CN106593336B - 一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置,由振动系统、夹持机构、液压系统组成。振动系统由超声波振动器、超声波发生器、变频器、螺杆、电机组成；夹持机构由围压夹持器、第一调压阀、上围压板、下围压板组成；液压系统由液压千斤顶和十二调压阀组成。工作时，通过调节第二调压阀，液压千斤顶注入液压油后伸缩杆上顶，压力作用于下夹持板，下夹持板将压力传递给岩心，岩心将压力传递给上夹持板，上夹持板通过螺母固定在导向柱上，由上夹持板和下夹持板共同完成对岩心提供纵向压力的作用。本发明能够模拟超声波振动破碎岩石的全过程，实现岩石围压的施加，模拟岩石在地下所处受力状态。

Description

一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置

技术领域

本发明涉及一种还原岩石在地下所受应力状态的超声波共振碎岩实验装置，主要应用于地质岩心钻探、工程钻机施工等领域，具体涉及的是利用超声波产生的高频振动对岩石进行破碎的实验装置及方法。

背景技术

超声波振动碎岩是通过对岩石施加一定频率的高频振动使岩石产生共振，在交变载荷作用下岩石内部薄弱区域产生疲劳损伤积累，微裂纹扩展延伸，岩石强度降低。损伤累积达到一定程度时岩石产生疲劳破坏。早在上个世纪五十年代，美国等国家已经开始对声频钻进技术的研究,但提供的振动频率不超过声频。本世纪初针对于太空钻进取样问题，以美国为首等国家研发了超声激励冲击太空取样钻，并以此为基础开发一些取样器对外太空进行探索。对超声激励冲击太空取样钻进行改型设计，包括超声冲击取样钻以及高温超声激励冲击太空取样钻，不过其主要研究方向是针对软岩的钻进技术，且钻进深度较浅。国内对超声振动钻进研究较晚，目前有南京航空航天大学研制出压电陶瓷振动钻探样机并进行钻进实验，不过仅对软岩进行钻进，且没有压力施加装置。哈尔滨工业大学研制出超声波钻探器，并针对不同硬度的岩石展开碎岩性能测试，其设备亦具有结构轻巧、钻孔直径小、轴向压力小等特点。中国地质大学北京对声波钻凿岩机理进行了理论分析，为超声取样钻碎岩机理提供了理论基础。中国地质大学在超声取样钻碎岩机理的试验中使用的螺纹式超声取样机，用于固定岩石的岩石样品夹板仅起到固定岩石的作用而不能模拟在围压环境中岩石的真实环境。岩石三轴力学试验中使用的隔离室实验装置是通过向压力室内注高压油来对岩样施加围压，而真实岩层内的岩样受固体岩层的围压，在岩样裂纹萌生与扩展中产生横向应变时，岩样受围压的环境不同，对岩样裂纹的萌生与扩展有较大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置。用于解决现有试验设备不能施加围压及静压力较小的问题。

本发明包括振动系统、围压夹持机构及液压系统；

所述的振动系统包括超声波振动器、超声波发生器、变频器、螺杆和电机，超声波振动器通过第一法兰盘和第二法兰盘固定在导向架上 ，电机固定在导向架上端并通过螺杆带动超声波振动器上下移动；

所述的围压夹持机构包括围压夹持器、第一调压阀，上夹持板和下夹持板，导向柱固定在底座上，上夹持板通过螺母安装在导向柱上端，上夹持板能自由向下移动，围压夹持器固定在下夹持板上；

所述的围压夹持器包括有限位挡块、夹持块、挤压模块和弧形圆板，岩心由八个弧形圆板共同夹持，围压夹持器内部注油口与液压缸相连，挤压模块底部活塞接触液压缸，夹持块与挤压模块斜面接触，弧形圆板固定于夹持块，岩心通过弧形圆板固定在围压夹持器中，岩心长度高于围压夹持器，岩心顶端与上夹持板接触；夹持块内环面凸起嵌入弧形圆板外环面凹槽内。控制第一调压阀，液压油自油箱进入液压腔推动挤压模块底部活塞向上运动，挤压模块通过接触斜面挤压夹持块径向移动；压力通过液压油传达至挤压模块，再通过斜面接触传达至夹持块继而传达至弧形圆板，最后作用于岩心上。

液压系统由液压千斤顶和第二调压阀组成，液压千斤顶固定在底座上，液压千斤顶上端接触下夹持板，液压千斤顶通过第二调压阀与控制柜相连。

本发明的工作过程：

实验时，通过调节第二调压阀，液压千斤顶注入液压油后伸缩杆上顶，压力作用于下夹持板，下夹持板将压力传递给岩心，岩心将压力传递给上夹持板，上夹持板通过螺母固定在导向柱上，由上夹持板和下夹持板共同完成对岩心提供纵向压力的作用。

本发明的操作方法：

a）根据实验需要准备岩心；

b）将岩心放入围压夹持器，调整岩心位置。通过控制调压阀，使围压夹持器夹紧岩心并提供合适的径向压力。

c）将围压夹持器和岩心一同固定在下夹持板上，安装上夹持板，使其与岩心充分接触。

d）通过控制第二调压阀，使液压千斤顶加压，为岩心提供合适的纵向压力。

e）控制电机移动超声波振动器，使超声波振动器抵在上夹持板上，调节超声波发生器设置超声波振动频率等参数。

f）开始实验，记录实验数据。

g）实验结束后，关闭超声波振动器，控制第一调压阀，及第二调压阀卸下围压及纵向压力。

h）拆卸围压夹持器，取出岩心，进行下一步测试。

本发明的有益效果：

本发明通过围压施加装置对试验岩样施加了径向压力，还原了岩石在地层中的受力情况，使试验更加贴近实际问题，使实验结果更加精准，通过超声波振动器给压头一个高频振动冲击激励，模拟了超声波振动碎岩的过程，有助于对超声波技术碎岩过程的理论分析，该装置具有操作简单、安全可靠、环保的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的围压夹持器的结构示意图。

图3是本发明的围压夹持器工作状态示意图。

图中：1-螺杆、2-超声波振动器、3-第一法兰盘、4-导向架、5-上夹持板、6-导向柱、7-下夹持板、8-液压千斤顶、9-底座、10-电机、11-第二法兰盘、12-岩心、13-围压夹持器、14-超声波发生器、15-变频器、16-第一调压阀、17-第二调压阀、18-控制柜、19-弧形圆板、20-夹持块、21-密封圈、22-限位挡块、23-挤压模块、24-注油口。

实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明包括振动系统、围压夹持机构及液压系统；

所述的振动系统包括超声波振动器2、超声波发生器14、变频器15、螺杆1和电机10，超声波振动器2通过第一法兰盘3和第二法兰盘11固定在导向架4上 ，电机10固定在导向架4上端并通过螺杆1带动超声波振动器2上下移动；

所述的围压夹持机构包括围压夹持器13、第一调压阀16，上夹持板5和下夹持板7，导向柱6固定在底座9上，上夹持板5通过螺母安装在导向柱6上端，上夹持板5能自由向下移动，围压夹持器13固定在下夹持板7上；

所述的围压夹持器13包括有限位挡块22、夹持块20、挤压模块23和弧形圆板19，岩心12由八个弧形圆板19共同夹持，围压夹持器13内部注油口24与液压缸相连，挤压模块23底部活塞接触液压缸，夹持块20与挤压模块23斜面接触，弧形圆板19固定于夹持块20，岩心12通过弧形圆板19固定在围压夹持器13中，岩心12长度高于围压夹持器13，岩心12顶端与上夹持板5接触；夹持块20内环面凸起嵌入弧形圆板19外环面凹槽内。控制第一调压阀16，液压油自油箱进入液压腔推动挤压模块23底部活塞向上运动，挤压模块23通过接触斜面挤压夹持块20径向移动；压力通过液压油传达至挤压模块23，再通过斜面接触传达至夹持块20继而传达至弧形圆板19，最后作用于岩心12上。

液压系统由液压千斤顶8和第二调压阀17组成，液压千斤顶8固定在底座上，液压千斤顶8上端接触下夹持板7，液压千斤顶8通过第二调压阀17与控制柜18相连。

本发明的工作过程：

实验时，通过调节第二调压阀17，液压千斤顶8注入液压油后伸缩杆上顶，压力作用于下夹持板7，下夹持板7将压力传递给岩心12，岩心12将压力传递给上夹持板5，上夹持板通过螺母固定在导向柱6上，由上夹持板5和下夹持板7共同完成对岩心12提供纵向压力的作用。

本发明的操作方法：

a）根据实验需要准备岩心12；

b）将岩心12放入围压夹持器13，调整岩心12位置。通过控制调压阀16，使围压夹持器13夹紧岩心12并提供合适的径向压力。

c）将围压夹持器13和岩心12一同固定在下夹持板7上，安装上夹持板5，使其与岩心12充分接触。

d）通过控制第二调压阀17，使液压千斤顶8加压，为岩心12提供合适的纵向压力。

e）控制电机10移动超声波振动器2，使超声波振动器2抵在上夹持板5上，调节超声波发生器14设置超声波振动频率等参数。

f）开始实验，记录实验数据。

g）实验结束后，关闭超声波振动器2，控制第一调压阀16，及第二调压阀17卸下围压及纵向压力。

h）拆卸围压夹持器13，取出岩心12，进行下一步测试。

Claims (1)

1.一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置，其特征在于：包括振动系统、围压夹持机构及液压系统；

所述的振动系统包括超声波振动器（2）、超声波发生器（14）、变频器（15）、螺杆（1）和电机（10），超声波振动器（2）通过第一法兰盘（3）和第二法兰盘（11）固定在导向架（4）上 ,电机（10）固定在导向架（4）上端并通过螺杆（1）带动超声波振动器（2）上下移动；

所述的围压夹持机构包括围压夹持器（13）、第一调压阀（16），上夹持板（5）（5）和下夹持板（7），导向柱（6）固定在底座（9）上，上夹持板（5）通过螺母安装在导向柱（6）上端，上夹持板（5）能自由向下移动，围压夹持器（13）固定在下夹持板（7）上；

所述的围压夹持器（13）包括有限位挡块（22）、夹持块（20）、挤压模块（23）和弧形圆板（19），岩心（12）由八个弧形圆板（19）共同夹持，围压夹持器（13）内部注油口（24）与液压缸相连，挤压模块（23）底部活塞接触液压缸，夹持块（20）与挤压模块（23）斜面接触，弧形圆板（19）固定于夹持块（20），岩心（12）通过弧形圆板（19）固定在围压夹持器（13）中，岩心（12）长度高于围压夹持器（13），岩心（12）顶端与上夹持板（5）接触；夹持块（20）内环面凸起嵌入弧形圆板（19）外环面凹槽内；控制第一调压阀（16），液压油自油箱进入液压腔推动挤压模块（23）底部活塞向上运动，挤压模块（23）通过接触斜面挤压夹持块（20）径向移动；压力通过液压油传达至挤压模块（23），再通过斜面接触传达至夹持块（20）继而传达至弧形圆板（19），最后作用于岩心（12）上；

所述的液压系统由液压千斤顶（8）和第二调压阀（17）组成，液压千斤顶（8）固定在底座上，液压千斤顶（8）上端接触下夹持板（7），液压千斤顶（8）通过第二调压阀（17）与控制柜（18）相连；

实验时，通过调节第二调压阀，液压千斤顶注入液压油后伸缩杆上顶，压力作用于下夹持板，下夹持板将压力传递给岩心，岩心将压力传递给上夹持板，上夹持板通过螺母固定在导向柱上，由上夹持板和下夹持板共同完成对岩心提供纵向压力的作用。

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