УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Российский патент 1995 года по МПК B02C19/18 

Изобретение относится к электроимпульсному разрушению твердых тел, а именно некондиционных или отслуживших свой срок службы строительных изделий, конструкций, а также стен зданий или технических сооружений, и может быть использовано в строительстве или промышленности строительных материалов.

Известна электрогидравлическая дробилка, содержащая цилиндрический корпус в виде тонкостенного металлического стакана с фланцем, заполненный водой, установленные соосно ему два электрода, подключенные к генератору высоковольтных импульсов, электрический изолятор, соосный электродам [1]
Однако эта дробилка может быть использована только для разрушения (дробления) отдельных строительных материалов небольших габаритов или фрагментов предварительно разрушенных строительных сооружений, а не самих сооружений.

Известно также устройство для электроимпульсного разрушения твердых тел, содержащее генератор высоковольтных импульсов, корпус и два электрода, закрепленных в корпусе и подключенных к генератору [2] В разрушаемом объекте бурится шпур, который заполняется водой. В заполненный водой шпур помещают два электрода. При включении генератора высоковольтных импульсов происходит пробой в воде, заполняющей шпур, а ударная волна, возникающая при пробое, воздействуя на материал разрушаемого объекта, приводит к его разрушению.

Это устройство может быть использовано для разрушения объектов, в которых можно выполнить только вертикальные шпуры. Кроме того, устройство характеризуется низкой эффективностью, так как генерируется сферическая ударная волна, и низким КПД использования электрической энергии.

Задача изобретения разработка устройства для электроимпульсного разрушения твердых тел с таким рабочим органом, конструктивное выполнение которого обеспечило бы увеличение величины и эффективности силового воздействия на материал разрушаемого объекта, увеличение КПД использования электрической энергии, увеличение длительности рабочего цикла и работоспособность при любой пространственной ориентации рабочего органа.

Для этого устройство для электроимпульсного разрушения твердых тел, содержащее металлический корпус и два электрода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов, согласно изобретению снабжено диэлектрической втулкой и электрическим изолятором со сквозным отверстием, корпус выполнен в виде тонкостенного стакана, внутри которого размещена диэлектрическая втулка и на открытом торце которого закреплен электрический изолятор с образованием герметичной полости, заполненной водой, электроды выполнены в виде втулок, соединенных между собой тонкой проволочкой и установленных соосно оси корпуса соответственно в отверстии электрического изолятора и в отверстии, выполненном в донной части корпуса, причем внешний диаметр диэлектрической втулки равен внутреннему диаметру корпуса, а ее длина равна длине полости стакана, заполненной водой.

Целесообразно, чтобы корпус со стороны открытого торца был снабжен фланцем.

Выгодно, чтобы по крайней мере один из электродов был установлен с возможностью осевого перемещения и фиксации.

Предпочтительно, чтобы расстояние между электродами удовлетворяло неравенству
0,2D≅l≅L-2d, где l расстояние между электродами, м;
L длина полости, заполненной водой, м;
d диаметр полости, м;
D внешний диаметр корпуса, м.

Целесообразно, чтобы суммарная толщина стенок диэлектрической втулки и корпуса была не менее чем в пять раз меньше длины волны импульса давления, возникающего при электрическом разряде, а толщина диэлектрической втулки выбиралась из условия прочности при электрическом пробое.

Такое выполнение устройства для электроимпульсного разрушения твердых тел обеспечивает
увеличение выделяемой при генерации ударной волны энергии за счет того, что величина индуктивности коаксиальной нагрузки генератора высоковольтных импульсов минимальна, а следовательно, скорость нарастания электрического тока и его величина максимальны;
увеличение механической работы за счет того, что магнитная энергия разрядного тока сосредоточена внутри цилиндрического корпуса, а следовательно, к ударной волне, возникающей при взрыве проволочки, добавляется ударная волна, обусловленная расширением корпуса под действием магнитного давления, пропорционального квадрату индукции азимутального магнитного поля на его внутренней поверхности;
увеличение длительности рабочего цикла за счет того, что при коаксиальной симметрии элементов нагрузки генератора высоковольтных импульсов имеет место аксиально-симметричное сжатие токового шнура к оси корпуса азимутальным магнитным полем разрядного тока, а следовательно, пары материала взорванного проводника удерживаются достаточно длительное время в приосевой области корпуса, сохраняя более высокую электропроводность центральной зоны разрядного промежутка;
увеличение эффективности разрушающего воздействия при одновременном снижении механических напряжений в корпусе при генерации ударных волн за счет того, что обеспечивается цилиндрическая симметрия ударно-волнового фронта деформации, совпадающая с симметрией корпуса;
работоспособность при любой ориентации корпуса в пространстве, так как полость, заполненная жидкостью, герметична.

Кроме того, наличие фланца на корпусе позволяет закрепить корпус на разрушаемом объекте и исключить выпор корпуса из шпура при генерации ударных волн в объектах, выполненных из материала низкой прочности.

Выполнение одного из электродов с возможностью осевого перемещения и фиксации позволяет упростить процесс сборки, так как натяжение тонкой проволочки производится не одновременно с закреплением ее второго конца, а после сборки всего устройства.

Предлагаемое соотношение для расстояния между электродами позволяет обеспечить цилиндрическую симметрию ударной волны в пределах рабочего органа и исключить краевые эффекты взрыва, искажающие цилиндрическую структуру плазменной полости.

Необходимо, чтобы толщины диэлектрической втулки и стенки корпуса были меньше длины волны импульса разрушающего напряжения, поскольку тонкие слои разнородных материалов с разными акустическими импедансами не оказывают влияния на волну, вводимую в материал разрушаемого объекта, и долговечность корпуса повышается.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство для электроимпульсного разрушения твердых тел содержит генератор 1 высоковольтных импульсов и подключенный к нему своими электрическими выводами гидропатрон 2. Гидропатрон 2 содержит корпус 3, выполненный в виде металлического тонкостенного стакана, фланец 4, электрический изолятор 5, на поверхность которого выполнены кольцевые канавки 6, цилиндрическую диэлектрическую втулку 7, электрод 8, закрепленный с помощью резьбового соединения на электрическом изоляторе 5, электрод 9, закрепленный с помощью резьбового соединения на донной части корпуса 3, тонкую проволочку 10, пропущенную через осевые отверстия электродов 8 и 9 и закрепленную, например, припоем 11 на их наружных торцах, и эластичные уплотнители 12. Диэлектрическая втулка 7, плотно прилегающая к внутренней стенке корпуса 3, донная часть корпуса 3 и электрический изолятор 5 являются стенками полости 13, заполненной водой или другой диэлектрической жидкостью. Электроды 8 и 9 размещены соосно корпусу 1 и частично находятся в полости 13.

Устройство работает следующим образом.

В разрушаемом объекте пробуривают шпур диаметром, равным диаметру корпуса 3. Гидропатрон 2 помещают в шпур и при необходимости закрепляют его на объекте с помощью стопорных якорей, взаимодействующих с фланцем 4. Затем подключают к электрическим выводам гидропатрона 2 генератор 1 высоковольтных импульсов. На этом этап подготовки устройства к работе заканчивается.

При включении генератора 1 высоковольтных импульсов через активно-индуктивную нагрузку, образованную последовательно соединенными электродом 8, тонкой проволочкой 10, электродом 9 и корпусом 3, начинает протекать ток, причем уже на начальной стадии роста тока плотность его в тонкой проволочке 10 настолько велика, что происходит практически мгновенное разрушение тонкой проволочки 10. Вследствие резкого увеличения сопротивления нагрузки (из-за взрыва тонкой проволочки 10) величина электрического тока падает до нуля (пауза тока), не успев достигнуть максимального значения, а напряжение, практически равное выходному напряжению генератора 1 высоковольтных импульсов, прилагается к электродам 8 и 9, в разрядном промежутке между которыми образовался газовый мостик из продуктов взрыва тонкой проволочки 10. В дальнейшем по мере роста тока при радиальном расширении канала, образованного продуктами взрыва, формируется радиальная ударная волна.

Волна давления, возникшая от расширения газового канала в конденсированной среде, например воде, переходит к корпусу 3, а от него в материал разрушаемого объекта. К этой волне давления добавляется ударная волна, обусловленная расширением корпуса 3 под действием давления азимутального магнитного поля у его поверхности. Обе волны давления создают бризантный эффект взрыва.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить эффективность разрушения твердых тел за счет осуществления в гидропатроне 2 не одного электрического разряда, а серии электрических импульсных разрядов существенно меньшей энергии, чем при одиночном электрическом разряде, и с частотой, равной нескольким десяткам герц. Это обусловлено тем, что в кинетической концепции прочности твердых тел разрушение представляется как некоторый процесс, протекающий во времени, суть которого сводится к последовательному разрыву межатомных связей термическими флуктуациями. Критерием разрушения в этом случае является уже не критическое механическое напряжение, так называемый "предел прочности", по достижении которого наступает разделение твердого тела на части, а "долговечность" или время жизни твердого тела под нагрузкой, т.е. время, в течение которого количество накопленных повреждений в твердом теле достаточно для его разрушения.

Увеличение длительности рабочего цикла гидропатрона 2 до нескольких секунд обусловлено, во-первых, тем, что величина и неоднородность механических напряжений в корпусе 3 при воздействии на него ударной волны сведены до минимума, так как импульсные ударные волны в пределах рабочего органа имеют ту же симметрию, что и сам орган, а следовательно, имеет место одновременное воздействие каждой ударной волны на всю боковую поверхность гидропатрона 2. Кроме того, суммарная толщина диэлектрической втулки 7 и стенки корпуса 3 меньше длины волны импульса разрушающего напряжения; во-вторых, тем, что в течение нескольких секунд сохраняется существенно большая проводимость разрядного промежутка вблизи оси по сравнению с его периферийной областью, так как благодаря коаксиальности токопроводящих элементов имеет место аксиально симметричное сжатие токового шнура к оси корпуса азимутальным магнитным полем разрядного тока, в результате чего пары металла взорванного проводника удерживаются в приосевой области гидропатрона 2.

Особенностью работы предлагаемого устройства является возникновение индуктивного перенапряжения на электрических выводах гидропатрона 2 в момент разрушения тонкой проволочки 10 и связанного с ним роста сопротивления цепи нагрузки генератора 1 высоковольтных импульсов. Для предотвращения электрического пробоя вдоль поверхности электрического изолятора 5 на поверхности последнего выполнены кольцевые канавки 6. Кроме того, при реализации устройства необходимо использовать электроды 8 и 9 с внешним диаметром, не менее чем на порядок превышающим диаметр тонкой проволочки 10, чтобы исключить взрыв скин-слоя на поверхности электродов.

Как показала экспериментальная проверка, гидропатрон 2 может быть использован неоднократно (до нескольких десятков раз). При повторном использовании гидропатрона 2 он извлекается из фрагментов разрушаемого объекта и после внешнего осмотра осуществляется удаление остатков тонкой проволочки 10. Затем отрезок тонкой проволочки пропускают через отверстия в электродах 8 и 9 и герметично закрепляют один из концов тонкой проволочки на наружном торце соответствующего электрода.

После заполнения полости 13 водой или другой диэлектрической жидкостью через осевое отверстие другого электрода осуществляют натяжение тонкой проволочки с последующим закреплением и герметизацией второго ее конца на наружном торце второго электрода.

Использование: при электроимпульсном разрушении твердых тел, некондиционных или отслуживших свой срок службы строительных изделий, конструкций, а также стен зданий. Сущность изобретения: устройство для электроимпульсного разрушения твердых тел содержит корпус, выполненный в виде тонкостенного металлического стакана, цилиндрическую диэлектрическую втулку, размещенную плотно внутри корпуса, электрический изолятор, закрепленный на открытом торце корпуса с образованием замкнутой полости внутри корпуса, заполненной водой. В отверстии, выполненном в электрическом изоляторе, закреплен один электрод, а в донной части корпуса закреплен другой электрод. Электроды выполнены в виде втулок, расположенных ссосно корпусу и соединенных между собой тонкой проволочкой, закрепленной герметично на внешних торцах электродов. Генератор высоковольтных импульсов подключен к связанному электроду и корпусу. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, содержащее металлический корпус и два электрода, подключенных к генератору высоковоковольтных импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено диэлектрической втулкой и электрическим изолятором со сквозным отверстием, корпус выполнен в виде тонкостенного стакана, в котором размещена диэлектрическая втулка и на открытом торце которого закреплен электрический изолятор с образованием герметичной полости, заполненной водой, электроды выполнены в виде втулок, соединенных между собой тонкой проволочкой и установленных соосно с осью корпуса соответственно в отверстии электрического изолятора и в отверстии, выполненном в донной части корпуса, причем внешний диаметр диэлектрической втулки равен внутреннему диаметру корпуса, а ее длина равна длине полости стакана, заполненной водой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус со стороны открытого торца снабжен фланцем. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по крайней мере один из электродов закреплен с возможностью осевого перемещения и фиксации. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между электродами удовлетворяет соотношениям
0,2D ≅ l ≅ L 2d,
где l расстояние между электродами, м;
L длина полости, заполненной водой, м;
d диаметр полости, заполненной водой, м,
D внешний диаметр корпуса, м. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что суммарная толщина стенок диэлектрической втулки и корпуса выбирается не менее чем в пять раз меньше длины волны импульса давления, возникающего при электрическом разряде, а толщина диэлектрической втулки выбирается из условия прочности при электрическом пробое.