УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
DEVICE FOR DETERMINING ENERGY CAPACITY OF ROCK DESTRUCTION

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для исследования механических свойств различных по крепости горных пород, и может быть также использовано для определения энергоемкости их разрушения.
Известны различные устройства для определения энергоемкости разрушения горных пород, одним из которых является (SU 415371, кл. E21C 39/00, 24.06.1974), представляющее собой вертикальный копер, в котором на горную породу сбрасывается груз известной массы с известной высоты, а энергоемкость определяется как отношение энергии, затраченной на разрушение, к объему разрушенной породы.
Недостатком устройства (SU 415371, кл. E21C 39/00, 24.06.1974) является сложность определения объема разрушенной горной породы, а также низкая точность при определении энергии, затраченной на разрушение.
Наиболее близким к заявляемому является устройство (RU 2148170, кл. E21C 39/00, 27.04.2000), которое содержит станину, перфорированный стакан для помещения в него испытуемого образца горной породы, пуансон, нагрузочный гидроцилиндр, стягивающий болт, коническую и цилиндрическую пружины.
Недостатком устройства (RU 2148170, кл. E21C 39/00, 27.04.2000) является невозможность обеспечения равномерного нагружения разрушаемой породы из-за неравномерного движения поршня в гидроцилиндре, а также конструктивная сложность, вызванная использованием гидравлической системы для подачи пуансона, что требует наличия маслонасоса, системы маслопроводных труб, манометра и гидроцилиндра.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение равномерного нагружения испытуемой горной породы, а также упрощение конструкции устройства без ухудшения его характеристик.
Решение задачи достигается использованием для нагружения породы передачи по системе винт-гайка.
Технический результат заявляемого изобретения выражается в обеспечении равномерного нагружения испытуемой горной породы, в упрощении конструкции устройства без ухудшения его характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения энергоемкости разрушения горных пород, включающем станину, перфорированный стакан, нажимной и упорный пуансоны и нагрузочный винт с установленными на нем резьбовыми гайками, согласно заявляемому изобретению нажимной и упорный пуансоны выполнены за одно целое с соответствующими им резьбовыми гайками, которые входят в соединение с нагрузочным винтом на участках с резьбами одного направления, но разного шага, причем шаги резьб на резьбовых участках нажимного и упорного пуансонов различаются не более чем на 5%.
Предлагаемое устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород изображено на чертеже.
Заявляемое устройство состоит из станины 1, закрепленного на ней перфорированного стакана 2, в котором располагаются испытуемые образцы горной породы 3, нажимного пуансона 4, упорного пуансона 5, нагрузочного винта 6 с установленными на нем резьбовыми гайками 7 и 8, подшипников 9 и 10, рельсов 11, редуктора 12, соединительной муфты 13 и приводного двигателя 14.
1
2
1
2
1
2
Нагрузочный винт 6 выполнен с двумя одинаковыми по направлению участками резьбы разного шага h, и h, причем шаг резьбы h участка нагрузочного винта 6, взаимодействующего с резьбовой гайкой 7 нажимного пуансона 4, больше шага резьбы h участка нагрузочного винта 6, взаимодействующего с резьбовой гайкой 8 упорного пуансона 5: h>h, а величина разницы в углах наклона резьб не превышает 5%.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Испытуемые образцы горной породы 3 помещаются в перфорированный стакан 2. При помощи приводного двигателя 14 через соединительную муфту 13 и редуктор 12 осуществляется вращение нагрузочного винта 6, что вызывает перемещение нажимного 4 и упорного 5 пуансонов за счет резьбовых гаек 7 и 8 соответственно по рельсам 11 в одном направлении, но с разным смещением в единицу времени.
1
2
В связи с тем, что h>h, нажимной пуансон 4 за один оборот нагрузочного винта 6 будет осуществлять большее перемещение, чем упорный пуансон 5, что приведет к деформации и разрушению испытуемых образцов горной породы 3.
Перемещение упорного пуансона 5 одновременно с нажимным пуансоном 4 за счет вращения нагрузочного винта 6 позволяет уменьшить величину хода нажимного пуансона 4 относительно испытуемых образцов горной породы 3, что в свою очередь способствует достижению плавного приложения разрушающей нагрузки к испытуемой горной породе 3.
Известно, что угол наклона резьбы определяется по формуле:
где λ - угол наклона резьбы;
h - шаг резьбы;
r - радиус винта;
π - математическая константа.
При повороте нагрузочного винта 6 на любой угол ϕ резьбовые гайки 7 и 8 осуществят поступательное перемещение совместно с нажимным 4 и упорным 5 пуансонами на величину l (вращению резьбовых гаек 7 и 8 относительно оси нагрузочного винта 6 будут препятствовать рельсы 11, взаимодействующие с нажимным 4 и упорным 5 пуансонами):
где ϕ - угол поворота нагрузочного винта;
r - радиус нагрузочного винта;
λ - угол наклона резьбы.
1
2
1
2
Так как шаги резьбы на участках нагрузочного винта 6, взаимодействующих с резьбовыми гайками 7 и 8, принимаются разными, а именно как h и h, то смещение нажимного 4 и упорного 5 пуансонов относительно друг друга Δl определится разницей l-l или с учетом формулы (2)
На размещенную в перфорированном стакане 2 испытуемую горную породу 3 будет воздействовать сила Р, которая может быть определена из равенства работ этой силы Р на расстоянии Δl, (т.е. P⋅Δl) и работы приложенного к нагрузочному винту 6 моментам от приводного двигателя 14 (т.е. M⋅ϕ)
Откуда с учетом (3) получим:
1
2
1
2
Зависимость (5) особенна тем, что в знаменателе дроби заключено выражение (tgλ-tgλ), что позволяет изменением углов наклона резьбы λ и λ достигать весьма малых значений знаменателя, что в свою очередь приведет к многократному увеличению силы Р.
1
2
Уже при разнице углов наклона резьбы λ и λ на 5%:
1
2
1
2
λ=20° и λ=21°, tgλ=0,3640, tgλ=0,3839
1
2
(tgλ-tgλ)=0,3839-0,3640=0,02,
что позволяет достигнуть увеличения силы Р в 50 раз:
Таким образом, заявляемое устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород за счет перемещения упорного пуансона 5 одновременно с нажимным пуансоном 4 за счет вращения нагрузочного винта 6 обеспечивает равномерное нагружение испытуемой горной породы и позволяет упростить конструкцию устройства за счет исключения гидравлической системы для подачи пуансона, что требует наличия маслонасоса, системы маслопроводных труб, манометра и гидроцилиндра.