книги из ГПНТБ / Карташов Ю.М. Оборудование для исследования физико-механических свойств горных пород (патентный обзор) [сотрудникам НИИ, проектно-конструкторских и проектных институтов]
.pdfпредохранительные и сигнальные устройства (регистра ция момента разрушения образцов, предохранение элемен тов испытательного оборудования от различного рода удар ных воздействий и т . д . ) .
НАГРУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД
Основными направлениями в разработке, новых |
конструк |
|
ций нагружающих устройств для статических |
испытаний |
|
различных материалов являются создание |
малогабаритных |
|
устройств, упрощение конструкций и повышение |
рабочего |
|
усилия прессов при неизменных габаритах последних. |
||
Устройство гидравлического пресса [62] |
отличается от |
|
Известных тем, что с целью сокращения габаритов и умень шения металлоемкости в колоннах выполнены две сквозные продольные и диаметрально противоположно расположенные прорези с брусьями, установленными с возможностью воз вратно-поступательного перемещения и соединяющие под вижную траверсу с силовыми цилиндрами. На подвижной траверсе 1 (рис. 9, а) жестко' закреплены трубчатые напра вляющие колонны 2 с перемещающейся по ним подвижной траверсой 3. Для жесткости верхние торцы колонн связаны между собой рамой 4 с цилиндрическими заточками. Внут
ри каждой колонны смонтированы штоки 5 |
с поршнями 6. |
|
Уплотнительные элементы штока - манжеты 7, |
регулиро |
|
вочная гайка 8 и втулка 9 - смонтированы |
в |
резьбовой |
крышке 10. В верхней части колонн выполнены |
сквозные |
|
вертикальные прорези 11, в которых установлены брусья 12,
соединяющие ползуны 13 с подвижной траверсой. |
Брусья |
зафиксированы в ползунах стопорными винтами 14. |
В рас |
точки подвижной траверсы запрессованы втулки 15, |
кото |
рыми траверса направляется по колоннам. От гидросистемы подается давление в штоковые полости колонн, а поршне
вые полости соединяются со |
сливом. |
При этом поршни че |
|
рез штоки тянут ползуны 13 |
вниз. Ползуны |
соединены |
|
брусьями 12 с подвижной траверсой, |
которая опускается по |
||
колоннам вниз, совершая рабочий ход. Давление |
от гидро |
||
системы подается в поршневые полости колонн, |
а штоковые |
||
30
полости соединяются со сливом. При этом поршни через штоки толкают ползуны 13 вверх, и они через брусья под
нимают траверсу по колоннам. |
В результате этого |
совер |
шается обратный ход. |
|
|
Значительное уменьшение габаритов пресса осуществле |
||
но в другой конструкции [63], |
основными элементами кото |
|
рой являются полый цилиндр 1 |
(рис.9, б) с крышкой |
2 и |
помешенной в нем подушкой 3 |
из эластичного упругого ма- |
|
а
ход пресса
Рис. 9
31
териала, наполненной газом или жидкостью, опорная |
плита |
|
4, рабочие |
штоки 5 с нагрузочной плитой 6. Подушка при |
|
увеличении |
давления газа или жидкости заходит в |
зазор |
между опорной плитой и стенками цилиндра, уменьшая по
тери на трение и сокращая размеры пресса |
за |
счет |
умень |
шения высоты опорной плиты* |
и |
повышение |
|
Уменьшение расхода рабочей жидкости |
|||
к .п .д . пресса обеспечивается в конструкции |
[64], в которой |
||
подпоршневая полость вспомогательного цилиндра |
пресса |
||
соединена с золотником управления и подпоршневымй по лостями рабочего цилиндра дополнительным трубопроводом с установленным в нем клапаном.
Представляют интерес технические решения, направлен ные на поддержание в прессахмтостоянных давлений в те чение длительного времени. Колонны гидровинтового прес
са |
[65] |
жестко связаны со столом |
и с |
подпружиненной |
|
верхней |
траверсой 1 |
(рис.9, в ), несущей |
рабочий цилиндр |
||
2. |
Внутри последнего |
установлена |
гайка |
3 с винтовым плу |
|
нжером 4, который жестко соединен с подвижной травер сой 5, установленной в направляющих колоннах 6. В верхних частях колонн установлены пружинные шайбы-амортизаторы
7. Гайка может вращаться и вертикально перемещаться |
в |
||
радиальных 8 и опорных верхнем |
9 и нижнем 10 подшипни |
||
ках с пружинным кольцом 11. Во |
внутренней стенке рабо |
||
чего цилиндра предусмотрен кольцевой выступ, |
соединен |
||
ный с магистралью управления цилиндрической |
полостью, |
в |
|
которой установлен подпружиненный тормозной плунжер 12.
В начале рабочего |
движения винтовой плунжер перемеща |
|
ется вниз, |
вращая |
гайку. Давление, действующее на торец |
плунжера, |
держит |
тормозной плунжер 12 в нижнем поло |
жении. В момент, когда создано нужное рабочее усилие, в цилиндр прекращается подача рабочей жидкости. За счет упругой деформации всего пресса и шайб-амортизаторов плунжер возвращается обратно, но гайка уже не вращает ся, так как застопорена тормозным плунжером,поднявшим
ся за счет действия пружины. Пружинное |
кольцо подшип |
ника утапливается, и нижний фланец гайки |
прижимается к |
корпусу, усиливая самоторможение. В этом |
положении |
пресс остается под усилием длительное время с полностью выключенной гидравликой. *
32
Прибор, позволяющий проводить комплексные |
испытания |
||
на растяжение с постоянными скоростями изменения |
де |
||
формаций или изменения нагрузки, на ползучесть |
и |
на ре |
|
лаксацию [бб] , предназначен для измерения |
относительно |
||
больших деформаций образца под действием |
сравнительно |
||
малых сил* Отличается прибор расположением тяги |
соосно |
||
внутри полого ползуна и жестким соединением с |
цилиндри |
||
ческим кольцом* На станине установлена кольцевая |
ем |
||
кость, в центральном отверстии которой расположен жестко прикрепленный к ползуну цилиндрический баллон для жйдко—
сти. Такое конструктивное решение обеспечивает |
возмож |
|
ность быстрого изменения режима испытания образца. |
|
|
В прессах с механическим приводом вращательное |
дви |
|
жение вала привода преобразуется в поступательное |
пере |
|
мещение траверсы. Для расширения диапазона |
скоростей |
|
нагружения этот механизм выполняется в виде |
кулачка, |
|
профиль которого соответствует выбранному закону движе ния траверсы. Однако сложность изготовления кулачка и его размер ограничивают выбор скорости движения травер сы*
С целью получения возможно малых скоростей нагруже ния разрабртана гидравлическая система [67] , позволяющая
резко расширить диапазон испытательных скоростей в |
сто |
|
рону малых скоростей нагружения. Испытательный |
пресс |
|
содержит гидроцилиндр 1 |
(рис. 10, а ), шток 2, дроссель 3, |
|
аккумуляторы давления 4, |
краны 5, трубопроводы 6, |
рабо |
чую жидкость 7, заполняющую весь объем гидросистемы в
статическом состоянии, неподвижную опору 8, |
раму 9 и по |
||
движную опору с основанием 10. При движении |
основания |
||
от привода шток, взаимодействуя с жидкостью, |
работает |
||
как гидравлическая пружина, значительно уменьшая |
ско |
||
рость перемещения основания до разрушения |
испытуемого |
||
образца 11* Когда при перемещении подвижной опоры прес
са нагрузка начинает |
возрастать, рабочая жидкость, |
через |
|
которую передается нагрузка на образец, |
сжимается |
и вы |
|
тесняется штоком из |
цилиндра в аккумуляторы давления* |
||
При этом величина хода цилиндра зависит от сжатия |
ра |
||
бочей жидкости, общего ее объема в аккумуляторах |
дав |
||
ления, регулируемого |
открыванием кранов, |
по отношению к |
|
объему жидкости, вытесняемой из цилиндра штоком.
33
Клапанная система мембранного пресса, оборудованного подвижным поршнем, телескопически соединенным с под вижной мембраной, поддерживает во время испытаний пос тоянное давление в рабочей системе [68].
34 |
Рис. 10 |
Отличается механический пресс для лабораторных испы таний [б9] от известных наличием второго привода от эле ктродвигателя, соединенного со второй опорной плитой, что позволяет значительно увеличить общее усилие сжатия.
Динамические испытания горных пород можно подраз
делить на ударные и усталостные. |
|
Усовершенствование методики испытаний |
материалов |
ударными нагрузками шло по нескольким направлениям: по вышение 'Точности измерений нагрузок и деформаций рбразпов при ударе, упрощение методики испытаний, повышение рабочих усилий установок и т .д . Кроме того, разрабатыва ются новые схемы и методы испытаний.
Для расширения диапазона скоростей нагружения и де |
||
формирования образцов при их динамическом |
нагружении |
|
предложено устройство [70], которое |
содержит |
силовой |
цилиндр 1 (рис. 10, б) с плунжером 2 |
и испытуемым образ |
|
цом 3, гидравлический или пневматический аккумулятор 4, магистраль 5 и переключатель 6. В зависимости от поло жения переключатель отключает силовой цилиндр (см.поло жение 1), связывает с ним аккумулятор непосредственно трубопроводом (см.положение II) или через инерционный трубопровод 7 .(см.положение III). К силовому цилиндру могут подключаться дополнительные пассивные емкость 8 и инерционные трубопроводы 9. В цепи машина-образец зада ется зазор CL . Активный аккумулятор снабжен насосом 10 высокого давления и газовым» баллоном 11, если система гидропневматическая. Для производства 'мягких'испытаний активный аккумулятор 4 соединяется переключателем 6 с силовым цилиндром, накачивается насосом масло в систе му, выбирается зазор Q и создается предварительное дав ление в системе. Затем включается силовой цилиндр и под нимается давление в аккумуляторе, которое передается не посредственно на образец 3. Для варьирования длительнос ти испытаний могут быть использованы пассивные емкость 8 и инерционные трубопроводы 9. 'Жесткие'испытания осу
ществляются в том же порядке, но вместо |
предваритель |
||
ной нагрузки при настройке устанавливается |
определенная |
||
величина зазора Q , и инерционный трубопровод |
7 настра |
||
ивается на требуемую присоединенную массу. |
Сначала |
пе |
|
реключатель ставится в положение III; потенциальная энер |
|||
гия, накопленная в аккумуляторе 4, преобразуется |
в |
кине |
|
- 35
тическую |
энергию движения жидкости в трубопроводе 7, а |
||||
последняя уже воздействует на образец. |
|
|
|
|
|
Широкий диапазон скоростей приложения |
нагрузки осу |
||||
ществлен |
в устройстве [71] , позволяющем испытывать |
об |
|||
разцы как при одноосном сжатии, так и при |
|
растяжении* |
|||
Образец породы помещается в измерительное |
устройство 1 |
||||
(рис, 10, в), установленное на фундаменте 2. |
Червячной пе |
||||
редачей 3 метательное устройство 4 отводится |
по |
направ |
|||
ляющим стойкам 5 на требуемую высоту. Боек |
6 |
вставля |
|||
ется в направляющий ствол 7 и удерживается |
за |
счет |
сил |
||
трения. Объем между станками тарированной |
|
мембраны |
8 |
||
иотсчетного клапана 9 заполняется взрывчатым веществом
ВВили двпдным порохом (ДРГТ—1) в зависимости от тре буемой скорости движения бойка. В отверстие электропро вода 10 вставляется электрозапал. Подготовленный к рабо
те отсечный клапан устанавливается через отверстие |
на |
||
ружного цилиндра 11 на верхний |
торец направляющего |
||
ствола. Включением масляного насоса |
жидкость по трубо |
||
проводу подается через распределительный клапан |
12 и ги |
||
дравлический ввод 13 в пространство |
между ресивером |
14 |
|
и фланцем 18. Давление, действующее на торец |
ресивера, |
||
перемещает его и прижимает отсечный клапан к торцу на правляющего ствола, создавая при этом уплотнение, исклю чающее утечку газа из емкости ресивера. При подаче элек трического тока на электрозапал последний взрывается и воспламеняет порох или ВВ, Мембрана разрывается, и сж а тый газ из ресивера через отверстие в мембране устремля
ется в направляющий ствол 7. Боек начинает движение |
в |
стволе» вылетает из него и ударяет по образцу горной |
по |
роды. Регистрация деформаций и напряжений осуществля ется осциллографами типа ОК-17М.
Динамические испытания материалов при сложном напря
женном состоянии особенно трудоемки. Недостатком |
мно |
||
гих приборов для проведения подобных испытаний |
является |
||
то, что подвижной шток прибора, деформируя |
образец, |
||
вдвигается в камеру, уменьшая ее объем и повышая |
боко |
||
вое давление. Для повышения точности измерений |
и |
под |
|
держания постоянного давления и объема жидкости |
в ка |
||
мере при скоростном приложении нагрузки на образец |
раз |
||
работано специальное устройство [72], |
состоящее |
из |
реси |
вера 1 (рис. 10, г ), отсечного клапана |
2, нагружающего ци |
||
36
линдра 3, поршня 4, цилиндра 5, коробки 6 с электровво дом камеры 7 и с плавающим поршнем 8, штоком 9 и из мерительным стаканом 10, подвижного стола 11с винтовой парой 12. Масло под давлением поступает в верхнюю часть цилиндра, заполняя объем между ним и верхним торцом ре сивера. В камеру помещается образец 13 испытываемой по роды; крышка камеры закрывается, при этом шток 9 упи рается в образец. При помощи винтовой пары подвижной стол поднимается. В камеру 7 при рабочем давлении пода ется масло до заданной величины, а в ресивер поступает рабочий газ до заданного давления. Электрический импульс подается на отсчетный клапан 2, он срабатывает и откры вает доступ газу в верхнюю полость нагружающего цилинд ра. Усилие через поршень 4, коробку 6 и шток 9 переда ется на образец, и он разрушается. Плавающий поршень 8 компенсирует осевую составляющую давления всесторонним сжатием и отводит вытесняемую жидкость через коакси альные каналы в запоршневую полость без повышения бо кового давления на образец. Величина приложенной нагруз ки к образцу горной породы регистрируется снятием сигна ла с тензометров измерительного стакана 10. Для контроля за давлением в камере 7 в период нагружения предусмат ривается установка датчика давления, связанного по вре мени с процессом нагружения образца. Снятие электричес кого сигнала, поступающего от тензометров сопротивления, наклеенных на образце горной породы, производится по проводам, проходящим через шток 9 т й выведенным через
электроввод. Далее |
сигнал подается |
на регистрирующую |
||
аппаратуру. |
|
|
|
при |
Для повышения надежности и точности измерений |
||||
динамических нагрузках на образец в условиях |
объемного |
|||
сжатия разработана |
установка [73]. |
В начальном |
положе |
|
нии образец породы |
1 (рис. 11, а) установлен в испытатель |
|||
ной гидрокамере 2 |
и нагружен нагрузочным поршнем |
3, |
||
установленным в некотором положении, определяемом ука зателем 4. Провода от тензодатчиков 5, смонтированных на
образце и предназначенных для определения |
прочностных |
|||||
или упругих его характеристик, |
присоединены |
к |
регистри |
|||
рующему тензоблоку 6. |
К нему |
же присоединен |
прово |
|||
дами тензоманометр 7. |
При открытых |
вентилях |
8 насосной |
|||
станцией 9 жидкость по трубопроводу |
10 подается |
через |
||||
37
обратный клапан 11 в штоковую полость 12 ударного блока
13, полости корпуса 14 и фиксирующего манометра |
15. |
По |
||
мере повышения статического давления двусторонний |
пор |
|||
шень 16 ударного блока перемещается к зарядной |
камере |
|||
17. При давлении срабатывания, определяемом |
и |
задавае |
||
мом фиксирующим манометром и выходным сигналом |
тен- |
|||
зо усилителя |
18, управляющее реле 19 подает команду |
на |
||
срабатывание |
электромагнитного механизма 20, |
который в |
||
свою очередь подает импульс на воспламенение |
|
заряда |
||
энергоносителя 21, заключенного в зарядной камере, и |
за |
|||
ряд срабатывает. Одиночный импульс энергии |
образовав |
|||
шихся в зарядной камере газов ( величина этой |
|
энергии |
||
может регулироваться по амплитуде и длительности пере дачи) передается двустороннему поршню, а от него - в гидросистему и к испытуемому образцу породы. Под дей ствием этого импульса образец деформируется. Деформации
38
образца при различных уровнях динамического нагружения фиксируются тензоблоком, как и величина импульсного дав
ления в гидросистеме - тензоманометром. На этом |
цикл |
испытаний заканчивается. |
|
В настоящее время многие типы испытательных |
машин |
(прессов) снабжены специальными механическими или гид равлическими пульсаторами, -позволяющими создавать в об разце напряжения сжатия-растяжения с определенной час
тотой (от 2 до 16-30 гп) и амплитудой. Основными |
недос- |
татками существующих машин такого типа являются |
их |
громоздкость и сравнительно высокая стоимость. |
|
В процессе динамического нагружения образцов различ ных материалов их жесткость может изменяться, что приво дит к изменению величин нагрузки на образец. При этом требуется сложная система управления для создания и под держания необходимого режима испытаний.
Автоматический режим повторных нагружений |
на обра |
зец является непременным условием работы испытательных |
|
машин. Особенно усложняется конструирование |
подобной |
аппаратуры для испытаний образцов при |
сложно-напряжен |
ном состоянии. Предложенное устройство |
для создания |
пропорциональных, давлений в силовозб удителях испытатель
ных машин [74] содержит систему |
1 (рис. 11,6) |
питания, |
|
два командных гидроцилиндра 2 и |
3, рычаг 4, два клапана |
||
5 и 6 нагрузки, включенные в напорные магистрали, |
два |
||
клапана 7 и 8 разгрузки, включенные в магистрали |
слива, |
||
два электромагнитных двухпозиционных переключателя |
9 и |
||
10. В исходном положении усилием пружины 11 рычаг |
на |
||
жимает: на штоки клапанов 5 и 7 и |
выводит из |
конусных |
|
седел их шарики, открывая эти клапаны. Клапаны |
6 и |
8 |
|
при этом закрыты, их штоки регулировочными винтами -вы
ведены до |
касания с рычагом 4. ■ Переключатели |
9 |
и |
10 |
обесточены, |
т .е . линии А открыты, а линии Б закрыты. Ра |
|||
бочая жидкость под давлением от насоса через |
дроссель |
|||
12 проходит к открытому 5 и закрытому 6 клапанам |
и |
че |
||
рез переключатель 9 - в гйдропилиндр 2, который |
|
нагру |
||
жает образец внутренним давлением. При возникновении |
в |
|||
гидропилиндре 2 давления, превышающего усилие пружины, его шток отжимает рычаг 4, который открывает клапан 6 и одновременно прикрывает клапан 5. В результате жид кость под давлением проходит через клапан 6 и переклю-
39