УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК B02C7/08 

Изобретение относится к устройствам для измельчения образцов материалов, например, до микроструктуры породы, нанесенных на предметное стекло микроскопа.

При извлечении нефти и газа из подземных горных пород (породы) очень важно получить данные о характеристиках этих пород. Их получают помимо всего прочего путем исследования микроструктуры породы под микроскопом для получения представления о пористости и структуре породы.

В начале процесса измельчения кусок породы отрезают и пропитывают. Затем поверхность пропитанного куска измельчают перед тем, как поместить его на предметное стекло микроскопа и окончательно измельчить.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для измельчения образцов материалов, известное из патента SU, 710630, B 02 C 7/08, 1980.

Известное устройство, предназначенное для измельчения, например, до микроструктуры образцов породы, размещаемых на предметном стекле микроскопа, включает стол для размещения на нем измельчаемого материала и измельчающий узел, установленный над столом с возможностью вертикального перемещения. Вышеописанное устройство реализует традиционный способ измельчения, основанный на так называемом процессе "вкрапления", при котором зерна карбида кремния и водной суспензии подают на вращающийся литой чугунный диск, при этом образцы материала (предметные стекла микроскопа с образцами) размещают в одном или нескольких вращающихся держателях и прижимают к вращающемуся литому чугунному диску. При использовании этого устройства и применении зерен карбида кремния, которые играют роль мелющих тел, дисперсность продукта постепенно понижается до 30 мкм.

Известное устройство, однако, имеет ряд недостатков. Во-первых, мелющие тела впрессовывают в эпоксидную смолу в пробах материала во времени процесса "вкрапления", что приводит к появлению черных частиц в порах образцов измельченных материалов. Это в самом худшем случае может привести к тому, что образцы становятся непригодными для дальнейших анализов. Во-вторых, может произойти наклон рабочей поверхности вращающегося литого чугунного диска в процессе измельчения и его необходимо часто регулировать. Это включает значительный объем работ.

Наклон литого чугунного диска может привести к значительной неравномерности образцов материала, которые в результате этого не могут быть использованы для дальнейших испытаний.

Другим недостатком известного устройства является необходимость в операторе для контроля процесса, что повышает стоимость работы.

В основу изобретения положена задача создания устройства для измельчения образцов материалов, в котором были бы исключены вышеуказанные недостатки.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измельчения образцов материалов, например, до микроструктуры образцов породы, размещаемых на предметном стекле микроскопа, включающем поворотный стол для размещения на нем измельчаемого материала и установленный над ним с возможностью вертикального перемещения измельчающий узел, согласно изобретению измельчающий узел выполнен в виде по меньшей мере одного измельчающего шпинделя, а стол выполнен с возможностью удержания на нем множества образцов материала и снятия их, при этом измельчающий узел и поворотный стол размещены на раме и консоли, а устройство снабжено программной контрольной системой для контроля процесса измельчения.

Целесообразно, когда устройство включает два измельчающих шпинделя, одни из которых служит для грубого измельчения образцов материала, а другой - для тонкого. Предпочтительно, когда измельчающие шпиндели снабжены измельчающими дисками, выполненными из металла с вкрапленными частицами алмазов, при этом измельчающий диск выполнен в форме чаши. Желательно, когда измельчающие шпиндели размещены на тележке или салазках, установленных с возможностью передвижения в вертикальном направлении по рельсам посредством серводвигателя и пары винт - гайка. Рекомендуется поворотный стол установить с возможностью дополнительного вибрационного движения относительно измельчающих шпинделей и смонтировать на каретке или салазках, которые расположены с возможностью передвижения вдоль рельсов посредством серводвигателя и пары винт - гайка.

Для удержания образцов материала по окружности поворотного стола выполнен ряд отверстий, сообщенных с источником вакуума.

Валы поворотного стола и измельчающих шпинделей установлены на опорных подшипниках посредством пружинного устройства таким образом, что вал свободно раздвигается под влиянием тепла без сдвига поворотного стола или измельчающих шпинделей, при этом вал установлен с опорой на два упорных шариковых подшипника, размещенных в контакте друг с другом и имеющих различные диаметры и число шариков.

Устройство, выполненное согласно изобретению:
существенно проще в работе,
дает значительно большую точность процесса измельчения,
исключает внедрение мелющих зерен в образцы материалов,
требует минимального участия оператора,
создает существенно более тонкую и равномерную поверхность измельченных образцов материалов,
сокращает время, связанное с последующим полированием образцов материалов,
создает высокую производительность процесса измельчения.

Изобретение далее будет описано посредством примеров со ссылками на фигуры, на которых показаны:
фиг. 1 изображает а) вид спереди, в) вид сбоку, с) вид сверху устройства для измельчения в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - в увеличенном масштабе опору для измельчающего шпинделя устройства для измельчения;
фиг. 3 - в увеличенном масштабе вид сверху поворотного стола в соответствии с изобретением;
фиг. 4 - два примера образцов материала, измельченных двумя способами: а) устройством для измельчения в соответствии с изобретением; в) известным устройством в соответствии со способом "вкрапления".

Устройство в соответствии с изобретением, как показано на фиг. 1, состоит из четырех основных частей, а именно конструкции рамы с консолью 1, устройства 2 измельчающего шпинделя, поворотного стола 3 и узла управления 4.

Конструкция 1, включающая раму и консоль, спроектирована таким образом, чтобы поглощать большие энергии во время процесса измельчения, когда используется устройство для измельчения, и поэтому изготовлена из мощных стальных балок и ребер жесткости 5, 6, 7 для обеспечения достаточной стабильности и предотвращения неравномерности измельчения образцов. Относительно других деталей рамы и консоли необходимо отметить, что эти детали относятся к компетенции специалистов в данной области и далее не будут здесь описаны.

Устройство 2 измельчающего шпинделя включает, как показано на фиг. 1, два шпинделя-измельчителя, размещенных над поворотным столом 3, один из которых предназначен для грубого помола, другой - для тонкого измельчения, каждый из которых приводится в движение электродвигателем 8. Каждый шпиндель 2 и двигатель 8 опираются на салазки или каретку 9, которая может передвигаться в вертикальном направлении по рельсам 10 консольной конструкции.

Каретка 9 со шпинделем 2 может перемещаться вверх и вниз при помощи устройства 11 высокой точности "винт - гайка", которое управляется серводвигателем 12. Устройство для измельчения в соответствии с изобретением, как указано выше, спроектировано для того, чтобы производить тонкое измельчение проб материалов до дисперсности 20-30 мкм с точностью ± 1 мкм. Для того чтобы предотвратить отклонение в процессе измельчения в связи с тепловым расширением, измельчающий шпиндель 2 опирается на специальную опору 13 на салазках 9, что показано далее в увеличенном масштабе на фиг. 2. Детально изображены тефлоновые набивки 14, упорные контактные шариковые подшипники 15 и 16, винтовые пружины 17, радиальный контактный шариковый подшипник 18, запорная гайка 19, вал 20 шпинделя и центрирующее кольцо.

В качестве опоры используются упомянутые выше подшипники с различным диаметром и числом шариков, поскольку это предотвращает нежелательные оттиски на поверхности измельченных образцов материалов. Винтовые пружины осуществляют постоянное давление на подшипник 18, особенно на нижние опорные подшипники 15 и 16, что приводит к тому, что любой перегрев шпинделя не создает отклонения его положения относительно поверхности измельчения. Другими словами, вал шпинделя может свободно раздвигаться вверх. Тефлоновое уплотнение обеспечивает низкий коэффициент трения, что приводит к невысокому выделению тепла в кожухе шпинделя. Что касается конструкции измельчающих шпинделей, они состоят из алмазных частиц, вкрапленных в металлический материал, сформированный в виде дисков 21, выполненных предпочтительно в форме чаши для обеспечения интенсивного охлаждения во время процесса измельчения. Использование алмазных дисков является существенным преимуществом изобретения, поскольку образцы материалов получаются абсолютно чистыми и в составе измельченного материала отсутствуют нежелательные частицы.

На фиг. 4 показаны два примера образцов материала, измельченных посредством: а) устройства для измельчения в соответствии с изобретением и в) известного устройства в соответствии со способом "вкрапления". На фиг. 4 показано, что в образце имеется несколько нежелательных частиц 30 в материале структуры. Образец материала, показанный на фиг. 4а, не содержит подобных частиц.

Поворотный стол 3 (фиг. 2), который составляет третий важнейший элемент конструкции, включает круглый диск, который посредством ремня 22 или подобного устройства приводится в действие электродвигателем 23. Диск 3 с ведущими зубчатыми колесами 22 и 23 расположен на каретке, салазках и т.п. деталях 24, которые расположены на рельсах 25 рамы 5 с возможностью их передвижения. Каретка может передвигаться посредством сервомотора через устройство "винт - гайка", аналогичное устройству, которое уже было использовано для подъема и опускания измельчающего шпинделя 2.

Путем устройства поворотного стола, движущегося, как было указано выше, обеспечивается комбинированное вибрационное и вращательное движение образцов материала, которое обеспечивает равномерное их измельчение.

Образцы измельчаемых материалов удерживаются на столе 3 с возможностью снятия их при помощи вакуума. На фиг. 3 показан в увеличенном масштабе вид сверху поворотного стола 3, согласно изобретению. Поворотный стол изготовлен из латуни, причем напряжения в материале сняты, и имеет несколько отверстий 28, соединенных с канавками или выемками 31, которые образуют структуру с равными расстояниями между ними и соединены с источником вакуума (не показан). Общее количество подобных отверстий с канавками составляет 40, в которые может быть помещено соответствующее количество образцов.

Во время процесса измельчения на поворотный стол подается вода для охлаждения образцов материала через одну или несколько насадок, расположенных над столом. На фигурах это в дальнейшем не показано.

Четвертой основной частью, которую включает настоящее изобретение, является программный, логический контроль (ПЛК), составляющий контрольную систему 4, управляющую подачей раствора. Для управления системой ПЛК удобно применять так называемый "дисплей с сенсорным экраном", в котором различные меню с сенсорными кнопками используются для контроля устройства для измельчения. Вся система управления выведена на плату управления, размещенную на устройстве для измельчения или предпочтительно на отдельную плату управления, которая легко доступна для оператора.

Эта система ПЛК не является патентоспособной, поскольку она имеется в продаже и поэтому техническое решение системы ПЛК более описано не будет. Однако впоследствие будет дано краткое описание того, каким образом измельчитель управляется посредством системы ПЛК.

Когда основной выключатель повернут вокруг своей оси, это означает, что поворотный стол и измельчающие шпиндели вернулись в нулевую точку, так называемую "ориго". Одновременно текст "Поиск ориго" появится на дисплее оператора. Когда устройство готово к работе, на дисплее появится главное меню. Например, может быть предложен выбор между автоматическим измельчением образцов породы, автоматическим измельчением пластины стекла или измельчением вручную.

Если из всего главного меню выбирается измельчение вручную, на дисплее появляется подменю, которое включает выбор частоты вращения поворотного стола и выбор двигателя, который желательно использовать. Если выбраны процессы тонкого измельчения или грубого измельчения, на дисплее появятся другие подменю, относящиеся к ручному управлению процессом измельчения. При этом также возможно заложить в компьютер и сохранить в памяти основные параметры, которые позднее могут быть использованы для полностью автоматического измельчения, т. е. при измельчении образца при сохранении заданных параметров устройство может повторять процесс измельчения автоматически.

Выбор конечной позиции вибрационных движений поворотного стола производится отдельной строкой меню. В этой же строке может быть запрограммирована скорость автоматического измельчения.

Перед выбором автоматического режима измельчения образец материала сначала помещается на поворотный стол, включается подача вакуума и охлаждающей воды. Затем автоматически измельченный стеклянный образец или автоматически измельченный образец породы выбирается из главного меню. После того, как это проделано, появляются соответствующие подменю и становится возможным начать и остановить процесс измельчения по программе.

При этом весь процесс измельчения может быть произведен путем грубого и тонкого измельчения при одновременной вибрации поворотного стола до тех пор, пока не будет окончена операция измельчения. После этого поворотный стол задвигается обратно в начальное положение и образцы материалов готовы для дальнейшей обработки и анализа.

Относительно процесса измельчения необходимо отметить, что предпочтительно использовать два помольных колеса, как описано выше, поскольку это сокращает время измельчения. В этом случае образцы материалов измельчаются сначала грубо до толщины, соответствующей, например, 100 мкм при помощи диска грубого помола перед тем, как они измельчаются диском тонкого помола до желаемой толщины, например, 30 мкм. Изобретение, как определено в пунктах заявки, однако, не ограничивается двумя помольными дисками, но может быть снабжено только одним диском либо более чем тремя дисками этого типа.

Устройство включает конструкцию, состоящую из рамы и консоли с поворотным столом, который устроен так, что в нем удерживается множество образцов материалов. Над поворотным столом расположен по крайней мере один измельчающий шпиндель, который может перемещаться в вертикальном направлении. Программная контрольная система регулирует процесс измельчения. Обеспечивается большая точность процесса измельчения, исключается внедрение мелющих зерен в образцы материала при высокой производительности процесса измельчения. Предусмотрено использование двух измельчающих шпинделей для грубого и тонкого измельчения образцов материала. Измельчающие диски шпинделей имеют вкрапленные в них частицы алмаза. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измельчения образцов материалов, например, до микроструктуры образцов породы, размещаемых на предметном стекле микроскопа, включающее поворотной стол для размещения на нем измельчаемого материала и установленный над ним с возможностью вертикального перемещения измельчающий узел, отличающееся тем, что измельчающий узел выполнен в виде по меньшей мере одного измельчающего шпинделя, а стол выполнен с возможностью удержания на нем множества образцов материала и снятия их, при этом измельчающий узел и поворотный стол размещены на раме и консоли, а устройство снабжено программной контрольной системой для контроля процесса измельчения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно включает два измельчающих шпинделя, один из которых служит для грубого измельчения образцов материала, а другой - для тонкого. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что измельчающие шпиндели снабжены измельчающими дисками, выполненными из металла с вкрапленными частицами алмазов. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что измельчающий диск выполнен в форме чаши. 5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что измельчающие шпиндели размещены на тележке или салазках, установленных с возможностью передвижения в вертикальном направлении по рельсам посредством серводвигателя и пары винт - гайка. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотный стол установлен с возможностью дополнительного вибрационного движения относительно измельчающих шпинделей. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что поворотный стол смонтирован на каретке или салазках, которые расположены с возможностью передвижения вдоль рельсов посредством серводвигателя и пары винт - гайка. 8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что для удержания образцов материала по окружности поворотного стола выполнен ряд отверстий, сообщенных с источником вакуума. 9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что валы поворотного стола и измельчающих шпинделей установлены на опорных подшипниках посредством пружинного устройства так, что вал свободно раздвигается под влиянием тепла без сдвига поворотного стола или измельчающих шпинделей. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что вал установлен с опорой на два упорных шариковых подшипника, размещенных в контакте друг с другом и имеющих различные диаметры и число шариков.