автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка и создание устройства на основе материала с памятью формы для направленного откола монолитов

РГВ ОД

{'.[■Уи

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕН И ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

На правах рукописи

Аспирант ПОПОВИЧ Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УСТРОЙСТВА ИА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО ОТКОЛА МОНОЛИТОВ

Специальность 05.05.04. — «Дорожные и строительные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Новосибирск — 1993 г.

Работа выполнена в институте горного дела Сибирского отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель

Официальные оппоненты

; дущее предприятие

— доктор технических наук, профессор,

ЧАЙКОВСКИЙ Эрнест Гиляриевнч

— доктор технических наук СМОЛЯНИЦКИЙ Борис Николаевич

— кандидат технических наук, старший научный сотрудник, МУРЗИН Геннадий Степанович

— Республиканский инженерно-технический центр по восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов СО РАН

Защита, состоится

/7

3

» г-.- V . . 199 V . г.

. часов на заседании специализированного совета Д 003.17.03 института горного дела СО РАН (630091, г. Новосибирск, 91, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института торного дела СО РАН.

199

Автореферат разослан « .

Ученый секретарь специализированного совета д. т. н. О. Б. КОРТЕЛЕВ

овдая характеристика работы

Актуальность гены. Необходимость совершенствования технических средств и технологий направленного откола монолитов диктуется недостаточным уровнем их развития для нужд строительства и горного дела, обуславливающим, например, высокую себестоимость, низкие производительность и качество, и большие (до 75 7.) отходы при добыче природного камня из пород высокой и средней прочности, между тем," как потребности народного хозяйства в нем удовлетворяются лишь на 40-50 7..

По имеющимся прогнозам, с учетом достижений науки и техники и современных тенденций в мировой практике, одним кз наиболее перспективных для добычи прочных пород (гранит, мрамор и сходные с ними), с использованием оконтуривания монолита строчками шпуров, является буроклиновой способ направленного откола, позволяющий обеспечивать каксимааьнув сохранность выкалываемых блоков при среднем расходе бурения шпуров, но обладающий при этом невысокой производительностью, обуславливаемой, в частности, использованием недостаточно эффективных систем привода клиновых средств. Применяющиеся приводы (гидравлический, электромеханический и др.) имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих улучшить показатели этого способа отделения монолитов. Так, например, наиболее широко применяемые при буроклиновой отбойке гидроклиновые установки обладают недостатками, присущими всем гидроприводам: сложность в изготовлении, низкая эксплуатационная надежность, значительные вес и габариты приводной маслостанции, ограниченность применения в условиях низких температур и т.д. Кроме того, используемые системы привода, на сегодня в основном исчерпали резервы дальнейшего глубокого развития и их модернизация идет за счет усложнения конструктивных схем.

Базой для решения задач повышения эффективности привода клиновых средств, а, следовательно, и повышения производительности буроклинового способа, могут служить системы, основанные на новых физических принципах, в частности, использующие в качестве рабочего привода сплавы, обладающие термомеханической памятью формы при фазовых превращениях мартенеитноГо типа Существующий опыт изучения и применения этих штериалов в других сферах науки и техники позволяет предполагать, что по сравнению с применяемыми такой привод будет более мощным, малогабаритным, юэмпактным.

Другим путем повышения эффективности буроклинового способа представляется-снижение расхода бурения при оконтуривании отделяемого монолита ипурами, на создание которых приходится до 80 X

1

всех трудозатрат. Достижение ощутимых результатов в этом направлении совершенствования возможно, в частности, при использовании клиновых средств, позволяющих создавать одновременно горизонтальные и вертикальные трещины в массиве, а также, как уже отмечалось, повышением мощности приводной системы, что позволит уве яичить расстояние мевду шпурами.

Илея работы заключается в реализации свойств териомехани-ческой памяти формы некоторых сплавов, при их использовании в качестве рабочего тела привода устройства направленного откола, для решения задач повышения производительности технических средств буроклинового способа

Целью работ является разработка, обоснование параметров и создан:« высокоэффективного устройства на основе материала с термомаханической памятью Форш для направленного откола монолитов:

Зз^ми наследования:

- разработка и выбор принципиальной схемы устройства и конструктивных схем мартенситного привода и рабочего органа устройства;

- экспериментальное исследование рабочих параметров единичного силового элемента из сплава с "памятью формы", мартенситного привода и устройства в целом при различных условиях нагруже-ния, моделирующих технологический процесс откола монолитов;

- определение аналитическим и экспериментальным путем рациональных конструктивно-технологических параметров и разработка методики инженерного расчета мартенситноприводного устройства для направленного откола монолитов;

- проведение лабораторных и натурных испытаний устройства для проверки его работоспособности и эффективности.

Методы исследования. Для решения поставленных в .работе задач использовались: аналитический обзор предшествующих научных работ и проведение патентных исследований, физическое моделирование при помощи стендов, экспериментальные исследования устройства й проверка его работоспособности в лабораторных условиях И на натурных испытаниях, научное обобщение и анализ экспериментальных данных.

Паучпш положения выносимые на защиту:

- предварительное термоциклирование стержневых силовых элементов иа сплава с термомеханической памятью формы с величиной " стартовой" нагрузки сопротивления при нагреве равной Р с -0,6-0,6 Рм»< позволяет сократить общее время этого этапа

2

подготовки сиговых элементов для работы в составе мартенситяого привода в 2 раза по сравнения с известной методикой, предусматривающей ступенчатое увеличение нагрузки сопротивления в процессе предварительного термоциклирования от Рс - О до ■максимального ее значения, соответствующего наибольгоей величине генерируемого силовыми элементами усилия - РДа*;

- силовое термоциклирование в условиях действия статических нагрузок сопротивления с ограничением величина удлинения силового элемента Д Lp при охлаждении под деформирующей нагрузкой в мартенситном (холодном) состоянии, позволяет повысить показатель генерируемого элементом усилия Рэ в 1,55 раз по сравнению с известной методикой, предусматривающей силовое термоциклирование без ограничения удлинения силового элемента при охлаждении;

- при термоциклировании по способу временного уменьшения нагрузки сопротивления при нагреве, значительный прирост возвращаемой деформации памяти формы наблюдается только в первом цикле с уменьшенной нагрузкой сопротивления и составляет д dnpк 1 Z; в последующих же циклах величина Д ¿пер уменьшается в среднем на Э,2-0,3 лбпф;

- по окончании нагрева силового элемента при термоциклировании в условиях равномерно изменяющихся нагруаок существует необходимость интенсивного уменьшения нагрузки сопротивления до внешний Рр<< Рс с целью предотвращения дополнительного удлинения ¡лемента при последующем охлаждении;

- при резком сбросе нагрузки сопротивления по достижении 'емпературы нагрева силового элемента <4 к, моделирующем резкий шад разрушавших усилий в момент образования трещины при отколе гонолита, наблюдается эффект дополнительного возврата силовым цементом деформации, а при дальнейшем термоциклировании в ука-анных условиях, наблюдается прирост величины £ nip при прояв-;екии собственно эффекта памяти формы (до сброса нагрузки).

Ахтоввраостъ научных положений, выводов и рекомендаций одтверзвдается достаточным объемом статистических данных; аяали-лческиш и экспериментальными исследованиям) силового элемента, артенситного привода и устройства в целом; удовлетворительной ходимостью предварительных расчетов и экспериментальных данных; спользованием в экспериментах современной метрологической аппа-атуры, и работоспособностью экспериментального образца уст-эйства.

Ilaywias яовнзна результатов работы заключается в следующем:

3

разработана новая принципиальная схема устройства для направленного откола монолитов, включающая в себя клиновой рабочий орган оо сменными распорными насадками - цангой и щечками, и ыартенситный привод, располагаемый вне рабочей зоны шпура, состоящий из нескольких коаксиально расположенных, последовательно соединенных секций стержневых силовых элементов, работающих при нагреве на возврат формы после деформации растяжения;

- экспериментально установлены зависимости показателей восстанавливаемой деформации £при деформации растяжения ¿р от количества термоциклов до их стабилизации для различных режимов предварительного термоциклирования, отличашихся значениями "стартовой" нагрузки сопротивления Рсв;

- экспериментально установлены функциональные зависимости, определяющие характер изменения величин восстанавливаемой деформации Спер , генерируемого напряжения ó"3, деформирующего напряжения 6р при различных условиях нагружения, моделирующих работу Мартенситного. привода в составе устройства для направленного откола монолитов;

- определены условия возврата силовыми элементами накопленной невосстановленной в предыдущих термоциклах деформации С ост (остаточной);

' - определены диапазоны рациональных значений основных деформационно-силовых характеристик силовых элементов мартецситного привода устройства - возвращаемой при явлении эффекта памяти Форш.деформации £пф и генерируемого напряжения 01~ при тер-моциклировании в условиях действиях статических нагрузок сопротивления и при резком их сбросе;

• ¡ '-,разработана методика определения основных конструктивно-технологических параметров устройства на основе материала с тер-моыеханическоя памятью формы для направленного откола.монолитов. ' ; -Лицвый вклад автора состоит в разработке различных вариантов принципиальных схем и конструкций ыартенситноприводиого устройства для направленного откола, их анализе и выборе наиболее полно удовлетворяющих поставленным задачам; экспериментальном исследовании рабочего процесса устройства и его компонентов; в получении зависимостей, характеризующих изменение деформационно-силовых характеристик силовых элементов при различных режимах Предварительной подготовки и работы; конструировании и изготовлении экспериментального образца устройства и исследовательских стендов; разработке методики инженерного расчета устройства; Проведении лабораторных и натурных испытаний устройства.

Практическая ценпость работы заключается в разработка и создании устройства на основе материала с термомэханической памятью формы для направленного откола монолитов; проверке его принципиальной работоспособности и разработке на основе экспериментальных данных методики инженерного расчета его основных конструктивно-технологических параметров.

Реализация результатов работу. Результаты проведенных исследований были положены в основу разработки и создании экспериментальной модели мартенситноприводного устройства для направленного откола со сменными распорными насадками.

Апробация работ Основные положения диссертации и некоторые отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на семинарах лабораторий АГЫ ИГД СО РАН С г. Новосибирск, 1988-92 г. г.); на совместном семинаре лабораторий ATM и нетрадиционных геотехнологий ИГД СО РАН (г.Новосибирск, 1989 г.); на научно-технической конференции и на научном семинаре кафедры "Технология строительного производства" Красноярского инженерно-строительного института (1988 г., 1992 г.); на семинаре лаборатории прецезионных сплавов и на научно-техническом совете Республиканского инженерно-технического центра по восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов СО РАН (г. Томск, 1992 г.); на научно-техническом совете научно-внедренческой производственной фирмы "СМЕТ-2" (г. Красноярск, 1993 г.).

Публикация. По результатам исследований опубликовано статья, получено 9 авторских свидетельств и 1 положительное решение.

Объем работы Диссертационная работа состоит из 4 глав, изложенных на страницах текста, содержит 9 таблиц, рисунков, список литературных источников из 82 наименований на 8 страницах, и приложения яа 2 листах.

СОДЕИШМЕ РАБОТЫ

В первой глава представлены обзор и анализ применяемых в широтой практике камнедобычи и перспективных (т. е. существующих на уровне технических предложений, экспериментальных образцов и т.д.) способов и устройств, реализующих принцип направленного откола для добычи монолитных блоксв высокой и средней прочности. Проблемам исследования различных способов направленного отделения монолитов и созданию технически средств для их осуществления посвящены многочисленные теоретические и практические разработал отечественных и зарубежных исследователей: О. И. Чернова, А. Л. Исагава, Г. С. Мурзина, О. А, Алимова, Ы Т. Камасаидова,

5

tó. tí. Чесиокова, А. И. Орлова, а Ф. Корсакова, ф. Вайхельта и др.

Все рассмотренные в обзоре способы - буровой, буровзрывной, буроклиновой, Сурораствориый, буроэлектрофизический - направленного отделения монолитов от массива при разработке прочных горных пород, базируются на следующем их природном свойстве - прочность пород на раскол значительно меньше прочности на растяжение - в среднем в 4-8 раз. Установлено, что буроклиновой способ является наиболее перспективным, и имеющим значительные резервы для дальнейшего развития, поскольку основной его недостаток -низкая производительность - обусловлен, в частности, тем, что на сегодня не разработаны высокоэффективные систеш привода клиновых средств в полной мере отвечающие следующим требованиям: быстродействие, значительные развиваемые усилия, малая энергоемкость, небольшие габариты, компактность, использование одного вида энергии, экологическая чистота.

Для улучшения показателей буроклинового способа предложено использовать-в качестве рабочего тела привода устройств сплавы с термомеханической памятью формы, обладавшие уникальными силовыми и деформационными свойствами: способностью самопроизвольно изменять форму при Нагреве и охлаждении и генерировать значительные механические усилия при ыартеиситиом превращении: стойкостью к длительному термоцитированию, высокой удельной работоспособностью. Привод на основе таких материалов, получивший название мартенмтного обеспечивает получение высоких показателей создаваемой мощности при небольших его габаритах и компактности. В горном деле мартенситный привод впервые был применен И. И Кондра-ковш в устройстве для бестраншейной проходки скважин в грунтах. Эффективных, реально существующих мартенситноприводних устройств для направленного откола монолитов для использования в горном деле и строительстве, к настоящему времени создано пока не было.

Эффективным путем решения задач повышения производительности буроклинового способа является также применение усовершенствованной технологии откола, снижающей расход бурения при оконтурива-нии отделяемого монолита, за счет применения рабочих органов, позволявших последовательно или одновременно создавать трещины в массиве по 2-м плоскостям раскола, с использованием при этом шпуров, пробуренных только в одной из плоскостей.

Наложенные обстоятельства определили круг задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Вторая глааа посвящена выбору и аналитическому обоснованию принципиальной схему Чмртенситнопршюдного устройства для на-

G

правленного откола монолитов и разработке методики определения его основных конструктивно-технологических параметров. С этой целью проанализированы различные варианты известных принципиальных схем устройств и разработанных автором,а также предложена их классификация по способу передачи разрушающего усилия на породу:

- устройства непосредственного воздействия - силовой элемент, расположенный в шпуре, при нагреве восстанавливает заданную ему "горячую" форму, воздействуя своей рабочей поверхностью на породу; '

- устройства с передачей раопираюдаго усилия, генерируемого силовым элементом при формовосстановлении,черев распорные щечки;

- устройства, состоящие из клинового рабочего органа,воздействующего на породу и мартенситного привода, располагаемого вне шнура

В качестве осноеы для дальнейшей разработки была принята принципиальная схема устройства, включающая две функционально связанные подсистемы: мартенситный привод, расположенный вне шпура и клиновой рабочий орган, создающий распирающее усилие на стенки шпура при осевом перемещении клина Устройства с такой схемой более сложны конструктивно, однако, обладают тем несомненным достоинством, что способны развивать значительные разрушающие усилия, благодаря тому, что количество и геометрия силовых элементов привода принципиально ничем не ограничены, а также за счет реализации эффекта клина.

Для выбора рациональных конструкций мартенситного привода и клинового рабочего органа, были рассмотрены и проанализированы различные их принципиальные схемы. Установлено, что наиболее полно поставленным технологическим требованиям отвечают:

- мартенситный привод, состоящий из нескольких последовательно соединенных секций стержневых силовых элементов, работающих при нагреве на воаврат формы после предварительной деформации растяжением, что позволяет максимально использовать объем материала силовых элементов, и, следовательно, получать генерируемые элементами при мартенситном превращении механические напряжения максимально возможной величины;

- клиновой рабочий орган, »юсгоящий из распорного клина и сменных распорных насадок: цанги, для образования горизонтальных трещш в массиве, и щечек, для образования вертикальных трещин.

Для того, чтобы в массиве произошел отгсол по намечаемой плоскости, необходимо устройством создать напряжение, превышающее сопротивление породы раскалыванию, т. е.:

А-А

1. Корпус устройства

2. Силовые элементы из сплава с памятью форлц'

3. К)«пвише втулки

4. Иередащия каркас

5» Опоршго диски сокци'л ыар-тслсигного привода

6. Псукина шзвратноро механизма

7. Распорный кшн

8. Распорлая насдлка

9. 1"ток клина

6 раек > t 6 раек]

Cl)

которое обычно в 4-8 pao меньше прочности на растяжение, т.е.: 6 раек. - С1/4 - 1/8) 6 р С23

Требуемое усилие распора можно определить ив формулы:

Fp -брёраск СЗЗ

где: Sp - площадь поверхности раскола.

Распорное усилие Fp возникает (си. рис. 2) при осевом перемещении клина вдоль распорных щечек под действием усилия Рос . Кроме того, возникал' также нормальная реакция наклонной плоскости Fh и сила трения скольжения Гтр. Для предложенной расчетной схемы действующих усилий, после замены Fh и Ftp их равнодействующей уравнения равновесия в проекциях X и Y будут выглядеть следующим образом:

£Х= Reos (У+lf)-Fp=0 откуда Fp =ЙС05 (* + ta] £Y=-Poc+PSÍn (У+¥)=0 откуда Рос = Rsia(^ + 4'J £б]

где: 1/> - угол трения клина;

у - d/2; Л - угол заострения клина

После деления выражения tal на выражение £03, осевое усилие Рос определится как:

El

Рос

У

Гтр\

/

/ г X

Fp Рос лт \

Рис. Расчетная схема усилий, возникающих при осевом перемещении распорного клина. 0

р*

(при нагреве) <------

л ------------->

Рр (при охлаждении)

и-^--.Vй-н

Рис. Расчетная схема усилий при работе стержневого силового элемента с "памятью" формы.

Величина осевого усилия перемещения клина Рос будет определять требуемое значение усилия, создаваемого мартенситным приводом -Рмл, которое для привода, состоящего из стержневых силовых 'елеыентоа можно определить как:

Рос = Рмп = Мэ-<^153

откуда необходимое количество силовых элементов: II _ к Рос

«-тате*' 161

где: ¿э- назначаемый диаметр силовых элементов;

<>*- ведичина реактивного напряжения, генерируемого силовым элементом при мартенситном превращении,принимаемая по результатам экспериментального исследования элемента

Устанавливаемая экспериментальным путем величина осевого рабочего хода распорного клина д(.к . при которой происходит образование ориентированной трещины в монолите, определяет величину рабочего хода мартенситного привода:

йЫ =Д1-МП = Пс 4 1э с73

количество секций мартенситного привода устройства;

рабочий ход единичного силового элемента, определяющий рабочий ход одной секции:

где: П с -ДЬ 9-

& 1э = La • 6п<р

С81

где: ¿шр- возвращаемая деформация при явлении эффекта памяти формы, оптимальная величина которой находится в пределах £пф - 4-10 Z;

(_ 3 - назначаемая длина силового элемента с "памятью".

Величины основных конструктивно-технологических параметров мартенситнсприводного устройства - создаваемого усилия и,рабочего хода - эависят не только от деформационных и силовых свойсте материала с памятью формы, но и от особенностей технологического процесса устройства при отколе монолита (например, резкий спад разрушающих усилий в момент образования ориентированной трещины в массиве), в связи с этим, сделан вывод о необходимости проведения экспериментальных исследований рабочего цикла единичного зилового элемента и мартенситного привода в условиях, моделирую-цих технологический процесс с целью определения влияния его специфики на изменение указанных параметров.

В третьей глав» изложены методика и результаты экспериментальных исследований силового элемента, мартенситного привода и гстройства в целом; приводятся списания специально разработанных штором для целей исследования лабораторных стендов.

Основная цель исследований заключалась в изучении влияния тецифики рабочего процесса устройства для направленного откола ia деформационно-силовые характеристики силовых элементов из ¡плава с "памятью" формы - генерируемого напряжения ё*, восста-[авливаемой деформации ¿nip, деформирующего напряжения 6р . и оп-«деление на основе полученных данных оптимальных значений шструктизно-технологических параметров устройства - создавае-мх расцорного Гр и осевого Рос усилий, рабочего ходайЫп, диа-етра и длины силовых элементов и т. д.

Методика экспериментальных исследований включала: определе-ие паспортных характеристик материала силовых элементов (темпе-атур начала и конца прямого и обратного мартенеиттк превраше-ий, предела текучести); изучение влияние на деформационно-сило-ые свойства материала элементов различных режимов отжига; пред-арителыюе тсрмоциклироЕание сиговых элементов в различных ре-имах и выбор оптимального; силовое термоциклирование в условиях зйствия статкчесют нагрузок сопротивления при нагреве, равно-эрно изменяюэдхся в цикле "нагрев - охлаждение", и в условиях гокого ("динамического") сброса нагрузки по достижении темпера-

11

туры конца обратного мартенситного превращения; определение зависимости создаваемых ыартенситным приводом осевого усилия Рип, рабочего хода л 1.мл и деформирующего усилия Рр от способа термотренинга силовых элементов (индивидуальный иди в составе привода); исследование рабочего процесса устройства при расколе монолитов с использованием различных распорных насадок.

Регистрация исследуемых параметров проводилась при помощи современной измерительной аппаратуры; для выполнения всей программы экспериментов использовались специально разработанные исследовательские стенды УС-Зд и УС-4. Получаемые экспериментальные данные после соответствующей обработки и анализа использовались для построения графиков, диаграмм, таблиц.

На деформационно-силовые характеристики силовых элементов мартенситного привода значительное влияние оказывают условия его предварительной подготовки - от лига и предварительного терыоцик-лирования.

Отжиг силовых элементов необходим для придания им "горячей" Форш, снятия внутренних напряжений (наклепа), возникающих при изготовлении элементов, и стабилизации температур начала формовосстановления по объему материала. Отжиг проводился по двум режимам: при температуре 350-400 град. С и при температуре 650-600 град. О в течение 30 мин. в обоих случаях. Установлено, что оптимальным режимом отжига является отжиг при температуре 650-600 град. С, поскольку для рассмотренных в работе условий последующего "холостого" териоциклирования величина возвращаемой деформации в этом случае болыю на 2,3 %.

Процесс предварительного термоциклирования является основным этапом подготовки силовых элементов, определяющим их рабочие параметры: величину возвращаемой деформации ¿nip. генерируемое усилие Р* , деформирующее усилие Рр . После . проведения определенного количества термоциклов в результате фазового и деформационного наклепа происходит стабилизация этих параметров. От условий предварительного термоциклирования зависит в определенной степени реализация потенциальных возможностей сплава, заложенных при его изготовлении. На данном этапе исследования основной целью являлось получение экспериментально ' оСосновшпш рекомендаций по сокращению общего количества термоциклов до стабилизации деформационно-силовых характеристик при предварительном термоциклирооании, поскольку затраты времени па этот вид подготовки по известным методикам весьма вначитедьны. Предварительное термоцитирование проводилось по

12

зм режимам, отличающимся значениями "стартовой" нагрузки противления при нагреве. Исходная величина деформации силовых зментов растяжением составляла £пр - 6%. Сравнение стабшмзи-ванных деформационно-силовых характеристик элементов, рмоциклируемых по различным режимам приведено в тайл. 1.

Табл. 1

еформационно-ловые харак- Режимы предварительного термоцикдирования Соотношение'параметров по режимам

еристики

n1 N2 N3 n1 : N2 : N3

ачалыюе ("стар-овое") значение апряжения сопро-ивления ¿с0, МПа 50 240 313 1 : 4,80 : 6,36

¡рнечное значение |апряжения сопро-ивления ¿с , МПа 358 358 358 1 : 1 : 1

¡озвращаемая де-ррмация при зна-юнии напряжения юпротивления ¿с, ¿пф, X 1.5 2,7 2,8. 1 : 1,80 : 1,87

Сформирующее на-фяжение^р, МПа 100 100 100 1 : 1 : 1

количество циклов ю стабилизации Мц 120 70- 60 2 : : 1,17 : 1

Из анализа полученных результатов видно, что термоциклирова-ю по режиму N 3 предпочтительнее, так как уменьшается общее земя подготовки элементов и улучшается показатель £лф Общую гкомендацию для данного вида подготовки можно сформулировать педующим образом: с целью улучшения деформационно-силовых ха-жтеристик элементов мартенситиого привода и более быстрой их

стабилизации, "стартовая" нагрузка сопротивления должна coctí лить значительную величину - согласно полученным дат ¿о - 0,Б-0,бёто*,где:0т<г* максимальное генерируемое элемент напряжение, при котором ¿nip - О - для элемента, термоциклир емого по режиму N 3 эта величина составила бтах- 617,6 МПа

После выполнения экспериментов по предварительному термоци лированию били проведены исследования по силовому термоциклир занию при различных видах нагружения элементов, моделирующих работу в составе мартенситного привода устройства.

Основное отличие разработанной методики силового термоци! лированкя в условиях действия статических нагруэок сопротивлеш постоянного значения в цикле, от известной ("стандартной") ыек дики разработанной И. Ы. Кондраковым, заключается в том, что прс цесс проводился з условиях, когда удлинение элемента при дефо! маши растяжением на этапе охлаждения ограничивалось предельнь значением:

Л Lnped "La '¿пр tei

т.е. силовой элемент не "дотягивался" при охлаждении нагрузко Рр до значения деформации ¿p - ínp и деформация элемента растяже жением не являлась величиной постоянной в каждом цикле,но уменьшавшейся вследствие наличия остаточной (необратимой деформации):

£ост=£пр-<$пф £10]

Из анализа полученной зависимости создаваемого элементок усилия от деформации памяти формы "Р* £ntp " (рис. 4), видно,что при термоциклирояании по разработанной методике, создаваемое усилие (1г вше, чем при тэрмоцшдаровании по "стандартной" методике (для рассмотренного в работе случая в 1,55 раз) при некоторой снижении возвращаемой деформации (в 1,33 раз). Меньшая величина Р* при тершциклировании по "стандартной" методике обуславливается умеиьиениеы площади поперечного сечения элемента в результате чрезмерного его удлинения.

Необходимость экспериментального исследования элемента с "памятью" формы при работе его в условиях равномерно изменяющихся нагрузок ¿ цу.кле "нагрев-охлаждение", обуславливалась тем, что при работе мартенситного привода в составе устройства для направленного откола, его силовые элементы претерпевает воздействие не только статических нагрузок постоянного значения, но

14

, кН

ч в / ! '

\

Рис.-4, Зависимость генерируемого усилия Р*от г, возвращаемой дефорлацииСпср при териоциклировашш: кривая 1 - о ограничением удлинения вломента при охлааденнИ{ кривая 2 - без ограничо-ния удлинения элемента при охлаждении /"станда-ргная"методика/.

о/ ■

{ У г

Т,°С

"40 / 80 120 .160

Рис. 5, Зависимость деформация Е от температур! прл действии равномэтао кэмоняюдейся в никло "нагрев-охлаэдение" нагрузки.

8*'

__-ч ¿Л

V

С

4 0 12 (^„цккл.

Рис ,6,. ^Зависимость в&личяш рабочего хода силового племэнта дЬэ от количества даимов при тор.юцпюмропашш в режиме сОро-за нагрузки 6С = 358 ЙПа при тем-норатуро 'Г - 120 С.

§00

400

200

>1

О ,Щ1а

2 4

Б'оЛ-г. Зависимость ъээж-тивпого напряжения О* от но'.шрпщаомои деформации

Ш?ШЗЗ_1„- обычноо то)ио-^Гишропаниа; ■(Р'.цущ 2 - торисцикли[.о-вгвдю'со сбросом нагрузки.

1Ь

и равномерно изменяющихся в цикле, например, от пружинного при вода возврата элементов в исходное состояние при охлаждении Особенностью проводимых экспериментов являлось то, что напряже ние в момент начала охлаждения элемента было равно максимальном напряжению сопротивления при нагреве¿с. Анализ зависимост " L - (рис. б) показывает, что при таких условиях нагружени силового элемента, при последующем его охлаждении происходи процесс дополнительного его удлинения. В результате этого общз накопленная деформация после охлаждения становится больше че исходная. В результате проведенных экспериментов по термоцикли рованию в указанных условиях установлена необходимость интенсив ного снижения нагрузки сопротивления Рс в момент окончания на грева до еначениЛ Рр<< Рс , с целью предотвращения дополнительно го удлинения силового элемента.

Термоциклирование с резким сбросом нагрузки сопротивлени при нагреве позволило изучить характер изменения деформацион но-силовых характеристик силовых элементов мартенситного привод при работе в условиях, моделирующих их нагружение в момент обра зования ориентированной трещины при отколе монолита Так, в час тности установлено, что при термоциклировании в указанных уело виях, после проведения определенного количества циклов (рис.6 происходит повышение как величина хода при восстановлении дефор мации при нагреве со статической нагрузкой, т.е. до сброса (крн вал 1), так и величина хода, реализуемого эа счет реэкого спад этой нагрузки (кривая 2). Предложено использовать укаванный эф фект в качестве способа обработки силовых элементов с "памятью Форш, позволяющзго увеличить возвращаемую при нагреве деформаци (за счет воостановления деформации накопленной и невосстановле иной в предыдущих,"статических" термоциклах). Проведенные по дан ному вопросу эксперименты позволили также сделать следудаз предположение: в случае силового термоциклирования при значения нагрузки сопротивления Рс ступенчато изменяющейся от цикла к ци клу от минимального значения до максимального, возможно достиже ние значений возвращаемой деформации весьма близких к изначальн заданной в случае применения указанного способа "динамической разгрузки силового элемента при температуре Ак. Это предположе ние в некоторой степени подтверждается зависимостью • реактивног напряжения я показателя возвращаемой деформации £п<р представленной на рис. 7. На графике представлены: кривая 1 - за висимость " б7 - ¿пф " при нагреве с Рс - coast; кривая 2 - за висимость "6 - ¿пф" в последующем после сброса нагрузки цикл

>ева. Анализ графика показывает, что величина £пф прирастает ,сему интервалу значений 6* на примерно одинаковую величину бпф, т.е.:

£п<р = £пф ¿пф [Ш

¿пф - значение восстанавливаемой деформации и последующем

после срыва нагрузки цикле. Из анализа кривых видно, что в области значений 6я близких шеималыгомуйтах величина восстанавливаемой деформации посекла со срывом нагрузки (кривая 2) примерно в два раза

этого же показателя в обычном тершцшме (кривая 1). Исследования удельной работоспособности Аул. приводилось для ¡ующих вариантов нагружения: при терюциклировашш в условиях ¡твия статических нагрузок сопротивления постоянного значения iraie и при резком их сбросе при нагреве. Анализ полученных юриментальнш данных показал, что максимальному значению 1Ьной работоспособности для указанных вариантов терм« чиг.пг.р"! ш соответствуют примерно одинаковые интервалы значении гыю-гемого усилия: при термоцикдировзнии с Рс - COOSt ' ¿i* -ЫПа; при сбросе нагрузки сопротивления при нагреве 820-ЫПа. Величина определена также аналитическим путем и соста-i ¿''опт - 322,5 ЫПа. Расхождение между значениями ¿от полу-шми аналитическим и экспериментальным путями не превшает , что позволяет использовать найденные зависимости при инже-шх расчетах. В работе также определен диапазон рациональных leimn ¿пф соответствующий диапазону рациональных значений . Задачи экспериментального исследования мартенситного привода 1 определены его конструктивным решением как системы силовых тентов, т. е. была исследована совместная работа силовых оле-ров в составе мартенситного привода иа этапе предварительного «тренинга и при различных вариантах нагрукения, моделирующих чологическне особенности процесса откола. Установлено, что местный термотренинг силовых элементов в составе мартснситно-привода предпочтительнее индивидуального, т. к. позволяет ле стабилизации получить большую величину рабочего хода, внивание величин конструктивно-технологических параметров -цаваемых усилия рмп и рабочего хода Л 1мп - полученных в ре-ьтате экспериментального исследования мартенситного привода различных видах погружения с проектными характеристиками лучешшми и результате расчета по базисным параметрам единич-

17

ного силового элемента) показало их идентичность (рис. 8;9).

испытания экспериментального образца мартенситноприводш устройства при расколе монолитов проводились на образцах пара лелепипедной форш, с центральным отверстием йш - 42 т для р< мещения клинового рабочего органа и изготовленных из бетона к: сса В 60 с пределом прочности на сжатие ёсж - 43 МПа Геомс рические размеры образцов: сечение - квадрат со стороной В- ЗС 400 мм, высота обравца Н~ 600-700 мм. Для раскола использовал} распорная цанга (образование горизонтальной трещины) и распори щечки (образование вертикальной трещины). С помощью кажг аспорной насадки раскалывались по 3 монолитных образца одног типоразмера.

Результаты проведенных испытаний подтвердили принципиальн работоспособность устройства при расколе монолитов, и возмо ность его применения для добычи блоков камня способом ориентир ванного откола.

В четвертой главе рассмотрена методика инженерного расче1 устройства на основе сплава с "памятью" формы для направленно! откола монолитов. Целью разработанной методики является опреда ление на основе экспериментальных данных требуемых конструкта но-технологических параметров устройств, обеспечивающих выполн< ние поставленных технологических задач. К особенностям расче] мартекситноприводного устройства для направленного откола следз ет отнести определение оптимального соотношения конструктивнь параметров клинового рабочего органа и показателей создаваемо: осевого усилия Рос и рабочего хода мартенеитного привода д1млпр обеспечении максимальной работоспособности материала силовь элементов, а также необходимость учета возможного приращения ве личины хода при быстрой разгрузке привода, возникающей в момен образования направленной тревдш в раскалываемом монолите.

В работе приведен пример расчет конструктивно-технологи ческлх параметров устройств по предлагаемой методике. Исходным данными к расчету являлись: прочность породы на раскол 6 раек площадь раскола 1$р, диаметр применяемого шпура ¿ш, принятый уго, заострения клина , экспериментально установленные величины рабо чего хода клина ЛЫ и оптимальное значение генерируемого сило еыии элементами напряжения ¿опт . На основе этих данных определены; требуемое раекалыващее усилие Fр, осевое усилие перемещения шиша Рос и необходимое для его создания количество силовьп элеыантов N9 назначенного диаметра С1э; требуемое количество секций мартенситного привода Пс при заданной длине силовых элемон-

18

20 40 60 80 дьип , м.1

Рпс.8. Зависимость создаваемого т/артенситпнм приводом осевого усилия Р*ц от зелпчпии хода дЬмп :

- кривая 1 - гксперимецтальная;

- кривая 2 - теоретическая.

Рис.9. Зависимость дЬкп от количества циклов ггрп термо-циклировании в условиях сброса нагрузки при нагреве:

- кривая 1 - экспериментальная;

- кривая 2 - теоротячоская.

¡■¡-.с.ЛС. Устройство тля напрпнлегасге откола монолитов.

19

tob (_э и величине возвращаемой деформации ¿пф ; конструкта размеры секций привода и клинового рабочего органа. На следу этапе расчета исходя из заданных продолжительности и темпера нагрева элементов определены потребляемая мощность, к. п. д. i вода, параметры питания устройства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ к ОВД1Е ИШОДЫ

В диссертационной работе дано решение актуальной научно-1 ническэй задачи обоснования параметров и разработки устройс на основе сплава с "памятью" формы для Направленного откола но лотов.

Основные научные и практические результаты работы зшш ется в следующем:

1. Разработана новая принципиальная схема устройства, вк чающая клиновой рабочий орган со сменными распорными насадкам мартенситный привод состоящий из нескольких соединенных после вательно секций стержневых силовых элементов, сокращающихся длине при нагреве.

2. Установлено, что предварительное термоциклирование си вых элементов с "памятью" формы с величиной "стартовой" нагру сопротивления Рс - 0,5-0,бРтахпозволяет сократить общее вр этого этапа подготовки элементов для работы в составе мартене: ного привода в 2 раза по сравнению с известной методикой.

3. Разработана методика силового термоциклирования i действии статических нагрузок сопротивления, отличающаяся от i востной ограничением величины удлинения элементов, при охлаж; нии под деформирующей нагрузкой (в мартенситном состоянии), < позволяет повысить показатель генерируемого усилия в 1,55 раз.

4. Установлено, что термоциклирование по способу временнс уменьшения нагрузки сопротивления при нагреве позволяет получ! значительный прирост возБрэшемой деформации -д£пф~1Х - toj ко в первом цикле с уменьшенной нагрузкой; в последующих цию величина ¿пф уменьшается в среднем на 0,2-0,ЗЛ£пф.

Б. Установлена необходимость интенсивного уменьшения нагр> ки сопоставления по окончании нагрева силового элемента до зн чеяий Рр < < Рс при термоциклировании в условиях равномерно изм няющихся нагрувок - это необходимо для предотвращения дополнит льного удлинения элементов.

6. При резком сбросе нагрузки сопротивления по достижон

тературы нагрева силового элемента лк, моделирующем спад раздающих усилий в момент образования трещины при отколе моноли-

наблюдается эффект дополнительного дезврата элементом дефор-щи, а" при дальнейшем термоцитировании в указанных условиях, Отдается прирост величины £пср при проявлении собственно ¡вкта памяти формы (до сброса нагрузки).

7. Расчетные показатели создаваемого усилия и хода соот-гствуют значениям, полученным в результате экспериментального ¡ледования мартенситного привода.

8. Разработанная методика инженерного расчета позволяет ол-делять требуемые значения конструктивно-технологических пара-гров устройства для направленного откола, обеспечивающие вы-лнение поставленных технологических задач.

9. Лабораторные и натурные испытания экспериментальной моде-мартенситноприводного устройства со сменными распорными

садками - цангой и щечками - для направленного откола моноди-в, подтвердили принципиальную его работоспособность.

Направления последующего совершенствования мартенситнопри-дных устройств для направленного откола монолитов определяются дачами дальнейшего повышения их производительности на основе здания высокоэффективных систем нагрева и охлаждения силовых [ементов, а также применения прогрессивных сплавов с памятью |рмы, имеющих улучшенные деформационно-силовые характеристики.

Основные голоквниа диссертации опубликованы в следукедх работах:

1. Влияние спада нагрузок на характеристики привода уст->йств для раскола монолитов. - Принято в печать в журнале Сизико-технические проблемы разработки полезных ископаемых" в Ш г. (Соавторы Э. Г. Чайковский, А. Е МихайлуСев).

2. A.C. N 1475193 (СССР). Устройство для проходки скважин в эунте. Не публикуется. (Соавторы: Михайлусев А. а , Хачин Е Н., эндраков И. М. ).

3. A.C. N 1492796 (СССР). Упорный модуль МП-Р-5Ш. Не убликуется. (Соавторы Афанасьев Е Е., Лопатин И. А., Чайковский .Г.).

4. A.C. N 1503376 (СССР). Устройство для образования сква-ин. Не публикуется. (Соавторы Кондратов И. М., Чайковский Э. Г., ачин EH.).

5. A.C. N 1542124 (СССР). Устройство для проходки скважин в рунте. Не публикуется. (Соавторы Михайлусев a.b., Кондратов

21

и. м., чайновский а Г.).

6. А. С. N 1593320 (СССР). Устройство для проходки скважин грунте. Не публикуется. - Соавторы Хэчин Е Н., Чайковский 3. Г. Михайлусев А. Е , Горбачев Ю. Г., Кондратов И. М.).

7. 3-ка N 4669575/03-44994 от 30.03.89 г. Устройство щ отбойки горных пород. (Соавторы Чайковский З.Г., Чернов О. И. Горбачев » Г.).

8. А.С. N 1691606 (СССР). Пакер. БИ N 42, 1991 г. (Соавтор _ А. Е Михайлусев, ЕЕХачин, Э. Г. Чайковский, 0. И. Чернов и ЮГ. Гор

бачэв).

9. А. С. N 1760085 (СССР). Пакер. Ш N 33, 1992 г. (Авторы А. Е Михайлусев, Э. Г. Чайковский, О. И. Чернов, Ю. Г. Горбачев ЕГ.Ки). >

10. А.С. N 1774317 (СССР). Терморегулятор. БИ N 41, 1992 г (Соавторы И. И. Кондраков, И. А, Лопатин, Е Н. зачин, Ю. Г. Горбачев А. Е Михайлусев). •

11. Положительное решение по а-кв N 4052306/06/05654! (СССР), от 27.06.912 г. Мартенсктный привод. (Соавторы И.К Кондраков, а Г. Чайковский. ЕЕХачин, А. В. Михайлусев, и Г. Горбачев).

Тип. «Строитель», , Т.