Ключевые слова

2411-3336

2541-9404

Записки Горного института

Journal of Mining Institute

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ

Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University

10.31897/PMI.2021.5.3

pmi-14710

https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/14710

Геотехнология и инженерная геология

Geotechnical Engineering and Engineering Geology

Physical and mathematical model of rock destruction by a milling machine cutter

Физико-математическая модель разрушения горных пород зубом фрезерной установки

Shemyakin

Stanislav A.

Шемякин

С. А.

Shemyakin

Stanislav A.

000403@pnu.edu.ru

0000-0002-3238-0840

Тихоокеанский государственный университет (Россия) Pacific National University (Russia)

Shishkin

Evgenii A.

Шишкин

Е. А.

Shishkin

Evgenii A.

004655@pnu.edu.ru

0000-0003-4387-0228

Тихоокеанский государственный университет (Россия) Pacific National University (Russia)

16 12 2021

2021

251 639 647 05 03 2021 18 10 2021 16 12 2021

2021

С. А. Шемякин, Е. А. Шишкин

Stanislav A. Shemyakin, Evgenii A. Shishkin

Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0)

https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/14710

В результате анализа работ по разрушению пород резцами фрезерных установок установлено, что существующие разработки не дают возможности перейти к выводу расчетных зависимостей для определения сопротивлений разрушению, либо могут быть использованы только в предварительных расчетах параметров известных по конструкции фрезерных установок. Для устранения указанных недостатков была разработана комбинированная физико-математическая модель процесса взаимодействия одиночного резца со сферическим наконечником с породой. Рассмотрение физической картины действия сил и напряжений со стороны резца со сферическими наконечниками на отделяющийся элемент породы в предельном состоянии позволило аналитически описать составляющие полного сопротивления, являющиеся математической частью физико-математической модели разрушения пород резцами. Получены аналитические зависимости для определения касательной и нормальной составляющих сопротивления разрушению пород средней крепости. Проведена проверка адекватности физико-математической модели физическому процессу разрушения пород различной крепости резцом на универсальном стенде как в полевых, так и в лабораторных условиях. Техническая оценка результатов экспериментальных исследований подтверждает достоверность разработанной физико-математической модели.

As a result of the analysis of the work on rock destruction by cutters of milling of machines, it was found that the existing developments do not allow us to proceed to the derivation of calculation d dependencies for determining fracture resistance, or can be used only in preliminary calculations of the known by design parameters of milling machines. To eliminate these disadvantages, a combined physical and mathematical model of the process of interaction of a single milling cutter with a spherical tip with the rock has been developed. Consideration of the physical picture of the action of forces and stresses acting from the cutter with spherical tips on the separating rock element in the limiting condition allowed to describe analytically the components of total resistance, which are the mathematical part of the physical and mathematical model of rock destruction by cutters. Analytical dependences for determining the tangential and normal components of fracture resistance of rocks of medium hardness have been obtained. The adequacy of the physical and mathematical model to the physical process of destruction of rocks of different hardness by cutters on a universal stand was tested both in the field and in the laboratory conditions. Technical evaluation of the results of experimental studies confirms the reliability of the developed physical and mathematical model.

Ключевые слова горные породы фрезерные установки процесс разрушения резцы сопротивление разрушению физико-математическая модель стенд

Keywords rocks milling machines destruction process cutters fracture resistance physical and mathematical model stand

Герике П.Б. Поиск инструмента для механического разрушения прочных породных массивов / П.Б.Герике, Б.Л.Герике // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № S2. С. 241-265.

Gerike P.B., Gerike B.L. Tool search for mechanical destruction of strong rock masses. Mining informational and analytical bulletin. 2012. N S2, p. 241-265 (in Russian).

Зайцев В.И. Эффективность использования долот PDС / В.И.Зайцев, А.В.Карпиков, В.В.Че // Науки о Земле и недропользование. 2014. № 5 (48). С. 58-66.

Zaitsev V.I., Karpikov A.V., Che V.V. Application efficiency of PDС bits. Earth Sciences and subsoil use. 2014. N 5 (48), p. 58-66 (in Russian).

Инновационные подходы к конструированию высокоэффективного породоразрушающего инструмента / А.Я.Третьяк, В.В.Попов, А.Н.Гроссу, К.А.Борисов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 8. С. 217-222. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-8-0-225-230

Tretyak A.Ya., Popov V.V., Grossu A.N., Borisov K.A. Innovative approaches to designing highly efficient rock-breaking tool. Mining informational and analytical bulletin. 2017. N 8, p. 217-222. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-8-0-225-230 (in Russian).

Катанов Б.А. Использование стержневых резцов как разрушающего инструмента пород средней крепости / Б.А.Катанов, В.Г.Внуков // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2004. № 6.1. С. 29-33.

Katanov B.A., Vnukov V.G. The use of rod cutters as a destructive tool of medium-hard rocks. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2004. N 6.1, p. 29-33 (in Russian).

Нескромных В.В. Аналитическое исследование процесса резания-скалывания горной породы долотом с резцами PDC / В.В.Нескромных, К.И.Борисов // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 323. № 1. С. 191-195.

Neskromnykh V.V., Borisov K.I. Analytical study of the process of cutting-chipping rock by a bit with PDC cutters. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2013. Vol. 323. N 1, p. 191-195.

Остановский А.А. Теоретические аспекты адаптивного процесса резания горных пород / А.А.Остановский, М.А.Васин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 2. С. 198-203.

Ostanovsky A.A., Vasin M.A. Theoretical aspects of adaptive process for rock cutting. Mining informational and analytical bulletin. 2014. N 2, p. 198-203 (in Russian).

Попов С.Н. Алгоритм расчета энергии контактного взаимодействия режущего инструмента баровой машины в условиях изнашивания с закрепленным абразивом / С.Н.Попов, С.В.Андриенко // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. 2013. № 2. С. 138-146. DOI: 10.15588/.v0i2.99623 (на украинском).

Popov S., Andrienko S. Algorithm for calculating the energy of contact interaction of the operating tool of the bar machine in conditions of wear with a fixed abrasive. New Materials and Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering. 2013. N 2, p. 138-146. DOI: 10.15588/.v0i2.99623 (in Ukrainian).

Прокопенко С.А. Перспективные конструкции резцов для повышения сортности добываемого шахтами угля // Уголь. 2017. № 4. С. 29-31. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-4-29-31

Prokopenko S.A. Prospective design of cutters for increasing the grade of coal produced by the mines. Ugol. 2017. N 4, p. 29-31. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-4-29-31 (in Russian).

Прокопенко С.А. Повышение эффективности разрушения горных пород спаренной работой резцов с разными наконечниками / С.А.Прокопенко, М.Чехлар // Уголь. 2018. № 11. С. 18-21. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-11-18-21

Prokopenko S.A., Cehlar M. Improving efficiency of rock destruction through twinned operation of various bit cutters. Ugol. 2018. N 11, p. 18-21. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-11-18-21 (in Russian).

Прокопенко С.А. Эволюция конструкции резцов для шахтных комбайнов / С.А.Прокопенко, В.С.Лудзиш // Горная промышленность. 2015. № 2 (120). С. 65.

Prokopenko S.A., Ludzish V.S. Evolution of cutting picks for underground mining machinery. Russian mining industry. 2015. N 2, p. 65 (in Russian).

Пути развития теории разрушения углей и горных пород резцовым инструментом / А.Б.Жабин, А.В.Поляков, Е.А.Аверин и др. // Уголь. 2019. № 9. С. 24-28. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-9-24-28

Zhabin A.B., Polyakov A.V., Averin E.A. et al. Ways of development for the theory of rock and coal destruction by picks. Ugol. 2019. N 9, p. 24-28. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-9-24-28 (in Russian).

Пушмин П.С. Особенности механизма разрушения твердой горной породы алмазным породоразрушающим инструментом / П.С.Пушмин, Г.Р.Романов // Науки о Земле и недропользование. 2014. № 5 (48). С. 67-72.

Pushmin P.S., Romanov G.R. Features of the mechanism of solid rock breaking by a diamond rock-cutting tool. Earth Sciences and subsoil use. 2014. N 5 (48), p. 67-72 (in Russian).

Состояние научных исследований в области разрушения горных пород резцовым инструментом на рубеже веков / А.Б.Жабин, А.В.Поляков, Е.А.Аверин, В.И.Сарычев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. № 1. С. 230-247. DOI:10.24410/px6n-5y37

Zhabin A.B., Polyakov A.V., Averin E.A., Sarychev V.I. State of scientific researches in the field of rock destruction by picks at the turn of the century. News of the Tula state university. Sciences of Earth. 2018. N 1, p. 230-247. DOI: 10.24410/px6n-5y37

Сысоев Н.И. Применение метода конечных элементов для определения конструктивных параметров буровых резцов / Н.И.Сысоев, Чу Ким Хунг // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2015. № 4 (185). С. 73-80. DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-73-80

Sysoev N.I. Chu Kim Hung. Applications of finite element method to determine design parameters of drilling cutters. Bulletin of higher educational institutions. North Caucasus region. Technical sciences. 2015. N 4 (185), p. 73-80. DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-73-80

Чебан А. Ю. Экспериментальные исследования процесса разрушения породы резцами фрезерного рабочего органа // Вестник ТОГУ. 2012. № 1 (24). С. 125-128.

Cheban A.U. Experimental study of rock disintegration with milling cutters of the working body. Bulletin of PNU. 2012. N 1 (24), p. 125-128 (in Russian).

Шемякин С.А. Аналитические теории определения сопротивлений резанию (рыхлению) мерзлых пород и их применение в практике расчета землеройной техники: монография / С.А.Шемякин, Е.А.Шишкин. Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского государственного университета, 2014. 143 с.

Shemyakin S.A., Shishkin E.A. Analytical theories for determining the resistance to cutting (loosening) of frozen rocks and their application in the practice of calculating earthmoving equipment: monograph. Khabarovsk: Izd-vo Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2014, p. 143 (in Russian).

Шемякин С.А. Определение сопротивления резанию мерзлых пород глубокоблокированным (щелевым) способом / С.А.Шемякин, А.Ю.Чебан // Горное оборудование и электромеханика. 2015. № 6 (115). С. 39-44.

Shemyakin S.A., Cheban A.Yu. Determination of resistance to cutting of frozen rocks deeply blocked (slot). Mining equipment and electromechanics. 2015. N 6 (115), p. 39-44.

Шемякин С.А. Технико-технологические решения разработки мерзлых пород в горном деле и строительстве: Монография / С.А.Шемякин, Ю.А.Гамоля, А.Ю.Чебан. Хабаровск: Изд-во Дальневосточного государственного университета путей сообщения, 2017. 188 с.

Shemyakin S.A., Gamolya Yu.A., Cheban A.Yu. Technical and technological solutions for the development of frozen rocks in mining and construction: Monograph. Khabarovsk: Izd-vo Dalnevostochnogo gosudarstvennogo universiteta putei soobshcheniya, 2017, p. 188 (in Russian).

A theoretical model for estimating the peak cutting force of conical picks / X.Li, S.Wang, S.Ge et al. // Experimental Mechanics. 2018. Vol. 58. P. 709-720. DOI: 10.1007/s11340-017-0372-1

Xuefeng Li, Shibo Wang, S.Ge et al. A theoretical model for estimating the peak cutting force of conical picks. Experimental Mechanics. 2018. Vol. 58, p. 709-720. DOI: 10.1007/s11340-017-0372-1

Bao R.H. Estimating the peak indentation force of the edge chipping of rocks using single point-attack pick // Rock mechanics and rock engineering. 2011. Vol. 44. P. 339-347. DOI: 10.1007/s00603-010-0133-2

Bao R.H. Estimating the peak indentation force of the edge chipping of rocks using single point-attack pick. Rock mechanics and rock engineering. 2011. Vol. 44, p. 339-347. DOI: 10.1007/s00603-010-0133-2

Bilgin N. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions / N.Bilgin, H.Copur, C.Balci // Tunnelling and underground space technology. 2012. Vol. 27. Iss. 1. P. 41-51. DOI: 10.1016/j.tust.2011.06.006

Bilgin N., Copur H., Balci C. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions. Tunnelling and underground space technology. 2012. Vol. 27. Iss. 1, p. 41-51. DOI: 10.1016/j.tust.2011.06.006

Carbonell J.M. Modelling of tunnelling processes and rock cutting tool wear with the particle finite element method (PFEM) / J.M.Carbonell, E.Onate, B.Suarez // Computational mechanics. 2013. Vol. 52. P. 607-629. DOI: 10.1007/s00466-013-0835-x

Carbonell J.M., Onate E., Suarez B. Modelling of tunnelling processes and rock cutting tool wear with the particle finite element method (PFEM). Computational mechanics. 2013. Vol. 52, p. 607-629. DOI: 10.1007/s00466-013-0835-x

Dewangan S. Wear assessment of conical pick used in coal cutting operation / S.Dewangan, S.Chattopadhyaya, S.Hloch // Rock mechanics and rock engineering. 2015. Vol. 48. P. 2129-2139. DOI: 10.1007/s00603-014-0680-z

Dewangan S., Chattopadhyaya S., Hloch S. Wear assessment of conical pick used in coal cutting operation. Rock mechanics and rock engineering. 2015. Vol. 48, p. 2129-2139. DOI: 10.1007/s00603-014-0680-z

Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results / N.Bilgin, M.A.Demircin, H.Copur et al. // International journal of rock mechanics and mining sciences. 2006. Vol. 43. Iss. 1. P. 139-156. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2005.04.009

Bilgin N., Demircin M.A., Copur H. et al. Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results. International journal of rock mechanics and mining sciences. 2006. Vol. 43. Iss. 1, p. 139-156. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2005.04.009

Goktan N. A semi-empirical approach to cutting force prediction for point-attach picks / R.M.Goktan, N.Gunes // Journal of the southern African institute of mining and metallurgy. 2005. Vol. 105. Iss. 4. P. 257-263.

Goktan N., Gunes N. A semi-empirical approach to cutting force prediction for point-attach picks. Journal of the southern African institute of mining and metallurgy. 2005. Vol. 105. Iss. 4, p. 257-263.

Gunes Yilmaz N. Rock cuttability assessment using the concept of hybrid dynamic hardness (HDH) / N.Gunes Yilmaz, D.Tumac, R.M.Goktan // Bulletin of engineering geology and the environment. 2015. Vol. 74. P. 1363-1374. DOI: 10.1007/s10064-014-0692-7

Gunes Yilmaz N., Tumac D., Goktan R.M. Rock cuttability assessment using the concept of hybrid dynamic hardness (HDH). Bulletin of engineering geology and the environment. 2015. Vol. 74, p. 1363-1374. DOI: 10.1007/s10064-014-0692-7

Khair A.W. Research and innovations for continuous miner’s cutting head for efficient cutting process of rock/coal // In Proceedings of the 17th International mining congress and exhibition of Turkey, 19-22 June 2001, Ankara, Turkey. Chamber of Mining Engineers of Turkey, 2001. Vol. 17. P. 45-55.

Khair A.W. Research and innovations for continuous miner’s cutting head for efficient cutting process of rock/coal. In Proceedings of the 17th International mining congress and exhibition of Turkey, 19-22 June 2001, Ankara, Turkey. Chamber of Mining Engineers of Turkey, 2001. Vol. 17, p. 45-55.

Li H.S. Numerical simulation on interaction stress analysis of rock with conical picks / H.S.Li, S.Y.Liu, P.P.Xu // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019. Vol. 85. P. 231-242. DOI: 10.1016/j.tust.2018.12.014

Li H.S., Liu S.Y., Xu P.P. Numerical simulation on interaction stress analysis of rock with conical picks. Tunnelling and Underground Space Technology. 2019. Vol. 85, p. 231-242. DOI: 10.1016/j.tust.2018.12.014

Li X. Hard rock cutting with SMARTCUT technology / X.Li, B.Tiryaki, P.W.Cleary // Conference: 22nd World mining congress and expo, 11-16 September 2011, Istanbul, Turkey. Chamber of Mining Engineers of Turkey, 2011. P. 725-732. DOI: 10.13140/2.1.4381.0885

Li X., Tiryaki B., Cleary P.W. Hard rock cutting with SMARTCUT technology. Conference: 22nd World mining congress and expo, 11-16 September 2011, Istanbul, Turkey. Chamber of Mining Engineers of Turkey, 2011, p. 725-732. DOI: 10.13140/2.1.4381.0885

Research on strength of roadheader conical picks based on finite element analysis / X. Li, Y.Lv, Q.Zeng, J.Wang // Open mechanical engineering journal. 2015. Vol. 9. P. 521-526. DOI: 10.2174/1874155X01509010521

Li X., Lv Y., Zeng Q., Wang J. Research on strength of roadheader conical picks based on finite element analysis. Open mechanical engineering journal. 2015. Vol. 9, p. 521-526. DOI: 10.2174/1874155X01509010521

Linear rock cutting with SMART*CUT picks / W.Shao, X.Sheng Li, Y.Sun, H.Huang // Applied mechanics and materials. 2013. Vol. 477-478. P. 1378-1384. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.477-478.1378

Shao W., Sheng Li X., Sun Y., Huang H. Linear rock cutting with SMART*CUT picks. Applied mechanics and materials. 2013. Vol. 477-478, p. 1378-1384. DOI: 10.4028

Mechatronic model of continuous miner cutting drum driveline / A.Mezyk, W.Klein, M.Fice et al. // Mechatronics. 2015. Vol. 37. P. 12-20. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2015.11.004

Mezyk A., Klein W., Fice M. et al. Mechatronic model of continuous miner cutting drum driveline. Mechatronics. 2015. Vol. 37, p. 12-20. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2015.11.004

Prakash A. A new rock cuttability index for predicting key performance indicators of surface miners / A.Prakash, M.Vemavarapu, K.B.Singh // International journal of rock mechanics and mining sciences. 2015. Vol. 77. P. 339-347. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2015.04.016

Prakash A., Vemavarapu M., Singh K.B. A new rock cuttability index for predicting key performance indicators of surface miners. International journal of rock mechanics and mining sciences. 2015. Vol. 77, p. 339-347. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2015.04.016

Prediction of tool forces in rock cutting using discrete element method / Z.Qianqian, H.Zhennan, Z.Mengqi, Z.Jianguang // Electronic journal of geotechnical engineering. 2015. Vol. 20(5). P. 1607-1625.

Qianqian Z., Zhennan H., Mengqi Z., Jianguang Z. Prediction of tool forces in rock cutting using discrete element method. Electronic journal of geotechnical engineering. 2015. Vol. 20(5), p 1607-1625.

Discrete element modelling of rock cutting / J.Rojek, E.Oñate, C.Labra, H.Kargl // Particle-based methods. 2011. P. 247-267. DOI: 10.1007/978-94-007-0735-1_10

Rojek J., Oñate E., Labra C., Kargl H. Discrete element modelling of rock cutting. Particle-based methods. 2011, p. 247-267. DOI: 10.1007/978-94-007-0735-1_10

Su O. Modeling of cutting forces acting on a conical pick / O.Su, N.A.Akcin, L.te Kamp // Proceeding of EURO: TUN 2009 II International conference on computational methods in tunneling, 9-11 September 2009, Bochum, Germany. Aedificatio Publishers, 2009. P. 1-8.

Su O., Akcin N.A., te Kamp L. Modeling of cutting forces acting on a conical pick. Proceeding of EURO: TUN 2009 II International conference on computational methods in tunneling, 9-11 September 2009, Bochum, Germany. Aedificatio Publishers, 2009, p. 1-8.

Su O. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method / O.Su, N.Ali Akcin // International journal of rock mechanics and mining sciences. 2011. Vol. 48. Iss. 3. P. 434-442. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2010.08.012

Su O., Ali Akcin N. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method. International journal of rock mechanics and mining sciences. 2011. Vol. 48. Iss. 3, p. 434-442. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2010.08.012

Wang S. Analysis of rockburst triggered by hard rock fragmentation using a conical pick under high uniaxial stress / S.Wang, L.Huang, X.Li // Tunnelling and Underground Space Technology. 2020 Vol. 96. № 103195. DOI: 10.1016/j.tust.2019.103195

Wang S., Huang L., Li X. Analysis of rockburst triggered by hard rock fragmentation using a conical pick under high uniaxial stress. Tunnelling and Underground Space Technology. 2020 Vol. 96. N 103195. DOI: 10.1016/j.tust.2019.103195

Wang X. Specific energy analysis of rock cutting based on fracture mechanics: a case study using a conical pick on sandstone / X.Wang, O.Su // Engineering fracture mechanics. 2019. Vol. 213. P. 197-205. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.04.010

Wang X., Su O. Specific energy analysis of rock cutting based on fracture mechanics: a case study using a conical pick on sandstone. Engineering fracture mechanics. 2019. Vol. 213, p. 197-205. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.04.010

Yasar S. Predictive plots for conical pick performance using mechanical and elastoplastic properties of rocks // Journal of rock mechanics and geotechnical engineering. 2020. Vol. 12. Iss. 5. P. 1027-1035. DOI: 10.1016/j.jrmge.2019.12.020

Yasar S. Predictive plots for conical pick performance using mechanical and elastoplastic properties of rocks. Journal of rock mechanics and geotechnical engineering. 2020. Vol. 12. Iss. 5, p. 1027-1035. DOI: 10.1016/j.jrmge.2019.12.020

Yilmaz N.G. Prediction of radial bit cutting force in high-strength rocks using multiple linear regression analysis / N.G.Yilmaz, M.Yurdakul, R.M.Goktan // International journal of rock mechanics and mining sciences. 2007. Vol. 44. Iss. 6. P. 962-970. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2007.02.0

Yilmaz N.G., Yurdakul M., Goktan R.M. Prediction of radial bit cutting force in high-strength rocks using multiple linear regression analysis. International journal of rock mechanics and mining sciences. 2007. Vol. 44. Iss. 6, p. 962-970. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2007.02.0