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(lái)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(guò)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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(guò)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(guò)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)實(shí)驗(yàn)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)固定器嵌于冷卻筒的卡口內(nèi)。

通過(guò)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(guò)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；

g、接通超聲波發(fā)生器的電源，驅(qū)動(dòng)蘭杰文振子工作；

h、通電實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)束后先切斷超聲波發(fā)生器的電源，再切斷冷卻系統(tǒng)的電源；

i、擰下連接片，取出巖石試件觀察并進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明的有益效果：

（1）通過(guò)改變巖石試件的巖性、尺寸及超聲波的功率、頻率，可確定巖石破碎效果與試件巖性、尺寸以及超聲波功率、頻率之間的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置采用向冷卻筒中循環(huán)注入冷卻液冷卻蘭杰文振子，避免了直接利用冷卻液冷卻蘭杰文振子時(shí)在液體與試件接觸表面產(chǎn)生氣蝕，對(duì)試件造成破壞而影響實(shí)驗(yàn)效果。

（3）蘭杰文振子與巖石試件間的接觸采用連接片通過(guò)螺釘連接，實(shí)現(xiàn)了蘭杰文振子的重復(fù)使用，延長(zhǎng)了蘭杰文振子的使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖。

圖3為連接片剖視圖。

圖4為冷卻筒側(cè)視圖。

附圖標(biāo)記：

1—換能器；2—連接片；3—巖石試件；4—固定器；5—冷卻槽；6—超聲波發(fā)生器；7—冷卻筒；8—螺釘；9—冷卻液；10—冷卻筒卡口；11—導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明之一種利用超聲波激勵(lì)破碎巖石的實(shí)驗(yàn)裝置是由超聲波發(fā)生器6、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1、連接片2和固定器4，冷卻系統(tǒng)包括有冷卻筒7、冷卻液9和冷卻槽5。

通過(guò)連接片2上的螺釘8將連接片2和蘭杰文振子1擰在一起，再用強(qiáng)力膠水將巖石試件3與連接片2緊密粘結(jié)在一起。

所述振子1中的超聲波換能器為復(fù)合壓電陶瓷換能器。

所述的連接片2為圓形，其直徑、厚度根據(jù)實(shí)驗(yàn)試件的直徑來(lái)確定。

利用安裝在冷卻槽槽壁上的對(duì)稱的“y”型固定器4兩邊夾住巖石試件3使其固定，防止實(shí)驗(yàn)時(shí)巖石試件3水平移動(dòng)。所述的固定器4的水平桿上有螺紋，安裝在冷卻槽5上，通過(guò)向槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)限制巖石試件3的水平移動(dòng)，罩上冷卻筒時(shí)固定器嵌于冷卻筒的卡口10內(nèi)。

優(yōu)選地，本發(fā)明的冷卻裝置為一個(gè)冷卻筒，接通冷卻系統(tǒng)電源，向冷卻筒中循環(huán)注入冷卻液對(duì)蘭杰文振子進(jìn)行冷卻，避免蘭杰文振子1因產(chǎn)生高溫而損壞。

可選地，本發(fā)明的冷卻裝置還可以采用鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)向蘭杰文振子鼓風(fēng)對(duì)其進(jìn)行冷卻。

超聲波振動(dòng)系統(tǒng)1與超聲波發(fā)生器6連接，超聲波發(fā)生器6與電纜連接，通過(guò)接通電纜向蘭杰文振子供電驅(qū)動(dòng)其工作同時(shí)引起巖石試件3振動(dòng)。

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3；

b、將連接片2通過(guò)螺釘8固定在蘭杰文振子1的下端；

c、用強(qiáng)力膠水將巖石試件3緊密粘結(jié)在連接片2的下端；

d、用導(dǎo)線11連接超聲波發(fā)生器6與蘭杰文振子1，連接時(shí)采用焊接方式；

e、將巖石試件3連同蘭杰文振子1放在冷卻槽5中，擰緊固定器4固定試件，然后罩上冷卻筒7；

f、接通冷卻系統(tǒng)電源，向冷卻筒7中循環(huán)注入冷卻液9對(duì)蘭杰文振子1冷卻；

g、接通超聲波發(fā)生器6的電源，驅(qū)動(dòng)蘭杰文振子1工作；

h、通電實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)束后先切斷超聲波發(fā)生器6的電源，再切斷冷卻系統(tǒng)的電源；

i、擰下連接片2，取出巖石試件3觀察并進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“下端”、“內(nèi)”等指示的位置關(guān)系為基于附圖所示的位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語(yǔ)“之一”、“之二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“之一”、“之二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者多個(gè)該特征。

在本發(fā)明中，除非另有明確規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“固定”、“連接”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)作廣義理解，例如，連接可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，亦或是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本說(shuō)明書中，盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但可以理解的是，上述具體實(shí)施方式是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述具體實(shí)施方式進(jìn)行一定的變化、修改、替換或是變型。