книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

осуществляется центровка образца между нагружающими штока­ ми в установке. На образце закреплены экстензометры для регист­ рации продольной 3 и поперечной 4 деформаций. Во многих ви­ дах экспериментальных исследований деформацию образца заме­ ряли с помощью тензодатчиков сопротивления 5, наклеенных непосредственно на образец. При измерении температуры в опы­ тах термопара 6 закреплялась также непосредственно на образце. Техника гидроизоляции образца от среды, создающей гидростати­ ческое давление в испытательной камере, и конструкция экстензометров будут описаны в дальнейшем.

Следует обратить внимание на подготовку поверхностей образцов перед опытом. Обработка торцов образцов осуществлялась в спе­ циальных оправках, применение которых обеспечивало высокую параллельность торцов (отклонение от параллельности на базе 30 мм не превышало 0.02 мм). Обеспечение высокой параллель­ ности торцов имеет особое значение при испытаниях на жестких прессах, конструкции которых описаны дальше. Такие требования связаны с тем, что в указанных установках с целью повышения жест­ кости, образец располагается в прессе между давильными поверхно­ стями без промежуточных сферических подпятников. Применение для обработки торцов специальных оправок обеспечивает также одинаковую длину образцов. Схема оправки показана на рис. 1.2. Она представляет собой толстостенный цилиндрический корпус 2 с прорезями 3, обеспечивающими податливость корпуса и изменение внутренних его размеров с помощью болта 4. Торцы зажатого в оправку образца 1 обрабатывались на шлифовальном круге. Получа­ ющаяся при обработке параллельность торцов образца определя­ лась параллельностью торцов оправки.

При проведении ответственных экспериментов, в которых необ­ ходимо было зарегистрировать слабо проявляющиеся эффекты, об­ разцы готовились с обеспечением высокой точности поперечных

11

Рис. 1.3. Способы гидроизоляции образцов.

нительные кольца 5 (рис. 1.3, а); 2) обжатием трубки между коническими поверхностями подпятников 3 и колец 4 (рис. 1.3, б). Во втором случае угол конуса составлял 3 град. Большой опыт применения такого способа герметизации образцов пока­ зал высокую его надежность как при высоких давлениях (до 1000 МПа), так и при больших необратимых деформациях (по­ перечные деформации до 50 %, см. рис. 1.44). При проведении экспериментов в условиях повышенных температур полиэтилено­ вая трубка заменялась трубкой из высокотемпературной резины или меди.

Подготовка образца к испытаниям включает в себя и крепление на его поверхности датчиков продольной и поперечной деформа­ ций. В приведенных дальше экспериментах использовались раз­ личные способы регистрации деформационных характеристик. Применение того или иного способа было обусловлено условиями эксперимента и требованиями к точности определения измеряе­ мых величин.

Один из способов состоял в наклейке тензодатчиков сопротив­ ления непосредственно на поверхность образца. Хотя такой спо­ соб является нетехнологичным и относительно дорогостоящим, поскольку используемые при этом датчики имеют одноразовое применение, все же в ряде случаев он незаменим, например при изучении малых деформаций, волновых деформационных процес­ сов в условиях динамики, весьма надежен при определении упру­ гих характеристик.

В других случаях для замера продольной и поперечной дефор­ маций применялись экстензометры сопротивления. Схемы таких датчиков показаны на рис. 1.4 [70].

12

3

4

Рис. 1.4. Схемы экстензометров для регистрации продольной (а) и попереч­ ной (б) деформаций образцов.

Экстензометр для регистрации поперечной деформации образца (рис. 1.4, а) представляет собой стальное упругое полукольцо (ско­ бочку) 1, на концах которого закреплены опорные элементы в ви­ де шариков 2 и регулировочного винта 3. Перемещение опорных элементов при деформации образца вызывает прогиб скобочки, который регистрируется тензодатчиками 4, наклеенными на по­ верхности скобочки. Во всех экстензометрах использовалась мо­ стовая схема соединения датчиков сопротивления. Тарировка эк­ стензометров осуществлялась на специальных устройствах. По­ грешность измерения перемещений с помощью скобочек составляет 1 %. Замер поперечной деформации образца произво­ дился в центральной по высоте части. Крепление скобочки к об­ разцу 5 осуществлялось через стальные подпятники 6. Количество закрепленных на образце датчиков определялось задачами экспе­ римента и составляло от 1 до 4. В зависимости от величины изме­ ряемых деформаций использовались скобочки с различной толщи­ ной упругой пластины. В некоторых экспериментах поперечная деформация достигала 30 %.

Экстензометр для регистрации продольной деформации образца (рис. 1.4, б) представляет собой упругую стальную пластину 1 (балочку) с закрепленными на ее концах опорными элементами в ви­ де кернов 2, смещенных относительно центральной оси пластины. Подвижное резьбовое соединение кернов с корпусом балочки дает возможность менять базовую длину экстензометра. Прогиб балоч­ ки, вызванный соответствующим продольным перемещением кер­ нов, регистрируется тензодатчиками 3, наклеенными на балочку. Каждый экстензометр тарировался в рабочем диапазоне на специ-

13

альном тарировочном устройстве. Погрешность измерения переме­ щений с помощью данных экстензометров составляет 1 %.

Погрешность регистрации продольной деформации образцов в экспериментах определяется также способом крепления экстензометра на образце. Способ крепления в свою очередь диктуется за­ дачами и условиями проводимого эксперимента. На рис. 1.5 пока­ заны два варианта расположения датчиков деформации в сборе с образцом. В варианте на рис. 1.5, а балочка расположена между давильными поверхностями пресса. В варианте на рис. 1.5, б ба­ лочка размещена между специальными подпятниками 7, закреп­ ленными на боковой поверхности образца с помощью устройства 2, имеющего такую же конструкцию, как и скобочка, изображен­ ная на рис. 1.4, а. Оба варианта имеют свои достоинства и недо­ статки.

б

Рис. 1.5. Варианты расположения датчиков продольной деформации на образце.

При использовании варианта на рис. 1.5, а экстензометр реги­ стрирует помимо собственно деформации образца также деформа­ цию смятия неровностей на его торцах, что вносит большие по­ грешности в начальной стадии нагружения. При больших необра­ тимых деформациях (особенно в условиях высоких боковых давлений) наблюдается сильная неоднородность деформации по длине образца. Наибольшей деформации подвергается централь­ ная его часть, что приводит к образованию бочкообразной формы. Показания экстензометра в этом случае соответствуют усреднен­ ной деформации по всему образцу.

При использовании варианта на рис. 1.5, буказанные недостатки ликвидируются, однако за пределом прочности образующиеся мно­

14

гочисленные трещины могут вызвать смещение закрепленных на по­ верхности образца подпятников, что внесет погрешность в измеряе­ мые величины деформаций. В ряде экспериментов во избежание по­ тери ценной информации приходилось использовать оба варианта расположения датчиков деформации одновременно.

Измерение нагрузки на образец осуществлялось динамометрами, которые находились в контакте с образцом и располагались внутри камеры высокого давления. Динамометр представляет собой сталь­ ной цилиндрический стержень с наклеенными на его поверхности

цами динамометра и контактирующими с ними элементами конструкции при создании нагрузки. Были разра­

ботаны также жесткие динамометры иной конструкции.

1.2.2.Принцип жесткого нагружения

иконструкции жестких испытательных машин для одноосного сжатия

Как известно [6,14,15, 32,44,60], устойчивый режим деформа­ ции образца за пределом прочности возможен при условии подве­ дения к образцу в любой момент времени строго контролируемой дозы энергии, не превышающей энергоемкость деформационных и трещинообразовательных процессов, развивающихся в нем. Эле­ менты конструкции нагружающей системы при создании нагрузки на образец сами испытывают упругую деформацию и накапливают в себе упругую энергию, которая является причиной неконтроли­

15

руемого динамического разрушения образца при переходе дефор­ мационного процесса за предел прочности. Ситуации, отражаю­ щие устойчивый и неустойчивый характер деформации образца за пределом прочности, показаны на рис. 1.7, а, б. Здесь в координа­ тах «нагрузка Р—деформация Д/» изображены диаграмма образца ОАВ и характеристика жесткости нагружающей системы АС. За­ штрихованный треугольник характеризует запас упругой энергии в нагружающей системе при нагрузке, соответствующей точке А. Если запредельную ветвь диаграммы образца охарактеризовать ко­ эффициентом М* = dP/dAl, а диаграмму нагружающей системы ко­ эффициентом Мя = dP/dAltt (где А1 — деформация образца, а Д/н — деформация нагружающей системы), то ситуация устойчиво­ го деформирования за пределом прочности будет соответствовать условию Ма > М* (или MJM * > 1), а ситуация неустойчивого де­ формирования соответственно условию Ми < М* (или MJM* < 1).

Рис. 1.7. Схемы, поясняющие условия устойчивого (а) и неустойчивого {б) характера деформации за пределом прочности образца (в).

Исторически сложилось два направления по созданию машин для исследований хрупких горных пород за пределом прочности:

1)снабжение машин с относительно низкой жесткостью автома­ тизированными следящими системами, которые в соответствии со снижающейся несущей способностью образца за пределом проч­ ности сбрасывают избыточную энергию из нагружающей системы;

2)конструктивная разработка жестких принципов нагружения, снижающих возможность накопления упругой энерши в нагружа­ ющей системе при создании нагрузки на образец до такой степе­ ни, что процесс деформации за пределом прочности приобретает устойчивый характер и необходимость использования сервоконт­ роля исключается.

Описанные ниже тестовые машины относятся ко второй катего­ рии. Следует отметить, что жесткие машины второй категории не

16

в состоянии обеспечить устойчивый режим деформации на поро­ дах, у которых коэффициент запредельного деформирования М* имеет отрицательное значение (характер расположения запредель­ ной ветви диаграммы для такого случая показан на рис. 1.7, в). В этом случае неуправляемое разрушение образца будет проис­ ходить за счет упругой энергии, запасенной в самом образце, даже при абсолютной жесткости нагружающей системы. Однако, во-первых, породы с такими характеристиками встречаются до­ вольно редко, а, во-вторых, использование сервоконтролирующих устройств на нагружающих системах с собственной высокой жесткостью увеличивает надежность их работы. Авторами сделаны некоторые разработки и в этом направлении, ссылки на которые будут даны после описания основных систем.

Авторами было разработано несколько модификаций жестких испытательных машин, которые были использованыдля проведения экспериментальных исследований свойств горных пород за преде­ лом прочности. Принципиальные схемыдвух из них описаны ниже.

Показатель жесткости установки, изображенной на рис. 1.8 [78, 92, 104, 116], составляет 2 • 1010 Н/м, что дает возможность испы­ тывать на ней за пределом прочности в устойчивом режиме нагру­ жения очень хрупкие горные породы.

Высокая жесткость пресса достигнута за счет разработки прин­ ципиально новой конструкции гидромеханического нагружающе­ го привода, исключающего возможность накопления энергии сжа­ той жидкости в гидродомкрате, а также сведения до минимума числа и продольных размеров деталей конструкции, подвергаю­ щихся упругой деформации при создании нагрузки на образец.

Гидромеханический привод содержит источник А порциальной подачи жидкости в гидродомкрат, нагружающую самотормозящуюся клиновую пару В, корпус 2, в котором размещены гидродом­ крат С, механизм осадки штока гидродомкрата, выполненный в ви­ де самотормозящейся клиновой пары D, и регулировочный винт 3.

Нагружающая клиновая пара В размещена в рабочем простран­ стве монолитной жесткой рамы пресса 1. Клин 4 является одно­ временно столом, на котором устанавливается испытываемый об­ разец 5, и динамометром. Образец устанавливается в прессе без дополнительных сферических подпятников. Высокие требования к параллельности торцов образца в этом случае легко удовлетво­ ряются обработкой их в упомянутой оправке. Центровка образца на столе-динамометре осуществляется накидным кольцом б. Вер­ тикальное перемещение стола происходит в направляющем кор­ пусе 7, закрепленном в рабочем пространстве пресса.

Нагрузка на образец, передаваемая клиновой парой В, создается гидродомкратом С. Для того чтобы в гидродомкрате не происходи­ ло накопление упругой энергии сжатой жидкости, снид нощей

17

жесткость нагружающей системы, подача рабочей жидкости в не­ го осуществляется дозированными порциями. Пульсирующее дав­ ление создается с помощью плунжерного насоса А, имеющего по­ стоянную гидравлическую связь с рабочей камерой гидродомкра­ та. При перемещении плунжера 13 насоса вниз создается давление в гидродомкрате, вызывающее перемещение цилиндра 8, клино­ вой пары В, а также деформацию и нагружение образца. При пе­ ремещении плунжера 13 вверх осуществляется сброс давления в гидродомкрате до нуля. Трение в самотормозящейся клиновой па­ ре В (с углами меньше угла трения) позволяет при этом сохранить достигнутые на образце нагрузку и деформацию, а клин 10, пере­ мещаясь вниз под действием груза 11, полностью вытесняет жид­ кость из гидродомкрата обратно в насос А. Следующий нагружаю­ щий импульс насоса перемещает цилиндр 8 гидродомкрата уже из нового исходного положения.

Таким образом, объема жидкости, содержащего под плунжером насоса (1 см3), достаточно для осуществления любой по величине деформации образца (вплоть до полного разрушения) и создания соответствующих нагрузок.

Величина груза 11 подбирается из такого расчета, чтобы при данной частоте нагружающих импульсов он успевал переместить шток 9 в новое исходное положение. Груза в 10— 15 кг достаточно при работе с частотой пульсации до 300 имп/мин.

Для того чтобы усилие, создаваемое клином 10 и грузом 11, не передавалось на образец, на цилиндре 8 гидродомкрата закреплен цанговый элемент 12, создающий силу трения между корпусом 2 и цилиндром 8, достаточную для нейтрализации этого усилия.

Для увеличения скорости истечения рабочей жидкости из поло­ сти гидродомкрата после каждого рабочего импульса использова­ на упругая мембрана 14, уплотненная резиновым кольцом 15 и об­ разующая герметичную рабочую полость гидродомкрата. При по­ даче в нее рабочей жидкости мембрана упруго деформируется, передавая усилие на дно цилиндра гидродомкрата. При сбросе давления жидкость из полости вытесняется мембраной, возвраща­ ющейся в исходное положение.

Величину деформации образца за один рабочий импульс в пре­ делах от 0.001 мм до 0.05 мм можно регулировать величиной объ­ ема порции жидкости, подаваемой в гидродомкрат. Задавая вели­ чину объема порции жидкости и частоту пульсации, скорость де­ формации образца можно менять в пределах нескольких десятич­ ных порядков. Минимальная длительность опытов 5 с, что соот­ ветствует скорости деформации не более 10'3 с '1.

Рис. 1.8. Принципиальная схема жесткого пресса (а) для одноосного сжатия (вариант 1) и общий вид пресса (б).

19

Винт 3 служит для выбора зазоров при установке образца, а винт 17 — для разгрузки образца и возвращения клиньев В в исходное положение.

Регистрация продольной и поперечной деформаций образца осуществляется с помощью экстензометров 18 и 19. Погрешность измеряемых величин составляет 1 %. Нагрузка на образец регист­ рируется динамометром 4. Характеристика жесткости динамомет­ ра 1011 Н/м, погрешность регистрации усилия 3 %. Конструкция экстензометров и крепление их на образце, а также конструкция жесткого динамометра описаны в предыдущем разделе.

Максимальная нагрузка, развиваемая прессом — 500 кН. Габа­ риты пресса: 350x500x500 мм. Размер испытываемых образцов — диаметр 30 мм, длина 60 мм.

На рис. 1.9, а изображен другой вариант жесткого пресса [101, 111]. В отличие от описанного выше гидропривод данного пресса содержит ресивер 1 переменного объема, связанный трубопрово­ дом с гидродомкратом 2. Нижний клин 3 нагружающей клиновой пары расположен между гидродомкратом и упорным винтом 5 с шарниром 4. Испытание образца 7 на прессе производится следую­

Рис. 1.9. Принципиальная схема жесткого пресса для одноосного сжатия (вариант 2).

С помощью источника б в ресивере 1 создается начальное дав­ ление такой величины, чтобы количество энергии, запасенной в нем, было достаточно для осуществления деформации и разруше­ ния образца. Под действием созданного давления клин 3 с усилием распирается между корпусом 2 падродомкрата и упорным винтом 5, не передавая при этом нагрузку на образец. При выкручивании винта происходит перемещение корпуса 2 гидродомкрата, а также

20