巖石振動激勵模擬測試簡化方案(1)

1、巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)方案一、儀器基本技術參數(shù)1儀器名稱：巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng) 2型號：研制3技術參數(shù)1）基本參數(shù)旋轉速度：01000r/min，無級可變；采用800W西門子交流伺服電機，通過摩擦輪帶動沖頭旋轉，交流伺服控制系統(tǒng)在單片機控制主板控制下實現(xiàn)無級調速。3.5萬元。沖頭產(chǎn)生頻率范圍：12000Hz，無級可變；采用國產(chǎn)的超大尺寸超磁致伸縮棒，只用1根，1個換能器6.0萬元。線圈水冷系統(tǒng)，4KW功率制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵等，大功率制冷機對循環(huán)水進行冷卻，循環(huán)水對線圈進行冷卻1.0萬元。超磁致伸縮陣列和上下夾板及沖頭示意圖沖擊力：101000N，無級可變；如果振幅2mm, 頻率2000H

2、z, 近似按勻加速運動計算，平均速度0.002/0.0005=4m/ss=12at2 a=2St2=0.040.00000025=160000ms2 平均功率FV=1000N×4m/s=4KW沖擊力的實現(xiàn)采用伺服驅動預應力加載系統(tǒng)實現(xiàn)。1.5萬元沖擊頭：10100mm，系列尺寸的一組沖頭?？烧{尺寸沖擊頭采用一組沖頭實現(xiàn)，材料Cr12MoV，0.5萬元大位移低頻率振動的實現(xiàn):振動幅度±10mm，無級調頻10-1000Hz，沖擊力100-1000N采用普通線圈激振方式實現(xiàn)，上下夾板中心開孔，讓電磁線圈銜鐵穿過，并與沖頭預應力接觸。1.0萬元圖1.高低頻激振總體結構示意圖2）試樣

3、要求巖樣形狀：規(guī)則和不規(guī)則巖樣規(guī)則巖樣尺寸范圍：方形0300(長)mm×0300(寬)mm×0400(高)mm，圓柱形300mm×400mm；不規(guī)則巖樣尺寸范圍：最大直徑0 mm 400 mm；試樣夾持裝置，能方便夾持各種形狀和尺寸的試樣，采用多道減震簧片夾持機構實現(xiàn)夾緊。0.5萬元3）控制模式?jīng)_擊力加載方式：恒壓加載；精密絲杠驅動彈簧壓縮加載恒壓加載含義是什么？沖擊作用下壓力是不斷變化的。操作方式：人工設定、計算機自動控制工控機一臺，執(zhí)行電路控制柜一只。2萬元。4）測量系統(tǒng)采樣頻率：每通道最高1MHz；振動測量范圍：510000Hz；高速數(shù)據(jù)采集卡一塊1.0萬元

4、，振動測量加速度傳感器2只0.5萬元。電荷放大器2只1萬元。頻率采集板卡一塊0.5萬元。壓力傳感器：量程2Mpa、精度0.1%；壓力傳感器0.5萬元。加速度傳感器：位移傳感器：量程425mm、精度0.05%；光柵位移傳感器以及信號變換裝置一套1.0萬元轉速傳感器：量程0-600r/min、精度±0.01 r/min；增量式光電碼盤1000Pulse/轉，0.3萬元扭矩傳感器：量程2000N.m、精度0.2%。扭矩傳感器以及信號轉換電路板0.5萬元數(shù)據(jù)采集、記錄與計算：計算機自動采集、記錄與計算記錄動態(tài)曲線：（1）鉆壓-鉆時 （2）轉速-鉆時（3）吃入深度-鉆時 （4）扭矩-鉆時（5）

5、吃入深度-鉆壓鉆頭 （1）鉆壓-鉆時 （2）轉速-鉆時（3）深度-鉆時 （4）扭矩-鉆時數(shù)據(jù)采集和分析軟件軟件編程費用2.5萬元。按需求進行相關計算4隨機配件：數(shù)據(jù)采集和分析軟件。5主要功能：振動現(xiàn)象廣泛存在各種物質介質中，如金屬材料(鋼鐵、鋁、各種有色金屬)和非金屬材料(巖石、陶瓷、玻璃、水泥)等。巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)是一種包括振動激勵模擬和測試分析的試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來分析金屬材料和非金屬材料的振動特性。其主要功能主要包括兩個方面：其一是使巖石產(chǎn)生各種激勵信號，如低頻高振幅和高頻低振幅的激勵信號，使巖石發(fā)生各種各樣狀態(tài)的振動，通過調節(jié)激勵可以激發(fā)巖石等材料進入共振狀態(tài)，并記錄共振頻

6、率、共振幅度、系統(tǒng)阻尼等參數(shù)；另一方面是測試分析金屬材料和非金屬材料的振動特性，對存在振動的試驗樣品進行振動特性進行采集及各參數(shù)分析。6儀器優(yōu)勢：巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)，產(chǎn)生頻率范圍寬，振幅幅度大，失真度小，測試精確可靠；同時該系統(tǒng)是研發(fā)共振鉆井技術的平臺。共振鉆井破巖技術一門剛剛興起的全新的破巖技術，具有廣泛的應用前景。系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)中采用PWM脈沖調制的數(shù)字控制具有許多顯著的優(yōu)點，如易于與計算機連接，系統(tǒng)價格低廉、抗污染和抗干擾能力強等。目前國內(nèi)大多采用電磁鐵作為驅動器，因此閥的切換速度慢；壓電晶體型驅動器雖然提高了切換速度和頻率，但所需電壓高，消耗功率大。因此有必要研制新型的振動激

7、勵裝置。近年來，國內(nèi)外對于稀土鐵化物超磁致伸縮效應的應用研究受到重視。所謂的磁致伸縮效應，是指鐵磁材料和亞鐵磁材料在磁場的作用下將導致其體積和長度發(fā)生微小變化的現(xiàn)象。把Ni和Co加Fe到稀土中所形成的一些化合物和非晶合金，因具有很大的磁致伸縮系數(shù)而稱作超磁致伸縮(giant magnetostrictive material簡寫為GMM)，比較有代表性的為Terfenol-D。采用這種材料制成的線性驅動器具有多種用途，其中作為液壓控制閥的電機械轉換裝置，具有切換速度快，頻率高，能量消耗少等特點。 超磁致伸縮材料棒為美國產(chǎn)的TbDYFe(60×200)，其下端用夾具固定，上端通過伸縮傳

8、遞軸和彈簧給磁致伸縮材料加上預應力。磁致伸縮材料的周圍是產(chǎn)生驅動場的激勵線圈和冷卻線圈用的銅水管。外圍是磁軛(碳鋼)，它與磁致伸縮材料一起構成封閉磁路，以防漏磁。伸縮傳遞軸等其它零件均由非磁性不銹鋼制成。超磁致伸縮材料內(nèi)部應變與激勵磁場強度、材料特性常數(shù)、應力狀態(tài)等直接相關，其外部位移、力輸出實為磁場彈性場相互耦合的結果。所以，適當配置機械和電氣的結構參數(shù)(主要是預壓縮應力和偏置磁場)，可使超磁致伸縮材料處于最優(yōu)的機電耦合狀態(tài)，提高能量轉換效率。當采用交流電激磁時，超磁致伸縮材料在正負磁場的作用下都為伸長，其產(chǎn)生機械運動的頻率是外加電流頻率的兩倍，這便是所謂的“倍頻現(xiàn)象”。為使驅動器機械運動在線性區(qū)間，通常采用加一偏置磁場來消除此現(xiàn)象。但是，當驅動器采用PWM脈沖電壓