09 марта 2016г.
Проведено экспериментальное определение формы и размеров трещины, образующейся в хрупкой среде при статическом внедрении и поверхностном ударе клиновидного инструмента. Известно, что при таком взаимодействии жесткого клина и упруго-хрупкой среды в последней происходит образование и развитие трещины. В плоской постановке такая задача о развитии трещины при нормальном к поверхности ударе клином рассмотрена в [1]. В работе [2, 3] приведена также в плоской постановке задачи расчетная схема развития трещины в хрупкой горной породе при ударе клиновидным инструментом под уступ. Целью таких исследований является разработка методов расчета рациональных параметров машин ударного действия, таких как ударные молоты, предназначенные для разрушения негабарита, послойного скалывания горной породы в ковшах экскаваторов активного действия [4]. Применительно к указанной задаче более адекватным процессу развития трещины при ударе клином заданной ширины может служить рассмотрение его в трехмерной постановке. С целью разработки такого подхода и визуализации процесса развития трещины исследования производились на прозрачном материале – органическом стекле. Для проведения испытаний были изготовлены прозрачные прямоугольные образцы с размерами 170х115х33 мм. Динамические эксперименты проводились с использо- ванием гравитационного копра, рабочий инструмент которого был выполнен в виде клина с углом заострения 300. Масса индентора была 2,3 кг, ширина клиновидной части 28 мм. На верхний торец индентора крепился акселерометр, сигнал с которого через АЦП Е-1440 записывался в компьютер. Серия испытаний, целью которых было определение характерных размеров трещин, образовавшихся от удара клина, была проведена следующим образом. Клин сбрасывали сначала с высоты порядка 5 см без образования трещины под клином, затем высоту постепенно увеличивали. Начиная с высоты 7см, под клином образовывались магистральные трещины. Их подкрашивали для контраста и измеряли их характерные размеры: глубину проникания и ширину. Высоту наращивали до выхода трещины на свободную поверхность, что произошло при высоте падения клина, равной 40 см. Полученные характеристики трещин в зависимости от интенсивности удара приведены в Табл.1.
Таблица 1
Развитие трещины под клином при динамическом воздействии.
|
H, см
|
Vуд, м/с
|
amax, м/с2
|
Fmax, Н
|
Δτ, ms
|
ℓтр, мм
|
bтр, мм
|
|
10
|
1,4
|
2369
|
5448
|
1,4
|
3,5
|
29
|
|
12
|
1,5
|
2523
|
5804
|
1,6
|
5,5
|
33
|
|
15
|
1,7
|
2269
|
5219
|
1,44
|
6,5
|
37
|
|
20
|
1,98
|
2857
|
6571
|
2
|
7,0
|
33
|
|
25
|
2,2
|
3071
|
7064
|
1,96
|
10
|
39
|
|
30
|
2,4
|
3453
|
79040
|
2,2
|
12
|
45
|
Здесь: H – высота падения клина, Vуд – начальная скорость удара, amax – максимальное значение ускорения при торможении клина, Fmax – максимальное усилие нагружения, Δτ – полное время нагружения, ℓтр – длина трещины, bтр – ширина трещины на свободной поверхности.
Пример, образующейся при ударе клином трещины
приведен на Рисунке 1
Статические эксперименты проводились на испытательном стенде УМЭ-10ТМ.
Нагружение производилось клином с углом заострения 300, ширина лезвия была уменьшена до 13,5 мм. Скорость внедрения 0,5 мм/мин,
нагружение производили до первого проскока
магистральной трещины.
При проскоке трещины нагрузка резко падала на 100 кГ и более, в этот момент
нагрузку снимали.
В экспериментах фиксировалась максимальная нагрузка в момент старта трещины, что определялось по записи акустической эмиссии, время нагружения до максимальной нагрузки, глубина
внедрения клина в момент старта трещины,
форма трещины и ее характерные размеры
(Рисунок 2)
Характеристики трещин,
полученные в результате проскока,
в зависимости от характерных величин внедрения клина представлены в Табл.2, где Fmax – максимальная нагрузка
в момент старта трещины, Δt – время нагружения до максимальной нагрузки, h – глубина
внедрения клина в момент
старта трещины, ℓтр – размер трещины вдоль оси симметрии, bтр – ширина трещины на свободной поверхности.
Таблица 2
Развитие трещины при статическом внедрении
клина.
|
№
|
Fmax, кГ
|
Δt, с
|
h, мм
|
ℓтр,
мм
|
bтр, мм
|
|
1
|
585
|
245
|
2,04
|
8,5
|
23
|
|
4
|
740
|
275
|
2,3
|
11
|
26,5
|
|
5
|
570
|
250
|
2,1
|
13
|
30,1
|
|
7
|
925
|
350
|
2,9
|
17,0
|
44
|
|
8
|
790
|
300
|
2,5
|
15,8
|
44,2
|
|
10
|
1140
|
450
|
3,75
|
14,5
|
31,5
|
Типичная диаграмма нагружения во времени показана
ниже: первый канал – сигнал силоизмерителя, второй канал – сигнал с датчика акустической эмиссии.
Полученные в экспериментах при статическом и динамическом внедрении
клина в хрупкую среду формы и размеры трещин в дальнейшем предполагается сравнить
с найденными теоретически.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований (проект
№ 14-05-00156)
Список литературы
1. Башеев Г.В., Ефимов
В.В., Мартынюк П.А. Расчетная модель разрушения горных
пород клиновидным ударным инструментом // ФТПРПИ. — 1999. — № 5.
2.
Башеев Г.В. Расчетная
модель откола куска горной
породы при ударе
клином под уступ.
ФТПРПИ. -2004. -№5
3. Башеев Г.В. Мартынюк
П.А., Шер Е.Н. Расчетная модель
откола породы от массива
при многократном ударе клиновидного инструмента под углом к свободной поверхности// ФТПРПИ.-.2005 - №5.
4.
Маттис А.Р. и
др.
Безвзрывные технологии открытой добычи
твердых
полезных ископаемых. Новосибирск: Изд-во
СО РАН, 2007
