Техническое решение относится к горному делу и может использоваться при исследованиях электромагнитных полей, излучаемых образцами горных пород в процессе их разрушения, в целях прогнозирования динамических проявлений горного давления при отработке удароопасных месторождений.
Известен способ исследования электромагнитного излучения (ЭМИ) при растяжении и разрыве образцов твердых тел в форме металлических стержней цилиндрической формы на специальных прессах, обеспечивающих необходимое разрывное усилие (Electromagnetic effect at metallic fracture. Ashok Misra // Nature, vol.254, March 13, 1975 - p.133-134), согласно которому деформируемый металлический цилиндрический стержень размещают на прессе по оси выполненной в форме полуцилиндра металлической пластины, которую используют в качестве первой обкладки конденсатора и от боковой поверхности которой делают отвод для подключения к первому входу регистратора, в качестве которого используют запоминающий осциллограф, а деформируемый металлический цилиндрический стержень используют в качестве второй обкладки конденсатора, подключают ко второму входу регистратора и заземляют.
Недостатком этого способа является невозможность использования в качестве деформируемого до разрушения твердого тела образцов из твердых диэлектриков, например горных пород, так как они по своим физическим свойствам не могут служить обкладкой конденсатора и не могут заземляться. Кроме того, этот способ может быть реализован только при использовании специальных разрывных машин значительных габаритов, что исключает возможность их перемещения вручную при проведении исследований.
Известен способ прогноза разрушения горных пород по авт.св. СССР №1740665, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №22, 1992 г., включающий регистрацию во времени импульсов 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 его возникновения 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 пород небольших размеров.
Наиболее близок к заявляемому решению по совокупности существенных признаков способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца по патенту РФ №2190203, кл. G 01 N 3/08, Е 21 С 39/00, G 01 N 27/00, опубл. в БИ №27, 2002 г., который включает установку кольца 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. 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, и регистрируют усилие, возникающее в неподвижной тяге в момент разрыва упомянутого кольца с помощью установленного на ней тензометрического датчика. 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.
Недостатком этого способа является ограничение возможностей, так как он позволяет разрушать только кольца и только растягивающей нагрузкой. Другим недостатком этого способа являются значительные габариты и масса реализующего его стенда, включающего пресс для разрушения образцов горной породы, который невозможно переносить к месту измерения вручную.
Известна установка для измерения характеристик электромагнитных полей по авт.св. СССР №369518, кл. G 01 R 29/08, опубл. в БИ №10, 1973 г. Она содержит безэховую камеру в виде замкнутого объекта, внутренняя поверхность которой покрыта поглощающим материалом, передающую и приемную антенны и измерительную аппаратуру. Безэховая камера образована двумя телами вращения с общей осью, обращенными основаниями одно к другому, в пространстве между которыми установлены передающая и приемная антенны, смонтированные с возможностью углового перемещения по окружности с радиусом, равным или близким к радиусу оснований тел вращения относительно их общей оси.
Недостатком этой установки является то, что она не предусматривает нагружение и разрушение исследуемого тела, что необходимо для получения исследуемого электромагнитного сигнала.
Известно устройство для измерения электрической составляющей электромагнитного импульса по авт.св. СССР №788044, кл. G 01 R 29/08, опубл. в БИ №46 за 1980 г. Оно состоит из датчика, линии передачи и регистратора импульсов напряжений, при этом датчик выполнен в виде отрезка двухпроводной линии передачи с разомкнутым концом, обращенным к источнику электромагнитного импульса.
Недостатком этого устройства является то, что оно не предусматривает формирование исследуемого импульса, так как не содержит нагрузочного устройства.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является стенд по патенту РФ №2190203, кл. G 01 N 3/08, Е 21 С 39/00, G 01 N 27/00, опубл. в БИ №27, 2002 г. для исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела в форме кольца, включающий заключенные в электромагнитный экран основание, емкостный 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. Подвижная тяга соединена с подвижным винтом, на противоположном конце снабженным штурвалом, при этом подвижная и неподвижная тяги снабжены полуцилиндрическими выступами, на которых установлено деформируемое кольцо, и размещены между обкладками емкостного датчика, закрепленными на заземленном основании стенда. Одна из обкладок емкостного датчика установлена через изолирующую прокладку и соединена с первым каналом системы регистрации, а вторая соединена с заземленным основанием. На неподвижной тяге установлен тензометрический датчик, соединенный со вторым каналом системы регистрации.
Недостатком - этого стенда является ограничение возможностей, так как он позволяет разрушать только кольца и только растягивающей нагрузкой. Еще одним его недостатком являются значительные габариты и масса, что не позволяет переносить его вручную.
Техническая задача предлагаемого решения состоит в обеспечении возможности исследования сигналов ЭМИ при деформировании образцов твердых тел, в том числе из горных пород, сжимающим внешним усилием путем регистрации параметров возникающего при их деформировании ЭМИ с помощью конденсаторного преобразователя и усилия, создаваемого с использованием нагрузочного устройства, с помощью датчика силы.
Поставленная задача решается тем, что в способе исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела, например образца горной породы, включающем установку его на стенде между обкладками конденсаторного преобразователя ЭМИ, деформирование его путем приложения внешнего усилия с помощью нагрузочного устройства, включающего металлический корпус, связанный с заземленным основанием, и противоположно установленные в его осевой полости первый и второй металлические стержни, между которыми размещено деформируемое твердое тело, при этом первому металлическому стержню сообщают поступательное движение и в процессе разрушения деформируемого твердого тела регистрируют внешнее усилие с помощью датчика силы и сигналы ЭМИ с помощью конденсаторного преобразователя, причем внешнее усилие и сигналы ЭМИ регистрируют синхронно по первому и второму каналам системы регистрации, согласно техническому решению к деформируемому твердому телу прикладывают сжимающее внешнее усилие через корпус датчика силы и затем через промежуточную пластину от поступательно движущегося первого металлического стержня нагрузочного устройства, который выполнен в форме болта и установлен в осевом отверстии первой, металлической, центрирующей втулки нагрузочного устройства, при повороте головки этого болта. Деформируемое твердое тело разрушают за счет силы реакции с противоположной стороны с помощью выполненного в форме конического индентора конца второго металлического стержня нагрузочного устройства, который выполнен в форме болта и установлен в осевом отверстии второй центрирующей втулки нагрузочного устройства. Упомянутые центрирующие втулки имеют резьбу по внешнему и внутреннему диаметрам и установлены со стороны имеющих резьбу по внутреннему диаметру концевых участков металлического корпуса нагрузочного устройства, выполненного в виде пустотелого кругового цилиндра. Конический индентор второго металлического стержня прижимают вплотную к деформируемому твердому телу при поступательном движении второго металлического стержня путем поворота его головки. Заземленный металлический корпус нагрузочного устройства используют в качестве первой обкладки упомянутого конденсаторного преобразователя ЭМИ, а в качестве его второй обкладки - второй металлический стержень. Вторая центрирующая втулка нагрузочного устройства выполнена из диэлектрика, например эбонита. Таким образом, поступательное движение первого металлического стержня и реактивная сила со стороны конического индентора второго металлического стержня обеспечивают разрушение деформируемого твердого тела, при этом на берегах формирующихся трещин возникают электрические заряды, колебания которых сопровождаются ЭМИ, что позволяет регистрировать возникающее ЭМИ с помощью конденсаторного преобразователя ЭМИ и исследовать его особенности.
Поставленная задача решается также тем, что в стенде для исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела, например образца горной породы, включающем заключенные в электромагнитный экран конденсаторный преобразователь ЭМИ, нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, связанный с заземленным основанием, и первый и второй металлические стержни, противоположно установленные в осевой полости металлического корпуса, при этом первый металлический стержень установлен с возможностью поступательного движения, датчик силы, систему регистрации, включающую усилители, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, и экранированные кабели, согласно техническому решению металлический корпус нагрузочного устройства выполнен в виде пустотелого кругового цилиндра, который одновременно является первой обкладкой конденсаторного преобразователя ЭМИ. Первый и второй металлические стержни нагрузочного устройства выполнены в форме болтов и установлены в осевых отверстиях соответственно первой и второй центрирующих втулок нагрузочного устройства, имеющих резьбу по внешнему и внутреннему диаметрам и установленных со стороны имеющих резьбу по внутреннему диаметру концевых участков металлического корпуса нагрузочного устройства. Первая центрирующая втулка нагрузочного устройства выполнена из металла, а вторая - из диэлектрика, например эбонита, и имеет форму болта. Между установленными в пустотелом круговом цилиндре нагрузочного устройства первым и вторым металлическими стержнями последовательно размещены датчик силы в металлическом корпусе, промежуточная пластина и деформируемое твердое тело. Первый и второй металлические стержни установлены с возможностью поступательного движения путем поворота их головок, причем конец второго из них, размещенного со стороны деформируемого твердого тела, имеет форму конического индентора. Второй металлический стержень служит второй обкладкой конденсаторного преобразователя. Рассматриваемый стенд позволяет реализовать описанный выше способ и обеспечивает исследование сигналов ЭМИ при деформировании твердых тел сжимающей внешней нагрузкой.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид стенда, на фиг.2 - металлический корпус нагрузочного устройства в виде пустотелого кругового цилиндра с частичным продольным разрезом и система регистрации (электросхема).
Заявляемый способ исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела (далее - деформируемое твердое тело), например образца горной породы, реализуют с помощью заявляемого стенда, предназначенного для этой цели (фиг.1), состоящего из металлического корпуса 1 нагрузочного устройства 2, рамы 3 с заземленным основанием 4 и системы 5 регистрации (фиг.2). Нагрузочное устройство 2 совмещено в одной конструкции с конденсаторным преобразователем 6 ЭМИ.
Металлический корпус 1 нагрузочного устройства 2 выполнен в виде пустотелого кругового (в поперечном сечении) цилиндра, имеющего по внутреннему диаметру резьбу со стороны обоих концевых участков, в которые ввинчены первая 7 и вторая 8 центрирующие втулки, имеющие осевые отверстия и резьбу по внешнему и внутреннему диаметрам. В осевом отверстии первой центрирующей втулки 7 установлен первый металлический стержень 9, выполненный в форме болта с шестигранной головкой 10. Вторая центрирующая втулка 8 имеет шестигранную головку, в ее осевом отверстии установлен второй металлический стержень 11, выполненный в форме болта с шестигранной головкой 12, имеющий на конце конический индентор 13.
Между первым и вторым металлическими стержнями 9 и 11 последовательно, от первого металлического стержня 9, установлены датчик 14 силы, размещенный в металлическом корпусе, промежуточная пластина 15 и деформируемое твердое тело 16, например образец горной породы.
Металлический корпус 1 нагрузочного устройства, выполненный в виде пустотелого кругового цилиндра, одновременно является первой обкладкой конденсаторного преобразователя 6 ЭМИ, второй обкладкой которого служит второй металлический стержень 11.
Система 5 регистрации (фиг.2) включает усилители 17 и 18, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19 и компьютер 20. Датчик 14 силы посредством экранированного кабеля 21 подключен ко входам усилителя 17 (первый канал системы 5 регистрации). Контакт 22 первой обкладки (металлического корпуса 1) конденсаторного преобразователя 6 по первой жиле экранированного кабеля 23 соединен с первым входом усилителя 18 (второй канал системы 5 регистрации). Вторая обкладка (второй металлический стержень 11) конденсаторного преобразователя 6 соединена с подвижным контактом 24 и второй жилой экранированного кабеля 23, которая соединена со вторым входом усилителя 18. Выход усилителя 18 соединен с первым входом АЦП 19, а выход усилителя 17 - со вторым входом АЦП 19. Выход АЦП 19 соединен с входом компьютера 20.
В стенке металлического корпуса 1 имеются два сквозные отверстия: 25 и 26, первое для подвижного контакта 24, второе для выводных клемм 27 датчика 14 силы.
Нагрузочное устройство 2 состоит из металлического корпуса 1 в виде пустотелого кругового цилиндра, имеющего резьбу по внутреннему диаметру со стороны концевых участков, в которые ввинчены первая 7 и вторая 8 центрирующие втулки с осевыми отверстиями и резьбой по внешнему и внутреннему диаметрам. При этом первая центрирующая втулка 7 выполнена из металла, имеет форму диска и два гнезда с внешней стороны для торцевого гаечного ключа (не показаны), а вторая центрирующая втулка 8 выполнена в форме болта из диэлектрика, например эбонита.
Нагрузочное устройство 2 монтируют в следующей последовательности. В металлическом корпусе 1 устанавливают вторую центрирующую втулку 8, а в ее осевом отверстии - второй металлический стержень 11, который вращают с помощью гаечного ключа, размещаемого на его головке 12. Затем в полость металлического корпуса 1 со стороны индентора 13 второго металлического стержня 11 последовательно устанавливают деформируемое твердое тело 16, например, образец горной породы, затем промежуточную пластину 15, обеспечивающую электрическую изоляцию второго металлического стержня 11 от металлического корпуса датчика 14 силы и первого металлического стержня 9, затем устанавливают датчик 14 силы. После этого устанавливают первую центрирующую втулку 7 и в ее осевом отверстии размещают первый металлический стержень 9. Последний с помощью гаечного ключа за счет вращения головки 10 досылают до корпуса датчика 14 силы. Затем, вращая второй металлический стержень 11, поджимают деформируемое твердое тело 16 к промежуточной пластине 15, а ее - вплотную к корпусу датчика 14 силы. В этом положении конический индентор 13 вплотную прижат к деформируемому твердому телу 16. Нагрузочное устройство подготовлено к работе.
Конденсаторный преобразователь 6 представляет собой цилиндрический конденсатор, в качестве первой обкладки которого использован металлический корпус 1 нагрузочного устройства (фиг.2). В качестве второй обкладки использован второй металлический стержень 11, выполненный в форме болта, установленного в осевом отверстии второй центрирующей втулки 8, выполненной из диэлектрика, например эбонита. Выполнение центрирующей втулки 8 из диэлектрика обеспечивает изоляцию второй обкладки конденсаторного преобразователя 6 от его первой обкладки. Первая обкладка через контакт 22 соединена первой жилой экранированного кабеля 23 с первым входом усилителя 18, вторая обкладка соединена с помощью подвижного контакта 24, пропущенного через отверстие 25 в стенке металлического корпуса 1, второй жилой экранированного кабеля 23 со вторым входом усилителя 18.
В качестве датчика 14 силы может использоваться любой датчик силы, габариты которого соответствуют диаметру полости металлического корпуса 1. В частности, может использоваться тензометрический датчик, выполненный в виде втулки, на боковую поверхность которой наклеены тензоэлементы, образующие мостовую схему. Провода от мостовой схемы датчика 14 силы через клеммы 27, проходящие через отверстие 26 в стенке металлического корпуса 1, подсоединены экранированным кабелем 21 к входам усилителя 17. Внутренние детали датчика 14 силы на чертеже не показаны.
Первая обкладка конденсаторного преобразователя 6 (металлический корпус 1) через раму 3 и основание 4 стенда имеет заземление 28 (фиг.1).
Промежуточная пластина 15 выполнена из диэлектрика и служит для изоляции корпуса датчика 14 силы от деформируемого твердого тела 16 - образца горной породы. Металлический корпус 1 со всеми размещенными в нем элементами устанавливают в заземленный экран 29 (фиг.1).
Заявляемый способ осуществляют с использованием заявляемого стенда, имеющего нагрузочное устройство 2 и конденсаторный преобразователь 6, следующим образом.
Вывертывают из металлического корпуса 1 первую 7 центрирующую втулку с первым 9 металлическим стержнем. Через освободившееся торцевое отверстие металлического корпуса 1 размещают в корпусе 1 деформируемое твердое тело 16, ЭМИ которого предполагается исследовать, выполненное, например, из горной породы, в форме, например, диска (может быть и иная форма). Затем последовательно размещают промежуточную пластину 15 и датчик 14 силы, после чего в отверстие 26 выводят клеммы 27 датчика 14 силы и через отверстие 25 - подвижный контакт 24. Затем устанавливают первую 7 центрирующую втулку и в ее осевом отверстии размещают первый 9 металлический стержень в форме болта. Затем второму металлическому стержню 11 сообщают поступательное движение путем вращения его головки 12 и коническим индентором 13 поджимают деформируемое твердое тело 16 через промежуточную пластину 15 к корпусу датчика 14 силы. Подключают конденсаторный преобразователь 6 через подвижный контакт 24 к экранированному кабелю 23 (ко второй его жиле), первую его жилу подсоединяют к контакту 22 металлического корпуса 1. Свободные концы кабеля 23 подсоединяют соответственно ко второму и первому входам усилителя 18. Подсоединяют контакты 27 датчика 14 силы с помощью экранированного кабеля 21 ко входам усилителя 17.
Нагружение и разрушение деформируемого твердого тела 16 осуществляют в следующей последовательности. Подают питание на систему 5 регистрации. Устанавливают гаечный ключ на головку 10 первого металлического стержня 9 и, вращая его, сообщают этому стержню 9 поступательное движение в сторону деформируемого твердого тела 16. При этом последнее зажимают между промежуточной пластиной 15 и коническим индентором 13 неподвижного в этот момент второго металлического стержня 11. Активная сила, действующая на деформируемое твердое тело 16 со стороны поступательно движущегося первого металлического стержня 9, вызывает реакцию противодействия со стороны неподвижного второго металлического стержня 11. Конический индентор 13 стержня 11 внедряется в деформируемое твердое тело 16, разрушая последнее и формируя вокруг него электромагнитное поле за счет колебаний электрических зарядов на берегах возникающих в нем трещин.
Возникшее электромагнитное поле воздействует на первую и вторую обкладки конденсаторного преобразователя 6. За счет этого формируют во внешней цепи 24-23-18-19-20-19-18-23-22 электрический ток, пропорциональный электромагнитному сигналу, возникшему от деформируемого твердого тела 16.
Одновременно в синхронном режиме передают сигнал с датчика 14 силы по электрической цепи 14-27-21-17-19-20-19-17-21-27-14 и регистрируют во времени изменение усилия, прикладываемого к деформируемому твердому телу 16.
Система 5 регистрации выдает осциллограммы ЭМИ и нагрузки, по которым судят о параметрах процесса разрушения.
Прекращение эксперимента фиксируют по величине поступательного смещения первого металлического стержня 9 или по углу поворота его головки 10, которые тарируют на нужную величину расстояния между острием конического индентора 13 и поверхностью промежуточной пластины 15.
После завершения эксперимента первый металлический стержень 9 и первую центрирующую гайку 7 вывертывают, удаляют датчик 14 силы и промежуточную пластину 15, затем из осевой полости металлического корпуса 1 удаляют разрушенные части деформируемого твердого тела 16.
Таким образом, заявляемый способ исследования ЭМИ деформируемого сжимающей силой твердого тела 16, например образца горной породы, в совокупности с заявляемым стендом аналогичного назначения, включающим нагрузочное устройство 2 и конденсаторный преобразователь 6, обеспечивают исследование ЭМИ деформируемых твердых тел и, следовательно, позволяют решить поставленную задачу.
Изобретение относится к горному делу и может использоваться при исследованиях электромагнитных полей, излучаемых образцами горных пород при их разрушении. Сущность: способ включает установку образца между обкладками конденсаторного преобразователя (КП) электромагнитного излучения (ЭМИ), деформирование его в нагрузочном устройстве (НУ). НУ содержит противоположно установленные в металлическом корпусе (МК) НУ металлические стержни (МС), датчик силы (ДС) и систему регистрации (СР). К образцу прикладывают сжимающее внешнее усилие от первого МС через корпус ДС и разрушают его за счет силы реакции конического индентора (КИ) второго МС. МК НУ - первая обкладка КП, вторая обкладка - второй МС, установленный во втулке из диэлектрика, размещенной в МК. Стенд включает экран, раму, КП, НУ, ДС и СР. Между концами МС размещены ДС и образец. Второй МС снабжен КИ. Технический результат: обеспечение исследования ЭМИ разрушаемых в НУ образцов при регистрации ЭМИ. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
| СПОСОБ И СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМОГО ДО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА В ФОРМЕ КОЛЬЦА | 2001 |
|
RU2190203C1 |
| СПОСОБ И СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМОГО ДО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА В ФОРМЕ СТЕРЖНЯ | 2001 |
|
RU2204128C2 |
| DE 4004171 А1, 23.08.1990. | |||
