高壓脈沖碎巖裝置的研制.pdf

1、巖石破碎技術(shù)在礦產(chǎn)開采、油氣鉆井、地質(zhì)勘查、石材加工、隧道掘進(jìn)以及市政、橋涵等基礎(chǔ)工程領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用已漸漸從軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到民用工業(yè)等領(lǐng)域，現(xiàn)已在醫(yī)療、環(huán)保、爆破等方面有著廣泛應(yīng)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(diǎn)，在巖石破碎工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著脈沖功率技術(shù)以及脈沖放電碎巖技術(shù)的日益

2、成熟，越來越多的學(xué)者和研究人員對(duì)高壓脈沖碎巖裝置進(jìn)行了研究和研制。若要將脈沖碎巖裝置進(jìn)行大規(guī)模的工程應(yīng)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(jī)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(yīng)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(duì)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(chǔ)能的脈沖放電碎巖裝置。為實(shí)現(xiàn)脈沖碎巖裝置的實(shí)用化，本文設(shè)計(jì)了一種長壽命脈沖電容器及長壽命氣體開關(guān)，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(chǔ)能器件，其基本要求為使用壽命長，固有電感小，儲(chǔ)能密度高。由于聚丙烯膜有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和較低的介質(zhì)損耗，因此本文選取全膜介質(zhì)油浸式形式作為脈沖電容器的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有

4、利于減小電容器的體積。設(shè)計(jì)了一個(gè)容量為90nF，內(nèi)感小于40nH的電容器，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其內(nèi)感符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)其進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)，解剖歸納了電容器的破壞模式，并通過 ANSYS仿真計(jì)算，對(duì)電容器的損毀機(jī)理進(jìn)行了分析，優(yōu)化了電容器結(jié)構(gòu)，將其壽命增加到充放電106次以上。氣體開關(guān)具有工作電壓高、放電電流大、脈沖前沿短、內(nèi)感小、導(dǎo)通電阻小等優(yōu)勢(shì)，但其主要缺點(diǎn)是壽命不是很長，重復(fù)頻率能力較差。本文設(shè)計(jì)了一種長壽命三電極氣體開關(guān)作為碎巖裝置的放電

5、開關(guān)，通過 ANSYS仿真計(jì)算及壽命實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)，使其在±40kV，20kA電流峰值的工作條件下，理想預(yù)期壽命可達(dá)106次，并設(shè)計(jì)了觸發(fā)電路，可以穩(wěn)定觸發(fā)導(dǎo)通 Marx發(fā)生器的第一級(jí)開關(guān)。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(jié)構(gòu)，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(guān)，并搭建了實(shí)驗(yàn)電路平臺(tái)。通過碎巖實(shí)驗(yàn)分析，Marx發(fā)生器儲(chǔ)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