Способ испытания кольцевых образцов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для испытания образцов горных пород и строительных материалов при двухосном растяжении.

Известен способ испытания кольцевых образцов на растяжение, заключающийся в равномерном нагружении образцов изнутри в двух взаимно перпендикулярных направлениях растягивающими усилиями.

Устройство для осуществления этого способа состоит из двух соосно установленных тяг для соединения с захватами испытательной машины и передачи усилия на внутреннюю поверхность образца.

Недостатками известных способа и устройства являются ограниченный диапазон исследований, так как можно осуществить только двухосное равномерное растяжение с поверхностным распределением нагрузки, а также невысокая достоверность испытаний из-за невозможности задать вид разрушения.

Целью изобретения является расширение диапазона и повышение достоверности испытаний.

Поставленная цель достигается тем, что в способе испытания, заключающемся в нагружении образцов изнутри в двух взаимно перпендикулярных направлениях растягиVJел о ел о со

вающими усилиями, проводят серию нагру- жений образца с усилием Pi в одном направлении и усилием Р2 KPi в другом направлении, при этом изменяют коэффициент К от 0 до 1 при каждом нагружении и определяют предельные величины растягивающих усилий, по которым строят паспорт прочности в области растяжения.

Цель достигается и тем, что предлагаемое устройство, содержащее две соосно ус- тановленные тяги для соединения с захватами испытательной машины и передачи усилия на внутреннюю поверхность образца, снабжено двумя трапециевидными клиньями для установки внутри образца, хомутами и двумя парами рабочих роликов, поверхности малых оснований клиньев выполнены в виде чередующихся вдоль наклонных поверхностей параллельных выступов и впадин, при этом выступы одного клина входят во впадины другого клина, большие основания клиньев через хомуты и одну пару рабочих роликов, контактирующих с образцом, соединены с соответствующими тягами, а другая пара рабочих роликов расположена между наклонными плоскостями клиньев для взаимодействия с поверхностью образца.

На фиг. 1 показан паспорт прочности горной породы, построенный в области растяжения ; на фиг.2 - устройство для испытания кольцевых образцов при двухосном растяжении, вид сбоку; на фиг.З - то же, вид спереди.

Способ испытания при двухосном растяжении кольцевых образцов осуществляется следующим образом.

В образец горной породы с отверстием помещают устройство для испытания при двухосном растяжении. Прикладывают различные по двум взаимно перпендикулярным осям растягивающие усилия. При этом растягивающие усилия Pi распределяют по линии и в одном из направлений, например вертикальном, задают закон их изменения. Растягивающие усилия Ра в другом направлении - горизонтальном измзнягот в каждом из экспериментов по закону Pi KPi, где коэффициент К изменяют от нуля до величины Pi. После этого по полученным экспериментальным значениям предельных величин растягивающих усилий строят паспорт прочности в области растяжения. Паспорт прочности горной породы получают, например, путем проведения огибающей 1 в области растяжения к четырем кругам Мора и проходящей через точку двухосного равнокомпонентного растяжения: первый круг 2 - одноосное растяжение

(0; оЈ ) точка 3 - двухосное равнокомпонен- тное растяжение, второй, третий и четвертый круги соответственно 4, 5 и 6 - двухосное равнокомпонентное растяжение, координаты кругов соответственно (ai,02); (оз,04); (os-flfe).

Устройство включает две соосно установленные тяги 7, каждая из которых соединена с захватами испытательной машины (на фиг. не показаны) и установлено с возможностью передачи усилия на внутреннюю поверхность образца. В отверстия тяг 7 вставлены вспомогательные ролики 8, присоединенные сережками 9 к паре рабочих роликов 10. Ролики 10 находятся в контакте с образцом 11 и с помощью хомутиков

12соединены с трапециевидными клиньями

13посредством гаек 14 Трапециевидные клинья 13 в продольном направлении выполнены в виде чередующихся выступов 15 и впадин 16, а в поперечном направлении имеют наклонные плоскости. Между наклонными плоскостями трапециевидных клиньев 13 размещена вторая пара рабочих роликов 17 с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью образца 11.

5

0

5

0

5

0

5

5

Устройство работает следующим зом.

Этап подготовки устройства к работе. Клинья 13 соединяют друг с другом так, чтобы выступы одного клина попадали во впадины другого. В отверстия клиньев 13 вставляют хвостовые части хомутов 12, в

отверстия которых помещают первую пару рабочих роликов 10.После этого собранный узел размещают в отверстии образца 11. В промежуток между наклонными плоскостями клиньев помещают вторую пару рабочих роликов 17. Затем затягивают гайки 14 до соприкосновения рабочих роликов 17 с образцом 11. Тяги 7 помещают в захваты испытательной машины. В отверстия тяг 7 вставляются промежуточные ролики 8, которые затем соединяют с первой парой рабочих роликов сережками 9.

Этап работы устройства. Растягивающее усилие от испытательной машины передается через тяги 7 в промежуточные ролики 8 на первую пару роликов 10 сережками 9. Первая пара рабочих роликов 10 растягивает образец 11 в направлении, задаваемом испытательной машиной Одновременно с этим рабочие ролики 10 с помощью хомутов 1 и гаек 14 смещают трапециевидные клинья 13, которые выклинивают вторую пару рабочих роликов 17 Рабочие ролики 17 при этом растягивают образец 11 в направлении, перпендикулярном к линии действия

захватов испытательной, машины, При этом усилие растяжения, создаваемое второй парой роликов,

Q Psin2a,

где Р - усилие, передаваемое устройству через захваты испытательной машины;

а - угол между плоскостями трапециевидных клиньев.

Предлагаемый способ был реализован в устройстве со следующими параметрами.

Рабочие ролики диаметром 20 мм и длиной: первая пара 40 мм, а вторая 20 мм, размещают внутри образца горной породы диаметром 90 мм, внутренним отверстием 60 мм и толщиной 20 мм. Трапециевидные клинья высотой 30 мм имеют различные углы наклона между плоскостями: 90, 75.60 и 45°. При этом рабочие ролики изготавливают из стали 40ХН с предварительной шлифовкой и закалкой, материал трапециевидных клиньев - сталь 45 нормализованная. Тяги выполнены также из стали 45 улучшенной.

Испытывают образцы песчаника в количестве 5 шт. Результаты экспериментов приведены в таблице.

Анализ полученных результатов показывает, что при уменьшении угла между тра- пециевиДными клиньями от 90 до 45° наблюдается рост.наибольшего и наименьшего напряжений при одновременном уменьшении разрыва между ними. ч

Построение кругов Мора в осях а -а позволяет провести огибающую к этим кругам, пересекающую ось а в точке 30 МПа, т.е. построить паспорт прочности песчаника в области растяжения.

Изобретение позволяет расширить диапазон исследований от одноосного растя- жения (Pi 0, Ра 0) до двухосного равнокомпонентного растяжения (Pi Ра 0), включая все промежуточные состояния двухосного неравнокомпонентного растяжения (Pi Ра 0) где Pi и Ра - величины разрывающих усилий по осям нагружения, а также повысить достоверность испытаний вследствие возможности прогнозировать вид разрушения (сдвиг, отрыв или их комбинацию). Другими словами, предлага-

емые способ и устройство позволяют построить паспорт прочности горных пород в области растяжения.

Дополнительным преимуществом является возможность изучения с его помощью анизотропии горных пород как путем задания плоскости разрушения посредством комбинации главных напряжений, так и путем задания плоскости разрушения посред- ством разворота (т.е. необходимой ориентации) всей конструкции внутри кольцевого образца при Неизменной комбинации главных напряжений.

Формула изобретения

1. Способ испытания кольцевых образцов при двухосном растяжении, заключающийся в нагружении образцов изнутри в двух взаимно перпендикулярных направлениях растягивающими усилиями, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона и повышения достоверности испытаний проводят серию нагружении образца с усилием Р в одном направлении и усилием Рг KPi в другом направлении, при этом изменяют коэффициент. К от 0 до 1 при каждом нагружении и определяют предельные величины растягивающих усилий, по которым строят паспорт прочности в области растяжения.

2. Устройство для испытания кольцевых образцов при двухосном растяжении, содержащее две соосно установленные тяги для соединения с захватами испытательной машины и передачи усилия на внутреннюю поверхность образца, отличающееся тем, что, оно снабжено двумя трапециевидными клиньями для установки внутри образца, хомутами и двумя парами рабочих роликов, поверхности малых оснований клиньев выполнены в виде чередующихся вдоль наклонных поверхностей параллельных выступов и впадин, при этом выступы одного клина входят во впадины другого клина, большие основания клиньев через хомуты и одну пару рабочих роликов, контактирующих с образцом, соединены с соответствующими тягами, а другая пара рабочих роликов расположена между наклонными плоскостями клиньев для взаимодействия с поверхностью образца.

П р и м е ч а н и е. Одноосное растяжение осуществляется при отсутствии второй (боковой пары роликов. Величины главных напряжений определяют отношением разрывающих нагру зок к площадям поперечных сечений стенок образцов.

Использование: изобретение относится к горному делу и предназначено для испытания горных пород. Сущность изобретения: две соосно установленные тяги соединены с захватом испытательной машины. Вспомогательные ролики вставлены в отверстия тяг и присоединены к паре рабочих роликов. Последние контактируют с образцом и хо.мутами соединены с трапециевидными клиньями. Поверхности малых оснований клиньев выполнены в виде чередующихся выступов и впадин. Выступы одного клина входят во впадины другого клина. Вторая пара рабочих роликов расположена между наклонными плоскостями клиньев для взаимодействия с поверхностью образца. Растягивающее усилие Pi от испытательной машины через тягу, промежуточные ролики и первую пару рабочих роликов передается на образец, который растягивается в направлении, задаваемом испытательной машиной. Вторая пара рабочих роликов растягивает образец в ортогональном направлении усилием 2 KPi. где коэффициент К зависит от величины угла между наклонными плоскостями клиньев Изменяют коэффициент К от 0 до 1 при каждом последующем нагружени и и определяют величины растягивающих усилий, по которым строят па спорт прочности в области растяжений. 3 ил. (Л с

Г,/У/7дг

мпа

Фиг.1

8 L

Фиг.2

р/г

17

8

13