Étude de la séparation des fragments lors d'une coupe de roche par une lame de scie circulaire basée sur ANSYS/LS

Jan 30, 2024

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17346 (2022) Citer cet article

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Les lames de scie circulaire sont largement utilisées dans le traitement de la pierre. Le modèle de simulation numérique de coupe de roche dure par lame de scie circulaire basé sur ANSYS/LS-DYNA a été créé pour étudier le problème dynamique complexe de la coupe de roche. Le mécanisme de rupture de la roche et l'influence des paramètres de coupe sur l'effort de coupe et les fragments de roche ont été étudiés par simulation numérique. Les résultats ont démontré que les modes de rupture de la roche étaient principalement des ruptures en traction avec quelques ruptures en cisaillement et des ruptures en compression. La force de coupe et le nombre de fragments augmentaient avec la vitesse d'avance. Avec l'augmentation de la vitesse de rotation de la lame de scie circulaire, la force de coupe et le nombre de fragments ont diminué et ont eu tendance à se stabiliser. Avec l'augmentation de la distance entre les lames de scie circulaire, la force de coupe et le nombre de fragments de roche augmentent, puis maintiennent la stabilité de base, et lorsque la distance entre les doubles lames de scie circulaire atteint 25 mm, cela formera une plaque de roche complète et l'interaction des lames de scie circulaire diminuera. La simulation numérique peut simuler avec précision la rupture et la force de la roche lorsqu'une lame de scie circulaire coupe la roche.

Les lames de scie circulaire sont fréquemment utilisées dans de nombreuses industries, telles que celles qui coupent la roche dure, le béton et le verre. Pour les formations rocheuses dures, la méthode de rupture de la roche et la force de coupe pendant le processus de coupe de la roche avec des lames de scie circulaire sont essentielles pour les chercheurs qui conçoivent des lames de scie circulaire et d'autres outils de coupe.

De nombreux chercheurs ont mené de nombreuses études théoriques et essais expérimentaux et adopté diverses méthodes de simulation numérique pour considérer la force de coupe dans le processus de coupe de la roche avec une lame de scie circulaire. Xu et al. a réalisé une série d'expériences pour étudier les caractéristiques de coupe et le rapport de force dans le sciage circulaire1 et a étudié l'énergie et les forces de meulage de la lame de scie circulaire du granit2. Huang et al. ont proposé un modèle prédictif de la puissance de sciage basé sur la force tangentielle3. Aslantas et al. ont étudié l'effet de la force de coupe axiale sur une lame de scie circulaire utilisée pour couper le marbre4. Karakurt a appliqué la méthode Taguchi pour déterminer la force de coupe et les variables opérationnelles d'une lame de scie circulaire5. L'énergie de coupe spécifique est un indice d'évaluation critique des performances de coupe de la lame de scie circulaire. Aydin et al. ont utilisé une expérience pour rechercher l'influence des variables d'exploitation et des propriétés de la roche sur l'énergie spécifique6. Yurdakul et al. étudié la prédiction de l'énergie de coupe spécifique par des méthodes statistiques7. Ersoy et al. ont étudié les effets des paramètres de la roche sur les propriétés de coupe des lames de scies circulaires avec différentes vitesses d'avance et profondeurs de coupe8. Kahraman et al. ont établi des modèles qui permettaient d'évaluer la production de dalles et les propriétés de la roche avec une série de mesures de performance de scies circulaires de grand diamètre9.

De nombreux chercheurs ont étudié la capacité de sciage, les dommages, les fragments de roche et l'usure des lames de scies circulaires. Güney a établi un modèle pour prédire les performances d'une scie de grand diamètre en fonction de la dureté de la surface de la roche, qui peut être utilisé pour prédire la capacité de sciage du carbonate10. Fenner et al. ont utilisé une analyse de régression simple et multiple pour rechercher les corrélations entre la capacité de sciage et les propriétés de la roche 11. Ersoy et al.12 et Aydin et al.13 ont étudié l'influence des paramètres de fonctionnement et des caractéristiques de la roche coupée sur l'usure d'une scie circulaire. Zeng et al.14 ont étudié l'influence des paramètres de coupe sur les dommages au charbon et à la roche avec la coupe à la lame de scie circulaire. Tang et al.15 et Liu et al.16 ont effectué des recherches sur les dommages aux roches en se basant sur un modèle constitutif statistique des dommages aux roches. Les fragments de roche ont été étudiés par Lu et al. basé sur LS-DYNA17. Aydin et al.18 ont étudié la prédiction des performances de la lame de scie sur la base du réseau neuronal artificiel et de l'analyse de régression. Tumac et al. avait étudié les performances de coupe avec la lame de scie circulaire grand diamètre19 et la prédiction des performances de sciage grand diamètre20. Turchetta et al.21 ont étudié la force de coupe et l'usure de la lame de scie circulaire à grande vitesse. Wang et al.22 ont étudié la roche à lame de scie circulaire avec une méthode de simulation numérique. Cependant, l'article a étudié les paramètres de coupe de l'influence de la lame de scie sur les dommages à la roche et la force de coupe, dans le processus de coupe de la roche par une lame de scie circulaire avec une profondeur de coupe constante. Mais il y a moins de recherches sur le fragment de roche avec une coupe à la lame de scie circulaire, et ils ont étudié les paramètres de coupe de l'influence de la lame de scie flexible sur la déformation de la lame de scie et les dommages de la roche sans le fragment de roche dans le processus de coupe de la lame de scie circulaire dans la roche verticalement23. Lu et al.24 ont étudié la plaque de roche conique qui est formée par la lame de scie circulaire coupant la roche, mais il n'y a aucune enquête sur la lame de scie circulaire coupant la roche. Tao et al.25 ont étudié la pierre de coupe de la lame de scie circulaire avec la méthode de simulation par éléments finis dynamique non linéaire, l'article a étudié la règle de mouvement et le mécanisme d'usure. Wicaksana et al.26 ont étudié le pic cutter cassant la roche dans le processus de coupe avec une méthode de simulation numérique tenant compte des propriétés dynamiques de la roche, dans l'article, l'enquête considère les propriétés dynamiques de la roche.

Des études antérieures ont atteint de nombreux progrès dans les lames de scies circulaires. La plupart des chercheurs ont étudié la force de coupe, l'énergie de coupe spécifique, la capacité de sciage de la roche et l'usure de la lame de scie circulaire lors du processus de coupe de la roche par la lame de scie circulaire. Et de nombreux chercheurs étudient la rupture de roche (pierre) avec d'autres tailleurs. Il y a moins d'enquêtes sur la lame de scie circulaire coupant la roche formant de nombreux fragments et les dommages causés par la roche. Par conséquent, le manuscrit a étudié les paramètres de coupe de la lame de scie circulaire coupant verticalement l'influence de la roche sur les fragments de roche et les dommages causés à la roche avec une méthode de simulation numérique. Et la simulation numérique est modifiée avec l'expérience de coupe de roche avec une lame de scie circulaire. Les vitesses d'avance de la lame de scie circulaire sont réglées sur 0,10, 0,12, 0,14, 0,16, 0,18, 0,20, 0,22, 0,24, 0,26, 0,28 et 0,30 m/min, les vitesses de rotation sont réglées sur 1000, 1400, 1800, 2200, 2600 et 30 00 tr/min, et la distance des doubles lames de scie circulaire est fixée à 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 et 50 mm, pour étudier l'influence des paramètres de coupe sur les performances de coupe de la lame de scie circulaire et les fragments de roche dans le processus de coupe de la roche par la scie circulaire. Par conséquent, les résultats de la simulation pourraient guider le traitement de la roche.

Dans le processus de découpe de roche par lame de scie circulaire, la force de coupe est composée de la force normale, de la force tangentielle et de la force axiale, comme illustré à la Fig. 1. La force normale est formée par la compression entre la lame de scie circulaire et la roche. Le frottement de glissement relatif entre la lame de scie et la roche forme la force tangentielle. La force axiale est formée en extrudant des fragments entre la lame de scie circulaire et la paroi rocheuse. Et l'effet des particules abrasives diamantées d'une lame de scie diamantée sur la force de coupe lors de la coupe de roche est illustré à la Fig. 1. En comparaison avec la force de coupe, la force normale et la force tangentielle, la force axiale est trop petite pour simplifier le modèle de résolution. Par conséquent, les équations pour résoudre les forces tangentielles et normales lors de la découpe de la roche par la lame de scie circulaire sont présentées dans les formules (1) et (2)27.

où \({l}_{s}\) est la longueur d'arc d'un seul segment, \({l}_{w}\) est la longueur d'arc d'un seul canal, \(\updelta \) est le rapport continu de la lame de scie et \(\delta =\) 0,713.

où C est le nombre d'abrasifs efficaces sur un seul bloc, \({A}_{a}\) est le nombre d'abrasifs diamantés coupant par unité de surface, \(\eta \) est le rapport des particules abrasives efficaces aux particules abrasives diamantées réellement impliquées dans la coupe et est généralement de 2/3, et b est la largeur de section de la lame de scie circulaire.

où \({l}_{c}\) est la longueur de l'arc de sciage, D est le diamètre de la lame et \(\beta \) est l'angle de l'arc de sciage.

où \({C}_{p}\) est la profondeur de coupe de l'abrasif diamant unique.

La lame de scie circulaire coupe le modèle de roche dure.

La profondeur de coupe maximale d'un seul abrasif diamant est présentée sous la forme (7),

où \(\theta \) est la moitié de l'angle au fond de coupe et est pris égal à 60 degrés, \({V}_{f}\) est la vitesse d'avance et \({V}_{r}\) est la vitesse de rotation.

Selon la Fig. 1, les solutions des forces tangentielles et normales peuvent être exprimées comme suit :

où \({F}_{t}\) est la force tangentielle, \({F}_{n}\) est la force normale, \({F}_{x}\) est la force horizontale et \({F}_{y}\) est la force verticale. Parmi eux, la longueur de l'arc de contact de la lame de scie circulaire et de la roche a déterminé la valeur de \(k\) ; cependant, \(k\) est une variable dynamique.

La roche est un matériau hétérogène quasi-fragile. Le modèle constitutif RHT est appliqué pour simuler la roche, qui peut être utilisé pour rechercher des dommages à la roche avec une coupe à la lame de scie circulaire. Le modèle constitutif RHT peut simuler les performances de la roche, qui comporte 34 paramètres et la plupart des paramètres peuvent être testés et calculés avec précision. Le modèle RHT peut être appliqué pour décrire la résistance à la rupture, la limite d'élasticité initiale et la résistance résiduelle de la roche sous charge. Le modèle RHT comprend trois surfaces de couverture, une surface de résistance résiduelle, une surface de rupture et une surface de limite élastique, ce qui aide le modèle constitutif à exprimer la relation entre la pression hydrostatique, la résistance à la rupture et la limite élastique.

Équation de la fonction de surface limite élastique :

Alors que le plafond de la surface de rendement est représenté par

où \({P}_{0}\) est la limite élastique du matériau ; \({Y}_{cla}^{*}\) est le rapport de la résistance élastique à la résistance ultime du matériau ; \({P}^{*}\) est la pression hydrostatique normale.

La fonction de rupture g correspondante \({Y}_{fail}^{*}\) de la surface de rupture s'exprime comme suit :

où \({\sigma }_{eq}^{*}\) est la contrainte équivalente normalisée et normalisée comme

où, \({f}_{c}\) est la résistance à la compression uniaxiale, \({Y}_{txc}^{*}(P)\) est la force du méridien comprimé. L'évolution de cette variable est donnée par

où \({F}_{RATE}(\dot{\varepsilon )}\) est le facteur d'amélioration du taux de déformation dynamique, représenté par l'équation suivante.

où \({R}_{3}(\theta )\) est le rayon radial correspondant à tout angle de contrainte et le rapport du rayon méridien radial, représenté par l'équation suivante.

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

où, 0,51 \(\le \) Q2 \(\le \) 1,0, où A, N, \(\partial , \delta , {Q}_{2}\) et \({B}_{Q}\) sont les paramètres du matériau.

La surface de résistance résiduelle est décrite ci-dessous,

où, B est la constante de surface de rupture résiduelle ; et M est l'indice de surface de rupture résiduelle.

La description du front est la suivante : Si le front est situé entre la limite élastique et la surface de rupture maximale, alors

où, \({\varepsilon }_{pl,eq}\) et \({\varepsilon }_{plhard/eq}\) sont la déformation plastique correspondant respectivement à la surface de rupture actuelle et à la rupture maximale.

Lorsque le front est situé entre la surface de rupture maximale et la surface de rupture résiduelle, la surface de rupture dépend de la quantité de dommage D.

où, \({\varepsilon }_{f,min}\) est la déformation plastique minimale au moment de la rupture du matériau, en prenant 0,01, \({D}_{1}\) et \({D}_{2}\) sont les constantes d'endommagement du matériau ; \({\varepsilon }_{P}\) est la déformation plastique.

La propagation inhomogène des fissures dans l'espace provoque l'anisotropie des matériaux dérivés, et le comportement anisotrope doit être pris en compte pour construire la relation d'endommagement constitutif avec l'action de la charge externe. Chaque fissure reçoit une valeur de dommage pour décrire l'état de la fissure, en tenant compte de la discrétion du vecteur Nork. Les variables d'endommagement des familles de fractures sont définies comme un ensemble, exprimé par la formule (25), \({d}_{i}\) est la variable interne d'endommagement de la ième fissure.

Il faut considérer que la matrice rocheuse contient un seul groupe de fractures d'abord pour simplifier. En supposant que le vecteur normal des fractures de groupe est n, et le \(d=d({\varvec{n}})\), utilisé pour représenter la densité de distribution des fractures, c'est-à-dire la variable de dommage en général. Il est nécessaire de déterminer l'expression de l'énergie libre du système de matrice de rupture pour construire un modèle de mécanique de l'endommagement basé sur la thermodynamique. En ne considérant que la dissipation d'énergie de la propagation de la fissure, l'énergie sans déformation du système est la fonction de la variable macroscopique \(\varepsilon \) et de la variable d'endommagement d, comme tracé dans la fonction (26)

où, \({C}^{hom}\left(d\right)\) est le tenseur élastique effectif du matériau endommagé.

Qui peut être obtenu en dérivant l'énergie libre des variables internes. Tout d'abord, établissez la macro relation contrainte-déformation comme indiqué dans la formule (27),

La force thermique liée à la variable d'endommagement est obtenue, c'est-à-dire la force d'entraînement de l'endommagement.

Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la dissipation d'énergie causée par la propagation de la fracture est non négative et satisfait l'équation. (29)

Dans le cadre de la thermodynamique, le critère de dommage basé sur le taux de restitution d'énergie de déformation est généralement adopté, représenté par l'Eq. (30)

où, \(R\left(d\right)\) est la fonction de résistance de l'évolution de l'endommagement (propagation de fissure), Pour le critère d'endommagement (31). Les conditions de chargement sont les suivantes :

En supposant que la roche est un matériau orthorhombique, l'évolution de l'endommagement obéit au critère d'orthogonalisation.

où, \({\lambda }^{d}\) est le multiplicateur de dégâts.

Semblable à la théorie plastique classique, l'équation d'évolution des dommages tenant compte des conditions de chargement et de déchargement est la suivante,

Le multiplicateur de dommages \({\lambda }^{d}\) peut être déterminé par la condition de cohérence des dommages (g = 0 et \(\dot{\text{g}}=0\)), comme suit,

De plus, la relation contrainte-déformation sous forme de taux peut être établie sur la base du critère d'évolution de l'endommagement. Premièrement, la relation contrainte-déformation macroscopique est exprimée sous forme différentielle comme l'Eq. (35)

Et il existe la relation suivante, représentée par (36)

Et puis obtenir l'équation comme (37)

où, \({C}^{tan}\) est le tenseur élastique tangentiel du matériau, l'expression spécifique étant (38)

parmi eux, les paramètres d'écrouissage \({H}_{d}=-\partial g/\partial d\).

Un modèle tridimensionnel de coupe de roche avec une lame de scie circulaire est illustré à la Fig. 2. La roche et la lame de scie circulaire ont été simplifiées en un cuboïde de 800 \(\times \) 300 \(\times \) 300 mm, et le modèle de lame de scie circulaire a un diamètre de 600 mm et une épaisseur de 5 mm avec 24 dents en forme de U. La lame de scie circulaire a été brasée à la périphérie d'un noyau circulaire en acier. Le modèle de matériau RHT et le SOLID_164 hexaédrique à 8 nœuds sont appliqués pour mailler le modèle de roche, la taille de l'élément est définie sur 1 mm par le MeshTool. L'article étudie principalement les fragments de roche et la force de coupe de la lame de scie circulaire, la lame de scie circulaire est maillée avec un matériau RIGIDE. Les paramètres clés de la roche sont présentés dans le tableau 1. Les paramètres matériels clés du modèle constitutif de la roche et du modèle de lame de scie sont appliqués dans le modèle de simulation numérique, présenté dans les tableaux 2 et 3. L'ensemble de la contrainte a été ajouté à la surface inférieure de la roche, restreignant le déplacement dans les directions x, y, z (à droite et à gauche de la surface et devant et derrière la surface). Les limites de non-réflexion, qui ne sont pas coupées, ont été ajoutées à la surface de la roche pour simuler avec précision les roches réelles. Dans le but de résoudre le problème d'interaction entre la lame de scie circulaire et la roche, le couplage Lagrange/Lagrange automatique a été appliqué28. Les contraintes de déplacement dans les directions y et z et les contraintes de rotation dans les axes x et y ont été utilisées pour la lame de scie circulaire. Le mouvement linéaire dans la direction y et la rotation autour de l'axe x ont été appliqués à la lame de scie circulaire. Le pas de temps a été fixé à 0,01 s pour produire le fichier de calcul. Le fichier k a été importé dans ANSYS/Slover pour le calcul avec la station de travail, 40 cœurs de calcul. Cet article a étudié le mécanisme de fragmentation de la roche avec des lames de scie circulaire pendant le processus de coupe de la roche.

Le modèle de simulation numérique de la lame de scie circulaire coupant la roche.

Établi le banc d'essai de roche de coupe de lame de scie circulaire pour effectuer la coupe de lame de scie circulaire dans la roche verticalement. Le banc d'essai de roche de coupe de lame de scie circulaire est illustré à la Fig. 3. La caméra à grande vitesse est appliquée pour photographier la roche de coupe de lame de scie circulaire, le capteur de force et le système d'acquisition de signal de force sont appliqués pour collecter la force de roche de coupe de la lame de scie circulaire. La lame de scie circulaire coupe la roche verticalement, avec une vitesse de rotation de 1000 tr/min et une vitesse d'avance de 0,20 m/min.

Le banc d'essai de coupe de roche pour lame de scie circulaire.

Les résultats expérimentaux de la lame de scie circulaire coupant verticalement dans la roche sont présentés à la Fig. 4 (1). La force de coupe, la force normale, la force tangentielle et la force axiale de l'erreur de résultats de simulation expérimentale et numérique sont inférieures à 0,05, donc la simulation numérique est précise. Et les résultats de l'expérience et de la simulation numérique sont présentés sur la Fig. 4 (2), les résultats de la simulation numérique ont indiqué que la roche se brisant formant plusieurs fragments avec la coupe à la lame de scie circulaire. Et les résultats de l'expérience ont montré qu'il existe plusieurs fragments de roche. Les résultats de l'expérience de coupe de roche avec une lame de scie circulaire ont modifié la simulation numérique, ce qui contribue à améliorer la précision de la simulation numérique.

Les résultats expérimentaux de la lame de scie circulaire coupant la roche.

Les résultats de la simulation numérique du processus de fragmentation de la roche lors de la découpe de la roche avec une lame de scie circulaire à une vitesse avancée de 0,3 m/min et une vitesse de rotation de 3000 tr/min sont illustrés à la Fig. 5. Dans le processus de découpe de la roche, la lame de scie circulaire comprime la roche, le champ de dommages de la roche s'est formé et s'est propagé au stade initial, puis la zone de dommages s'est étendue. La région endommagée de la roche a été générée à la position de contact autour de la lame de scie circulaire, comme illustré sur la figure 5a. Les éléments derrière la lame de scie circulaire ont d'abord été touchés par la lame de scie, ce qui a entraîné des dommages et des tensions. La déformation évidente est apparue au centre avant de la zone de contact de la lame de scie circulaire et de la roche, et plus près de l'avant du centre de la position de contact de la lame de scie circulaire et de la rupture de la roche, la déformation de l'élément rocheux était distincte, avec le bord du segment de lame de scie exerçant la force de coupe sur les éléments rocheux, comme illustré à la Fig. 5b. La plupart des éléments des deux côtés de la lame de scie circulaire n'ont pas échoué principalement parce que la roche a généré une déformation élastique. Comme le montre la figure 5c, le champ de dommages s'est étendu avec la poursuite de la coupe de roche, et certains éléments du champ de dommages se sont rompus. La déformation de l'élément rocheux s'est produite à la position de la lame de scie circulaire coupant la roche. Pendant que la lame de scie tournait, la déformation de l'élément en contact avec le bord du segment de lame de scie était évidente. À mesure que la profondeur de coupe augmentait, la zone de contact de la lame de scie circulaire et de la roche augmentait, et la longueur du champ de dégâts augmentait ; cependant, la largeur du champ de dégâts a diminué. Le nombre d'éléments de défaillance augmentait à mesure que la lame de scie circulaire coupait la roche, tracée à la Fig. 5d. La zone endommagée a diminué avec la lame de scie circulaire coupant la roche, et la roche s'est brisée pour former des fragments, comme le montre la figure 5e. En comparant les Fig. 5d, e, il est évident que le champ de dommages des deux côtés de la lame de scie circulaire a diminué et que le nombre d'éléments défaillants a augmenté.

La lame de scie circulaire coupe la roche avec une profondeur de coupe de 10 mm, une vitesse d'avance de 0,3 m/min, une vitesse de rotation de 3000 tr/min.

Certains fragments se sont formés à mesure que la profondeur de coupe augmentait et que la zone de dégâts diminuait. Certains éléments du domaine des dommages n'ont pas échoué, principalement en raison de la déformation élastique et de la contrainte de compression générées par la roche. La figure 5f montre que de nombreux fragments sont tombés de la roche et que la zone de dégâts a diminué. La position de la fissure était aléatoire car la roche est une sorte de matériau hétérogène, comme le montre la Fig. 5d – f. Comme indiqué sur la figure 5f, davantage de fragments apparaissent sans régularité, formant certaines régions de fracture. Dans les régions endommagées avant et arrière de la lame de scie circulaire, les éléments n'ont pas réussi à simuler les fragments de roche formant la roche lorsque la lame de scie a coupé la roche. Les fragments se sont principalement formés dans la partie médiane de la zone de coupe, et les plus gros fragments ont été séparés de la zone intermédiaire de la zone d'intersection de la lame de scie circulaire et de la roche.

En comparant les Fig. 5d à f, avec l'augmentation de la profondeur de coupe, il est évident que le champ de dommages a diminué, les éléments se sont rompus et certains fragments se sont formés dans la zone de coupe de la roche. À mesure que la profondeur de coupe augmentait, la zone endommagée diminuait et le nombre d'éléments de rupture et de fragments augmentait. La suppression des éléments de rupture a entraîné la séparation de certains éléments qui n'atteignaient pas les critères de rupture de la roche et la formation de fragments. La plupart des fragments se sont formés au milieu de la zone de coupe des deux côtés de la lame de scie circulaire. La lame de scie circulaire a coupé la roche avec une vitesse de rotation élevée et de nombreux fragments se sont formés, devenant le support de l'interaction de la lame de scie et de la roche des deux côtés du trait de scie, ce qui était la principale raison du développement de la force axiale. La force appliquée des deux côtés de la fente de la scie est plus importante au milieu de la zone de coupe, provoquant de graves bris et un champ de dégâts plus important.

Pour rechercher la répartition des dommages de la roche, différentes sections transversales ont été utilisées, comme illustré à la Fig. 6. Six sections dans la direction y et une section dans la direction x ont indiqué que la fragmentation de la roche et les dommages étaient répartis le long de la lame de scie circulaire à l'intérieur de la roche. La principale zone endommagée était répartie le long de l'arc et de part et d'autre de la lame de scie circulaire. Le champ de dégâts a été distribué de manière aléatoire et la roche n'a pas cédé ni formé de fragments tombant de la roche. En comparant les six profils (Fig. 6b–g) correspondant à la Fig. 6a, on peut conclure que la répartition du champ de dommages le long de la profondeur longitudinale de la lame de scie est étroitement liée à la vitesse de rotation et à la vitesse d'avance. La zone endommagée n'est pas uniformément répartie sur la figure 6a ; le champ de dégâts augmente de la gauche vers le milieu et diminue du milieu vers la droite avec une vitesse de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et une vitesse d'avance vers le bas. La zone avec le plus de dégâts est au milieu et le côté gauche a le moins de dégâts. En raison de l'effet de la vitesse de rotation et de la vitesse d'avance simulées sur la roche, les dommages causés par la lame de scie à la roche sont améliorés. La zone endommagée du côté droit est plus grande que celle du côté gauche en raison de la paire de fragments formée par la coupe de la lame de scie. Le champ d'endommagement est distribué de manière aléatoire à la partie supérieure du bord de l'arc du cordon de scie, et les fragments de roche se trouvent principalement à la surface supérieure.

La distribution des différentes sections transversales dans la direction y.

Les distributions des différentes sections transversales ont clairement montré les différentes distances d'érosion entre les deux côtés de la lame de scie et la roche à différentes profondeurs. La profondeur de coupe de la lame de scie circulaire a une influence significative sur les performances de coupe. A une plus grande profondeur de coupe, de nombreuses fissures se croisent et forment trop de fragments dus à l'isotropie et à la continuité de la roche. Il est indiqué que la simulation numérique de la coupe de roche avec une lame de scie circulaire peut reproduire le processus de fragmentation de la roche.

Pour étudier le mécanisme de fragmentation de la roche pour l'interaction entre la lame de scie circulaire et la roche, cinq éléments de rupture ont été sélectionnés dans le champ de concassage au premier point de contact entre la lame de scie circulaire et la roche pendant la coupe verticale de la lame de scie circulaire dans la roche, comme présenté à la Fig. 5, pour évaluer la valeur de contrainte, de pression et de dommage en fonction du temps pour rechercher la rupture dans la coupe de roche avec une lame de scie circulaire, comme illustré à la Fig. 7. Une valeur positive de la pression indique une contrainte de compression, tandis qu'une valeur négative indique une contrainte de traction. Il peut y avoir trois types de modes de défaillance différents survenant dans le processus de coupe de la roche par la lame de scie circulaire, y compris la rupture par compression, traction et cisaillement. La méthode de recherche est la même avec la référence22 et susceptible de référence25. Alors que la contrainte de traction de l'élément atteignant 18,2 MPa indique une rupture de traction, la contrainte de cisaillement atteignant 39,7 MPa prédit une rupture de cisaillement, sinon, l'élément présente une rupture de compression.

Pression et dégâts correspondants en fonction du temps dans différentes positions.

Comme le montre la figure 7a, la pression du point de test 1 (élément 124, 123) a atteint 55,1 MPa ; la contrainte de cisaillement était de 21,5 MPa, ce qui est inférieur à 39,7 MPa, et la contrainte de traction était inférieure au seuil de résistance à la traction de 18,2 MPa et la valeur de dommage a atteint 1, ce qui détermine que le point de test 1 est une rupture en compression. La valeur d'endommagement du point de test 2 a atteint 1 et la contrainte de traction a atteint 18,18 MPa en raison d'une valeur d'extraction relativement faible ; la contrainte de cisaillement était de 16,83 MPa, ce qui signifie que la rupture n'a pas résulté de la contrainte de cisaillement, indiquant que le mode de rupture du point de test 2 était une rupture en traction, illustrée à la Fig. 7b. Pour le point d'essai 4, la contrainte de cisaillement atteint 39,7 MPa ; cependant, la contrainte de traction et la contrainte de résistance étaient inférieures à la résistance à la traction de 18,2 MPa, ce qui indiquait une rupture par cisaillement.

Parmi les cinq points de test, 3 points présentaient une rupture en traction, 1 une rupture en compression et 1 une rupture en cisaillement. Ainsi, on peut résumer que le mode de rupture des éléments rocheux est principalement la rupture en traction ; quelques-unes sont des ruptures par compression et cisaillement, comme le montre le tableau 4.

La lame de scie circulaire coupe la roche dure avec une vitesse de rotation de 2000 tr/min et des vitesses d'avance de 0,10, 0,12, 0,14, 0,16, 0,18, 0,20, 0,22, 0,24, 0,26, 0,28 et 0,30 m/min. La figure 8 montre les fragments de la lame de scie circulaire coupant la roche avec des vitesses d'alimentation de 0,10, 0,14, 0,18, 0,22, 0,26 et 0,30 m/min. À mesure que la vitesse d'alimentation augmentait, le nombre de fragments de roche augmentait sensiblement. Lorsque la vitesse d'avance était de 0,10 m/min, les fragments étaient moins nombreux et l'étendue de la zone endommagée de la roche était indistincte avec l'augmentation de la vitesse d'avance. Les éléments endommagés n'ont pas manqué de diminuer. La vitesse d'avance plus élevée accélère les dommages du modèle de roche ; lorsque la valeur des dommages atteint 1, l'élément tombe en panne et est supprimé. Lorsque la vitesse d'avance était faible, la déformation élastique ou plastique de l'élément rocheux n'atteignait pas la résistance à la rupture de l'élément rocheux ; cependant, lorsque la vitesse d'alimentation était plus élevée, la déformation de la roche atteignait la déformation de rupture, provoquant la rupture et la suppression de l'élément rocheux. La vitesse d'alimentation affecte grandement la formation de fragments de roche, et les fragments de roche augmentent avec l'augmentation de la vitesse d'alimentation.

Fragmentation de la roche avec une lame de scie circulaire coupant à différentes vitesses d'avance.

Des simulations numériques ont été réalisées sur une lame de scie circulaire coupant de la roche à différentes vitesses d'avance. La force a été obtenue à partir des résultats de la simulation numérique. Les forces de coupe, normales, tangentielles et axiales ont été comparées à différentes vitesses de coupe pour étudier l'influence de la vitesse d'avance sur la force. La force de coupe augmentait à mesure que la vitesse d'avance augmentait, comme indiqué sur la figure 9a. Les courbes de force normale sont indiquées sur la figure 9b. Et la tendance de la force normale changeant avec la vitesse d'avance est la même que la force de coupe, et la force normale augmente avec l'augmentation de la vitesse d'avance. La vitesse d'avance influence grandement la force, et la force de coupe augmente avec l'augmentation de la vitesse d'avance. Les courbes de force tangentielle et de force axiale de la vitesse d'avance sont tracées sur les figures 9c, d, et la force tangentielle et la force axiale augmentent avec l'augmentation de la vitesse d'avance, ce qui coïncide avec l'analyse de la réf.23.

Les réponses de force sous différentes vitesses de rotation.

Les fragments de la lame de scie circulaire coupant la roche à différentes vitesses de rotation de 1000, 1400, 1800, 2200, 2600 et 3000 tr/min à une vitesse d'avance de 0,20 m/min sont représentés sur la Fig. 10. La Figure 10 montre que le nombre de fragments de roche diminue avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Il est évident que la vitesse de rotation a influencé de manière significative la formation des fragments et le champ de dommages. La tendance de changement du champ d'endommagement de la roche est similaire avec la Ref.22, cependant, les fragments de roche avec divers paramètres n'ont pas été étudiés. Le fragment de roche est lié aux dommages causés par la roche. Par conséquent, les fragments de roche et les dommages causés par la roche doivent être discutés ensemble. La zone endommagée par la roche avec la lame de scie circulaire a diminué avec l'augmentation de la vitesse de rotation, tandis que le nombre de fragments de roche a diminué.

Fragments de roche de la lame de scie circulaire coupant à différentes vitesses de rotation.

L'influence de la vitesse de rotation sur la force est illustrée à la Fig. 11. À mesure que la vitesse de rotation augmentait, la force diminuait sensiblement et la plage de diminution se réduisait également. Avec l'augmentation de la vitesse de rotation, les unités de la lame de scie circulaire ont avancé, le nombre de cycles de rotation a augmenté, la quantité de coupe de la roche dure par un processus a diminué et la force d'interaction entre la lame de scie circulaire et la roche dure a diminué. De plus, la quantité et le volume de fragments de roche ont diminué, et la quantité de coupe par cycle a diminué. La vitesse de rotation de la lame de scie circulaire a augmenté, entraînant une diminution de la zone endommagée des deux côtés du trait de scie. Avec l'augmentation de la vitesse de rotation, la quantité de raclage entre la lame de scie circulaire et la paroi rocheuse des deux côtés de la fente de scie a diminué ; l'interaction entre la lame de scie et les parois rocheuses des deux côtés de la fente de scie a diminué, entraînant une diminution de la force axiale.

La variation de la force moyenne avec la vitesse de rotation pour différentes vitesses d'avance.

Une image de nuage de force tridimensionnelle avec différentes vitesses d'alimentation et de rotation a été comparée et analysée. L'influence de la vitesse d'avance sur la force est plus sensible que celle de la vitesse de rotation. La vitesse de rotation diminuait à mesure que la vitesse d'avance augmentait, entraînant une augmentation de la force. La figure 12 montre que la force de coupe de la lame de scie circulaire augmente à mesure que la vitesse d'avance augmente et que la vitesse de rotation diminue. Les paramètres de coupe ont une grande influence sur la force. Une vitesse de rotation plus grande et une vitesse d'avance plus petite sont sélectionnées pour couper la roche dure afin de réduire la force. Cependant, la vitesse d'avance plus faible et la vitesse de rotation plus élevée diminuent l'efficacité de coupe.

Image en nuage de force 3D de la vitesse d'alimentation et de la vitesse de rotation.

Lames de scie circulaire double coupant la roche dure avec une vitesse d'avance de 0,3 m/min ; une vitesse de rotation de 3000 tr/min ; les espacements entre les doubles lames de scie de 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 et 50 mm ont été comparés. Les résultats de la fragmentation de la roche sont tracés à la Fig. 13. Lorsque la distance était petite, aucune plaque de roche ne s'est formée entre les lames de scie ; la roche était entièrement brisée et le nombre de fragments de roche formés par interaction avec la lame de scie circulaire était faible. Un petit espacement entre les doubles lames de scie circulaire a entraîné le chevauchement de la force exercée par les lames de scie circulaire sur la roche, qui a atteint la résistance à la rupture de la roche et a enlevé la roche défaillante, formant un espace de scie plus grand. Lorsque l'espacement entre les doubles lames de scie était petit, il était difficile de former une dalle complète entre les doubles lames de scie circulaire. Lorsque la distance entre les doubles lames de scie a atteint 15 mm, une section de dalle de roche s'est formée entre les doubles lames de scie. En raison de la superposition de la force de la lame de scie, la partie médiane de la dalle rocheuse s'est rompue et s'est brisée, et de nombreux fragments de roche se sont formés, comme le montre la figure 13b. La quantité de dalle de roche augmentait lorsque l'espace entre les lames de scie atteignait 20 mm; la dalle rocheuse était moins brisée et il y avait moins de fragments de roche que lorsque l'espace entre les lames était de 15 mm, comme le montre la figure 13c. Au fur et à mesure que l'espacement entre les lames de scie circulaire augmentait, la largeur de la dalle rocheuse formée augmentait. La lame de scie circulaire coupant la roche a formé de nombreux fragments, mais comme la distance entre les deux lames de scie circulaire était petite, le nombre de fragments était moindre.

Fragments de roche avec divers espacements entre les doubles lames de scie circulaire.

Les forces des doubles lames de scie circulaire avec différents espacements coupant la roche sont tracées à la Fig. 14. La force de coupe a d'abord augmenté, puis s'est stabilisée avec l'augmentation de l'espacement. Les variations de force normale et tangentielle avec l'augmentation de l'espacement étaient similaires à la force de coupe. Cependant, la variation de la force axiale avec l'espacement des lames de scie était assez différente, comme le montre la figure 14d. La force axiale variait, diminuant d'abord et se stabilisant avec l'augmentation de l'espacement. L'influence de la distance sur la force axiale est évidente, comme le montre la Fig. 14d. Lorsque l'espace a atteint 25 mm, les forces de coupe, normales, tangentielles et axiales ont fluctué régulièrement. Les forces de la lame de scie circulaire 1 et de la lame de scie circulaire 2 sont différentes. La roche étant un matériau anisotrope, la force des lames de scie présentait une légère différence entre les deux lames de scie circulaire. Les doubles lames de scie coupaient la roche avec la même vitesse de rotation et la même vitesse d'avance, et la zone non coupée entre les lames de scie était superposée par le même champ de force de la lame de scie, ce qui réduisait la force de coupe. Cependant, à mesure que la distance de deux lames de scie circulaire augmentait, le chevauchement des contraintes entre les lames de scie diminuait et la force de coupe, la force normale et la force tangentielle augmentaient. La force axiale des lames de scie circulaire a diminué parce que l'interaction axiale entre les lames de scie a diminué avec l'augmentation de la distance de séparation. La force axiale est principalement causée par l'extrusion de fragments entre la roche et la lame de scie. Lorsque la distance entre les lames de scie circulaire était supérieure à 25 mm, la force axiale des lames de scie avait tendance à être stable.

Force des doubles lames de scie circulaire avec différents espacements coupant la roche.

L'énergie de coupe spécifique de la lame de scie circulaire coupant dans la roche est un indice important de la performance de coupe. Et les paramètres de coupe de la lame de scie circulaire ont un grand effet sur l'énergie de coupe spécifique. L'énergie de coupe spécifique de la lame de scie circulaire est définie comme le rapport de la consommation d'énergie de coupe de la lame de scie à la somme du volume du volume cassé et de la valeur de l'endommagement de la roche de 1 volume. Les résultats de la recherche de l'énergie de coupe spécifique de la lame de scie circulaire. Les courbes d'énergie de coupe spécifiques avec différentes vitesses d'avance, vitesses de rotation et la distance entre les doubles lames de scie sont illustrées à la Fig. 15.

Énergie de coupe spécifique de la lame de scie circulaire avec différents paramètres de coupe.

La vitesse d'avance a une grande influence sur l'énergie de coupe spécifique, et la relation entre la consommation d'énergie de coupe spécifique et la vitesse d'avance est une fonction quadratique. Avec l'augmentation de la vitesse d'avance, l'énergie de coupe spécifique augmente, comme indiqué sur la figure 15a. La force de coupe de la lame de scie circulaire augmente avec l'augmentation de la vitesse d'alimentation, ce qui a entraîné l'augmentation de la puissance de coupe de la lame de scie circulaire, cependant, le volume de roche cassée a peu changé. Et la fonction de courbe d'ajustement R2 est 09835, et la valeur P est 9,79e−4, indiquant que la fonction d'ajustement est précise et fiable. La consommation d'énergie de coupe spécifique diminue avec l'augmentation de la vitesse de rotation, comme le montre la figure 15b. La fonction de durcissement d'ajustement R2 est de 0,9878 et la valeur P est de 2,24e−4, indiquant que la fonction d'ajustement est précise et fiable. La consommation d'énergie de coupe diminue avec l'augmentation de la vitesse de rotation, ce qui entraîne une diminution de l'énergie de coupe spécifique avec l'augmentation de la vitesse de rotation. La distance entre les doubles lames de scie influence grandement l'énergie de coupe spécifique de la lame de scie. La distance croissante entre les doubles lames de scie provoque l'augmentation de l'énergie de coupe spécifique, mais la vitesse croissante diminue, comme le montre la figure 15c. En comparant avec l'énergie de coupe spécifique de la lame de scie coupant la roche avec divers résultats de recherche de paramètres de coupe dans la Ref.22, l'énergie de coupe spécifique a la même forme de variante coïncidente.

Cet article a établi un modèle de simulation tridimensionnel sur la lame de scie circulaire coupant la roche basé sur ANSYS/LS-DYNA pour rechercher l'effet des paramètres de coupe sur les performances de coupe et les mécanismes des fragments de roche lors de la coupe verticale de la roche avec une lame de scie circulaire.

Les résultats de la simulation numérique ont indiqué que les modes de rupture de la roche sont principalement une rupture en traction, et quelques modes sont une rupture par cisaillement et une rupture par compression.

Les paramètres de coupe ont un effet évident sur la force de coupe et le nombre de fragments de roche dans le processus de coupe de la roche avec une lame de scie circulaire. Avec l'augmentation de la vitesse de rotation, la force de coupe de la lame de scie circulaire et le nombre de fragments de roche ont diminué puis ont eu tendance à se stabiliser. Cependant, la force de coupe et le nombre de fragments augmentaient avec l'augmentation de la vitesse d'avance.

Avec l'augmentation de l'espacement entre les doubles lames de scie circulaire, la force de coupe, la force normale et la force tangentielle ont augmenté, mais la force axiale a diminué. L'espacement entre les doubles lames de scie circulaire a grandement influencé la formation d'une dalle entre les doubles lames de scie circulaire. À mesure que l'espacement entre les lames de scie circulaire augmentait, le nombre de fragments de roche augmentait et la dalle de roche avait tendance à être intacte.

Les paramètres de coupe ont une grande influence sur l'énergie de coupe spécifique. Avec l'augmentation de la vitesse d'avance et de la distance entre les doubles lames de scie, l'énergie de coupe spécifique augmente. Mais l'augmentation de la vitesse de rotation entraîne une baisse de l'énergie de coupe spécifique.

Les résultats de l'enquête peuvent être utilisés pour sélectionner les paramètres de coupe appropriés pour guider le processus de coupe de roche avec des lames de scie circulaire.

Les données utilisées pour étayer les conclusions de cette étude sont incluses dans l'article.

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Ce travail a été soutenu par les projets du projet Key Research and Development de la Chine (Grant No. 2017YFC0603000) et de la Natural Science Foundation of Shandong Province (Grant No. ZR2019BEE069).

Collège de génie mécanique et électronique, Université des sciences et technologies du Shandong, Qingdao, 266590, Chine

Zhiwen Wang, Qingliang Zeng, Lirong Wan et Jun Zhou

Université normale du Shandong, Jinan, 250358, Chine

Qingliang Zeng

Collège des transports, Université des sciences et technologies du Shandong, Qingdao, 266590, Chine

Zhenguo Lu

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Conceptualisation, ZWW et QLZ ; méthodologie, QLZ; logiciel, ZLL; validation, LRW, JZ ; conservation des données, ZWW ; rédaction—préparation du brouillon original, ZWW ; rédaction—révision et édition, QLZ; acquisition de financement, QLZ et ZGL Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance avec Qingliang Zeng.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Wang, Z., Zeng, Q., Wan, L. et al. Étude de la séparation des fragments lors d'une coupe de roche par une lame de scie circulaire basée sur ANSYS/LS-DYNA. Sci Rep 12, 17346 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22267-0

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Reçu : 01 juin 2022

Accepté : 12 octobre 2022

Publié: 16 octobre 2022

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

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