Численное моделирование процесса резания угля резцовым инструментом горных машин при различных углах резания

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2026-4S-172-179

Д.А. Задков¹, С.А. Чупин¹, А.Ф. Прялухин¹, С.Е. Речкин¹, М.В. Садовский²
¹Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
²ООО «Гринс Майнинг», г. Новокузнецк, Российская Федерация
Горная Промышленность №4S/ 2026 стр. 172-179

Резюме: В статье представлены результаты численного моделирования разрушения угля тангенциальным поворотным резцом в программном комплексе LS-DYNA. Цель исследования – оценка влияния угла установки резца на силовые параметры процесса резания. Разрушаемый массив моделировался в виде угольного блока, а резец рассматривался как абсолютно жесткое тело. Движение инструмента задавалось с постоянной скоростью. Угол установки резца изменялся в диапазоне от 45 до 53° с шагом 2°. Для описания механического поведения угля использовалась модель Holmquist–Johnson–Cook с учетом накопления повреждений и удаления разрушенных элементов. Сравнение расчетных вариантов выполнялось по средней и максимальной силе резания, средней и максимальной нормальной силе, а также по характеру формирования зоны разрушения. Установлено, что зависимость силовых параметров от угла установки имеет немонотонный характер. Минимальные значения средней силы резания, средней нормальной силы и максимальной силы резания получены при угле 51°. При данном угле средняя сила резания составила 1,04 кН, средняя нормальная сила – 0,27 кН, а максимальная сила резания – 2,74 кН. Показано, что наиболее рациональным является сколово-сдвиговый режим разрушения, при котором зона повреждения развивается от вершины резца к свободной поверхности угольного блока. Полученные результаты могут быть использованы при выборе параметров установки резцов на шнеках очистных комбайнов.

Ключевые слова: уголь, разрушение угля, тангенциальный поворотный резец, сила резания, нормальная сила, угол резания, угол установки резца, разрушаемый массив, очистной комбайн

Для цитирования: Задков Д.А., Чупин С.А., Прялухин А.Ф., Речкин С.Е., Садовский М.В. Численное моделирование процесса резания угля резцовым инструментом горных машин при различных углах резания. Горная промышленность. 2026;(4S):172–179. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2026-4S-172-179

Информация о статье

Поступила в редакцию: 07.06.2026

Поступила после рецензирования: 29.07.2026

Принята к публикации: 21.08.2026

Информация об авторах

Задков Денис Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-1709-431X

Чупин Станислав Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры прикладных компетенций в области цифровых технологий, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-4103-9636; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Прялухин Алексей Федорович – кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0008-7643-7918

Речкин Семён Евгеньевич – студент, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

Садовский Максим Викторович – ведущий инженер-конструктор, ООО «Гринс Майнинг», г. Новокузнецк, Российская Федерация

Список литературы

1. Kazanin O., Sidorenko A., Sidorenko S., Ivanov V., Mischo H. High productive longwall mining of multiple gassy seams: best practice and recommendations. Acta Montanistica Slovaca. 2022;27(1):152–162. https://doi.org/10.46544/AMS.v27i1.11

2. Kazanin O., Sidorenko A., Drebenstedt C. Intensive underground mining technologies: Challenges and prospects for the coal mines in Russia. Acta Montanistica Slovaca. 2020;26(1):60–69. https://doi.org/10.46544/AMS.v26i1.05

3. Линник Ю.Н., Линник В.Ю., Воронова Э.Ю., Евстратов В.А., Цих А. Анализ структуры отказов шнеков очистных комбайнов. Уголь. 2021;(4):20–24. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2021-4-20-24

4. Жабин А.Б., Поляков А.В., Аверин Е.А., Сарычев В.И. Состояние научных исследований в области разрушения горных пород резцовым инструментом на рубеже веков. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018;(1):230–247.

5. Evans I. A theory of the cutting force for point-attack picks. International Journal of Mining Engineering. 1984;2(1):63–71. https://doi.org/10.1007/BF00880858

6. Bolobov V.I., Chupin S.A., Le-Thanh B. Influence of pick blunting on hydraulic breaker capacity in fracture of granite blocks. Eurasian Mining. 2023;(2):100–103. https://doi.org/10.17580/em.2023.02.22

7. Рахутин М.Г., Скворцов Р.Д. Резервы повышения эффективности оборудования для измельчения смерзшегося угля. Уголь. 2024;(6):82–86. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-6-82-86

8. Khoreshok A., Ananiev K., Ermakov A., Kuziev D., Babarykin A. Determination of the rational number of cutters on the outer cutting drums of geokhod. Acta Montanistica Slovaca. 2020;25(1):70–80. https://doi.org/10.46544/AMS.V25I1.7

9. Cao R., Feng S., Xu F. Theoretical consideration of rock-cutting mechanisms and three-dimensional peak cutting force model of conical picks. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2025;58(8):9633–9648. https://doi.org/10.1007/s00603-025-04541-5

10. Liu X., Tang P., Geng Q., Li X., Tian M. Numerical research on wear mechanisms of conical cutters based on rock stress state. Engineering Failure Analysis. 2019;97:274–287. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.045

11. Li X. A study on the influence of pick geometry on rock cutting based on full-scale cutting test and simulation. Advances in Mechanical Engineering. 2020;12(12):1687814020974499. https://doi.org/10.1177/1687814020974499

12. Samui P., Kumar R., Kurup P. Determination of optimum tool for efficient rock cutting. Geotechnical and Geological Engineering. 2016;34(4):1257–1265. https://doi.org/10.1007/s10706-016-0035-5

13. Göktan R.M. Effect of cutter pick rake angle on the failure pattern of high-strength rocks. Mining Science and Technology. 1990;11(3):281–285. https://doi.org/10.1016/0167-9031(90)90981-W

14. Wang Z., Zeng Q., Wan L., Lu Z., Wang H. Investigation of the influence of cutting parameters on conical pick cutting performance and rock damage. Machines. 2022;10(11):1034. https://doi.org/10.3390/machines10111034

15. Shao W. A study of rock cutting with point attack picks [PhD thesis]. Queensland, Australia: The University of Queensland, 2016. 185 p.

16. Park J.-Y., Kang H., Lee J.-W., Kim J.-H., Oh J.-Y., Cho J.-W. et al. A study on rock cutting efficiency and structural stability of a point attack pick cutter by lab-scale linear cutting machine testing and finite element analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018;103:215–229. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.01.034

17. Xu W., Huang Q., Zhang W., Zhang S., Ma Z., Gao K., Jiang N. Optimization of vane number for coal loading in shearer drums (1400 mm and 2240 mm) via discrete element modeling. Applied Sciences. 2025;15(21):11522. https://doi.org/10.3390/app152111522

18. Riedel W., Thoma K., Hiermaier S., Schmolinske E. Penetration of reinforced concrete by BETA-B-500 numerical analysis using a new macroscopic concrete model for hydrocodes. In: Proceedings of 9th International Symposium on the Interaction of the Effects of Munitions with Structures, Berlin-Strausberg, 3–7 May 1999. Vol. 315, pp. 315–322

19. Huo X., Shi X., Qiu X., Chen H., Zhou J., Zhang S., Rao D. Study on Rock damage mechanism for lateral blasting under high in situ stresses. Applied Sciences. 2021;11(11):4992. https://doi.org/10.3390/app11114992

20. Holmquist T.J., Johnson G.R., Cook W.H. A computational constitutive model for concrete subjected to large strains, high strain rates, and high pressures. In: Proceedings of the 14th International Symposium on Ballistics, Québec, 26–29 September 1993. Vol. 2, pp. 591–600

21. Li D., Tong L., Huang Z., Xu X., Wang S., Mao J. et al. Numerical analysis on the drilling force of pneumatic impactors under different working conditions and structural parameters. Scientific Reports. 2025;15:33405. https://doi.org/10.1038/s41598-025-18751-y

22. Johnson G.R., Holmquist T.J. A computational constitutive model for brittle materials subjected to large strains, high strain rates, and high pressures. In: Meyers M.A., Murr L.E., Staudhammer K.P. (eds) Shock Wave and High-Strain-Rate Phenomena in Materials. New York: Marcel Dekker, Inc.; 1992. pp. 1075–1081.

23. Baranowski P., Kucewicz M., Janiszewski J. JH-2 constitutive model of sandstone for dynamic problems. Scientific Reports. 2024;14:3339. https://doi.org/10.1038/s41598-023-49668-z

24. Drucker D.C., Prager W. Soil mechanics and plastic analysis or limit design. Quarterly of Applied Mathematics. 1952;10(2):157–165. https://doi.org/10.1090/qam/48291

25. Liu S., Chen J., Liu X. Rock breaking by conical pick assisted with high pressure water jet. Advances in Mechanical Engineering. 2014;6:868041. https://doi.org/10.1155/2014/868041

26. Malvar L.J., Crawford J.E., Wesevich J.W., Simons D. A plasticity concrete material model for DYNA3D. International Journal of Impact Engineering. 1997;19(9-10):847–873. https://doi.org/10.1016/S0734-743X(97)00023-7

27. Jaime M.C., Gamwo I.K., Lyons D.K., Lin J.S. Finite element modeling of rock cutting. In: Proceedings of the 44th US Rock Mechanics Symposium and 5th US-Canada Rock Mechanics Symposium, Salt Lake City, UT, 27–30 June 2010. American Rock Mechanics Association; 2010. Paper ARMA-10-231

28. Шишлянников Д.И., Зверев В.Ю., Муравский А.К., Звонарев И.Е., Королев И.А. Методика определения средневзвешенной производительности механизированных комбайновых комплексов калийных рудников. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(7):125–133. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_7_0_125

29. Mikhailov A.V., Korolyov I.A., Lopatiuk A.O. Corrosion stability of cutting tool’s material for exploitation of peat deposits. Procedia Engineering. 2017;206:668–675. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.535

30. Kucewicz M., Baranowski P., Małachowski J. Dolomite fracture modeling using the Johnson-Holmquist concrete material model: Parameter determination and validation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2021;13(2):335–350. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2020.09.007

31. Gabov V.V., Zadkov D.A. Mathematical model of simple spalling formation during coal cutting with extracting machine. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1015(5):052007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1015/5/052007

32. Шемякин С.А., Шишкин Е.А. Определение касательной составляющей сопротивления резанию мерзлых осадочных пород по блокированной, глубокоблокированной и сотовой схемам. Записки Горного института. 2025;272:136–144. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16356 (дата обращения: 06.04.2026).

33. Maksarov V.V., Keksin A.I., Filipenko I.A. Improvement of magnetic-abrasive finishing of nonuniform products made of high-speed steel in digital conditions. Key Engineering Materials. 2020;836:71–77. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.836.71

34. Шишкин Е.В., Казаков С.В. Энергоэффективные устройства для дезинтеграции особо прочных материалов. Горный журнал. 2021;(11):53–59. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.11.07

35. Максаров В.В., Нгуен В.Д., Халимоненко А.Д., Шишкин П.В. Технологическое обеспечение качества поверхности заготовки на основе локального криогенного воздействия при обработке аустенитных сталей. Черные металлы. 2024;(9):82–87. https://doi.org/10.17580/chm.2024.09.13

36. Keksin A.I., Filipenko I.A., Sorokopud N.I., Ovsyannikov D.A. Effect of process parameters of magnetic abrasive finishing on productivity while ensuring surface quality of electrical engineering products. International Journal of Engineering, Transactions B: Applications. 2026;39(11):2815–2823. https://doi.org/10.5829/ije.2026.39.11b.13

37. Михайлов А.В., Смирнов А.И. Анализ метода выемки торфяного сырья с откоса карьера. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2026;(2-1):197–209. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2026/2-1/2-1_2026_197-209.pdf (дата обращения: 23.04.2026).

38. Казаков Ю.А., Козачков Г.С. Технологические требования к процессу измельчения экскавированного органогенного сырья. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(12-3):85–99. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2025_123_0_85

39. Протосеня А.Г., Карасев М.А., Беляков Н.А., Тулин П.К. Прогноз предельного состояния и дилатансии пород вокруг горных выработок. Записки Горного института. 2025;276(2):107–122. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16542 (дата обращения: 23.04.2026).

40. Xie B., Yan Z., Du Y., Zhao Z., Zhang X. Determination of Holmquist–Johnson–Cook constitutive parameters of coal: Laboratory study and numerical simulation. Processes. 2019;7(6):386. https://doi.org/10.3390/pr7060386