CN109060030A - 一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法，涉及地质工程中的寒冷环境冰层钻进领域，该测试装置包括试验箱和数据采集系统，试验箱上部设有三个控制面板，对应控制试验箱内温度与湿度、液压缸的升降和超声波振动装置的工具头输出的幅度与频率；在试验箱之外设有数据采集系统，连接超声波振动装置，实时记录压电陶瓷的工作时间与瞬时输入功率。本发明能够模拟寒冷环境，测试超声波冰层钻进过程中消耗热能与机械能的理论值，并可以进行不同振幅、频率、压力条件下的耦合试验，测试结果能够得到冰层破碎的能量分布情况，对超声波冰层钻进方法的应用价值与前景具有深刻的借鉴意义，有助于探究钻进能量的变化规律，为相关钻具的研制打下理论基础。

Description

一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及地质工程中的寒冷环境冰层钻进领域，特别是涉及一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法，主要用于极地资源开采、地质勘探方向。

背景技术

人类对极地进行资源开采或科学研究需要采用高效的冰层钻探技术。目前寒冷地区冰层钻进方法有机械钻进、热水钻进与热熔钻进。机械钻进是极地勘探最早使用的方法，由常规回转钻具逐渐发展到电动机械钻具，易发生孔内卡钻事故，难以进行深部钻进；热水钻进是目前最有效的冰架钻探技术，通过钻头喷嘴喷射热水冲击融化冰雪层进行钻进，能有效解决机械钻进的技术难题，但易发生残留热水结冰膨胀破坏软管及热水严重漏失的问题，造成巨大的经济损失；热熔钻进方法利用热水或电热熔加热钻头直接接触冰层，通过钻头与冰层之间的薄膜水层传热熔化钻进，由于钻头热量易横向传递，在水平方向扩大孔径，导致热熔钻进方法的进尺效率较低。为解决上述三种钻进方法出现的问题，改进现有极地勘探手段的不足，目前国际开始研究超声波冰层钻进技术，但该技术的研究尚停留在概念阶段，对冰层钻进消耗能量的量化研究仍为空白，破碎理论的研究仍有待深入。

根据超声波在覆冰高压输电线路除冰、道路除冰的理论研究与实际应用可知，超声波冰层钻进碎冰机理为机械效应引起的疲劳破坏、热效应的融化作用、空化效应的破坏作用三部分，因此破碎冰层消耗的能量可分为机械能与热能两部分。由于目前理论上难以确定冰层钻进消耗的能量，无法得到破碎冰层时机械能与热能的能量分布情况，也尚未开发出能够进行相关试验的测试装置，影响了该技术的进一步研究和应用，因此，建立超声波冰层钻进能量测试试验台，能够确定超声波冰层钻进消耗能量，并能够探究振动频率、幅度、压力与冰层钻进能量分布的关系，对进一步探究超声波振动冰层钻进机理、确定合理的振动参数，研制相关钻具建立理论基础，且对该技术钻进效果的评价体系建立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冰层钻进试验技术中存在的难以量化破碎冰层的机械能量、冰层融化吸收的热量以及无法进行多变量耦合试验的问题，本发明提供了一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法，操作简便、安全可靠，能够量化冰层破碎的能量，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：本发明提出了一种超声波冰层钻进能量的测试装置，其特征在于，包括：试验箱和数据采集系统，所述试验箱的前门上镶嵌有隔热玻璃板，试验箱的上部设有驱动电源互相独立的第一控制面板、第二控制面板及第三控制面板，第一控制面板用于控制试验箱内部的温度与湿度，第二控制面板用于控制液压缸的升降，第三控制面板用于控制工具头的输出振幅和频率；试验箱的内部设置有液压缸、超声波振动装置、样品台、定位底板和底座，所述液压缸的顶部与试验箱的内顶部连接，液压缸的输入端与第二控制面板连接，液压缸的输出端与连接板固定连接，液压缸用于驱动连接板与其同步运动；所述超声波振动装置包括压电陶瓷、连接板、变幅杆和工具头，其中压电陶瓷和连接板通过预紧螺栓固定在一起；变幅杆的上端与压电陶瓷连接，同时变幅杆与连接板过盈配合；工具头连接于变幅杆的下端，工具头的底面中心与定位底板及底座的中心位于同一轴线上；所述样品台、定位底板和底座安装在试验箱的内底部；所述数据采集系统安装在试验箱外部，数据采集系统与第三控制面板之间相互通信连接，数据采集系统实时记录压电陶瓷的工作时间与瞬时输入功率。

所述液压缸的数量为两个，两个液压缸以连接板的中心线为对称轴呈对称布置。

所述定位底板具有网眼结构。

所述定位底板和底座可拆卸。

本发明还提出了一种超声波冰层钻进能量的测试方法，其特征在于，该测试方法采用所述的超声波冰层钻进能量的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

步骤一、称取质量为m₁的冰样，备用；

步骤二、接通试验箱的总电源，启动第一控制面板，根据试验要求调定试验箱内部的温度和湿度，示数稳定后，打开试验箱的前门，将步骤一中所述冰样放置在定位底板上，并关闭试验箱的前门；

步骤三、启动第二控制面板，调节第二控制面板的旋钮，使液压缸缓慢下压，至工具头贴在冰样表面时停止；

步骤四、启动数据采集系统；

步骤五、启动第三控制面板，使超声波振动装置中的压电陶瓷开始工作，根据试验要求调节工具头的振幅和频率；

步骤六、调节第二控制面板的压力数值，使液压缸推动超声波振动装置的工具头以恒定压力对冰样进行振动钻进，同时数据采集系统开始记录压电陶瓷的工作时间t及瞬时输入功率P_t，形成P_t-t曲线图像；

步骤七、钻进结束后，关闭第三控制面板，停止超声波振动装置工作；

步骤八、将冰样取出称重，记录质量m₂；

步骤十、重复上述步骤，改变超声波振动装置的工具头振幅、频率和/或液压缸施加压力的大小，继续试验；

步骤十一、试验结束后，关闭总电源，清理试验箱内部。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法，能够得到超声波冰层钻进机械能与热能的理论值，填补了相关数据空白；设置了多个可独立操控的控制面板，尤其是可调节工具头频率、振幅和压力，能够进行多变量耦合试验，充分探究不同频率、振幅、压力下的机械能与热能的能量分布及变化规律，进行系统的试验理论研究；布设有网眼的定位底板能够及时排出钻进中形成的融水，避免了因融水复冻在冰样表面形成的误差，极大程度上增强了结果精确度。

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为本发明实施例中一种超声波冰层钻进能量的测试装置的结构示意图。

图中各标记如下：1-试验箱，2-预紧螺栓，3-液压缸，4-连接板，5-工具头，6-隔热玻璃板，7-样品台，8-定位底板，9-底座，10-第一控制面板，11-第二控制面板，12-第三控制面板，13-压电陶瓷，14-变幅杆，15-冰样，16-数据采集系统。

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。本发明中使用的“第一”、“第二”及“第三”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

本发明提出了一种超声波冰层钻进能量的测试装置，如图1所示，该测试装置包括试验箱1和数据采集系统16，所述试验箱1的前门上镶嵌有隔热玻璃板6，试验箱1的上部设有驱动电源互相独立的第一控制面板10、第二控制面板11及第三控制面板12，第一控制面板10用于控制试验箱1内部的温度与湿度，第二控制面板11用于控制液压缸3的升降，第三控制面板12用于控制工具头5的输出振幅和频率；试验箱1的内部设置有液压缸3、超声波振动装置、样品台7、定位底板8和底座9，所述液压缸3的顶部与试验箱1的内顶部连接，液压缸3的输入端与第二控制面板11连接，液压缸3的输出端与连接板4固定连接，优选的液压缸3的数量为两个，两个液压缸3以连接板4的中心线为对称轴呈对称布置，液压缸3用于驱动连接板4与其同步运动；所述超声波振动装置包括压电陶瓷13、连接板4、变幅杆14和工具头5，其中压电陶瓷13和连接板4通过预紧螺栓2固定在一起；变幅杆14的上端与压电陶瓷13连接，同时变幅杆14与连接板4过盈配合；工具头5连接于变幅杆14的下端，工具头5的底面中心与定位底板8及底座9的中心位于同一轴线上；所述样品台7、定位底板8和底座9安装在试验箱1的内底部，定位底板8具有网眼结构，能够及时排出钻进中形成的融水，避免了因融水复冻在冰样15表面形成的误差，极大程度上增强了结果精确度，同时定位底板8和底座9可拆卸，方便清洁；所述数据采集系统16安装在试验箱1外部，数据采集系统16与第三控制面板12之间相互通信连接，数据采集系统16实时记录压电陶瓷13的工作时间与瞬时输入功率。

本发明还提供一种超声波冰层钻进能量的测试方法，其特征在于：该测试方法采用所述的超声波冰层钻进能量的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

步骤一、称取质量为m₁的冰样15，备用；

步骤二、接通试验箱1的总电源，启动第一控制面板10，根据试验要求调定试验箱1内部的温度和湿度，示数稳定后，打开试验箱1的前门，将步骤一中所述冰样15放置在定位底板8上，并关闭实验箱1的前门；

步骤三、启动第二控制面板11，调节第二控制面板11的旋钮，使液压缸3缓慢下压，至工具头5贴在冰样15表面时停止；

步骤四、启动数据采集系统16；

步骤五、启动第三控制面板12，使超声波振动装置中的压电陶瓷13开始工作，根据试验要求调节工具头5的振幅和频率；

步骤六、调节第二控制面板11的压力数值，使液压缸3推动超声波振动装置的工具头5以一定的恒定压力对冰样15进行振动钻进，同时数据采集系统16开始记录压电陶瓷13的工作时间t及瞬时输入功率P_t，形成P_t-t曲线图像；

步骤七、钻进结束后，关闭第三控制面板12，停止超声波振动装置工作；

步骤八、将冰样15取出称重，记录质量m₂；

步骤九、调节第二控制面板11，带动液压缸3收回超声波振动装置到初始位置；

步骤十、重复上述步骤，改变超声波振动装置的工具头5振幅、频率和/或液压缸3施加压力的大小，继续试验；

步骤十一、试验结束后，关闭总电源，清理试验箱1内部。

通过本发明提出的装置及方法得到超声波冰层钻进机械能与热能的过程如下：

(一)根据钻进前后冰样15的质量m₁和m₂的差值，得到冰样15在钻进过程中吸收热量而融化成水的质量m；

(二)对数据采集系统16形成的P_t-t曲线积分，得到工作时间t内压电陶瓷13的输入电能P_a；

(三)根据压电陶瓷13的转化效率与输入电能P_a，计算变幅杆14的输入机械能P_b；

(四)根据变幅杆14的传递性能与输入机械能P_b，计算工具头5的输出功P；

(五)根据融水质量m与冰的液化潜热L，计算冰升温到0℃(冰的熔点)的热量Q₁；

(六)根据融水质量m与冰的比热容C、试验箱1内温度与冰熔点的温度差ΔT，计算处于熔点0℃的冰融化为同温度水所吸收的热量Q₂；

(七)设在时间t内冰融化吸收的热量为Q，Q为Q₁与Q₂之和；

(八)工具头5输出功P与冰融化吸收热量Q差值为破碎冰样消耗的机械功W。

本发明根据试验前后冰样的质量差来确定冰层钻进的热能与机械能，从而揭示在特定的频率、振幅、压力条件下冰层破碎消耗能量的分布及变化规律，对探索超声波冰层钻进的理论、方法和相关钻具的研制有着重要且深远的意义。

Claims (5)

1.一种超声波冰层钻进能量的测试装置，其特征在于，包括：试验箱(1)和数据采集系统(16)，所述试验箱(1)的前门上镶嵌有隔热玻璃板(6)，试验箱(1)的上部设有驱动电源互相独立的第一控制面板(10)、第二控制面板(11)及第三控制面板(12)，第一控制面板(10)用于控制试验箱(1)内部的温度与湿度，第二控制面板(11)用于控制液压缸(3)的升降，第三控制面板(12)用于控制工具头(5)的输出振幅和频率；试验箱(1)的内部设置有液压缸(3)、超声波振动装置、样品台(7)、定位底板(8)和底座(9)，所述液压缸(3)的顶部与试验箱(1)的内顶部连接，液压缸(3)的输入端与第二控制面板(11)连接，液压缸(3)的输出端与连接板(4)固定连接，液压缸(3)用于驱动连接板(4)与其同步运动；所述超声波振动装置包括压电陶瓷(13)、连接板(4)、变幅杆(14)和工具头(5)，其中压电陶瓷(13)和连接板(4)通过预紧螺栓(2)固定在一起；变幅杆(14)的上端与压电陶瓷(13)连接，同时变幅杆(14)与连接板(4)过盈配合；工具头(5)连接于变幅杆(14)的下端，工具头(5)的底面中心与定位底板(8)及底座(9)的中心位于同一轴线上；所述样品台(7)、定位底板(8)和底座(9)安装在试验箱(1)的内底部；所述数据采集系统(16)安装在试验箱(1)外部，数据采集系统(16)与第三控制面板(12)之间相互通信连接，数据采集系统(16)实时记录压电陶瓷(13)的工作时间与瞬时输入功率。

2.根据权利要求1所述的一种超声波冰层钻进能量的测试装置，其特征在于：所述液压缸(3)的数量为两个，两个液压缸(3)以连接板(4)的中心线为对称轴呈对称布置。

3.根据权利要求1所述的一种超声波冰层钻进能量的测试装置，其特征在于：所述定位底板(8)具有网眼结构。

4.根据权利要求1所述的一种超声波冰层钻进能量的测试装置，其特征在于：所述定位底板(8)和底座(9)可拆卸。

5.一种超声波冰层钻进能量的测试方法，其特征在于，该测试方法采用权利要求1-4任意一项所述的超声波冰层钻进能量的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

步骤一、称取质量为m₁的冰样(15)，备用；

步骤二、接通试验箱(1)的总电源，启动第一控制面板(10)，根据试验要求调定试验箱(1)内部的温度和湿度，示数稳定后，打开试验箱(1)的前门，将步骤一中所述冰样(15)放置在定位底板(8)上，并关闭试验箱(1)的前门；

步骤三、启动第二控制面板(11)，调节第二控制面板(11)的旋钮，使液压缸(3)缓慢下压，至工具头(5)贴在冰样(15)表面时停止；

步骤四、启动数据采集系统(16)；

步骤五、启动第三控制面板(12)，使超声波振动装置中的压电陶瓷(13)开始工作，根据试验要求调节工具头(5)的振幅和频率；

步骤六、调节第二控制面板(11)的压力数值，使液压缸(3)推动超声波振动装置的工具头(5)以恒定压力对冰样(15)进行振动钻进，同时数据采集系统(16)开始记录压电陶瓷(13)的工作时间t及瞬时输入功率P_t，形成P_t-t曲线图像；

步骤七、钻进结束后，关闭第三控制面板(12)，停止超声波振动装置工作；

步骤八、将冰样(15)取出称重，记录质量m₂；

步骤十、重复上述步骤，改变超声波振动装置的工具头(5)振幅、频率和/或液压缸(3)施加压力的大小，继续试验；

步骤十一、试验结束后，关闭总电源，清理试验箱(1)内部。