СТЕНД ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
BENCH FOR PHYSICAL MODELING OF GEOMECHANICAL PROCESSES

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для моделирования физических процессов в нагруженном массиве горных пород на образцах в лабораторных условиях.
Известно устройство для испытания грунта на сдвиг по патенту РФ №1033634, кл. E02D 1/00, 1983 г., представляющее собой стенд для физического моделирования геомеханических процессов, содержащий корпус для размещения испытуемого образца, установленные в корпусе штампы для взаимодействия с образцом и приводные механизмы перемещения, соединенные со штампами.
Известно также устройство для испытания грунта на сдвиг (патент РФ №1337474, кл. E02D 1/00, 1987 г.), по технической сущности наиболее близкое к заявленному, выполненное в виде стенда для физического моделирования геомеханических процессов. Стенд содержит корпус для размещения испытуемого образца, размещенный в корпусе ряд штампов для взаимодействия с образцом, гидроцилиндры по числу штампов, соединенные с ними, каждый из которых включает поршень и подпоршневую полость, и приводы перемещения гидроцилиндров.
Недостатком обоих известных устройств является отсутствие возможностей воспроизведения большого количества реальных режимов силовой работы элементов горного массива. Их возможности ограничиваются плавным нагружением или плавной разгрузкой участков поверхности образца в мягком режиме приложения нагрузки. Невозможно с их помощью моделировать ситуации, когда на фоне плавно изменяющихся нагрузок возникают ударные нагрузки, циклические нагрузки, ступенчатые нагрузки, при этом соответственно нет возможности проводить дополнительное нагружение с регулируемыми параметрами скорости нагружения в пределах каждого акта пригрузки. Отсутствует возможность моделировать целое направление исследований - работу элементов массива в реальных полях возбуждающихся механических нагрузок.
Изобретение решает задачу повышения достоверности получаемых результатов исследований, а также расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности испытания образцов при независимом наложении ударных, циклических, ступенчатых нагрузок с регулируемыми параметрами изменения дополнительной нагрузки на фоне плавно и независимо изменяющихся уровней нагружения этих участков.
Технический результат достигается тем, что стенд для физического моделирования геомеханических процессов, содержащий корпус для размещения испытуемого образца, размещенный в корпусе по меньшей мере один штамп для взаимодействия с образцом, гидроцилиндры по числу штампов, соединенные с ними, каждый из которых включает поршень и подпоршневую полость, и приводы перемещения гидроцилиндров, снабжен дополнительным гидроцилиндром с поршнем, подпоршневая полость которого гидравлически связана с подпоршневой полостью по меньшей мере одного гидроцилиндра, и по меньшей мере одним механизмом нагружения, кинематически связанным с поршнем дополнительного гидроцилиндра.
Кроме того, механизм нагружения может быть выполнен, например, в виде механизма ударного нагружения или в виде механизма циклического нагружения.
Кроме того, механизм ударного нагружения может быть выполнен, например, в виде сбрасываемого груза с направляющими для его перемещения, размещенного с возможностью взаимодействия с поршнем дополнительного гидроцилиндра, и лебедки, связанной с грузом и снабженной фиксатором и регулятором высоты подъема груза.
Кроме того, стенд может быть дополнительно снабжен самотормозящейся клиновой парой, подвижный клин которой кинематически связан с поршнем дополнительного гидроцилиндра и с механизмом ударного нагружения.
Кроме того, механизм циклического нагружения в варианте изготовления может быть выполнен в виде эксцентрика с приводом его поворота и упругого элемента, кинематически связывающего эксцентрик с поршнем дополнительного гидроцилиндра.
Кроме того, стенд снабжен приспособлением для поджатия упругого элемента механизма циклического нагружения.
Кроме того, упругий элемент механизма циклического нагружения выполнен в виде по меньшей мере одной пружины. В качестве пружин механизма циклического нагружения использованы, например, тарельчатые пружины.
Кроме того, стенд дополнительно снабжен регулятором соотношения жидкой и газообразной составляющих в дополнительном гидроцилиндре.
Кроме того, гидроцилиндр и дополнительный гидроцилиндр выполнены с соотношением рабочих сечений, отличающимся от единицы.
Снабжение стенда дополнительным гидроцилиндром с поршнем, подпоршневая полость которого гидравлически связана с подпоршневой полостью по меньшей мере одного гидроцилиндра, и по меньшей мере одним механизмом нагружения, кинематически связанным с поршнем дополнительного гидроцилиндра, позволяет расширить функциональные возможности устройства благодаря обеспечению подачи дополнительных нагрузок различного вида на действующие плавно меняющиеся нагрузки механизма нагружения. При этом механизм нагружения воздействует на поршень дополнительного гидроцилиндра, происходит рост давления в системе подпоршневых полостей гидроцилиндров и это создает дополнительное усилие на гидроцилиндре, а значит, и на соответствующем штампе, и на контактирующем с этим штампом участке поверхности образца. Вид дополнительной нагрузки зависит от вида механизма нагружения.
Выполнение механизма нагружения в виде механизма ударного нагружения обеспечивает динамический характер накладываемой нагрузки путем создания ударного импульса, который провоцирует ударную волну в образце и исчезает.
В варианте изготовления механизм ударного нагружения может быть выполнен в виде сбрасываемого груза с направляющими для его перемещения, с лебедкой, фиксатором и регулятором высоты подъема груза, что позволяет регулировать величину ударного импульса благодаря возможности поднимать груз и сбрасывать его с разной высоты.
Снабжение стенда самотормозящейся клиновой парой, подвижный клин которой кинематически связывает поршень дополнительного гидроцилиндра с механизмом ударного нагружения, обеспечивает создание ступенчатых нагрузок, накладывающихся на плавно изменяющуюся нагрузку. При этом ударный механизм перемещает подвижный клин, который из-за выполнения клиновой пары самотормозящейся не может вернуться в исходное положение после исчезновения ударного импульса. Как известно, клиновая пара обладает свойством самоторможения, если угол клина меньше 6°; тогда при любой величине приложенной нормальной силы обратного движения клиньев не происходит за счет соотношения этой нормальной силы, сдвигающей силы и силы трения. Ступенчатое перемещение подвижного клина вызывает соответственно ступенчатое перемещение поршня дополнительного гидроцилиндра, а это создает неисчезающее приращение давления в подпоршневых полостях и соответствующее ступенчатое нагружение штампа и образца.
Механизм нагружения может быть также выполнен в виде механизма циклического нагружения, обеспечивая циклический характер изменения накладываемой нагрузки путем циклического перемещения поршня дополнительного гидроцилиндра, а это, в свою очередь, приводит к циклическому повышению давления в подпоршневых полостях и циклически пригружает соответствующий штамп и участок образца.
В варианте изготовления механизм циклического нагружения может быть выполнен, например, в виде эксцентрика с приводом его поворота и упругого элемента, кинематически связывающего эксцентрик с поршнем дополнительного гидроцилиндра, что дополнительно расширяет возможности стенда благодаря тому, что можно в любой момент повернуть эксцентрик на заданный угол и оставить его в этом положении. В этом случае создается постоянная пригрузка вместо циклической, причем уровень постоянной пригрузки определяется углом поворота эксцентрика. Эта постоянная пригрузка удерживается упругим элементом вплоть до возобновления поворотов эксцентрика, после чего постоянная пригрузка опять преобразуется в циклическую.
Снабжение стенда приспособлением для поджатия упругого элемента механизма циклического нагружения позволяет дополнительно регулировать циклические нагрузки, а именно поджатие упругого элемента задает пределы изменения циклической нагрузки: чем больше поджатие, тем выше средний уровень нагрузок, т.е. выше и минимальные и максимальные нагрузки цикла.
Выполнение упругого элемента механизма циклического нагружения в виде пружины расширяет возможности стенда при испытании образцов с высокой деформативностью. Под действием циклических нагрузок образец сравнительно быстро деформируется и «уходит» из-под нагрузки. Пружина частично компенсирует этот уход и сохраняет заданные пределы циклов.
Выполнение пружин тарельчатыми позволяет менять уровни нагрузки в более широких пределах, чем, например, при использовании витых пружин при тех же размерах и параметрах механизма циклического нагружения. Это обеспечивается изменениями вариантов сборки тарельчатой пружины: по одной, по две, по три и т.д. тарелки в пакете.
Снабжение стенда регулятором соотношения жидкой и газообразной составляющих в дополнительном гидроцилиндре позволяет регулировать параметры изменения дополнительной нагрузки, а именно если в подпоршневой полости содержатся слой газа и слой жидкости, то при перемещении поршня дополнительного гидроцилиндра сначала деформируется слой газа с высокой характеристикой сжатия, а затем - жидкость с низкой характеристикой сжатия. При постоянной средней скорости движения поршня давление в подпоршневых полостях будет нарастать с разной скоростью: сначала медленно, затем быстро. Это и определяет параметры прикладываемой дополнительной нагрузки, будь она ударной, циклической или ступенчатой.
Выполнение гидроцилиндра и дополнительного гидроцилиндра разными по величине рабочих сечений позволяет использовать эту гидравлическую пару как мультипликатор: если рабочее сечение гидроцилиндра больше, чем дополнительного гидроцилиндра, то нагрузка на штампе больше, чем создаваемая каким-либо механизмом нагружения, и больше во столько раз, во сколько раз больше рабочее сечение гидроцилиндра. При обратном исполнении гидроцилиндров происходит понижение нагрузки на штампе. Это дополнительно расширяет возможности стенда.
Изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг.1 представлена общая схема стенда; на фиг.2 - механизм ударного нагружения; на фиг 3. - механизм циклического нагружения; на фиг.4 - клиновая пара с механизмом ударного нагружения, вид спереди; на фиг.5 - клиновая пара с механизмом ударного нагружения, вид сбоку; на фиг.6 - вариант исполнения гидроцилиндра и дополнительного гидроцилиндра.
Стенд для физического моделирования геомеханических процессов (фиг.1) содержит корпус 1 для размещения испытуемого образца 2, размещенный в корпусе по меньшей мере один штамп 3 для взаимодействия с образцом 2, гидроцилиндры 4 по числу штампов 3, соединенные с ними, причем каждый из гидроцилиндров включает поршень 5 и подпоршневую полость 6, и приводы 7 перемещения гидроцилиндров 4.
Стенд снабжен дополнительным гидроцилиндром 8 с поршнем 9, подпоршневая полость 10 которого гидравлически связана с подпоршневой полостью 6 по меньшей мере одного гидроцилиндра 4, и по меньшей мере одним механизмом нагружения, кинематически связанным с поршнем 9 дополнительного гидроцилиндра 8.
Механизм нагружения в варианте исполнения может быть выполнен в виде механизма 11 ударного нагружения (фиг.2) или в виде механизма 12 циклического нагружения (фиг.3). В зависимости от условий проведения моделирования геомеханических процессов возможно также использование в составе стенда обоих вариантов механизма нагружения совместно.
Кроме того, стенд снабжен самотормозящейся клиновой парой 13, 14 (фиг.4 и фиг.5), подвижный клин 13 которой кинематически связывает поршень 9 дополнительного гидроцилиндра 8 с механизмом 11 ударного нагружения.
Механизм 11 ударного нагружения, как показано на фиг.2, выполнен в виде сбрасываемого груза 15 с направляющими 16 для его перемещения, размещенного над поршнем 9 дополнительного гидроцилиндра 8 с возможностью взаимодействия с ним, и лебедки 17, связанной с грузом 15 с помощью троса 18 и устройства 19 для крепления троса на грузе и снабженной фиксатором 20 и регулятором 21 высоты подъема груза 15 (фиг.2).
Лебедка 17 механизма 11 ударного нагружения снабжена также косозубым колесом 22 с трещоткой 23 и рычагом 24 поворота трещотки, связанным с фиксатором 20 (фиг.4). Регулятор 21 высоты подъема груза (фиг.2) представляет собой рычаг с рукояткой 25. Для исключения перекосов поршня 9 дополнительного гидроцилиндра 8 нагрузка на поршень передается через сферическую пару 26.
Механизм 12 циклического нагружения (фиг.3) выполнен в виде эксцентрика 27, установленного на оси 28 и снабженного приводом 29 его поворота, и упругого элемента 30, кинематически связывающего эксцентрик 27 с поршнем 9 дополнительного гидроцилиндра 8.
Упругий элемент 30 механизма 12 циклического нагружения выполнен в виде пружины. Как было отмечено выше, наиболее целесообразным является применение тарельчатой пружины, причем возможно использование различных вариантов сборки: от одной до двух, трех и т.д. тарелок в пакете.
Для поджатия упругого элемента 30 стенд снабжен приспособлением 31, изготовленным, например, в виде массивного элемента 32, на нижней плоской поверхности которого выполнена выемка 33 для размещения упругого элемента 30, и установленного на основании 34 с помощью стоек 35 и регулировочных гаек 36 и 37.
Стенд снабжен регулятором 38 соотношения жидкой и газообразной составляющих в дополнительном гидроцилиндре 8 (фиг.6), представляющим собой, например, разъем, предназначенный для заливания слоя жидкости (масла) в подпоршневую полость 10.
Гидроцилиндр 4 и дополнительный гидроцилиндр 8 соединены между собой гидромагистралью 39 (фиг.1 и 6). Для обеспечения изменения нагрузки на штампе в широких пределах гидроцилиндры 4 и 8 выполнены с соотношением рабочих сечений, отличающимся от единицы.
Приводы 7 перемещения гидроцилиндров 4 выполнены в виде электродвигателей с установленными на них червячными редукторами 40 и выдвижными винтами 41, которые упираются в сферические опоры 42 гидроцилиндров 4 и закреплены винтами 43(фиг.6).
Гидроцилиндры 4 связаны с приводами 7 перемещения через сферические опоры 42 с винтами 43, а со штампами 3 с помощью других винтов (не показаны) и соединительных гнезд 44. Это позволяет штампу поворачиваться при неравномерной деформации образца.
Приводы 7 вместе с редукторами 40, винтами 41, гидроцилиндрами 4 и штампами 3 могут располагаться по периметру корпуса 1, что позволит расширить круг решаемых задач.
Отверстие 45 служит для установки предохранительного сливного клапана (не показан). Когда перемещение поршня 5 становится критическим, этот предохранительный клапан срабатывает и предохраняет стенд от поломок и опасных ситуаций.
Стенд работает следующим образом.
Размещают образец 2 (грунты, породы, эквивалентные материалы) в корпусе 1 стенда (фиг.1). Включают приводы 7 и через редукторы 40 и винты 41 перемещают гидроцилиндры 4 с соответствующими штампами 3. При этом штампы 3 нагружают участки образца 2 плавно изменяющейся нагрузкой - плавно нарастающей или плавно уменьшающейся в зависимости от направления перемещения винтов 41. Эпюра распределения нагрузки по поверхности образца задается скоростью перемещения винтов.
Для создания ударного импульса приводят в действие механизм 11 ударного нагружения (фиг.2), для чего поворачивают фиксатор 20 с рычагом 24 и выводят трещотку 23 из зацепления с косозубым колесом 22. Лебедка 17 освобождается, груз 15 наносит удар через сферическую пару 26 по поршню 9. В подпоршневых полостях 6 и 10 возникает импульс давления и поршень 5 создает импульсную пригрузку соответствующего штампа 3 и участка образца, взаимодействующего с этим штампом, Для создания следующего импульса вращают лебедку 17 с помощью регулятора 21 и рукоятки 25 и поднимают груз 15 в исходное положение. Трещотка 23 фиксирует груз в исходном положении, стенд готов к созданию следующего импульса.
Величина импульсов задается регулятором 21, обеспечивающим заданную высоту подъема груза. Место нанесения импульса на поверхности образца определяется выбором гидроцилиндра 4, с которым соединен дополнительный гидроцилиндр 8. В момент нанесения импульсов и между импульсами продолжается плавное изменение фоновой нагрузки. Сразу после создания импульса и до поднятия груза сохраняется давление в подпоршневых полостях, пропорциональное весу груза. Это давление мало по сравнению с давлением в момент удара и им можно пренебречь.
Для создания циклических нагрузок используют механизм 12 циклического нагружения (фиг.3), для чего на этот механизм устанавливают дополнительный гидроцилиндр 8 и соединяют его с соответствующим гидроцилиндром 4. С помощью привода 29 поворачивают эксцентрик 27 возвратно-вращательно в пределах заданного угла. Эксцентрик 27 циклически сжимает упругий элемент 30 и через поршень 9 создает циклически изменяющиеся давления в подпоршневых полостях 6 и 10. На соответствующем участке образца 2 создаются циклические нагрузки, накладывающиеся на плавно изменяющиеся фоновые нагрузки. Пределы изменения нагрузок в цикле регулируются жесткостью пружин упругого элемента 30 и величиной угла поворота эксцентрика 27: чем больше жесткость пружин и больше угол поворота эксцентрика, тем больше разница между максимальной и минимальной нагрузками цикла. Средний уровень нагрузки цикла регулируется приспособлением 31 поджатия пружин.
Для повышения среднего значения нагрузки циклов смещают регулировочные гайки 37 вниз (по чертежу) и с помощью гаек 36 предварительно поджимают пружину 30 на заданную величину, создавая тем самым заданное начальное давление в подпоршневых полостях 6, 10. Затем фиксируют гайками 36, 37 новое положение приспособления 31. Начальное давление в подпоршневых полостях повышает уровень плавно меняющейся нагрузки, и циклические нагрузки будут проходить при новом среднем уровне циклов. Циклические нагрузки могут вызывать быстро нарастающие деформации образца, но если упругий элемент 30 выполнен в виде пружины, то последняя значительно компенсирует «уход» образца из-под нагрузки. При использовании тарельчатых пружин жесткость упругого элемента меняется в широких пределах путем составления пружины из одиночных, спаренных, строенных и т.д. тарелок, при этом общая высота пакета изменяется незначительно.
Привод 29 поворота эксцентрика может быть выполнен в виде рычага, как показано на фиг.3, или любого механизированного привода вращения. При использовании рычага имеется возможность остановить циклическое изменение нагрузки на неопределенное время и на любом уровне в пределах цикла, для чего прекращают поворот рычага в нужном положении в пределах угла поворота. После возобновления поворотов эксцентрика 27 циклические нагрузки продолжаются. Выбор зоны нагружения на образце производится так же, как при ударных нагрузках.
Для создания ступенчатых нагрузок используют механизм 11 ударного нагружения с размещенной на нем самотормозящейся клиновой парой 13, 14 (фиг.4 и фиг.5). Неподвижный клин 14 закрепляется на ударном устройстве, а подвижный клин 13 кинематически связывает груз 15 и поршень 9. Сбрасывают груз 15, как описано выше, и наносят удар по клину 13. Клин 13 перемещается относительно клина 14 и перемещает поршень 9, создавая тем самым ступенчатый прирост давления в подпоршневых полостях 6, 10 и соответствующее ступенчатое приращение нагрузки на выбранном участке образца. Самотормозящаяся клиновая пара обеспечивает неизменность положения клиньев и соответственно неизменность величины ступени повышения нагрузки независимо от положения груза. Груз может быть возвращен в исходное положение, как описано выше, и в любое время возможно создание следующей ступени нагрузки. Величина пригружения в каждой ступени определяется величиной смещения клина 13 и регулируется величиной подъема груза 15.
Для регулировки параметров изменения прикладываемой нагрузки используют регулятор 38 (фиг.6), через который в подпоршневую полость 10 заливают слой жидкости (масла), а остальной объем заполняет газообразная составляющая (не показана). При перемещении поршня 9 во время создания ударной или циклической нагрузки сначала деформируется газообразная составляющая, затем жидкость. Газообразная составляющая имеет более высокую сжимаемость, чем жидкость, поэтому при одной и той же скорости движения поршня 9 давление в подпоршневой полости сначала нарастает медленно, затем быстро. Это позволяет менять интенсивность роста нагрузки при ударных или циклических нагружениях. При разгрузке в циклических испытаниях интенсивность снижения нагрузки имеет обратный характер: быстрый спад вначале разгрузки меняется на медленный во второй части разгрузки, когда восстанавливается объем газа. Параметры изменения интенсивности нагружения регулируют толщиной слоя жидкости в полости 10.
В представленном на фиг.6 варианте рабочее сечение дополнительного гидроцилиндра 8 меньше, чем гидроцилиндра 4. В этом случае связка гидроцилиндров работает как повышающий мультипликатор, т.е. усилие, полученное поршнем 9 от какого-либо механизма нагружения, возрастает на поршне 5 во столько раз, во сколько раз рабочее сечение гидроцилиндра 4 больше рабочего сечения гидроцилиндра 8. При обратном исполнении связки, когда сечение гидроцилиндра 8 больше, чем гидроцилинда 4, происходит кратное снижение нагрузки на поршне 5 по сравнению с поршнем 9.
Когда перемещение поршня 5 становится критическим, срабатывает предохранительный сливной клапан (не показан), установленный в отверстии 45, что предохраняет стенд от поломок и делает работу на нем безопасной.
Таким образом, заявленное изобретение существенно расширяет функциональные возможности испытательной техники этого назначения благодаря тому, что с его помощью моделируются более сложные и более соответствующие реальным геомеханические процессы, в которых сложно меняются силовые условия работы элементов горного массива. Кроме того, использование предлагаемого стенда позволяет повысить достоверность получаемых данных за счет возможности проведения комплексных исследований образцов горных пород, испытывающих ударные, циклические и ступенчатые воздействия, накладывающиеся на плавно изменяющиеся нагрузки в произвольные моменты времени, с произвольным их чередованием, имеющие различную величину и интенсивность нарастания, и которые не могут быть исследованы только прямым физическим моделированием каждой из указанных нагрузок в отдельности.