Методы исследования горных пород в условиях пульсирующего нагружения

14.11.2019

Методы измерения и регистрации параметров пульсирующего нагружения образцов. В практике циклических испытаний материалов с измерением деформаций в условиях одноосного и сложного напряженного состояния, в том числе при высоких давлениях, наиболее широкое применение получил тензометрический метод измерения деформаций, как наиболее эффективный. Главные достоинства этого метода состоят в компактности тензометрических датчиков и удобства монтажа необходимого числа датчиков на образце, простоте тензометрических схем, высокой чувствительности и точности измерений.

Комплексно исследованы вопросы применения тензодатчиков в конкретных условиях. Это — выбор датчиков но качеству материала, длине, частотным характеристикам, оценка их работоспособности под действием пульсирующих нагрузок, учет влияния состава клея, качества наклейки, среды (влага, масло), высокого давления, температуры и др.

При циклических испытаниях целесообразно использование датчиков типа ПКБ. Они практически безынерционны, рассчитаны для работы в интервале температур 20—70 °С; среднеквадратичная погрешность тензочувствительности их составляет не более 1,5 %.

Процесс пульсирующего нагружения образцов является динамическим. Поэтому база тензодатчика выбирается из соотношения L/Л < 0,25, где L — длина тензодатчика; Л — длина полуволны, определяемая по формуле Л = ao/2w (ао — скорость продольной волны в образце). При циклических нагрузках сжатия образцов диаметром 42 мм и длиной 65 мм с частотой w < 12,5 Гц база составляет 2 — 2,5 см.

На основе проведенных исследований изменения деформируемости горных пород под воздействием пульсирующих нагрузок растяжения сжатием по образующей цилиндрических образцов рекомендуется оптимальная длина базы тензодатчиков -5 мм, наклеиваемых в центре торцов образца определенных размеров: h = d = 42/60 мм.

Основными требованиями, которым должны удовлетворять тензодатчики сопротивления при регистрации деформаций образца горной породы в процессе его пульсирующего нагружения в условиях объемного напряженного состояния, будут следующие:

механическое воздействие давления на материал тензометра не должно вносить искажений в показания измерительного устройства: для этого необходимо компенсировать воздействие давления:

- должны быть устранены погрешности, возникающие в результате повышения температуры жидкости при ее сжатии, при котором возникают различия условий теплообмена при работе тензометров Под высоким давлением от условии их работы при атмосферном давлении;

- жидкость не должна химически воздействовать на материал тензометра и его крепление;

- истинная деформация образца, находящегося в условиях объемного сжатия, должна определяться по формуле с = епр - ер - ет, где епр — деформация, полученная на основании показаний измерительного прибора; ер - деформация проволоки датчика как результат всестороннего давления на нее; ет — деформация проволоки датчика от температурного эффекта.

Поправку ер рекомендуется вычислять по формуле ер = об(1 — -2v)/E, где об — всестороннее давление, МПа; E - 1,55*10-в5 — модуль упругости константана, МПа; v = 0,35 — коэффициент Пуассона константана.

Учет температурного искажения ет может производиться при регистрации изменения температуры разогрева образцов во времени по методике.

В качестве регистрирующей аппаратуры, записывающей процесс нагружения, деформирования и разрушения образца породы, применен шлейфовый осциллограф Н-700, работающий по схеме моста Уитстона с усилителем ТА-5, обладающим высокой чувствительностью к изменению сопротивления.

Методика одноосного пульсирующего нагружения образцов. В настоящее время исследователи, изучающие поведение горных пород в условиях статического и динамического однократного нагружения, используют методы, а также испытательные машины и стенды, предназначенные главным образом для испытания металлов. Однако существенное различие в физико-механических свойствах металлов и горных пород не позволяет непосредственно использовать такие машины и стенды для испытания образцов горных пород пульсирующими нагрузками.

В целях возможности проведения испытаний образцов крепких горных пород пульсирующими нагрузками сжатия разработан способ и на его основе создана установка, для испытаний при частотах нагружения от 4 до 12 Гц. Установка предусматривает использование испытательной машины с пульсатором типа ПДМ-100 Пу (рис. 6.1).

Для экспериментального изучения влияния режимов пульсирующего нагружения на прочность и деформируемость горных пород в условиях одноосного приложения усилий сжатия изготавливаются цилиндрические образцы с отношением высоты h к диаметру d не менее единицы в большинстве d = 42 мм, А = 65 мм.

В целях исключения влияния чистоты обработки поверхностей образцов на показатели свойств места контакта поверхностей образцов с нагрузочными плитами тщательно обрабатываются и проверяются на выпуклость, овальность и шероховатость в соответствии с требованиями к испытанию образцов горных пород по ГОСТ 21153.0-75 и ГОСТ 21153.3-75.

На основании исследований для определения прочности и деформируемости горных пород при одноосных пульсирующих нагрузках растяжения принят косвенный метод сжатия по образующей цилиндрических образцов с линейными размерами; d = 42/60 мм, h = 42/60 мм. В схеме нагружения используется дополнительное устройство в виде нижней опорной цилиндрической пяты с раскалывающим закругленным (радиусом 3 мм) клином, имеющих возможность поворачиваться только в одном направлении — по оси образующей образца и верхнего дифференциального поршня с плоским основанием. Образец центрируется и удерживается по оси раскалывающего клина посредством двух упругих стальных пластин равного сопротивления изгибу.

Таким образом, как для одноосного сжатия, так и для растяжения пульсирующими нагрузками приняты образцы практически одинаковых размеров и формы.

Методика проведения испытании образцов горных пород на одноосное сжатие при разных частотах пульсирующего нагружения заключается в следующем (см. рис. 6.1).

Образец горной породы 11 с укрепленными на нем тензодатчиками сопротивления устанавливается на цилиндрическую опорную мембрану 13 через пяту 14 и центрируется кольцом 1. Верхний торец образца 11 соединяется с дифференциальным поршнем 6 через промежуточную давильную плиту 2. Далее при нулевом давлении масла и полном отсутствии воздуха в гидросистеме испытательной камеры закрывается вентиль 9, тем самым создается замкнутая масляная полость в испытательной камере, заключенная между цилиндром 5, большим диаметром дифференциального поршня 6 и трубопроводом 10 до вентиля 9. Полость газомасляного аккумулятора предварительно заполняется постоянным расчетным давлением газа в 1,1 МПа при нулевом давлении масла в гидросистеме испытательной камеры. Затем насосом 20 устанавливается требуемое давление масла в участке гидросистемы установки между вентилем 9 и газомасляным аккумулятором 21.

Корпус 4 камеры, опорная сферическая мембрана 13 установочными болтами 12 крепятся на подвижной траверсе 3 испытательной машины с пульсатором, например, типа ПДМ-100 Пу.

Требуемое давление масла устанавливается в соответствии с задаваемым режимом нагружения по формуле: Qгр = Fmin/Sк, где Fmin = 0,5*10в5 — минимальное пригрузочное усилие, действующее в момент вывода испытательной машины ка заданный режим только на корпус испытательной камеры, Н; Sк = 250 — рабочая площадь поперечного сечения масляной полости в испытательной камере, заключенная между цилиндром 5 и дифференциальным поршнем 6, см2.

Затем включается испытательная машина с пульсатором, устанавливается расчетная пульсирующая нагрузка сжатия, изменяющаяся в пределах от Fmin до Fmax = Fmin + Fсж, и быстро открывается вентиль 9, в результате чего испытываемым образцом горной породы мгновенно воспринимается заданная пульсирующая нагрузка сжатия.

Статическое давление масла, развиваемое насосом 15 во внутренней полости цилиндра 8 испытательной машины, воздействует одновременно на рабочий поршень 7 испытательной машины и на поршень 18 пульсатора 19. Поступательные перемещения поршня 18 пульсатора создают дополнительно пульсирующую нагрузку, накладываемую на минимальную статическую нагрузку, развиваемую насосом 15 испытательной машины.

Эксцентриковый маховик 16 пульсатора имеет ручное управление 17, позволяющее изменять ход поршня 18 пульсатора. При работе пульсатора поршень совершает возвратно-поступательные движения с амплитудой, устанавливаемой во время вывода испытательной машины на заданный режим. От этой амплитуды и зависит амплитуда пульсирующей нагрузки сжатия на образец.

Частота колебаний нагрузки изменяется путем смены шкивов на пульсаторе и электродвигателе в пределах от 4,17 до 12,5 колебаний в секунду.

Измерение статических и динамических пульсирующих нагрузок, действующих на образец через золотник 22, производится визуально с помощью манометров статического 24 и динамического 23 давлений.

Определение характера изменения нагрузок в образце и их фактических величин производится с помощью проволочных датчиков сопротивления, наклеенных на опорную мембрану 13, предварительно протарированную по усилию и деформации. Деформации (прогибы) мембраны, а также продольные и поперечные деформации образца регистрируются тензодатчиками через усилитель ТА-5 шлейфовым осциллографом Н-700.

Для расчета величины относительной деформации е, соответствующей любому заданному моменту нагружения, используется формула, в которую входят основные параметры усилителя и датчиков сопротивления

где е — величина измеренной деформации, отн. ед; ек — предел измерения усилителя, отн.ед.; Sд — чувствительность датчиков сопротивления; Ai — амплитуда записи измеряемого процесса, 10в-3 м; Aк — амплитуда записи контрольного сигнала, 10в-3 м.

Испытательные нагрузки Fmax выбираются такими, чтобы максимальные действующие напряжения omax были равными 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 от предела статической прочности Rсж.ст. Предел статической прочности определяется предварительно разрушением не менее трех образцов каждого типа пород с измерением продольных и поперечных деформаций. При этом скорость нагружения составляет (5/10)*10в5 Па*с-1 (ГОСТ 21153.4-75).

Отсчеты (измерения) по приборам производятся через определенные интервалы времени, выбор величины которых зависит от типа горной породы (прочности образца) и от степени его погруженности (максимального напряжения).

Число циклов пульсирующей нагрузки определяется по счетчику, установленному на пульсаторе, или по времени проведения опыта при заданной частоте колебаний нагрузки от момента ввода испытательной машины на заданный режим до момента разрушения образца (прекращения испытания).

Испытание считается законченным в момент разрушения образца или при достижении кривой усталостной прочности прямолинейного участка — предела усталостной прочности. Под пределом усталостной прочности Rу горных пород понимается максимальное значение omax, которое может быть воспринято образцом бесконечное число раз без разрушения.

При одном из заданных значении максимальных напряжений omax и частоты нагружения w испытывается не менее трех образцов каждого типа пород и выводится среднее арифметическое значение исследуемых показателей, соответствующих принятым условиям испытаний.

Для сопоставления показателей прочностных и деформационных свойств горных пород, определенных при действии пульсирующих нагрузок, с показателями прочностных и деформационных свойств горных пород, определенных при действии однократных статических нагрузок, методикой предусматривается предварительное определение статических деформационных характеристик на первом цикле "нагрузка—разгрузка" в тех же пределах действующих нагрузок, что и при испытании их на пульсирующее сжатие, и лишь затем образец можно подвергать пульсирующему нагружению.

Испытательная аппаратура и методика проведения исследований прочности и деформируемости горных пород на растяжение сохраняются такими же, как и в опытах на сжатие, но с использованием дополнительного устройства. Испытательные нагрузки Fmax выбираются из такого расчета, чтобы напряжения omax были равны 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 предела статической прочности на растяжение Rр.ст. Методика проведения испытаний на растяжение пульсирующими нагрузками при разных частотах нагружения путем сжатия цилиндрических образцов по образующей оставалась такой же, как и при проведении испытании на одноосное сжатие.

Величины модуля упругости Ер и коэффициента поперечной деформации (Пуассона) при испытаниях образцов на растяжение косвенным методом рассчитывались по формулам:

где ех, еу — средние относительные деформации в центре образца по осям горизонтальной v и вертикальной у соответственно; v — величина, равная 0,3,

Методика пульсирующего нагружения образцов в условиях объемного напряженного состояния, В практике испытаний конструкционных материалов хорошо известны различные испытательные машины и стенды с пульсаторами, предназначенные для испытании материалов в различных режимах пульсирующего нагружения и сложных напряженных состояниях (растяжение с кручением, сжатие и растяжение трубчатых образцов под внутренним давлением и т.д.). Однако непосредственное использование существующих испытательных машин и стендов с пульсаторами для испытания горных пород в различных режимах пульсирующего нагружения и напряженных состояниях практически не осуществимо, как и в опытах при одноосном напряженном состоянии, вследствие существенного различия в физико-механических свойствах конструкционных материалов и горных пород и в этой связи неприспособленности их к испытанию горных пород.

В целях возможности проведения испытаний образцов горных пород пульсирующими нагрузками в условиях сложного (объемного) напряженного состояния разработан способ определения механических свойств горных пород при пульсирующих нагрузках в условиях объемного напряженного состояния. Сущность способа заключается в том, что образец горной породы одновременно с осевым пульсирующим нагружением подвергают дополнительному воздействию всестороннего бокового давления.

На основе способа определения механических свойств горных пород при пульсирующих нагрузках в условиях объемного напряженного состояния создана установка для испытания образцов горных пород при пульсирующих нагрузках в условиях объемного напряженного состояния.

Сущность установки (рис. 6.2) заключается в том, что с целью обеспечения возможности проведения испытаний горных пород при одновременном воздействии на образец осевых пульсирующих нагрузок и бокового давления, нагрузочное устройство снабжено камерой высокого давления и мультипликатором, полость которого сообщается с рабочей полостью камеры высокого давления.

Установка имеет основание 1, соединенное болтами 2 с корпусом 3 камеры высокого давления, внутри которого помещены нижний захват — пуансон 4 и верхний захват — шток 5, жестко соединенные с образцом горной породы 6 экпоксидной смолой. В верхней части корпуса 3 камеры болтами 7 закреплен в крышке 8 проходной зажим 9 для подсоединения проводов от тензометрических датчиков, наклеенных на испытуемом образце 6, а также помещен промежуточный целиндр 12, по внешней поверхности которого может перемещаться поршень 13, а по внутренней — тензометрический динамометр 14, закрепленный винтом 15 и жестко связанный с верхним захватом — штоком 5. На тензометрическом динамометре 14 размещены сферическая опора 16 и токосъемник 17 для крепления проводов от тензодатчиков динамометра 14, фиксирующих приложенные к образцу осевые нагрузки. Запорные клапаны 10 и 11 служат для выпуска воздуха из масляных полостей низкого и высокого давления камеры при настройке установки.

Полость низкого давления камеры, образованная корпусом 3 камеры, промежуточным цилиндром 12 и поршнем 13, передающим усилия растяжения к образцу 6, соединена трубопроводом вентиля 18 с газожидкостным аккумулятором 19 и сообщается через вентиль 20 и мультипликатор 21 с насосом 22. Клапан 24 служит для слива жидкости при разборке установки.

Полость высокого давления камеры, окружающая образец горной породы 6, соединена трубопроводом и вентилем 23 с мультипликатором 21 и насосом 22. Клапан 24 служит для слива жидкости при разборке установки.

Основание 1 установки крепится болтами 25 к траверсе 26 испытательной машины с пульсатором.

Установка используется в комплексе с испытательной машиной с пульсатором типа ЦДМ-1(50 Пу, а испытания образцов горных пород производится по двум вариантам А и Б.

Вариант А — одноосное осевое пульсирующее сжатие, одноосное осевое (прямое) пульсирующее растяжение и осевое пульсирующее сжатие — растяжение цилиндрических образцов с защемленными концами в сочетании с всесторонним боковым давлением.

Вариант Б — всестороннее сжатие цилиндрических образцов давлением Оmax до 200 МПа в сочетании с осевым пульсирующим сжатием по образующей. В этом варианте вследствие гидравлической неуравновешенности нагрузочного штока диаметром 42 мм, расположенного в камере высокого давления, с площадью поверхности штока, соприкасающегося непосредственно с образующей испытуемого цилиндрического образца, Sш = 13,85 см2, наибольшее усилие противодействия Tmax = 200*10в6*13,85*10в-4 = 277 кН.

Осевое пульсирующее усилие сжатия на образующие образца будет составлять 0—223 кН.

Весь комплекс установки при испытании цилиндрических образцов по варианту Б, как и по варианту А, остается неизменным, за исключением замены в камере высокого давления верхнего нагрузочного штока и нижнего захвата — опорного пуансона. На нижнем опорном пуансоне установлены промежуточный сферический сегмент с раскалывающим клином радиусом закругления 3 мм, имеющий возможность поворачиваться только по длине испытуемого образца, две упругие пластины равного сопротивления изгибу, предназначенные для центрирования образца по оси раскалывающего клина и удержания его в первоначальном положении в процессе пульсирующего нагружения. Верхний нагрузочный шток в месте контакта с испытуемые образцом горной породы имеет также раскалывающий клин или может иметь плоское основание.

Методика исследования прочности и деформируемости горных пород при различных режимах пульсирующего нагружения в условиях объемного напряженного состояния аналогична одноосным испытаниям. Ее отличие состоит в изменении конструкции испытательной камеры, захватов образца и наличия всестороннего давления, вследствие чего и несколько меняется последовательность проведения опыта.

Методикой предусматривается также испытание на пульсирующее сжатие в условиях объемного напряженного состояния незащемленных (свободных) образцов диаметром 42 мм, высотой 65/84 мм и на пульсирующее растяжение путем сжатия по образующей цилиндрических образцов диаметром 42—60 мм, высотой 42 мм с измерением продольных н поперечных деформаций.

Провода от тензодатчиков, наклеенных на образец, заводят в канал проходного зажима 9 при снятой крышке и вынутом зажиме. На стержень верхнего захвата 5 навинчивают тензометрический динамометр 14 и закрепляют его винтом 15. После этого на тензометрический динамометр 14 устанавливают опору 16. Затем образец горной породы 6 с жестко закрепленными на его концах захватами 4 и 5 устанавливают во внутреннюю часть корпуса 3 камеры, а основание 1 соединяют с корпусом 3 камеры болтами.

В таком виде установку при помощи подъемника размещают на траверсе 26 испытательной машины с пульсатором и закрепляют на ней болтами 25.

При испытаниях закрывают вентиль 20 и насосом 22 через мультипликатор 21 создают заданное всестороннее боковое давление на образец горной породы 6, предварительно поджатый осевой нагрузкой. После этого вентиль 23 закрывают и при закрытом вентиле 18 и открытом вентиле 20 в газожидкостном аккумуляторе 19 создают требуемое давление газа, а в гидросистеме между мультипликатором 21 и газожидкостным аккумулятором 19 — заданное давление жидкости; включают испытательную машину с пульсатором и, регулируя ход поршня пульсатора, устанавливают требуемую осевую пульсирующую нагрузку.

После вывода испытательной машины с пульсатором на заданный режим, вентиль 18 открывают, при этом аккумулятор 19 соединяется с полостью низкого давления камеры, заключенной между корпусом 3 камеры, промежуточным цилиндром 12 и поршнем 13.

В результате этого давление, развиваемое в газожидкостном аккумуляторе 19, воздействует на поршень 13, а через него — на динамометр 14, верхний захват — шток 5 и образец горной породы 6, создавая в образце растягивающее усилие, направленное против действующего пульсирующего усилия сжатия.

В одном из заданных режимов воздействия осевых пульсирующих нагрузок сжатия или растяжения и заданного всестороннего бокового давления происходит испытание образца горной породы.

Для предотвращения разрушения образца под действием пульсирующих нагрузок сжатия во время вывода испытательной машины в установившийся режим вентиль 18 закрывают, создавая тем самым замкнутую жидкостную полость между корпусом 3 камеры, промежуточным цилиндром 12 и поршнем 13, рабочая площадь которой больше площади поперечного сечения образца, в результате чего основная часть развиваемого осевого усилия воспринимается корпусом 3 камеры.

Измерение статических и динамических пульсирующих нагрузок, действующих на образец, производится с помощью манометров минимального (статического) и максимального (динамического) давлений. Определение характера кривой изменения этих нагрузок во времени (для контроля) производится с помощью тензометрических датчиков опорной мембраны, соединенных через усилитель TA-5 с осциллографом Н-700. Измерение деформаций образца осуществляется тем же осциллографом Н-700.

Для испытаний подготавливается He менее 24 образцов (только для одного из значений коэффициентов асимметрии) в соответствии с изложенными выше требованиями по подготовке цилиндрических образцов.

Испытательные нагрузки Fmax выбираются такими, чтобы максимальные напряжения omax были равными 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3 от предела статической прочности при сжатии или растяжении в условиях соответствующих боковых давлений на образцы. Предел статической прочности при сжатии и растяжении определяется предварительно разрушением не менее трех образцов каждого типа пород для одного из заданных боковых давлений. Минимальные напряжения omin для всех значений omax принимаются в соответствии с принятым коэффициентом асимметрии цикла.

Отсчеты (измерения) по приборам берутся через определенные интервалы времени, выбор величины которых зависит от типа горной породы (прочности образца) и от степени его нагружения (максимального напряжения). Число циклов пульсирующей нагрузки определяется по счетчику, установленному на пульсаторе, или по времени проведения опыта при заданной частоте колебаний нагрузки от момента ввода испытательной машины на заданный режим.

Испытание считается законченным в момент разрушения образца или по достижении кривой циклической прочности прямолинейного участка — предела циклической прочности.

При заданной нагрузке Fmax испытывают He менее трех образцов и выводят среднеарифметическое значение числа циклов, соответствующих принятым условиям испытаний. Затем продолжают испытания при других намеченных значениях omax и строят функцию omax от числа циклов нагружения при заданном значении коэффициента асимметрии и заданном неизменном боковом давлении на образец.

Момент разрушения образца можно наблюдать по показаниям регистрирующей аппаратуры. После этого пульсатор пресса отключается и производится извлечение образца из камеры с предварительным отсоединением провода от коллектора токоввода, сливом масла из камеры высокого давления через специальный клапан, отсоединением трубопровода высокого давления. Стрела крана стыкуется с камерой, после небольшого подъема для снятия с центровочного кольца поворачивается на 90 или 180° и спускается посредством ручной лебедки на специальный монтажный стол. Отсоединяется основание камеры, камера приподнимается, основание удаляется. Далее, придерживая нижний захват, отвинчивают упор в верхней части камеры (при испытании по варианту А) и извлекают остатки образца вместе с верхним захватом. В случае заклинивания стержня верхнего захвата его выталкивают через верх после удаления распорного винта.

Установку образца, испытание и разборку камеры необходимо вести осторожно, чтобы не повредить специального уплотнения и датчиков с их проводами, а также следует строго соблюдать требования по эксплуатации сосудов, стендов и установок высокого давления.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна