Використання циклічних навантажень для оцінки міцності крихких матеріалів і гірських порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчуцький державний політехнічний університет

ДП «Український науково-дослідний інститут вагонобудування»

Використання циклічних навантажень для оцінки міцності крихких матеріалів і гірських порід

Чебуров С.А., Мисліцький С.М.

У технологічних процесах гірничого виробництва до гранулометричного складу гірської маси висуваються певні вимоги. На стадії видобутку корисних копалин якість гірської маси можливо поліпшити за рахунок збільшення питомих витрат вибухових речовин (ВР), а також вибором певного типу ВР за бризантністю, а на стадії переробки отриманої маси - регулюванням параметрів механічного навантаження і енергетичних витрат на подрібнення. Ступінь подрібнення залежить від параметрів імпульсного навантаження та енергетичних характеристик. При цьому, під час вибухового або механічного впливу відбувається розвиток природних і виникнення та розвиток мікро- та макротріщин, які обумовлені штучним ушкодженням. Крім того, під час вибуху виникають тріщини, які не розвиваються, але певним чином впливають на міцність отриманої сировини.

Підвищення кількості та концентрації дефектів у результаті вибухового або механічного впливу призводить до зміни міцносних властивостей порід.

Аналіз стану проблеми. З огляду на те, що від якості щебеня залежить ефективність роботи переробних підприємств і їх економічні показники, дослідження впливу динамічних неруйнуючих навантажень на міцносні властивості крихких матеріалів і гірських порід являють собою значний науковий і практичний інтерес, однак дотепер немає прийнятної методики, що дозволяє здійснити кількісну оцінку цього впливу.

Найбільш розповсюдженою методикою оцінки механічних властивостей порід є визначення міцносних характеристик за показником опору одновісному стисненню [1]. Пропонується перспективна методика оцінки міцності крихких матеріалів і гірських порід за допомогою циклічних навантажень, що дозволить використати ефект розміцнення для зниження енергетичних витрат на подрібнення.

Мета роботи. Оцінка міцності крихких матеріалів і гірських порід за допомогою циклічних навантажень та порівняння результатів роботи з результатами статичних випробувань при різних ступенях попереднього імпульсного навантаження.

Матеріал і результати досліджень. Експериментальні дослідження проводили на зразках з лабрадориту. Зразки правильної геометричної форми у вигляді призм з висотою 80 мм і квадратним перерізом 40х40 мм вирізали з одної плити на каменерізальній машині. Відношення Ѕ ширини перерізу до висоти забезпечує стабільність результатів дослідів і дозволяє отримати близькі величини при випробуваннях статичними та циклічними навантаженнями 1. Паралельність площин навантаження зразків гірських порід забезпечували шліфуванням для зменшення коефіцієнту зовнішнього (контактного) тертя 2.крихкий циклічний навантаження імпульсний

Випробовування зразків статичними стискаючими навантаженнями проводили на універсальній машині ЕDZ-100.

Як основне обладнання в процесі випробувань циклічними навантаженнями застосовували типову гідропульсаторну установку ЦДМ-200ПУ з максимальним динамічним навантаженням не менше 800 kН і частотою 331 цикл за хвилину (5,5 Гц), що забезпечувало:

- можливість систематичного контролю заданого режиму навантаження;

- стабільність і точність встановленого режиму навантаження (рекомендується забезпечувати точність підтримання величин силових параметрів у межах 5%);

- автоматичну реєстрацію кількості циклів навантаження N.

Вихід на режим навантаження та його постійний контроль у процесі випробувань виконували за показаннями штатних силовимірювальних пристроїв випробувального стенду та за допомогою реєстрації сигналу тензорезисторів, які встановлювали на зразках в середньому перерізі паралельно повздовжній вісі зразка (рис. 1).

Як первинні вимірювальні перетворювачі (датчики) використовували тензорезистори з базою 0,02 м, опором R_д = 200,3-200,7 Ом для реєстрації змін напруг і сил у зразку в результаті деформацій. Масштабним перетворювачем виступав тензометричний багатоканальний підсилювач М-1000, як реєструючий прилад - світлопроменевий осцилограф Н145.

Процес циклічного навантаження при виконанні експериментальних досліджень був знакопостійним (рис.2).

Рисунок 1. Схема випробувань зразка гірської породи вертикальним циклічним навантаженням: 1 - зразок; 2 - тензорезистор

Рисунок 2. Процес циклічного навантаження: P_max - максимальне навантаження циклу; P_min - мінімальне навантаження циклу; P_m - середнє навантаження; P_a - амплітуда; P_2a - розмах; Т - період

Перед проведенням експериментів установлена достатня кількість дослідів з метою їх скорочення до мінімуму. За базову кількість циклів, після досягнення якої продовження випробувань є недоцільним, було прийнято N = 250 тис.циклів. У процесі проведення випробувань здійснювали контроль заданого режиму навантаження та кількості циклів до руйнування (або досягнення бази випробувань) зразка.

Середнє значення величини руйнуючого статичного навантаження при одновісному стисненні еталонних зразків Р_СР = 135 кН. Режим циклічного навантаження вибирали таким чином, щоб максимальне зусилля не перевищувало Р_max ? 0,8·Р_СР = 108 кН. Рівень максимального, мінімального навантаження і, відповідно, амплітуди варіювали.

Для визначення оптимального режиму циклічного навантаження з метою його подальшого використання на основних етапах випробувань першу серію експериментів провели на еталонних зразках при Р_max = 108 кН (табл.1).

Таблиця 1. Результати динамічних випробувань еталонних зразків при максимальному навантаженні циклу Р_max = 108 кН

Зразок №1 мав внутрішній дефект, а зразок №2 було зруйновано під час виходу на режим навантаження.

З метою підвищення достовірності досліджень за рахунок збільшення кількості циклів до руйнування в подальших серіях експериментів фіксоване максимальне навантаження циклу було зменшено до P_max = 90 кН.

Таблиця 2. Результати динамічних випробувань еталонних зразків при максимальному навантаженні циклу Р_max = 90 кН

Зразки №8 та №12 мали внутрішній дефект.

Для проведення експериментальних досліджень ступеня розміцнення зразків (призм з лабрадориту) вибухом накладного заряду тена в них робили спеціальне заглиблення (лунку) діаметром 10 мм та глибиною 3 мм. Результати статичних випробувань показали, що наявність такої лунки не впливає на міцність зразка в порівнянні з еталонною. Динамічні випробування таких зразків проводили на режимі 9/4, тобто максимальне навантаження P_max=90 кН, мінімальне - P_min=40 кН, розмах, відповідно, - P_2а=50 кН.

Таблиця 3. Результати динамічних випробувань еталонних зразків з лункою

Згідно з даними табл. 3 наявність лунки не впливає на міцність зразка, принаймні, в бік її зниження.

У наступних серіях експериментів порівнювали ступінь розміцнення зразків після впливу неруйнуючого вибухового навантаження утвореного накладними зарядами тена, які були розміщені насипом у лунці. Використовували заряди масою 100 та 200 мг. У першому випадку зразки не мали видимих ознак руйнування, іншому - зразки з видимою сіткою тріщин у верхній частині та з отколами фрагментів Перед кожним етапом випробувань на динаміку проводили статичні випробування, які не показали зменшення міцності зразків. Динамічні випробування проводили при P_max=90 кН, P_min=40 кН, P_2а = 50 кН.

Таблиця 4. Результати динамічних випробувань зразків після вибухового неруйнуючого впливу утвореного накладними зарядами тена 100 мг

Зразок №19 було зруйновано під час виходу на режим навантаження.

Усі зразки після вибухового неруйнуючого впливу, утвореного накладними зарядами тена 200 мг, було зруйновано при динамічних випробуваннях під час виходу на режим навантаження.

Висновки

Результати випробувань свідчать про те, що опір зразків циклічним навантаженням, на відміну від статичних, різко знижується після неруйнуючого імпульсного впливу, особливо при наявності видимих ушкоджень зразка.

Із проведених досліджень випливає, що методика оцінки міцності порід за результатами випробувань циклічними навантаженнями є більш точною та чуттєвою, особливо до виявлення внутрішніх дефектів і неоднорідностей матеріалу та є перспективною для визначення характеристик розміцнення крихких матеріалів і гірських порід при неруйнуючих імпульсних впливах.

Література

1. Свойства горных пород и методы их определения / Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. - М.: Недра, 1969. - 393 с.

2. Прочность и деформируемость горных пород / Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. - М.: Недра, 1979. - 269 с.

Размещено на Allbest.ru