Abrasive waterjet (AWJ) cutting is a versatile technique which has been effectively applied to rock cutting since the late 1980s. The complexity of the interaction between the waterjet and the rocks complicates the thorough understanding of the phenomena involved in AWJ rock cutting. On one hand, rocks are complex materials which are generated through different processes in an uncontrolled environment without human interference. On the other hand, the AWJ acts with high velocity and turbulence, complicating direct observation and the perception of details. In this respect, the present research aims to contribute to the study of AWJ cutting applied to rocks, including the analysis of qualitative and quantitative information, both of great importance regarding the study of complex materials. Concerning quantitative data, special attention is given to the investigation of the cutting efficiency, which can be analyzed by observing conditions in which the higher cutting rate is associated with the minimum energy provided by the AWJ machine per removed volume of rock. Moreover, the real efficiency can be analyzed through the investigation of the conditions in which the major part of the energy provided by the AWJ machine is used effectively for rock cutting, deducting dissipation losses. The effects of varying traverse velocity and pump pressure on cutting parameters were also investigated, in addition to the influence of rock properties on the effective energy of cutting. The effective energy was calculated based both on the specific energy and specific destruction work of the materials. With respect to the qualitative investigation, petrographic and scanning electron microscopy (SEM) analyses were conducted in order to visualize and better understand the different effects of cutting on the studied rocks. Cutting tests with a traverse velocity of 200 mm/min and a pump pressure of 400 MPa presented the most efficient rock cutting regarding both methods of efficiency analysis. Dry density and tensile strength presented fair correlations with the effective cutting energy, while the modulus ratio presented the best correlations. It was observed that brittleness plays a key role in the understanding of the phenomena involved in AWJ rock cutting. / O jato d\'água abrasivo (AWJ) é uma técnica versátil que tem sido efetivamente aplicada ao corte de rochas desde o fim da década de 1980. A complexidade da interação entre o jato e as rochas dificulta a compreensão detalhada dos fenômenos envolvidos no corte de rochas com AWJ. Por um lado, rochas são materiais complexos gerados em ambientes sem interferência humana. Por outro lado, o AWJ age com alta velocidade e turbulência, dificultando a observação direta do procedimento. Assim, a presente tese de doutorado visa a contribuir com o estudo do corte de rochas com AWJ, incluindo análises de dados qualitativos e quantitativos, ambos de grande importância em estudos de materiais complexos. A análise quantitativa possui foco na investigação da eficiência de corte, a qual pode ser analisada por meio da observação das condições em que há a maior taxa de corte associada à mínima energia fornecida pelo AWJ por volume de rocha removido. Além disso, a eficiência real do corte pode ser analisada a partir da investigação das condições em que a maior parte da energia fornecida pelo AWJ é usada para efetivamente cortar a rocha, descontando perdas por dissipação. Os efeitos da variação da velocidade transversal de corte e da pressão da bomba nos parâmetros de corte também foram investigados, além da influência das propriedades das rochas na energia efetiva de corte. A energia efetiva de corte, denominada energia relativa de formação da ranhura (EKR), foi calculada com base na energia específica e no trabalho de destruição específico dos materiais. Análises de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e petrografia foram conduzidas para visualizar e compreender melhor os diferentes efeitos do corte nas rochas estudadas. Os testes de corte realizados com velocidade transversal do bocal de 200 mm/min e pressão da bomba de 400 MPa apresentaram as melhores eficiências de corte considerando-se ambos os métodos de análise de eficiência. Dentre as propriedades das rochas investigadas, a massa específica e a resistência à tração por compressão diametral apresentaram correlações razoáveis com EKR, enquanto que o modulus ratio apresentou as melhores correlações. Observou-se que a ruptibilidade possui papel fundamental na compreensão dos fenômenos envolvidos no corte de rochas com AWJ.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-11072017-152834 |
| Date | 20 March 2017 |
| Creators | Arab, Paola Bruno |
| Contributors | Celestino, Tarcisio Barreto |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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