CS256892B1

CS256892B1 - The method of investigation of deformation and strength properties of samples of brittle materials, especially rocks

Info

Publication number: CS256892B1
Application number: CS848654A
Authority: CS
Inventors: Jurij Karpinsky; Tomas Benes; Vladimir A Budnikov
Original assignee: Jurij Karpinsky; Tomas Benes; Vladimir A Budnikov
Priority date: 1984-11-13
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS865484A1

Abstract

Řešení se týká způsobu vyšetřování deformačních a pevnostních vlastností křehkých materiálů, zvláště hornin, na vzorcích zatěžovaných elektrohydraulickým zatěžovacím strojem se stabilizací nebo programovým řízením vzdálenosti mezi čelistmi, vyvozujícími axiální tlak na vzorek. Účelem řešení je omezit přechodné zvýšení deformace objektu zatěžovaného zařízením s konečnou tuhostí, které vzniká po náhlém poklesu reakce zkoušeného vzorku při jeho deformování za mezí pevnosti, a zabránit jeho lavinovitému úplnému rozrušení. Při vyšetřování vlastností vzorku zatěžovacím strojem s regulací deformace podle podažovaného průběhu se průběžně sleduje vznik náhlých poklesů reakce vzorku, zjišťuje jejich velikost a po každém poklesu, jehož hodnota převyšuje prahovou hodnotu, se přídavně působí na hydromotor stroje odlehčovací dávkou pracovní kapaliny, která je závislá na zjištěné velikosti poklesu. Snížení tlakové síly hydromotoru je rovno nebo větší než velikost náhlého poklesu reakce, která může být zjišťována pomocí snímače dynamické složky síly, vloženého mezi vzorek a přítlačnou část stroje nebo nepřímo ze změřeného zrychlení přítlačné součásti.The invention relates to a method for investigating the deformation and strength properties of brittle materials, in particular rocks, on samples loaded with an electrohydraulic loading machine with stabilization or program control of the distance between the jaws exerting axial pressure on the sample. The purpose of the solution is to reduce the transient increase in the deformation of the object loaded with the device with the ultimate stiffness that occurs after a sudden drop in the test sample's deformation beyond the strength limit and to prevent its avalanche full disruption. When examining the specimen properties by a load-controlled strain gauge, a sudden drop in sample reaction is continuously monitored, detected, and after each drop, the value of the working fluid is additionally applied to the machine's hydraulic motor. the decrease in size. The reduction in the hydraulic motor compressive force is equal to or greater than the sudden drop in reaction rate, which can be detected by a dynamic force component sensor interposed between the sample and the presser portion of the machine or indirectly from the measured pressure component acceleration.

Description

Vynález se týká způsobu vyšetřování deformačních a pevnostních vlastností křehkých materiálů, zvláště hornin na vzorcích zatěžovaných elektrohydraulickým zatěžovacím strojem se stabilizací nebo programovým řízením vzdálenosti mezi čelistmi stroje, vyvozujícími axiální tlak na vzorek.The invention relates to a method for investigating the deformation and strength properties of brittle materials, in particular rocks, on samples loaded by an electrohydraulic loading machine with stabilization or programmatic control of the distance between the jaws of the machine exerting axial pressure on the sample.

Vyšetřování deformačních a pevnostních vlastností hornin nebo stavebních materiálů se provádí nejčastěji na elektrohydraulickýoh zatezovacích strojích s regulátorem zvolené výstupní veličiny. Častým požadavkem je takové působení stroje na vzorek sevřený mezi jeho čelistmi, aby deformace vzorku určená jako změna vzdálenosti mezi svíranými plochami vzorku byla v určité fázi experimentu konstantní nebo aby se měnila, zpravidla velice pomalu, podle předem dané časové závislosti. Tento úkol plní regulátor odvozující akční· signál, působící na hydromotor stroje, z rozdílu žádané a změřené hodnoty deformace. Regulátor při změnách reakce vzorku tak zajištuje, že se automaticky kompenzuje vliv mechanické poddajnosti zatěžovacího stroje. Stroj s uvedenou zápornou zpětnou vazbou se v ustáleném nebo pomalu měnícím stavu chová prakticky jako ideální stroj s nekonečnou tuhostí.·Zatěžování vzorku se provádí bud pouze jako jednoosé, nebo za současného působení hydrostatického tlaku.Examination of deformation and strength properties of rocks or building materials is performed mostly on electrohydraulic weight-filling machines with regulator of selected output quantity. A frequent requirement is that the sample machine be clamped between its jaws so that the deformation of the sample, determined as a change in the distance between the gripped surfaces of the sample, is constant at a certain stage of the experiment or varies, usually very slowly. This task is accomplished by a controller that derives an action signal acting on the machine hydraulic motor from the difference between the set point and the measured deformation value. The regulator thus ensures that the influence of the mechanical compliance of the loading machine is automatically compensated for changes in the sample response. The machine with the above mentioned negative feedback behaves practically as an ideal machine with infinite stiffness in steady state or slowly changing state · The loading of the sample is carried out either as a single axis or under simultaneous hydrostatic pressure.

Kdykoliv v průběhu zatěžování dojde k částečnému rozrušení vzorku projevujícímu se náhlým poklesem reakce, kterou vzorek působí na čelisti stroje, vzniklá nerovnováha sil způsobí přechodný děj v celém zatěžovacím systému, během něhož nastává mj. přechodné sblížení a rozkmitání čelistí. Působením záporné zpětné vazby se po určité době obnoví stav, kdy skutečná hodnota deformace je opět rovna žádané hodnotě, za předpokladu, že mezitím nedošlo k novému částečnému rozrušení vzorku, například vznikem nebo spojením dalších trhlin.Whenever during the loading, a partial disruption of the sample occurs resulting in a sudden decrease in the reaction caused by the sample to the jaws of the machine, the resulting imbalance of forces causes a transient action throughout the loading system during which inter alia the jaws converge and vibrate. By applying a negative feedback, after some time, the actual deformation value is again equal to the setpoint, provided that no partial partial disruption of the sample has occurred in the meantime, for example by the formation or joining of other cracks.

Doba, za kterou zpětná vazba obnovuje žádaný stav, popřípadě účinek, s jakým se'tlumí kmity vzniklé v systému při přechodném ději, je závislá pro daný zatěžovací stroj na nastavení regulátoru. Nemůže být libovolně zkrácena, například zvyšováním zesílení regulátoru, protože je nutno zároveň brát ohled na stabilitu regulačního obvodu.The time it takes for the feedback to recover the desired state, or the effect with which it attenuates the oscillations generated in the system during a transient event, depends on the controller setting for the particular load machine. It cannot be arbitrarily shortened, for example by increasing the gain of the controller, since the stability of the control circuit must also be taken into account.

Dočasné sblížení čelistí po částečném rozrušení vzorku způsobuje nežádoucí dodání energie ze stroje do vzorku, které jednak zkresluje podmínky a výsledky experimentu, jednak v určité fázi částečného rozrušení vzorku může tento experiment zcela znemožnit, pokud způsobí lavinovitý, nestabilní proces, při kterém energie dodaná vzorku strojem při každém částečném rozrušení vzápětí vyvolává další částečná rozrušeni. Vytváří se tak rychlý sled dílčích rozrušení, navenek se projevující jako jednorázové úplné rozrušení vzorku.Temporary convergence of the jaws after partial destruction of the sample causes undesirable power supply from the machine to the specimen, which both distorts the conditions and results of the experiment, and at some stage of partial destruction of the specimen may completely prevent this experiment if it immediately causes further partial disturbances at each partial disturbance. This creates a rapid sequence of partial disturbances, manifesting externally as a one-time complete disturbance of the sample.

Tím se podmínky experimentu liší od hypotetické situace v horninovém masivu, kdy existuje zanedbatelná výměna energie mezi určitým vyčleněným objemem horniny, ve kterém dochází k částečnému rozrušování a obklopujícím tento vyčleněný objem ostatním masivem, který lze považovat za téměř ideálně tuhý z hlediska vyčleněného objemu.Thus, the conditions of the experiment differ from the hypothetical situation in the rock mass, where there is a negligible exchange of energy between a certain volume of rock in which partial disruption occurs and surrounding that volume with another mass that can be considered almost ideally solid in terms of volume.

Uvedený nedostatek například značně omezuje rozsah proveditelných experimentů i výběr zkoumaných hornin při laboratorním vyšetřování procesu deformování a postupného rozrušování hornin v podmínkách jednoosého tlaku, popřípadě kombinovaného s hydrostatickým tlakem.This deficiency, for example, greatly limits the scope of feasible experiments and the selection of rocks to be investigated in the laboratory investigation of the deformation and gradual disintegration of rocks under uniaxial pressure, possibly combined with hydrostatic pressure.

Tento nedostatek do značné míry odstraňuje podle vynálezu způsob vyšetřování deformačních a pevnostních vlastností vzorků křehkých materiálů, zvláště hornin, jednoosým tlakem v případné kombinaci s hydrostatickým tlakem pomocí zatěžovacího stroje s řízením průtoku pracovní kapaliny působící na jeho hydromotor a s regulací skutečné hodnoty deformace podle žádané hodnoty dané programem zatěžování. Podstatou způsobu podle vynálezu je, že se průběžně sleduje vznik náhlých poklesů alespoň jedné z obou reakcí, kterými zatěžovaný vzorek působí na čelist zatěžovacího stroje, zjisřuje se velikost těchto poklesů, která se potom porovnává se zvolenou prahovou hodnotou. Je-li velikost poklesu větší než zvolená prahová hodnota, působí se přídavně na hydromotor odlehčovací dávkou pracovní kapaliny v závislosti na zjištěné velikosti náhlého poklesu jedné reakce vzorku nebo na průměru zjištěných velikostí náhlých poklesů dvou reakcí působících na protilehlých stěnách vzorku.According to the invention, this deficiency is largely eliminated by a method for examining the deformation and strength properties of fragile materials, particularly rocks, by uniaxial pressure in combination with hydrostatic pressure by means of a loading machine with working fluid flow acting on its hydraulic motor. load program. The essence of the method according to the invention is that the occurrence of sudden drops of at least one of the two reactions by which the loaded sample acts on the jaw of the loading machine is continuously monitored, the size of these drops being determined and then compared with the selected threshold value. If the drop size is greater than the selected threshold value, the hydraulic motor is additionally treated with a working fluid relief dose depending on the observed sudden drop size of one sample reaction or the average of the observed sudden drop sizes of two reactions acting on opposite walls of the sample.

Na hydromotor lze přídavně působit s odlehčovací dávkou kapaliny, pří které snížení tlakové síly vyvolané hydromotorem se rovná velikosti náhlého poklesu reakce vzorku, je-li účelem co nejpřesnější kompenzace účinku poklesu reakce na velikost deformace po odeznění oscilující složky přechodného děje.The hydraulic motor may additionally be treated with a fluid discharge, at which the reduction in the hydraulic motor pressure force is equal to the sudden decrease in the reaction of the sample if the purpose is to compensate as accurately as possible.

Lze také na hydromotor přídavně působit odlehčovací dávkou kapaliny, při které je snížení tlakové síly vyvolané hydromotorem větší než velikost náhlého poklesu reakce vzorku, je-li účelem maximálně snížit první překmit oscilujícího přechodného průběhu deformace vzorku.It is also possible to additionally act on the hydraulic motor with a relief fluid dose in which the reduction of the hydraulic motor pressure force is greater than the sudden decrease in the sample reaction if the purpose is to minimize the first overshoot of the oscillating transient deformation of the sample.

Lze použít odlehčovací dávky pracovní kapaliny odpovídající konstantnímu, s výhodou maximálnímu průtoku po dobu úměrnou velikosti odlehčovací dávky.A discharge dose of the working fluid corresponding to a constant, preferably maximum flow rate for a time proportional to the size of the discharge dose may be used.

Způsob vyšetřování deformačních a pevnostních vlastností křehkých materiálů, zvláště hornin, má řadu výhod. Umožňuje snížit interakci, tj. výměnu energie mezi zatěžovacím strojem a vyšetřovaným vzorkem při náhlém poklesu jeho reakce, přiblížit podmínky zatěžování v laboratoři ke skutečným podmínkám in šitu, prodloužit trvání fáze experimentu, při které dochází ' k postupnému rozrušování vzorku, dosáhnout většího stupně částečného rozrušení vzorku před záměrným ukončením zatěžování ještě před úplnou ztrátou jeho celistvosti za účc-žlem prozkoumání jeho struktury, rozšířit výzkum na prakticky významné horniny, které jsou bez použití vynálezu pro laboratorní vyšetřování procesu rozrušování příliš křehké. V důsledku umožňuje zvětšit rozsah a adekvátnost informací, získávaných o deformačních a pevnostních vlastnostech různých hornin a jiných materiálů při jejich laboratorním vyšetřování a přispět tak k lepšímu poznání procesů předcházejících zemětřesením a důlním otřesům, popřípadě obdobných procesů v technických objektech a jejich částech z přírodních nebo umělých materiálů.The method of investigating the deformation and strength properties of brittle materials, especially rocks, has a number of advantages. It makes it possible to reduce the interaction, ie the exchange of energy between the loading machine and the sample under test when its reaction suddenly decreases, to bring the loading conditions in the laboratory closer to real in situ conditions, extend the duration of the sample of the sample before deliberately ending the load before completely losing its integrity to investigate its structure, extend the research to practically significant rocks which, without using the invention, are too brittle for laboratory investigation of the disruption process. As a result, it enables to increase the scope and adequacy of information obtained about deformation and strength properties of various rocks and other materials during their laboratory examination and thus contribute to better knowledge of processes preceding earthquakes and mine shocks, or similar processes in technical objects and their parts from natural or artificial materials.

Podstata způsobu podle vynálezu bude vysvětlena na zjednodušeném příkladu zatěžovacího zařízení schematicky na zobrazeném na připojeném výkresu, kde na obr. 1 jsou uvedeny jen ty části, které jsou nezbytné pro výklad navrženého způsobu a na obr. 2 je vysvětlen vznik přechodového procesu v zařízení podle obr. 1 při částečném rozrušení vzorku a účinek způsobu podle vynálezu.The principle of the method according to the invention will be explained in a simplified example of a loading device schematically in the attached drawing, where in Fig. 1 only those parts which are necessary for the interpretation of the proposed method are shown and Fig. 2 1 with partial destruction of the sample and the effect of the method according to the invention.

Pro vysvětlení způsobu podle vynálezu je uveden nejprve příklad zatěžovacího zařízení, na kterém lze způsobu použít, které však samo o sobě není předmětem vynálezu. Tento příklad, vyobrazený na obr. 1, je značně zjednodušen, ve schematickém zobrazení nejsou uvedeny takové samozřejmé konstrukční prvky, jako jsou například spojovací členy. Zařízení sestává z tuhého zatěžovacího rámu 1_/ hydromotoru 2 s pláštěm 21 a pístem 22 spojeným s pístnici 23, která je spojena s první čelistí 31, a z druhé čelisti 33 spojené se snímačem 4. síly. Hydromotor 2_ a snímač 4_ síly jsou spojeny s protilehlými stranami rámu 2· Výsledná setrvačná hmota první čelisti 31 je případně zvýšena pevným připojením prvního přívažku 32., výsledná setrvačná hmota druhé čelisti 33 je případně zvýšena pevným připojením druhého přívažku 34. Mezi čelistmi 31 a 33 je sevřen zkoumaný vzorek _5 horniny. S čelistmi je spojen snímač jejich vzdálenosti, d, který není zobrazen. Tlaková síla F působící na píst 22 je vyvolávána stlačenou kapalinou v první komoře 24 hydromotoru na jeho straně spojené s rámem _!· Množství této kapaliny, vyjádřené její hmotnosti Μθ, lze měnit přiváděním nebo odváděním kapaliny přes dva nevyobrazené elektrohydraulické převodníky příslušně spojené s regulačním hydraulickým kanálem 25. a kompenzačním hydraulickým kanálem 26.. Naznačené Šipky u symbolů příslušných průtoků Q_Ra Q_K ukazují, v jakém směru jsou v popisu funkce tyto průtoky považovány za kladné.In order to explain the method according to the invention, an example of a loading device on which the method can be applied is given first, but this is not itself an object of the invention. This example, illustrated in FIG. 1, is greatly simplified, and such obvious components, such as connecting members, are not shown in a schematic representation. The device consists of a rigid load frame 7 / hydraulic motor 2 with a housing 21 and a piston 22 connected to a piston rod 23, which is connected to a first jaw 31, and a second jaw 33 connected to a force sensor 4. The hydraulic motor 2 and the force sensor 4 are connected to opposite sides of the frame 2. The resulting inertia mass of the first jaw 31 is optionally increased by firmly attaching the first weights 32. The resulting inertia mass of the second jaw 33 is optionally increased by firmly attaching the second weights 34. the rock sample 5 is clamped. A jaw distance sensor, d, is attached to the jaws, not shown. The pressure force F acting on the piston 22 is exerted by the pressurized liquid in the first chamber 24 of the hydraulic motor on its side connected to the frame. The arrows at the respective flow rate symbols Q _R and Q _K indicate in which direction these flow rates are considered to be positive in the function description.

Ve vyváženém stavu, tj. prakticky v průběhu celého zatěžování kromě dále popsaného přechodného děje, je velikost tlakové síly F rovna reakci R, jíž vzorek 2 působí na první čelist 31, ^a síle, kterou měří snímač 4. síly.In a balanced state, i.e. practically throughout the entire load except for the transient process described below, the magnitude of the compressive force F is equal to the reaction R exerted by the sample 2 on the first jaw 31 ^{and the} force measured by the force sensor 4.

Případný vliv tíže jednotlivých částí zatěžovacího zařízení a vzorku j> se neuvažuje, protože není pro výklad podstaty vynálezu významný.The possible influence of the heaviness of the individual parts of the loading device and of the sample is not taken into account, since it is not important for the interpretation of the invention.

Na obr. 3 je naznačena původní délka D nezatíženého vzorku 5_> která se v průběhu zatěžování postupně zmenšuje o posuv x čelisti 3 3. i pístu 2 2 podle vztahu d(t) = D - x(t) (1) .FIG. 3 shows the original length D of the unloaded sample 5, which gradually decreases by the displacement x of the jaw 33 of the piston 22 according to the relation d (t) = D - x (t) (1).

Pro jednoduchost výkladu podstaty způsobu podle vynálezu se předpokládá bez ztráty obecnosti závěrů, že jedinými pružnými prvky, tj. prvky s konečnou tuhostí, jsou vzorek horniny 5 a sloupec kapaliny v první komoře 24, což znamená, že celý systém má při daném množství Μθ kapaliny pouze jediný stupeň volnosti a stav systému je úplně popsán například posuvem x a jeho derivací i. Za dalších zjednodušujících předpokladů, že uvedené pružné prvky jsou pro malé kmity lineární a že tření pístu 22 a pístnice 23 lze idealizovat'viskózním třením úměrným rychlosti pístu 22, celý systém, pokud je vychýlen z rovnovážné polohy a regulační hydraulický kanál 25 a kompenzační hydraulický kanál 26 jsou uzavřeny, se vrací do této rovnovážné polohy exponenciálně tlumenými harmonickými kmity.For the sake of simplicity, it is assumed without losing the generality of the conclusions that the only elastic elements, i.e. finite rigidity elements, are the rock sample 5 and the liquid column in the first chamber 24, which means that the system has a given Μθ of liquid only one degree of freedom and the state of the system is fully described, for example, by displacement x and its derivatives i. Under other simplistic assumptions that said elastic elements are linear for small oscillations and that friction of piston 22 and piston rod 23 can be idealized by viscous friction proportional to piston 22, the system, when deflected from the equilibrium position and the control hydraulic channel 25 and the compensating hydraulic channel 26 closed, returns to that equilibrium position by exponentially damped harmonic oscillations.

Z těchto předpokladů vychází zobrazení přechodného děje na obr. 2, který sestává ze tří navzájem souvisejících diagramů D^, 03, D^.Based on these assumptions, the representation of the transient process in FIG. 2 consists of three interrelated diagrams D ^, 03, D ^.

Na diagramu Dj, kde pořadnicí je posuv x a souřadnicemi jsou tlaková síla F a reakce R vzorku, v diagramu dále rozlišené pro různé režimy příslušnými indexy u symbolů F a R, je křivkou R s naznačeným přerušením zobrazení podél osy x znázorněn průběh závislosti reakce B vzorku na posuvu x až do bodu E^. Konkrétní tvar této závislosti je při dostatečně pomalém zvětšováni posuvu x dán Teologickými vlastnostmi vzorku. V podstatě jde o kombinaci elastické a plastické deformace, při které dochází i k postupnému přetváření vnitřní struktury vzorku. Směrnice tečny ke křivce R_r v bodě je menší než směrnice přímky R^^, odpovídající okamžité tuhosti vzorku, tj. tuhosti, kterou by v bodě vzorek vykázal při dostatečně rychlé změně x v okolí bodu E^. Bod E^ je rovnovážným bodem, v kterém je reakce vzorku R = R_r(Ep rovna tlakové síle F=F^(E^), která odpovídá určité hodnotě množství kapaliny. Charakteristika stroje, tj. závislosti vyvozené tlakové síly F na posuvu x při Μθ je dána přímkou F^, jejíž směrnice vyjadřuje tuhost sloupce kapaliny v první komoře 24 a χθ^ je hodnota posuvu x, při ktoré by tlaková síla F byla nulová.In the diagram Dj, where the ordinate is the displacement x and the coordinates are the compressive force F and the reaction R of the sample, in the diagram further differentiated for the different modes by the respective indices for the symbols F and R. at feed x to E ^. The specific shape of this dependence is given by the theological properties of the sample at a sufficiently slow increase in the x-shift. Basically, it is a combination of elastic and plastic deformation, during which the internal structure of the sample is gradually deformed. The slope of the tangent line to the curve R _r at a point is smaller than the slope of the line R ^^, corresponding to the instantaneous stiffness of the sample, ie the stiffness it would exhibit at a point of the sample at a sufficiently rapid x change around E. The point E ^ is the equilibrium point at which the reaction of the sample R = R _r (Ep equals the pressure force F = F ^ (E ^), which corresponds to a certain amount of liquid. at Μθ is given by the straight line F ^ whose slope expresses the stiffness of the liquid column in the first chamber 24 and χθ ^ is the displacement value x at which the compressive force F would be zero.

Budiž předpokládáno, že v čase dojde k částečnému náhlému rozrušení vzorku. Protože vzhledem k setrvačnosti dolní čelisti 31 s připojenými pistnicí 23, pístem 22 a případným dolním přívažkem 32 se okamžitě nemůže změnit posuv x, bod zobrazující na diagramu reakci R vzorku 5 se v zanedbatelně krátkém čase, odpovídajícím trváni procesu částečného rozrušení vzorku, přemístí do bodu A, který odpovídá snížené hodnotě reakce R po částečném rozrušení vzorku.Let us suppose that the sample will suddenly break down over time. Since due to the inertia of the lower jaw 31 with the piston rod 23, the piston 22 and the eventual lower bias 32 attached, the displacement x cannot be changed immediately, the point shown in the reaction diagram R of the sample 5 moves to a point in a negligible time. A, which corresponds to the reduced reaction value R after partial destruction of the sample.

V diagramu D^, zobrazujícím závislost reakce R na čase t, se tento úsek děje projeví jako náhlý pokles reakce R o velikosti A.R v čase t^. Pro rychlý přechodný proces, který bude následovat, se vzorek chová přibližně jako pružné těleso s přímkovou charakteristikou R^. Sklon této charakteristiky se obecně může lišit od sklonu charakteristiky R^, který odpovídá okamžité tuhosti v bodě E^.In the diagram D ^, depicting the dependence of the reaction R on time t, this portion of the reaction occurs as a sudden decrease in the reaction R of magnitude A.R at time t ^. For the rapid transition process that follows, the sample behaves approximately as a resilient body with a linear characteristic R R. The slope of this characteristic may generally be different from the slope of the characteristic R ^, which corresponds to the instantaneous stiffness at the point E ^.

Budiž zatím předpokládáno, že oba hydraulické kanály 25 a 26 jsou uzavřeny a že proto množství kapaliny v prvni komoře 24 jsou neproměnné, Μθ = Μθ^. Rovnovážnému stavu odpovídá průsečík E^ charakteristiky F^ stroje s charakteristikou vzorku · Rúyby byl systém netlumený, pohyboval by se zobrazující bod na charakteristice R^ vzoxhu harmonicky mezi body A, A', symetricky položenými vzhledem k bodu E^» s frekvencí danou jednak součtem tuhostí sloupce kapaliny a vzorku, jednak celkovou hmotností kmitajících částí, tj. pohyboval by se harmonicky mezi odpovídajícími přímkami 101 a 102 na diagramu D2 a mezi odpovídajícími přímkami 201 a 202 na diagramu zobrazujícím závislost posuvu x na čase t. Vzhledem ke ztrátám je pohyb tlumený, průběh R(t) zobrazený křivkou 105 na digramu D2 se ustaluje k rovnovážné hodnotě dané přímkou 103 a průběh x(t) zobrazený křivkou 205 na diagramu se ustaluje k rovnovážné hodnotě dané přímkou 203. Přímky 103 a 203 odpovídají rovnovážnému boduMeanwhile, it is assumed that both the hydraulic channels 25 and 26 are closed and that therefore the amount of liquid in the first chamber 24 is invariable, Μθ = Μθ ^. The equilibrium state corresponds to the intersection E ^ of the F ^ characteristic of the machine with the sample characteristic. · The system would be undamped, the imaging point on the R ^ characteristic would move harmoniously between the points A, A 'symmetrically positioned with respect to E ^ ». the stiffness of the liquid and sample columns, on the one hand, the total mass of the oscillating parts, i.e. it would move harmoniously between the corresponding lines 101 and 102 in the diagram D2 and between the corresponding lines 201 and 202 on the diagram showing the displacement x versus time t. , the curve R (t) shown by the curve 105 in the diagram D2 is fixed to the equilibrium value given by the line 103 and the curve x (t) shown by the curve 205 in the diagram is fixed to the equilibrium value given by the line 203.

Jestliže se z první komory 24 odčerpá takové množství kapaliny, že stroj po ukončení odčerpávání přejde z charakteristiky ^na charakteristiku procházející bodem A, bude tento bod zároveň novým rovnovážným bodem, tj. E₂ = A. Výsledkem bude obnovení původní hodnoty souřadnice x, protože xíAj^xtE^), jak plyne z diagramu D^. Toto obnovení hodnoty x, a proto i deformace vzorku je cílem řízení, pozaduje-li s9 stabilizace hodnoty posuvu x; prakticky stejný cíl se ale sleduje i při programově řízené pomalé změně žádané hodnoty posuvu x, protože její změna za krátkou dobu přechodného děje je zcela zanedbatelná.If so much liquid is pumped out of the first chamber 24 that the machine moves from the characteristic ^{to the} characteristic passing through the point A after completion of the pumping, this point will also be the new equilibrium point, ie E ₂ = A. ^ xtE ^) as shown in Diagram D ^. This restoration of the x-value and therefore the deformation of the sample is the aim of the control if s9 requires a stabilization of the x-shift value; practically the same goal is pursued even with the programmed slow change of the setpoint of the feedrate x, because its change in a short time of the transient process is completely negligible.

Z hlediska experimentátora je účelné v laboratoři co nejvěrněji simulovat podmínky rozrušování horniny in sítu, co nejúčinněji zabránit možnosti vyvolání bezprostředně následujícího dalšího dílčího rozrušení vzorku v důsledku jeho krátkodobého přetížení po okamžiku t^ a co nejvíce oddálit okamžik lavinovitého rozrušení vzorku, nebo vůbec tomuto jevu zabránit Je-li ale potřebné odčerpávání kapaliny řízeno pouze zpětnou vazbou z rozdílu skutečné a žádané hodnoty, jak je tomu u známých řešení, je rychlost a proto účinnost tohoto zásahu omezena hodnotami parametrů regulátoru, například jeho proporcionálního zesílení, přípustnými z hlediska zachování stability systému i kvality regulačního procesu.From the experimenter's point of view, it is useful in the laboratory to simulate as closely as possible the conditions of rock disintegration in the sieve, to prevent as soon as possible the possibility of immediately following further partial disruption of the sample due to its short-term overloading. However, if the required liquid evacuation is controlled only by feedback from the actual and setpoint difference, as is the case with known solutions, the speed and therefore the efficiency of this intervention is limited by the values of the controller parameters, such as proportional gain, acceptable to maintain system stability and quality of the regulatory process.

Pro vysvětlení podstaty způsobu podle vynálezu budiž nejprve předpokládáno, že regulační hydraulický kanál 25 je uzavřen, tj. Q_R - 0.To explain the nature of the method according to the invention, it is first assumed that the control hydraulic channel 25 is closed, i.e. Q _R - 0.

Z diagramu na obr. 2 je zřejmé, že vodorovná vzdálenost χθ^ - χθ₂ mezi charakteristikami F-^ a F₂ stroje je úměrná délce úsečky E^A, tj. je úměrná velikosti náhlého poklsu reakce R vzorku 5. v okamžiku t^. Z podstaty funkce hydromotoru je ale zřejmé, že tomuto rozdílu ^x0l”^x02 úměrná dávka Δ^Μθ kapaliny, dále nazývaná odlehčovací dávkou, kterou je nutno odebrat z první komory 24.It can be seen from the diagram in Fig. 2 that the horizontal distance χθ ^ - χθ ₂ between machine characteristics F- ^ and F ₂ is proportional to the length of the segment E ^ A, ie it is proportional to the sudden drop of reaction R of sample 5 at time t ^. . From the nature of the function of the hydraulic motor but it is clear that this difference ^x 0 l ^"x 02 dose proportional ^Δ Μ θ liquids, hereinafter referred to as the relief portion, which must be removed from the first chamber 24th

Platí tedy vztahSo the relationship is true

ΔΜθ = k_x ΔΚι (2) , kde je konstanta, která je závislá na geometrických rozměrech první komory 24, na modulu objemové pružnosti kapaliny a u neidealizovaného stroje i na konečné hodnotě tuhosti všech ostatních členů stroje. Hodnotu k^ lze určit výpočtem z konstrukčních parametrů stroje nebo experimentálně.2θ = k _x ΔΚι (2), where the constant, which is dependent on the geometric dimensions of the first chamber 24, the modulus of elasticity of the liquid and, in the case of an unrealized machine, the final stiffness of all other machine members. The value of k ^ can be determined by calculation from machine design parameters or experimentally.

Lze tedy na základě změřené hodnoty velikosti náhlého poklesu reakce R určit podle vztahu (2) potřebnou odlehčovací dávku AM_Q a tuto dávku, s výhodou s minimálním zpožděním a v minimálním čase, odebrat z první komory 24. Předpokládejme pro ilustraci ideální situaci, kdy se odebrání odlehčovací dávky Δ Μθ provádí přes kompenzační hydraulický kanál 26 připojeným elektrohydraulickým převodníkem, naplno otevřeným na hmotností průtok Q_k (t) v intervalu {t^, t₂), jak je naznačeno na diagramu grafem v souřadnicích t, Q^. Je zřejmé, že pro délku intervalu otevřeníThus, based on the measured value of the sudden decrease in the reaction R, the desired relief dose AM _Q can be determined according to formula (2) and this dose, preferably with minimum delay and at a minimum time, can be removed from the first chamber 24. take-off of the discharge dose provádí θ is carried out via the compensating hydraulic channel 26 by a connected electrohydraulic transducer, fully open to mass flow Q _k (t) in the interval (t ^, t ₂ ), as indicated in the diagram by t, Q ^. Obviously, for the length of the opening interval

At = t₂ což spolu s (2) znamená, že = k₂ At = t ₂ which together with (2) means that = k ₂

At platíLet's pay

- t.- t.

AR k max (4), kde k₂ je opět konstanta.AR k max (4), where k ₂ is again a constant.

Při uvedeném příkladu, při rovnoměrném odběru odlehčovací dávky AM_Q z první komory 24 se v diagramu D_x průsečík charakteristiky stroje s přímkou R^, tj. rovnovážný bod, kolem kterého zobrazující bod kmitá, rovnoměrně přesouvá v intervalu ít-^, t₂> ^z bodu Ε_χ2 do bodu E₂, přičemž tomu v diagramu Dj odpovídá lomený průběh 204 a v digramu D₂ lomený průběh 104 střední hodnoty kmitů. Průběh výsledného pohybu je naznačen tečkovanými křivkami 206 a 106 v diagramech Dj a Dj.In this example, at uniform sampling relieving dose AM _Q from the first chamber 24 in the diagram D _x the intersection of the characteristics of the machine line R, i.e. the equilibrium point about which the depicting point oscillates and moves uniformly in the interval IT- ^ t _2> ^{from the} point Ε _χ2 to the point E ₂ , where in the diagram Dj corresponds the curve wave 204 and in the diagram D _{2 the} curve wave 104 the mean value of the oscillations. The course of the resulting motion is indicated by the dotted curves 206 and 106 in the diagrams Dj and Dj.

Výhodou tohoto způsobu řízení je to, že rychlost, s jakou je provedena kompenzace vlivu náhlého poklesu reakce R odebráním potřebné odlehčovací dávky, je omezena pouze maximálním průtokem Q_{k ma}x' ^Jeho zvětšováním, například paralelním řazením několika elektrohydraulických převodníků, lze teoreticky libovolně zkracovat interval aniž se tím jakkoliv ovlivní stabilita systému, protože žádná zpětná vazba z účinku odebrané' dávky AΜθ na vstup pro řízení její velikosti neexistuje.The advantage of this control method is that the speed with which the compensation of the influence of a sudden decrease of the reaction R by taking the required relieving dose is limited only by the maximum flow Q _to X _'has ^J our increasing such parallel connection of several electro-hydraulic converters can theoretically be shortened interval without affecting the stability of the system in any way, since there is no feedback from the effect of the withdrawn dose AΜθ on the size control input.

Není-li průběh Q_k(t) obdélníkový, jak je naznačeno na diagramu D^, platí místo vztahu (3) obecný vztahIf the curve Q _k (t) is not rectangular, as shown in the diagram D ^, the general relation (3) applies

Lze ukázat, že má-li (t) charakter obecné odezvy lineárního systému na obdélníkový impuls vstupní veličiny s fixní amplitudou, tj. impuls budicího proudu příslušného elektrohydraulického převodníku, je dávka ΔΜθ úměrná délce intervalu At =· tj - tj i v tomto obecnějším případě, tj. i zde platí vztah (4).It can be shown that if (t) has the character of a general response of a linear system to a rectangular pulse of a fixed magnitude input variable, ie the excitation current pulse of the electrohydraulic converter, the dose ΔΜθ is proportional to the interval At = · ie. , ie the relation (4) applies.

Je tedy pro realizaci způsobu podle vynálezu za uvedených předpokladů nutno zajistit generaci impulsu začínajícího bezprostředně po zjištění náhlého poklesu reakce R, a to s délkou At = tj-t^ '-“tornou velikost AS tohoto poklesu.Thus, in order to carry out the process according to the invention, it is necessary to provide a pulse generation starting immediately after the detection of a sudden decrease in the reaction R, with a length =t = t--“of a significant magnitude AS of this decrease.

Na velikost odlehčovací dávky AM lze působit i plynulou nebo stupňovitou změnou průtoku Q^tt) při dané délce intervalu 4t = tj-tp Oba způsoby změny dávky lze libovolně kombinovat. Například lze kompenzační průtok (T) = Q_{k max} stupňovitě měnit změnou počtu současně buzených kompenzačních elektrohydraulických převodníků, zapojených v paralelní skupině na kompenzační hydraulický kanál 26 nebo jednotlivě na samostatné kompenzační hydraulické kanály provedené v příslušném počtu. Při velkých hodnotách ů,Μ_θ jsou otevřeny uvedené elektrohydraulické převodníky v plném počtu, při malých hodnotách je otevřena jen jejich část, nebo jsou otevřeny na menší průtok. Tím se řízeni odlehčovací dávkyrozdělí do dvou nebo více rozsahů s různou hodnotou konstanty k^ ve vztahu (4) a velkého rozpětí potřebných odlehčovacích dávek lze dosáhnout při poměrně menším rozpětí změn intervalu &t, což může být výhodné z hlediska přístrojového řešeni a dosažené přesnosti dávkování.The amount of the relief dose AM can also be influenced by a continuous or stepwise change of the flow rate (Qt (tt)) over a given interval length of 4t = tj-tp. For example, the compensating flow rate (T) = Q _{to max} can be varied by varying the number of simultaneously excited compensating electrohydraulic transducers connected in parallel to the compensating hydraulic channel 26 or individually to separate compensating hydraulic channels provided in the appropriate number. At large values of ů, _θ , the above mentioned electrohydraulic transducers are opened in full, at low values only part of them are opened, or they are opened to a smaller flow. Thereby, the relief dose control is divided into two or more ranges with different k? Values in relation (4) and a large range of required relief doses can be achieved with a relatively smaller range of variation interval? T which may be advantageous in terms of instrumentation and dosing accuracy achieved.

Odlehčovací dávka ΔΜ_θ může být určována záměrně odchylně od vztahu (2) a může být obecnější funkcí f velikost R náhlého poklesu reakce R:The relief dose ΔΜ _θ can be determined intentionally by deviation from (2) and may be a more general function f of the magnitude R of the sudden decrease of the reaction R:

ΑΜ_θ = f(AR)_z (6) .ΑΜ _θ = f (AR) _of (6).

Je-li pro určité hodnoty AR f(AR)>k₁.A^EA (7), dochází při těchto hodnotách k překompenzování, které může být záměrně využito pro to, aby se snížila velikost prvního překmitu křivek 105 a 205 na diagramech a D₃, následujícím po okamžiku t. Toto překompenzování se posléze odstraní, jestliže přes regulační hydraulický kanál 25 nebo jejich skupinu je přiváděn a odváděn regulační průtok Qp, řízený běžným způsobem přes regulátor z odchylky skutečné a žádané hodnoty regulované veličiny, kterou je posuv x. Zesílení regulátoru ale nemusí již být velké,, protože doba, za kterou je odchylka způsobená překompenzováním odstraněna, již není kritická.When a certain value AR f (R)> for ₁ .A ^E and (7) occurs at these values to overcompensation, which may be deliberately used to make reduce the size of the first overshoot of curves 105 and 205 in the diagram, and D _3, following the time t. This overcompensation is then removed, if through the control hydraulic passage 25 or group is introduced and extracted control flow QP, driven in a conventional manner through a controller of the deviation of the actual and setpoint values of a controlled variable by a displacement x. However, the gain of the regulator need not be great anymore, since the time for which the overcompensation deviation is removed is no longer critical.

Velikost A^R náhlého poklesu reakce R lze přímo měřit vhodně uspořádaným snímačem dynamických sil, například piezoelektrickým, vloženým mezi vzorek a jednu čelist. Výhodná je značná tuhost piezoelektrického snímače. Nevýhodou může být nedostatečná pevnost piezoelektrických materiálů a v některých případech nutnost navzájem přizpůsobit tvar i velikost dosedací čelní plochy vzorku a snímače, nemá-li být případný rozdíl vyrovnáván vložením dostatečně tuhé a proto i hmotné desky mezi snímač a vzorek.The magnitude A ^{R of the} sudden decrease in the reaction R can be directly measured by a suitably arranged dynamic force sensor, for example a piezoelectric, inserted between the sample and one jaw. The considerable rigidity of the piezoelectric sensor is preferred. The disadvantage may be the insufficient strength of the piezoelectric materials and in some cases the necessity of adjusting the shape and size of the contact face of the sample and the sensor, if any difference is not to be compensated by inserting a sufficiently rigid and therefore mass plate between the sensor and the sample.

r7 dostatečně tuhé a proto i hmotné desky mezi snímač a vzorek. Setrvačný odpor této desky ale může zkreslit měřený průběh reakce vzorku.r7 sufficiently rigid and therefore massive plates between the sensor and the sample. However, the inertia of this plate may distort the measured course of the sample reaction.

Alternativně lze velikost R náhlého poklesu realce B zjistit ze skokové změny zrychlení jedné čelisti, měřeného akcelerometrem umístěným například v ose první čelisti 31 blízko dosedací plochy.Alternatively, the magnitude R of the sudden drop in realce B can be determined from a step change in the acceleration of one jaw, measured by an accelerometer located, for example, in the axis of the first jaw 31 near the bearing surface.

Těsně před náhlým poklesem reakce vzorku, v bodě E₁ na diagramu D^, je výsledná síla působící na nehybnou hmotnou soustvu sestávající z pístu 22, pístnice 23, první čelisti 31 a případného dolního přívažku 3.2, celkové hmotnosti m, rovna nule. Po náhlénu snížení reakce R o hodnotu R, dokud se píst znatelně nepohne, zůstává tlaková síla F, působící na píst 22, nezměněna a uvedená hmotná soustava se uvede do zrychleného pohybu vzhůru s počáteční hodnotou zrychlení a_Q. Podle druhého Newtonova zákona platíJust before the sudden drop of the sample, at a point E in the diagram _1-D, the resultant force acting on the stationary soustvu material consisting of a piston 22, piston rod 23, the first jaw 31 and the eventual lower appendage 3.2, the total mass m is equal to zero. After suddenly reducing the reaction R by the value R until the piston has noticeably moved, the pressure force F acting on the piston 22 remains unchanged and the mass system is accelerated upward with an initial acceleration value and _Q. Under Newton's second law, it applies

A^R = Μαθ (8) . ^{R R} = (αθ (8).

¹ Vztah (8) umožňuje určovat velikost ^R náhlého poklesu reakce R nepřímo, z hodnoty zrychlení první čelisti. Obdobně lze využít údaje o zrychlení druhé čelisti pro určení velikosti náhlého poklesu reakce, kterou působí vzorek na druhou čelist. ¹ Relation (8) makes it possible to determine the magnitude RR of the sudden decrease in reaction R indirectly, from the value of the acceleration of the first jaw. Similarly, the second jaw acceleration data can be used to determine the magnitude of the sudden decrease in the reaction of the sample to the second jaw.

Velikosti náhlých poklesů reakcí působících na první a druhou čelist nemusí být zcela stejné vzhledem ke hmotnosti vzorku, a proto může být účelné použít pro určení velikosti odlehčovací dávky ΛΜθ hodnoty velikosti náhlých poklesů obou reakcí, at již zjištěných, přímým měřením nebo nepřímo ze změřených zrychlení, například vytvořením jejich váženého průměru, určením větší z obou hodnot a podobně.The magnitude of the sudden decreases in the responses to the first and second jaws may not be exactly the same with respect to the weight of the sample, and therefore it may be appropriate to use the magnitude of the sudden decreases of both reactions, whether observed, direct measurement or indirectly from measured accelerations. for example, by creating their weighted average, determining the greater of both values, and the like.

Podmínkou přesného zjištění velikosti AR náhlého poklesu reakce R je, aby se uskutečnil v intervalu dostatečně krátkém v porovnání s periodou vlastních kmitů zatěžovacího stroje při přechodném ději.Precise determination of the magnitude AR of the sudden decrease of reaction R is that it takes place in an interval sufficiently short in comparison with the period of the natural oscillations of the loading machine during a transient event.

Je zřejmé, že v zásadě může být celé řízení procesu uskutečněno realizací průtoků Q_Ka Q_R pomocí společného elektrohydraulického převodníku připojeného k první komoře 24 přes jediný hydraulický kanál nebo pomoci skupiny paralelně pracujících převodníků s výsledným vstupující průtokem Q_R“Q_K, který může být kladný i záporný v různých fázích řízení. Sloučení signálu odchylky a dávkovaciho impulsu o délce At a vhodné amplitudě je potom nutno provést elektricky, jako součást odvození výsledného signálu působícího na vstup elektrohydrau lického převodníku nebo na vstupy paralelně pracujících převodníků. Avšak rozdělení převodníků na regulační a kompenzační s příslušnými samostatnými hydraulickými kanály tak, jak je naznačeno v příkladu na obr. 1 nebo na příslušné skupiny převodníků, je výhodné, protože umožňuje optimálně konstruovat elektrohydraulické převodníky podle specifických požadavků na ne kladných.Obviously, in principle, the entire process control can be accomplished by realizing Q _K and Q _R flow rates through a common electrohydraulic transducer connected to the first chamber 24 via a single hydraulic channel or through a plurality of parallel operating transducers with the resulting inlet Q _R 'Q _K flow rate. be positive and negative at different stages of the procedure. The combination of the deviation signal and the metering pulse of length At and the appropriate amplitude must then be carried out electrically, as part of deriving the resulting signal acting on the input of the electrohydraulic converter or the inputs of the parallel operating converters. However, the division of the transducers into control and compensation with respective separate hydraulic channels, as indicated in the example of Fig. 1 or into the respective transducer groups, is advantageous since it allows the optimal design of the electrohydraulic transducers according to specific non-positive requirements.

Ve skutečném provedení lze z praktických důvodů použít hydromotorů obvyklejšího provedení, u kterého jsou tlakovou kapalinou plněny obě komory. Elektrohydraulický převodník pro průtok Q_r, popřípadě elektrohydraulický převodník pro průtok Q_R jsou potom provedeny jako dvojčinné s běžně známým připojením na komory hydromotoru.In a practical embodiment, for more practical reasons, hydraulic motors of a more conventional design may be used in which both chambers are filled with pressure fluid. Electrohydraulic converter for the flow rate Q _r, or electro-hydraulic converter for the flow rate Q and _R are designed as double-acting with a conventionally known connection chamber motor.

Při uvedeném použití dvojčinného hydromotoru je pochopitelně nutno současně s přiváděním regulačního průtoku Q_R do jedné komory odvádět stejný průtok z druhé komory pro zajištění správné funkce hydromotoru v režimu quasistatického stlačování vzorku v poměrně širokém rozsahu deformací. Avšak kompenzaci náhlého poklesu reakce vzorku lze provést i změnou množství kapaliny pouze v jediné komoře, například odvedením odlehčovací dávky z první komory v příkladu uspořádání zatěžovacího stroje podle obr. 1 nebo přivedením odlehčovací dávky do druhé komory. Použití tohoto způsobu může zjednodušit požadavky na konstrukci zařízení.Of course, when using a double-acting hydraulic motor, it is necessary to drain the same flow from the other chamber at the same time as supplying the control flow Q _R to one chamber to ensure proper operation of the hydraulic motor in quasistatic sample compression mode over a relatively wide range of deformations. However, to compensate for the sudden decrease in the sample reaction, it is also possible to change the amount of liquid in only one chamber, for example by draining the unloading dose from the first chamber in the example of the loading machine of FIG. The use of this method can simplify the design requirements of the device.

Způsob vyšetřování deformačních a pevnostních vlastností křehkých materiálů, zvláště hornin podle vynálezu lze použít při výzkumu nebo ověřování fyzikálně-technických vlastností vThe method of investigating the deformation and strength properties of brittle materials, particularly rocks according to the invention, can be used in the research or verification of physico-technical properties in

256392 extrémně křehkých přírodních a umělých materiálů, deformovaných s překročením jejich meze pevnosti, zejména ve strojírenství, hornictví a stavebnictví.256392 extremely fragile natural and man-made materials, deformed with exceeding their strength limit, especially in engineering, mining and construction.

Claims

A method for examining the deformation and strength properties of samples of brittle materials, particularly rocks, by uniaxial pressure in combination with a hydrostatic pressure by means of a loading machine with a control of the flow of working fluid acting on its hydraulic motor. by continuously monitoring the occurrence of sudden drops of at least one of the two reactions by which the loaded sample acts on the jaws of the loading machine, determining the magnitude of these drops, which are then compared to a selected threshold, and additionally greater than the selected threshold acts on the hydraulic motor with a relief dose of the working liquid depending on the observed magnitude of the sudden decrease of one reaction of the sample or on the average of the observed magnitude of sudden decreases of the two reactions acting on: walls of the sample.

2. A method according to claim 1, characterized in that the hydraulic motor is additionally treated with a pressure relief fluid, in which the reduction in the pressure force exerted by the hydraulic motor is equal to the sudden decrease in the reaction of the sample.

3. A method according to claim 1, wherein the hydraulic motor is additionally treated with a fluid discharge in such a way that the reduction in the pressure force exerted by the hydraulic motor is greater than the sudden decrease in the reaction of the sample.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that a discharge of the working liquid corresponding to a constant, preferably maximum flow rate, is used for a period proportional to the size of the discharge.