gdzie:
MDS – współczynnik mikro-Devala w stanie suchym [g]; m – masa frakcji pozostałej na sicie o oczkach 1,6 mm [g].
Na podstawie wartości uzyskanych z dwóch badanych próbek oblicza się średnią wartość współczynnika mikro-Devala. Średnią wartość podaje się z dokładnością do liczby całkowitej.
Badanie można również wykonać na mokro. Badanie wykonuje się analogicznie jak powyżej, jedynie dodatkowo do bębna dodaje się wodę. Po wykonaniu badania należy przemyć bęben wewnątrz i zachować wodę z przemywania. Kruszywo pozostałe na sicie o oczkach 1,6 mm należy wysuszyć w temperaturze 110 ± 5°C. Dla rozróżnienia nazwę współczynnika MDS zmieniono na MDE, ale oblicza się go z tego samego wzoru (2.5) [11, 57].
Wykonanie badania również jest bardzo czasochłonne i pracochłonne. Szczególnie związane jest to z długim i skomplikowanym procesem przygotowania próbek o odpowiednim uziarnieniu. Dodatkowo kruszywo podczas badania w bębnach ulega również kruszeniu poprzez zgniatanie, a nie tylko ścieraniu.
Powyższa metoda, ze względu na podobny sposób przeprowadzania, jest bardzo często mylona z określaniem odporności na rozdrabnianie w bębnie Los Angeles. Jednakże badanie to przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN 1097-2:2000 [58], której już sam tytuł (Metody oznaczania odporności na rozdrabnianie) wskazuje, że chodzi o rozdrabnianie, a nie ścieranie.
2.4 Metody określania ścierności skał
Ścierność skał może być określana na postawie budowy i składu petrograficznego, a w szczególności udziału twardych minerałów, takich jak kwarc. Jest to typowy geologiczny sposób jej wyznaczania i polega na mikroskopowym określeniu zawartości kwarcu na bardzo małym fragmencie skały. Inny bardziej techniczny sposób określania ścierności skał jest realizowany za pomocą testów laboratoryjnych, w których przyjmuje się wzorcowy model lub wskaźnik [25, 52].
Metody badania ściernego działania skał na narzędzie opisane zostały w literaturze [53] już w latach 80. XX wieku. Dwie pierwsze metody (rys. 2.15a, b) polegają na ścieraniu elementu metalowego poruszającego się ruchem obrotowym i dociskanego do nieruchomej próbki. Kolejne 3 metody (rys. 2.15c, d, e) dotyczą ścierania elementu metalowego, będącego w ruchu, gdzie sama próbka również się porusza. Następnie w metodzie Barona-Bondariewa (rys. 2.15f) stalowy nóż skrawa czołowo okrągłą próbkę, która się obraca, natomiast ostatnia
29
metoda Belugou-Valantina (rys. 2.15g) polega na krótkim quasi-statycznym przesunięciu stalowego sworznia po próbce skalnej.
Rys. 2.15. Metody badania ściernego działania skał na narzędzie:
a – metoda Barona – Kuźniecowa, b – Sieversa, c – Wahla, d – Szreinera, e – Fisha, f – Barona – Bondariewa, g – Belugou – Valantina [53]
Aktualnie najbardziej znaną i sprawdzoną metodą badania ścierności, a nie ścieralności skał, jest test ścierności Cerchar. Na jego podstawie wyznacza się wskaźnik CAI. Wartość wskaźnika wyznacza się w teście zarysowania Cerchar i wykorzystuje do prognozowania częstotliwości wymiany narzędzi urabiających. Skrót Cerchar pochodzi od Centre d’Etudes et Recherches des Charbonnage de France – instytutu, który jako pierwszy opracował test ścierności skał [40, 52, 56, 64].
Test przeprowadza się za pomocą zaostrzonego rysika wykonanego ze stali o kącie rozwarcia końcówki stożkowej 90o, dociśniętego do powierzchni próbki skały pod obciążeniem 70 N, za pomocą którego rysuje się rowek o długości 10 mm (rys. 2.16). Test wykonuje się na powierzchni odłupania niewielkiego kawałka skały od calizny o naturalnej chropowatości. Podczas próby próbka jest bezpiecznie zamontowana w uchwycie zaciskowym. Standardowy rysik o średnicy 11 mm i długości 60 mm powinien być wykonany ze stali 115CrV3 (wg DIN) [40, 52, 56, 64].
Test powtarza się kilka razy w różnych kierunkach próbki skały używając za każdym razem nowego rysika w celu uwzględnienia zjawiska anizotropii przy obliczaniu wypadkowej średnicy spłaszczenia rysika w mm, spowodowanego tarciem o powierzchnię próbki [40, 52, 56, 64].
30
Rys. 2.16. Stanowisko do przeprowadzania próby ścierania Cerchar [56]
Zasadniczo wartość CAI jest określona na podstawie spłaszczenia lub zaokrąglenia końcówki rysika spowodowanego tarciem o próbkę, które mierzy się pod mikroskopem z użyciem mikrometru okularowego (rys. 2.17). Średnica spłaszczenia jest mierzona w czterech położeniach, przy czym każdorazowo rysik jest obracany o 90o. Stąd pomiar jest wykonywany na 0o, 90o, 180o i 270o obwodu końcówki stalowego rysika. Na tej podstawie oblicza się CAI zgodnie z poniższym wzorem:
𝐶𝐴𝐼 = 10 ∙ 1
𝑛𝑖∙ ∑𝑛𝑜𝑑[𝑚𝑚] (2.6)
gdzie:
ni – liczba wykonanych oznaczeń;
d – wypadkowa średnia spłaszczenia rysika spowodowanego tarciem o próbkę [64].
Na podstawie wielu badań skał w laboratorium petrograficznym SMC (Sandvik Mining and Construction) w Zeltwegu w Austrii stworzono stopnie ścierności wyrażone wartościami CAI. Klasyfikację tę podano w tabeli 2.2.
31
Rys. 2.17. Sposób pomiaru średnicy rysika pod mikroskopem [64] Tabela 2.2. Klasyfkacja ścierności skał wg SMC [10]
Wskaźnik ścierności CAI Ścierność skał
> 4,5 ekstremalnie ścierna 3,0 – 4,5 wysoko ścierna 2,3 – 3,0 bardzo ścierna 1,8 – 2,3 ścierna 1,3 – 1,8 znacząco ścierna 1,0 – 1,3 średnio ścierna
0,5 – 1,0 nie bardzo ścierna
< 0,5 brak ścierności
Metoda Cerchar, mimo że jest prosta i łatwa do wykonania, to jej główną wadą jest to, że pomiar może być wykonany tylko na niewielkich fragmentach próbki skały i dlatego możliwy jest duży rozrzut uzyskanych wyników, w zależności od wybranego przez operatora miejsca wykonania testu na niejednorodnych i zmiennych próbkach skał. Po drugie dokładność tej metody w dużej mierze zależy od umiejętności i doświadczenia osoby wykonującej test, która musi posiadać wystarczające doświadczenie, aby zidentyfikować kryteria ścierania próbki skały, a następnie przeprowadzić test zgodnie z tymi kryteriami. Dodatkowo pomiar średnicy spłaszczenia rysika wymaga zastosowania specjalistycznego mikroskopu oraz może być trudny do określenia w przypadku niesymetrycznych lub jednostronnych spłaszczeń [64]. W związku z powyższym, wyniki tego testu bardzo często nie są wiarygodne ani porównywalne, na co zwracają uwagę autorzy publikacji [25], stąd metoda ta nie powinna być stosowana w aspekcie prognozowania zużycia noży kombajnowych.
32
Drugą metodą określania ścierności skał jest test ścierności LCPC, który został opracowany we Francji przez Laboratoire Central des Ponts et Chausées (LCPC) i opisany we francuskiej normie P18-579 [25]. Na rysunku 2.18 przedstawiono stanowisko do wykonywania testu ścierności LCPC. Głównym jego elementem jest silnik (1) o mocy 750 W, na którego wale jest zamocowany stalowy próbnik w kształcie prostokątnej płytki (3). Jest ona wykonana ze stali o twardości 60-75 HRB. Pod silnikiem znajduje się pojemnik, w którym umieszcza się stalowy próbnik, który w trakcie testu jest zasypywany kruszywem z podajnika (2).
Rys. 2.18. Stanowisko do wykonywania testu ścierności LCPC: 1 – silnik, 2 – podajnik kruszywa, 3 – stalowy próbnik, 4 – pojemnik na próbkę.
Główną zasadą stojącą za wyznaczeniem współczynnika ścierności LCPC jest pomiar utraty masy stalowej płytki obracającej się z prędkością 4500 obrotów na minutę przez 5 minut, zasypywanej 500 g skały uprzednio pokruszonej na kawałki o średnicy od 4,0 do 6,3 mm. Współczynnik ścierności LAC jest obliczany jako stosunek ubytku masy płytki do masy badanego materiału (500 g) w przeliczeniu na gram na tonę.
𝐿𝐴𝐶 =
𝑚0−𝑚1𝑀
[
𝑔𝑡
]
(2.7)gdzie:
LAC – współczynnik ścierności LCPC [g/t]; m0 – masa stalowej płytki przed badaniem [g];
33 m1 – masa stalowej płytki po badaniu [g], M – masa próbki skalnej (=0,0005t) [t].
Test ścierności LCPC nie jest powszechnie znanym sposobem określania ścierności skał. Mimo że jest znormalizowany we Francji, to ciągle trwają prace nad jego wdrożeniem. Dodatkowo autorzy publikacji [25] podkreślają, że są duże rozbieżności pomiędzy wynikami badań testem Cerchar a testem LCPC.
Trzecią metodą określania ścierności jest wyznaczenie wskaźnika ścierności według metody opracowanej w ITG KOMAG. Wskaźnik ścierności to stosunek głębokości I3 i I1 otworu wierconego w skale w trzeciej i pierwszej minucie wiercenia wiertłem o określonej średnicy d = 42 mm i obrotach (251 m/s) ze stałym dociskiem 3750 N [54].
Wskaźnik ścierności Kt wynosi: 𝐾𝑡= 𝐼3
𝐼1 (2.8)
Metoda ta daje poprawne wyniki, gdy badana skała jest jednorodna i całą różnicę przewiertów można przypisać stępieniu ostrzy, a nie przypadkowym różnicom twardości i wytrzymałości skały [53].