CN108931445A - 一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，包括：微波辐射腔；对应设置在微波辐射腔两侧的第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆，所述第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆分别滑动穿过微波辐射腔侧壁进入微波辐射腔内用以夹持试样；SHPB***，其入射杆和透射杆分别对准所述第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆远离试样的一端；微波照射***，用于向微波辐射腔内馈入微波；温度监测***，用于对试样的温度进行实时检测。本发明能够实现在微波场中对岩石进行动态力学特性研究，实现在微波照射下岩石动态力学实验。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程和岩土工程技术领域，尤其涉及一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置。
背景技术
岩石破碎是采矿过程中的重要环节，研究经济高效的破岩设备及方法对于采矿工程具有重要作用。目前而言，传统的机械破岩和***方法仍是矿山硬岩破碎的主要手段，然而机械破岩过程中刀具的磨损和***方法带来的安全与低效问题是硬岩破碎过程中的主要问题。近几十年来，各个国家不断探寻新的高效破岩方法，例如等离子破岩方法、水射流法、热力破岩法、微波法等。
微波辅助机械破岩方法其实质是利用微波加热技术和机械破岩技术相结合，利用微波先对岩石加热降低其强度，从而加快机械破岩效率减少刀具磨损程度，以达到连续开采的目的。微波辅助机械破岩过程中，岩石是在高温状态下受到动态冲力而破碎，而岩石的力学性质与温度有着密切的相关，为了研究高温高应变率的情况下岩石的动态力学性质，研制一种相关的实验设备就至关重要，为此结合应用广泛的SHPB***加入微波辐射***，为研究高温岩石动态力学特性对于加深破岩效果的研究具有一定的意义。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，该装置能够实现在微波辐射下直接对岩石进行冲击荷载实验，并进行温度测定。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，包括：
微波辐射腔；
对应设置在微波辐射腔两侧的第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆，所述第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆分别滑动穿过微波辐射腔侧壁进入微波辐射腔内用以夹持试样；
SHPB***，其入射杆和透射杆分别对准所述第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆远离试样的一端；
微波照射***，用于向微波辐射腔内馈入微波；
温度监测***，用于对试样的温度进行实时检测。
进一步的，所述微波照射***包括磁控管、与磁控管输出端连接的矩形波导、通过环形水负载与矩形波导连接的波导转换器、与波导转换器输出端连接且位于微波辐射腔顶部正对所述试样的喇叭天线。
进一步的，贴设于入射杆和透射杆上的应变片与超动态应变采集仪、波形储存仪、计算机相连接形成波形数据处理***。
进一步的，所述微波辐射腔底部形成有微波吸收介质储存室，所述微波吸收介质储存室内填充有微波吸收剂，微波辐射腔侧壁上设有与所述微波吸收介质储存室连通的可启闭的进液口和出液口。
进一步的，所述微波吸收剂上覆盖有耐高温陶瓷层。
进一步的，所述磁控管、矩形波导、环形水负载和波导转换器集成在微波控制柜内。
进一步的，所述温度监测***包括设置于微波辐射腔透明窗口一侧的红外热成像仪，所述红外热成像仪通过数据处理装置与SHPB***的计算机相连。
进一步的，所述微波辐射腔由底部开口的微波屏蔽罩及将微波屏蔽罩底部开口封闭的底座围成，在微波屏蔽罩的内壁上形成有金属屏蔽层。
进一步的，所述透明窗口设置在微波辐射腔的正面且可启闭。
进一步的，所透明窗口上设有把手。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明入射杆、透射杆与岩石之间有一套高温高强度陶瓷短杆，因陶瓷短杆即不受微波的影响而且温度对陶瓷杆的波阻抗的影响也可以忽略，同时也防止了岩石的温度通过热传导对入射杆和透射杆的产生影响，有效避免了温度对应力波传播的影响，可以实现高温状态下的岩石动态力学实验，测试准确可靠。
(2)本发明采取微波吸收装置对多余的微波能进行吸收，以达到减少微波对于信号采集的影响，并且能有效地减少反射的微波能量对微波照射装置的损害。
(3)本发明采用红外热成像仪通过数据处理装置与计算机相连接，可以实时对岩石温度进行监控，并采用计算机对岩石在照射过程中的温度图像和升温曲线进行处理。
(4)微波辐射腔内部上设有金属屏蔽层，可以防止多余的微波泄漏造成不利影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明微波照射***示意图；
图3为本发明微波照射***与微波辐射腔组装示意图；
图4为本发明微波辐射腔剖视图。
图5为本发明温度监测***示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图1-图5，在一实施例中，一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，在SHPB***(霍普金森压杆测试***)的工作台1上设有微波辐射腔2和温度监测***3，温度监测***用于对试样温度进行实时测量。在微波辐射腔2的左侧壁和右侧壁上对称设有贯通的杆道孔4(同轴)，在微波辐射腔2内同轴对应设有第一耐高温陶瓷杆5和第二耐高温陶瓷杆6，测试时，试样夹持在第一耐高温陶瓷杆5和第二耐高温陶瓷杆6之间；第一耐高温陶瓷杆5的另一端匹配滑动穿过左侧壁上的杆道孔4并延伸至微波辐射腔2外，第二耐高温陶瓷杆6的另一端匹配滑动穿过右侧壁上的杆道孔4并延伸至微波辐射腔2外，SHPB***的入射杆7和透射杆8分别对准第一耐高温陶瓷杆5和第二耐高温陶瓷杆6远离试样的一端，贴设于入射杆7和透射杆8上的应变片9与超动态应变采集仪10、波形储存仪11、计算机12相连接形成波形数据处理***。
在微波辐射腔顶部设有用于向微波辐射腔内馈入微波的微波照射***。具体的，微波照射***包括微波控制柜13，在微波控制柜13内设有磁控管14，磁控管14的输出端连接矩形波导15，矩形波导15通过环形水负载16连接波导转换器17，波导转换器17输出端连接喇叭天线18，喇叭天线18的输出端从微波辐射腔顶部伸入微波辐射腔2内且正对试样。
本实施例中，入射杆7、透射杆8与岩石之间有一套高温高强度陶瓷短杆，因陶瓷短杆即不受微波的影响而且温度对陶瓷杆的波阻抗的影响也可以忽略，同时也防止了岩石的温度通过热传导对入射杆和透射杆的产生影响，有效避免了温度对应力波传播的影响，可以实现高温状态下的岩石动态力学实验，测试精度高。
参见图4，在另一实施例中，微波辐射腔2由底部开口的微波屏蔽罩21及将微波屏蔽罩21底部开口封闭的底座22围成，在微波屏蔽罩21的内壁上形成有金属屏蔽层23，辐射腔体内部设置有金属屏蔽层23，可以防止多余的微波泄漏造成不利影响。在底座22上形成有微波吸收介质储存室24，微波吸收介质储存室24内填充有微波吸收剂，微波吸收剂上覆盖有耐高温陶瓷层25，其可以被微波透过，并不影响吸收剂对多余微波能的吸收，微波辐射腔侧壁上设有与微波吸收介质储存室23连通的可启闭(如带阀门)的进液口26和出液口27，微波吸收剂可以从进液口26注入，从出液口27排出。微波吸收剂可以对多余的微波能进行吸收，以达到减少微波对于信号采集的影响，并且能有效地减少反射的微波能量对微波照射***的损害。
参见图5，在另一实施例中，为方便对试样进行观察和放置试样，在微波辐射腔2正面设有可启闭的透明窗口19，在透明窗口19上设有把手20，当需要放置试样时，只需要打开透明窗口19将试样放入微波辐射腔2内通过调节第一耐高温陶瓷杆5和第二耐高温陶瓷杆6之间的间距夹紧试样即可。
温度监测***3包括设置于微波辐射腔内位于透明窗口一侧的红外热成像仪31，红外热成像仪31通过数据处理装置32与SHPB***的计算机12相连，本实施例采用红外热成像仪31通过数据处理装置32与计算机12相连接，可以实时对岩石温度进行监控，并采用计算机12对岩石在照射过程中的温度图像和升温曲线进行处理，至于数据处理装置32的具体结构为现有技术在此不再赘述。
本实验装置的测试过程如下：
组装辐射腔体，再组合入射杆和透射杆，对入射杆和透射杆予加应力，将岩石试样固定在微波辐射腔体内并用第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆夹紧；
开启红外线测温仪器，对SHPB***中的子弹装置加压，设置要照射的时间或试验要达到的温度；
开启微波照射柜，对岩石进行微波照射，根据设置的时间或岩石达到的指定温度，松开子弹阀门，对岩石进行冲击，通过计算机完成数据采集和数据处理。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于，包括：
微波辐射腔；
对应设置在微波辐射腔两侧的第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆，所述第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆分别滑动穿过微波辐射腔侧壁进入微波辐射腔内用以夹持试样；
SHPB***，其入射杆和透射杆分别对准所述第一耐高温陶瓷杆和第二耐高温陶瓷杆远离试样的一端；
微波照射***，用于向微波辐射腔内馈入微波；
温度监测***，用于对试样的温度进行实时检测。
2.根据权利要求1所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所述微波照射***包括磁控管、与磁控管输出端连接的矩形波导、通过环形水负载与矩形波导连接的波导转换器、与波导转换器输出端连接且位于微波辐射腔顶部正对所述试样的喇叭天线。
3.根据权利要求2所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所述磁控管、矩形波导、环形水负载和波导转换器集成在微波控制柜内。
4.根据权利要求2所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所述微波辐射腔底部形成有微波吸收介质储存室，所述微波吸收介质储存室内填充有微波吸收剂，微波辐射腔侧壁上设有与所述微波吸收介质储存室连通的可启闭的进液口和出液口。
5.根据权利要求4所述的岩石动态力学实验装置，其特征在于：所述微波吸收剂上覆盖有耐高温陶瓷层。
6.根据权利要求4所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所述微波辐射腔由底部开口的微波屏蔽罩及将微波屏蔽罩底部开口封闭的底座围成，在微波屏蔽罩的内壁上形成有金属屏蔽层。
7.根据权利要求1所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所述温度监测***包括设置于微波辐射腔透明窗口一侧的红外热成像仪，所述红外热成像仪通过数据处理装置与SHPB***的计算机相连。
8.根据权利要求7所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所述透明窗口设置在微波辐射腔的正面且可启闭。
9.根据权利要求8所述的微波辐射下岩石动态力学性质实验装置，其特征在于：所透明窗口上设有把手。
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