СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГООБМЕНА В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
TEST BENCH FOR RESEARCH OF ENERGY EXCHANGE IN ROCK MASS

Изобретение относится к испытательной технике, к устройствам для испытания материалов, в частности горных пород, при исследовании энергообмена в массиве горных пород с целью прогноза и предотвращения опасных динамических явлений.
Известна установка для испытания образцов (патент РФ №1231424, кл. G01N 3/08, 3/34, 1986), содержащая опорную раму, размещенные в ней захват для образца и захват для контробразца, механизм взаимного поджатая образцов, связанный с захватом для образца, механизм взаимного перемещения образцов, связанный с захватом для контробразца.
Более близким по конструкции и достигаемому эффекту является стенд для испытания образцов (патент РФ №1448239, кл. G01N 3/10 // Е21С 39/00, 1988), содержащий опорную раму, размещенные в ней захват для образца и захват для контробразца, гидравлический механизм взаимного поджатая образцов, связанный с захватом для образца, гидравлический механизм взаимного перемещения образцов, связанный с захватом для контробразца, и источник давления, связанный с механизмами поджатая и перемещения.
Недостаток обоих стендов состоит в том, что на них неосуществимы исследования при регулировании энергозапаса на механизмах нагружения. Величина запасенной энергии определяется уровнем нагрузки на механизмах поджатая и перемещения и объемом рабочей жидкости, с помощью которой эти нагрузки создаются. Данные стенды не позволяют изменять объем рабочей жидкости в гидравлических механизмах. На них неосуществимы также исследования при обмене энергии между нагружающими механизмами поджатая и перемещения. При исследовании энергообмена важно регулировать скорость энергоподвода к образцам и скорость энергообмена между механизмами поджатая и перемещения, причем скорости необходимо регулировать в широких пределах, а скорость энергообмена между механизмами нужно исследовать еще и в динамическом режиме, как это бывает в натуре в моменты разрушения или подвижки.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей стенда за счет обеспечения исследования энергообмена между нагружающими механизмами и образцами, а также между нагружающими механизмами, причем с регулируемыми скоростями энергообмена.
Технический результат достигается тем, что стенд для исследования энергообмена в массиве горных пород, содержащий опорную раму, размещенные в ней захват для образца и захват для контробразца, гидравлический механизм взаимного поджатия образцов, связанный с захватом для образца, гидравлический механизм взаимного перемещения образцов, связанный с захватом для контробразца, и источник давления, связанный с механизмами поджатия и перемещения, снабжен гидравлическими аккумуляторами энергии, выполненными в виде сосудов высокого давления и гидравлически связанными с механизмами поджатия и/или перемещения.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен регуляторами скорости течения жидкости, установленными между механизмами поджатия и перемещения и связанными с сосудами высокого давления.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен механическими аккумуляторами энергии, выполненными в виде упругих элементов и установленными между механизмом поджатая и захватом для образца и/или механизмом перемещения и захватом для контробразца.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен гидравлическим аккумулятором энергии в виде гидроцилиндра, поршня, размещенного в гидроцилиндре, и фиксатора положения поршня в гидроцилиндре, при этом надпоршневая и подпоршневая полости гидроцилиндра связаны с источником давления, одна из полостей связана с механизмом поджатая, другая - с механизмом перемещения.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен гидравлической магистралью с регулятором скорости течения жидкости, связывающей надпоршневую и подпоршневую полости гидроцилиндра между собой.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен регуляторами скорости течения жидкости, установленными между механизмами поджатая и перемещения и связанными с ними соответствующими полостями гидроцилиндра.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен приводом перемещения поршня, выполненным в виде штока, соединенного с поршнем, винта, связанного со штоком, ответной части винта, жестко зафиксированной от осевого перемещения, и приспособления для вращения винта.
Технический результат также достигается тем, что стенд снабжен приводом для выведения ответной части винта из взаимодействия с винтом, а ответная часть винта выполнена в виде упора, контактная плоскость которого соответствует профилю резьбы винта.
Технический результат также достигается тем, что упругие элементы механического аккумулятора энергии выполнены в виде пружин.
Снабжение стенда гидравлическими аккумуляторами энергии в виде сосудов высокого давления, соединенными с механизмами поджатая и перемещения, позволяет изменять запас энергии на механизмах, а именно сосуды изменяют объем рабочей жидкости, участвующей в создании усилий поджатая и перемещения. При тех же усилиях поджатия и перемещения измененные объемы рабочей жидкости дают новые запасы энергии, изменяющиеся пропорционально изменениям объемов. Это позволяет проводить исследования при регулировании подвода энергии от механизмов поджатия и перемещения на образцы, что расширяет функциональные возможности стенда.
Снабжение стенда регуляторами скорости течения жидкости позволяет регулировать скорость передачи энергии от соответствующих механизмов на образцы: чем быстрее поступает жидкость от сосудов аккумулятора к механизмам, тем быстрее поступает энергия от нагружающих механизмов к образцам. Это дополнительно расширяет возможности стенда.
Снабжение стенда механическими аккумуляторами в виде упругих элементов между механизмами и соответствующими образцами позволяет регулировать диаграммы передачи энергии на образцы: чем ниже жесткость упругих элементов, т.е. чем выше их сжимаемость, тем больший запас энергии на соответствующем механизме при том же усилии, тем ниже жесткость механизма нагружения и тем выше опасность появления динамических эффектов обмена энергии. Это также расширяет возможности стенда.
Гидравлический аккумулятор энергии в том исполнении, как предложено, позволяет регулировать запас энергии прямо в ходе ступенчатого нагружения образцов путем периодического изменения положения поршня в гидроцилиндре. Объемы рабочей жидкости механизмов поджатия и перемещения определяются здесь объемами подпоршневой и надпоршневой полостей, которые связаны с соответствующими механизмами. Поскольку полости гидроцилиндра связаны с источником давления, то подачей жидкости под давлением в ту или другую полость перемещают поршень, фиксируют положение фиксатором и с этого момента создают соответствующее изменение объемов рабочей жидкости на механизмах, а значит, изменяют запасы энергии от нагружения к нагружению.
Связь надпоршневой и подпоршневой полостей между собой через гидравлическую магистраль с регулятором течения жидкости позволяет проводить обмен энергии между механизмами поджатия и перемещения, а не только между механизмами и соответствующими образцами. Этот вид энергообмена проводится с регулируемой скорость передачи энергии с одного механизма на другой механизм, что дает новые возможности для исследований.
Снабжение стенда приводом перемещения поршня позволяет менять положение поршня не только между ступенями пригружениями образцов, но и в процессе пригружения, причем шток, винт и ответная часть выполняют роль фиксатора поршня в новом положении, вращение винта дает перемещение поршня без использования источника давления, может выполняться на любой стадии испытаний и не мешает использовать источник давления на других регулировках, например, для изменения усилия поджатия или сдвига. Это - дополнительные возможности стенда.
Привод для выведения ответной части с соответствующим выполнением этой части позволяет снять фиксацию поршня в любой момент испытаний и обеспечить энергообмен между механизмами, но в отличие от использования магистрали между полостями с регулятором скорости течения, как описано выше, это конструктивное решение дает динамический характер обмена давлениями, а значит, и энергиями между полостями гидроцилиндра.
Пружины как упругие элементы механического аккумулятора позволяют менять жесткость соответствующих механизмов в наиболее широких пределах путем подбора этих пружин, что также расширяет возможности испытаний.
Изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг.1 представлен общий вид стенда, на фиг.2 - привод перемещения поршня, на фиг.3 - сопряжение винта привода с ответной частью.
Стенд содержит опорную раму 1, размещенные в ней захват 2 для образца 3 и захват 4 для контробразца 5, гидравлический механизм 6 взаимного поджатия образцов, связанный с захватом 2 для образца, гидравлический механизм 7 взаимного перемещения образцов, связанный с захватом 4 для контробразца, и источник 8 давления, связанный с механизмом поджатия 6 и перемещения 7.
Стенд снабжен гидравлическими аккумуляторами 9, 10 энергии, выполненными в виде сосудов высокого давления и гидравлически связанными с механизмами поджатия 6 и перемещения 7.
Стенд снабжен регуляторами 11, 12 скорости течения жидкости, установленными между механизмами поджатия 6 и перемещения 7 и связанными с ними сосудами 9, 10 высокого давления.
Стенд снабжен механическими аккумуляторами 13, 14 энергии, выполненными в виде упругих элементов и установленными между механизмом поджатия 6 и захватом 2 для образца и/или механизмом перемещения 7 и захватом 4 для контробразца.
Стенд снабжен гидравлическим аккумулятором энергии в виде гидроцилиндра 15, поршня 16, размещенного в гидроцилиндре, и фиксатора 17 положения поршня 16 в гидроцилиндре 15, при этом надпоршневая 18 и подпоршневая 19 полости гидроцилиндра связаны с источником 8 давления, одна из полостей 18 связана с механизмом поджатия 6, другая 19 - с механизмом 7 перемещения.
Стенд снабжен гидравлической магистралью 20 с регулятором 21 скорости течения жидкости, связывающей надпоршневую 18 и подпоршневую 19 полости гидроцилиндра 15 между собой.
Стенд снабжен регуляторами 22, 23 скорости течения жидкости, установленными между механизмами поджатия 6 и перемещения 7 и связанными с ними соответствующими полостями 18, 19 гидроцилиндра 15.
Стенд снабжен приводом перемещения поршня, выполненным в виде штока 24, соединенного с поршнем 16, винта 25, связанного со штоком 24, ответной части 26 (фиг.2, 3) винта, жестко зафиксированной от осевого перемещения, и приспособления 27 для вращения винта.
Стенд снабжен приводом 28 для выведения ответной части 26 винта из взаимодействия с винтом 25 (фиг.2), а ответная часть 26 винта выполнена в виде упора, контактная плоскость которого соответствует профилю резьбы винта 25 (фиг.3).
Упругие элементы 13, 14 механического аккумулятора энергии выполнены в виде пружин.
Привод для выведения ответной части 26 винта из взаимодействия с винтом 25 выполнен в виде якоря 28, соединенного с ответной частью 26, электромагнитной катушки 29 и пружины 30 (фиг.2). Соединение штока 24 с винтом 25 выполнено с помощью накидной втулки 31, закрепленной на штоке и позволяющей вращаться винту 25 и перемещать шток 24 в осевом направлении без вращения штока. Позициями 32, 33, 34, 35 и 36 обозначены вентили. Вентили 32 и 39 являются обязательными в установках подобного типа. Вентиль 36 используется при работе обоих сосудов на один из механизмов 6 или 7. Привод перемещения поршня собран на раме 37. Захват 4 контробразца установлен на каретке 38 для снижения трения при перемещении образцов. Механизмы поджатия 6 и перемещения 7 выполнены в виде гидроцилиндров с поршнями 39 и 40 соответственно. Ответная часть 26 винта может быть изготовлена из гайки, соответствующей винту, путем вырезки сектора гайки с углом в вершине, не более 180°. Регуляторы 11, 12, 21, 22, 23 могут представлять собой типовые вентили с заданным и фиксируемым изменением сечения гидромагистрали. Для регистрации поведения образцов при энергообмене используют датчики деформаций и перемещений, регистраторы эмиссий различного типа и другие приборы в зависимости от задач исследований, не показанные на чертежах.
Стенд работает следующим образом.
Устанавливают образец 3 в захват 2 и контробразец 5 в захват 4. В исходном состоянии все вентили 32-36 и регуляторы 11, 12, 21, 22, 23 закрыты. Рассмотрим вариант, когда упругие элементы 13 и 14 отсутствуют. Открывают вентиль 32, включают источник 8 давления и создают начальное взаимное поджатие образцов путем перемещения поршня 39 и захвата 2 с образцом 3 в направлении образца 5 с захватом 4. Открывают вентиль 33 и от источника 8 давления механизмом 7 перемещения с помощью его поршня 40 через захват 4 создают начальное усилие взаимного перемещения образцов. Открывают регулятор 11 и источником 8 создают давление в сосуде 9 и в механизме 6 поджатия, что создает уровень нагрузки поджатия образцов на первой ступени поджатия и запасенный уровень энергии поджатия на первой ступени. Запас энергии определяется величиной давления жидкости и количеством жидкости в механизме поджатия (гидроцилиндре 6) и в сосуде 9. Аналогичным образом при открытом регуляторе 12 от источника 8 создают уровень нагрузки первой ступени перемещения с соответствующим запасом энергии в сосуде 10 и гидроцилиндре 7. Приборами (не показаны) регистрируют реакцию образцов на первые ступени энергоподвода в направлении поджатия и перемещения. Регистрации проводят в любых заданных точках эксперимента в зависимости от задачи испытаний. Приступают ко второй ступени энергоподвода, для чего повторяют операции первой ступени, но при более высоких давлениях и, соответственно, уровнях нагрузок и запасов энергий поджатия и перемещения. Действуя таким образом, доводят энергообмен до критической стадии, когда образцы разрушаются от предельного усилия поджатия или возникает взаимная подвижка образцов при достижении предельного усилия перемещения. В эти критические моменты полностью реализуются запасенные энергии поджатия и перемещения, при этом часть высвобождается и идет на динамические эффекты разрушения, что в природе соответствует возникновению землетрясений, горных ударов и т.п. Следующий эксперимент может проходить при других ступенях нагрузок и запасов энергии, или по другой схеме, когда усилие и энергозапас при поджатии с какого-то уровня остается неизменным, а растут усилие и энергозапас при перемещении, или наоборот, параметры перемещения не меняют, а увеличивают параметры поджатия. Так исследуют энергообмен при нерегулируемом по скорости изменении усилий и энергозапасов. Скорость изменения усилий и энергозапасов определяется источником давления.
Для испытаний при регулируемых скоростях изменения нагрузок и энергий поджатия и перемещения создают начальные усилия поджатия и перемещения, как описано выше. При закрытых вентилях 32, 33 и открытых регуляторах 11, 12 создают давления в сосудах 9, 10 и закрывают регуляторы 11, 12. Для создания очередных ступеней нагрузок и энергий поджатия и перемещения открывают соответствующий вентиль 32 или 33 и через соответствующий регулятор 11 или 12 перекачивают давление в механизм 6 или 7, при этом скорость перекачки регулируют скоростью течения жидкости через регулятор 11 или 12.
Без использования упругих элементов 13, 14 характеристики процессов накопления энергии и отдачи энергии определяются характеристиками жесткости механизмов и сосудов с жидкостью. При использовании упругих элементов накопление энергии и отдача ее на разрушение-перемещение будет зависеть также и от характеристик жесткости этих элементов, а именно чем меньше жесткость упругих элементов, тем больший запас энергии образуется при поджатии и сдвиге и тем большее количество энергии перейдет в динамические эффекты при разрушении и подвижке. Для исследования этих режимов применяют упругие элементы 13, 14, а если они выполнены в виде пружин, то путем замены этих пружин жесткость условий энергообмена меняют в еще более широких пределах.
Для регулирования запаса энергии от одной ступени к другой в ходе ступенчатого нагружения образцов периодически изменяют положения поршня 16 в гидроцилиндре 15 гидралического аккумулятора энергии. Объемы рабочей жидкости механизмов 6 поджатия и 7 перемещения определяются объемами подпоршневой 18 и надпоршневой 19 полостей, которые связаны с соответствующими механизмами 6 и 7. От источника 8 давления подают жидкости в ту или другую полость, перемещают поршень 16, фиксируют положение фиксатором 17 и этим задают отношение объемов рабочей жидкости на механизмах, а значит, изменяют запасы энергии на разных ступенях. Давление и энергозапас в полостях 18 и 19 создают источником 8 при открытых вентилях 34, 35. Скорость энергоподвода здесь, как и в вышеприведенных режимах, может задаваться регуляторами 22, 23 соответственно для поджатия и перемещения.
Для регулирования запаса энергии не только между ступенями, как описано выше, но в любой момент испытаний, применяют привод перемещения поршня 16. Для этого обесточивают катушку 29, пружина 30 вводит в контакт винт 25 с ответной частью 26, затем приспособлением 27 вращают винт 25 и через втулку 31 и шток 24 перемещают поршень 16 в нужном направлении. Этим влияют на соотношение запасов энергии непосредственно в процессе энергоподвода за счет изменения соотношения полостей во время энергопередачи через регуляторы 22, 23.
Рассмотренные выше режимы энергообмена касаются вопросов энергопередачи от нагружающих систем (механизмов) к образцам. Для обмена энергиями между самими нагружающими системами открывают в любой момент в ходе нагружения регулятор 21 и с нужной скоростью передают давление и энергию от полости с большим давлением к полости с меньшим давлением. При определенных условиях такая передача энергии способна спровоцировать как разрушение от сжатия, так и взаимное перемещение образцов с динамическими эффектами. Например, если давление и энергозапас на механизме 6 поджатия будет уменьшаться, а на механизме 7 соответственно возрастать, возможна динамическая подвижка, и наоборот, если давление и энергия поступят дополнительно на механизм 6 поджатия с механизма 7 перемещения, создадутся условия для динамического разрушения от сжатия образцов.
Для практических задач энергообмена в массиве пород важна динамическая скорость энергообмена между нагружающими системами. Для осуществления этого режима вместо регулятора 21 используют привод 28. При наличии разности давлений в полостях 18 и 19 во время испытаний подают ток на катушку 29, отчего стержень 28 втягивается вместе с ответной частью 26 в катушку, винт 25 освобождается от фиксации и поршень 16 динамически перемещается за счет разности давлений вместе со штоком 24 и винтом 25. Давление в полостях 18, 19 быстро выравнивается, что и дает энергообмен между механизмами с динамической скоростью.
Таким образом, предлагаемый стенд имеет более широкие возможности за счет обеспечения исследований с широким регулированием параметров и режимов обмена энергии как между механизмами и испытуемыми образцами, так и между самими механизмами.