Электрогидравлический способ разрушения твердого тела

 

Использование: при электроимпульсном разрушении твердых тел в строительстве. Сущность изобретения: электрогидравлический способ разрушения твердого тела включает бурение в твердом теле шпуров, которые размещают либо вблизи вершин квадратной ячейки, либо в узлах квадратной сети, причем расстояние H между шпурами не должно превышать 3,6 l, где l - длина разрядного промежутка. Затем на твердое тело одновременно воздействуют симметричными цилиндрическими ударными волнами, которые генерируют электрическими разрядами в жидкости, производимыми в шпурах. Электрические разряды производят с использованием взрывающихся проволочек, а длительность высоковольтного импульса не должна превышать 0,7 H/v, где v - скорость продольной волны звука в твердом теле. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электроимпульсному разрушению твердых тел и может быть использовано в строительстве или промышленности строительных материалов.

Известен электрогидравлический способ разрушения твердого тела, включающий помещение твердого тела в жидкость, силовое воздействие на твердое тело ударной волной с давлением на фронте импульса не меньше величины прочности материала твердого тела, причем ударную волну возбуждают высоковольтным искровым электрическим разрядом, осуществляемым в жидкости [1] Однако этот способ может быть использован только для разрушения отдельных строительных изделий или фрагментов предварительно разрушенных строительных сооружений, а не самих сооружений, так как разрушаемое твердое тело необходимо поместить в ванну, заполненную жидкостью.

Известен также электрогидравлический способ разрушения твердого тела, включающий бурение в твердом теле шпуров, силовое воздействие на твердое тело ударными волнами, генерируемыми высоковольтными электрическими разрядами, осуществляемыми в жидкости, заполняющей шпуры [2] Этот способ не обеспечивает высокой эффективности разрушения твердых тел, так как генерируемые в твердом теле ударные волны имеют сферическую симметрию, а следовательно, быстрое убывание величины энергии в импульсе с расстоянием от зоны генерации волны (обратно пропорционально расстоянию). Таким образом, при использовании этого способа не представляется возможным ни сформировать в разрушаемом теле зоны с повышенной концентрацией энергии, ни осуществить прогнозирование положения мест откола фрагментов разрушаемого тела.

Задача изобретения разработка электрогидравлического способа разрушения твердого тела с использованием таких источников ударных волн, пространственное размещение которых и условия генерации обеспечили бы при минимальных энергозатратах создание в заданных областях разрушаемого тела зон с высокой концентрацией механической энергии, что повысило бы эффективность разрушения и обеспечило бы возможность прогнозирования мест откола материала.

Для этого в электрогидравлическом способе разрушения твердого тела, включающем бурение в твердом теле шпуров, в каждом из которых создают импульсный высоковольтный электрический разряд в жидкости, воздействующий на тело ударными волнами, согласно изобретению силовое воздействие на твердое тело осуществляют одновременно по крайней мере четырьмя симметричными цилиндрическими ударными волнами в зонах тела, расположенных при вершинах квадратной ячейки, с помощью взрывающихся проволочек, при этом выбирают расстояние между вершинами квадратной ячейки и длительность высоковольтных импульсов, удовлетворяющие соотношениям H≅3,6l, τ<0,7Нv ^-1, где Н расстояние между вершинами квадратной ячейки, м; l длина разрядного промежутка, м; τ- длительность высоковольтного импульса, с; v скорость продольной волны звука в теле, м/с.

Целесообразно бурение шпуров осуществлять в вершинах квадратной ячейки.

Выгодно в зонах вершин, внешних по отношению к сторонам квадрата, бурить по два шпура, располагая их симметрично относительно диагоналей, проходящих через его вершины.

Предпочтительно, чтобы одновременно с бурением шпуров производилось бурение скважин в центре квадрата и посередине каждой из его сторон.

Кроме того, целесообразно создавать импульсные высоковольтные электрические разряды с частотой, равной 10-95 Гц.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что благодаря одновременной генерации по крайней мере четырех ударных волн цилиндрической симметрии, имеющих существенно меньшую степень затухания величины энергии в импульсе по сравнению с ударными волнами сферической симметрии, в зонах твердого тела, расположенных при вершинах квадратной ячейки, осуществлению электрических разрядов в жидкости с использованием взрывающихся проволочек, а также при соблюдении указанных выше ограничений на длительность высоковольтных импульсов и на расстояние между вершинами квадратной ячейки в заданных областях твердого тела образуются зоны цилиндрической кумуляции ударных волн, в которых возникают вторичные волны сжатия, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном поверхности тела. В результате отражения вторичных волн от поверхности твердого тела возникают волны разгрузки, которые, взаимодействуя с волнами сжатия, обеспечивают условия для откола поверхностных участков твердого тела.

Дополнительное преимущество предлагаемого способа заключается в возможности отбойки материала одновременно с большой поверхности твердого тела. В этом случае бурение шпуров осуществляют в узлах квадратной сетки, покрывающей ту поверхность тела, которую необходимо отбить.

Еще большее снижение энергозатрат может быть обеспечено бурением в зонах, расположенных при вершинах квадратной ячейки, двух шпуров, расположенных симметрично относительно диагонали, проходящей через соответствующую вершину.

Кроме того, при осуществлении серии высоковольтных электрических разрядов в жидкости с частотой, равной десяткам герц, можно существенно снизить величину разрядного тока генератора при сохранении высокой эффективности разрушения твердого тела.

На фиг. 1 показано расположение шпуров и зоны цилиндрической кумуляции; на фиг.2 вариант расположения шпуров в зонах при вершинах квадратной ячейки.

На фиг.1 и 2 позициями обозначены: разрушаемое твердое тело 1, шпуры 2, электрогидравлические генераторы 3 ударных волн цилиндрической симметрии, фронт первичных ударных волн 4, зоны 5 кумуляции, фронт ударных волн 6, сходящихся к центру квадратной ячейки, скважины 7.

Способ осуществляют следующим образом.

В разрушаемом твердом теле 1, например в стене здания, с помощью перфораторов бурят шпуры 2, размещая их в вершинах квадратной ячейки (в узлах квадратной сетки). Затем в шпурах 2 устанавливают электрогидравлические генераторы ударных волн цилиндрической симметрии и подключают их к выходу генераторов высоковольтных импульсов. Каждый электрогидравлический генератор 3 ударных волн цилиндрической симметрии может быть выполнен, например, в виде двух соосно расположенных электродов, соединенных между собой взрывающейся проволочкой и размещенных внутри цилиндрического корпуса, имеющего электрическую изоляцию по всей внутренней боковой поверхности и заполненного водой или другой диэлектрический жидкостью. Предпочтительно, чтобы отношение расстояния между электродами к диаметру корпуса лежало в интервале значений 30-45. При этом обеспечивается максимальное значение амплитуды генерируемой ударной волны при наименьших габаритах электрогидравлического генератора 3.

После включения генератора высоковольтных импульсов происходит одновременный взрыв проволочек, расположенных в электрогидравлических генераторах 3, а возникшие при этом продольные цилиндрические ударные волны давления одновременно переходят в материал разрушаемого твердого тела. Цилиндрические ударные волны 4 давления, распространяясь со скоростью звука в материале разрушаемого твердого тела, создают в околошпуровых зонах радиальные трещины длиной порядка 2-3 радиусов шпура.

Цилиндрические ударные волны 4, распространяясь радиально, создают в моменты столкновения зоны 5 цилиндрической кумуляции. Для того, чтобы сталкивающиеся ударные волны в пределах всего объема между шпурами имели цилиндрическую симметрию, необходимо, чтобы расстояние Н между шпурами удовлетворяло неравенству Н ≅3,6 l, где l длина разрядного промежутка в электрогидравлическом генераторе 3.

При столкновении цилиндрических ударных волн 4 образуются вторичные ударные волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном поверхности разрушаемого твердого тела. Если же длительность импульса нагружения, равная длительности высоковольтного импульса τ, удовлетворяет неравенству τ <0,7Н/v, где v скорость продольной волны звука в материале твердого тела, то в результате взаимодействия падающей (сжимающей) на свободную поверхность твердого тела ударной волны и отраженной (растягивающей) от свободной поверхности твердого тела ударной волны происходит откол некоторого объема материала в областях, соответствующих столкновению первичных цилиндрических ударных волн из-за воздействия на материал твердого тела растягивающих напряжений (здесь учтено то обстоятельство, что длительность импульса волны давления возрастает по мере удаления ее от зоны генерации и поэтому длительность импульса давления в материале соответствует длительности электрического разряда).

Из-за упругого отражения сталкивающихся первичных ударных волн начиная с момента времени, равного 0,5 Н/v, происходит существенная трансформация формы фронта цилиндрических ударных волн, а именно в направлении центра ячейки фронт ударных волн приобретает заостренную форму. В центре симметрии квадратной ячейки сходятся четыре ударные волны 6, имеющие заостренную форму фронта, формируя центральную кумулятивную зону с максимальной деформацией. Следовательно, в этой области возможен откол максимального количества материала твердого тела.

Кроме того, отраженные от свободных поверхностей твердого тела ударные волны, интерферируя, воздействуют на трещины, возникшие в зонах, прилегающих к шпурам, и способствуют развитию их вплоть до этих поверхностей. Трещины, расположенные в околошпуровых зонах, являются местами концентрации значительных остаточных напряжений. Эти напряжения, взаимодействуя с напряжениями, вызванными ударными волнами последующих электрогидравлических разрядов, способствуют разрушению материала и в ряде случаев заканчивают процесс разрушения, начатый ударными волнами. Развитие трещин до свободных поверхностей разрушаемого твердого тела приводит к его расколу по контуру квадратной ячейки с выбросом частиц материала перпендикулярно поверхности объекта, на которой производилось бурение шпуров.

Для интенсификации процесса разрушения твердого тела, а также для точного прогнозирования зоны разрушения и обеспечения откола материала в заданной плоскости необходимо перед установкой в шпуры электрогидравлических генераторов цилиндрических ударных волн осуществить бурение скважин 7, расположенных в центре квадратной ячейки и посередине каждой из ее сторон.

Скважины 7 расположены в местах столкновения цилиндрических ударных волн, т.е. в местах возникновения наибольших механических напряжений. Поверхности этих скважин являются также дополнительными поверхностями, отражающими продольные ударные волны, а следовательно, и дополнительными зонами, в которых возникают растягивающие напряжения. При наличии скважин 7 происходит разрушение материальных перемычек между каждым шпуром и окружающими его скважинами, т. е. имеет место интенсификация процессов разрушения твердого тела.

Снижение энергозатрат на разрушение твердого тела может быть достигнуто за счет бурения в зонах, расположенных при вершинах квадратной ячейки, двух шпуров (фиг.2), расположенных симметрично относительно диагонали, проходящей через соответствующую вершину квадратной ячейки. Данное техническое решение обеспечивает увеличение фазы сжатия, максимальных радиальных напряжений и удельных энергий.

На практике часто возникает необходимость отделить от разрушаемого объекта какой-либо определенный участок. Предлагаемый способ может быть использован и при решении этой задачи. В этом случае квадратные ячейки, содержащие шпуры и скважины, размещают вдоль контура будущей щели.

Снижение необходимого разрядного тока генератора высоковольтных импульсов может быть обеспечено, если разрушение твердого тела осуществить путем воздействия на него серией высоковольтных электрических разрядов в жидкости с частотой, равной 10-95 Гц. Согласно кинетической концепции прочности разрушение рассматривается как некоторый процесс, протекающий во времени, суть которого сводится к постепенному накоплению повреждаемостей: избыточной плотности точечных дефектов, дислокации, разрывов межатомных связей. В этом случае критерием разрушения является долговечность, т.е. время жизни твердого тела под нагрузкой. При изменении условий нагружения, например при переходе к более сложному, повторно кратковременному, циклическому изменению нагрузки во времени, когда сжимающие напряжения сменяются растягивающими, долговечность уменьшается и на завершающем этапе разрушения начинается прорастание отдельных микротрещин и слияние компланарных трещин в магистральную, разделяющую разрушаемый объект на две части. С увеличением трещиноватости разрушаемого объекта возрастает количество обнаженных поверхностей, т.е. концентраторов энергии, где при отражении падающих ударных волн наступает деформация откола. С каждым импульсом число таких поверхностей возрастает, прочностные характеристики разрушаемого объекта снижаются. В режиме непрерывной генерации серии импульсов каждый предыдущий разряд создает последующему дополнительные плоскости обнажения из-за растрескивания, в результате чего с каждым импульсом все более повышается степень использования энергии волн напряжений и снижается сопротивляемость разрушаемого материала отрыву от строительной конструкции. Генератор импульсов отключают по достижении трещиноватости критического уровня, когда образуется магистральная сквозная трещина скольжения в виде разлома.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА, включающий бурение в твердом теле шпуров, в каждом из которых создают импульсный высоковольтный электрический разряд в жидкости, воздействующий на тело ударными волнами, отличающийся тем, что воздействие на тело осуществляют одновременно по крайней мере четырьмя симметричными цилиндрическими ударными волнами в зонах тела, расположенных при вершинах квадратной ячейки, с помощью взрывающихся проволочек, при этом выбирают расстояние между вершинами квадратной ячейки и длительность высоковольтных импульсов, удовлетворяющие соотношениям
H ≅ 3,6l; τ < 0,7v^-1,
где H расстояние между вершинами квадратной ячейки, м;
l длина разрядного промежутка, м;
τ длительность высоковольтного импульса, с;
v скорость продольной волны звука в теле, м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бурение шпуров осуществляют в вершинах квадратной ячейки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зонах вершин, внешних по отношению к сторонам квадрата, бурят по два шпура, располагая их симметрично относительно диагоналей, проходящих через его вершины.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с бурением шпуров осуществляют бурение скважин в центре квадрата и посередине каждой из его сторон.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают импульсные высоковольтные электрические разряды с частотой 10 95 Гц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2