[發明專利]一種能夠施加圍壓的超聲波振動碎巖裝置

有效

• 申請號: 201710037550.4
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106593336B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 趙大軍;韓君鵬;王雨;孫梓航
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B25/00
• 分類號: E21B25/00
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

本發明公開了一種能夠施加圍壓的超聲波振動碎巖裝置,由振動系統、夾持機構、液壓系統組成。振動系統由超聲波振動器、超聲波發生器、變頻器、螺桿、電機組成；夾持機構由圍壓夾持器、第一調壓閥、上圍壓板、下圍壓板組成；液壓系統由液壓千斤頂和十二調壓閥組成。工作時，通過調節第二調壓閥，液壓千斤頂注入液壓油后伸縮桿上頂，壓力作用于下夾持板，下夾持板將壓力傳遞給巖心，巖心將壓力傳遞給上夾持板，上夾持板通過螺母固定在導向柱上，由上夾持板和下夾持板共同完成對巖心提供縱向壓力的作用。本發明能夠模擬超聲波振動破碎巖石的全過程，實現巖石圍壓的施加，模擬巖石在地下所處受力狀態。

技術領域

本發明涉及一種還原巖石在地下所受應力狀態的超聲波共振碎巖實驗裝置，主要應用于地質巖心鉆探、工程鉆機施工等領域，具體涉及的是利用超聲波產生的高頻振動對巖石進行破碎的實驗裝置及方法。

背景技術

超聲波振動碎巖是通過對巖石施加一定頻率的高頻振動使巖石產生共振，在交變載荷作用下巖石內部薄弱區域產生疲勞損傷積累，微裂紋擴展延伸，巖石強度降低。損傷累積達到一定程度時巖石產生疲勞破壞。早在上個世紀五十年代，美國等國家已經開始對聲頻鉆進技術的研究,但提供的振動頻率不超過聲頻。本世紀初針對于太空鉆進取樣問題，以美國為首等國家研發了超聲激勵沖擊太空取樣鉆，并以此為基礎開發一些取樣器對外太空進行探索。對超聲激勵沖擊太空取樣鉆進行改型設計，包括超聲沖擊取樣鉆以及高溫超聲激勵沖擊太空取樣鉆，不過其主要研究方向是針對軟巖的鉆進技術，且鉆進深度較淺。國內對超聲振動鉆進研究較晚，目前有南京航空航天大學研制出壓電陶瓷振動鉆探樣機并進行鉆進實驗，不過僅對軟巖進行鉆進，且沒有壓力施加裝置。哈爾濱工業大學研制出超聲波鉆探器，并針對不同硬度的巖石展開碎巖性能測試，其設備亦具有結構輕巧、鉆孔直徑小、軸向壓力小等特點。中國地質大學北京對聲波鉆鑿巖機理進行了理論分析，為超聲取樣鉆碎巖機理提供了理論基礎。中國地質大學在超聲取樣鉆碎巖機理的試驗中使用的螺紋式超聲取樣機，用于固定巖石的巖石樣品夾板僅起到固定巖石的作用而不能模擬在圍壓環境中巖石的真實環境。巖石三軸力學試驗中使用的隔離室實驗裝置是通過向壓力室內注高壓油來對巖樣施加圍壓，而真實巖層內的巖樣受固體巖層的圍壓，在巖樣裂紋萌生與擴展中產生橫向應變時，巖樣受圍壓的環境不同，對巖樣裂紋的萌生與擴展有較大的影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠施加圍壓的超聲波振動碎巖裝置。用于解決現有試驗設備不能施加圍壓及靜壓力較小的問題。

本發明包括振動系統、圍壓夾持機構及液壓系統；

所述的振動系統包括超聲波振動器、超聲波發生器、變頻器、螺桿和電機，超聲波振動器通過第一法蘭盤和第二法蘭盤固定在導向架上?，電機固定在導向架上端并通過螺桿帶動超聲波振動器上下移動；

所述的圍壓夾持機構包括圍壓夾持器、第一調壓閥，上夾持板和下夾持板，導向柱固定在底座上，上夾持板通過螺母安裝在導向柱上端，上夾持板能自由向下移動，圍壓夾持器固定在下夾持板上；

所述的圍壓夾持器包括有限位擋塊、夾持塊、擠壓模塊和弧形圓板，巖心由八個弧形圓板共同夾持，圍壓夾持器內部注油口與液壓缸相連，擠壓模塊底部活塞接觸液壓缸，夾持塊與擠壓模塊斜面接觸，弧形圓板固定于夾持塊，巖心通過弧形圓板固定在圍壓夾持器中，巖心長度高于圍壓夾持器，巖心頂端與上夾持板接觸；夾持塊內環面凸起嵌入弧形圓板外環面凹槽內。控制第一調壓閥，液壓油自油箱進入液壓腔推動擠壓模塊底部活塞向上運動，擠壓模塊通過接觸斜面擠壓夾持塊徑向移動；壓力通過液壓油傳達至擠壓模塊，再通過斜面接觸傳達至夾持塊繼而傳達至弧形圓板，最后作用于巖心上。

液壓系統由液壓千斤頂和第二調壓閥組成，液壓千斤頂固定在底座上，液壓千斤頂上端接觸下夾持板，液壓千斤頂通過第二調壓閥與控制柜相連。

本發明的工作過程：