Способ управления режимом нагружения лабораторного пресса при испытании образца горной породы

Изобретение относится к лабораторному моделированию в геофизике с применением электрогидравлического, программно управляемого пресса и может быть использовано для исследований процессов разрушения горных пород с целью отработки методик и алгоритмов прогнозирования сейсмической опасности в природных массивах. Сущность: на начальном этапе ступенчато через заданные равные интервалы времени смещают положение плиты пресса на заданное значение. На каждой ступени регистрируют поток акустической эмиссии, выделяют одиночные акустические события, определяют интенсивность потока акустической эмиссии. При достижении интенсивности акустической эмиссии заданного значения уменьшают на каждой следующей ступени величину смещения положения плиты пресса, поддерживая интенсивность акустической эмиссии на заданном уровне. При достижении величины ступенчатого смещения положения плиты пресса минимально допустимого значения и превышении интенсивности акустической эмиссии заданного значения при каждом следующем ступенчатом смещении увеличивают интервалы времени смещения положения плиты пресса. При последующем снижении интенсивности акустической эмиссии ниже заданного значения уменьшают интервалы времени смещения положения плиты пресса до заданного на начальном этапе значения. Технический результат: увеличение количества акустических событий при разрушении зерен горной породы, фиксируемых в процессе испытания образца. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к лабораторному моделированию в геофизике с применением электрогидравлического, программно управляемого пресса и может быть использовано для исследований процессов разрушения горных пород с целью отработки методик и алгоритмов прогнозирования сейсмической опасности в природных массивах.

Лабораторное прессовое испытательное оборудование подразделяется на две категории. Первая категория - это чисто механические прессы, где прикладываемое к образцу усилие создается посредством перемещения пуансонов пресса с помощью винтового или иного механизма. Ко второй категории относятся прессы, в которых прикладываемое к образцу усилие создается гидравлической системой. Механические прессы обладают своей спецификой нагружения. Так при испытании материала они способны производить нагружение лишь в одном направлении, а именно в направлении сжатия испытуемого образца. Это свойство ограничивает круг применения данного вида испытательного оборудования. Кроме этого, механические прессы имеют очень низкую точность поддержания заданного параметра. Это не позволяет их использовать в лабораторных экспериментах на образцах малого размера. Вторая категория - гидравлические прессы более приспособлены для лабораторных испытаний материалов. В зависимости от конструкции рабочего цилиндра гидравлические прессы подразделяются на однокамерные и двухкамерные. В однокамерных прессах усилие, создаваемое давлением масла, прикладывается только в одном направлении. А именно, в направлении сжатия образца. При испытании горной породы на таком прессе практически отсутствует возможность контролируемой осевой деформации. При этом процесс формирования и развития магистрального разлома в испытуемом материале происходит лавинообразно. Двухкамерные гидравлические прессы лишены этого недостатка. За счет наличия второй гидравлической камеры перемещение поршня самого пресса осуществляется под контролем (в направлении сжатия или растяжения). Это делается посредством работы сервовентилей, которые выравнивают баланс давления между верхней и нижней камерой таким образом, что поршень пресса всегда находится в заданном положении. Для этих прессов наиболее известен режим нагружения образца с постоянной скоростью деформации. В этом случае смещение поршня пресса и соответствующая этому осевая деформация образца осуществляются дискретными шагами через равные интервалы времени. Тем самым постепенная деформация образца приводит к необратимым изменениям в структуре самого материала и дальнейшему его разрушению. Однако данный режим нагружения не позволяет сколь-нибудь существенно растянуть во времени формирование магистрального разлома в образце. А именно, процессы формирования и развития такого разлома наиболее интересны в плане изучения процессов, происходящих в деформируемом материале. Недостаток режима с постоянной скоростью деформации также состоит в том, что изменение этой скорости возможно лишь в ручном режиме под контролем самого оператора. Это накладывает некий субъективный фактор на сам процесс формирования магистрального разлома и его разрушения.

Известен способ управления режимом нагружения лабораторного пресса, заключающийся в том, что на начальном этапе плитами пресса создают сжимающее напряжение и плавно его увеличивают. Фиксируют акустическую эмиссию от образца и определяют энергию сигналов. Вычисляют текущую жесткость нагрузочной характеристики, а также необходимую жесткость по показаниям акустического датчика. Сравнивают значения текущей и необходимой жесткостей нагрузочной характеристики. Если значение текущей жесткости меньше необходимого уровня, то жесткость нагружения изменяют пропорционально суммарной энергии акустической эмиссии образца (SU 1076581 А, E21C 39/00,28.02.1984).

Исходя из распределения числа акустических событий от их энергии (график повторяемости) чем выше энергия события акустической эмиссии, тем реже они происходят. Вклад энергии большого одиночного события в общий поток энергии велик. Это приводит к сильным энергетическим всплескам. Тем самым существующий критерий оценки состояния образца по суммарной энергии акустической эмиссии оказывается нестабильным. Это является серьезным недостатком известного способа.

Известен способ управления режимом нагружения лабораторного пресса, заключающийся в том, что нагружение образцов осуществляют ступенчато с фиксированным значением нагрузки, образцы выдерживают при каждом фиксированном значении нагрузки в течение времени спадания интенсивности акустической эмиссии до стабилизированного значения, увеличение нагрузки проводят до скачкообразного увеличения стабилизированного значения акустической эмиссии, по которому определяют предел прочности материала при сжатии (SU 1809053 A1, Е 21 С 39/00,15.04.1993).

Однако реализуемый известным способом режим нагружения не позволяет сколь-нибудь существенно растянуть во времени формирование магистрального разлома в образце.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа управления режимом нагружения лабораторного двухкамерного гидравлического пресса с сервоприводом, позволяющего за счет контроля состояния образца растянуть во времени процесс формирования в образце магистрального разлома и получить объемные, пространственно-временные распределения процессов формирования магистрального разлома.

Техническим результатом, обеспечиваемым данным изобретением, является увеличение количества акустических событий при разрушении зерен горной породы, фиксируемых в процессе испытания образца. Это даст возможность получить более качественную акустическую информацию, поддающуюся дальнейшему анализу. За счет плавного роста и продвижения по формируемому разлому позволит разделить во времени отдельные акустические события, которые в обычных условиях сливаются в непрерывный поток сигналов. В свою очередь разделение акустических событий во времени даст возможность более точной и качественной локации источников сигналов акустической эмиссии. Тем самым возможно получить объемные, пространственно-временные распределения процессов формирования магистрального разлома.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления режимом нагружения лабораторного пресса при испытании образца горной породы, заключающемся в том, что на начальном этапе ступенчато через заданные равные интервалы времени смещают положение плиты пресса на заданное значение, на каждой ступени регистрируют поток акустической эмиссии, выделяют одиночные акустические события, определяют интенсивность потока акустической эмиссии, при достижении интенсивности акустической эмиссии заданного значения уменьшают на каждой следующей ступени величину смещения положения плиты пресса, поддерживая интенсивность акустической эмиссии на заданном уровне, при достижении величины ступенчатого смещения положения плиты пресса минимально допустимого значения и превышении интенсивности акустической эмиссии заданного значения при каждом следующем ступенчатом смещении увеличивают интервалы времени смещения положения плиты пресса, при последующем снижении интенсивности акустической эмиссии ниже заданного значения уменьшают интервалы времени смещения положения плиты пресса до заданного на начальном этапе значения.

При этом акустические события выделяют как одиночные, если пауза между ними составляет не менее 300 мкс, а на начальном этапе ступенчато смещают положение плиты пресса не более чем на 10 мкм с интервалом не более 20 с.

На фиг.1 представлена блок-схема установки, реализующая способ управления режимом нагружения лабораторного пресса при испытании образца горной породы.

На фиг.2 - график изменения осевой нагрузки и уровня задающего генератора (задаваемая деформация).

На фиг.3 - график интенсивности потока сигналов акустической эмиссии.

На фиг.4 - фрагмент графика уровня задающего генератора в режиме контроля интенсивности потока сигналов акустической эмиссии.

Установка, реализующая способ управления режимом нагружения лабораторного пресса при испытании образца горной породы, состоит из пресса с верхним 1 и нижним 2 основаниями, подвижным 3 и неподвижным 4 пуансонами, насосной станции 5, электрогидравлических сервовентилей 6, аналоговой стойки контроля и управления 7, индуктивного датчика 8 положения пуансонов 3 и 4 пресса, акустического датчика 9, испытуемого образца 10, регистратора потока акустической эмиссии 11 и компьютера управления 12.

Верхнее 1 и нижнее 2 основания пресса жестко соединены между собой. На нижнем основании закреплен неподвижный пуансон 4 пресса. Верхний пуансон 3 пресса имеет возможность вертикального смещения относительно верхнего основания пресса. В зависимости от соотношения давления в верхней и нижней частях этого пуансона происходит его смещение в том или ином направлении. Давление в верхней и нижней частях подвижного пуансона 3 регулируют электрогидравлические сервовентили 6, на которые подается основное давление с насосной станции 5. Управляет работой сервовентилей аналоговая стойка контроля и управления 7. На аналоговую стойку контроля и управления поступают два аналоговых сигнала. Один сигнал с индуктивного датчика положения пуансонов пресса 8. Второй сигнал с компьютера управления 12. Сигнал компьютера управления 12 является эталонным, задающим текущее положение - расстояние между пуансонами пресса. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД -регулятор), установленный в аналоговой стойке контроля и управления 7, выделяет сигнал разности между эталонным сигналом и сигналом положения пуансонов пресса. Этот разностный сигнал и управляет работой сервовентилей 6, заставляя смещаться подвижный пуансон 3 пресса в нужном направлении для того, чтобы эталонный сигнал и сигнал датчика положения 8 сравнялись. Таким образом компьютер управления 12 задает необходимый режим нагружения пресса и соответственно образца 10. Это стандартный принцип работы программно управляемого двухкамерного гидравлического пресса. Обычно для лабораторных испытаний образцов применяется режим с постоянной скоростью деформации, когда смещение пуансона пресса происходит через равные интервалы времени с заданным шагом по смещению. Для реализации способа система управления прессом снабжена акустическим датчиком 9 и регистратором потока акустической эмиссии 11. Акустический датчик 9 монтируется на испытуемом образце 10 и принимает акустические сигналы от микротрещин и микроразрушений, которые происходят внутри образца при его деформировании прессом. Эти сигналы поступают на регистратор потока акустической эмиссии 11. Регистратор 11 в режиме реального времени обрабатывает эти данные, выделяет из них отдельные акустические события, подсчитывает их число (интенсивность потока сигналов акустической эмиссии) на секундном интервале. Эти данные поступают в компьютер управления 12 прессом и используются им для принятия решения о возможной коррекции режима деформирования образца.

В качестве приемного датчика используется акустический датчик 9 с кристаллом пьезокерамики, интегрированный в нижний пистон ячейки для размещения образца. Датчик резонансный с частотой собственных колебаний 290 кГц. Для работы используется один из каналов АЦП. Сигнал с датчика, усиленный предварительным малошумящим усилителем с трансформаторной развязкой, непрерывно оцифровывается с частотой 1 МГц. Вычисляется корень квадратный из суммы квадратов полученных измерений. Суммирование идет по 96 точкам. В результате получается величина эквивалентная эффективной амплитуде акустического сигнала в интервале осреднения 96 микросекунд. На секундном интервале, синхронно с системой управления прессом, производится накопление данных. Для реализации непрерывной оцифровки и сбора акустических данных в памяти компьютера организованы два кольцевых циклических буфера, заполняемых поочередно. В то время, когда заполняется один из буферов, производится обработка уже заполненного массива. Полученный массив обрабатывается в реальном времени с целью поиска отдельных событий акустической эмиссии. Для ускорения процесса обработки выбирается простейший пороговый критерий оценки события. Для обеспечения синхронной работы системы управления прессом и блоков регистрации на основе АЦП была выработана определенная временная последовательность, осуществляемая программой управления прессом.

Программа управления прессом позволяет реализовать несколько режимов испытаний образца в условиях контролируемой осевой деформации. Основным является режим с постоянной скоростью осевой деформации. В этом режиме смещение положения плит пресса производится строго через определенные интервалы времени. В этом случае скорость деформации образца W рассчитывается по формуле (1).

$$W=\Delta L/L;\Delta L=G/\Delta T,(1)$$

где L - высота образца в мм, ΔL - изменение длины образца мкм/с, G - шаг задающего генератора в мкм, ΔT - интервал подгрузки в секундах.

Шаг задающего генератора зависит от выбранного в начале эксперимента максимального допустимого смещения. Обычно для одноосных испытаний это значение равно 1 мм. При выбранном смещении 1 мм минимальный шаг генератора равен 0.244 мкм. Скорость деформации можно корректировать в процессе испытания. Также в любой момент можно приостановить процесс деформирования, включив режим паузы, или сменить знак деформации и начать разгружать образец. Минимальное значение амплитуды одиночного смещения равно одному уровню задающего генератора, однако его можно увеличить, задав любое допустимое значение. Это необходимо при проведении испытаний геоматериалов с большими ступенями деформации.

В качестве особого режима нагружения образца используется режим контроля интенсивности потока акустической эмиссии. В основе этого режима лежит принцип обратной связи, приводящей к тому, что величина скорости осевой деформации образца изменяется в зависимости от интенсивности потока акустической эмиссии. Данный режим функционирует на фоне режима с постоянной скоростью деформации, когда смещение плит пресса происходит через заданные интервалы времени. В процессе осевой деформации образца происходит его постепенное разрушение. Этот процесс сопровождается выделением акустической энергии в виде отдельных событий. Для того чтобы растянуть во времени процесс разрушения образца, необходимо изменять условия его деформирования и, в частности, скорость деформации. Для реализации этого режима осуществляется подсчет числа акустических событий и их полной энергии на каждом интервале накопления. Значения полученных данных используются для сравнения с величиной, заданной в программе исследователем. В случае превышения указанного порога программа принимает решение об отмене очередного смещения положений плит. Это приводит к тому, что процесс деформации приостанавливается. В образце начинают идти релаксация и перераспределение нагрузок. Это в свою очередь приводит к уменьшению интенсивности потока акустической эмиссии. Как только уровень интенсивности акустической эмиссии упадет ниже заданного порога, режим с постоянной скоростью деформации возобновляется.

Способ управления режимом нагружения лабораторного пресса согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Образец 10 с наклеенным на него акустическим датчиком 9 устанавливается в рабочее пространство пресса и начинает подвергаться деформированию.

Изначально, исходя из предела прочности испытуемого материала, вычисляется предельно допустимая деформация и, соответственно, необходимое и достаточное предельное смещение плиты пресса. Опытным путем установлено, что для полного разрушения образца предельное смещение плиты пресса не превышает 1 мм. Данный интервал (1 мм) разбивается на 4096 частей (кратно степени 2), и тем самым получается минимальный шаг подгрузки пресса. Экспериментальным путем установлено, что деформируемый образец начинает активно излучать акустическую эмиссию по достижении 60-70% от предела прочности. Поэтому для уменьшения длительности испытания начальный его этап проходят с более высокой скоростью деформации. Для этого устанавливают интервал подгрузки, равный 20 с. Амплитуду шага деформации устанавливают равной 40 минимальным шагам деформации (для выбранного предельного смещения положения плиты пресса 1 мм и минимального шага деформации 0.244 мкм амплитуда шага деформации будет равна 9.76 мкм).

После каждого шага деформации производится оценка интенсивности потока акустической эмиссии. Порог дискриминации, при выделении одиночного события акустической эмиссии, определяется исходя из возможности разделения близкорасположенных одиночных событий. Минимальный временной интервал между близкорасположенными одиночными событиями определяется разрешающей способностью регистрирующей аппаратуры и составляет 300 мкс. При понижении порога дискриминации начинают фиксироваться все более мелкие события. В какой-то момент число этих событий увеличивается настолько, то они начинают сливаться. Исходя из экспериментальных данных, минимальный порог дискриминации не должен опускаться ниже 40 усл. ед. (мв.).

По мере роста интенсивности потока акустической эмиссии осуществляется уменьшение амплитуды шага деформации до тех пор, пока не будет достигнут минимальный шаг деформации. При уменьшении шага деформации уменьшается сопутствующий ему акустический отклик. Интервал подгрузки при этом остается неизменным. По мере уменьшения шага деформации скорость деформации падает. Это приводит к относительной стабилизации интенсивности потока сигналов акустической эмиссии. Однако по мере приближения к пределу прочности интенсивность потока сигналов акустической эмиссии начинает увеличиваться даже при минимальном шаге деформации. В это время включается в работу система увеличения длительности интервала подгрузки. Увеличение интервала подгрузки приводит, за счет процессов релаксации образца, к уменьшению осевой нагрузки и соответственно к уменьшению интенсивности потока сигналов акустической эмиссии. Увеличение интервала подгрузки происходит каждый раз, когда интенсивность потока сигналов акустической эмиссии превышает заданный уровень. По мере спада интенсивности потока сигналов акустической эмиссии интервал подгрузки уменьшается до начально заданного значения. Оператор визуально контролирует процесс деформирования образца. В случае, когда системе управления прессом не удается стабилизировать интенсивность потока сигналов акустической эмиссии, оператор принимает решение об изменении порога дискриминации при выделении отдельных акустических событий.

В результате работы системы испытания образца, на начальном этапе деформирования, процесс идет с достаточно большой скоростью деформации, которая постепенно, определенным образом уменьшается по мере приближения к пределу прочности материала. Это дает возможность растянуть на длительное время процесс разрушения образца получить большее количество акустических и других данных, предназначенных для дальнейшего анализа и изучения его механических и акустических параметров.

В качестве примера реализации изобретения рассмотрим пример проведения испытаний геоматериала в условиях контролируемой одноосной деформации с применением режимов с постоянной скоростью деформации и контролем интенсивности потока акустической эмиссии. В качестве испытуемого материала использовался образец песчаника диаметром 30 и высотой 60 мм. Сухой образец помещался в маслозащитный жакет и устанавливался в камеру высокого давления. Камера монтировалась в рабочее пространство пресса, и в ней создавалось начальное всестороннее давление 10 МПа. Максимальное осевое смещение выбиралось равным 1 мм, это соответствует минимальному шагу подгрузки 0.244 мкм. Начальный базовый интервал подгрузки выбирался равным 1 с. По достижении определенной начальной осевой нагрузки образца включался режим контроля интенсивности потока акустической эмиссии. Этот режим имел уровень порога дискриминации, равный 40 ед., и уровень интенсивности, равный 100 соб/с. График изменения осевой нагрузки и уровня задающего генератора представлен на фиг.2.

Как можно видеть из графика, на начальном этапе нагружения происходит достаточно быстрый рост осевой нагрузки. Это связано с тем, что скорость осевой деформации остается неизменной, заданной изначально. Образец деформируется упруго без образования микротрещин и соответственно без выделения акустической энергии в виде отдельных акустических событий. Включенный режим контроля интенсивности потока акустической эмиссии не вносит изменений в скорость деформации материала. Данный характер поведения образца сохраняется примерно до 1000 с испытания. После этого времени в образце начинают образовываться отдельные микротрещины, которые инициируют акустические события (фиг.3).

Постепенно, с ростом осевой деформации и осевой нагрузки на этапе с 1000 по 2000 с, идет увеличение интенсивности потока сигналов акустической эмиссии. Однако заданный порог в 100 соб/с еще не достигнут, и скорость деформации остается на прежнем, заданном уровне. Начиная с 2000 с испытания, включается в работу механизм управления скоростью деформации. Изменяется интервал подгрузки пресса (фиг.4). Это приводит к стабилизации интенсивности потока сигналов акустической эмиссии.

В случае, когда интенсивность потока меньше заданного оператором (испытателем) значения, начальный режим деформации не корректируется. При превышении интенсивности потока указанной величины компьютер управления уменьшает скорость деформации материала вплоть до полного прекращения процесса деформирования. В это время происходит постепенное падение интенсивности потока акустической эмиссии. Как только интенсивность потока упадет ниже заданного порога, процесс деформирования возобновляется с прежней скоростью деформации.

Данный режим (с контролем интенсивности потока сигналов акустической эмиссии) позволяет растянуть во времени процесс формирования магистрального разрыва (полного разрушения) в образце. Тем самым исследователи получают более полную картину процесса разрушения материала (горной породы).

1. Способ управления режимом нагружения лабораторного пресса при испытании образца горной породы, заключающийся в том, что на начальном этапе ступенчато через заданные равные интервалы времени смещают положение плиты пресса на заданное значение, на каждой ступени регистрируют поток акустической эмиссии, выделяют одиночные акустические события, определяют интенсивность потока акустической эмиссии, при достижении интенсивности акустической эмиссии заданного значения уменьшают на каждой следующей ступени величину смещения положения плиты пресса, поддерживая интенсивность акустической эмиссии на заданном уровне, при достижении величины ступенчатого смещения положения плиты пресса минимально допустимого значения и превышении интенсивности акустической эмиссии заданного значения при каждом следующем ступенчатом смещении увеличивают интервалы времени смещения положения плиты пресса, при последующем снижении интенсивности акустической эмиссии ниже заданного значения уменьшают интервалы времени смещения положения плиты пресса до заданного на начальном этапе значения.

2. Способ управления режимом нагружения лабораторного пресса по п.1, отличающийся тем, что акустические события выделяют как одиночные, если пауза между ними составляет не менее 300 мкс.

3. Способ управления режимом нагружения лабораторного пресса по п.1 или 2, отличающийся тем, что на начальном этапе ступенчато смещают положение плиты пресса не более чем на 10 мкм с интервалом не более 20 с.