circular aumenta con la velocidad de avance, lo que provocó que la potencia de corte de la hoja de sierra circular aumentara; sin embargo, el volumen de roca rota tiene pocos cambios. Y la función de curva de ajuste R2 es 09835 y el valor P es 9,79e−4, lo que indica que la función de ajuste es precisa y confiable. El consumo específico de energía de corte disminuye a medida que aumenta la velocidad de rotación, como se muestra en la Fig. 15b. La función de curado del ajuste R2 es 0,9878 y el valor P es 2,24e-4, lo que indica que la función de ajuste es precisa y confiable. El consumo de energía de corte disminuye con el aumento de la velocidad de rotación, lo que provocó que la energía de corte específica disminuyera con el aumento de la velocidad de rotación. La distancia entre las hojas de sierra dobles influye en gran medida en la energía de corte específica de la hoja de sierra. La distancia cada vez mayor entre las hojas de sierra doble hace que la energía de corte específica aumente, sin embargo, la velocidad creciente disminuye, como se muestra en la Fig. 15c. En comparación con la energía de corte específica de la hoja de sierra cortando roca con varios parámetros de corte, resultados de investigación en la Ref.22, la energía de corte específica tiene la misma forma variante coincidente.

Este artículo estableció un modelo de simulación tridimensional sobre la hoja de sierra circular cortando roca basado en ANSYS/LS-DYNA para investigar el efecto de los parámetros de corte en el rendimiento de corte y los mecanismos de fragmentos de roca durante el corte vertical de roca con una hoja de sierra circular.

Los resultados de la simulación numérica indicaron que los modos de falla de la roca son principalmente falla por tracción, y algunos modos son falla por corte y falla por compresión.

Los parámetros de corte tienen un efecto obvio sobre la fuerza de corte y la cantidad de fragmentos de roca en el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular. Al aumentar la velocidad de rotación, la fuerza de corte de la hoja de sierra circular y el número de fragmentos de roca disminuyeron y luego tendieron a ser estables. Sin embargo, la fuerza de corte y el número de fragmentos aumentaron al aumentar la velocidad de avance.

Al aumentar el espacio entre las hojas de sierra circular doble, la fuerza de corte, la fuerza normal y la fuerza tangencial aumentaron, pero la fuerza axial disminuyó. La separación entre las hojas de sierra circular dobles influyó en gran medida en la formación de una losa entre las hojas de sierra circular doble. A medida que aumentaba el espacio entre las hojas de la sierra circular, aumentaba el número de fragmentos de roca y la losa de roca tendía a permanecer intacta.

Los parámetros de corte tienen gran influencia en la energía de corte específica. A medida que aumentan la velocidad de avance y la distancia entre las hojas de sierra dobles, aumenta la energía de corte específica. Pero el aumento de la velocidad de rotación provoca que la energía de corte específica disminuya.

Los resultados de la investigación se pueden utilizar para seleccionar los parámetros de corte apropiados para guiar el proceso de corte de roca con hojas de sierra circular.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio se incluyen en el artículo.

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Este trabajo fue apoyado por los proyectos del Proyecto Clave de Investigación y Desarrollo de China (Subvención No. 2017YFC0603000) y la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Shandong (Subvención No. ZR2019BEE069).

Facultad de Ingeniería Mecánica y Electrónica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong, Qingdao, 266590, China

Zhiwen Wang, Qingliang Zeng, Lirong Wan y Jun Zhou

Universidad Normal de Shandong, Jinan, 250358, China

Qingliang Zeng

Facultad de Transporte, Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong, Qingdao, 266590, China

Zhenguo Lu

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Conceptualización, ZWW y QLZ; metodología, QLZ; software, ZLL; validación, LRW, JZ; curación de datos, ZWW; redacción: preparación del borrador original, ZWW; redacción: revisión y edición, QLZ; adquisición de financiación, QLZ y ZGL Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Qingliang Zeng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wang, Z., Zeng, Q., Wan, L. et al. Investigación de la separación de fragmentos durante el corte de roca con una hoja de sierra circular basada en ANSYS/LS-DYNA. Informe científico 12, 17346 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22267-0

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Recibido: 01 de junio de 2022

Aceptado: 12 de octubre de 2022

Publicado: 16 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22267-0

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