Способ разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов и устройство для его осуществления

 

Использование: в области разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, в том числе горных пород и бетонов. Сущность изобретения: в способе при комбинированном воздействии тока переменной частоты и импульсов тока на разрушаемый объект импульс тока высокого напряжения подают в то время, когда скорость изменения амплитуды переменного тока становится больше нуля. Устройство для разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов содержит источник тока переменной частоты, датчик тока, компаратор, переключающее приспособление - генератор импульсов высокого напряжения, электродную систему с высоковольтным и заземленным электродами. Устройство дополняется индуктивным фильтром с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, в том числе горных пород и бетонов, и может быть использовано при разрушении негабаритов на карьерах, фундаментов, оголовков свай, изделий из бетона при их утилизации и т.д.

Известны способ [1] разрушения скальных горных пород электрическим током, при котором разрушение осуществляется электрическим током, и устройство для его осуществления.

Импульс тока к разрушаемому объекту подается через два расположенных в отдельных шпурах, заполненных диэлектрическим материалом, электрода, находящихся на расстоянии, достаточном для образования в породе канала электрического пробоя.

Недостаток этого способа и устройства для его реализации низкая эффективность процесса разрушения, т.к. от монолита горной породы откалывается кусок. Кроме того, требуются дополнительное оборудование и приспособления для бурения шпуров, что создает определенные сложности в эксплуатации устройства. Эффективность процесса также снижается за счет дополнительных затрат на диэлектрические материалы, необходимые для осуществления способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ [2] разрушения, выбранный прототип, в котором разрушение материалов осуществляется электрическим током. К материалу через электрод подводят ток высокой частоты, служащий для образования в разрушаемом материале токопроводящего канала. Затем через этот канал пропускают ток (переменный ток любой частоты, постоянный ток, импульсный ток разряда конденсатора) в один или более порядков больше. При воздействии тока высокой частоты на материал не исключается образование канала электротеплового пробоя и последующее направление в образовавшийся канал электрической энергии источника импульсного тока не приведет к эффективному разрушению, отсутствие согласования момента подачи тока большей амплитуды снижает КПД использования энергии на разрушение материала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное за прототип устройство [3] содержащее электродную систему, соединенную с источником переменного тока и генератором импульсов высокого напряжения, и переключающее устройство. В устройстве существует возможность образования путей протекания тока по поверхности разрушаемых объектов, что приводит к дополнительным потерям энергии, а следовательно, и КПД устройства. Использование электродов с одной степенью свободы создает трудности обеспечения плотного контакта электрод разрушаемый объект, особенно при неровной поверхности разрушаемого объекта.

Отмеченные недостатки приводят к низкой эффективности процесса разрушения. Кроме того, при эксплуатации устройства возникают трудности в управлении работой, связанные с переключением источника тока в один или более порядков выше.

Цель изобретения повышение эффективности разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, повышение КПД использования энергии, потребляемой из сети, простота эксплуатации.

Как показали результаты экспериментальных исследований, при использовании предлагаемых способа и реализующего его устройства образцы гранита размером 100 х 100 х 100 мм разрушаются на 6 кусков, а при использовании способа-прототипа на 2 куска, что подтверждает большую эффективность разрушения предлагаемым способом. В ходе экспериментальных исследований установлено повышение КПД использования энергии в предлагаемом устройстве на 20% по сравнению с прототипом.

Поставленная цель достигается тем, что разрушение диэлектрических и полупроводящих материалов осуществляется последовательным комбинированным воздействием тока переменной частоты и импульсного тока высокого напряжения. Импульс тока высокого напряжения подается на объект в то время, когда скорость изменения амплитуды переменного тока становится больше нуля.

Для повышения КПД использования энергии, потребляемой из сети, простоты эксплуатации устройство, содержащее электродную систему, соединенную с источником переменного тока и генератором импульсов, и переключающее устройство, снабжено датчиком тока, подключенным через компаратор к переключающему устройству.

Целесообразно использование на выходе источника переменного тока индуктивного фильтра с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса. Целесообразно, чтобы каждый из электродов, установленный на изоляторе с гидрофобной поверхностью, имел не менее трех степеней свободы.

За счет того, что на объект подается ток переменной частоты, происходит разогрев локальной области материала, что приводит к снижению его электрической прочности. Последующее воздействие импульсами тока высокого напряжения на электрически ослабленную область приводит к более эффективному разрушению материала и требуется значительно меньшая амплитуда импульса для создания канала электрического пробоя.

Применение датчика тока позволяет передавать импульсную энергию, когда электрическая прочность снизится до определенного предела, но еще не образуется канал электротеплового пробоя, что приводит к повышению эффективности разрушения и снижению затрат энергии на этот процесс.

Эффективность использования энергии повышается при использовании изоляторов с гидрофобной поверхностью, т.к. исключается растекание токов между электродами. Потери энергии уменьшаются и при создании плотного контакта объект-электрод, что достигается тремя степенями свободы электродов это дополнительно повышает эффективность использования энергии, т.е. КПД процесса.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 и 3 изменение переменного тока через объект.

Устройство содержит источник 1 переменной частоты (ИОМ-100/100), датчик 2 тока, компаратор 3, переключающее приспособление 4, генератор 5 импульсов высокого напряжения, электродную систему, состоящую из высоковольтного электрода 6 и заземленного (зануленного) электрода 7, разрушаемый объект 8.

Устройство для сглаживания амплитуды высоковольтного импульса дополняется индуктивным фильтром 9 с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса.

Устройство также содержит электродную систему, каждый из электродов который установлен на изоляторе с гидрофобной поверхностью и имеет не менее трех степеней свободы.

Способ разрушения объекта и работа устройства осуществляется следующим образом.

На поверхности разрушаемого объекта 8 благодаря трем степеням свободы фиксируются высоковольтный 6 и низковольтный 7 электроды. При включении источника 1 переменного тока в контуре 1, 9, 6, 8, 7 протекает переменный ток, под действием которого объект 8 прогревается и его электрическая прочность уменьшается. В то время, когда скорость изменения амплитуды тока в контуре 1, 9, 6, 8, 7 становится больше нуля, датчик 2, отстроенный на эту величину, подает сигнал через компаратор 3 на переключающее приспособление 4. Через переключающее устройство, замыкающее контур 5, 4. 6, 8, 7, от генератора 5 высокого напряжения протекает в контуре импульсный ток, Индуктивный фильтр 9 сглаживает амплитуду импульса и выполняет защитную функцию для контура переменного тока.

Благодаря использованию изоляторов с гидрофобной поверхностью, на которых установлены электроды, исключаются пути утечки тока. При протекании импульсного тока через объект 8 в нем образуется канал пробоя и выделяется импульсная энергия, под действием которой материал объекта 8 разрушается.

На фиг.2 и 3 показано изменение амплитуды переменного тока в контуре 1, 9, 6, 8, 7 при использовании в качестве объектов образцов из бетона толщиной 200 мм (фиг. 2) и гранита толщиной 65 мм (фиг.3). Для различных моментов включения датчиком 2 (фиг. 1) генератора 5 импульсов высокого напряжения (точки 1, 2, 3) проведен анализ характера разрушения образцов бетона и гранита. Результаты анализа характера разрушения при комбинированном воздействии приведены в таблице. Из таблицы следует, что при подаче сигнала датчиком на включение импульса тока высокого напряжения в то время, когда скорость изменения амплитуды переменного тока меньше нуля (точка 1), то разрушение объекта не наблюдается.

Если в материале объекта при воздействии тока переменной частоты образуется канал электротеплового пробоя (точка 3), то последующее воздействие импульса тока высокого напряжения также не эффективно. Наибольшая эффективность процесса разрушения наблюдается тогда, когда импульс тока высокого напряжения подают на разрушаемый объект, когда скорость изменения переменного тока становится больше нуля (точка 2).

Следовательно, наибольшая эффективность при комбинированном воздействии тока переменной частоты и импульсами тока высокого напряжения соответствует такому способу, когда импульс тока высокого напряжения подают на разрушаемый объект в то время, когда скорость изменения амплитуды тока становится больше нуля. Этот способ реализуется в устройстве, состоящем из источников тока переменной частоты и импульсов тока высокого напряжения, датчика тока, подключенного через компаратор к переключающему устройству, индуктивного фильтра с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса, электродного устройства, каждый электрод которого устанавливается на изоляторе с гидрофобной поверхностью и имеет не менее трех степеней свободы.

Формула изобретения

1. Способ разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, преимущественно горных пород и бетонов, включающий последовательное воздействие переменного тока и импульсов тока высокого напряжения на материал, отличающийся тем, что импульс тока высокого напряжения подают на материал после превышения нуля скорости изменения амплитуды переменного тока.

2. Устройство для разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, преимущественно горных пород и бетонов, содержащее электродную систему, высоковольтный электрод которой соединен с источником переменного тока и генератором высокого напряжения, и переключающее приспособление, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком тока с компонатором, подключенным к переключающему приспособлению.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено индивидуальным фильтром с уровнем изоляции на величину амплитуды высокольтного импульса, установленным на выходе источника переменного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4