Устройство для определения физико-механических свойств влажной горной массы Пасько Б.И. Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 G01N3/32 

истую сетку 8 с указателями 9, диск 11 с грузами 12, к которому подсоединена втулка 13. Втулка соединена через обводную рамку 14с гибкой тягой 15, с другого конца которой прикреплен противовес на тарелке 23, под которой установлена регулируемая подставка 24. Гибкая тяга перекинута через блоки 16 на концах рычажной системы 18, шарнирно установленной на штатив со шкалой 20. Рычажная система и гибкая тяга размещены с возможностью фиксации, первая относительно штатива, вторая - рычажной системы. Вместо сетки с определенными

размерами ячеек и колосников под поршень может быть установлена пластина с заданной шероховатостью, Между поршнем и рамкой может быть установлен пресс с ин- дентором, воздействующим на пробу 2 через поршень непосредственно через отверстие в поршне или непосредственно без поршня. Испытываемую пробу 2 помещают в емкость 1, которая заполнена необходимым количеством жидкости. Емкость снабжена системой 5 для удаления жидкости сверху и пробкой 29 для удаления гравитационной жидкости снизу. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение предназначено для определения степени набухания горной массы, усилия прилипания и примерзания горной массы к различным материалам, усилия разрушения смерзшейся горной массы, максимальной влагоемкости и предельной вместимости при заданных значениях насыпного давления на горную массу. Цель - расширение функциональных возможностей. Устройство содержит поршень 3. яче

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения степени набухания горной массы, усилия прилипания и примерзания горной массы к различным материалам, усилия разрушения смерзшейся горной массы, максимальной влагоемкости и предельной водовместимости при заданных значениях насыпного давления на горную массу.

Известны устройства для определения твердости смерзшейся горной массы, налипания породна рабочие поверхности горного оборудования, при которых определяют влажность исследуемого образца горной массы путем взвешивания дои после сушки, измеряют или рассчитывают силу прижатия горной массы к рабочей поверхности оборудования, затем измеряют или рассчитывают (по формулам) силу отрыва горной массы от рабочей поверхности оборудования.

Недостатками таких устройств является влияние неучитываемых при измерениях факторов на точность измерения. Для получения полных сведений об условиях прове- дения опыта необходимо проводить дополнительные исследования. Например, различные марки углей по разному реагируют на продолжительность пребывания в воде. Объем угля может увеличиваться с разной степенью за равные промежутки времени. Время прекращения процесса набухания также разное.

Наиболее близким к предлагаемому является прибор для определения набухания почв и грунтов, в котором капиллярно насыщают исследуемую породу, отметив время заливки воды, а затем фиксируют показания индикатора через определенные промежутки времени до прекращения набухания образца. Прибор состоит из емкости для исследования пробы, индикатора, закрепленного в скобе и установленного на поршень, а поршень установлен на пробу.

Недостатком данного прибора является трудность иммитации реальных условий при проведении опытов. Например, различные части горной массы, перевозимой в полувагонах, испытывают разное насыпное давление в зависимости от своего местонахождения по высоте вагона. Использование результатов опыта, проведенного на приборе - прототипе, приводит к

большой погрешности.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

Указанная цель достигается тем, что устройство для определения физико-механических свойств влажной горной массы, содержащее рамку, емкость для размещения исследуемой массы, поршень с отверстиями, систему отвода жидкости и съемный

индикатор перемещений, укрепленный на рамке, подвижный измерительный элемент которого контактирует с поршнем, снабжено сеткой с заданным размером ячейки, установленной под поршнем, шкалой

шероховатости, неподвижно укрепленной на поршне, указателями перемещений, прикрепленными к сетке и выведенными на шкалу шероховатости через отверстия поршня, диском с грузами, опирающимся на

поршень, втулкой с осевым отверстием для подвижного измерительного элемента индикатора перемещений, соединенной с диском, противовесом, обводной рамкой, обязанной с противовесом и верхней частях

втулки.

Кроме того, в устройстве для определения физико-механических свойств влажной горной массы противовес выполнен в виде штатива со шкалой и арретиром, рычажной

системой со стрелкой и блоками, гибкой тяги, размещенной на блоках, тарелки для грузов с подставкой, фиксатором для установки тарелки в верхнем и нижнем положении,

при этом тарелка связана гибкой тягой с обводной рамкой, а гибкая тяга снабжена устройством фиксации относительно рычажной системы.

Кроме того, устройство снабжено пла- стиной с заданной шероховатостью, установленной под поршнем.

Кроме того, устройство снабжено прес- сом с индентором, установленным между рамкой и поршнем.

Установка под поршень сетки с указателями, выведенными через отверстия в поршне на шкалу шероховатости, неподвижно закрепленной на поршне, позволяет точно определять момент касания сетки, а затем и поршня к поверхности угля, позволяет определить шероховатость поверхности, величина которой может доходить до величины самых крупных кусков угля.

Установка на поршень диска с грузами, к которому подсоединена втулка, через осевое отверстие которой проходит подвижный конец индикатора позволяет измерять степень набухания горной массы и одновременно прикладывать необходимое, усилие на испытываемый образец, позволяет при определении степени налипания влажной горной массы к материалу обрабатывающих инструментов создавать необходимое усилие.

Подсоединение к верхнему торцу втулки обводной рамки, соединенной с противовесом, позволяет компенсировать влияние начального давления на пробу горной массы, возникающее за счет собственного веса поршня, позволяет измерить усилие отрыва пластины из исследуемого материала от поверхности образца при определении степени налипания,, намерзания, путем увеличения противовеса вплоть до отрыва пластины.,

Выполнение противовеса в виде штатива со шкалой и арретиром, рычажной системой с блоками по краям и гибкой тягой, установленной на блоки, снабженной уст- ройством фиксации относительно рычажной системы, позволяет производить необходимые для многофункциональных опытов операции одним устройством, а именно взвешивание поршня в поднятом относительно поверхности пробы положении, при этом гибкая тяга фиксатором жестко соединяется с рычажной системой, создание необходимого усилия противовеса на поршень или усилия отрыва пластины от поверхности пробы, при этом рычажная система неподвижно фиксируется арретиром относительно штатива, а гибкая тяга не фиксируется относительно рычажной системы, создание заданного грузами на диске.

установленном на поршне, требуемого давления на пробу, заданного условиями опыта, при этом подставка под тарелку противовеса находится в верхнем положении.

Установка под поршень пластины с заданной шероховатостью позволяет определить усилия налипания, степень когезии, аутогезии, намерзания для различных материалов, из которых изготавливают инструменты для транспортировки или разрушения липкой или мерзлой горной массы.

Установка между рамкой и поршнем пресса с индентором позволяет исследовать прочностные свойства замороженной горной массы в зависимости от влажности, температуры, свойств горной массы, при этом индентор может воздействовать на пробу посредством поршня непосредственно через отверстия в поршне или непосредственно, предварительно сняв поршень.

В технике известен прибор Качинского для определения липкости почвы, в котором за основу взяты технохимические весы, с одной стороны рычага которых закреплен диск, установленный на поверхность пробы, а с другой - подвешена чашка, в которую насыпают песок до отрыва. Такое устройство дает сбои, погрешности, возникающие при установке диска из-за жесткости тяги и непрерывной связи пробы с системой весов. В предлагаемом устройстве установку, отрыв груза, нагружение и снятие нагрузки можно произвести с любой плавностью и требуемым усилием с заданной точностью за счет наличия не только арретира, но и гибкой тяги, ее фиксатора, регулируемой подставки под груз противовеса, необходимой манипуляции всей совокупностью элементов устройства.

На фиг.1 показано устройство для определения физико-механических свойств влажной горной массы; на фиг,2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.З - фрагмент устройства с установленной под поршнем пластиной; на фиг.4 - фрагмент устройства с установленным между рамкой и поршнем прессом с индентором; а - индентор воздействует на пробу посредством поршня; б - непосредственно, через отверстие в поршне; в - непосредственно с предварительным снятием поршня; на фиг.5 - насыщение пробы влагой капиллярно; на фиг.б - удаление гравитационной воды, путем поворота емкости на угол более 90° для установления максимальной влагоемкости пробы.

Устройство содержит емкость1 для размещения исследуемой массы 2, поршень 3 с отверстиями 4, систему 5 для отвода жидкости, рамку 6, жестко связанную с емкостью 2, и съемный индикатор 7. Под поршень установлена сетка 8, к которой прикреплены указатели 9, выведенные на две симметричные шкалы 10 шероховатости. На поршень 3 установлен диск 11 с грузами 12, к диску подсоединена втулка 13, через которую проходит подвижный конец индикатора 7, к верхнему торцу втулки 13 подсоединена обводная рамка 14, соединенная с гибкой тягой 15, которая установлена на блоки 16 и 17, блоки 16 и 17 закреплены на краях рычажной системы 18, которая установлена на штативе 19. На штативе имеется шкала 20 и арретир 21 для установки рычажной системы 18 в рабочее (арретир опущен) и фиксированное (арретир поднят) положения. Гибкая тяга 15 снабжена устройством фиксации 22 (А-А), с помощью которого можно фиксировать тягу 15 относительно рычажной системы 18. Гибкая тяга 15 соединена с тарелкой 23, установленной на подставку 24, снабженной фиксатором 25 для установки тарелки в верхнем и нижнем положениях.

При определении усилия налипания, примерзания под поршень устанавливают пластину 26 с заданной шероховатостью, а при определении усилия разрушения смерзшейся горной массы между рамкой 6 и поршнем 3 устанавливают пресс 27 с ин- дентором 28. При этом индентор может воздействовать на пробу посредством поршня, непосредственно через отверстия в поршне или непосредственно с предварительным снятием поршня. Для слива жидкости служит пробка 29.

Устройство работает следующим образом.

Определение степени набухания. В максимально поднятом положении при зафиксированной тяге 15 производят взвешивание и установку необходимого груза 12 на поршень 3. Затем в емкость 1 заливается до половины высоты пробы 2 вода, после этого устанавливается отобранная проба. Заливается вода до уровня, на 1/3 превышающего уровень пробы, устанавливается поршень на пробу путем плавного отпускания фиксатора 22, при этом сетка 8 находится в нижнем положении, что видно по указателю 9. Как только сетка 8 достигается верхней границы пробы, указатели начнут подниматься по шкале 10 шероховатости. Для точной посадки между выступающими кусками угля необходимо пинцетом произвести 1-3 горизонтальных перемещений сетки 8 с одновременным опусканием поршня 3. После остановки поршня 3 средняя сумма разниц между верхними делениями шкалы 10 шероховатости и делениями, на

которых остановились указатели 9, будет равна размеру шероховатости. Причем полезно иметь предварительные сведения о шероховатости. При этом надо исходить из

данных визуального контроля и из того, что максимальная шероховатость не может превышать максимального размера кусков горной массы для калибровки.которых материал пробы просеивается через сито.

Если стрелки указателей окажутся на верхней отметке предварительные сведения позволят обосновать необходимость повторной установки поршня, а затем производится установка индикатора. При очень

малых заданных нагрузках на пробу, индикатор 7 опускают подвижным концом на поршень до отклонения точной стрелки большой шкалы на 1/2 деления, затем закрепляют его корпус в рамке 6. Фиксируют

в журнале наблюдений время заливки воды и показания индикатора через определенные промежутки времени до прекращения отклонения индикатора.

Затем вычисляют степень набухания и

давления набухания. Определить степень набухания можно как при предельной водо- вместимости (описанный случай), так и при капиллярном поступлении влаги. В этом случае пробу помещают в непромокаемую с

боковой поверхности емкость, но с нижней поверхности влага в пробу должна поступать например, через слой фильтровальной бумаги. Воду в емкость заливают ниже верхнего уровня пробы. Высота столба воды

определяется сопротивлением фильтровальной бумаги и величиной необходимого по условиям опыта капиллярного давления. Определение максимальной влагоемко- сти. Помещают пробу 2 в воду и выдерживают ее в течение времени, требуемого по ГОСТу, а затем переворачивают емкость с пробой, открутив верхние крепежные болты, и сливают гравитационную воду. При малых размерах пробу сливают через пробку 29. Пробу взвешивают при закрытом фиксаторе 22 и отпущенных верхних и нижних крепежных болтах емкости 1, затем высушивают в сушильном шкафу снова взвешивают и вычисляют максимальную влажность. В

полученное значение вносят поправку на шероховатость поверхности пробы.

Определение предельной водовмести- мости. Пробу 2 помещают в воду. Регистри- руют шероховатость и выдерживают до полного или частичного набухания. Системой 5 для отвода воды отбирают всю воду, находящуюся .над поверхностью пробы. Затем взвешивают пробу при открученных верхних и нижних болтах, высушивают, снова взвешивают и вычисляют влажность, уменьшают ее на часть, находящуюся в слое шероховатости, пропорционально занимаемому объему слоя.

Определение налипания, липкости, влажности горной массы. Приготавливают пробу заданной влажности, помещают на ее поверхность пластину 26 с заданной шероховатостью, создают необходимое давление, (фиксатор 22 тяги отпущен, подставка 24 под тарелку 23 поднята), выдерживают необходимое по условиям опыта время, затем устанавливают на тарелку 23 необходимый груз с заданной скоростью упускают подставку 24 или отпускают тарелку 24 без груза, а затем начинают нагружать тарелку вплоть до отрыва пластины от массы.

Определение прочности примерзания пластины к влажной горной массе. Перед отрывом пластины от горной массы проиа- водят замораживание ее до требуемой отрицательной температуры.

Определение усилия разрушения смёрзшейся горной массы. Приготавливают пробу с заданной степенью влажности например, предельной водовместимостью). Замораживают ее в холодильной камере до необходимой отрицательной температуры. Закрепляют пресс 27 с индентором 28 под рамку б и создают усилие путем повышения давления в прессе, контролируя е, о по датчику (не показано), регистрируют давление в момент разрушения пробы 2, что видно по обратному броску стрелки датчика в этот момент. При этом разрушение можно про- изводить при иммитации насыпного давления горной массы в реальных-условиях.

Определение энергетических показателей механических свойств смерзшейся или кусковой горной массы. Отбирают, например, исследованные куски смерзшейся горной массы. Емкость 2 устанавливают на подставку и засыпают в нее требуемое количество кусков угля и измельчают пробу сбрасыванием на нее гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м. Применяя для этого предлагаемое устройство можно регулировать в широких пределах скорости падения и вес груза, а также исследовать динамику цесса.

П р и м е р 1. Необходимо определить ожидаемое максимальное усилие разрушения смерзшегося угля, выгруженного на решетки приемного бункера вагоноопрокидывателя, привезенйого в полувагонах, если известно, что состав с углем находился в пути следования от ст.погруэки до ст.выгрузки 6 сут. Из-за обильных стегопадов тщательная очистка вагонов перед загрузкой не производилась, температура загружаемого угля составила 8°С, температура окружающей среды составила -18°С, начальная влажность угля составила 4%

На основании известных данных вполне определенно можно предположить, что часть снега на дне вагона после загрузки расплавится, а выделившаяся при этом влага, пропитает слой угля на дне вагона до степени, соответствующей предельной во- довместимости. Это произойдет потому, что гравитационная влага не успевает вытечь из неплотностей, так как при -18°С произойдет быстрое замерзание влаги у стенок вагона. В дальнейшем произойдет промерзание пропитанной водой части горной массы менее чем за 80 ч так как ориентировочная скорость промерзания 0,35 см/ч.

Таким образом для определения усилий разрушения необходимо произвести замачивание полностью покрытой водой пробы угля до предельного набухания с нагрузкой на поршень, обеспечивающим удельное давление на уголь 0,3 кгс/см2 (насыпное давление на дне вагона). Затем удалить лишнюю воду сверху пробы системой 5. Заморозить при удельном давлении 0,3 кгс/см2. Затем со снятым давлением и поршнем разрушить пробу, зарегистрировав усилие, при котором произошло разрушение.

Процесс набухания закончился за 16 ч. Усилие разрушения 650 кгс/см2. Предельная водовместимость 32%.

По полученным результатам можно спланировать процесс разрушения поступающего топлива, оценить время и затраты, необходимые для разгрузки полувагонов, степень балластной составляющей в угле, обеспечить готовность размораживающих устройств, резервных или находящихся в ремонте механизмов.

П р и м е р 2. Определяют степень налипания влажного угля на решетку приемного бункера, а также количество запасов высушенного угля для проталкивания влажного через решетку и предотвращения замазывания тракта толливоподачи, если известно, что уголь марки Т отправляется на ГРЭС с начальной влажностью 4%. Температура угля 10°С, температура окружающего воздуха на протяжении всего пути следования (2 сут) 12-15°С. Количество осадков за время пути следования 200 мм.

На основании априорных сведений можно сделать следующие предположения: уголь промачивается на глубину не более 1 м, значит влажноеть угля е верхнем слое не будет превышать максимальной влагоемкости из-за свободного стока воды в нижние слои.

Проводят опыт по определению максимальной влагоемкости без нагрузки на поршень (верхний слой угля) с предельным набуханием, если время процесса набухания не превышает времени в пути следования. Для этого до предельного набуханий проба покрыта водой, затем воду удаляют путем переворота емкости 2 на угол более 90°. Затем определяют липкость к пластине, выполненной из материала, идентичного материалу решетки приемного бункера едИ ничной площади, измеряя силу, необходимую для ее отделения от горной массы. Определяют также и налипаемость, характеризующуюся количеством горной массы, оставшейся на пластине. Затем определяют влажность, соответствующую максимальной влагоемкости. После этого простым вычислением определяют толщину влажного слоя и рассчитывают количество угля, необходимое для доведения влажной массы до сыпуче го. состояния. Полученные значения: максимальная влагоемкость 26%, толщина пропитанного водой слоя 427 мм, липкость 0,018 кгс/см2, налипаемость 0,006 кг/см2. Так как размер ячеек решеток на приемных бункерах 300х300х(50х 100), то выгружаемая из вагона вагоноопрркидывателем первой липкая масса сможет удерживать слой сыпучей массы по периферии решетки, за счет большей поверхности налипания к боковым поверхностям фундамента вагоноопроки- дывателя (1540 кг), а на ячейке - 22 кг. Для восстановления сыпучести необходимо осуществить подсушку горной массы до уровня влажности менее 16%. Предварительно этого можно добиться путем смешивания с углем из нижних слоев вагона. Для этого понадобится слой угля высотой 300 мм. Поэтому уголь со стороны потреблять не понадобится. Решетка сможет задержать на своей поверхности более 15 т угля. Таким образом поступающий уголь можно непосредственно выгружать и подавать в тракт топливоподачи, однако необходимо предварительное смешивание нижнего и верхнего слоев угля, чтобы не произошла заштыбовка и нависание массы на элементах топливоподачи. Как показывают наблюдения и расчеты уже только в приемном узле после выгрузки 5-6 вагонов с таким углем происходит полное замазывание решеток приемного бункера и дальнейшая транспортировка топлива через ячейки решетки проходит с огромными затратами энергии.

Приведенные примеры показывают практическую ценнность предлагаемого многофункционального устройства для конкретных потребителей угля в зимнее и влажное время года.

С помощью устройства можно накопить большое количество статистического материала, который позволит создать необходимые расчетные методики и справочные пособия для расчета затрат на выгрузку топлива.

Несмотря на различные условия прове0 дения опытов в зависимости от начальных свойств угля и их изменения при погрузке, транспортировке и выгрузке все элементы устройства используются в определенной последовательности для упреждающего

5 планирований применения тех или иных средств первичного измельчения топлива и оптимизации режимов их работы. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я t. Устройство для определения физико0 механических свойств влажной горной массы, содержащее рамку, емкость для размещений исследуемой массы, поршень с отверстиями, систему отвода жидкости и съемный индикатор перемещений, укреп5 ленный на;рамке, подвижный измерительный элемент которого контактирует с поршнем, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено сеткой с задан0 ным размером ячейки, установленной под поршнем, шкалой шероховатости, неподвижно укрепленной на поршне, указателями перемещений, прикрепленными к сетке м выведенными на шкалу шероховатости че5 рез отверстия поршня, диском с грузами, опирающимися на поршень, втулкой с осевым отверстием для подвижного измерительного элемента индикатора перемещений, соединенной с диском, противовесом, обводной

0 рамкой, связанной с противовесом и верхней частью втулки.

5 системой со стрелкой и блоками, гибкой тяги, размещенной на блоках, тарелки для грузов с подставкой, фиксатором для установки тарелки в верхнем и нижнем положениях, при этом тарелка связана гибкой тягой с

0 обводной рамкой, а гибкая тяга снабжена приспособлением для фиксации относительно рычажной системы.

CD

TZT CD

#-3HE

/

v-v

ггееги.

Фиг-f

т

У 2

непромокаемая стенка

oynarcr

эЈ0

29