高壓脈沖碎巖裝置的研制.pdf

1、巖石破碎技術在礦產(chǎn)開采、油氣鉆井、地質勘查、石材加工、隧道掘進以及市政、橋涵等基礎工程領域有著十分廣泛的應用，是國民經(jīng)濟的重要組成部分。隨著脈沖功率技術的發(fā)展，其應用已漸漸從軍事領域擴展到民用工業(yè)等領域，現(xiàn)已在醫(yī)療、環(huán)保、爆破等方面有著廣泛應用。脈沖放電碎巖法作為一種新型的碎巖方法，相比于傳統(tǒng)碎巖方法，具有碎巖效率高、碎巖功率低、碎巖能耗小、無環(huán)境污染等優(yōu)點，在巖石破碎工程中有著廣闊的應用前景。隨著脈沖功率技術以及脈沖放電碎巖技術的日益

2、成熟，越來越多的學者和研究人員對高壓脈沖碎巖裝置進行了研究和研制。若要將脈沖碎巖裝置進行大規(guī)模的工程應用，須提高其壽命，因此開展長壽命脈沖碎巖裝置的研制顯得尤為重要。
　　本文通過了解巖石的破碎機理和巖石破碎工程的發(fā)展現(xiàn)狀，分析脈沖放電碎巖的基本原理，表明了巖石的破碎是由脈沖放電和液電效應共同造成的，描述了水中兩電極脈沖放電碎巖過程，提出碎巖所需的脈沖的基本要求：足夠高的電壓、足夠快的上升沿和足夠大的能量。針對成型棒形石料的破碎，

3、研制了輸出脈沖電壓上升沿小于500ns，幅值200kV左右，單次脈沖能量1000J左右，放電頻率1-5Hz的Marx發(fā)生器儲能的脈沖放電碎巖裝置。為實現(xiàn)脈沖碎巖裝置的實用化，本文設計了一種長壽命脈沖電容器及長壽命氣體開關，并提出一種緊湊型放電回路。脈沖電容器作為碎巖裝置中的重要儲能器件，其基本要求為使用壽命長，固有電感小，儲能密度高。由于聚丙烯膜有較高的擊穿場強和較低的介質損耗，因此本文選取全膜介質油浸式形式作為脈沖電容器的介質結構，有

4、利于減小電容器的體積。設計了一個容量為90nF，內感小于40nH的電容器，通過試驗驗證了其內感符合預期標準。通過對其進行壽命實驗，解剖歸納了電容器的破壞模式，并通過 ANSYS仿真計算，對電容器的損毀機理進行了分析，優(yōu)化了電容器結構，將其壽命增加到充放電106次以上。氣體開關具有工作電壓高、放電電流大、脈沖前沿短、內感小、導通電阻小等優(yōu)勢，但其主要缺點是壽命不是很長，重復頻率能力較差。本文設計了一種長壽命三電極氣體開關作為碎巖裝置的放電

5、開關，通過 ANSYS仿真計算及壽命實驗，設計并優(yōu)化了其結構，使其在±40kV，20kA電流峰值的工作條件下，理想預期壽命可達106次，并設計了觸發(fā)電路，可以穩(wěn)定觸發(fā)導通 Marx發(fā)生器的第一級開關。本文提出一種電容器組并聯(lián)經(jīng)脈沖變壓器放電回路，可以有效緊湊裝置的結構，減小裝置的體積。介紹了放電回路中的脈沖變壓器和陡化開關，并搭建了實驗電路平臺。通過碎巖實驗分析，Marx發(fā)生器儲能的脈沖放電碎巖裝置和電容器組并聯(lián)放電回路均具有良好的碎巖