книги / Экспериментальная физика и механика горных пород
..pdfРис. 2.1. Принципиальная схема жесткой динамической установки (а) для трехосного сжатия (вариант 1) и внешний вид установки (б).
Начальное давление Р в ресивере и его объем V с учетом харак теристики жесткости пресса выбираются по той же схеме, которая была показана в главе 1 при описании варианта (7) жесткого прес са для статических испытаний. Отличие состоит лишь в том, что в данном случае отсутствует передача перемещения и усилия через клин и поэтому в приводимых формулах нет соответствующего множителя, учитывающего это обстоятельство:
V —Sd(A - Fm/ С) / $Р,
P = Fm(A - F m/C )/S d(A3- F m/C),
где С — жесткость конструкции; Sd — площадь поршня пщродомкрата; Р — сжимаемость рабочей жидкости; А — полная абсолют ная деформация образца; А, — абсолютная запредельная деформа ция образца; Fm— максимальная нагрузка на образце.
Предварительные параметры полной диаграммы «нагрузка—де формация» испытываемого материала получают при испытании образца-близнеца в статическом режиме на этом же прессе. После первого динамического эксперимента, если это необходимо, осу ществляется корректировка начальных значений Р и V.
Скорость динамической деформации регулируется с помощью дросселя 77 и величины давления Р.
Статические испытания осуществляются при подаче в гидродом крат давления от источника 14 по трубопроводу 10. При этом кла пан 77 автоматически перекрывает канал связи с ресивером.
Пресс позволяет проводить испытания образцов в переменном режиме нагружения. С помощью статического привода можно до водить деформацию образца до разной стадии допредельного или запредельного деформирования, а затем осуществлять импульсное нагружение с помощью динамического привода. В процессе опыта продольная и поперечная деформации образца регистрируются с помощью экстензометров, закрепленных на образце. Усилие заме ряется динамометром 16, контактирующим с нижним концом об разца. Погрешность измерения указанных параметров в динамиче ском режиме составляет от 2 до 5 %.
Экстензометры для замера деформации в динамических экспе риментах представляют собой натянутую в каркасе струну из тон кой высокоомной проволоки. Каркас крепится к нижнему подпят нику-динамометру 16. Подвижный контакт, который перемещает ся по струне при деформации образца, крепится к верхнему подпятнику образца. Такой датчик обладает малой инерционно стью и позволяет осуществлять регистрацию динамического про цесса деформирования до скоростей £j = 10+2 с -1. В многочислен ных опытах тензометрические датчики сопротивления наклеива лись непосредственно на поверхность образца. В этом случае
112
датчик регистрирует одновременно напряженное и деформирован ное состояние в образце. В экспериментах, ще образец не доводит ся до разрушения, частоту динамических импульсов на образец, с изменением при этом между опытами исходного вида напряженно го состояния, можно доводить до 10 имп/ч.
Описанный пресс позволяет проводить испытания в диапазоне скоростей деформации от £, = 10-6 с -1 до ё, = 10+2 с -1.
Диапазон изменения давления а 2 в камере от 0 до 300 МПа. Развиваемое прессом усилие до 1500 кН.
Габариты пресса — 1500 х 500 х 250 мм. Размер образцов — диаметр 30 мм, длина 60 мм.
В схему динамических установок входит специально разрабо танный авторами быстродействующий клапан, который обеспечи вает высокую надежность и скорость срабатывания. В конструк ции клапана использованы принципы, отраженные в изобретениях [111, 115]. Принципиальная схема его изображена на рис. 2.2
[101].
Рис. 2.2. Принципиальная схема быстродействующего клапана.
Клапан содержит корпус 1, рабочую камеру 2 с входным 3 и вы ходным 4 отверстиями, плунжер 5 с головкой 6. Опорная поверх ность головки 6 снабжена кольцевой канавкой 7, герметично изо лированной кольцевыми уплотнениями 8. Свободный конец плун жера 5 входит в камеру 9, связанную с атмосферой. Конец плунжера поджат пружиной 10. Спусковой механизм состоит из каналов 11, связывающих рабочую камеру с полостью под кольце вой канавкой, и крана 12. Клапан работает следующим образом. В исходном положении пружина 10 прижимает головку б к уплот нительным кольцам 8. Кран 12 закрыт. Полость ресивера (на ри сунке не показана) связана с рабочей камерой 2 через отверстие 3. При создании в ресивере давления такое же давление возникает и в
и з
рабочей камере клапана. Этим давлением головка 6 прижимается к уплотнительным кольцам 8 и герметично перекрывает выходное отверстие 4. Управление клапаном осуществляется с помощью крана 12. При его открытии давление из полости 2 попадает в кольцевую полость под головкой б и отбрасывает ее, освободив выходное отверстие 4.
Клапан надежно работает как с низкими, так и с высокими дав лениями. Усилие прижима головки к уплотнительным кольцам ре гулируется автоматически: чем выше давление, тем сильнее при жим, обеспечивающий надежную герметизацию.
Рис. 2.3. Принципиальная схема (а) и внешний виц (б) жесткой динамической установки для трехосного сжатия (вариант 2).
На рис. 2.3, а изображен другой вариант установки для динами ческих испытаний в условиях трехосного сжатия [101, 109]. По сравнению с описанной выше установкой здесь оригинальным яв ляется исполнение камеры высокого давления и расположение ди намического привода. Камера и привод выполнены в виде незави симой динамической приставки к любому статическому прессу или даже просто силовой раме.
Камера и нагружающий гидродомкрат представляют собой ком пактный конструктивный узел, что чрезвычайно важно с точки зрения обеспечения высокой жесткости системы. Нагружающий гидродомкрат вмонтирован в поршень 4 камеры 2 высокого давле ния. Поршень домкрата 8 и нагружающий шток 9 объединены в
114
одну деталь. В штоке 4 расположена также компенсационная ка мера 6, связанная с рабочей камерой 5 каналами 7. Назначение компенсационной камеры состоит в поддержании постоянного давления в рабочей камере во время динамического акта нагруже ния, сопровождающегося вдвижением штока 9 в камеру 5. Вытес няемая при этом рабочая жидкость перетекает по каналам 7 в об разующееся пустотное пространство 6. Ресивер переменного объе ма 10 и быстродействующий клапан 14 вынесены за пределы рамы пресса и таким образом снижены линейные размеры деталей кон струкции, подвергающихся упругой деформации при создании на грузки на образец и снижающих жесткость нагружающей системы.
В разработанной авторами конструкции такая динамическая приставка была предназначена для жесткого пресса с рамой 1 и не зависимым статическим нагружающим приводом 11. В таком вари анте жесткость установки была более высокая, чем в варианте (2). Наличие двух независимых приводов дает возможность осуществ лять испытание образца 3 в статическом, динамическом, а также в переменном режиме деформации. Последний режим предполагает течение деформационного процесса при статических скоростях до любой стадии деформации, включая область за пределом прочнос ти, а затем создание динамических скоростей нагружения. Регист рация усилия и деформации образца осуществляется закрепленны ми на нем датчиками 12 и 13.
К недостаткам данной конструкции следует отнести то обстоя тельство, что ограниченная площадь гидродомкрата вынуждает ис пользовать высокие давления в ресивере при развитии больших нагрузок на образец. При испытании же слабых пород установка по казала высокую надежность и удобство в эксплуатации. В использо ванном авторами для проведения экспериментальных исследований варианте данной установки параметры ее были следующие: жест кость установки Ю10 Н/м; скорость деформации от ё, = 10~* с -1 до &, = 10+2с~‘; максимальное давление вкамере 500МПа; максималь ное усилие, развиваемое домкратом, 75 кН.
2.2.2. Жесткая установка для динамических испытаний при одноосном сжатии
На рис. 2.4 изображена схема установки, разработанной для проведения исследований свойств горных пород до предела и за пределом прочности при одноосном сжатии в диапазоне скоростей деформирования от = 10*6 с -1 до ё, = 10+2 с -1 [80, 101, 103,
110].
Так же как и в описанных двух предыдущих вариантах жестких динамических установок, данная установка снабжена двумя неза-
115
Рис. 2.4. Принципиальная схема жесткой установки для динамических испыта ний в условиях одноосного сжатия.
висимыми нагружающими приводами: статическим и динамиче ским. Первый из них представляет собой жесткий клиновой при вод 1, принцип действия которого подробно описан при обсуж дении статических жестких установок в главе 1. Диапазон обеспечиваемых данным приводом скоростей деформаций от £j = 10^ с -1 до е, = 10_3 с -1. Привод имеет очень высокую харак теристику жесткости (2 х Ю10 Н/м), что позволяет исследовать с его помощью за пределом прочности весьма хрупкие горные поро ды. Этот же привод служит для подготовки испытания образца в динамическом режиме.
Динамический нагружающий привод размещен в жесткой сило вой раме 5 пресса. Он включает в себя ресивер переменной емко сти б, регулируемой винтом 12, быстродействующий клапан 9, узел 10 регулировки скорости перетекания жидкости, динамический гидродомкрат с нагружающим штоком 4, размещенный в силовой раме 5. Ресивер служит для аккумулирования энергии упруго сжа той жидкости, которая закачивается в него насосом высокого дав ления 7. Контроль давления в нем осуществляется по манометру 8.
При проведении эксперимента образец 2 устанавливается на клин 3, который одновременно является динамометром, и с помо щью гидропривода 1 поджимается к штоку динамического гидро домкрата 4. Динамический привод работает на принципе расшире
116
ния сжатой жидкости. При открытии быстродействующего клапа на 9 сжатая под высоким давлением в ресивере жидкость стремительно перетекает в полость гидродомкрата 4 и осуществля ет динамическое нагружение образца. При этом сопротивляемость образца нагрузке замеряется с помощью динамометра 3, а дефор мация образца регистрируется закрепленными на нем экстензометрами. Скорость динамической деформации образца ре1упируется с
помощью узла 10 и величиной давления, создаваемого в ресивере перед началом опыта. Максимальная скорость деформации состав ляет ё, = 10+2 с -1. Для обеспечения постоянной скорости дефор мации образца за пределом прочности выбор объема ресивера и начального давления в нем осуществляется на описанном в преды дущем разделе принципе.
Данная установка позволяет проводить испытания образцов в переменном скоростном режиме нагружения. С помощью статиче ского привода можно доводить деформацию образца при медлен ных скоростях до любой стадии допредельного или запредельного деформирования, а затем осуществлять импульсное нагружение с помощью динамического привода. Возможна обратная последова тельность изменения скоростного режима: сначала оказывается динамическое воздействие на образец, а затем следует резкое сни жение скорости деформации до статической. В этом случае ве личина динамической деформации регулируется с помощью спе циального упора 11. Вид испытания в переменном режиме нагру жения используется, в частности, при исследовании влияния скорости деформации на механические свойства материала за пре делом прочности.
В использованном авторами для проведения экспериментальных исследований варианте данной установки параметры ее были сле дующие: жесткость установки 2 • 1010 Н/м; скорость деформации от ё, = 10*6 с -1 до ё, = 10+2 с -1; максимальное усилие 75 кН; габа риты пресса — 1200 х 500 х 250 мм; размер образцов — диаметр 30 мм, длина 60 мм.
2.2.3. Пружинный пресс для исследований на ползучесть в условиях постоянно заданной нагрузки
Исследования на ползучесть проводились на пружинных уста новках длительных испытаний (УДИ), позволяющих развивать максимальное усилие 100 т [67]. Постоянство задаваемой нагрузки обеспечивается упругой энергией пакета сжатых тарельчатых пру жин. Принципиальная схема пресса изображена на рис. 2.5. Обра зец 2 (или камера высокого давления с образцом) устанавливается
117
Рис. 2.6. Общий вид зала с комплектом установок на ползучесть и длительную прочность УДИ.
118
на столе, расположенном на передвижной траверсе 3. Усилие со здается с помощью гидродомкрата 9 и передается через винт б на пакет тарельчатых пружин 5 и далее через травесу 3 — на образец 2. Величина нагрузки контролируется с помощью постоянно уста новленного индикаторного устройства (не показанного на схеме), измеряющего стрелу прогиба пакета пружин как в процессе нагру жения, так и в процессе ползучести. Каждый пресс имеет свой контрольный тарировочный график зависимости стрелы прогиба от нагрузки. После того как нагрузка достигла своего назначенного уровня, гайка 7 на винте 6 доводится до упора в траверсу 8. В этом случае домкрат 9 отключается и нагрузка замыкается колоннами 4 между траверсами 1 и 8. Максимальная величина стрелы прогиба пакета пружин составляет 100 мм. В процессе ползучести образца нагрузка пресса может уменьшаться. Чтобы этого не происходило, систематически осуществляется корректировка нагрузки гидро домкратом 9 и новой фиксацией ее гайкой 7.
Общий вид зала с комплектом установок УДИ показан на рис. 2.6. Общий вид призматического образца для испытаний на ползу честь, оснащенного индикаторами часового типа для измерения деформаций, изображен на рис. 2.7. Образец размером 150 х х 150x300 мм. Сжимающая нагрузка Р передается через сфери ческий шарнир. Система индикаторов позволяет измерять как продольные, так и поперечные деформации. Индикаторы 3 и 4 (последний на рисунке не виден) измеряют продольные деформа
ции в средней части образца на базе |
100 мм, индикаторы 1 и |
2 — продольную деформацию всего |
образца, индикаторы 5 и |
б — поперечные деформации в средней части образца, индика торы 7 и 8 — поперечные деформации в нижней части образца.
Призматические образцы использовались в опытах на ползу честь при одноосном сжатии образцов каменной соли, сильвинита, бетонов, кембрийских глин, т. е. материалов с относительно невы сокой прочностью.
Более прочные горные породы испытывались с использовани ем образцов цилиндрической формы в виде кернов, которые по лучались путем выбуривания из монолитных кусков горных по род. Конструкция цилиндрического образца для длительных ис пытаний в условиях одноосного сжатия изображена на рис. 2.8. Образец 5 оснащен двумя зеркальными экстензометрами 10 для измерения продольных деформаций и индикатором часового ти па 8 с ценой деления 0.001 мм для измерения поперечной де формации. Индикатор укреплен на скобе 7, имеющей упругие шарниры 1, 11, которые обеспечивают надежное касание стойки индикатора и упора 3 с поверхностью образца. Упругие шарниры 1, 11 с помощью детали 12 жестко соединены с нижним подпят ником образца 13.
119
•2
Рис. 2.7. Конструкция образца призматической формы для длительных испытаний.
Рис. 2.8. Конструкция образца цилиндрической формы для длительных испытаний.
120