本實(shí)用新型涉及一種還原巖石在地下所受應(yīng)力狀態(tài)的超聲波共振碎巖實(shí)驗(yàn)裝置，主要應(yīng)用于地質(zhì)巖心鉆探、工程鉆機(jī)施工等領(lǐng)域，具體涉及的是利用超聲波產(chǎn)生的高頻振動(dòng)對(duì)巖石進(jìn)行破碎的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

超聲波振動(dòng)碎巖是通過(guò)對(duì)巖石施加一定頻率的高頻振動(dòng)使巖石產(chǎn)生共振，在交變載荷作用下巖石內(nèi)部薄弱區(qū)域產(chǎn)生疲勞損傷積累，微裂紋擴(kuò)展延伸，巖石強(qiáng)度降低。損傷累積達(dá)到一定程度時(shí)巖石產(chǎn)生疲勞破壞。早在上個(gè)世紀(jì)五十年代，前蘇聯(lián)、美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始對(duì)聲頻鉆進(jìn)技術(shù)的研究,但提供的振動(dòng)頻率不超過(guò)聲頻。本世紀(jì)初針對(duì)于太空鉆進(jìn)取樣問(wèn)題，以美國(guó)為首等國(guó)家研發(fā)了超聲激勵(lì)沖擊太空取樣鉆，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)一些取樣器對(duì)外太空進(jìn)行探索。對(duì)超聲激勵(lì)沖擊太空取樣鉆進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，包括超聲沖擊取樣鉆以及高溫超聲激勵(lì)沖擊太空取樣鉆，不過(guò)其主要研究方向是針對(duì)軟巖的鉆進(jìn)技術(shù)，且鉆進(jìn)深度較淺。國(guó)內(nèi)對(duì)超聲振動(dòng)鉆進(jìn)研究較晚，目前有南京航空航天大學(xué)研制出壓電陶瓷振動(dòng)鉆探樣機(jī)并進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，不過(guò)僅對(duì)軟巖進(jìn)行鉆進(jìn)，且沒(méi)有壓力施加裝置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出超聲波鉆探器，并針對(duì)不同硬度的巖石展開(kāi)碎巖性能測(cè)試，其設(shè)備亦具有結(jié)構(gòu)輕巧、鉆孔直徑小、軸向壓力小等特點(diǎn)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京對(duì)聲波鉆鑿巖機(jī)理進(jìn)行了理論分析，為超聲取樣鉆碎巖機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)在超聲取樣鉆碎巖機(jī)理的試驗(yàn)中使用的螺紋式超聲取樣機(jī)，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(huán)境中巖石的真實(shí)環(huán)境。巖石三軸力學(xué)試驗(yàn)中使用的隔離室實(shí)驗(yàn)裝置是通過(guò)向壓力室內(nèi)注高壓油來(lái)對(duì)巖樣施加圍壓，而真實(shí)巖層內(nèi)的巖樣受固體巖層的圍壓，在巖樣裂紋萌生與擴(kuò)展中產(chǎn)生橫向應(yīng)變時(shí)，巖樣受?chē)鷫旱沫h(huán)境不同，對(duì)巖樣裂紋的萌生與擴(kuò)展有較大的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠施加圍壓的超聲波振動(dòng)碎巖裝置。用于解決現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備不能施加圍壓及靜壓力較小的問(wèn)題。

本實(shí)用新型包括振動(dòng)系統(tǒng)、圍壓夾持機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)；

所述的振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波振動(dòng)器、超聲波發(fā)生器、變頻器、螺桿和電機(jī)，超聲波振動(dòng)器通過(guò)第一法蘭盤(pán)和第二法蘭盤(pán)固定在導(dǎo)向架上，電機(jī)固定在導(dǎo)向架上端并通過(guò)螺桿帶動(dòng)超聲波振動(dòng)器上下移動(dòng)；

所述的圍壓夾持機(jī)構(gòu)包括圍壓夾持器、第一調(diào)壓閥，上圍壓板和下圍壓板，導(dǎo)向柱固定在底座上，上夾持板通過(guò)螺母安裝在導(dǎo)向柱上端，上夾持板能自由向下移動(dòng)，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(gè)弧形圓板共同夾持，圍壓夾持器內(nèi)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(guò)弧形圓板固定在圍壓夾持器中，巖心長(zhǎng)度高于圍壓夾持器，巖心頂端與上夾持板接觸；夾持塊內(nèi)環(huán)面凸起嵌入弧形圓板外環(huán)面凹槽內(nèi)?？刂频谝徽{(diào)壓閥，液壓油自油箱進(jìn)入液壓腔推動(dòng)擠壓模塊底部活塞向上運(yùn)動(dòng)，擠壓模塊通過(guò)接觸斜面擠壓夾持塊徑向移動(dòng)；壓力通過(guò)液壓油傳達(dá)至擠壓模塊，再通過(guò)斜面接觸傳達(dá)至夾持塊繼而傳達(dá)至弧形圓板，最后作用于巖心上。

液壓系統(tǒng)由液壓千斤頂和第二調(diào)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(guò)第二調(diào)壓閥與控制柜相連。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程：

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)第二調(diào)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(guò)螺母固定在導(dǎo)向柱上，由上夾持板和下夾持板共同完成對(duì)巖心提供縱向壓力的作用。

本實(shí)用新型的操作方法：

a)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)備巖心；

b)將巖心放入圍壓夾持器，調(diào)整巖心位置。通過(guò)控制調(diào)壓閥，使圍壓夾持器夾緊巖心并提供合適的徑向壓力。

c)將圍壓夾持器和巖心一同固定在下夾持板上，安裝上夾持板，使其與巖心充分接觸。

d)通過(guò)控制第二調(diào)壓閥，使液壓千斤頂加壓，為巖心提供合適的縱向壓力。

e)控制電機(jī)移動(dòng)超聲波振動(dòng)器，使超聲波振動(dòng)器抵在上夾持板上，調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器設(shè)置超聲波振動(dòng)頻率等參數(shù)。

f)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

g)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉超聲波振動(dòng)器，控制第一調(diào)壓閥，及第二調(diào)壓閥卸下圍壓及縱向壓力。

h)拆卸圍壓夾持器，取出巖心，進(jìn)行下一步測(cè)試。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型通過(guò)圍壓施加裝置對(duì)試驗(yàn)巖樣施加了徑向壓力，還原了巖石在地層中的受力情況，使試驗(yàn)更加貼近實(shí)際問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)，通過(guò) 超聲波振動(dòng)器給壓頭一個(gè)高頻振動(dòng)沖擊激勵(lì)，模擬了超聲波振動(dòng)碎巖的過(guò)程，有助于對(duì)超聲波技術(shù)碎巖過(guò)程的理論分析，該裝置具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的圍壓夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型的圍壓夾持器工作狀態(tài)示意圖。

圖中：1-螺桿、2-超聲波振動(dòng)器、3-第一法蘭盤(pán)、4-導(dǎo)向架、5-上夾持板、6-導(dǎo)向柱、7-下夾持板、8-液壓千斤頂、9-底座、10-電機(jī)、11-第二法蘭盤(pán)、12-巖心、13-圍壓夾持器、14-超聲波發(fā)生器、15-變頻器、16-第一調(diào)壓閥、17-第二調(diào)壓閥、18-控制柜、19-弧形圓板、20-夾持塊、21-密封圈、22-限位擋塊、23-擠壓模塊、24-注油口。

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2、圖3所示，本實(shí)用新型包括振動(dòng)系統(tǒng)、圍壓夾持機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)；

所述的振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波振動(dòng)器2、超聲波發(fā)生器14、變頻器15、螺桿1和電機(jī)10，超聲波振動(dòng)器2通過(guò)第一法蘭盤(pán)3和第二法蘭盤(pán)11固定在導(dǎo)向架4上，電機(jī)10固定在導(dǎo)向架4上端并通過(guò)螺桿1帶動(dòng)超聲波振動(dòng)器2上下移動(dòng)；

所述的圍壓夾持機(jī)構(gòu)包括圍壓夾持器13、第一調(diào)壓閥16，上圍壓板5和下圍壓板7，導(dǎo)向柱6固定在底座9上，上夾持板5通過(guò)螺母安裝在導(dǎo)向柱6上端，上夾持板5能自由向下移動(dòng)，圍壓夾持器13固定在下夾持板7上；

所述的圍壓夾持器13包括有限位擋塊22、夾持塊20、擠壓模塊23和弧 形圓板19，巖心12由八個(gè)弧形圓板19共同夾持，圍壓夾持器13內(nèi)部注油口24與液壓缸相連，擠壓模塊23底部活塞接觸液壓缸，夾持塊20與擠壓模塊23斜面接觸，弧形圓板19固定于夾持塊20，巖心12通過(guò)弧形圓板19固定在圍壓夾持器13中，巖心12長(zhǎng)度高于圍壓夾持器13，巖心12頂端與上夾持板5接觸；夾持塊20內(nèi)環(huán)面凸起嵌入弧形圓板19外環(huán)面凹槽內(nèi)。控制第一調(diào)壓閥16，液壓油自油箱進(jìn)入液壓腔推動(dòng)擠壓模塊23底部活塞向上運(yùn)動(dòng)，擠壓模塊23通過(guò)接觸斜面擠壓夾持塊20徑向移動(dòng)；壓力通過(guò)液壓油傳達(dá)至擠壓模塊23，再通過(guò)斜面接觸傳達(dá)至夾持塊20繼而傳達(dá)至弧形圓板19，最后作用于巖心12上。

液壓系統(tǒng)由液壓千斤頂8和第二調(diào)壓閥17組成，液壓千斤頂8固定在底座上，液壓千斤頂8上端接觸下夾持板7，液壓千斤頂8通過(guò)第二調(diào)壓閥17與控制柜18相連。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程：

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)第二調(diào)壓閥17，液壓千斤頂8注入液壓油后伸縮桿上頂，壓力作用于下夾持板7，下夾持板7將壓力傳遞給巖心12，巖心12將壓力傳遞給上夾持板5，上夾持板通過(guò)螺母固定在導(dǎo)向柱6上，由上夾持板5和下夾持板7共同完成對(duì)巖心12提供縱向壓力的作用。

本實(shí)用新型的操作方法：

a)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)備巖心12；

b)將巖心12放入圍壓夾持器13，調(diào)整巖心12位置。通過(guò)控制調(diào)壓閥16，使圍壓夾持器13夾緊巖心12并提供合適的徑向壓力。

c)將圍壓夾持器13和巖心12一同固定在下夾持板7上，安裝上夾持板5，使其與巖心12充分接觸。

d)通過(guò)控制第二調(diào)壓閥17，使液壓千斤頂8加壓，為巖心12提供合適的縱向壓力。

e)控制電機(jī)10移動(dòng)超聲波振動(dòng)器2，使超聲波振動(dòng)器2抵在上夾持板5上，調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器14設(shè)置超聲波振動(dòng)頻率等參數(shù)。

f)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

g)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉超聲波振動(dòng)器2，控制第一調(diào)壓閥16，及第二調(diào)壓閥17卸下圍壓及縱向壓力。

h)拆卸圍壓夾持器13，取出巖心12，進(jìn)行下一步測(cè)試。