一种利用超声波激励破碎岩石的实验装置及实验方法与流程

本发明属于超声学与岩石破碎学的交叉领域，具体为一种利用超声波激励岩石，促使岩石内部裂隙发育、损伤破裂从而降低岩石强度来研究不同种类岩石的破碎效果与超声波功率、频率以及岩石体量间规律的实验装置及实验方法。

背景技术：

超声波是一种机械振动状态和能量的传播形式，传播过程中会引起介质质点交替压缩与伸张导致介质间压力变化，这种压力变化将引起介质间的机械效应。研究表明：超声波频率高、波长短，作用于固体介质时引起质点振动加速度非常大，且质点加速度正比于超声频率的平方，则以较小的静载荷就能造成巨大的冲击载荷，从而引起岩石的局部应力远大于岩石的断裂强度极限，导致岩石表面细微裂痕的产生、扩展并达到损伤破裂。

传统的钻爆法在破碎硬岩时施工钻进强度低、成孔速度慢、效率差、机械切削破碎困难，机具磨损、维修量大且侵入率低（切入深度不够），目前还没有较为高效的岩石破碎装置，也未见利用超声波破碎岩石的实验装置，国内外针对利用超声波激励破碎岩石的机理研究也未见系统报道，相关研究尚处于探索性试验阶段。申请人先期在利用超声波激励破碎岩石的探索性试验中用水直接对兰杰文振子进行冷却时，在试件表面会产生气蚀现象，影响实验效果。因此对利用超声波激励破碎岩石的研究需要一种更完善的实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种利用超声波激励破碎岩石的实验装置。目的之二是提供一种利用超声波激励破碎岩石的实验方法，通过利用超声波高频振动弱化岩石强度加速其破碎，确定不同岩性试件达到破碎时超声波功率、频率与岩石试件尺度之间的关系，可用于研究超声波激励下岩石的破碎机理。

本发明利用超声波激励破碎岩石的实验装置由超声波发生器、振动系统和冷却系统三部分组成，振动系统包括有兰杰文振子、连接片和固定器，冷却系统包括冷却筒、冷却液和冷却槽。

兰杰文振子和连接片通过连接片上的螺钉连接在一起，岩石试件用强力胶水粘结在连接片下端。

连接片为圆形，其直径、厚度根据实验试件确定。

利用安装在冷却槽槽壁上的对称的“y”型固定器固定岩石试件，防止实验时试件的水平移动。固定器安装在冷却槽上，向槽内转动可固定岩石试件，罩上冷却筒时固定器嵌于冷却筒的卡口内。

通过向冷却筒循环注入冷却液对兰杰文振子冷却，避免兰杰文振子产生高温而损坏。另外，根据本发明之一种利用超声波激励破碎岩石的实验装置，还可以采用鼓风机鼓风冷却兰杰文振子。

本发明之一种利用超声波激励破碎岩石的实验方法包括以下步骤：

a、根据实验需要预先制作不同尺寸、不同岩性的岩石试件；

b、将连接片通过螺钉固定在兰杰文振子的下端；

c、用强力胶水将岩石试件紧密粘结在连接片的下端；

d、用导线连接超声波发生器与兰杰文振子，连接时采用焊接方式；

e、将岩石试件连同兰杰文振子放在冷却槽中，拧紧固定器固定试件，然后罩上冷却筒；

f、接通冷却系统电源，向冷却筒中循环注入冷却液对兰杰文振子冷却；

g、接通超声波发生器的电源，驱动兰杰文振子工作；

h、通电实验并进行观测，结束后先切断超声波发生器的电源，再切断冷却系统的电源；

i、拧下连接片，取出岩石试件观察并进行后续实验。

本发明的有益效果：

（1）通过改变岩石试件的岩性、尺寸及超声波的功率、频率，可确定岩石破碎效果与试件岩性、尺寸以及超声波功率、频率之间的关系。

（2）实验装置采用向冷却筒中循环注入冷却液冷却兰杰文振子，避免了直接利用冷却液冷却兰杰文振子时在液体与试件接触表面产生气蚀，对试件造成破坏而影响实验效果。

（3）兰杰文振子与岩石试件间的接触采用连接片通过螺钉连接，实现了兰杰文振子的重复使用，延长了兰杰文振子的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的实验装置示意图。

图2为本发明实验装置的俯视图。

图3为连接片剖视图。

图4为冷却筒侧视图。

附图标记：

1—换能器；2—连接片；3—岩石试件；4—固定器；5—冷却槽；6—超声波发生器；7—冷却筒；8—螺钉；9—冷却液；10—冷却筒卡口；11—导线。

具体实施方式

本发明之一种利用超声波激励破碎岩石的实验装置是由超声波发生器6、振动系统和冷却系统三部分组成，振动系统包括有兰杰文振子1、连接片2和固定器4，冷却系统包括有冷却筒7、冷却液9和冷却槽5。

通过连接片2上的螺钉8将连接片2和兰杰文振子1拧在一起，再用强力胶水将岩石试件3与连接片2紧密粘结在一起。

所述振子1中的超声波换能器为复合压电陶瓷换能器。

所述的连接片2为圆形，其直径、厚度根据实验试件的直径来确定。

利用安装在冷却槽槽壁上的对称的“y”型固定器4两边夹住岩石试件3使其固定，防止实验时岩石试件3水平移动。所述的固定器4的水平杆上有螺纹，安装在冷却槽5上，通过向槽内转动来限制岩石试件3的水平移动，罩上冷却筒时固定器嵌于冷却筒的卡口10内。

优选地，本发明的冷却装置为一个冷却筒，接通冷却系统电源，向冷却筒中循环注入冷却液对兰杰文振子进行冷却，避免兰杰文振子1因产生高温而损坏。

可选地，本发明的冷却装置还可以采用鼓风机，通过鼓风机向兰杰文振子鼓风对其进行冷却。

超声波振动系统1与超声波发生器6连接，超声波发生器6与电缆连接，通过接通电缆向兰杰文振子供电驱动其工作同时引起岩石试件3振动。

本发明之一种利用超声波激励破碎岩石的实验方法包括以下步骤：

a、根据实验需要预先制作不同尺寸、不同岩性的岩石试件3；

b、将连接片2通过螺钉8固定在兰杰文振子1的下端；

c、用强力胶水将岩石试件3紧密粘结在连接片2的下端；

d、用导线11连接超声波发生器6与兰杰文振子1，连接时采用焊接方式；

e、将岩石试件3连同兰杰文振子1放在冷却槽5中，拧紧固定器4固定试件，然后罩上冷却筒7；

f、接通冷却系统电源，向冷却筒7中循环注入冷却液9对兰杰文振子1冷却；

g、接通超声波发生器6的电源，驱动兰杰文振子1工作；

h、通电实验并进行观测，结束后先切断超声波发生器6的电源，再切断冷却系统的电源；

i、拧下连接片2，取出岩石试件3观察并进行后续实验。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“下端”、“内”等指示的位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“之一”、“之二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“之一”、“之二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。

在本发明中，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“固定”、“连接”等术语应作广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，亦或是两个元件内部的连通。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书中，尽管已经描述了本发明的具体实施方式，但可以理解的是，上述具体实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述具体实施方式进行一定的变化、修改、替换或是变型。