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

Jan 30, 2024

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. El mecanismo de falla de la roca y la influencia de los parámetros de corte en la fuerza de corte y los fragmentos de roca se estudiaron mediante simulación numérica. Los resultados demostraron que los modos de falla de la roca fueron principalmente fallas por tracción con algunas fallas por cortante y fallas 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, 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 y la fuerza de la roca 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 rocas duras, el método de rotura de rocas y la fuerza de corte durante el proceso de corte de rocas 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 ensayos 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 granito con hojas de sierra circular2. Huang et al. propuso 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. usó un experimento para investigar la influencia de las variables operativas y las propiedades de la roca en la energía específica6. Yurdakul et al. estudió la predicción de energía de corte específica por métodos estadísticos7. Ersoy et al. investigó 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. estableció modelos que solían 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 capacidad de aserrar, el daño, 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 en función de la dureza de la superficie de la roca, que se puede utilizar para predecir la aserrabilidad del carbonato10. Fener et al. utilizaron análisis de regresión simple y múltiple para investigar las correlaciones entre aserrabilidad y 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 en 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 de las rocas basándose en un modelo constitutivo estadístico de daño de 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 aserrado 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 el método de simulación numérica. Sin embargo, el documento estudió la influencia de los parámetros de corte de la hoja de sierra en el daño de la roca y la fuerza de corte, en el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular con una profundidad de corte constante. Pero hay menos investigación sobre el fragmento de roca con el corte de la 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 la roca con la hoja de sierra circular. verticalmente23. Lu et al.24 han investigado la placa cónica para romper 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 el cortador de picos que rompe la 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 previos 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 capacidad de aserrar rocas y el desgaste de la hoja de sierra circular en el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular. Y hay muchos investigadores investigando romper roca (piedra) con otro cortador. Hay menos investigación sobre la roca de corte de la hoja de sierra circular que forma muchos fragmentos y el daño de la roca. Por lo tanto, el manuscrito ha investigado la influencia vertical de los parámetros de corte de la hoja de sierra circular en la roca sobre los fragmentos de roca y el daño de la roca con el 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 doble 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 está formada 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 al extruir 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 en 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 solución. modelo. Por lo tanto, las ecuaciones para resolver las fuerzas tangenciales y normales durante el corte de roca con la hoja de sierra circular se muestran en las fórmulas (1) y (2)27.

donde \({l}_{s}\) es la longitud de arco de un solo segmento, \({l}_{w}\) es la longitud de arco de un solo canal, \(\updelta \) es la 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 cortando por unidad de área, \(\eta \) es la proporción de partículas abrasivas efectivas a 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 de corte máxima de un solo abrasivo de diamante 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 avance y \({V}_{r}\ ) es la velocidad de rotación.

De acuerdo con 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 determinaron el valor de \(k\); sin embargo, \(k\) es una variable dinámica.

La roca es un material heterogéneo cuasi-frágil. El modelo constitutivo RHT se aplica para simular la roca, que se puede utilizar para investigar el daño de la roca con el corte de una 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, la resistencia a la fluencia 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 función de superficie límite elástico:

Mientras que el tope de la superficie de fluencia 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 correspondiente g función de falla \({Y}_{fail}^{*}\) 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 resistencia del meridiano comprimido. La evolución de esta variable se da como

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

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

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

La superficie de resistencia residual se describe a continuación,

donde, B es la constante de la 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 de falla máxima, 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 daño material; \({\varepsilon }_{P}\) es la deformación plástica.

La propagación no homogénea de las grietas en el espacio provoca la anisotropía de los materiales derivados, y el comportamiento anisotrópico debe ser considerado para construir la relación de daño constitutivo con la acción de la carga externa. A cada fisura se le asigna un valor de daño para describir el estado de la fisura, 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 fisura i-ésima.

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 de las fracturas del grupo 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 la energía libre del sistema matriz de fractura para construir un modelo de mecánica de daños basado en la termodinámica. Solo considerando la disipación de energía de la propagación de grietas, la energía libre de tensión 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 daño, es decir, la fuerza motriz del daño.

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, la disipación de energía causada por la propagación de la fractura no es negativa y satisface la Ec. (29)

En el marco de la termodinámica, generalmente se adopta el criterio de daño basado en la tasa de liberación de energía de deformación, que se muestra como Eq. (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:

Asumiendo 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 en base al criterio de evolución del daño. En primer lugar, la relación tensión-deformación macroscópica se expresa en forma diferencial como la ecuación. (35)

Y existe la siguiente relación, mostrada como (36)

Y luego obtener 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 \({H}_{d}=-\parcial g/\parcial d\).

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 de roca se simplificó como un paralelepípedo de 800 \(\times \) 300 \(\times \) 300 mm, y el El modelo de hoja de sierra circular tiene un diámetro de 600 mm y un grosor de 5 mm con 24 dientes en forma de U. La hoja de sierra circular fue soldada a la periferia de un núcleo de acero circular. El modelo de material RHT y el hexaédrico de 8 nodos SOLID_164 se aplican para mallar el modelo de roca, el tamaño del elemento se establece en 1 mm mediante MeshTool. El documento estudia principalmente los fragmentos de roca y la fuerza de corte de la hoja de sierra circular, la hoja de sierra circular está engranada con material RÍGIDO. Los parámetros clave de la roca se muestran en la Tabla 1. Los parámetros clave del material del modelo constitutivo de 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 al frente y detrás de la superficie). Los límites de no reflexión, que no se cortan, 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. Las restricciones de desplazamiento en las direcciones Y y Z y las restricciones de rotación en los ejes X y Y se utilizaron para la hoja de sierra circular. El movimiento lineal en la dirección y y la rotación alrededor del eje x se aplicaron a la hoja de sierra circular. El paso de tiempo se estableció en 0,01 s para el archivo de cálculo de salida. El archivo k se importó a ANSYS/Slover para el cálculo con la estación de trabajo, 40 núcleos informáticos. Este artículo investigó el mecanismo de fragmentación de rocas con hojas de sierra circular durante el proceso de corte de rocas.

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

Estableció el banco de prueba de roca de corte de hoja de sierra circular para realizar el corte de roca de hoja de sierra circular verticalmente. El banco de pruebas de corte de roca con hoja de sierra circular se muestra en la Fig. 3. La cámara de alta velocidad se aplica para fotografiar la roca de corte con 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 con hoja de sierra circular. fuerza. La hoja de sierra circular corta la 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 roca de corte de hoja de sierra circular.

Los resultados experimentales del corte vertical de la roca con una hoja de sierra circular se presentan en la Fig. 4 (1). La fuerza de corte, la fuerza normal, la fuerza tangencial y la fuerza axial del error de los resultados de la simulación experimental y numérica es inferior a 0,05, por lo que 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 hoja de sierra circular.

Los resultados de la simulación numérica del proceso de fragmentación de rocas al cortar rocas con una hoja de sierra circular a una velocidad avanzada 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 rocas, 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 afectados por la hoja de sierra, lo que resultó en daños y tensión. 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 fue distinta, con el borde del segmento de la hoja de sierra que ejerce la fuerza de corte sobre los elementos rocosos, 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 una deformación elástica. Como se muestra en la Fig. 5c, el campo dañado se extendió con la continuación del corte de roca y algunos elementos en el campo dañado fallaron. La deformación del elemento rocoso ocurrió en la posición de la hoja de sierra circular cortando la roca. Mientras la hoja de sierra giraba, la deformación del elemento que contactaba con el borde del segmento de la hoja de sierra era evidente. 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 dañado; 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 con la hoja de sierra circular cortando 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 aumentó el número de elementos de falla.

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

Se formaron algunos fragmentos a medida que aumentaba la profundidad de corte y disminuía el área dañada. Algunos elementos en el campo de daño no fallaron, principalmente debido a la deformación elástica generada por la roca y el esfuerzo de compresión. La Figura 5f muestra que muchos fragmentos cayeron de la roca y la zona dañada disminuyó. La posición de la grieta fue aleatoria debido a que la roca es un tipo de material heterogéneo, como se muestra en la Fig. 5d–f. Como se muestra en la Fig. 5f, aparecen más fragmentos sin regularidad, formando algunas regiones de fractura. En las regiones dañadas delantera y trasera de la hoja de sierra circular, los elementos no lograron simular los fragmentos de roca que formaron rocas 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 la Fig. 5d–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 aumentaba la profundidad de corte, disminuía el área dañada y aumentaba el número de elementos de falla y fragmentos. 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 en ambos lados de la hoja de sierra circular. La hoja de sierra circular cortó la roca con una alta velocidad de rotación y se formaron muchos fragmentos, convirtiéndose en el medio de la interacción de la hoja de sierra y la roca a ambos lados de la ranura de la sierra, que fue la principal razón 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, lo que provoca roturas graves y un campo de daño mayor.

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 ya ambos lados de la hoja de sierra circular. El campo de daño se distribuyó al azar, y la roca no falló ni formó fragmentos que se desprendieron 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 uniformemente distribuida en la Fig. 6a; el campo de daño aumenta desde la izquierda hacia el medio y disminuye desde el medio hacia la derecha con una velocidad de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj y una velocidad de avance hacia abajo. El área con el 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 en la roca, se mejora el daño de la hoja de sierra a la roca. El área dañada en el lado derecho es más grande que en el lado izquierdo debido al par de fragmentos formado 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 forman demasiados fragmentos causados ​​por la isotropía y la continuidad de la roca. Se indica que la simulación numérica del corte de roca con hoja de sierra circular puede reproducir el proceso de fragmentación de roca.

Para investigar el mecanismo de fragmentación de rocas por la interacción entre la hoja de 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 sierra circular y la roca durante el corte vertical de la hoja de sierra circular en la roca, como se presenta en la Fig. 5, para medir el valor de la tensión, la presión y el daño frente al 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, incluida la falla por compresión, tracción y corte. El método de investigación es similar al de referencia22 y probablemente al de referencia25. Mientras que el esfuerzo de tracción del elemento que alcanzó 18,2 MPa indicó falla por tracción, el esfuerzo cortante que alcanzó 39,7 MPa predijo la falla por cortante, de lo contrario, el elemento presenta 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, lo que determina 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 fue el resultado del 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, el esfuerzo cortante alcanzó 39,7 MPa; sin embargo, el esfuerzo de tracción y el esfuerzo de resistencia fueron menores que la resistencia a la tracción de 18,2 MPa, lo que indica falla por corte.

Entre los cinco puntos de prueba, 3 puntos exhibieron 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; unos pocos son fallas por compresión y cortante, como se muestra en la Tabla 4.

La hoja de sierra circular corta 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 aumentaba la velocidad de avance, el número de fragmentos de roca aumentaba 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 avance era baja, la deformación elástica o plástica del elemento rocoso no alcanzaba la resistencia a la falla del elemento rocoso; sin embargo, cuando la velocidad de avance fue mayor, la deformación de la roca alcanzó la deformación de falla, lo que provocó que el elemento de roca fallara y se eliminara. La velocidad de avance afecta en gran medida la formación de fragmentos de roca, y los fragmentos de roca aumentan al aumentar la velocidad de avance.

Fragmentación de roca con un corte de hoja de sierra circular 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, normal, tangencial y axial se compararon con diferentes velocidades de corte para investigar la influencia de la velocidad de avance en la fuerza. La fuerza de corte aumentó a medida que aumentaba la velocidad de avance, como se indica en la Fig. 9a. Las curvas de fuerza normales se indican en la Fig. 9b. Y la tendencia de la fuerza normal que cambia 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 avance se trazan en la Fig. 9c,d, y la fuerza tangencial y la fuerza axial aumentan con el aumento de la velocidad de avance, lo que coincide con el análisis de la Ref.23.

La fuerza responde a diferentes velocidades de rotación.

Los fragmentos de la hoja de sierra circular cortando 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 se representan en la Fig. 10. 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 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 varios parámetros. El fragmento de roca está relacionado con el daño de la roca. Por lo tanto, los fragmentos de roca y el daño de la roca deben discutirse juntos. El área de daño de roca con la hoja de sierra circular disminuyó con el aumento de 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 aumentaba la velocidad de rotación, la fuerza disminuía notablemente y el rango de disminución también se reducía. 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 roca dura por un proceso disminuyó y la fuerza de interacción entre la hoja de sierra circular y la roca dura disminuido Además, disminuyó la cantidad y el volumen de fragmentos de roca y disminuyó la cantidad de corte por ciclo. La velocidad de rotación de la hoja de la sierra circular aumentó, lo que provocó que la zona de daño a ambos lados del corte de la sierra disminuyera. Con el aumento de la velocidad de rotación, disminuyó la cantidad de raspado entre la hoja de sierra circular y la pared de roca a ambos lados de la ranura de la sierra; la interacción entre la hoja de la sierra y las paredes rocosas a ambos lados de la ranura de la sierra disminuyó, provocando una disminución de la fuerza axial.

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

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 aumentaba 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 más grande y una velocidad de alimentación más pequeña 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 doble para cortar 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 representan en la Fig. 13. Cuando la distancia era pequeña, no se formó ninguna losa de roca entre las hojas de la sierra; la roca se rompió por completo y el número de fragmentos de roca formados por la interacción con la hoja de sierra circular fue pequeño. El pequeño espacio entre las hojas de sierra circulares dobles resultó en 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 removió la roca fallada, formando un espacio de sierra más grande. Cuando el espacio entre la hoja 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 cuchillas 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 cortando 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 varios espaciamientos entre hojas de sierra circular doble.

Las fuerzas de las hojas de sierra circulares dobles con varios espaciamientos que cortan la roca se representan en la Fig. 14. La fuerza de corte aumentó primero y luego se estabilizó al aumentar el espaciamiento. Las variaciones de la fuerza normal y tangencial con el aumento de la separación fueron similares a la fuerza de corte. Sin embargo, la variación de 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 la separación. 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 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 doble cortaron la roca con la misma velocidad de rotación y velocidad de avance, y el área sin cortar entre las hojas de sierra se superpuso al mismo campo de fuerza de la hoja de sierra, lo que redujo la fuerza de corte. Sin embargo, a medida que aumentaba la distancia de dos hojas de sierra circular, disminuía la superposición de tensiones entre las hojas de sierra 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 varios 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 en la energía de corte específica. La energía de corte específica de la 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 del volumen roto y el valor de daño de 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 las hojas de sierra doble se muestran en la Fig. 15.

Energía de corte específica de la 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. Con el aumento de la velocidad de avance, aumenta la energía específica de corte, como se representa en la Fig. 15a. La fuerza de corte de la hoja de sierra circular aumenta con el aumento de 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 de energía de corte específico disminuye con el aumento de 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 fiable. El consumo de potencia de corte disminuye con el aumento de la velocidad de rotación, lo que provoca que la energía de corte específica disminuya 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. El aumento de la distancia entre las hojas de sierra dobles hace que aumente la energía específica de corte, sin embargo, la velocidad de aumento 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 resultados de investigación de parámetros de corte 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 fallas por tracción y algunos modos son fallas por corte y fallas por compresión.

Los parámetros de corte tienen un efecto evidente en la fuerza de corte y el número de fragmentos de roca en el proceso de corte de roca con hoja de sierra circular. Con el aumento de 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 estabilizarse. Sin embargo, la fuerza de corte y el número de fragmentos aumentaron al aumentar la velocidad de avance.

Con el aumento del 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 circulares dobles influyó mucho en la formación de una losa entre las hojas de sierras circulares dobles. A medida que aumentaba el espacio entre las hojas de sierra circular, aumentaba el número de fragmentos de roca y la losa de roca tendía a permanecer intacta.

Los parámetros de corte tienen una gran influencia en la energía específica de corte. Con el aumento de la velocidad de avance y la distancia entre las hojas de sierra doble, aumenta la energía específica de corte. Pero el aumento de la velocidad de rotación hace que disminuya la energía de corte específica.

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 de Investigación y Desarrollo Clave 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 fondos, QLZ y ZGL Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Qingliang Zeng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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 junio 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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