ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ТВЕРДОСТИ И СВЯЗАННЫХ С НЕЮ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД С ПОМОЩЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ УМГП-3 ПО МЕТОДУ Л.А. ШРЕЙНЕРА

Разрушение пород долотами слагается из единичных актов разрушения каждым породоразрушающим элементом. Каждый элемент разрушает породу вдавливанием, скалыванием, резанием, истиранием. В данной работе изучаются особенности разрушения пород по сравнению с металлами при вдавливании острых наконечников. Для работы используется установка УМГП-3.

Описание установки УМГП-3:

Прибор записывает результаты испытаний в виде диаграммы в координатах нагрузка - деформация. Предельная нагрузка - 10 кН с разделением на следующие диапазоны: 0-1; 0-2,5; 0-5; 0-10 кН.

Предельная деформация испытуемого образца - 0,75 мм. Время нагружения от нуля до максимума - 3 мин. Максимальное перемещение пера на диаграмме - 100 мм. Предел погрешности при измерении нагрузки и деформации - 1 % от максимума. Кинематическая схема установки УМГП-3 приведена на рис.1. Вся установка может быть разделена на две системы: систему нагружения разрушающего наконечника и систему измерения его перемещения в процессе нагружения. Нагружение вызывает деформации и разрушение. Система нагружения состоит из следующих основных деталей: рычага с грузами 1; штифта 17 на этом рычаге для передвижения пера 18 по направляющей 16 вдоль оси барабана 19 для записи величины нагрузки; электродвигателя 3 с редуктором 20; винта 4 с роликом 5; стальной ленты 6; коромысла 7; штока с пружиной. Шток с пружиной передают нагрузку на штамп 10. Штамп устанавливается на шток и удерживается за счет прилипания, для чего торцевая поверхность штампа смазывается машинным маслом. На столик прибора 12 устанавливается образец породы 11 (см.рис.1).

Система измерения деформаций состоит из следующих элементов: электродвигателя 2 с приводом на вал барабана; электромагнитов 21; коромысла 22 с малой конической шестерней 23; двух больших конических шестерен 14; вала 24, связанного с электрическими контактами 25; фигурного рычага 8; индикаторной ножки 26. Фигурный рычаг 8 с осью 27 укреплен на штоке 9.

Создание нагрузки. Образец породы приводится в соприкосновение с рабочей поверхности штампа. Включением тумблера “нагрузка” электродвигатель нагрузки приводится во вращение, которое передается редуктору. Редуктор передает вращение гайке 28, гайка двигает винт 4.

Винт связан с роликом 5, через который проходит стальная лента 6. Концы ленты закреплены неподвижно: один - на рычаге с грузами, другой - на коромысле 7. При движении винта вверх от привода редуктора ролик, через который проходит стальная лента, поднимается. Движение ролика вверх приводит к подъему рычага с грузами. Грузы передают нагрузку на стальную ленту, стальная лента передает нагрузку на конец коромысла, а оно - на шток и штамп. Отклонение рычага с грузами соответствует в заданном масштабе величине нагрузки на штамп и фиксируется на барабане вдоль его образующей.

Рис.1. Установка УМГП-3

Принцип действия установки:

Запись деформации. Деформация записывается на диаграммном бланке по окружности барабана при его вращении. Вращение барабану передается через коническую передачу вала 24. Вращение валу передается от электродвигателя 2 через коническую передачу с малой шестерней с коромыслом и двумя большими шестернями. При замыкании контактов 25 фигурным рычагом, установленным на винте 29, включается верхний или нижний электромагнит. Перемещение фигурному рычагу передается индикаторной ножкой 26 индикатора 15, установленной на образце, при погружении штампа в образец породы. Электромагнит притягивает один из концов коромысла, которое жестко связано с малой шестерней. Малая шестерня соответственно приходит в зацепление с верхней или нижней большими шестернями. Электродвигатель записи деформации включается в последнюю очередь при подготовке к опыту и остается включенным в течение всего опыта.

Недостатком системы записи деформации является её большая инертность, что проявляется в момент разрушения, когда нагрузка на штамп резко уменьшается, штамп проходит за короткое время большой путь и деформация не успевает записываться.

Подготовка прибора УМГП-3 к проведению исследований:

1. На барабан установить диаграммный бланк. Для этого открыть замок барабана (защелка на оси барабана), снять барабан с вала, открыть защелку на барабане, установить диаграммный бланк и закрыть защелку на барабане. Установить барабан на вал, закрыть замок.

2. Почистить перо и заправить его чернилами.

3. Установить требуемое по заданию число грузов на рычаг. Для этого отвинтить гайку с рычага и снять или добавить грузы, закрепить гайку.

4. На поверхности штока установить штамп, предварительно измерив с помощью отсчетного микроскопа или микрометра его диаметр. Торцевую поверхность штампа смазать маслом.

5. Установить выбранный образец на столик прибора.

6. Включить вилку прибора в сеть.

7. Включить тумблер “сеть” прибора. При его включении загорается сигнальная лампочка на панели прибора.

8. Штурвалом 13 подвести образец породы в соприкосновение со штампом. Соприкосновение штампа считается достигнутым, если перо прибора не сдвинулось еще по образующей (нет предварительного нагружения штампа вручную), а лампочка “деформация - увеличение” горит. Регулировка длины ножки индикатора деформации производится специальными гайками, установленными на обоих концах ножки индикатора. Регулировку вести очень плавно с тем, чтобы четко настроить ножку индикатора на момент включения “деформация - увеличение” сразу после сигнала “деформация - уменьшение”. Оба сигнала контролируются загоранием сигнальных лампочек и слабыми щелчками (включение электромагнитов).

Проведение опыта:

Одновременным нажатием кнопок “нагрузка” и “деформация - увеличение” включаются оба электродвигателя. Вдавливание конических штампов в горную породу производится с получением нескольких скачков разрушения до полного выбора деформации (предел измерения деформации составляет 750 мкм, что соответствует одному обороту барабана). При вдавливании в металл запись ведется до 1/2 оборота барабана. Кнопками “стоп” выключают электродвигатели. Включается кнопка “разгрузка”. Разгрузка производится до нулевой линии (электродвигатель отключается конечным микровыключателем автоматически). Разгрузку можно производить и вручную (это быстрее!), для чего штурвал надо вывести из зацепления в зубчатой муфте и вращением против часовой стрелки, следя за пером, довести разгрузку до нуля.

П р и м е ч а н и е. При малой нагрузке разгрузку вести медленно, чтобы не пропустить щелчка микровыключателя. В противном случае микровыключатель будет раздавлен.

После разгрузки установки штурвалом отвести столик прибора с образцом и включить кнопку электродвигателя “деформация”. Электродвигатель оставить включенным до полной остановки барабана (барабан при этом вращается в обратную сторону).

П р и м е ч а н и е. При пропуске этой операции в следующем опыте деформация не будет записываться

После опыта диаграммный бланк снимается с барабана.

Для получения надежных результатов измерений опыты по вдавливанию в одну и ту же породу многократно повторяются. Число повторов зависит от вариабельности результатов и желаемой или заданной их надежности (вероятности).

Рис.2

При вдавливании в твердые горные породы (Р_ш > 30МПа) применяются твердосплавные цилиндрические штампы (рис.2,а), а при меньшей твердости - штампы из закаленной стали (рис.2,б).

Обработка результатов испытаний

При вдавливании штампа на установке УМГП-3 автоматически записывается график зависимости нагрузки на штамп Р от глубины погружения штампа в горную породу d.

Рис. 3

Рассмотрим обработку результатов испытаний на примере графика, приведенного на рис.3.

1. Определение начала координат. Ось абсцисс проводится до начала опыта, когда Р = 0, путем вращения барабана от руки. Для определения начала координат совмещаем линейку с начальным линейным участком восходящей ветви графика Р=f(d) и проводим прямую МN. Точку пересечения прямой MN и оси абсцисс принимаем за начало координат. Из него проводим ось нагрузки OP (ось ординат).

2. Определение масштабов графика.

Запись погружения ведется с увеличением 400 : 1, т.е. масштаб записи деформации (погружения)

m_d = 0,0025 мм погружения/мм графика,

тогда определяемая величина погружения (деформации)

d = 2,5×10^{-3 L}_dmax мм, (1)

где L_dmax - замеренная на графике величина погружения, мм графика.

Масштаб записи нагрузки

m_Р = Р_i / L единиц измерения нагрузки/мм графика, (2)

где Р_i - вес груза на рычаге 1 установки, Н;

L - перемещение пера на графике, соответствующее нагрузке на индикатор, равной Р_i ; L=100 мм.

Тогда

m_Р = Р_i / 100 Н/мм графика, (3)

а величина нагрузки на штамп

Р = m_Р×L_Рmax Н, (4)

где L_Рmax - величина нагрузки, измеренная на графике в мм графика.

3. Определение твердости по штампу и предела текучести породы.

Твердость по штампу определяется по максимальной величине нагрузки на штамп в момент предварительного разрушения породы - первого скачка (падения) нагрузки после её непрерывного роста:

P_ш= m_Р×L_{Р max} / S МПа, (5)

где S - площадь основания штампа, контактирующего с породой, мм².

Предел текучести определяется по величине нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности на графике. Последний устанавливается по отклонению деформационной кривой от прямой MN :

P_о= m_Р×L_{Р о}/ S МПа. (6)

4. Определение модуля упругости породы при вдавливании штампа.

E = m_Р×L_Ро (1- m²) / d (m_d× L_dо- d_шт)МПа, (7)

где L_dо - величина перемещения штампа, соответствующая достижению предела пропорциональности, (замеренная на графике), мм графика;

m - коэффициент Пуассона для породы (можно принять значение, равное 0,25);

d_шт - величина упругой деформации штампа и самого прибора, которую определяют экспериментальным путем. При обработке результатов испытаний упругопластических горных пород для нагрузок, соответствующих P_о, можно принять d_шт = 0, мм

d - диаметр штампа.

5. Определение показателей пластичности.

За показатели пластичности, по Л.А.Шрейнеру, принимаются коэффициент пластичности K и коэффициент уплотнения K_у .

Коэффициент пластичности K определяется отношением общей работы деформирования породы до момента её предразрушения A (площадь ОАВС) к работе упругих деформаций A_у при упруго-хрупком разрушении при той же разрушающей нагрузке (площадь ODE):

K = A /A_у = (пл.OABC) m_Р m_d / (пл.ODE) m_Р m_d = 2 пл.OABC / L_{Р max}× L_{d е} (8)

Коэффициент уплотнения K­_у характеризует степень уплотнения в период упругопластической деформации (участок кривой AB) и определяется отношением величины фактически достигнутой деформации в рассматриваемый момент L_{d i} к максимальной величине упругой деформации L_dо:

K_уi= L_{d i} / L_dо . (9)

П р и м е ч а н и е: Студенту следует самому отметить на графике точку, для которой он определяет K_уi , обозначить любой не использованной ранее на графике литерой и указывать соответственно в индексе.

6. Определение энергоемкости разрушения породы.

Энергоемкость A_v разрушения породы при вдавливании с образованием лунки, т.е. при погружении штампа на глубину d, определяется отношением общей работы по деформированию породы с погружением штампа в породу A_d к объему образовавшейся лунки V в см³

A_v = A_d / V Дж/см³, (10)

где A_d = (пл.OABFQ) m_Р m_d / 1000 Дж.

Результаты расчетов свести в таблицу.

Таблица

Сводная таблица характеристик механических свойств исследуемой горной породы

Используя график и результаты его обработки, охарактеризовать механические свойства горной породы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: