超声波振动破碎岩石的分析

2018年8期
研究与展望
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
超声波振动破碎岩石的分析
孟庆荣
（河北工业大学机械工程学院，天津300130）
石油天然气等能源在开采过程会涉及各种不同质地硬度的岩石，尤其是高硬度岩石极大地影响了石油钻探的效率，因此如何高效快速地破碎岩石成为地质勘探人员面临的一大难题，也成为各国科研人员的研究热点。

并且随着生活水平提高，越来越多的居民对石材类家具和玩物有了浓厚兴趣，这要求对石材进行各种形式的加工破碎。

破碎岩石有各种不同的
方法，在实际应用中机械破岩方法以对周边岩石扰动小、
工序少和便于实现自动化等优势而在采矿、石油钻进和石材加工等领域得到广泛应用。

机械破岩从原理分类主要包括冲击破岩、切削破岩和冲击-切削破岩。

随着对破岩效率等要求越来
越高，不断涌现出新的破岩方法。

超声波振动在硬脆材料加工领域因切削应力小、效率高、精度有保证和所需钻进压力小等显著优点而广泛应用。

岩石属于硬脆材料，因此可以借鉴硬脆材料的新型加工方法对岩石破碎进行研究。

故将超声波振动加工方法引入钻探和石材加工等领域有着显著的实用前景。

并且国外太空岩土探测取样领域已经开始尝试将超声波振动用于破碎岩土取样。

文章结合相关文献，基于，先前科研工作者的研究成果，对影响超声振动破碎岩石的因素和超声波破碎岩石的机理进行了简要分析。

得出超声波振动在破碎岩石领域有广阔的发展前景。

1超声波振动加工及影响因素1.1超声波振动加工系统
超声振动是指频率高于人耳听觉上限20kHz 的高频振动。

超声加工是指工具或工件沿一定方向进行超声频振动进行振动加工的方法[1]，超声加工系统主要包括超声波发生器、换能器、变幅杆和刀具等部件。

换能器将超声波发生器转换得
来的电振荡信号转变为超声频机械振动，继而变幅杆将该振
幅放大并传递至刀具。

原理如图1所示。

因人耳无法听到超声波，故超声振动加工可以克服传统机械破岩时噪音大、工作环境差的问题。

并且利用超声振动加工工件可以显著提高刀具的使用寿命，消除或者减轻刀具的自激振动等，因此超声振动加工工件相较普通加工有巨大的优势。

图1超声加工系统组成原理图
1.2影响超声振动系统破碎岩石的主要因素（1）静载荷。

大量的实验结果证明利用超声振动加工材料时存在着最佳静载荷。

不同的设备系统和加工工艺条件下，最佳静载荷不同。

翟国兵对影响超声波振动碎岩效果的静载荷进行了深入研究，得出在岩石破碎过程中存在最优压力300N ，且在最优压力下岩石核磁共振特性和抗压强度变化幅
度最大[2]。

（2）工具振幅和频率。

超声振动加工效率随着超声振动的振幅和频率的提高而提高。

超声加工的振幅一般为几微米至几十微米，工作频率高于20kHz 。

当频率确定时，提高振
摘要：在石油等自然资源开采领域中如何高效破碎岩石一直是研究的热点，文章参考相关文献研究超声振动在岩石破碎中的作
用机理。

分析了影响超声振动破碎岩石的主要因素，基于振动理论和岩石破碎学对超声振动破碎岩石机理进行分析。

得出结论超声振动在工作机理上满足破碎岩石的要求，具有广阔的发展前景。

关键词：超声波振动；岩石破碎；冲击；共振中图分类号:TD231.1
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2018)08-0189-02
Abstract :In the field of natural resource exploitation such as petroleum ，how to break rock efficiently has been a hot topic.This paper studies the mechanism of ultrasonic vibration in rock fragmentation with reference to relevant literatures.The main factors
affecting rock breakage by ultrasonic vibration are analyzed.Based on vibration theory and rock fragmentation theory ，the mechanism of rock breakage by ultrasonic vibration is analyzed.It is concluded that ultrasonic vibration can meet the requirements of broken rock in working mechanism and has a broad development prospect.
Keywords :ultrasonic vibration;rock fragmentation;impact;resonance
作者简介：孟庆荣（1991-），男，汉族，山东聊城人，
硕士，研究方向：机械设计及理论。

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动振幅可显著提高加工效率。

有实验表明，加工效率与振幅的
平方成正比，与f n
（n 为小于1的指数）呈正比，因此在对超声系统改进时，可保持工作频率不变，通过提高超声振动的振幅改善加工效果。

（3）岩石特性。

不同种类的岩石性质千差万别，
反应在力学性质上则是密度、
弹性模量、抗压强度和泊松比等参数不尽相同，因此岩石具有不同的模态特性。

则超声振动系统加工不同性质岩石存在不同的最佳静载荷、工具振幅和频率。

因岩石属于不连续非均匀性的硬脆材料，无法使用连续性假设的弹性力学等知识进行推理分析，因此需要通过大量实验总结数据，得出不同岩石的最佳工作条件。

2超声振动破碎岩石的机理分析
超声振动破碎岩石的机理可以从岩石的疲劳特性和能量耗散等角度进行解释，下文基于冲击破碎和共振破碎两个角度对破岩机理进行简要分析。

岩石内部不是连续密实的整体，而是存在大量形状和大小不同的裂隙[3]，虽然碎岩方法各不相同，但是最终目的都是将这些裂隙扩大进而使岩石破碎。

（1）冲击碎岩。

冲击破碎能在瞬间获得极大的力量，是一
种简便而又重要的破岩手段。

不同于静力，冲击力在极短的时
间内发生急剧变化，当其超过岩石的断裂极限时便可以破碎岩石。

超声振动系统工作时，刀具每秒进行几万次的机械振
动，每个周期内的振动均可看做一次冲击破碎。

因此岩石受到高频次的循环振动冲击，岩石内部裂纹逐渐扩展和贯通，导致
岩石强度不断下降，当达到疲劳极限时岩石发生破碎。

超声振动是一种周期性的稳态简谐振动，设刀具的激振振幅为B ，则刀具偏离平衡位置的位移-时间变化关系为
x=Bsin （ωt+φ）
分别进行一次求导、
二次求导得速度和加速度的表达式v=x ̇=B ωcos （ωt+φ）
a=x ¨=-B ω2sin （ωt+φ）式中ω=2πf ，由加速度公式可知，刀具加速度与振幅和超声振动频率的平方成正比。

选取刀具振幅为15μm ，频率20kHz ，则刀具尖端产生的瞬时加速度最大可达2.4×105m/s 2，为24000个重力加速度g 。

该值远远大于岩石的断裂极限，岩石产生裂纹，在每秒上万次的超声振动锤击作用下，岩石裂纹不断扩展，达到破碎岩石的目的。

（2）共振碎岩。

基于工具振动形式的产生机理可知，无论
工件为何种硬脆材料，均可认为超声振动加工对是冲击破碎加工，可利用冲击破碎的理论对其进行分析。

但随着ansys 等仿真软件的普及，发现高硬度岩石的固有频率在几万赫兹，因此基于振动学的相关知识，科研工作者设想利用共振原理对岩石进行破碎，并进行了相关理论研究。

共振是指激振频率与加工物体的固有频率之比在0.75-1.25之间，使物体某处振幅越来越大，达到破碎物体的目的。

岩石持续受到刀具高频简谐振动激励会产生相应的响应，则该加工过程为简谐激振力引起的强迫振动。

工作原理简化模型如图2所示：
则岩石产生的位移响应，即振幅B 为
B=F/K （1-λ2）2+（2ξλ）2
√
K-岩石的刚度系数；λ-频率比（外激励频率与岩石固有频率之比）；ξ-相对阻尼系数。

在实际破岩中，岩石的相对阻尼系数很小，因此当λ≈1时振幅B 有最大值。

吉林大学赵大军等对高频振动对岩石的破碎作用进行了初步分析。

基于ANSYS Workbench 软件对高硬度花岗岩进行振动特性的模态分析，发现花岗岩存在20kHz 左右的一阶固有频率，且前三阶固有频率介于18k~40kHz 之间。

满足超声波利用共振原理工作的频率范围。

仿真模态频率如图3所示：
图3花岗岩前10阶仿真模态频率图
并通过超声振动实验装置对硬岩进行振动试验验证，证明超声波振动能够降低岩石的抗压强度，对岩石的破碎具有促进作用[4]。

随加工过程深入，裂纹产生并扩展导致岩石固有
频率变化，
或根据不同岩石固有频率的差异，合理调节超声波频率，
使岩石一直在在共振状态下被加工，这样可以显著增强破坏效果，
提高破岩效率。

3结束语
综上所述，基于超声振动加工硬脆材料的优越性，将超声振动引入岩石破碎研究中，
得出：（1）超声振动破碎岩石时存在最佳条件，需针对不同的岩石选用合理的振幅、频率和最佳静载荷。

（2）超声振动破碎岩石可从冲击破碎和共振破碎两个不同的角度进行破碎机理分析并进行深入研究。

参考文献院
[1]张云电.超声加工及其应用[M].北京：
国防工业出版社，1995，9：1.[2]翟国兵.压力对超声波振动碎岩效果影响规律的研究[D].吉林：
吉林大学，2016.[3]杨威.共振碎岩理论的初步探讨[J].能源技术与管理，
2007，04：7-9.[4]赵大军.高频振动对岩石破碎作用的研究[A].第十八届全国探矿工
程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集[C].2015：
296-301.图2简谐激振力引起强迫振动工作原理图
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