CN110320097A - 一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法，包括固定底座，防护盖，遮光壳，固定箍，电机，变速箱，固定圈，转轴，固定块，放置架，支撑杆，调整臂，加热光源，控制器，温度传感器和集光器，其中：防护盖嵌套在固定底座的表面，并通过防护盖内部的凸起进行限位，且遮光壳嵌套在防护盖的外侧，并通过外侧的凸起进行限位，该电机采用型号为6GU25K的交流电机，并通过固定箍固定在固定底座的底部；所述变速箱采用型号为WPO的立式变速箱，且变速箱的内部通过齿轮与电机的转动轴相互啮合。本发明遮光壳，放置架，加热光源和集光器的设置，加热块，方便加热装置内岩石的观察，加热装置的防护性高，加热均匀，便于市场推广和应用。

Description

一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法

技术领域

本发明为岩石力学实验设备领域，尤其涉及一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法。

背景技术

岩石力学是一门研究岩石在外界因素作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互交叉。而处理高温环境下的岩石工程问题是对岩石力学新的挑战。高放射性核废料的地层深埋处置、地热资源开发以及大都市圈的大深度地下空间开发利用等工程所处的地质环境周围岩体均可能经历一定的高温，这就需要考虑岩石在高温作用下的强度及变形特性，其相关力学参数是岩石地下工程开挖、支护设计、围岩稳定性分析不可缺少的基本依据。

国家专利号CN 202049143 U名称为一种半开放体系岩石加热模拟装置，包括一反应釜，反应釜内放置有实验样品，反应釜设置在一密封的恒温箱内，反应釜上设有一控制恒温箱加热的温度控制器；一个三通阀的进口由一穿过恒温箱的管路导通于反应釜内部；三通阀的第二开口连接一压力传感器，三通阀的第三开口连接至一回压阀的进口，回压阀的出口顺序连接有色谱仪、冷阱液态产物收集器和气态产物收集器；回压阀进口与出口由一调压泵的预设压力控制导通。该装置可模拟地质条件下有机质“幕式排烃”的过程；实验过程中可进行程序升温和升温控制；可对出口压力进行控制，同时控制反应釜内温度和压力的情况，模拟烃源岩实际的生烃条件，并同步对产物进行色谱分析。但是现有的岩石力学实验的加热装置及其加热方法依然存在着加热慢，不利于加热装置内岩石的观察，加热装置的防护性低，加热不均匀的问题。

因此，发明一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法显得非常必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法，以解决现有的岩石力学实验的加热装置及其加热方法依然存在着加热慢，不利于加热装置内岩石的观察，加热装置的防护性低，加热不均匀的问题。一种用于高温岩石力学实验的加热装置，包括固定底座，防护盖，遮光壳，固定箍，电机，变速箱，固定圈，转轴，固定块，放置架，支撑杆，调整臂，加热光源，控制器，温度传感器和集光器，其中：防护盖嵌套在固定底座的表面，并通过防护盖内部的凸起进行限位，且遮光壳嵌套在防护盖的外侧，并通过外侧的凸起进行限位，该电机采用型号为6GU25K的交流电机，并通过固定箍固定在固定底座的底部；所述变速箱采用型号为WPO的立式变速箱，且变速箱的内部通过齿轮与电机的转动轴相互啮合，该变速箱的内部通过齿轮与转轴的下端相互啮合；所述转轴的外侧嵌套有固定圈，且转轴通过固定圈设置在固定底座上方的内壁中，该转轴的顶端通过固定块安装有放置架；所述支撑杆通过螺纹安装在固定底座的表面，且支撑杆的表面设置有调整臂，该调整臂的顶端通过螺纹安装有加热光源；所述控制器通过螺栓安装在固定底座的底部，且温度传感器通过螺栓安装在放置架的底端，该集光器通过螺纹安装在支撑杆的顶端；

所述控制器包括单片机，第一驱动模块，第二驱动模块，无线传输模块和信息收集模块，且单片机包括输入端和输出端，该单片机的输入端通过信号线连接有温度传感器和无线传输模块；所述无线传输模块通过无线信号连接有远程控制终端；所述单片机的输出端通过信号线连接有第一驱动模块，第二驱动模块和信息收集模块；所述第一驱动模块通过信号线连接有电机；所述第二驱动模块通过信号线连接有加热光源；所述信息收集模块通过信号线与无线传输模块相连接。

所述遮光壳采用的圆筒形透明有色耐热玻璃筒，该遮光壳的外侧贴有防碎贴，该遮光壳的下端设置有一圈环形凸起，有利于在实时观测内部岩石加热的情况下防止内部光亮太强导致监测不变，有利于根据内侧光亮强度增加遮光壳的层数，便于摄像机的拍摄，防止强光伤害观测者的眼睛；第一成型步骤中使用成型工具形成具有中间圆筒壁厚和中间圆筒外径的由石英玻璃制成的中间圆筒并随后冷却，并在第二成型步骤中将冷却的中间圆筒的至少一个长度段供应到加热区，在其中逐区加热到软化温度，并在围绕其纵轴旋转的同时成型为具有最终壁厚和最终外径的大型石英玻璃管，用作本发明中的遮光壳。

所述放置架包括托盘，反光贴和支撑齿，且反光贴粘结在托盘的表面，该支撑齿通过螺纹安装在托盘的内部；所述托盘采用钢制圆形金属盘，有利于方便岩石的放置，方便加热光源加热岩石。

所述加热光源包括固定座，外壳，灯座，发热灯泡和聚光灯壳，且外壳通过螺栓安装在固定座的侧面，该灯座通过螺纹安装在固定座的表面；所述发热灯泡通过螺纹安装在灯座的表面，且聚光灯壳通过卡扣安装在外壳的内部；所述外壳采用圆弧形镁钍系耐热合金，且聚光灯壳采用带有弧度的玻璃制灯罩，该加热光源可通过调整臂调整位置，有利于为岩石的加热提供热源，减少其他加热装置或介质的使用，便于实验结束后的清理。

所述集光器采用一对耐热玻璃制凸面镜，且集光器的垂直轴正对放置架的表面，该集光器的外侧设置有一圈铝制合金框，该集光器与铝制合金框之间通过耐热橡胶进行固定，有利于将加热光源产生的带有热量的光源进行集中，使较为分散的热量向一点集中，提高加热效率，减少带有热量的光线向其他位置照射。

所述反光贴采用若干方形锡纸片，均匀的设置在托盘的表面，有利于向上反射带有热量的光，使岩石的下方也可以受热，使岩石的加热更加均匀。

所述支撑齿采用若干圆锥形镁钍系耐热合金齿，且支撑齿的外侧低于内侧，在支撑齿的中部向下凹陷，有利于将岩石向上顶起，防止岩石直接接触放置架的底面，防止热量的光源只能照射在岩石的上表面，使测试结果产生较大误差。

所述发热灯泡采用若干金属卤素灯，且发热灯泡之间相互串联，有利于发出高温光线，使用寿命长，曝光时间短，快速发光发热，产生的光源稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明遮光壳的设置，有利于在实时观测内部岩石加热的情况下防止内部光亮太强导致监测不变，有利于根据内侧光亮强度增加遮光壳的层数，便于摄像机的拍摄，防止强光伤害观测者的眼睛。

2.本发明集光器的设置，有利于将加热光源产生的带有热量的光源进行集中，使较为分散的热量向一点集中，提高加热效率，减少带有热量的光线向其他位置照射。

3.本发明支撑齿的设置，有利于将岩石向上顶起，防止岩石直接接触放置架的底面，防止热量的光源只能照射在岩石的上表面，使测试结果产生较大误差。

4.本发明发热灯的设置，有利于发出高温光线，使用寿命长，曝光时间短，快速发光发热，产生的光源稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明放置架的结构示意图。

图3是本发明加热光源的结构示意图。

图4是本发明的控制电路连接示意图。

图5是本发明岩石加热方法流程图。

图中：

1-固定底座，2-防护盖，3-遮光壳，4-固定箍，5-电机，6-变速箱，7-固定圈，8-转轴，9-固定块，10-放置架，10A-托盘，10B-反光贴，10C-支撑齿，11-支撑杆，12-调整臂，13-加热光源，131-固定座，132-外壳，133-灯座，134-发热灯泡，135-聚光灯壳，14-控制器，141-单片机，142-第一驱动模块，143-第二驱动模块，144-无线传输模块，145-信息收集模块，15-温度传感器，16-集光器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

实施例：

如附图1至附图3所示

本发明提供一种用于高温岩石力学实验的加热装置，包括固定底座1，防护盖2，遮光壳3，固定箍4，电机5，变速箱6，固定圈7，转轴8，固定块9，放置架10，支撑杆11，调整臂12，加热光源13，控制器14，温度传感器15和集光器16，其中：防护盖2嵌套在固定底座1的表面，并通过防护盖2内部的凸起进行限位，且遮光壳3嵌套在防护盖2的外侧，并通过外侧的凸起进行限位，该电机5采用型号为6GU25K的交流电机，并通过固定箍4固定在固定底座1的底部；所述变速箱6采用型号为WPO的立式变速箱，且变速箱6的内部通过齿轮与电机5的转动轴相互啮合，该变速箱6的内部通过齿轮与转轴8的下端相互啮合；所述转轴8的外侧嵌套有固定圈7，且转轴8通过固定圈7设置在固定底座1上方的内壁中，该转轴8的顶端通过固定块9安装有放置架10；所述支撑杆11通过螺纹安装在固定底座1的表面，且支撑杆11的表面设置有调整臂12，该调整臂12的顶端通过螺纹安装有加热光源13；所述控制器14通过螺栓安装在固定底座1的底部，且温度传感器15通过螺栓安装在放置架10的底端，该集光器16通过螺纹安装在支撑杆11的顶端；

所述控制器14包括单片机141，第一驱动模块142，第二驱动模块143，无线传输模块144和信息收集模块145，且单片机141包括输入端和输出端，该单片机141的输入端通过信号线连接有温度传感器15和无线传输模块144；所述无线传输模块144通过无线信号连接有远程控制终端；所述单片机141的输出端通过信号线连接有第一驱动模块142，第二驱动模块143和信息收集模块145；所述第一驱动模块142通过信号线连接有电机5；所述第二驱动模块143通过信号线连接有加热光源13；所述信息收集模块145通过信号线与无线传输模块144相连接。

所述遮光壳3采用的圆筒形透明有色耐热玻璃筒，该遮光壳3的外侧贴有防碎贴，该遮光壳3的下端设置有一圈环形凸起，有利于在实时观测内部岩石加热的情况下防止内部光亮太强导致监测不变，有利于根据内侧光亮强度增加遮光壳3的层数，便于摄像机的拍摄，防止强光伤害观测者的眼睛；第一成型步骤中使用成型工具形成具有中间圆筒壁厚和中间圆筒外径的由石英玻璃制成的中间圆筒并随后冷却，并在第二成型步骤中将冷却的中间圆筒的至少一个长度段供应到加热区，在其中逐区加热到软化温度，并在围绕其纵轴旋转的同时成型为具有最终壁厚和最终外径的大型石英玻璃管，用作本发明中的遮光壳。

所述放置架10包括托盘10A，反光贴10B和支撑齿10C，且反光贴10B粘结在托盘10A的表面，该支撑齿10C通过螺纹安装在托盘10A的内部；所述托盘10A采用钢制圆形金属盘，有利于方便岩石的放置，方便加热光源13加热岩石。

所述加热光源13包括固定座131，外壳132，灯座133，发热灯泡134和聚光灯壳135，且外壳132通过螺栓安装在固定座131的侧面，该灯座133通过螺纹安装在固定座131的表面；所述发热灯泡134通过螺纹安装在灯座133的表面，且聚光灯壳135通过卡扣安装在外壳132的内部；所述外壳132采用圆弧形镁钍系耐热合金，且聚光灯壳135采用带有弧度的玻璃制灯罩，该加热光源13可通过调整臂12调整位置，有利于为岩石的加热提供热源，减少其他加热装置或介质的使用，便于实验结束后的清理。

所述集光器16采用一对耐热玻璃制凸面镜，且集光器16的垂直轴正对放置架10的表面，该集光器16的外侧设置有一圈铝制合金框，该集光器16与铝制合金框之间通过耐热橡胶进行固定，有利于将加热光源13产生的带有热量的光源进行集中，使较为分散的热量向一点集中，提高加热效率，减少带有热量的光线向其他位置照射。

所述反光贴10B采用若干方形锡纸片，均匀的设置在托盘10A的表面，有利于向上反射带有热量的光，使岩石的下方也可以受热，使岩石的加热更加均匀。

所述支撑齿10C采用若干圆锥形镁钍系耐热合金齿，且支撑齿10C的外侧低于内侧，在支撑齿10C的中部向下凹陷，有利于将岩石向上顶起，防止岩石直接接触放置架10的底面，防止热量的光源只能照射在岩石的上表面，使测试结果产生较大误差。

所述发热灯泡134采用若干金属卤素灯，且发热灯泡134之间相互串联，有利于发出高温光线，使用寿命长，曝光时间短，快速发光发热，产生的光源稳定。

工作原理

本发明中，打开防护盖2，将需要加热的岩石放置在放置架10的表面，有利于将加热光源13产生的带有热量的光源进行集中，使较为分散的热量向一点集中，提高加热效率，减少带有热量的光线向其他位置照射，放置架10的表面设置有支撑齿10C，能够将岩石向上顶起，防止岩石直接接触放置架10的底面，防止热量的光源只能照射在岩石的上表面，使测试结果产生较大误差；将防护盖2进行安装后，便可以对内部岩石进行加热，而遮光壳3的设置，能够在实时观测内部岩石加热的情况下防止内部光亮太强导致监测不变，若内部光亮过强时，可以根据内侧光亮强度增加遮光壳3的层数，便于摄像机的拍摄，防止强光伤害观测者的眼睛，最后通过对内部加热状态的直接观察对其结果进行记录、统计、对比、结论。

本发明提供一种用于高温岩石力学实验的加热装置的加热方法，其特征在于，该一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法包括：首先挑选若干岩石原料，然后在常温下分析各个岩石的结构特征，随后准备岩石加热所需的材料，准备岩石加热实验；岩石加热实验包括三项：首先选择一块岩石放入加热装置并开始加热，然后更换不同规格的岩石再次进行加热，最后更换不同材质的岩石再次进行加热；调整加热光源功率后重复上述岩石加热实验，将每次实验得出的数据进行统计并汇总，将若干次实验的数据进行对比，最后总结对比结构并得出结论。

优选的，所述的挑选岩石原料需要挑选若干规格在φ25×62.5mm、φ30×65mm和φ20×55mm大小的岩石，并在此规格下再选择若干其他不同材质的岩石进行试验。

优选的，所述的常温下分析各个岩石的结构特征是指通过岩体结构分析，研究岩体的构造结构面和被结构面切割而成的结构体的形状、大小及其相互组合形式，并分析其在矿山工程应力作用下的稳定性。

优选的，所述准备岩石加热所需器材是指将本发明所提出的一种用于高温岩石力学实验的加热装置放置在指定位置，并通电。

优选的，所述准备岩石加热实验，将将本发明所提出的一种用于高温岩石力学实验的加热装置开启，并对内部环境进行预热，防止突然高温导致装置破裂。

优选的，所述的岩石加热实验包括三项，①将规格为φ25×62.5mm的岩石放入加热装置并开始加热；②将φ30×65mm或φ20×55mm两种规格的岩石分两次放入加热装置并开始加热；③将规格为φ25×62.5mm、φ30×65mm和φ20×55mm其他不同材质的岩石分三次放入加热装置并开始加热。

优选的，所述调整加热光源的功率，是指在完成单次岩石加热实验之后，调整加热设备的热量之后再次重复岩石加热实验步骤。

优选的，所述将每次实验得出的数据进行统计并汇总，是指在岩石加热实验中产生的实验数据进行单一的记录、统计、汇总。

优选的，所述若干次实验数据进行对比是指，将每次实验得出的数据统计并汇总后，将数据列出，将列出的数据进行对比。

优选的，所述得到总结、得出结论是将数据对比后，得出岩石加热是否对岩石的结构造成影响。

一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法包含以下步骤：

S101：挑选岩石原料

S102：常温下分析各个岩石的结构特征

S103：准备岩石加热所需器材

S104：准备岩石加热实验

S105：①将岩石放入加热装置并开始加热

②更换不同规格的岩石并再次进行加热

③更换不同材质的岩石并再次进行加热

S106：调整加热光源的功率并重复S105

S107：将每次实验得出的数据进行统计并汇总

S108：若干次实验数据进行对比

S109：总结、得出结论

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：由于本发明的一种用于高温岩石力学实验的加热装置及其加热方法广泛应用于岩石力学工程领域。本发明实现了各种规格、材质岩石的加热，包含范围广，实验次数多精度高，提高实验数据准确性效率的问题。

利用本发明所述技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：包括固定底座(1)，防护盖(2)，遮光壳(3)，固定箍(4)，电机(5)，变速箱(6)，固定圈(7)，转轴(8)，固定块(9)，放置架(10)，支撑杆(11)，调整臂(12)，加热光源(13)，控制器(14)，温度传感器(15)和集光器(16)，其中：防护盖(2)嵌套在固定底座(1)的表面，并通过防护盖(2)内部的凸起进行限位，且遮光壳(3)嵌套在防护盖(2)的外侧，并通过外侧的凸起进行限位，该电机(5)采用型号为6GU25K的交流电机，并通过固定箍(4)固定在固定底座(1)的底部；所述变速箱(6)采用型号为WPO的立式变速箱，且变速箱(6)的内部通过齿轮与电机(5)的转动轴相互啮合，该变速箱(6)的内部通过齿轮与转轴(8)的下端相互啮合；所述转轴(8)的外侧嵌套有固定圈(7)，且转轴(8)通过固定圈(7)设置在固定底座(1)上方的内壁中，该转轴(8)的顶端通过固定块(9)安装有放置架(10)；所述支撑杆(11)通过螺纹安装在固定底座(1)的表面，且支撑杆(11)的表面设置有调整臂(12)，该调整臂(12)的顶端通过螺纹安装有加热光源(13)；所述控制器(14)通过螺栓安装在固定底座(1)的底部，且温度传感器(15)通过螺栓安装在放置架(10)的底端，该集光器(16)通过螺纹安装在支撑杆(11)的顶端；

所述控制器(14)包括单片机(141)，第一驱动模块(142)，第二驱动模块(143)，无线传输模块(144)和信息收集模块(145)，且单片机(141)包括输入端和输出端，该单片机(141)的输入端通过信号线连接有温度传感器(15)和无线传输模块(144)；所述无线传输模块(144)通过无线信号连接有远程控制终端；所述单片机(141)的输出端通过信号线连接有第一驱动模块(142)，第二驱动模块(143)和信息收集模块(145)；所述第一驱动模块(142)通过信号线连接有电机(5)；所述第二驱动模块(143)通过信号线连接有加热光源(13)；所述信息收集模块(145)通过信号线与无线传输模块(144)相连接。

2.如权利要求1所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述遮光壳(3)采用的圆筒形透明有色耐热玻璃筒，该遮光壳(3)的外侧贴有防碎贴，该遮光壳(3)的下端设置有一圈环形凸起。

3.如权利要求1所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述放置架(10)包括托盘(10A)，反光贴(10B)和支撑齿(10C)，且反光贴(10B)粘结在托盘(10A)的表面，该支撑齿(10C)通过螺纹安装在托盘(10A)的内部；所述托盘(10A)采用钢制圆形金属盘。

4.如权利要求1所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述加热光源(13)包括固定座(131)，外壳(132)，灯座(133)，发热灯泡(134)和聚光灯壳(135)，且外壳(132)通过螺栓安装在固定座(131)的侧面，该灯座(133)通过螺纹安装在固定座(131)的表面；所述发热灯泡(134)通过螺纹安装在灯座(133)的表面，且聚光灯壳(135)通过卡扣安装在外壳(132)的内部；所述外壳(132)采用圆弧形镁钍系耐热合金，且聚光灯壳(135)采用带有弧度的玻璃制灯罩，该加热光源(13)可通过调整臂(12)调整位置。

5.如权利要求1所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述集光器(16)采用一对耐热玻璃制凸面镜，且集光器(16)的垂直轴正对放置架(10)的表面，该集光器(16)的外侧设置有一圈铝制合金框，该集光器(16)与铝制合金框之间通过耐热橡胶进行固定。

6.如权利要求3所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述反光贴(10B)采用若干方形锡纸片，均匀的设置在托盘(10A)的表面。

7.如权利要求3所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述支撑齿(10C)采用若干圆锥形镁钍系耐热合金齿，且支撑齿(10C)的外侧低于内侧，在支撑齿(10C)的中部向下凹陷。

8.如权利要求4所述的用于高温岩石力学实验的加热装置，其特征在于：所述发热灯泡(134)采用若干金属卤素灯，且发热灯泡(134)之间相互串联。

9.如权利要求1所述的用于高温岩石力学实验的加热装置的加热方法，其特征在于：该一种用于高温岩石力学实验的加热装置的加热方法包括：首先挑选若干岩石原料，然后在常温下分析各个岩石的结构特征，随后准备岩石加热所需的材料，准备岩石加热实验；岩石加热实验包括三项：首先选择一块岩石放入加热装置并开始加热，然后更换不同规格的岩石再次进行加热，最后更换不同材质的岩石再次进行加热；调整加热光源功率后重复上述岩石加热实验，将每次实验得出的数据进行统计并汇总，将若干次实验的数据进行对比，最后总结对比结构并得出结论。