Scale factors for conversion of forces on disc cutters for the main domestic and foreign methods

Abstract

Purpose. Disc cutter is an important tool which is used in tunneling to destroy the rock during excavation as it directly influences rock-breaking efficiency, advance rate and economy of a project. Thus, it is of critical importance to have a reliable and accurate method for making predictions on cutting forces during rock destruction by disc cutters. Russian (including Soviet) research in the field is limited by studying small-diameter and/or wedge-shaped disc cutters which are not currently used. This paper is meant to coordinate domestic research by Baron and Glatman with the most widely used and fully accepted foreign theoretical and semi-empirical methods (by Roxborough and Phillips, Bilgin and Phillips, and Rostami and Ozdemir) that have proven accurate and reliable for TBM (tunnel boring machine) performance prediction. Methods. The analysis of methods includes a brief review, a series of numerical experiments, which were performed for disc cutters with diameters 160 and 483 mm, and a comparison with the use of graphs. Then by approximation of the data obtained in this way, we have derived formulas for converting values of cutting forces gained by foreign methods into the values suitable for the same conditions and the domestic method. Findings. The method by Baron and Glatman itself could not be used for TBM performance prediction and tunneling planning nowadays. The approach based on the scale factors could be used for correlating any of the represented methods. Scale factors depend on the depth of cut (DOC) for rolling forces or on DOC and disc cutter diameter for normal forces. Originality. The analysis has also shown that mutual arrangement of the graph lines for all figures remains unchanged. The invariance of the relative positioning and trends of the graph lines allowed to assume that it is possible to introduce scale factors which help to convert values from one method into the values of other methods. The scale factor, which enables to relate domestic method and the main foreign methods, is determined by consecutive division of the calculated values obtained via the method of Baron and Glatman by the values used in other considered methods. Practical implications. The results could be used in TBM designing and in tunneling projects.

Мета. Дискова шарошка – основний інструмент, що застосовується для оснащення тунелепрохідницьких комплексів. Від правильності вибору інструменту залежить ефективність руйнування гірських порід, а отже, швидкість ведення гірничопрохідницьких робіт і техніко-економічні показники проекту. Таким чином, надзвичайно важливо мати надійні та точні розрахункові методи прогнозування зусиль, що виникають при руйнуванні гірських порід дисковими шарошками. Однак дослідження на пострадянському просторі у даній галузі знань обмежуються вивченням клиновидних шарошок невеликого діаметру, які в даний час практично не застосовуються. Представлена робота виконана з метою аналізу умови відповідності найвідомішого вітчизняного методу Барона-Глатмана та основних зарубіжних розрахункових методів, розроблених такими вченими як Роксборо і Філліпс, Більгін і Філліпс, Ростамі і Оздемір. Методика. Аналіз міститься в короткому огляді методів, серії чисельних експериментів, які були виконані для шарошок діаметром 160 і 483 мм (малого та великого діаметру), і порівняння результатів із використанням графіків. Шляхом апроксимації отриманих у результаті численних експериментів даних були визначені вирази (масштабні коефіцієнти) для перерахунку значень, отриманих із використанням зарубіжних методів, до значень за методом Барона-Глатмана для тих же умов. Результати. В існуючому вигляді метод Барона-Глатмана не може бути використаний для проектування тунелепрохідницької техніки або прогнозування ефективності її застосування. Підхід на основі масштабних коеф-коефіцієнтів може бути використаний для співвіднесення будь-яких з розглянутих методів між собою. Масштабні коефіцієнти залежать тільки від глибини різання для зусиль перекочування, глибини різання й діаметра шарошки для нормальних зусиль. Наукова новизна. Аналіз також показав, що взаємне розташування ліній графіка для всіх фігур залишається незмінним. Інваріантність відносного позиціонування і ліній трендів графіків дозволяє зробити припущення про можливість введення масштабних коефіцієнтів, які дозволяють приводити значення від одного методу до значень інших методів. Визначення масштабного коефіцієнта, що дозволяє зв’язати вітчизняний метод з основними іноземними методами, здійснюється шляхом послідовного розподілу розрахункових значень, отриманих за методом Барона і Глатмана на значення для інших розглянутих методів. Практична значимість. Отримані результати можуть бути використані при проектуванні тунелепрохідницьких комплексів та організації тунелепрохідницьких робіт.

Цель. Дисковая шарошка – основной инструмент, применяемый для оснащения тоннелепроходческих комплексов. От правильности выбора инструмента зависит эффективность разрушения горных пород, а, следовательно, скорость ведения горнопроходческих работ и технико-экономические показатели проекта. Таким образом, чрезвычайно важно иметь надежные и точные расчетные методы прогнозирования усилий, возникающих при разрушении горных пород дисковыми шарошками. Однако исследования на постсоветском пространстве в данной области знаний ограничиваются изучением клиновидных шарошек относительно небольшого диаметра, которые в настоящее время практически не применяются. Представленная работа выполнена с целью анализа соответствия самого известного отечественного метода Барона-Глатмана и основных зарубежных расчетных методов, разработанных такими учеными как Роксборо и Филлипс, Бильгин и Филлипс, Ростами и Оздемир. Методика. Анализ состоит в кратком обзоре методов, серии численных экспериментов, которые были выполнены для шарошек диаметром 160 и 483 мм (малого и большого диаметра), и сравнении результатов с использованием графиков. Путем аппроксимации полученных в результате численных экспериментов данных были определены выражения (масштабные коэффициенты) для пересчета значений, полученных с использованием зарубежных методов, к значениям по методу Барона-Глатмана для тех же условий. Результаты. В существующем виде метод Барона-Глатмана не может быть использован для проектирования тоннеллепроходческой техники или прогнозирования эффективности ее применения. Подход на основе масштабных коэффициентов может быть использован для соотнесения любых из рассмотренных методов между собой. Масштабные коэффициенты зависят только от глубины резания для усилий перекатывания, глубины резания и диаметра шарошки для нормальных усилий. Научная новизна. Анализ также показал, что взаимное расположение линий графика для всех фигур остается неизменным. Инвариантность относительного позиционирования и трендов линий графиков позволяет сделать предположение о возможности введения масштабных коэффициентов, которые позволяют приводить значения от одного метода к значениям других методов. Определение масштабного коэффициента, позволяющего связать отечественный метод с основными иностранными методами, осуществляется путем последовательного деления расчетных значений, полученных по методу Барона и Глатмана на значения для других рассмотренных методов. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании тоннелепроходческих комплексов и организации тоннелепроходческих работ.