專利名稱：高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于高壓水射流破巖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓水射流破巖的實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
高壓水射流是一定流量的低壓水流經(jīng)高壓泵后獲得一定壓力變?yōu)楦邏核?dāng)該高壓水到達(dá)噴嘴后，從噴嘴出口處高速噴出，形成高壓水射流，它是一種能量較為集中的流體運(yùn)動現(xiàn)象，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、煤炭、化工、機(jī)械、輕工、市政等領(lǐng)域。水射流技術(shù)主要應(yīng)用于對物料進(jìn)行清洗、切割及破碎等。研究表明，在激光束破巖、電子束破巖、離子束破巖等眾多新型破巖方法中，高壓水射流破巖的能耗是最低的，其值僅約為250 500 (J/cm3)，且它是唯一一種冷切割的加工手段；此外，國內(nèi)外石油鉆井工程中的大量事實(shí)表明，在相同地層與設(shè)備、工藝參數(shù)條件下，水力噴射鉆井比普通鉆井速度提高一倍以上，且隨著泵壓與水功率的增加效果愈加明顯，使得鉆井成本得到大幅削減；最后，在鉆孔水力開采技術(shù)中，高壓水射流是實(shí)現(xiàn)鉆孔水力開采的基礎(chǔ)，只有通過高壓水射流將位于地下的巖礦層破碎成較小的礦石顆粒后，才能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的鉆孔水力開采。綜上所述，對于高壓水射流破巖的研究是極其必要的，展開高壓水射流破巖的實(shí)驗(yàn)室研究，首先就要建立適宜的高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，使其能夠檢測用于高壓水射流破巖的不同結(jié)構(gòu)形式噴嘴的性能，找出用于對某種固定巖石進(jìn)行高壓水射流破碎的最優(yōu)噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，并不斷對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；并且實(shí)現(xiàn)高壓水射流破巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時，有效、可靠的水路閉式循環(huán)，保證室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，主要由動力模塊1、射流發(fā)生與檢測模塊2、巖樣調(diào)控模塊3、流體介質(zhì)循環(huán)模塊4和破巖裝置臺架5組成，所述的動力模塊I為射流發(fā)生與檢測模塊2提供高壓射流，射流發(fā)生與檢測模塊2射出高壓射流并采集檢測數(shù)據(jù)，巖樣調(diào)控模塊3安裝于破巖裝置臺架5上，對巖樣進(jìn)行夾緊及調(diào)整，流體介質(zhì)循環(huán)模塊4對高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中流體介質(zhì)進(jìn)行過濾與往復(fù)循環(huán)。所述的動力模塊I中的高壓泵10通過高壓泵進(jìn)水管41及高壓泵回水管42與水箱11相連，射流發(fā)生與檢測模塊2通過高壓膠管43與高壓泵10相連，巖樣調(diào)控模塊3通過步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠323和套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠325組裝在破巖裝置臺架5上構(gòu)成一個整體。所述的動力模塊I包括高壓泵10和水箱11，高壓泵10為高壓水射流提供壓力源，水箱11提供必不可少的水源。水箱11由水箱箱體、水箱水位計(jì)和水箱頂蓋三部分構(gòu)成，在水箱頂蓋上開有三個通孔。[0010]所述的射流發(fā)生與檢測模塊2包括噴嘴20、鋼管21、壓力變送器22、電磁流量計(jì)23和電磁流量計(jì)支撐24，鋼管21插入破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的外側(cè)圓周，并與之固連，噴嘴20固定連接在鋼管21的左端，電磁流量計(jì)23通過法蘭盤連接于鋼管21的中部，高壓膠管43的接頭與鋼管21的右端相連接；在鋼管21的中部靠前位置加工有一個三通，壓力變送器22通過三通與鋼管21相連接。電磁流量計(jì)支撐24固定在破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的外側(cè)。所述的巖樣調(diào)控模塊3包括巖樣箱30、步進(jìn)電機(jī)31、步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)32、絲杠33、套筒34以及套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35。在巖樣箱30的頂端和右側(cè)分別開有一個通孔，該通孔內(nèi)壁面上加工有螺紋。巖樣箱30的外側(cè)左端與套筒34的前端通過插接的方式相連接，以確保連接后能夠使巖樣箱30上的水平刻度線304對準(zhǔn)噴嘴20出口截面的中心且在初始時刻處于水平；步進(jìn)電機(jī)31通過聯(lián)軸器與絲杠33相連接，絲杠螺母331與套筒34固定連接，絲杠33的底端部位的限位擋塊332可有效避免絲杠33轉(zhuǎn)動時與套筒34相脫離；步進(jìn)電機(jī)31通過薄鋼板322固定在呈U形長條狀的步進(jìn)電機(jī)支撐321內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)31的固定限位；步進(jìn)電機(jī)支撐321與步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠323通過球鉸相連接；同樣地，套筒34坐落在與之外形相匹配的呈U形長條狀的套筒支撐351內(nèi)，由于套筒34較長且它隨著絲杠33的轉(zhuǎn)動而前后移動，因此在它下面間斷性地設(shè)置了若干個套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35，套筒支撐351與套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠352通過球鉸相連接。球鉸連接能夠保證在實(shí)驗(yàn)過程中，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)操控手輪324和調(diào)節(jié)操控手輪353，以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)32和套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35的升降，能夠?qū)崿F(xiàn)巖樣箱30的轉(zhuǎn)動，從而精確調(diào)整高壓水射流破巖時的水射流噴射角度。其中，巖樣箱30包括手輪301、巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302和巖樣加持塊303,巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302與巖樣加持塊303通過球鉸連接，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)動巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302進(jìn)而帶動巖樣加持塊303加緊巖樣的過程中，巖樣加持塊既能加緊巖樣，同時還不隨巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302 —起轉(zhuǎn)動。所述的流體介質(zhì)循環(huán)模塊4包括水箱進(jìn)水管40、高壓泵進(jìn)水管41、高壓泵回水管42、高壓膠管43、下水管44、沉淀箱45、回水管A46、水泵47和回水管B48。通過流體介質(zhì)循環(huán)模塊4有效實(shí)現(xiàn)高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中流體介質(zhì)的三次過濾與往復(fù)循環(huán)，以保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。水箱進(jìn)水管40、高壓泵回水管42和回水管B48從水箱11的頂部由水箱頂蓋上的通孔直接插入水箱11中，下水管44由兩段管連接而成，其上部管段為鋼管，鋼管與破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50上的出水口處固定連接，鋼管上的操控截止閥442可調(diào)節(jié)液流向下流動的流量大??；其下部管段為柔性管，該柔性管與鋼管插接在一起，以確保沉淀箱45能夠自由放入破巖裝置臺架5底部空間或取出進(jìn)行清理。高壓水射流破巖過程中的流體介質(zhì)采用閉式循環(huán)，為了保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行需要對循環(huán)利用的流體介質(zhì)進(jìn)行有效的三次過濾，一級過濾網(wǎng)411固定在高壓泵進(jìn)水管41插入水箱11 一端的端部，二級過濾網(wǎng)441嵌套固定在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50上的出水口處，三級過濾網(wǎng)453固定連接在沉淀箱45出水口端部的鋼管454的內(nèi)側(cè)，過濾網(wǎng)的大小都與相對應(yīng)的管口的尺寸大小相匹配。三層過濾網(wǎng)的網(wǎng)眼目數(shù)依次增大。沉淀箱45被固定于其內(nèi)部的兩個隔板451分隔為三個相等的獨(dú)立空間。[0015]所述的破巖裝置臺架5整體呈長方體，包括破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50、破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51、透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52以及頂蓋53，其中破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的兩個長邊側(cè)面為中空的框架結(jié)構(gòu)，透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52嵌固于破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51兩側(cè)的中空框架內(nèi)；對于破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的兩個短邊側(cè)面，在連接鋼管21的短邊側(cè)面上加工有與鋼管21尺寸相匹配的通孔，而在另一短邊側(cè)面上則開有一個與絲杠33尺寸相匹配的垂直狀長槽以提供絲杠33在垂直方向上移動空間。破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50由頂板和位于頂板下部四個角的臺架支腿構(gòu)成，頂板與四個臺架支腿固定組裝在一起，在頂板上的相應(yīng)位置處打有與步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)32和套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35相對應(yīng)的通孔，且通孔內(nèi)加工有與步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠323和套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠352相適宜的螺紋，頂板的表面呈向出水口方向傾斜的斜面，以確保實(shí)驗(yàn)過程中的流體介質(zhì)(包括水與破碎下來的巖屑顆粒)能夠盡快排出。破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51固定在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50的頂板上，在固定連接處應(yīng)保證其密封性，不能漏水。本實(shí)用新型的工作過程是:首先，選取所要進(jìn)行高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的巖石樣品，并將該巖石樣品制作成一定的規(guī)格尺寸的立方體巖樣，巖樣的尺寸要比巖樣箱30小。將制作好的巖樣緊貼著標(biāo)記有水平刻度線304 —側(cè)的位置放入巖樣箱30內(nèi)，轉(zhuǎn)動手輪301調(diào)節(jié)巖樣加持塊303的位置，以實(shí)現(xiàn)巖樣的加緊。打開水源使清水沿水箱進(jìn)水管40流入水箱11中，觀察水箱水位計(jì)中水位的刻度值，待水箱蓄滿水后關(guān)閉水源。其次，開啟高壓泵10，此時水箱11中的清水通過一級過濾網(wǎng)411經(jīng)高壓泵進(jìn)水管41進(jìn)入高壓泵10，高壓泵10排出的多余的水由高壓泵回水管42流回水箱11。由高壓泵10加壓后獲得的高壓水經(jīng)高壓膠管43流入鋼管21，高壓水依次流經(jīng)電磁流量計(jì)20、壓力變送器22，最后達(dá)到噴嘴20，由噴嘴20的出口高速噴射出去形成高壓水射流，形成的高壓水射流打擊到放置于巖樣箱30內(nèi)的巖樣表面上實(shí)現(xiàn)高壓水射流破巖，由電磁流量計(jì)20和壓力變送器22檢測獲取的高壓水流量和壓力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)儀器獲得。高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的初始階段步進(jìn)電機(jī)31、絲杠33、套筒34以及巖樣箱30處于同一水平軸線上，此時的高壓水射流噴射角，即高壓水射流與巖樣外表面法線方向的夾角為零，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)操控手輪324與若干個調(diào)節(jié)操控手輪353，以實(shí)現(xiàn)分別調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)31與套筒34在垂直方向上位置，從而實(shí)現(xiàn)改變高壓水射流噴射角的目的，需要指出的是，在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)確保水平刻度線304的右側(cè)端部位置與噴嘴20的中心處于同一軸線上，測量高壓水射流噴射角的具體操作方法為將一根細(xì)線按在透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52上，使細(xì)線的一頭與噴嘴20的中心軸線相重合，細(xì)線的另一頭與水平刻度線304的右側(cè)端部位置相重合，用量角器測量出細(xì)線與水平刻度線304之間的夾角(銳角)即為高壓水射流噴射角。此外，通過控制步進(jìn)電機(jī)31的轉(zhuǎn)動，帶動絲杠33隨之轉(zhuǎn)動，從而使得套筒34連帶著巖樣箱30沿著軸線方向前后移動，繼而實(shí)現(xiàn)改變高壓水射流噴射靶距(噴嘴出口端到巖樣外表面的距離)的目的。需要指出的是，考慮到高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中的危險性，因此對于高壓水射流噴射角與噴射靶距的調(diào)節(jié)應(yīng)在高壓泵10停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行。再次，在高壓泵10啟動進(jìn)行高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的過程中，實(shí)驗(yàn)人員可以通過透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52觀察到高壓水射流破巖的全過程。此外，還可以運(yùn)用流場測試儀器，諸如粒子圖像測速儀(PIV)等對高壓水射流破巖過程中的相關(guān)流場情況進(jìn)行檢測以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料。最后，放置于巖樣箱30內(nèi)的巖樣經(jīng)高壓水射流打擊破碎后，濺落下來的水和從巖樣上剝落下來的巖屑顆?；祀s著滴落到破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50的頂板表面上，沿著頂板表面的斜面向出水口處流動匯聚，混雜著巖屑顆粒的水流經(jīng)二級過濾網(wǎng)441后，固液混合物中的一些大顆粒巖屑被擋住殘留在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50的頂板表面上，未被過濾掉的固液混合物則繼續(xù)順著下水管44流進(jìn)沉淀箱45的第一個獨(dú)立空間中，通過操控截止閥442可以調(diào)節(jié)固液混合流向下流動的流量大小。隨著流入沉淀箱45中的固液混合流體積的增多，當(dāng)固液混合流的液面高度超過第一個隔板451時，固液混合流則流入沉淀箱45的第二個獨(dú)立空間中，最后流入沉淀箱45的第三個獨(dú)立空間，隨著固液混合流在沉淀箱45的三個獨(dú)立空間內(nèi)的流動，固液混合流中的部分巖屑顆粒逐級沉淀在三個獨(dú)立空間的底部，當(dāng)處于第三個獨(dú)立空間內(nèi)的固液混合流液面到達(dá)鋼管454端口部位，流經(jīng)三級過濾網(wǎng)453后最終流到鋼管454中，此時的固液混合流中的巖屑顆粒已經(jīng)微乎其微了，幾乎接近于初始狀態(tài)的清水，當(dāng)水流流經(jīng)水位開關(guān)455時啟動水泵47，此時的水流便可以輕而易舉的沿著回水管A46和回水管B48流回到水箱11中，至此便完成了一個水循環(huán)過程。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是:在同一實(shí)驗(yàn)平臺上，利用固定的實(shí)驗(yàn)裝置，僅通過更換不同結(jié)構(gòu)型式的噴嘴就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同噴嘴進(jìn)行高壓水射流破巖的試驗(yàn)研究，從而達(dá)到檢測不同噴嘴性能的目的，并可不斷對其結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以提升噴嘴的性能。內(nèi)部空間可調(diào)節(jié)的巖樣箱可以滿足不同規(guī)格尺寸的巖樣進(jìn)行高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的要求，此外還能夠給巖樣表面施加一定力的作用，在一定程度上能夠模擬巖樣處于地下時周圍受到圍壓作用的狀況。高壓水射流噴射靶距與噴射角度的雙重調(diào)節(jié)，能夠更好地研究對于某一固定巖樣進(jìn)行高壓水射流破巖時的相關(guān)工藝參數(shù)與影響規(guī)律。三級過濾網(wǎng)以及沉淀箱的設(shè)置能夠有效確保實(shí)驗(yàn)用水流的閉式循環(huán)，以保證高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。

圖1為高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置的整體示意圖圖2為巖樣箱與巖樣加持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的不意圖圖中:1、動力模塊:10、高壓泵11、水箱；2、射流發(fā)生與檢測模塊:20、噴嘴 21、鋼管 22、壓力變送器 23、電磁流量計(jì)24、電磁流量計(jì)支撐；3、巖樣調(diào)控模塊:30、巖樣箱 301、手輪 302、巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠 303、巖樣加持塊304、水平刻度線31、步進(jìn)電機(jī)32、步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)321、步進(jìn)電機(jī)支撐322、薄鋼板323、步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠324、調(diào)節(jié)操控手輪33、絲杠331、絲杠螺母332、限位擋塊34、套筒35、套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)351、套筒支撐352、套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠353、調(diào)節(jié)操控手輪；4、流體介質(zhì)循環(huán)模塊:40、水箱進(jìn)水管 41、高壓泵進(jìn)水管 411、一級過濾網(wǎng)42、高壓泵回水管43、高壓膠管44、下水管441、二級過濾網(wǎng)442、截止閥45、沉淀箱451、隔板452、萬向輪453、三級過濾網(wǎng)454、鋼管455、水位開關(guān)46、回水管A47水泵48、回水管B;5、破巖裝置臺架:50、破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu) 51、破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)52、透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃53、頂蓋。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步介紹。圖1是本發(fā)明一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置的整體示意圖，可見其主要由動力模塊1、射流發(fā)生與檢測模塊2、巖樣調(diào)控模塊3、流體介質(zhì)循環(huán)模塊4和破巖裝置臺架5組成，所述的動力模塊I為射流發(fā)生與檢測模塊2提供高壓射流，射流發(fā)生與檢測模塊2射出高壓射流并采集檢測數(shù)據(jù)，巖樣調(diào)控模塊3安裝于破巖裝置臺架5上，對巖樣進(jìn)行夾緊及調(diào)整，流體介質(zhì)循環(huán)模塊4對高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中流體介質(zhì)進(jìn)行過濾與往復(fù)循環(huán)。所述的動力模塊I中的高壓泵10通過高壓泵進(jìn)水管41及高壓泵回水管42與水箱11相連，射流發(fā)生與檢測模塊2通過高壓膠管43與高壓泵10相連，巖樣調(diào)控模塊3通過步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠323和套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠325組裝在破巖裝置臺架5上構(gòu)成一個整體。所述的動力模塊I包括高壓泵10和水箱11，高壓泵10為高壓水射流提供壓力源，水箱11提供必不可少的水源。水箱11由水箱箱體、水箱水位計(jì)和水箱頂蓋三部分構(gòu)成，在水箱頂蓋上開有三個通孔。所述的射流發(fā)生與檢測模塊2包括噴嘴20、鋼管21、壓力變送器22、電磁流量計(jì)23和電磁流量計(jì)支撐24，鋼管21插入破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的外側(cè)圓周，并與之固連，噴嘴20固定連接在鋼管21的左端，電磁流量計(jì)23通過法蘭盤連接于鋼管21的中部，高壓膠管43的接頭與鋼管21的右端相連接；在鋼管21的中部靠前位置加工有一個三通，壓力變送器22通過三通與鋼管21相連接。電磁流量計(jì)支撐24固定在破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的外側(cè)。所述的巖樣調(diào)控模塊3包括巖樣箱30、步進(jìn)電機(jī)31、步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)32、絲杠33、套筒34以及套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35。在巖樣箱30的頂端和右側(cè)分別開有一個通孔，該通孔內(nèi)壁面上加工有螺紋。巖樣箱30的外側(cè)左端與套筒34的前端通過插接的方式相連接，以確保連接后能夠使巖樣箱30上的水平刻度線304對準(zhǔn)噴嘴20出口截面的中心且在初始時刻處于水平；步進(jìn)電機(jī)31通過聯(lián)軸器與絲杠33相連接，絲杠螺母331與套筒34固定連接，絲杠33的底端部位的限位擋塊332可有效避免絲杠33轉(zhuǎn)動時與套筒34相脫離；步進(jìn)電機(jī)31通過薄鋼板322固定在呈U形長條狀的步進(jìn)電機(jī)支撐321內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)31的固定限位；步進(jìn)電機(jī)支撐321與步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠323通過球鉸相連接；同樣地，套筒34坐落在與之外形相匹配的呈U形長條狀的套筒支撐351內(nèi)，由于套筒34較長且它隨著絲杠33的轉(zhuǎn)動而前后移動，因此在它下面間斷性地設(shè)置了若干個套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35，套筒支撐351與套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠352通過球鉸相連接。球鉸連接能夠保證在實(shí)驗(yàn)過程中，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)操控手輪324和調(diào)節(jié)操控手輪353，以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)32和套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35的升降，能夠?qū)崿F(xiàn)巖樣箱30的轉(zhuǎn)動，從而精確調(diào)整高壓水射流破巖時的水射流噴射角度。[0038]其中，巖樣箱30的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括手輪301、巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302和巖樣加持塊303，巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302與巖樣加持塊303通過球鉸連接，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)動巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302進(jìn)而帶動巖樣加持塊303加緊巖樣的過程中，巖樣加持塊既能加緊巖樣，同時還不隨巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠302 —起轉(zhuǎn)動。所述的流體介質(zhì)循環(huán)模塊4包括水箱進(jìn)水管40、高壓泵進(jìn)水管41、高壓泵回水管42、高壓膠管43、下水管44、沉淀箱45、回水管A46、水泵47和回水管B48。通過流體介質(zhì)循環(huán)模塊4有效實(shí)現(xiàn)高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中流體介質(zhì)的三次過濾與往復(fù)循環(huán)，以保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。水箱進(jìn)水管40、高壓泵回水管42和回水管B48從水箱11的頂部由水箱頂蓋上的通孔直接插入水箱11中，下水管44由兩段管連接而成，其上部管段為鋼管，鋼管與破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50上的出水口處固定連接，鋼管上的操控截止閥442可調(diào)節(jié)液流向下流動的流量大??；其下部管段為柔性管，該柔性管與鋼管插接在一起，以確保沉淀箱45能夠自由放入破巖裝置臺架5底部空間或取出進(jìn)行清理。高壓水射流破巖過程中的流體介質(zhì)采用閉式循環(huán)，為了保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行需要對循環(huán)利用的流體介質(zhì)進(jìn)行有效的三次過濾，一級過濾網(wǎng)411固定在高壓泵進(jìn)水管41插入水箱11 一端的端部，二級過濾網(wǎng)441嵌套固定在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50上的出水口處，三級過濾網(wǎng)453固定連接在沉淀箱45出水口端部的鋼管454的內(nèi)側(cè)，過濾網(wǎng)的大小都與相對應(yīng)的管口的尺寸大小相匹配。三層過濾網(wǎng)的網(wǎng)眼目數(shù)依次增大。沉淀箱45被固定于其內(nèi)部的兩個隔板451分隔為三個相等的獨(dú)立空間。所述的破巖裝置臺架5整體呈長方體，包括破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50、破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51、透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52以及頂蓋53，其中破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的兩個長邊側(cè)面為中空的框架結(jié)構(gòu)，透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52嵌固于破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51兩側(cè)的中空框架內(nèi)；對于破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51的兩個短邊側(cè)面，在連接鋼管21的短邊側(cè)面上加工有與鋼管21尺寸相匹配的通孔，而在另一短邊側(cè)面上則開有一個與絲杠33尺寸相匹配的垂直狀長槽以提供絲杠33在垂直方向上移動空間。破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50由頂板和位于頂板下部四個角的臺架支腿構(gòu)成，頂板與四個臺架支腿固定組裝在一起，在頂板上的相應(yīng)位置處打有與步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)32和套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)35相對應(yīng)的通孔，且通孔內(nèi)加工有與步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠323和套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠352相適宜的螺紋，頂板的表面呈向出水口方向傾斜的斜面，以確保實(shí)驗(yàn)過程中的流體介質(zhì)(包括水與破碎下來的巖屑顆粒)能夠盡快排出。破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)51固定在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50的頂板上，在固定連接處應(yīng)保證其密封性，不能漏水。本實(shí)用新型的工作過程是:首先，選取所要進(jìn)行高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的巖石樣品，并將該巖石樣品制作成一定的規(guī)格尺寸的立方體巖樣，巖樣的尺寸要比巖樣箱30小。將制作好的巖樣緊貼著標(biāo)記有水平刻度線304 —側(cè)的位置放入巖樣箱30內(nèi)，轉(zhuǎn)動手輪301調(diào)節(jié)巖樣加持塊303的位置，以實(shí)現(xiàn)巖樣的加緊。打開水源使清水沿水箱進(jìn)水管40流入水箱11中，觀察水箱水位計(jì)中水位的刻度值，待水箱蓄滿水后關(guān)閉水源。其次，開啟高壓泵10，此時水箱11中的清水通過一級過濾網(wǎng)411經(jīng)高壓泵進(jìn)水管41進(jìn)入高壓泵10，高壓泵10排出的多余的水由高壓泵回水管42流回水箱11。由高壓泵10加壓后獲得的高壓水經(jīng)高壓膠管43流入鋼管21，高壓水依次流經(jīng)電磁流量計(jì)20、壓力變送器22，最后達(dá)到噴嘴20，由噴嘴20的出口高速噴射出去形成高壓水射流，形成的高壓水射流打擊到放置于巖樣箱30內(nèi)的巖樣表面上實(shí)現(xiàn)高壓水射流破巖，由電磁流量計(jì)20和壓力變送器22檢測獲取的高壓水流量和壓力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)儀器獲得。高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的初始階段步進(jìn)電機(jī)31、絲杠33、套筒34以及巖樣箱30處于同一水平軸線上，此時的高壓水射流噴射角，即高壓水射流與巖樣外表面法線方向的夾角為零，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)操控手輪324與若干個調(diào)節(jié)操控手輪353，以實(shí)現(xiàn)分別調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)31與套筒34在垂直方向上位置，從而實(shí)現(xiàn)改變高壓水射流噴射角的目的，需要指出的是，在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)確保水平刻度線304的右側(cè)端部位置與噴嘴20的中心處于同一軸線上，測量高壓水射流噴射角的具體操作方法為將一根細(xì)線按在透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52上，使細(xì)線的一頭與噴嘴20的中心軸線相重合，細(xì)線的另一頭與水平刻度線304的右側(cè)端部位置相重合，用量角器測量出細(xì)線與水平刻度線304之間的夾角(銳角)即為高壓水射流噴射角。此外，通過控制步進(jìn)電機(jī)31的轉(zhuǎn)動，帶動絲杠33隨之轉(zhuǎn)動，從而使得套筒34連帶著巖樣箱30沿著軸線方向前后移動，繼而實(shí)現(xiàn)改變高壓水射流噴射靶距(噴嘴出口端到巖樣外表面的距離)的目的。需要指出的是，考慮到高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中的危險性，因此對于高壓水射流噴射角與噴射靶距的調(diào)節(jié)應(yīng)在高壓泵10停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行。再次，在高壓泵10啟動進(jìn)行高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的過程中，實(shí)驗(yàn)人員可以通過透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃52觀察到高壓水射流破巖的全過程。此外，還可以運(yùn)用流場測試儀器，諸如粒子圖像測速儀(PIV)等對高壓水射流破巖過程中的相關(guān)流場情況進(jìn)行檢測以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料。最后，放置于巖樣箱30內(nèi)的巖樣經(jīng)高壓水射流打擊破碎后,派落下來的水和從巖樣上剝落下來的巖屑顆?；祀s著滴落到破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50的頂板表面上，沿著頂板表面的斜面向出水口處流動匯聚，混雜著巖屑顆粒的水流經(jīng)二級過濾網(wǎng)441后，固液混合物中的一些大顆粒巖屑被擋住殘留在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)50的頂板表面上，未被過濾掉的固液混合物則繼續(xù)順著下水管44流進(jìn)沉淀箱45的第一個獨(dú)立空間中，通過操控截止閥442可以調(diào)節(jié)固液混合流向下流動的流量大小。隨著流入沉淀箱45中的固液混合流體積的增多，當(dāng)固液混合流的液面高度超過第一個隔板451時，固液混合流則流入沉淀箱45的第二個獨(dú)立空間中，最后流入沉淀箱45的第三個獨(dú)立空間，隨著固液混合流在沉淀箱45的三個獨(dú)立空間內(nèi)的流動，固液混合流中的部分巖屑顆粒逐級沉淀在三個獨(dú)立空間的底部，當(dāng)處于第三個獨(dú)立空間內(nèi)的固液混合流液面到達(dá)鋼管454端口部位，流經(jīng)三級過濾網(wǎng)453后最終流到鋼管454中，此時的固液混合流中的巖屑顆粒已經(jīng)微乎其微了，幾乎接近于初始狀態(tài)的清水，當(dāng)水流流經(jīng)水位開關(guān)455時啟動水泵47，此時的水流便可以輕而易舉的沿著回水管A46和回水管B48流回到水箱11中，至此便完成了一個水循環(huán)過程。上述實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求1.一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，包括動力模塊(I)、射流發(fā)生與檢測模塊(2 )、巖樣調(diào)控模塊(3 )、流體介質(zhì)循環(huán)模塊(4 )和破巖裝置臺架(5 )，其特征在于: 所述的動力模塊(I)為射流發(fā)生與檢測模塊(2)提供高壓射流，射流發(fā)生與檢測模塊(2 )射出高壓射流并采集檢測數(shù)據(jù)，巖樣調(diào)控模塊(3 )安裝于破巖裝置臺架(5 )上，對巖樣進(jìn)行夾緊及調(diào)整，流體介質(zhì)循環(huán)模塊(4)對高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中流體介質(zhì)進(jìn)行過濾與往復(fù)循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的動力模塊(I)包括高壓泵(10)和水箱(11)，高壓泵(10)為高壓水射流提供壓力源，水箱(11)提供水源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的動力模塊(I)中的高壓泵(10)通過流體介質(zhì)循環(huán)模塊(4)的高壓泵進(jìn)水管(41)及高壓泵回水管(42)與水箱(11)相連，射流發(fā)生與檢測模塊(2)通過高壓膠管(43)與高壓泵(10 )相連，巖樣調(diào)控模塊(3 )通過步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠(323 )和套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠(325)組裝在破巖裝置臺架(5)上構(gòu)成一個整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的射流發(fā)生與檢測模塊(2)包括噴嘴(20)、鋼管(21)、壓力變送器(22)、電磁流量計(jì)(23)和電磁流量計(jì)支撐(24)，鋼管(21)插入破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)的外側(cè)圓周，并與之固連；噴嘴(20)固定連接在鋼管(21)的左端，電磁流量計(jì)(23)通過法蘭盤連接于鋼管(21)的中部，高壓膠管(43)的接頭與鋼管(21)的右端相連接；在鋼管(21)的中部靠前位置 加工有一個三通，壓力變送器(22)通過三通與鋼管(21)相連接；電磁流量計(jì)支撐(24)固定在破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)的外側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的巖樣調(diào)控模塊(3)包括巖樣箱(30)、步進(jìn)電機(jī)(31)、步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(32)、絲杠(33)、套筒(34)以及套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(35)； 所述的巖樣箱(30)的外側(cè)左端與套筒(34)的前端相連接，巖樣箱(30)上的水平刻度線(304)對準(zhǔn)噴嘴(20)出口截面的中心且在初始時刻處于水平； 所述的步進(jìn)電機(jī)(31)通過聯(lián)軸器與絲杠(33)相連接，絲杠螺母(331)與套筒(34)固定連接，絲杠(33)的底端部位的限位擋塊(332)避免絲杠(33)轉(zhuǎn)動時與套筒(34)相脫離；步進(jìn)電機(jī)(31)通過薄鋼板(322 )固定在呈U形長條狀的步進(jìn)電機(jī)支撐(321)內(nèi)；步進(jìn)電機(jī)支撐(321)與步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠(323)通過球鉸相連接； 所述的套筒(34)坐落在與之外形相匹配的呈U形長條狀的套筒支撐(351)內(nèi)，套筒(34)下面間斷性地設(shè)置了若干個套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(35)，套筒支撐(351)與套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠(352)通過球鉸相連接，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)操控手輪(324)和調(diào)節(jié)操控手輪(353)，以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(32)和套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(35)的升降，以及巖樣箱(30)的轉(zhuǎn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的巖樣箱(30)包括手輪(301)、巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠(302)和巖樣加持塊(303),巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠(302)與巖樣加持塊(303)通過球鉸連接，轉(zhuǎn)動巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠(302)帶動巖樣加持塊(303)加緊巖樣,且?guī)r樣加持塊(303)不隨巖樣箱調(diào)節(jié)絲杠(302) —起轉(zhuǎn)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的流體介質(zhì)循環(huán)模塊(4)包括水箱進(jìn)水管(40)、高壓泵進(jìn)水管(41)、高壓泵回水管(42)、高壓膠管(43)、下水管(44)、沉淀箱(45)、回水管A (46)、水泵(47)和回水管B(48)，其中水箱進(jìn)水管(40)、高壓泵回水管(42)和回水管B (48)從動力模塊(I)的水箱(11)的頂部由水箱頂蓋上的通孔插入水箱(11)中；下水管(44)由兩段管連接而成，其上部管段為鋼管，鋼管與破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)(50)上的出水口處固定連接，鋼管上的操控截止閥(442)可調(diào)節(jié)液流向下流動的流量大??；其下部管段為柔性管，該柔性管與鋼管插接在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的流體介質(zhì)循環(huán)模塊(4)包括三次過濾，一級過濾網(wǎng)(411)固定在高壓泵進(jìn)水管(41)插入水箱(11)一端的端部，二級過濾網(wǎng)(441)嵌套固定在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)(50)上的出水口處，三級過濾網(wǎng)(453 )固定連接在沉淀箱(45 )出水口端部的鋼管(454 )的內(nèi)側(cè)，過濾網(wǎng)的大小都與相對應(yīng)的管口的尺寸大小相匹配；三層過濾網(wǎng)的網(wǎng)眼目數(shù)依次增大；沉淀箱(45)被固定于其內(nèi)部的兩個隔板(451)分隔為三個相等的獨(dú)立空間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的破巖裝置臺架(5)整體呈長方體，包括破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)(50)、破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)、透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃(52)以及頂蓋(53)，其中破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)的兩個長邊側(cè)面為中空的框架結(jié)構(gòu)，透明高強(qiáng)的有機(jī)玻璃(52)嵌固于破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)兩側(cè)的中空框架內(nèi)；對于破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)的兩個短邊側(cè)面，在連接鋼管(21)的短邊側(cè)面上加工有與鋼管(21)尺寸相匹配的通孔，而在另一短邊側(cè)面上則開有 一個與絲杠(33)尺寸相匹配的垂直狀長槽以提供絲杠(33)在垂直方向上移動空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)(50)由頂板和固定于頂板下部四個角的臺架支腿構(gòu)成，在頂板上的相應(yīng)位置處打有與步進(jìn)電機(jī)支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(32)和套筒支撐與升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(35)相對應(yīng)的通孔，且通孔內(nèi)加工有與步進(jìn)電機(jī)支撐調(diào)節(jié)絲杠(323)和套筒支撐調(diào)節(jié)絲杠(352)相適宜的螺紋，頂板的表面呈向出水口方向傾斜的斜面；破巖裝置臺架上部框架結(jié)構(gòu)(51)固定在破巖裝置臺架下部結(jié)構(gòu)(50)的頂板上，在固定連接處應(yīng)保證其密封性。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置，包括動力模塊、射流發(fā)生與檢測模塊、巖樣調(diào)控模塊、流體介質(zhì)循環(huán)模塊和破巖裝置臺架；所述的動力模塊為射流發(fā)生與檢測模塊提供高壓射流，射流發(fā)生與檢測模塊射出高壓射流并采集檢測數(shù)據(jù)，巖樣調(diào)控模塊安裝于破巖裝置臺架上，對巖樣進(jìn)行夾緊及調(diào)整，流體介質(zhì)循環(huán)模塊對高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)過程中流體介質(zhì)進(jìn)行過濾與往復(fù)循環(huán)；本實(shí)用新型可在同一實(shí)驗(yàn)平臺上，僅通過更換不同結(jié)構(gòu)型式的噴嘴就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同噴嘴進(jìn)行高壓水射流破巖的試驗(yàn)研究，從而達(dá)到檢測不同噴嘴性能的目的；三級過濾網(wǎng)以及沉淀箱的設(shè)置能夠有效確保實(shí)驗(yàn)用水流的閉式循環(huán)，以保證高壓水射流破巖實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。
文檔編號G01M99/00GK203164005SQ20132019856
公開日2013年8月28日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者溫繼偉, 陳晨, 陳寶義, 徐會文, 范曉鵬, 毛建設(shè), 王維, 錢方, 高帥, 于達(dá)慧, 趙富章, 宛召, 祝清波, 趙貴杰, 董雪嬌, 張飛宇 申請人:吉林大學(xué)