СПОСОБ И СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМОГО ДО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА В ФОРМЕ КОЛЬЦА Российский патент 2002 года по МПК G01N3/08 E21C39/00 G01N27/00 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при дефектоскопии изделий техники, а также при исследованиях электромагнитных полей, излучаемых горными породами в процессе их разрушения, в частности в целях прогнозирования динамических проявлений горного давления.

Известен способ прогноза разрушения горных пород по авт.св. 1740665, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ 22, 1992 г., включающий регистрацию во времени импульсов электромагнитного излучения (ЭМИ), измерение их амплитуды и определение скорости изменения амплитуды максимальной спектральной составляющей импульсов во времени, при этом дополнительно регистрируют минимальное значение скорости изменения амплитуды максимальной спектральной составляющей импульсов и по моменту возникновения этого минимального значения определяют приближение процесса разрушения.

Недостатком этого способа является то, что он предназначен для регистрации сигналов ЭМИ массива горных пород, а поэтому неэффективен при экспериментах в лабораторных условиях с образцами твердых тел небольших размеров, выполненных, в частности, в форме колец, поскольку кольцо не может выполнять роль массива.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ исследования ЭМИ при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra // Nature, vol. 254, March 13, 1975, p. 133-134), согласно которому деформируемый металлический стержень помещают по оси выполненной в форме полуцилиндра металлической пластины, которую используют в качестве обкладки конденсатора и от боковой поверхности которой делают отвод для подключения к первому входу регистратора, в качестве которого используют запоминающий осциллограф, а деформируемый металлический стержень используют в качестве второй обкладки конденсатора, подключают ко второму входу регистратора и заземляют.

Недостатком этого способа является невозможность использования в качестве деформируемого твердого тела образцов из твердых диэлектриков, например горных пород, так как они по своим физическим свойствам не могут служить обкладкой конденсатора и не могут быть заземлены.

Еще одним недостатком этого способа является невозможность использования образцов твердых тел в форме колец.

Известно устройство для испытания кольцевых образцов по авт.св. СССР 1610378, кл. G 01 N 3/10, опубл. в БИ 44, 1990 г. Оно предназначено для испытания образцов в виде соосных кольцевых пластин. Устройство содержит две кольцевые камеры, установленные концентрично, при этом внутренняя стенка наружной камеры и внешняя стенка внутренней камеры выполнены эластичными, крышки, установленные на торцах камер так, что они образуют с эластичными стенками камер межкамерную полость для размещения ступенчатого образца в виде соосных кольцевых пластин, соединенных внахлестку, при этом каждая из крышек выполнена с кольцевым выступом на ее внутренней поверхности, размещенным напротив впадины другой крышки, наружный диаметр одного из выступов равен большему диаметру межкамерной полости, внутренний диаметр другого равен меньшему диаметру межкамерной полости, а высота выступов выбрана так, что расстояние между ними вдоль оси составляет не более половины толщины эластичных стенок.

Недостатком этого устройства является то, что нагружающее усилие в нем создается с помощью жидкости, подаваемой под давлением, или сжатого воздуха, что резко усложняет конструкцию в целом, кроме того, оно предназначено для испытания кольцевых образцов сложной ступенчатой формы в виде соосных кольцевых пластин, соединенных внахлестку, что также усложняет конструкцию устройства. Кроме того, оно не имеет приспособлений для регистрации ЭМИ, возникающего при деформировании колец.

Известно также устройство для испытания на длительную прочность кольцевых образцов (В. Г. Черепанов. Испытания на длительную прочность при помощи кольцевых образцов // Заводская лаборатория, 7, 1960 г., с. 852-854), включающее приспособление, в котором устанавливают образец-кольцо и при помощи четырех полуцилиндрических выступов подвергают его чистому растяжению. Приспособление для испытания кольцевых образцов, изготовленное из жаропрочной стали, помещают вместе с образцом в электропечь испытательной машины, где выдерживают при заданной температуре и напряжении до разрушения. Приспособление включает два стержня, которые закрепляют на испытательной машине. К стержням крепятся захваты с полуцилиндрическими выступами, на которые устанавливают образец-кольцо.

Недостатком этого устройства является его предназначенность для испытания колец относительно высокой прочности, что требует использования специального пресса, обеспечивающего усилие в несколько тонн. Вследствие этого оно неэффективно при исследованиях колец, стенка которых составляет 1-5 мм. Кроме того, оно не позволяет регистрировать возникающее при разрушении кольца ЭМИ.

Известно устройство для испытания на длительную прочность кольцевых образцов (В. Н.Гуляев, В.И.Строкопытов. К испытаниям кольцевых образцов из паронагревательных труб на длительную прочность // Заводская лаборатория, 5, 1973 г., с. 611-613). Используется приспособление из двух тяг, вблизи концов которых выполнены кольцевые проточки, формирующие полуцилиндрические выступы. В проточки помещают кольцо, к тягам прикладывают внешние усилия.

Недостатком этого устройства является его назначение для испытаний колец с усилиями на разрыв до 900 кгс, что делает его громоздким и металлоемким при испытаниях малогабаритных колец. Кроме того, оно не имеет приспособлений для регистрации ЭМИ.

Известно также устройство для испытания на длительную прочность кольцевых образцов (М.Б.Асвиян и И.А.Азизов. К вопросу о методике испытания труб на длительную прочность // Заводская лаборатория, 9, 1966 г., с. 1122-1123). Для испытания колец на длительную прочность на испытательной машине типа ИП-4 используется приспособление, изготовленное из жаропрочной аустенитной стали, состоящее из тяг, ввинчиваемых в захваты машины, и щек, имеющих полукруглые пазы, формирующие полуцилиндрические выступы, куда устанавливается образец-кольцо. Щеки стягиваются гайками и болтами. К тягам прикладывается усилие от испытательной машины, за счет которого кольцо растягивается усилиями, передаваемыми на него от полуцилиндрических выступов.

Недостатком этого устройства является использование в качестве нагрузочного устройства испытательной машины, создающей усилие свыше 1 тc, вследствие чего описанное устройство предназначено для испытания растяжением колец прочностью на растяжение до 100 МПа. Оно неэффективно при испытании колец прочностью 1-5 МПа вследствие металлоемкости и громоздкости. Кроме того, оно не имеет приспособлений для регистрации ЭМИ деформируемых колец.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности, достигаемому результату и совокупности существенных признаков является стенд для исследования ЭМИ при растяжении образцов твердых тел в форме металлических стержней (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra // Nature, vol. 254, March 13, 1975, p. 133-134), включающий заключенные в электромагнитный экран основание, емкостной датчик и нагрузочное устройство, включающее раму, состоящую из закрепленной на основании неподвижной плиты, установленных на ней колонн и передвигаемой по ним подвижной плиты, кроме того, на основании установлена неподвижная втулка, в которой закреплен один конец растягиваемого твердого тела в форме стержня, второй конец которого закреплен в подвижной втулке, размещенной под подвижной плитой, при этом подвижная втулка связана подвижной тягой с приводом устройства, кроме того, вокруг растягиваемого твердого тела в форме стержня размещена выполненная в форме полуцилиндра металлическая пластина, снабженная отводом для подключения к первому входу запоминающего осциллографа и служащая одной из обкладок емкостного датчика, при этом второй его обкладкой служит растягиваемый стержень, подключенный ко второму входу запоминающего осциллографа.

Техническая задача предлагаемого решения состоит в обеспечении возможности исследования сигналов ЭМИ при деформировании твердых тел, в том числе горных пород, в форме колец растягивающим усилием за счет регистрации параметров возникающего при его деформировании ЭМИ с помощью емкостного и тензометрического датчиков.

Поставленная задача решается тем, что в способе исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца, включающем установку его на стенде между обкладками емкостного датчика ЭМИ, деформирование его растягивающей нагрузкой путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего раму и противоположно установленные на ней неподвижную и подвижную тяги, в которых размещено деформируемое твердое тело, при этом подвижной тяге сообщают поступательное движение, преобразование с помощью указанного емкостного датчика возникающего в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела сигнала ЭМИ и регистрацию его системой регистрации, согласно техническому решению внешнее усилие от нагрузочного устройства к деформируемому кольцу передают с помощью полуцилиндрических выступов, которыми снабжены подвижная и неподвижная тяги и на которые надето деформируемое кольцо, при этом поступательное движение подвижной тяге сообщают с помощью подвижного винта со штурвалом, установленного на раме нагрузочного устройства, и регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва упомянутого кольца, с помощью установленного на ней тензометрического датчика, причем сигналы емкостного и тензометрического датчиков регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации соответственно, и по результатам регистрации дополнительно судят о временном интервале между возникновением сигнала ЭМИ и моментом разрушения деформируемого твердого тела.

Деформирование образца в форме кольца растягивающей нагрузкой осуществляют с помощью нагрузочного устройства благодаря установке деформируемого кольца на полуцилиндрических выступах неподвижной и подвижной тяг и придания подвижному винту, к которому присоединена подвижная тяга с полуцилиндрическим выступом, поступательного движения в момент приложения нагрузки к кольцу за счет поворота штурвала, смонтированного на свободном конце подвижного винта, что обеспечивает при растяжении кольца трещинообразование и разрушение кольца. При этом на берегах формирующихся трещин возникают заряды, колебания которых сопровождаются ЭМИ, что позволяет регистрировать возникающее ЭМИ и исследовать его особенности при разрывной деформации колец.

В стенде для исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца, включающем заключенные в электромагнитный экран основание, емкостной датчик и нагрузочное устройство, включающее раму, закрепленную на основании, противоположно установленные неподвижную и подвижную тяги, причем неподвижная тяга закреплена на стенке рамы с внутренней стороны, и систему регистрации, согласно техническому решению подвижная тяга соединена с подвижным винтом, на противоположном конце снабженным штурвалом, при этом неподвижная и подвижная тяга снабжены полуцилиндрическими выступами, на которых установлено деформируемое кольцо, и размещены между обкладками емкостного датчика, закрепленными на заземленном основании стенда, причем одна из обкладок емкостного датчика установлена через изолирующую прокладку и соединена с первым каналом системы регистрации, а вторая соединена с заземленным основанием, при этом на неподвижной тяге установлен тензометрический датчик, соединенный со вторым каналом системы регистрации.

Исследование ЭМИ, возникающего в процессе деформирования кольца растяжением, осуществляют путем размещения его на полуцилиндрических выступах неподвижной и подвижной тяг между обкладками емкостного датчика ЭМИ, пластины которого закреплены на заземленном основании стенда с разных сторон относительно тяг с деформируемым кольцом. При этом одна из обкладок емкостного датчика ЭМИ, закрепленных на заземленном основании, соединена экранированным проводом с первым каналом системы регистрации, а вторая - с основанием.

Поворотом штурвала на подвижном винте за счет внешнего усилия сообщают поступательное движение подвижному винту и соединенной с ним подвижной тяге с полуцилиндрическим выступом, последний сообщает кольцу растягивающее усилие, возникающее при одновременном воздействии на кольцо подвижного и неподвижного полуцилиндрических выступов соответственно подвижной и неподвижной тяг. При этом формируют электрические заряды на берегах микротрещин и трещин. Колебания и движение берегов трещин сопровождаются колебаниями электрических зарядов, что приводит к появлению ЭМИ. Последнее преобразуют емкостным датчиком и регистрируют системой регистрации.

Таким образом, рассматриваемый стенд обеспечивает исследование сигналов ЭМИ при деформировании твердых тел в форме колец растягивающим усилием.

Сущность предлагаемою технического решения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид стенда для исследования ЭМИ деформируемых образцов твердых тел в форме колец, на фиг.2 - вид А на фиг.1, на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца реализуют с помощью стенда, предназначенного для этой цели.

Стенд состоит из заземленного основания 1 (фиг.1), на котором с помощью болта 2 закреплена кольцевая рама 3 нагрузочного устройства, в верхней части которой установлен подвижный винт 4 со штурвалом 5. К болту 2 и подвижному винту 4 с помощью фигурных гаек 6 закреплены тяги - неподвижная 7 и подвижная 8 нагрузочного устройства. Головки тяг 7 и 8 закреплены в гнездах фигурных гаек 6 через подшипники 9, выполненные из изоляционного материала. Неподвижная тяга 7 и подвижная тяга 8 снабжены одинаковыми по форме и размерам полуцилиндрическими выступами 10 и 11 соответственно (фиг.2), на которых установлен выполненный в виде кольца 12 деформируемый до разрушения образец твердого тела. С двух сторон относительно тяг 7 и 8 с кольцом 12 размещены обкладки 13 и 14 емкостного датчика 15 ЭМИ. Обкладки 13 и 14 емкостного датчика 15 ЭМИ закреплены на заземленном основании 1, причем обкладка 14 - через изолирующую прокладку 16. Обкладка 13 соединена с заземленным основанием 1. Обкладка 14 (выполнена, например, полуцилиндрической формы - фиг.3) соединена экранированным проводом 17 с первым каналом системы регистрации. На неподвижной тяге 7 установлен тензометрический датчик 18, соединенный экранированным проводом 19 со вторым каналом системы регистрации. Последняя состоит из усилителя 20 сигналов ЭМИ, снимаемых с обкладки 14 емкостного датчика 15, усилителя 21 сигналов тензометрического датчика 18 и компьютера 22, подключенного к их выходам.

Заявляемый способ осуществляют с использованием заявляемого стенда следующим образом.

Деформируемое твердое тело, ЭМИ которого предполагают исследовать, выполненное, например, из горной породы в форме кольца 12, размещают на полуцилиндрических выступах 10 и 11 неподвижной тяги 7 и подвижной тяги 8. Затем вручную поворачивают штурвал 5 подвижного винта 4, за счет чего последний перемещают вверх (фиг.1), увлекая вверх тягу 8. Последняя через полуцилиндрический выступ 11 начинает перемещать вверх верхнюю часть деформируемого кольца 12. При этом нижнюю часть кольца 12 удерживают от перемещения полуцилиндрическим выступом 10 неподвижной тяги 7. Усилия, передаваемые полуцилиндрическими выступами 10 и 11 кольцу 12, направлены в противоположные стороны, и последнее начинает растягиваться, приобретая форму овала. На следующем этапе при дальнейшем повороте штурвала 5 подвижную тягу 8 продолжают двигать вверх, растягивая стенки превратившегося в овал кольца 12. На наиболее слабом участке стенок овала начинает формироваться шейка, а в материале последней - микротрещины и трещины, на берегах которых формируются электрические заряды, движение последних совместно со стенками микротрещин и прорастающих трещин приводит к возникновению ЭМИ. Волны ЭМИ, достигая обкладок 13 и 14 емкостного датчика 15, формируют в нем электрические заряды, что сопровождается появлением электрического тока во внешней цепи емкостного датчика 15 (обкладка 14 - провод 17, усилитель 20 - земля - заземленное основание 1 - обкладка 13). Между обкладками 13 и 14 емкостного датчика 15 электрическая цепь замыкается посредством электромагнитного поля. Возникший в этой цепи ток подают на усилитель 20 сигналов ЭМИ и далее на первый вход компьютера 22, где полученные сигналы обрабатывают и анализируют. Результат выдают, например, в виде осциллограмм на мониторе компьютера 22.

Тензометрический датчик 18, наклеенный на неподвижную тягу 7 и соединенный по мостовой схеме с усилителем 21 через провод 19, позволяет контролировать величину усилия в неподвижной тяге 7, а следовательно, и величину усилия, приложенного к кольцу 12. Сигнал с тензометрического датчика 18 по экранированному проводу 19 поступает на усилитель 21 и далее - на второй вход компьютера 22. Система регистрации выдает синхронные осциллограммы ЭМИ и нагрузки, по которым судят о временном интервале между возникновением сигнала ЭМИ и моментом разрыва кольца.

Таким образом, заявляемый способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца в совокупности с заявляемым стендом аналогичного назначения обеспечивают исследование ЭМИ деформируемых растягивающей нагрузкой твердых тел в форме колец и, следовательно, позволяют решить поставленную техническую задачу.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при дефектоскопии изделий техники, а также при исследованиях электромагнитных полей, излучаемых горными породами в процессе их разрушения. Технический результат: обеспечение возможности исследования сигналов ЭМИ при деформировании твердых тел, в том числе горных пород, в форме колец растягивающим усилием за счет регистрации параметров возникающего при его деформировании ЭМИ с помощью емкостного и тензометрического датчиков. Сущность: деформируемое твердое тело в форме кольца устанавливают на стенде между обкладками емкостного датчика электромагнитного излучения, деформируют его растягивающей нагрузкой путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего раму и противоположно установленные на ней неподвижную и подвижную тяги, в которых размещено деформируемое твердое тело. Подвижной тяге сообщают поступательное движение. Преобразуют с помощью указанного емкостного датчика возникающий в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела сигнал электромагнитного излучения и регистрируют его системой регистрации. Внешнее усилие от нагрузочного устройства к деформируемому кольцу передают с помощью полуцилиндрических выступов, которыми снабжены подвижная и неподвижная тяги и на которые надето деформируемое кольцо. Поступательное движение подвижной тяге сообщают с помощью подвижного винта со штурвалом, установленного на раме нагрузочного устройства. Регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва кольца, с помощью установленного на ней тензометрического датчика. Сигналы емкостного и тензометрического датчиков регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации соответственно. По результатам регистрации дополнительно судят о временном интервале между возникновением сигнала электромагнитного излучения и моментом разрушения деформируемого твердого тела. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца, включающий установку его на стенде между обкладками емкостного датчика электромагнитного излучения, деформирование его растягивающей нагрузкой путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего раму и противоположно установленные на ней неподвижную и подвижную тяги, в которых размещено деформируемое твердое тело, при этом подвижной тяге сообщают поступательное движение, преобразование с помощью указанного емкостного датчика, возникающего в процессе трещинообразования деформируемого твердого тела сигнала электромагнитного излучения и регистрацию его системой регистрации, отличающийся тем, что внешнее усилие от нагрузочного устройства к деформируемому кольцу передают с помощью полуцилиндрических выступов, которыми снабжены подвижная и неподвижная тяги и на которые надето деформируемое кольцо, при этом поступательное движение подвижной тяге сообщают с помощью подвижного винта со штурвалом, установленного на раме нагрузочного устройства, и регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва упомянутого кольца с помощью установленного на ней тензометрического датчика, причем сигналы емкостного и тензометрического датчиков регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации соответственно и по результатам регистрации дополнительно судят о временном интервале между возникновением сигнала электромагнитного излучения и моментом разрушения деформируемого твердого тела. 2. Стенд для исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца, включающий заключенные в электромагнитный экран основание, емкостной датчик и нагрузочное устройство, включающее раму, закрепленную на основании, противоположно установленные неподвижную и подвижную тяги, причем неподвижная тяга закреплена на стенке рамы с внутренней стороны, и систему регистрации, отличающийся тем, что подвижная тяга соединена с подвижным винтом, на противоположном конце снабженным штурвалом, при этом неподвижная и подвижная тяги снабжены полуцилиндрическими выступами, на которых установлено деформируемое кольцо, и размещены между обкладками емкостного датчика, закрепленными на заземленном основании стенда, причем одна из обкладок емкостного датчика установлена через изолирующую прокладку и соединена с первым каналом системы регистрации, а вторая соединена с заземленным основанием, при этом на неподвижной тяге установлен тензометрический датчик, соединенный со вторым каналом системы регистрации.