CN106769498A - 微波辐射下岩石试样的力‑热耦合加载装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波辐射下岩石试样的力‑热耦合加载装置，在压力机框架内设有试样压头，试样压头通过液压控制机构与计算机连接，在液压控制机构上设有压力传感器，在试样压头上设有位移传感器，压力传感器和位移传感器分别与计算机连接；在压力机框架的外部设有微波控制柜，在微波控制柜内设有磁控管，磁控管的输出端连接矩形波导，矩形波导通过环形器水负载连接波导转换器，波导转换器的输出端通过同轴波导连接微波探头；在试样压头上装夹的岩石试样上设有钻孔，微波探头插入到钻孔内。该装置能够实现在微波场中直接测量岩石试样的力学特性，实现岩石试样微波辐射下的力‑热耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置其试验方法，属于采矿工程和岩土工程室内试验领域。
背景技术
岩石破碎是采矿工程的基础科学，从岩体中破碎出岩块是采矿和岩土工程作业中经常遇到的最基本、最简单的过程。在采矿生产中破碎岩石和防止岩石破碎这一根本矛盾的不断产生和不断解决，维持着采矿的正常生产，也推动着采矿技术的发展。目前，传统的机械凿岩和爆破方法仍是矿山破碎硬岩的主要手段，然而爆破法的精度问题和机械破岩的刀具磨损是破碎硬岩过程中的主要问题。近几十年来，探索新破岩方法的脚步从未停止过。例如喷气、激光、电子束、电弧、微波和高压水射流等，这些方法十分有前途，可单独用作开采中的破碎工艺或辅助机械破碎，但就目前来说，都还存在着一定难度。
微波辅助破岩技术是一种新兴岩石破碎技术，目前这项技术正处于实验室内理论研究阶段。岩石压力机是研究岩石力学特性的最基本的试验装置，把微波加热技术和岩石压力机相结合是研究微波辅助破岩技术的一项新的技术突破，也是研究微波辐射下岩石的力-热耦合机制的基本试验装置。
现有的工业微波炉系统为一般为密闭的腔体式，采用矩形波导只能对微波进行短距离的传输，不能实现微波加热系统和岩石压力机系统相结合。而现场岩体环境中，岩石都处于各种受力状态下，因而实现微波加热系统和岩石压力机系统的结合对于研究微波辅助破岩具有重要研究意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置及试验方法，该装置能够实现在微波场中直接测量岩石试样的力学特性，实现岩石试样微波辐射下的力-热耦合。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，在压力机框架内设有试样压头，试样压头通过液压控制机构与计算机连接，在液压控制机构上设有压力传感器，在试样压头上设有位移传感器，压力传感器和位移传感器分别与计算机连接；在压力机框架的外部设有微波控制柜，在微波控制柜内设有磁控管，磁控管的输出端连接矩形波导，矩形波导通过环形器水负载连接波导转换器，波导转换器的输出端通过同轴波导连接微波探头；在试样压头上装夹的岩石试样上设有钻孔，微波探头插入到钻孔内。
所述的液压控制机构为试样压头的液压活塞通过管路与伺服阀连接，伺服阀与电动泵站连接，且电动泵站通过EDC控制柜与计算机连接控制。
所述的微波探头由内导体和外导体同轴设置，在内导体和外导体的端部共同扣合天线介质护套。
所述的微波探头结构为，在端部设有波导同轴转换器，波导同轴转换器的输出端连接喇叭天线，喇叭天线为输出端开口大于输入端开口。
所述的岩石试样的外周设有非封闭式屏蔽罩。
采用微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置进行岩石试验的检测方法，包括以下步骤：
1）将打孔后的岩石试样放入到试样压头之间，并夹紧；
2）将微波探头插入到岩石试样的钻孔内；
3）同时启动微波控制柜和电动泵站，向岩石内发送微波的同时为岩石试样施加压力；
4）根据岩石试样的微波吸收能力设置微波功率，通过压力传感器和位移传感器实现对试样强度和变形的测量。
与现有技术相比，本发明涉及的微波辐射下的岩石试样力-热耦合加载装置的优点在于：（1）所述微波加热系统可以和单轴或双轴岩石压力机系统相结合，模拟不同地层应力条件，实现微波辐射下岩石试样的力-热耦合，更真实地模拟现场岩石的受力条件；
（2）采用敞开式微波加热系统，通过同轴波导实现对微波的长距离传输，可以达到十几米甚至更远，传输过程中微波耗散少，并避免反射回的微波损害磁控管；
（3）采用微波屏蔽罩对试验环境进行保护，避免微波泄漏伤害试验人员和试验仪器。
附图说明
图1为微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置的结构示意图。
图2为微波探头的第一种结构。
图3为微波探头的第二种结构。
具体实施方式
如图1所示，一种微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，在压力机框架8内设有试样压头6，试样压头6通过液压控制机构与计算机3连接，在液压控制机构上设有压力传感器5，在试样压头6上设有位移传感器7，压力传感器5和位移传感器7分别与计算机3连接，通过压力传感器5和位移传感器7对试样的强度和变形进行测量；在压力机框架8的外部设有微波控制柜9，在微波控制柜9内设有磁控管10，磁控管10的输出端连接矩形波导11，矩形波导11通过环形器水负载12连接波导转换器13，波导转换器13的输出端通过同轴波导14连接微波探头15，矩形波导11与磁控管10相连，用来传输磁控管发出的微波能，采用波导转换器13分别与环形器水负载12和同轴波导14相连，用于波导管的转换，以使微波从矩形波导11传输到同轴波导14中，实现微波的远距离输送；在试样压头6上装夹的岩石试样17上设有钻孔，微波探头15插入到钻孔内，使微波发射到试样中。
所述的液压控制机构为试样压头6的液压活塞通过管路与伺服阀4连接，伺服阀4与电动泵站1连接，且电动泵站1通过EDC控制柜2与计算机3连接控制。压力机工作时由电动泵站1提供动力给加载系统，由计算机3通过EDC控制柜2完成试验操作，伺服阀4和电动泵站1相连，实现对试验加载速度的精确控制。
所述的微波探头15由内导体18和外导体19同轴设置，在内导体18和外导体19的端部共同扣合天线介质护套20。其中同轴内导体18用来传输同轴波导14传输过来的微波，通过天线介质护套20把微波发射到岩石试样17中，同轴外导体19起保护和屏蔽作用，保护同轴内导体19和屏蔽微波的泄漏。
所述的微波探头15结构为，在端部设有波导同轴转换器21，波导同轴转换器21的输出端连接喇叭天线22，喇叭天线22为输出端开口大于输入端开口。采用角锥喇叭天线由同轴波导转换21和喇叭天线22组成。角锥喇叭天线和微波探头15的作用相同，当对试样进行面辐射时可采用角锥喇叭天线。
所述的岩石试样17的外周设有非封闭式屏蔽罩16。屏蔽罩16用于防止微波泄漏，避免泄漏的微波伤害试验人员和损害试验仪器，以及试样在崩开后弹射出的岩石碎块损害试验仪器。
采用微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置进行岩石试验的检测方法，包括以下步骤：
1）将打孔后的岩石试样17放入到试样压头6之间，并夹紧；
2）将微波探头插入到岩石试样17的钻孔内；
3）同时启动微波控制柜9和电动泵站1，向岩石内发送微波的同时为岩石试样17施加压力；
4）根据岩石试样的微波吸收能力设置微波功率，通过压力传感器5和位移传感器7实现对试样17强度和变形的测量。
Claims (6)
1.一种微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，其特征在于：在压力机框架（8）内设有试样压头（6），试样压头（6）通过液压控制机构与计算机（3）连接，在液压控制机构上设有压力传感器（5），在试样压头（6）上设有位移传感器（7），压力传感器（5）和位移传感器（7）分别与计算机（3）连接；在压力机框架（8）的外部设有微波控制柜（9），在微波控制柜（9）内设有磁控管（10），磁控管（10）的输出端连接矩形波导（11），矩形波导（11）通过环形器水负载（12）连接波导转换器（13），波导转换器（13）的输出端通过同轴波导（14）连接微波探头（15）；在试样压头（6）上装夹的岩石试样（17）上设有钻孔，微波探头（15）插入到钻孔内。
2.如权利要求1所述的微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，其特征在于：所述的液压控制机构为试样压头（6）的液压活塞通过管路与伺服阀（4）连接，伺服阀（4）与电动泵站（1）连接，且电动泵站（1）通过EDC控制柜（2）与计算机（3）连接控制。
3.如权利要求1所述的微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，其特征在于：所述的微波探头（15）由内导体（18）和外导体（19）同轴设置，在内导体（18）和外导体（19）的端部共同扣合天线介质护套（20）。
4.如权利要求1所述的微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，其特征在于：所述的微波探头（15）结构为，在端部设有波导同轴转换器（21），波导同轴转换器（21）的输出端连接喇叭天线（22），喇叭天线（22）为输出端开口大于输入端开口。
5.如权利要求1所述的微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置，其特征在于：所述的岩石试样（17）的外周设有非封闭式屏蔽罩（16）。
6.采用权利要求1所述的微波辐射下岩石试样的力-热耦合加载装置进行岩石试验的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将打孔后的岩石试样（17）放入到试样压头（6）之间，并夹紧；
2)将微波探头插入到岩石试样（17）的钻孔内；
3)同时启动微波控制柜（9）和电动泵站（1），向岩石内发送微波的同时为岩石试样（17）施加压力；
4)根据岩石试样的微波吸收能力设置微波功率，通过压力传感器（5）和位移传感器（7）实现对试样（17）强度和变形的测量。
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