[实用新型]一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种还原岩石在地下所受应力状态的超声波共振碎岩实验装置，主要应用于地质岩心钻探、工程钻机施工等领域，具体涉及的是利用超声波产生的高频振动对岩石进行破碎的实验装置及方法。

背景技术

超声波振动碎岩是通过对岩石施加一定频率的高频振动使岩石产生共振，在交变载荷作用下岩石内部薄弱区域产生疲劳损伤积累，微裂纹扩展延伸，岩石强度降低。损伤累积达到一定程度时岩石产生疲劳破坏。早在上个世纪五十年代，前苏联、美国等国家已经开始对声频钻进技术的研究,但提供的振动频率不超过声频。本世纪初针对于太空钻进取样问题，以美国为首等国家研发了超声激励冲击太空取样钻，并以此为基础开发一些取样器对外太空进行探索。对超声激励冲击太空取样钻进行改型设计，包括超声冲击取样钻以及高温超声激励冲击太空取样钻，不过其主要研究方向是针对软岩的钻进技术，且钻进深度较浅。国内对超声振动钻进研究较晚，目前有南京航空航天大学研制出压电陶瓷振动钻探样机并进行钻进实验，不过仅对软岩进行钻进，且没有压力施加装置。哈尔滨工业大学研制出超声波钻探器，并针对不同硬度的岩石展开碎岩性能测试，其设备亦具有结构轻巧、钻孔直径小、轴向压力小等特点。中国地质大学北京对声波钻凿岩机理进行了理论分析，为超声取样钻碎岩机理提供了理论基础。中国地质大学在超声取样钻碎岩机理的试验中使用的螺纹式超声取样机，用于固定岩石的岩石样品夹板仅起到固定岩 石的作用而不能模拟在围压环境中岩石的真实环境。岩石三轴力学试验中使用的隔离室实验装置是通过向压力室内注高压油来对岩样施加围压，而真实岩层内的岩样受固体岩层的围压，在岩样裂纹萌生与扩展中产生横向应变时，岩样受围压的环境不同，对岩样裂纹的萌生与扩展有较大的影响。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能够施加围压的超声波振动碎岩装置。用于解决现有试验设备不能施加围压及静压力较小的问题。

本实用新型包括振动系统、围压夹持机构及液压系统；

所述的振动系统包括超声波振动器、超声波发生器、变频器、螺杆和电机，超声波振动器通过第一法兰盘和第二法兰盘固定在导向架上，电机固定在导向架上端并通过螺杆带动超声波振动器上下移动；

所述的围压夹持机构包括围压夹持器、第一调压阀，上围压板和下围压板，导向柱固定在底座上，上夹持板通过螺母安装在导向柱上端，上夹持板能自由向下移动，围压夹持器固定在下夹持板上；

所述的围压夹持器包括有限位挡块、夹持块、挤压模块和弧形圆板，岩心由八个弧形圆板共同夹持，围压夹持器内部注油口与液压缸相连，挤压模块底部活塞接触液压缸，夹持块与挤压模块斜面接触，弧形圆板固定于夹持块，岩心通过弧形圆板固定在围压夹持器中，岩心长度高于围压夹持器，岩心顶端与上夹持板接触；夹持块内环面凸起嵌入弧形圆板外环面凹槽内。控制第一调压阀，液压油自油箱进入液压腔推动挤压模块底部活塞向上运动，挤压模块通过接触斜面挤压夹持块径向移动；压力通过液压油传达至挤压模块，再通过斜面接触传达至夹持块继而传达至弧形圆板，最后作用于岩心上。

液压系统由液压千斤顶和第二调压阀组成，液压千斤顶固定在底座上，液 压千斤顶上端接触下夹持板，液压千斤顶通过第二调压阀与控制柜相连。

本实用新型的工作过程：

实验时，通过调节第二调压阀，液压千斤顶注入液压油后伸缩杆上顶，压力作用于下夹持板，下夹持板将压力传递给岩心，岩心将压力传递给上夹持板，上夹持板通过螺母固定在导向柱上，由上夹持板和下夹持板共同完成对岩心提供纵向压力的作用。

本实用新型的操作方法：

a)根据实验需要准备岩心；

b)将岩心放入围压夹持器，调整岩心位置。通过控制调压阀，使围压夹持器夹紧岩心并提供合适的径向压力。

c)将围压夹持器和岩心一同固定在下夹持板上，安装上夹持板，使其与岩心充分接触。

d)通过控制第二调压阀，使液压千斤顶加压，为岩心提供合适的纵向压力。

e)控制电机移动超声波振动器，使超声波振动器抵在上夹持板上，调节超声波发生器设置超声波振动频率等参数。

f)开始实验，记录实验数据。

g)实验结束后，关闭超声波振动器，控制第一调压阀，及第二调压阀卸下围压及纵向压力。

h)拆卸围压夹持器，取出岩心，进行下一步测试。

本实用新型的有益效果：