Устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород

Изобретение относится к исследованию механических свойств горных пород, а именно к устройству для определения энергоемкости разрушения горных пород. Технический результат заключается в обеспечении равномерного нагружения испытуемой горной породы, а также упрощении конструкции устройства без ухудшения его характеристик. Устройство включает станину, перфорированный стакан, нажимной и упорный пуансоны и нагрузочный винт с установленными на нем резьбовыми гайками. При этом 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%. 1 ил.

 

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.

Нагрузочный винт 6 выполнен с двумя одинаковыми по направлению участками резьбы разного шага h₁, и h₂, причем шаг резьбы h₁ участка нагрузочного винта 6, взаимодействующего с резьбовой гайкой 7 нажимного пуансона 4, больше шага резьбы h₂ участка нагрузочного винта 6, взаимодействующего с резьбовой гайкой 8 упорного пуансона 5: h₁>h₂, 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.

В связи с тем, что h₁>h₂, 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.

Так как шаги резьбы на участках нагрузочного винта 6, взаимодействующих с резьбовыми гайками 7 и 8, принимаются разными, а именно как h₁ и h₂, то смещение нажимного 4 и упорного 5 пуансонов относительно друг друга Δl определится разницей l₁-l₂ 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:

Зависимость (5) особенна тем, что в знаменателе дроби заключено выражение (tgλ₁-tgλ₂), что позволяет изменением углов наклона резьбы λ₁ и λ₂ достигать весьма малых значений знаменателя, что в свою очередь приведет к многократному увеличению силы Р.

Уже при разнице углов наклона резьбы λ₁ и λ₂ на 5%:

λ₁=20° и λ₂=21°, tgλ₁=0,3640, tgλ₂=0,3839

(tgλ₁-tgλ₂)=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.

Устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород, включающее станину, перфорированный стакан, нажимной и упорный пуансоны и нагрузочный винт с установленными на нем резьбовыми гайками, отличающееся тем, что 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%.