[發(fā)明專利]一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710204880.8
• 申請(qǐng)日: 2017-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN107036919B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王旭鋒;王選琳;田仲喜;汪洋;王文強(qiáng);李時(shí)宜;高強(qiáng)強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/32
• 分類號(hào): G01N3/32;G01N3/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，該裝置由超聲波發(fā)生器、振動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成，振動(dòng)系統(tǒng)包括蘭杰文振子、連接片和固定器；冷卻系統(tǒng)包括冷卻筒、冷卻液和冷卻槽。連接片通過螺釘固定在蘭杰文振子上，水平固定器安裝在冷卻槽槽壁上，巖石試件用強(qiáng)力膠水粘結(jié)在連接片下端。超聲波發(fā)生器供電給蘭杰文振子驅(qū)動(dòng)其工作，輸入的電信號(hào)經(jīng)蘭杰文振子轉(zhuǎn)換后激勵(lì)巖石試件發(fā)生振動(dòng)進(jìn)而損傷、破裂。冷卻系統(tǒng)通電后向冷卻筒循環(huán)注入冷卻液冷卻蘭杰文振子。本發(fā)明可通過改變巖石試件尺寸，研究巖石破碎效果與超聲波功率、頻率之間的關(guān)系，將巖石試件通過連接片與蘭杰文振子連接，振動(dòng)傳遞效率高，振子可重復(fù)利用，使用壽命長(zhǎng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超聲學(xué)與巖石破碎學(xué)的交叉領(lǐng)域，具體為一種利用超聲波激勵(lì)巖石，促使巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育、損傷破裂從而降低巖石強(qiáng)度來研究不同種類巖石的破碎效果與超聲波功率、頻率以及巖石體量間規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)和能量的傳播形式，傳播過程中會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替壓縮與伸張導(dǎo)致介質(zhì)間壓力變化，這種壓力變化將引起介質(zhì)間的機(jī)械效應(yīng)。研究表明：超聲波頻率高、波長(zhǎng)短，作用于固體介質(zhì)時(shí)引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度非常大，且質(zhì)點(diǎn)加速度正比于超聲頻率的平方，則以較小的靜載荷就能造成巨大的沖擊載荷，從而引起巖石的局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于巖石的斷裂強(qiáng)度極限，導(dǎo)致巖石表面細(xì)微裂痕的產(chǎn)生、擴(kuò)展并達(dá)到損傷破裂。

傳統(tǒng)的鉆爆法在破碎硬巖時(shí)施工鉆進(jìn)強(qiáng)度低、成孔速度慢、效率差、機(jī)械切削破碎困難，機(jī)具磨損、維修量大且侵入率低(切入深度不夠)，目前還沒有較為高效的巖石破碎裝置，也未見利用超聲波破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置，國(guó)內(nèi)外針對(duì)利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的機(jī)理研究也未見系統(tǒng)報(bào)道，相關(guān)研究尚處于探索性試驗(yàn)階段。申請(qǐng)人先期在利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的探索性試驗(yàn)中用水直接對(duì)蘭杰文振子進(jìn)行冷卻時(shí)，在試件表面會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)效果。因此對(duì)利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的研究需要一種更完善的實(shí)驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是提供一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置。目的之二是提供一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)方法，通過利用超聲波高頻振動(dòng)弱化巖石強(qiáng)度加速其破碎，確定不同巖性試件達(dá)到破碎時(shí)超聲波功率、頻率與巖石試件尺度之間的關(guān)系，可用于研究超聲波激勵(lì)下巖石的破碎機(jī)理。

本發(fā)明利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置由超聲波發(fā)生器、振動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)三部分組成，振動(dòng)系統(tǒng)包括有蘭杰文振子、連接片和固定器，冷卻系統(tǒng)包括冷卻筒、冷卻液和冷卻槽。

蘭杰文振子和連接片通過連接片上的螺釘連接在一起，巖石試件用強(qiáng)力膠水粘結(jié)在連接片下端。

連接片為圓形，其直徑、厚度根據(jù)巖石試件確定。

利用安裝在冷卻槽槽壁上的對(duì)稱的“Y”型固定器固定巖石試件，防止實(shí)驗(yàn)時(shí)試件的水平移動(dòng)。固定器安裝在冷卻槽上，向槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)可固定巖石試件，罩上冷卻筒時(shí)固定器嵌于冷卻筒卡口內(nèi)。

通過向冷卻筒循環(huán)注入冷卻液對(duì)蘭杰文振子冷卻，避免蘭杰文振子產(chǎn)生高溫而損壞。另外，根據(jù)本發(fā)明之一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置，還可以采用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻蘭杰文振子。

本發(fā)明之一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟：

a、根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要預(yù)先制作不同尺寸、不同巖性的巖石試件；

b、將連接片通過螺釘固定在蘭杰文振子的下端；

c、用強(qiáng)力膠水將巖石試件緊密粘結(jié)在連接片的下端；

d、用導(dǎo)線連接超聲波發(fā)生器與蘭杰文振子，連接時(shí)采用焊接方式；

e、將巖石試件連同蘭杰文振子放在冷卻槽中，擰緊固定器固定試件，然后罩上冷卻筒；

f、接通冷卻系統(tǒng)電源，向冷卻筒中循環(huán)注入冷卻液對(duì)蘭杰文振子冷卻；