CN107884104A - 一种超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法,属于地质工程中的超声波振动钻进技术领域，包括自动加压系统、超声波振动系统和温度测量系统，液压控制柜控制自动加压系统工作，使超声波振动系统中变幅杆下降并通过温度测量系统中的位于保温盖中心工作孔，同时启动超声波发生器，超声波发生器向超声波换能器发出信号，超声波换能器接收信号并转化成机械振动传递给变幅杆对岩石样品施加恒定压力，进行实验；本发明利用实验前后钻井液的温差测定超声波振动碎岩过程中转化为热能的功，再根据超声波振动系统的总功来确定破碎岩石的有效功，从而揭示岩石破碎耗能与破碎效果间的联系，对探索超声波振动碎岩的理论、方法和钻具的研制有着重要且深远的意义。
Description
技术领域
本发明属于地质工程中的超声波振动钻进技术领域，特别是涉及一种超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法，主要应用于地质勘探、隧道掘进、工程施工等领域。
背景技术
如今，硬岩在钻探工程中所占的比例越来越大。相比于传统碎岩方式存在的钻头寿命短、钻进效率低、钻探成本高的问题，超声波振动方法能够对破碎岩石产生更高的破碎效率。其原理是，超声波通过变幅杆传递到钻头，对需要破碎的岩石施加一定频率的稳定高频振动，使岩石产生共振现象，而岩石本身内部存在的分布有微裂纹的薄弱区在高频振动的作用下，更有利于扩展延伸，对岩石形成损伤，并不断积累，降低其强度，最终造成疲劳破坏，能够以更高的效率破碎岩石。
但是，目前对于超声波振动碎岩技术理论研究还不够深入，碎岩机理尚未得到充分认识，又由于岩石成分及结构千变万化，理论上无法确定超声波振动破碎岩石的有效功，也尚未开发出能够进行相关实验的实验装置，影响了该技术的进一步研究和应用。因此，建立超声波振动碎岩有效功测试试验台，可以探究超声波振动碎岩过程中能量利用率，对进一步探究超声波振动碎岩机理、确定合理的超声波振动参数，以及超声波振动钻具研制具有非常大的推动作用。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有超声波振动碎岩实验技术中存在的无法量化破碎岩石能量，模拟条件缺乏、误差相对较大与污染问题，本发明提供了一种操作简便、安全可靠的超声波振动碎岩有效功的测试装置及方法，利用实验前后钻井液的温差进行计算，量化破碎岩石的能量，填补了相关数据空白。
为解决上述问题，本所发明采用如下的技术方案：
一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：包括顶板、滑动轨道、支架、导向板、变幅杆、温度传感器、保温盖、底座、保温圆筒、保温材料层、定位板、定位卡槽、液压缸、超声波换能器、工作孔、测温孔、排水阀、超声波发生器及液压控制柜，所述支架的上端与顶板通过螺栓固定连接，支架的下端通过螺栓固定在底座上，支架的内侧面设置有滑动轨道；所述导向板的两端与滑动轨道滑动连接；所述液压缸固定在顶板底部，液压缸的输入端与液压控制柜连接，液压缸的工作端与导向板固定连接；所述超声波换能器两侧设置有卡槽，超声波换能器穿过导向板中部通过卡槽卡在导向板上，并采用螺栓固定；超声波换能器下部设置有变幅杆，超声波换能器与超声波发生器连接；所述保温圆筒通过定位卡槽安装在底座上，保温圆筒的内壁覆有保温材料层，保温圆筒内底部正中心焊接有定位板；所述保温盖盖设于保温圆筒上，保温盖与保温圆筒接触面吻合，保温盖的内壁覆有保温材料层，保温盖上开设有工作孔及测温孔，其中工作孔位于保温盖的中心位置，测温孔数量为两个，两个测温孔对称设置在工作孔两侧，测温孔直径与温度传感器的探测针直径吻合；所述温度传感器的探测针通过测温孔插入保温圆筒内部；所述排水阀安装在位于保温圆筒侧壁下部的排水孔上。
所述超声波振动碎岩有效功的测试装置还包括三角形钢板，三角形钢板固定设置在支架外侧面下部。
所述液压缸数量为两个，两个液压缸对称布置。
所述滑动轨道上具有T形凹槽。
所述变幅杆穿过工作孔延伸至保温圆筒内部，变幅杆与工作孔之间留有径向间隙。
一种超声波振动碎岩有效功的测试方法，其特征是：该测试方法采用所述的超声波振动碎岩有效功的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：
步骤一、将保温圆筒对准定位卡槽置于底座上；
步骤二、根据需要准备岩石样品，并将其放置在保温圆筒内的定位板上，关闭位于保温圆筒侧壁下部的排水孔上的排水阀；
步骤三、向保温圆筒内加入实验模拟所需要的钻井液，直至钻井液浸没岩石样品，停止加入钻井液，将保温盖盖在保温圆筒上；
步骤四、将温度传感器的探测针经测温孔插入保温圆筒内，待温度传感器的示数平稳后，获取保温圆筒内部温度的初始值T1；
步骤五、通过液压控制柜控制液压缸推动导向板下移，使得变幅杆下降并穿过工作孔，同时启动超声波发生器，超声波发生器向超声波换能器发出信号，超声波换能器接收信号并转化成机械振动传递给变幅杆对岩石样品施加恒定压力，进行实验；
步骤六、施压结束后，通过温度传感器实时监测保温圆筒内部温度，获取保温圆筒内部温度的峰值T2；
步骤七、实验完毕，通过液压控制柜控制液压缸带动导向板上升，变幅杆回归至初始位置，盖住保温圆筒的工作孔；
步骤八、取出保温圆筒，打开排水阀，通过排水孔将钻井液完全排出；
步骤九、打开保温盖，取出岩石样品，清理实验台，实验完毕。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：针对现有超声波振动碎岩实验技术中存在的无法量化破碎岩石能量，模拟条件缺乏、误差相对较大与污染问题，本发明提供了一种操作简便、安全可靠的测试装置与方法，即利用实验前后钻井液的温差进行计算，量化破碎岩石的能量，填补了相关数据空白；在传统超声波振动碎岩实验过程中，振动工具头很快发热，影响其工作，以至于烧毁钻头，而充满钻井液的环境能够及时冷却工具头，延长其工作时间，提高工作效率，解决实验进行不彻底的问题；在超声波换能器两侧设置卡槽，能够使之与导向板连接更稳固，不易松动，大幅度减轻实验过程换能器的晃动现象，从而使岩石样品更加稳固，数据结果更为精确；此外，传统实验中，岩石破碎时崩离剥落的高温碎屑具有一定危险性，散落于周围环境也存在难以清理、污染环境的问题，本发明增设的可拆卸保温圆筒可以很好地解决上述问题与不足。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明一种超声波振动碎岩有效功的测试装置的结构示意图。
图中：1-顶板、2-滑动轨道、3-支架、4-导向板、5-变幅杆、6-温度传感器、7-保温盖、8-三角形钢板、9-底座、10-保温圆筒、11-保温材料层、12-岩石样品、13-定位板、14-定位卡槽、15-液压缸、16-超声波换能器、17-工作孔、18-测温孔、19-排水阀、20-超声波发生器、21-液压控制柜。
具体实施方式
为了更清楚地表明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程并没有详细的叙述。
本发明提出了一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，如图1所示，包括顶板1、滑动轨道2、支架3、导向板4、变幅杆5、温度传感器6、保温盖7、三角形钢板8、底座9、保温圆筒10、保温材料层11、定位板13、定位卡槽14、液压缸15、超声波换能器16、工作孔17、测温孔18、排水阀19、超声波发生器20及液压控制柜21，其中液压缸15及液压控制柜21构成自动加压系统，变幅杆5、超声波换能器16和超声波发生器20构成超声波振动系统，温度传感器6、保温盖7、保温圆筒10及定位板13构成温度测量系统，所述支架3的上端与顶板1通过螺栓固定连接，支架3的下端通过螺栓固定在底座9上，支架3的内侧面设置有滑动轨道2，支架3外侧面下部设置有三角形钢板8并焊接形成一体结构，达到支撑稳定支架3的作用；所述滑动轨道2上具有T形凹槽；所述导向板4的两端与滑动轨道2滑动连接，导向板4可沿滑动轨道2上下移动；所述液压缸15固定在顶板1底部，所述液压缸15数量为两个，两个液压缸15对称布置，液压缸15的输入端与液压控制柜21连接，液压缸15工作压力大小可由液压控制柜21调节，其数值可在液压控制柜21显示屏上读取,液压缸15的工作端与导向板4固定连接；所述超声波换能器16两侧设置有卡槽，超声波换能器16穿过导向板4中部通过卡槽卡在导向板4上，并采用螺栓固定；超声波换能器16下部设置有变幅杆5，超声波换能器16与超声波发生器20连接，超声波发生器20、超声波换能器16及变幅杆5构成超声波振动系统，将电能转化为机械振动能，传递到岩石样品12进行实验；所述保温圆筒10通过定位卡槽14安装在底座9上，使保温圆筒10可拆卸，同时保证实验过程中变幅杆5精准穿过保温盖7对岩石样品12施加压力。保温圆筒10的内壁覆有保温材料层11，保温圆筒10内底部正中心焊接有定位板13；所述保温盖7盖设于保温圆筒10上，保温盖7与保温圆筒10接触面吻合，可确保保温盖7准确定位在保温圆筒10之上，并且能够防止实验过程中的飞溅现象，保温盖7的内壁覆有保温材料层11，保温盖7上开设有工作孔17及测温孔18，其中工作孔17位于保温盖7的中心位置，工作孔17的直径略大于变幅杆5，保证实验过程中变幅杆5精准穿过保温盖7对岩石样品12施加压力，测温孔18数量为两个，两个测温孔18对称设置在工作孔17两侧，测温孔18直径与温度传感器6的探测针直径吻合；所述温度传感器6的探测针通过测温孔18插入保温圆筒10内部；所述排水阀19安装在保温圆筒10底部的排水孔上。
本发明还提供一种超声波振动碎岩有效功的测试方法，其特征是：该测试方法采用所述的超声波振动碎岩有效功的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：
步骤一、将保温圆筒10对准定位卡槽14置于底座9上；
步骤二、根据需要准备岩石样品12，并将其放置在保温圆筒10内的定位板13上，定位板13内直径与岩石样品12的外直径相匹配，保证岩石样品12在实验过程中稳定不移位，关闭位于保温圆筒10侧壁下部的排水孔上的排水阀19；
步骤三、向保温圆筒10内加入实验模拟所需要的钻井液，直至钻井液浸没岩石样品12，停止加入钻井液，将保温盖7盖在保温圆筒10上；
步骤四、将温度传感器6的探测针经测温孔18插入保温圆筒10内，待温度传感器6的示数平稳后，读取两个温度传感器6的温度数值，并取其平均数T1，得到保温圆筒10内部温度的初始值T1；
步骤五、通过液压控制柜21控制液压缸15推动导向板4下移，使得变幅杆5下降并穿过工作孔17，同时启动超声波发生器20，超声波发生器20向超声波换能器16发出信号，超声波换能器16接受信号并转化成机械振动传递给变幅杆5，变幅杆5对岩石样品12施加恒定压力，进行实验；
步骤六、施压结束后，通过温度传感器6实时监测保温圆筒10内部温度，读取两个温度传感器6的测得的温度最大值，取其平均数T2，得到保温圆筒10内部温度的峰值T2；
步骤七、实验完毕，通过液压控制柜21控制液压缸15带动导向板4上升，变幅杆5回归至初始位置，盖住保温圆筒10的工作孔17；
步骤八、取出保温圆筒10，打开排水阀19，通过排水孔将钻井液完全排出；
步骤九、打开保温盖7，取出岩石样品12，清理实验台，实验完毕。
通过本发明提出的装置及方法得到超声波振动碎岩有效功过程如下：
(一)通过功率表测得超声波换能器16的电压U与电流I，由公式P1＝UI得到超声波振动系统的输入功率P1，再根据仪器出厂时实测的转化效率计算出超声波振动系统的输出功率P；
(二)利用公式W1＝Pt计算超声波换能器16输出功W1，其中，时间t为超声波换能器16工作时间，可由超声波发生器20显示屏读取；
(三)由实验中测量的温度数据T1与T2可知保温圆筒10内温度差为ΔT，由比热容计算公式Q1＝(c1m1+c2m2+c3m3)ΔT计算出保温圆筒10内吸收的热量Q1，其中，c1、c2、c3分别为保温圆筒10内钻井液、岩石样品12、定位板13的比热容；
(四)根据傅里叶定律公式与牛顿冷却公式Q21＝hAΔT,计算在实验过程中变幅杆5吸收的能量Q2，Q2＝Q20+Q21,其中，A为变幅杆5的截面积，λ为变幅杆5的导热系数，ΔT为保温圆筒10内温度差，d为变幅杆5的直径，h为对流传热系数；
(五)根据上述计算得到超声波换能器16输出功W1为整个实验过程总功，Q1与Q2之和为超声波换能器16工作过程中产生的总热量Q，W1与Q的差值即为岩石破碎有效功W。
本发明利用实验前后钻井液的温差测定超声波振动碎岩过程中转化为热能的功，再根据超声波振动系统的总功来确定破碎岩石的有效功，从而揭示岩石破碎耗能与破碎效果间的联系，对探索超声波振动碎岩的理论、方法和钻具的研制有着重要且深远的意义。
Claims (6)
1.一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：包括顶板(1)、滑动轨道(2)、支架(3)、导向板(4)、变幅杆(5)、温度传感器(6)、保温盖(7)、底座(9)、保温圆筒(10)、保温材料层(11)、定位板(13)、定位卡槽(14)、液压缸(15)、超声波换能器(16)、工作孔(17)、测温孔(18)、排水阀(19)、超声波发生器(20)及液压控制柜(21)，所述支架(3)的上端与顶板(1)通过螺栓固定连接，支架(3)的下端通过螺栓固定在底座(9)上，支架(3)的内侧面设置有滑动轨道(2)；所述导向板(4)的两端与滑动轨道(2)滑动连接；所述液压缸(15)固定在顶板(1)底部，液压缸(15)的输入端与液压控制柜(21)连接，液压缸(15)的工作端与导向板(4)固定连接；所述超声波换能器(16)两侧设置有卡槽，超声波换能器(16)穿过导向板(4)中部通过卡槽卡在导向板(4)上，并采用螺栓固定；超声波换能器(16)下部设置有变幅杆(5)，超声波换能器(16)与超声波发生器(20)连接；所述保温圆筒(10)通过定位卡槽(14)安装在底座(9)上，保温圆筒(10)的内壁覆有保温材料层(11)，保温圆筒(10)内底部正中心焊接有定位板(13)；所述保温盖(7)盖设于保温圆筒(10)上，保温盖(7)与保温圆筒(10)接触面吻合，保温盖(7)的内壁覆有保温材料层(11)，保温盖(7)上开设有工作孔(17)及测温孔(18)，其中工作孔(17)位于保温盖(7)的中心位置，测温孔(18)数量为两个，两个测温孔(18)对称设置在工作孔(17)两侧，测温孔(18)直径与温度传感器(6)的探测针直径吻合；所述温度传感器(6)的探测针通过测温孔(18)插入保温圆筒(10)内部；所述排水阀(19)安装在位于保温圆筒(10)侧壁下部的排水孔上。
2.根据权利要求1所述的一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：还包括三角形钢板(8)，三角形钢板(8)固定设置在支架(3)外侧面下部。
3.根据权利要求1所述的一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：所述液压缸(15)数量为两个，两个液压缸(15)对称布置。
4.根据权利要求1所述的一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：所述滑动轨道(2)上具有T形凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种超声波振动碎岩有效功的测试装置，其特征在于：所述变幅杆(5)穿过工作孔(17)延伸至保温圆筒(10)内部，变幅杆(5)与工作孔(17)之间留有径向间隙。
6.一种超声波振动碎岩有效功的测试方法，其特征是：该测试方法采用权利要求1-5中任意一项所述的超声波振动碎岩有效功的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：
步骤一、将保温圆筒(10)对准定位卡槽(14)置于底座(9)上；
步骤二、根据需要准备岩石样品(12)，并将其放置在保温圆筒(10)内的定位板(13)上，关闭位于保温圆筒(10)侧壁下部的排水阀(19)；
步骤三、向保温圆筒(10)内加入实验模拟所需要的钻井液，直至钻井液浸没岩石样品(12)，停止加入钻井液，将保温盖(7)盖在保温圆筒(10)上；
步骤四、将温度传感器(6)的探测针经测温孔(18)插入保温圆筒(10)内，待温度传感器(6)的示数平稳后，获取保温圆筒(10)内部温度的初始值T1；
步骤五、通过液压控制柜(21)控制液压缸(15)推动导向板(4)下移，使得变幅杆(5)下降并穿过工作孔(17)，同时启动超声波发生器(20)，超声波发生器(20)向超声波换能器(16)发出信号，超声波换能器(16)接收信号并转化成机械振动传递给变幅杆(5)对岩石样品(12)施加恒定压力，进行实验；
步骤六、施压结束后，通过温度传感器(6)实时监测保温圆筒(10)内部温度，获取保温圆筒(10)内部温度的峰值T2；
步骤七、实验完毕，通过液压控制柜(21)控制液压缸(15)带动导向板(4)上升，变幅杆(5)回归至初始位置，盖住保温圆筒(10)的工作孔(17)；
步骤八、取出保温圆筒(10)，打开排水阀(19)，通过排水孔将钻井液完全排出；
步骤九、打开保温盖(7)，取出岩石样品(12)，清理实验台，实验完毕。
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