基于RSD的脉冲发生器破碎岩混材料实验仿真

李宏达,李 欣,Alexander G Lyublinsky,Sergey V Korotkov,赵红阳,车 龙

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.清华大学 机械系,北京 100084;3.Ioffe Physical Technical Institute,St.Petersburg Russia)

基于RSD的脉冲发生器破碎岩混材料实验仿真

李宏达1,2,李 欣1,Alexander G Lyublinsky3,Sergey V Korotkov3,赵红阳1,车 龙1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.清华大学 机械系,北京 100084;3.Ioffe Physical Technical Institute,St.Petersburg Russia)

为了总结用于破碎岩混材料的脉冲发生器其设计原则和规律。通过应用一种反向晶体管开关,研制脉冲发生器进行破碎岩混材料实验,并结合CST软件对电极放电过程进行仿真,确定脉冲发生器的最佳参数。经研究发现,基于RSD脉冲发生器的输出脉冲可高效破碎岩混材料,其具有安全可控无污染的优点,有望代替炸药爆破方式。

高压脉冲;反向晶体管开关;脉冲功率系统

岩混材料属硬脆性材料,抗压不抗拉。传统机械法破碎岩混材料主要依靠克服材料表面压应力进行破坏,因而存在高能耗、低效率、安全性差等缺点。而高电压脉冲放电法破碎岩混材料主要靠克服材料内部拉应力进行破碎,是一种节能、高效、安全的新技术。高压放电法破碎用高压脉冲发生器中,负责能量转换的开关是一个关键器件,作用是其连接储能器件与负载,并直接影响输出脉冲的上升时间、波形及幅度,是决定脉冲发生器工作可靠性及能量传输效率的主要因素。当前破碎岩混材料采用高压脉冲发生器的开关部件多用火花开关,其缺点是易遭受放电损伤和放电不稳定性。与气体火花开关相比,半导体开关RSD具有更长的使用寿命及可靠性,但基于RSD开关的破碎岩混材料研究及应用却鲜见报道[4-5]。本工作阐述破碎岩混材料用的基于RSD脉冲发生器基本原理,结合破碎岩混材料试验进行研究分析。并通过模拟仿真探索高效,节能的破碎岩混材料方法。

1 基于RSD的脉冲发生器原理

基于RSD的脉冲发生器如图1所示,主电容C0为6 600 μF;最大充电电压6 kV;最大存储能量为120 kJ;D0为二极管堆用于防止C0电容重复充电和提供单极性输出脉冲波形。电流通过分流确保RSD仍在R良好的导通状态对水击发。机械开关k防止C0不必要的击穿,允许在紧急情况下经过电阻R对C0放电。电缆和火花放电单元总电感为6 μH。高负载电感限制电流上升率低于1 kA/μs。在电源电路中无需饱和铁芯扼流圈。CS1触发系统是基于16 mm直径的RSD堆,利用半导体器件代替火花开关能增加设备寿命和放电稳定性。变压器和C1-D1-L1-T低压电路的形式为RSD堆脉冲触发,在初始状态下的C和C0电容器充电至相同电压。高电压脉冲由TR次级绕组在t时刻的形成晶体管触发。此脉冲的幅度应高于C充电电压,因此反向脉冲电流通过RSD1堆,对其起开关作用。TR铁芯饱和后次级绕组的电感较小,电容C已向低功率RSD1堆快速放电。当电容C电压的变化极性反向电压被施加到RSD,堆次级绕组TR形成的触发脉冲电流通过RSD。

图1 基于RSD的高压脉冲破碎岩混材料电路示意图

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

在实验中,电源为基于RSD的高压脉冲发生器。该RSD通过两个直径为76 mm的晶体串联,触发控制电压3 kV。实验采用1 m3标准见方岩混材料块,在上表面钻直径3 cm,深度为50 cm的孔。放电破坏电极的尺寸与此圆孔尺寸相当,其负极为不锈钢外壁且可靠接地,正电极为直径1 cm的弹簧钢圆棒,电极间采用绝缘树脂支撑连接。将放电破坏电极伸入注满水的孔中。25 m长的高压同轴电缆连接放电破坏电极与高压脉冲电源,可确保操作人员安全。实验表明,基于RSD的高压脉冲发生器可产生高幅值、陡前沿的高压脉冲。且在增大到一定的幅值和前沿时,便可有效破碎岩混材料,当参数达到脉冲能量100 kJ、输出电流100 kA、输出电压6 kV时,破坏效果显著,如图2所示。

图2 基于RSD的高压脉冲破碎岩混材料照片

2.2 研究分析

破碎岩混材料原理为:当发生器充电完成后,RSD开关触发使其导通,迅速将脉冲从电源经电缆传向电极,高压脉冲在水中瞬间形成高温高压的等离子爆炸,并以冲击波的形式进行传播,在传播过程中从水中进入岩混材料,并由岩混材料进入空气中,在两者界面上产生冲击波的反射和折射。当冲击波由水进入岩混材料时,反射和折射形成岩混材料内部的压力波,当压力波的压强大于岩混材料内部的抗压强度时,冲击波在两者界面上发生一次反射和折射,从而产生张力波,当张力波超过岩混材料的抗张强度时,两者接触部分破碎[1]。但高电压脉冲参数直接与各种复杂应力波相关。

高压脉冲幅值大,可导致冲击波的压力幅值足够大,进而保证可克服岩混材料的抗压缩强度和拉伸强度。冲击波对岩石造成的破碎方式主要是冲击波产生的剪切力破坏。对于冲击波的特征过程分析,其在水中传播,波阵面压力和速度下降快,且波形不断被拉宽,所以正负极间距不应过大。同时最佳极间距也与发生器电容值、电压有关,极间距随电容值及电压值的增大而增大。液体放电中激波压力及其传播速度与放电能量关系的公式为[2]

(1)

式中,Pm为冲击波的波前最大压力值;β为无因次的复杂积分函数,近似取0.7;ρ为液体密度,可取为1g/cm3;ω为放电通道单位长度的脉冲总能量;T为脉冲能量的持续时间;τ为波前时间。根据式(1)和冲击电流波形的波前时间,如图4所示,得出冲击压力波波形图,如图3所示[3],压力峰值P=140MPa,上升时间为50μs,半高宽T=500μs此冲击波压力幅值>30MPa,可完全克服岩混材料拉伸强度。

图3 冲击压力波形

图4 输出电流电压图

高压脉冲的前沿陡峭,可导致冲击波的前沿陡峭,冲击波的上升时间应足够小,使其经过具有不同声阻抗的介质表面时能充分反射。从上升时间来看,压力波的压力梯度较大,在冲击波经具有不同声阻抗的介质界面时,能充分反射,由反射公式从冲击波的特性过程中也得到一定的理论依据,冲击波的反射式为[3]

(2)

其中,ρ为介质密度;V为弹性波的速度;γ为声阻抗;R为冲击波的波头的压力;F为分界面反射回介质的拉伸压力。而油的γ值要小于水介质,会有更好的破碎效果。冲击波压力波形的半高宽应足够小,使冲击波穿透岩混材料的时间大于冲击波的脉宽,避免岩混材料内部的入射波与反射波相互抵消[7]。

3 仿真分析与优化

实验流程:高压脉冲发生器首先充电,然后通过RSD迅速将脉冲从电源经电缆传向电极,在电极尖端击穿同时发生等离子爆炸,产生高温高压等离子体,并向4周以冲击波形式传播。

图5为仿真实验所使用电极结构图。优化前电极负极直径为2cm空心不锈钢圆柱,正极为直径1cm的弹簧钢。优化后电极直径为2cm的空心不锈钢,负极为直径1cm的弹簧钢,负极头为直径2cm,厚度1cm圆柱。电极之间使用绝缘树脂支撑连接。

图6为优化设计前后电子的运动轨迹。通过对比发现,优化设计前电子运动轨迹为半球形,所产生的冲击波为向4周均匀传播。对于垂直向下方向冲击波属于压应力,对岩混材料破碎效果不明显,相当于减弱了水平方向冲击能量。而优化设计后的电子运动轨迹为垂直水平向下,这样产生等离子爆炸所形成的冲击波主要沿水平方向传播。对于岩混材料块,水平方向产生的垂直剪切力最容易产生破碎,从而达到高效破碎岩混材料的目的。

图5 仿真实验电极结构图

图6 优化设计电子运动轨迹

图7为优化设计前后能量密度分布图。通过对比发现优化前能量主要集中在电极顶端边缘和负极边缘,而经过优化设计的电极能量密度主要分布在负极边缘。意味等离子爆炸主要发生在负极边缘,所产生的冲击波此处最强。对于水平方向的拉应力贡献最大,对岩混材料的破碎效果最好。

图7 优化设计能量密度分布图

4 结束语

通过高压脉冲对岩混材料击穿过程的仿真研究得到以下结论:(1)通过调整基于RSD脉冲发生器的输出脉冲参数可高效破碎岩混材料,其高压脉冲的幅度及脉冲前沿是影响的关键因素,可导致影响冲击波的幅值及前沿,进而决定破坏效果。经测试,其高效破碎岩混材料的典型参数为:最大输出电流可达180 kA,输出波形的脉冲前沿上升率为30 kA/μs。(2)基于RSD脉冲发生器放电破碎,可代替安全性差的炸药爆破方式,可有效提高设备的可靠性、增加设备寿命并能减少开关元件中能量的损失。(3)通过优化设计电极结构,可使电子束运动轨迹及其能量密度分布更加合理。对岩混材料的破坏效果进一步提高。

[1] 秦曾衍,左公宁,王永荣,等.高压强脉冲放电及其应用[M].北京:北京工业大学出版社,2000.

[2] 3ингерман А С.3ависимость давления на фронте удфрной волны от крут и3-ны фронт ф импульсаэнергий при элект-рическом в жидкости[J].Журнал Технической Фи3ики,1956,25(39):24-30.

[3] 蒋强,徐庆福.冲击电流发生器工业碎石的仿真分析[J].沈阳:沈阳理工大学学报,2013,23(5):68-72.

[4] Burkin V V,Kuznetsova N S,Lopatin V V.Dynamics of electro burst in solids:II[J].Characteristics of Wave Process Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(23):235-209.

[5] Schneider S,Podlesak T F.Reverse switching dynistor pulses[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2000,28(5):1520-1523.

[6] Grekhov I V,Kozlov A K,Korotkov S V,et al.High-voltage RSD switches of submegaampere current pulses of microsecond duration[J].Instruments and Experimental Techniques,2003,46(1):48-53.

[7] 洪亮.冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D].长沙:中南大学,2008.

[8] 刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社,2005.

[9] 江伟华.脉冲功率系统的原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

RSD Based Generators for the Pulse of Broken Concrete Crushing Experiment and Simulation

LI Hongda1,2,LI Xin1,Alexander G Lyublinsky3,Sergey V Korotkov3,ZHAO Hongyang1,CHE Long1

(1.Equipment Engineering College,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China; 2.Mechanical Department,Tsinghua University,Beijing 1000844,China;3.Ioffe Physical Technical Institute,St.Petersburg,Russia)

This paper summarizes the design principles and scheme of the pulse generator for crushing of concrete.A reverse switching transistor is used for the crushing experiment.The software of CST is used for the simulation of electrode discharging so as to determine the optimum parameters for the pulse generator.The study shows that the output pulse based on the RSD pulse generator can efficiently crush concrete without pollution and is expected to replace the dynamite blasting method.

pulsed high voltage;reverse the transistor switch;pulse power system

2014- 10- 20

国家自然科学基金资助项目(51207096);爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工)开放基金资助项目(KFJJ13-6M);沈阳理工大学重点学科开放基金资助项目

李宏达(1977—),男,副教授,博士后。研究方向:脉冲功率技术,高压放电材料改性。E-mail:308544490@qq.com。

李欣(1989—),男,硕士研究生。研究方向:高功率脉冲技术破岩应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.016

TN782;TP30

A

1007-7820(2015)05-053-04