Стенд для исследования процесса разрушения горных пород

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована для экспериментально-исследовательских работ, связанных с изучением процессов разрушения горных пород.
Из литературы известны установки, стенды для исследования ударного и виброударного разрушения (см., например, Н.Г. Гринчар, Е.П. Щеблыкин. Строительные и дорожные машины, Методические указания к лабораторным работам и практическим занятиям (часть 1). - М.; МИИТ, 2005. - 16 с.).
Известные стенды позволяют определить степень дробления материала, энергоемкость процесса разрушения. Однако данные стенды не позволяют фиксировать изменение тангенциальной составляющей скорости, возникающее при косых ударах в ударных и виброударных машинах для дезинтеграции материала при разрушении горных пород.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели, принятым за прототип, является прибор определения крепости (ПОК), состоящий из стакана, вставленного в него трубчатого копра, внутри которого помещают гирю массой 2,4±0,01 кг с ручкой, привязанной к гире шнуром. Трубчатый копер имеет в верхней части отверстия, в которые вставляют штифты, ограничивающие подъем гири. В комплект прибора входит объемомер, состоящий из стакана и плунжера со шкалой измерений с диапазоном показаний от 0 до 150 мм вдоль его продольной оси; сито с сеткой №05 по ГОСТ 6613-73 для просеивания породы после дробления (см. ГОСТ 21153.1-75).
Данный прибор позволяет определять коэффициент крепости по Протодъяконову для классификации пород по этому показателю, предоставляя возможность использовать его в технической документации при расчетах и проектировании различных горных работ.
В машинах для разрушения горной породы (ударных, виброударных) взаимодействие рабочих органов с материалом может сопровождаться не центральными, а косыми ударами. Для изучения таких режимов работы необходимо учитывать изменение тангенциальной составляющей скорости рабочего оборудования.
Недостатком прототипа является моделирование разрушения материала только при центральном прямом ударе, при котором вектор скорости центра масс  разрушающего тела направлен по нормали к поверхности соударения, при этом, невозможно учесть тангенциальные составляющие скорости, возникающие при косом ударе, которые влияют на дробящий механизм. Вследствие этого, данный прибор не позволяет получить более полную информацию о процессе разрушения материала в ударных и виброударных машинах для дезинтеграции горных пород и определить влияние разрушаемого материала на дробящий механизм.
Задача полезной модели - создание конструкции стенда для исследования виброударного разрушения горных пород, позволяющей исследовать влияние процесса разрушения на дробящий механизм, учитывая изменения тангенциальной составляющей скорости центра масс разрушаемого тела в конце удара.
Поставленная задача решается за счет заявляемой конструкции стенда для исследования процесса разрушения горных пород, содержащей стакан, в который вставлен трубчатый копер, внутри которого расположена гиря с ручкой, привязанной к гире шнуром, при этом трубчатый копер имеет в верхней части, по крайней мере, одно отверстие, в каждое из которых вставлен штифт, в отличие от прототипа, содержит направляющую трубу, плотно вставленную в стакан, трубчатый копер, соединенный с внутренними стенками направляющей трубы и с дном стакана с помощью упругих элементов, выполненных в виде пружин и установленных вдоль трех ортогональных осей направляющей трубы, трехкоординатный датчик перемещения, установленный на трубчатом копре.
Технический результат достигается за счет новых связей между элементами конструкции стенда для исследования процесса разрушения горных пород, благодаря чему увеличивается устойчивость, долговечность и надежность всей конструкции стенда. Установленный на трубчатом копре трехкоординатный датчик позволит определять отклонения трубчатого копра, характеризующие величину и направление сил, возникающих при центральном прямом и косых ударах гири о внутренние стенки трубчатого копра.
Полезная модель поясняется чертежом, где схематично изображен стенд для исследования процесса разрушения горных пород.
Стенд для исследования процесса разрушения горных пород содержит стакан 1, в который плотно вставлена направляющая труба 2, внутри которой расположен трубчатый копер 4. Трубчатый копер 4 соединен с внутренними стенками направляющей трубы 2 с помощью упругих элементов 3, выполненных в виде пружин. Упругие элементы 3 установлены вдоль трех осей направляющей трубы 2. Трубчатый копер 4 прикреплен к дну стакана 1 с помощью упругих элементов 3, выполненных в виде пружин. Целесообразно использовать, по крайней мере, восемь горизонтальных и четыре вертикальных упругих элемента для эффективной работы стенда.
Необходимое количество упругих элементов для соединения трубчатого копра с направляющей трубой и со стаканом зависит от конструктивных особенностей стенда и жесткости упругих элементов, позволяющее обеспечивать фиксированное положение трубчатого копра без воздействия внешних сил и свободное перемещение трубчатого копра 4 внутри направляющей трубы 2 при воздействии гири 5.
Внутри трубчатого копра 4 расположена гиря 5 с ручкой 6, привязанной к гире 5 шнуром 7. В зависимости от вида горной породы используют гирю соответствующей массы, необходимой для разрушения куска породы.
В верхней части трубчатого копра 4 выполнены отверстия, в каждое из которых вставлены штифты 8, ограничивающие подъем гири 5. На трубчатом копре 4 установлен трехкоординатный датчик 9. При каждом падении гири 5 на кусок горной породы, расположенного внутри трубчатого копра 4 под углом α к нормали поверхности  куска со скоростью центра масс , гиря 5 может отклоняться в разные стороны с определенной силой под углом отражения β из-за неровности куска материала, а также физических свойств горной породы. Скорость гири 5 в конце удара определяется величиной . Трехкоординатный датчик 9 служит для определения отклонений трубчатого копра 4, характеризующих величину и направление силы, возникающей при отражении гири 5 под углом отражения β.
В процессе разрушения горной породы происходит изменение положения трубчатого копра 4 за счет косых ударов гири 5 о стенки трубчатого копра 4, которые возникают вследствие действия силы , направленной под углом β относительно нормали . С помощью трехкоординатного датчика 9 измеряют отклонения трубчатого копра 4, характеризующие величину и направление сил, под действием которых гиря 5 при косых ударах соударяется о стенки трубчатого копра 4, учитывая, таким образом, тангенциальные составляющие скорости, возникающие при косом ударе.
Стенд для исследования процесса разрушения горных пород работает следующим образом.
Кусок горной породы помещают в стакан 1. С помощью ручки 6, привязанной шнуром 7 к гире 5, гирю 5 поднимают на определенную высоту, регулируемую штифтами 8, после чего гирю 5 сбрасывают на горную породу. При ударе гиря 5 отскакивает в ту или иную сторону с определенной силой и соударяется с трубчатым копром 4, что фиксирует трехкоординатный датчик 9.
Анализируя полученные результаты замеров, можно получить реальную картину процесса взаимодействия дробимой породы с дробящим механизмом и выявить влияние одного на другое, учитывая как нормальные, так и тангенциальные импульсы, возникающие при их соударении.
В соответствии с результатами анализа принимают решение о внесении изменений в конструкцию дробящих механизмов для определенного типа горной породы.