一种旋转式激光破岩实验系统

技术领域

本发明属于激光破岩应用领域，具体涉及一种旋转式激光破岩实验系统。

背景技术

随着经济的快速发展，中国铁路隧道建设规模、数量得到了显著的提高，我国城市轨道交通的建设也在大力发展，盾构技术以安全、环保、快速和高质量的特点广泛应用于隧道施工。刀盘作为盾构机掘进关键部件之一，在实际工况中地质情况、受力状况比较复杂，刀盘的磨损程度、疲劳强度、疲劳寿命直接关系到盾构掘进效率。当盾构机在硬岩条件下工作时，刀盘磨损程度被显著提高，相继而来的问题便是刀盘使用寿命的减少、施工效率的降低和成本的增加。相比传统破岩技术而言，激光破岩技术也因其低成本、高效率、高可靠性等的优势在实际工程中具有良好的应用前景，成为了近年来破岩领域研究的焦点。为实现盾构技术进一步优化，学者们开始考虑将激光系统集成到刀盘之上，实现激光辅助刀盘破岩的目标，但激光辅助破岩理论仍处于发展和完善的过程中，仍需要进一步的探索。

为了对激光破岩的机理进行研究，目前已经出现了研究不同激光参数对激光破岩的影响的实验装置。已有的研究已经表明，包括激光照射时间、照射功率、照射距离和照射光斑直径等在内的激光照射参数是影响岩石破坏的一个重要因素，但旋转式激光辅助破岩还未考虑，亟需纳入研究范畴。目前已有的激光破岩装置大都只设置单向的激光照射，尚未存在可以考虑旋转式激光辅助破岩的实验装置。因此，设计一套可以考虑旋转式激光辅助破岩的实验装置，对后期的工程化应用具有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转式激光破岩实验系统，以解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案是：

一种旋转式激光破岩实验系统，包括光学实验平台、实验箱体、旋转式激光发射装置、成像相机、红外成像仪和试样台；

所述实验箱体安装在所述光学实验平台上，所述实验箱体的内部上端设置所述旋转式激光发射装置，用于旋转发射多束激光到所述试样台的样品上；所述成像相机和所述红外成像仪分别可调节高度地安装在所述实验箱体内，并且位于所述试样台的上方，所述试样台可调节高度地设置。

进一步的，所述成像相机和所述红外成像仪分别安装在升降装置的输出端，并且通过转轴实现可调节角度地连接，所述升降装置固定在所述实验箱体内壁。

进一步的，所述实验箱体通过通风口连通通风管道，所述通风管道连通通风装置。

进一步的，所述试样台安装在升降台上，用于调节高度。

进一步的，所述旋转式激光发射装置包括连接座、伸缩管、光纤准直聚焦头、光纤激光器和驱动部分；

所述连接座可转动地连接实验箱体，所述连接座的侧面固定连接多个所述伸缩管的一端，多个所述伸缩管的另外一端分别固定安装有所述光纤准直聚焦头；多个所述光纤准直聚焦头连接所述光纤激光器，所述连接座连接所述驱动部分，用于驱动所述连接座旋转。

进一步的，所述光纤激光器的输出端设置主光纤，所述主光纤连接光纤旋转连接器，所述光纤旋转连接器连接子光纤一端，所述子光纤另外一端连接所述光纤准直聚焦头，所述子光纤位于所述伸缩管内；

所述连接座设置有内腔室，其顶部设置有中空结构的凸起部，所述凸起部连通内腔室，所述凸起部可转动地套接在中空轴上，所述中空轴固定连接所述实验箱体；所述中空轴为中空结构，所述中空轴内设置所述光纤旋转连接器,所述中空轴顶部可拆卸连接盖板，所述主光纤穿过所述盖板，所述连接座侧面设置连通所述伸缩管的连接孔，所述子光纤穿过所述连接孔。

进一步的，还包括保护气体罐，所述保护气体罐通过气体管道连通所述中空轴，所述伸缩管连通所述连接座的内腔室，所述伸缩管安装所述光纤准直聚焦头的一端设置有气孔，所述保护气体罐用于输送气体依次经过气体管道、中空轴、连接座和气体管道，并通过气孔排出，以形成对所述光纤准直聚焦头的惰性气体包裹保护；所述气孔围绕所述光纤准直聚焦头的环向设置有多个。

进一步的，所述中空轴内固定连接轴套，所述轴套内部安装所述光纤旋转连接器，所述轴套的环向设置设置多个通孔，所述气体管道位于所述轴套上方， 所述气体管道通过所述通孔连通所述连接座的内腔室。

进一步的，所述连接座内设置调节板，所述调节板的外侧固定连接多个挡片，所述挡片与所述连接孔适配，多个所述挡片一一对应地遮挡所述连接孔，所述调节板底部可转动地连接调节螺栓，所述调节螺栓螺纹连接所述连接座，以用于调节所述调节板高度，进而通过所述挡片调节所述连接孔的开度。

本发明具有以下有益效果：本发明用于实验室研究旋转式激光作用下岩石的破裂情况，整体使用安全方便、功能性强、简洁美观。与相关技术相比，本发明在以往竖直单向固定激光束的基础上增加了激光的数量和运动方向，可发射多条激光束和提供多个旋转半径，通过多个激光点做旋转运动的激光同时照射试样以增强试样的破裂效果，研究岩石表面及内部在该条件下激光照射引起的裂纹产生及扩展过程，以完善激光破岩理论。

附图说明

图1是本发整体结构示意图；

图2是旋转式激光发射装置示意图；

图3是中空轴和轴套配合关系示意图；

图4是挡片和连接孔配合关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图1-图4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

如图1，一种旋转式激光破岩实验系统，包括光学实验平台1、实验箱体2、旋转式激光发射装置3、成像相机4、红外成像仪12和试样台19；

所述实验箱体2安装在所述光学实验平台1上，所述实验箱体2的内部上端设置所述旋转式激光发射装置3，用于旋转发射多束激光到所述试样台19的样品上；所述成像相机4和所述红外成像仪12分别可调节高度地安装在所述实验箱体2内，并且位于所述试样台19的上方，所述试样台19可调节高度地设置。

具体地，旋转式激光发射装置3做旋转运动，发射出的激光竖直朝下照射到试样台19上的样品。多束激光围绕共同旋心做同轴旋转，多束激光可以在一个圆周旋转路径上，也可形成多个同轴圆环旋转路径的形式。可调整半径范围为2~5cm。

成像相机4自带高亮度LED灯，能够实现不同环境下彩色成像，便于监测；红外成像仪12，可监测激光照射过程中，岩石试样照射表面的温度变化。光学实验平台1上配备控制面板，集成激光切割控制单元、气体控制单元，实现对激光器、水冷装置、辅助气体装置的集成控制，以及对保护气体过滤、压力及报警信号的调控。

本发明用于实验室研究旋转式激光作用下岩石的破裂情况，整体使用安全方便、功能性强、简洁美观。与相关技术相比，本发明在以往竖直单向固定激光束的基础上增加了激光的数量和运动方向，可发射多条激光束和提供多个旋转半径，通过多个激光点做旋转运动的激光同时照射试样以增强试样的破裂效果，研究岩石表面及内部在该条件下激光照射引起的裂纹产生及扩展过程，以完善激光破岩理论。

进一步的，所述成像相机4和所述红外成像仪12分别安装在升降装置6的输出端，并且通过转轴7实现可调节角度地连接，所述升降装置6固定在所述实验箱体2内壁。

升降装置6为现有技术，例如气缸、电缸、滑轨等；转轴7可通过插销、螺母等固定其角度，从而调节成像相机4和红外成像仪12的工作角度。

进一步的，所述实验箱体2通过通风口14连通通风管道15，所述通风管道15连通通风装置16。

通风装置16为现有技术，例如风机、风箱等；通风装置16可在试验过程中及时将粉尘吹出，从而提高精密仪器的使用寿命，

进一步的，所述试样台19安装在升降台17上，用于调节高度。升降台17可通过气缸、电缸、滑轨等来驱动其升降。

如图2-图4，所述旋转式激光发射装置3包括连接座18、伸缩管301、光纤准直聚焦头20、光纤激光器11和驱动部分；

所述连接座18可转动地连接实验箱体2，所述连接座18的侧面固定连接多个所述伸缩管301的一端，多个所述伸缩管301的另外一端分别固定安装有所述光纤准直聚焦头20；多个所述光纤准直聚焦头20连接所述光纤激光器11，所述连接座18连接所述驱动部分，用于驱动所述连接座18旋转。

具体地，伸缩管301为可伸缩的管道结构，其可以为多个中空管依次调节的结构，伸缩管301远离连接座18的一端为封闭端。多个伸缩管301围绕连接座18形成环形阵列式分布。光纤准直聚焦头20为现有技术，其目的是约束激光射出角度。光纤激光器11为现有技术，作用是形成激光源，光纤激光器11激光输出功率250W~2000W；波长1080nm；输出稳定性：±2%。

在工作时，通过驱动部分的驱动，多个伸缩管301围绕连接座18的旋转中心转动，从而将多束激光形成旋转的形式照射到样品上。并且可调节伸缩管301的长度，来改变旋转半径，也可以分别调节伸缩管301至不同长度，来使多束激光形成多圈同心圆旋转的形式。

驱动部分为现有技术，例如电机22，电机22可安装在实验箱体2顶部，通过同步带、齿轮等部件连接连接座18，使其旋转。

进一步的，所述光纤激光器11的输出端设置主光纤5，所述主光纤5连接光纤旋转连接器24，所述光纤旋转连接器24连接子光纤303一端，所述子光纤303另外一端连接所述光纤准直聚焦头20，所述子光纤303位于所述伸缩管301内。

光纤旋转连接器24为现有技术，其功能是使主光纤5和子光纤303能够相对旋转，主光纤5和子光纤303分别连接光纤旋转连接器24的固定端和旋转端。

所述连接座18设置有内腔室，其顶部设置有中空结构的凸起部181，所述凸起部181连通内腔室，所述凸起部181可转动地套接在中空轴21上，所述中空轴21固定连接所述实验箱体2；所述中空轴21为中空结构，所述中空轴21内设置所述光纤旋转连接器24,所述中空轴21顶部可拆卸连接盖板，所述主光纤5穿过所述盖板，所述连接座18侧面设置连通所述伸缩管301的连接孔182，所述子光纤303穿过所述连接孔182。

子光纤303一端穿出伸缩管301并置于连接座18的内腔室内，以连接光纤旋转连接器24，其另外一端位于伸缩管301内并连接光纤准直聚焦头20。中空轴21可固定连接在实验箱体2的顶部，并且顶部穿出实验箱体2；中空轴21与凸起部181形成转动连接的同时托起连接座18。

进一步的，还包括保护气体罐10，所述保护气体罐10通过气体管道8连通所述中空轴21，所述伸缩管301连通所述连接座18的内腔室，所述伸缩管301安装所述光纤准直聚焦头20的一端设置有气孔302，所述保护气体罐10用于输送气体依次经过气体管道8、中空轴21、连接座18和气体管道8，并通过气孔302排出，以形成对所述光纤准直聚焦头20的惰性气体包裹保护；所述气孔302围绕所述光纤准直聚焦头20的环向设置有多个。

保护气体罐10为现有技术，例如氮气罐，其位于实验箱体2外部。保护气体的功能一是保护光纤旋转连接器24、子光纤303和主光纤5，在保护气体经过的通道内部可形成相对恒定的工作温度，保护各个部件在合适的温度下工作，避免工作时激光或环境高温的影响，并且可防止外部杂质、污染物或有害物质进入实验箱体2，从而保证实验环境的纯净和稳定；二是保护气体经过气孔302排出时，围绕光纤准直聚焦头20形成气幕，形成风力防护，避免杂质掉落在光纤准直聚焦头20的镜头上损伤镜头，而且可以对光纤准直聚焦头20实现散热降温的功能。

进一步的，所述中空轴21内固定连接轴套23，所述轴套23内部安装所述光纤旋转连接器24，所述轴套23的环向设置设置多个通孔231，所述气体管道8位于所述轴套23上方，所述气体管道8通过所述通孔231连通所述连接座18的内腔室。

通孔231可以为腰型孔、圆孔、方孔等多种结构，其功能是连通光纤旋转连接器24的上下空间，并且实现了保护气体进入到旋转状态的伸缩管301内的功能，同时也固定住了光纤旋转连接器24。

进一步的，所述连接座18内设置调节板27，所述调节板27的外侧固定连接多个挡片25，所述挡片25与所述连接孔182适配，多个所述挡片25一一对应地遮挡所述连接孔182，所述调节板27底部可转动地连接调节螺栓26，所述调节螺栓26螺纹连接所述连接座18，以用于调节所述调节板27高度，进而通过所述挡片25调节所述连接孔182的开度。

旋转调节螺栓26时，挡片25和调节板27上下运动，挡片25部分遮盖连接孔182，以调节连接孔182的开度，从而能够使多个连接孔182的开度保持一致，能够使保护气体均匀进入各个伸缩管301内。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。