Способ определения твердости горных пород и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике измерений механических свойств материалов . Цель изобретения - повышение точности определения твердости и информативности . Для этого воздействуют на поверхность образца горной да 5%5 породы резцом из материала с большей твердостью, чем твердость поверхности образца. Образец вращают с постоянной скоростью вокруг оси, перпендикулярной его гладкой поверхности. Измеряют амплитудные и частотные параметры колебаний резца, взаимодействующего с образцом по линии окружности , с заданным радиусом в режиме повторяющегося поверхностного микроразрушения . Пополученным параметрам судят о твердости горных пород. Устрво для осуществления данного способа содержит основание 1, на котором установлен массивный диск 3 с электроприводом вращения 5. На диске 3 размещено приспособление 7 для закрепления образца горной породы, закрепленной на основании телескопической стойки 14 со, шкалой 33 угловых величин . Со стойкой 14 посредством шарнира 13 связан держатель 12 резца 10. . Для исключения биений при вращений образца устр-во имеет механизм нивелирования . Для привязки положения раз- 28 2J 12 .16 «о (Л оо ел со о ел

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3688924/22-03 (22) 04.01.84 (46) 23.02.88. Бюл. Ф 7 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (72) С.Я.Пята и А.П.Шафоростов (53) 620. 172:622.23.05(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 503173, кл. G 01 N 29/00, 1974.

Авторское свидетельство СССР

1(513308, кл. G 01 N 29/00, 1975. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике измерений механических свойств материалов. Цель изобретения — повышение точности определения твердости и информативности. Для этого воздействуют на поверхноств образца горной (51) 4 ("1 N 3/46//Е 21 С 39/00 породы резцом из материала с большей твердостью, чем твердость поверхности образца. Образец вращают с постоянной скоростью вокруг оси, перпендикулярной его гладкой поверхности. Измеряют амплитудные и частотные параметры колебаний резца, взаимодействующего с образцом по линии окружности, с заданным радиусом в режиме повторяющегося поверхностного микроразрушения. По-полученным параметрам судят о твердости горных пород. Устрво для осуществления данного способа содержит основание 1, на котором установлен массивный диск 3 с электроприводом вращения 5. На диске 3 размещено приспособление 7 для закрепления образца горной породы, закрепленной на основании телескопической стойки 14 со, шкалой 33 угловых величин. Со стойкой l4 посредством шарнира 13 связан держатель 12 резца 10.

Для исключения биений при вращении образца устр-во имеет механизм нивелирования. Для привязки положения разZF 2) 72 y

1375995 ных по твердости участков поверхности образца с носителем информации устройства на основании 1 установлены фоторезистор 24 и осветитель 25, разИзобретение относится к технике измерений механических свойств материалов, а именно к определению твердости горных пород, параметры по твердости используют для выбора оптимальных режимов бурения скважин при проектировании способов их проходки, а также к определению твердости материалов, применяемых в машиностроении 10 и приборостроении.

Цель изобретения — повышение точности определения твердости и информативности, а также исключение биений при вращении образца. 15

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа, вид сбоку с частичным разрезом; на фиг. 2 — то же, вид сверху; на фиг. 3 — график усредненных амплитудных характеристик 20 вибросигналов, записанных с образцов горных пород разной твердости; на фиг. 4 — амплитудная характеристика вибросигналов, совмещенная с разверткой следа взаимодействия резца за 25 один оборот образца.

Устройство состоит из основания 1, на котором в опоре 2 установлен массивный кольцевой диск 3, вращаемый 30 через фрикционную передачу 4 электродвигателем 5. С диском 3 с помощью шаровых шарниров 6 связано приспособление 7 для закрепления испытуемых образцов 8 горной породы.

С гладкой поверхностью 9 образца 8 взаимодействует резец 10 из материала с большей твердостью, чем твердость поверхности образца, жестко связанный .с пьезоэлементом 11, преоб- 4 разующим механические колебания в электрические сигналы (вибросигналы).

Резец 10 и пьезоэлемент 11 закреплены на держателе 12, который с помощью шарнира 13 соединен с телескопической стойкой 14. Положение держателя в

45 вертикальной плоскости регулируется

\ мещенный в затемненной камере 26 и отделенный от фоторезистора кольцевым выступом диска 3 с радиальным ок" ном 27. 2 с. и 2 э.п. ф-лы, 4 ил. и фиксируется винтом 15. Требуемое усилие на резец 10 достигается перемещением на держателе 12 противовеса 16.

Для исключения биений поверхности

9 образца 8 при его вращении устройство снабжено механизмом нивелирования, который состоит из трех винтов

17 и гаек 18, размещенных соответственно в отверстиях 19 и углублениях

20 корпуса приспособления 7,,а также уровня 21, жестко связанного с держателем 12, Винты 17 имеют продольные пазы 22, фиксированные штифтами 23 °

Синхронизация вращения образца с носителем информации (не показан) осуществляется с помощью фоторезистора

24 и осветителя 25, размещенного в затемненной камере 26, разделенных кольцевым выступом диска 3 с радиальным окном 27.

-Положение резца 10 на держателе

12 фиксируется винтом 28. Испытуемый

I образец 8 закрепляется в приспособлении 7 зажимами 29, радиальное перемещение которых осуществляется винтами 30. !

Угол поворота держателя 12 (фиг. 2) относительно центра 31 вращения образца 8 контролируется стрелкой 32 на градусной шкале 33 угловых перемещений. Величина угла Р определяется требуемой скоростью взаимодействия образца 8 с резцом 10.

С целью привязки положения разных по твердости участков поверхности образца с носителем информации устройство снабжено фоторезистором и осветителем, разделенными кольцевым выступом диска с радиальным окном, причем осветитель размещен в кольцевой затемненной камере, а фоторезистор электрически связан с преобразователем меток регистрирующего прибора.

3 1375995 4

Диаметр испытуемых образцов, м

Диапазон определения твердости, Па

Статическое усилие на резец, кгс

Скорость вращения образца, об/мин (рад/с) Скорость перемещения образца относительно резца, м/с

0,022...0 1 (70-550)х10

0,06...0,250

3,5 ° ° ° 40 (О, 36...4, 18)

0,004...0,18

Способ осуществляют следующим образом.

После закрепления образца 8 в приспособлении 7 поверхность 9 совмеща5 ют с плоскостью горизонта. Для этой цели поворотом гаек 18 добиваются горизонтального положения держателя 12 в точках 34 — 36, расположенных под углом 120 на окружности выбранного радиуса 37. Затем устройство клеммами 38 электродвигателя 5 подсоединяют к электросети (выключателем 39 замыкают электродвигатель 5), образец вращают с постоянной ско-. ростью вокруг оси, перпендикулярной

его гладкой поверхности, измеряют амплитудные и(или) частотные параметры колебаний резца, взаимодействующего с образцом 8 по линии окружности с заданным радиусом в режиме повто-. ряющегося поверхностного микроразрушения. В процессе взаимодействия с образцом 8 при его вращении резец 10 совершает преимущественно нормальные колебания, которые после преобразования пьезоэлементом 11 в электрические сигналы подаются через клеммы 40 на предварительный усилитель 41 и далее через анализатор спектра (или полосовой фильтр) 42 на вход регистрирующего прибора 43. С предварительного усилителя 41 вибросигналы подаются также на частотомер 44. Фоторезисторы 24 через клеммы 45 соединяют с преобразователем меток регистрирующего прибора 43. .Пример. Определяют твердость образцов горных пород и металлических дисков на устройстве габаритами 0,41х х0,33х0,36 м и массой 15 кг.

Испытания проводят при следующих параметрах и режимах:

Радиус взаимодействия резца с об-. разцом, м 0,015 ° ..0,045

11остоянная времени измерения 0,3...3,0

Получают (фиг. 3) усредненные амплитудные параметры вибросигналов для известняка 46, гранита 47 и железистого кварцита 48. Аналогичные характеристики получены для металлов разной твердости.

Анализ приведенного графита показывает, что уже при времени взаимодействия не более 20...40 с наступает стабилизация измеряемых значений вибросигналов, которые существенно отличаются по уровню для горных пород разной твердости.

Для определения твердости в единицах приложенного усилия на заданную площадь штампа используют график или уравнение корреляционной связи между амплитудой и(или) частотой колебаний резца 10 с твердостью исследуемого материала.

При количественной оценке распределения твердых и мягких включений в горной породе на единицу пути вза имодействия резца с образцом, уменьшают скорость его вращения и постоянную времени измерения, а также повышают чувствительность регистрации амплитуды вибросигнала. Для этого положение радиального окна 27 (фиг.2) совмещают с характерной точкой а, обусловленной неоднородностью горной породы по твердости, с помощью винта 30 ослабляют зажим образца 8 и поворачивают его до тех пор, пока точка а будет находиться на одной прямой, соединяющей центр 31 вращения с радиальным окном 27.

Амплитудная характеристика 49 виб- росигналов (фиг. 4) совмещена с раз= верткой длины окружности следа взаимодействия резца 10 радиусом 37 за один оборот образца 8.

Анализ распределения амплитуды вибросигналов показывает, что кварц твердостью 200xiO Па (204 кг/мм ) составляет 0,3 длины окружности следа взаимодействия и 0 7 сланец тверI

Э достык 38х10 Па (39 кгс/мм ). Измеряя амплитуду вибросигнала на разных радиусах взаимодействия, получают параметры распределения твердых и мягких включений по всей поверх1375995 6 тудные и(или) частотные параметры колебаний резца, взаимодействующего с образцом по линии окружности с за5 данным радиусом .в режиме повторяющегося поверхностного микроразрушения. ности исследуемого образца горной породы.

Использование способа и устройст ва для его осуществления, кроме повышения точности и разрешающей способности определения твердости горных пород, позволяет увеличивать в

5...10 раз объем получаемой информации единичного измерения (за один оборот образца) относительно статического метода вдавливания штампа; сокращать затраты времени и расход режущего инструмента на подготовку образцов к испытаниям примеРно в два раза (за счет возможности определения твердости на образцах с одной гладкой поверхностью); определять твердость слоистых пород на образцах кернов малого диаметра 0,022...0,05 м 2g без их разрушения, оценивать степень неоднородности горных пород, т.е. относительное количество твердых и мягких включений, а также определять твердость в динамическом режиме, что 25 в отличие от статического метода вдавливания штампа в большей степени отражает реальный процесс бурения скважины.

Формула изобретения

Способ определения твердости горных пород, включающий воздействие на поверхность образца горной породы резцом из материала с большей твердостью, чем твердость поверхности образца, и измерение параметров колебаний резца, по которым определяют твердость горных пород, о т л и — 40 ч а ю шийся тем, что, с целью. повышения точности определения твердости и информативности, образец вращают с постоянной скоростью вокруг оси, перпендикулярной его плоскости

45 гладкой поверхности, измеряют ампли2. Устройство для определения твердости горных пород, включающее резец, пьезопреобразователь, регистрирующий прибор и индикатор, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабжено основанием, установленным на нем массивным диском с электроприводом вращения, размещенным на диске приспособлением для крепления образца горной породы, закрепленной на основании телескопической стойкой со шкалой угловых величин, держателем резца, причем резец жестко соединен с пьезопреобразователем, держатель посредством шарнира связан с телескопической стойкой и установлен с возможностью поворота в плоскости, параллельной оси вращения массивного диска и не проходящей через нее, а также с возможностью изменения и фиксации его положения в вертикальной и горизонтальных плоскостях.

3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью исключения биений при вращении образца, оно снабжено механизмом нивелирования .поверхности образца.

4. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабже" но установленными на основании фоторезистором и осветителем с затемненной камерой, датчиком меток, массивный диск выполнен кольцевым и с радиальным окном в кольцевом выступе, причем осветитель и фоторезистор размещены по разные стороны кольцевого выступа диска, а фоторезистор соединен с преобразователем меток регистрирующего прибора.

1375995

Фиа 2

Врежу, с

Фиг. У

Составитель 3.11етрова

Редактор В,11етраш Техред 11.Яндык Корректор С.Шекмар

Заказ 782/43 Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4