книги из ГПНТБ / Карташов Ю.М. Оборудование для исследования физико-механических свойств горных пород (патентный обзор) [сотрудникам НИИ, проектно-конструкторских и проектных институтов]
.pdfминеральное масло, а также рычажная установка для соз дания длительных нагрузок [40], в которой с целью под держания постоянной нагрузки силовой механизм выполнен в виде червячно-винтового редуктора, приводная звездочка которого бесконечной цепью связана с грузом.
Рис. 6
20
Принцип поддержания постоянного давления в установке для полевых испытаний грунтов длительной статической нагрузкой гидродомкратом может быть полезен при разра
ботке лабораторных приборов. Установка [4l] |
|
отличается |
|||||
тем, что стабилизатор 1 (рис.6, а) давления |
|
выполнен |
в |
||||
виде имеющего подпружинный поршень 2 |
гидроцилиндра, |
||||||
поршневая полость которого соединена с полостью |
жестко |
||||||
закрепленного на этом гидроцилиндре регулятора |
давления |
||||||
3. Последний имеет подвижной в вертикальном |
|
направле |
|||||
нии двухседельный клапан 4, на верхнем конце |
штока |
ко |
|||||
торого укреплен сменный груз 5. Кроме того, |
|
установка |
|||||
включает в себя насос 6 с трубопроводом 7 |
и |
манометра |
|||||
ми 8, а также гидродомкрат 9. |
|
|
|
|
|
|
|
Схема устройства для регистрации момента |
разрушения |
||||||
образца с грузом при испытаниях на длительную |
прочность |
||||||
[42] проста и не требует особых пояснений. |
|
|
|
|
|
||
Испытания на ползучесть, ,длительную прочность |
и |
ре |
|||||
лаксацию являются трудоемкими и занимают много, |
време |
||||||
ни. Поэтому отдельные предложения связаны |
с |
ускорени |
|||||
ем и упрощением испытаний, а также с повышением |
про |
||||||
изводительности испытаний. |
|
|
|
|
|
|
|
Предложенное устройство Яля испытания на ползучесть |
|||||||
при изгибе балок равного сечения [43] , |
позволяющее |
полу |
|||||
чить одновременно данные о ползучести для |
|
нескольких |
|||||
разных по величине нагрузок, содержит |
неподвижный |
1 |
|||||
(рис.6, б) и подвижной 2 захваты, |
механизм |
нагружения в |
|||||
виде неподвижной 3 и подвижной 4 |
тяг |
с гирями |
5, |
труб |
|||
чатую электропечь 6, реверсор в виде установленных на на правляющих 7 неподвижных 8 и 9 и подвижной траверс 10. К последней прикреплена вертикально расположенная плас
тина 11 с вертикальными продольными пазами |
12. |
Между |
испытуемыми образцами 13, расположенными |
параллельно |
|
один над другим, по заранее составленной схеме |
устанав |
|
ливаются опорные цилиндрические ролики 14 так, что концы
их входят в пазы 12 пластины 11; гирями 5 |
через |
тяги 3 |
|
и 4 образцы нагружаются и благодаря роликам |
изгибаются |
||
различными по величине моментами. |
|
|
|
Для повышения производительности испытаний примене |
|||
ны образцы [44] специальной формы: рабочая |
часть |
выпол |
|
нена конической для круглого образца и с |
симметричным |
||
уклоном относительно ори для плоского образца. |
При при |
||
21
ложении нагрузки к образцу различные его части |
(по |
дли |
|
не) будут испытывать разные напряжения. |
|
|
|
Для исследования процесса релаксации напряжений |
в |
||
материалах предложена установка [4б] • Система |
регулиро |
||
вания напряжений выполнена с двумя датчиками |
(на |
на |
|
гружаемом и на свободном образцах). Установка |
|
состоит |
|
из нагружающего устройства 1 (рис.6, в) с электроприво |
|||
дом 2. В прессе установлен образец 3 материала |
с |
дина |
|
мометром 4 и контрольно-регистрирующей аппаратурой |
5. |
||
Рядом с рабочим образцом установлен точно такой |
же |
це- |
|
нагружаемый образец материала 6. На нагружаемом образ це укреплен датчик часового типа 7, а на ненагружаемом - датчик часового типа 8 с удлинителями 9 одинаковой дли ны. Нагружаемый образец загружается до необходимого уровня деформации. Величины сигналов потенциометричес ких датчиков 10 и 11 предварительно уравнивают, создавая
равновесие в плечах сравниваемого устройства |
12. |
Разба |
ланс в плечах сравнивающего устройства и |
срабатывание |
|
электропривода происходят при изменении заданного |
уров |
|
ня деформации нагружаемого образца вследствие ползучес
ти. При изменении деформации от температурных, |
усадоч |
ных и других факторов, одинаково влияющих на |
первона |
чальную длину нагружаемого и ненагружаемого |
образцов, |
разбаланса в плечах сравнивающего устройства не происхо дит. Измененная величина сигнала поступает в сравниваю щее устройство, образуя на выходе сигнал разбаланса, ко торый после усиления в блоке 13 приводит в действие элек тропривод 2 нагружающего устройства 1. Последнее уве личивает или уменьшает в зависимости от знака разбалан са усилие, передаваемое через динамометр 4 на нагружае мый образец 3.
Способ нагружения образца [4б], нагрузка в котором уменьшается пропорционально уменьшению площади сече ния, дает возможность сохранять постоянную величину на пряжения в расчетной части.
22
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПОРОД
Приборы для определения твердости горГных пород су щественно отличаются друг от друга способом приложения нагрузки, формой индентора, методом измерения показате лей твердости и т . д. Наибольшее количество предложений относится к методам измерения твердости вдавливанием инденторов в материал образца* В приборе [47] к вдавли ваемому в материал образца индентору через пружину при соединено приводное устройство. Образец сначала нагружа ется предварительно, а затем - окончательно. Аналогичные принципиальные решения использованы в приборе [48],в ко тором для повышения точности испытаний имеется вторая электрическая цепь, замыкаемая для приложения предвари тельной нагрузки с электромагнитом. Якорь электромагни та установлен на втором рычаге (или на корпусе прибора), а катушка жестко соединена с корпусом прибора (или вто
рым рычагом) и включена во вторую электрическую |
цепь. |
|||||
Второй рычаг выполнен сбалансированным относительно |
об |
|||||
щей оси вращения. Таким образом, в приборе |
обеспечива |
|||||
ются предварительное и основное нагружения образца. |
|
|||||
Оригинальные решения предложены некоторыми |
иссле |
|||||
дователями для определения глубины вдавливания |
инден |
|||||
тора в образец и поверхности соприкосновения образца |
с |
|||||
контактными элементами. |
|
|
|
|
|
|
В способе определения контактной твердости |
[49] |
|
раз |
|||
личных материалов истинная поверхность |
соприкосновения |
|||||
испытываемого образца 1 |
(рис.7, а) под нагрузкой |
видна |
||||
благодаря обшей отражающей поверхности |
2 |
прозрачного |
||||
тела. Испытываемыйконтакт давит на стеклянную |
призму |
|||||
3 с отражением на поверхности 4. |
|
|
|
|
|
|
На основе методов статического вдавливания |
инденто |
|||||
ров разработан ряд портативных приборов и |
устройств, |
ко |
||||
торые могут применяться как в лабораторных, |
так и |
в |
по |
|||
левых условиях. Прибор |
[50] для испытания |
на |
твердость |
|||
выполнен в виде упругой скобы, на которой |
|
расположены |
||||
индентор, силоизмерительное устройство, опорное устройст
во для образца и |
устройство для измерения |
деформаций. |
Прибор компактен |
и прост в обращении. |
|
23
Прибор |
[Sl] |
для определения твердости пород |
состоит |
|
из корпуса |
1 (рис* 7, б), имеющего щель 2. Образец |
3 по |
||
мещается между пуансоном 4 и упругой пластиной 5, |
кон |
|||
тактирующей с поршнем 6 измерителя деформаций |
вдавли |
|||
вания 7. С помощью микрометре иного винта 8 усилие |
сжа |
|||
тия передается |
на образец породы через пуансон. |
|
|
|
а
|
Рис. 7 |
|
|
В портативном приборе [52] для определения |
показате |
||
лей твердости и упругости горных пород образец |
1 (рис. 7, |
||
в) помещен в обойме |
2, |
расположенной на основании 3“» На |
|
цилиндрических опорах |
4 |
укреплена траверса 5. |
Основные |
элементы нагружающего устройства прибора - редуктор 6, вал 7 с нагрузочным кулачком 8, поршень 9 с упором 10,
24
нагрузочный шток 11 с пуансоном 12. Измерение |
дефор |
маций производится индикатором часового типа 13. |
|
Для определения твердости относительно жестких ма |
|
териалов разработан дюрометр [53], основными элементами которого являются рабочий стержень 1 (рис. 7, г ), внедряе мый в материал, нажимная головка 2, пружина 3 и указа тельное устройство 4 со шкалой 5, показывающее, на какую
глубину внедряется наконечник прибора. Для |
определения |
|
характеристик твердости дюрометр вручную |
прижимается |
|
нижней поверхностью к материалу, нажимается головка |
и |
|
снимается отсчет с указательного устройства. |
|
|
Кроме методов определения твердости, основанных |
на |
|
статическом вдавливании инденторов в поверхность образ ца, разработаны и другие способы измерений этого показа
теля: по величине отскока упругого элемента |
от |
материала |
|||
образца, по параметрам ультразвуковых колебаний и др« |
В |
||||
приборе [54] для |
определения комплекса |
показателей |
|||
свойств пород, в том числе и твердости, имеется |
диффе |
||||
ренциальный трансформатор, объединенный в |
один |
блок |
с |
||
наконечником, передающим динамическое усилие |
на |
обра |
|||
зец* При помощи трансформатора и вспомогательной |
цепи |
||||
измеряется высота падения наконечника на материал |
и вы |
||||
сота первого отскока. Могут быть получены широкие |
диа |
||||
пазоны давлений -вершины наконечника на материал и высот |
|||||
отскакивания вплоть до предельно малых. Прибор |
|
может |
|||
обеспечивать измерение свойств материалов в широком ди
апазоне и получение данных с минимальным |
разрушением |
||
материала. |
|
|
|
Прибор для определения динамической твердости |
мате |
||
риалов [55] содержит устройство для возбуждения |
в |
ис |
|
пытуемом образце ул-ьтразвуковых колебаний |
с преобразо |
||
вателем их в электрический сигнал и регистрирующую |
ап |
||
паратуру. Точность прибора повышается установленными |
на |
||
опорном столике игольчатыми опорами для испытуемого об разца .
Существующие приборы для определения |
динамической |
твердости материалов развивают относительно |
небольшую |
энергию удара индентора о поверхность исследуемого ма териала, из-за чего отпечаток получается маленьким и оп ределение твердости производится с меньшей точностью. Для повышения точности разработан прибор [5б] , в кото
25
ром в качестве аккумулятора энергии используется мерный бачок, заполняемый сжатым газом, ударник выполнен в ви
де плунжера, а корпус - в виде цилиндра, охватывающего |
||
плунжер. |
|
|
Способ измерения твердости осуществляется в |
приборе |
|
[57] , индентор которого внедряется в материал, |
вызывая |
|
его остаточную деформацию. Индентору сообщается |
опре |
|
деленная кинетическая энергия посредством ускорения |
его |
|
до заданной скорости или удара* массы заданной |
величины, |
|
С вершиной индентора соединен пьезоэлектрический . |
эле |
|
мент, в котором создается напряженное состояние при за
медлении движения. Выходной сигнал |
пьезоэлектрического |
элемента пропорционален замедлению |
движения индентора |
и измеряется для получения отсчета, |
характеризующего |
твердость материала. |
|
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕКОТОРЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД
Показатели проницаемости, пористости и некоторых дру гих физических свойств горных пород не относятся к проч
ностным характеристикам. Однако методы и приборы |
для |
|
исследований этих свойств могут применяться при |
изуче |
|
нии прочностных характеристик |
и корреляционных |
связей |
между параметрами. Одной из |
задач при разработке |
при |
боров для определения проницаемости пород является соз
дание надежного уплотнения между образцом |
и |
стенками |
корпуса прибора. Прибор [58] включает в себя |
|
корпус 1 |
(рис. 8, а) с отверстиями для отбора и подачи |
|
флюида. |
Герметизация по стыку образца 2 с корпусом |
осуществля |
|
ется стальной пружиной 3, покрытой эластичным |
материа |
|
лом, например резиной 4. Со стороны выходного |
отверстия |
|
ккорпусу прикреплена винтовая струбцина 5, прижимающая
кповерхности образца ограничительный диск 6 с помощью
шарика или шарикоподшипника. В пазах стенки ограничи тельного диска расположены резиновые прокладки 7, огра
ничивающие фильтруемую поверхность образца. |
Штуцер 8 |
|
предназначен для отвода флюида. Диск 6 имеет |
скошен |
|
ную поверхность дна в сторону штуцера |
для |
самостока |
профильтровавшейся жидкости. Использованием |
стальной |
|
26
пружины 3, покрытой эластичным материалом, достигается более плотное прилегание уплотняющего эластичного мате риала к стенкам образца, а после испытания в результате расслабления пружины заклинивания образца расплющенным эластичным материалом не происходит. Образец из корпуса извлекается с помощью винтовой струбцины 5.
|
Рис.8, а, б |
|
|
Устройство |
[59], в котором изолирована боковая поверх |
||
ность образца, |
состоит из основания 1 ( рис. 8, б) , крышки 2, |
||
жесткого фланца 3, резиновой манжеты |
4, штуцеров |
5 и 6 |
|
и соединительных болтов 7 с гайками 8. |
Устройство |
отли |
|
чается надежной изоляцией боковой поверхности образца 9, осуществляемой нагнетанием газа через штуцер 6 в замк нутый объем между манжетой 4 и фланцем 3. Проницае мость материала определяется при подаче газа через шту
цер 5 к образцу 9.
27
Для изучения анизотропии горных пород разработано ус тройство [60] , основанное на способе определения проница емости пород, содержащее матрицу для заливки образца герметизирующим составом источник сжатого газа и изме*' рительные приборы. Для определения величины анизотропии за одно пропускание газа боковые грани матрицы снабже ны окнами, ориентированными вдоль и вкрест напластова ния образца породы.
Для комплексного определения физических свойств гор ных пород разработан ряд установок и приборов.
Установка для совместного определения |
коэффициента |
|||
линейного |
теплового расширения и динамического модуля |
|||
упругости |
горных пород [6l] |
состоит из двух |
волноводов 1 |
|
(рис.8, в), |
один из которых закрепляется в |
неподвижной |
||
2, а другой |
- в подвижной 3 |
опорах. Образец горной по |
||
роды 4 устанавливается между волноводами. Перемещение подвижного волновода фиксируется индикатором 5 или дат
чиком самописца 6. Пружина 7 прижимает волновод |
к |
об |
разцу. Динамический модуль упругости определяется |
|
-по |
скорости прохождения продольной волны через образец |
при |
|
помощи ультразвукового генератора 8 и пьезодатчиков |
9, |
|
находящихся в наружной части волновода. Система |
волно- |
|
28 |
|
|
вод - образец - волновод помещена в охладитель-нагре ватель 10. Образец нагревается спиралью 11, а охлаждает
ся - поступлением хладагента |
из сосуда Дюара 12 по |
ма |
||
гистрали 13 в кольцевую щель 14. Темп нагревания |
зад а |
|||
ется трансформатором 15, а охлаждения - редуктором |
16. |
|||
Температура фиксируется термопарой |
17. Отличается |
уста |
||
новка применением волноводов |
между |
образцом и опорами |
||
и повышенной точностью измерений. |
|
и |
па |
|
Подробное ознакомление с изобретениями СССР |
||||
тентами ряда стран в области лабораторных испытаний |
по |
|||
род показывает, что основное |
внимание при разработке при |
|||
боров для испытаний уделяется повышению точности |
испы |
|||
таний, упрощению методики испытаний |
и конструкций |
|
при |
|
боров, а также увеличению объема информации при испыта ниях и повышению производительности.
При длительных испытаниях пород большое |
внимание |
уделено созданию специальных устройств для |
длительного |
поддержания неизменного во времени давления, упрощению
и |
удешевлению испытаний (одновременное испытание |
нес |
|
кольких |
образцов, испытание образцов переменного сечения |
||
и |
д р .). |
При испытаниях пород на релаксацию основной |
за |
дачей является исключение (нля сведение к минимуму) де формаций нагружающих устройств для обеспечения необхо димой точности испытаний.
Наибольшее число изобретений относится к приборам для исследования свойств пород при объемном сжатии и при длительно действующих нагрузках. Это обусловлено реше нием большей части задач горного дела с учетом реологи ческих свойств пород и показателей их объемной прочности.
В последнее время в СССР и ряде других стран уделя
ется большое |
внимание усовершенствованию существующих |
и разработке |
новых конструкций испытательного оборудова |
ния по следующим основным направлениям:
нагружающие устройства для статических испытаний ма териалов (где можно пренебречь силами инерции) ;
нагружающие устройства для динамических испытаний материалов (ударное приложение нагрузки, усталостные ис пытания, колебания, и др.) ;
устройства для центрирования образцов при испытаниях и способы их закрепления;
системы программного нагружения образцов с регистра цией процесса их деформирования;