岩石振动激励模拟测试简化方案1.docx

岩石振动激励模拟测试简化方案1.docx

《岩石振动激励模拟测试简化方案1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石振动激励模拟测试简化方案1.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

岩石振动激励模拟测试简化方案1

岩石振动激励模拟测试系统方案

一、仪器基本技术参数

1．仪器名称：

岩石振动激励模拟测试系统

2．型号：

研制

3．技术参数

1）基本参数

旋转速度：

0~1000r/min，无级可变；

采用800W西门子交流伺服电机，通过摩擦轮带动冲头旋转，交流伺服控制系统在单片机控制主板控制下实现无级调速。

3.5万元。

冲头产生频率范围：

1~2000Hz，无级可变；

采用国产的超大尺寸超磁致伸缩棒，只用1根，1个换能器6.0万元。

线圈水冷系统，4KW功率制冷系统、循环水泵等，大功率制冷机对循环水进行冷却，循环水对线圈进行冷却1.0万元。

超磁致伸缩阵列和上下夹板及冲头示意图

冲击力：

10~1000N，无级可变；

如果振幅2mm,频率2000Hz,近似按匀加速运动计算，平均速度0.002/0.0005=4m/s

=

平均功率FV=1000N

4m/s=4KW

冲击力的实现采用伺服驱动预应力加载系统实现。

1.5万元

冲击头：

10~100mm，系列尺寸的一组冲头。

可调尺寸冲击头采用一组冲头实现，材料Cr12MoV，0.5万元

大位移低频率振动的实现:

振动幅度±10mm，无级调频10-1000Hz，冲击力100-1000N

采用普通线圈激振方式实现，上下夹板中心开孔，让电磁线圈衔铁穿过，并与冲头预应力接触。

1.0万元

图1.高低频激振总体结构示意图

2）试样要求

岩样形状：

规则和不规则岩样

规则岩样尺寸范围：

方形0~300（长）mm×0~300（宽）mm×0~400（高）mm，

圆柱形φ300mm×400mm；

不规则岩样尺寸范围：

最大直径φ0mm~φ400mm；

试样夹持装置，能方便夹持各种形状和尺寸的试样，采用多道减震簧片夹持机构实现夹紧。

0.5万元

3）控制模式

冲击力加载方式：

恒压加载；精密丝杠驱动弹簧压缩加载

恒压加载含义是什么？

冲击作用下压力是不断变化的。

操作方式：

人工设定、计算机自动控制

工控机一台，执行电路控制柜一只。

2万元。

4）测量系统

采样频率：

每通道最高1MHz；

振动测量范围：

5~10000Hz；

高速数据采集卡一块1.0万元，振动测量加速度传感器2只0.5万元。

电荷放大器2只1万元。

频率采集板卡一块0.5万元。

压力传感器：

量程2Mpa、精度0.1%；

压力传感器0.5万元。

加速度传感器：

位移传感器：

量程425mm、精度0.05%；

光栅位移传感器以及信号变换装置一套1.0万元

转速传感器：

量程0-600r/min、精度±0.01r/min；

增量式光电码盘1000Pulse/转，0.3万元

扭矩传感器：

量程2000N.m、精度0.2%。

扭矩传感器以及信号转换电路板0.5万元

数据采集、记录与计算：

计算机自动采集、记录与计算

记录动态曲线：

（1）钻压----------钻时

（2）转速---------钻时

（3）吃入深度----钻时（4）扭矩---------钻时

（5）吃入深度----钻压

钻头

（1）钻压---------钻时

（2）转速---------钻时

（3）深度---------钻时（4）扭矩---------钻时

数据采集和分析软件软件编程费用2.5万元。

按需求进行相关计算

4．随机配件：

数据采集和分析软件。

5．主要功能：

振动现象广泛存在各种物质介质中，如金属材料（钢铁、铝、各种有色金属）和非金属材料（岩石、陶瓷、玻璃、水泥）等。

岩石振动激励模拟测试系统是一种包括振动激励模拟和测试分析的试验系统。

该系统可以用来分析金属材料和非金属材料的振动特性。

其主要功能主要包括两个方面：

其一是使岩石产生各种激励信号，如低频高振幅和高频低振幅的激励信号，使岩石发生各种各样状态的振动，通过调节激励可以激发岩石等材料进入共振状态，并记录共振频率、共振幅度、系统阻尼等参数；另一方面是测试分析金属材料和非金属材料的振动特性，对存在振动的试验样品进行振动特性进行采集及各参数分析。

6．仪器优势：

岩石振动激励模拟测试系统，产生频率范围宽，振幅幅度大，失真度小，测试精确可靠；同时该系统是研发共振钻井技术的平台。

共振钻井破岩技术一门刚刚兴起的全新的破岩技术，具有广泛的应用前景。

系统工作原理

系统中采用PWM脉冲调制的数字控制具有许多显著的优点，如易于与计算机连接，系统价格低廉、抗污染和抗干扰能力强等。

目前国内大多采用电磁铁作为驱动器，因此阀的切换速度慢；压电晶体型驱动器虽然提高了切换速度和频率，但所需电压高，消耗功率大。

因此有必要研制新型的振动激励装置。

　　近年来，国内外对于稀土铁化物超磁致伸缩效应的应用研究受到重视。

所谓的磁致伸缩效应，是指铁磁材料和亚铁磁材料在磁场的作用下将导致其体积和长度发生微小变化的现象。

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缩系数而称作超磁致伸缩（giantmagnetostrictivematerial简写为GMM），比较有代表性的为Terfenol-D。

采用这种材料制成的线性驱动器具有多种用途，其中作为液压控制阀的电—机械转换装置，具有切换速度快，频率高，能量消耗少等特点。

超磁致伸缩材料棒为美国产的TbDYFe（φ60×200），其下端用夹具固定，上端通过伸缩传递轴和弹簧给磁致伸缩材料加上预应力。

磁致伸缩材料的周围是产生驱动场的激励线圈和冷却线圈用的铜水管。

外围是磁轭（碳钢），它与磁致伸缩材料一起构成封闭磁路，以防漏磁。

伸缩传递轴等其它零件均由非磁性不锈钢制成。

超磁致伸缩材料内部应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相关，其外部位移、力输出实为磁场—弹性场相互耦合的结果。

所以，适当配置机械和电气的结构参数（主要是预压缩应力和偏置磁场），可使超磁致伸缩材料处于最优的机电耦合状态，提高能量转换效率。

当采用交流电激磁时，超磁致伸缩材料在正负磁场的作用下都为伸长，其产生机械运动的频率是外加电流频率的两倍，这便是所谓的“倍频现象”。

为使驱动器机械运动在线性区间，通常采用加一偏置磁场来消除此现象。

但是，当驱动器采用PWM脉冲电压激磁时，由于没有负磁场，不会出现倍频现象，所以不需要偏置磁场。

给超磁致伸缩材料施加一合适预应力的目的，一是避免磁致伸缩材料在受拉状态下工作；二是可以增大磁致伸缩量。

根据铁磁学理论，这是由于外加应力提高了材料的饱和磁化强度，使其饱和磁致系数提高的缘故。