液氮冷浸自动旋转升降装置及使用方法与流程

本发明涉及一种煤岩实验设备，属冷浸实验技术领域。

背景技术：

液氮冷浸处理是实验室在超低温条件下研究岩石样本力学性质变化的一种手段,液氮冷浸是将常温岩石样本浸泡入超低温环境下并保持一段时间,待试样整体温度达到平衡后，将经受超低温处理后的岩石样本取出。对冷浸前、后的岩石样本进行孔隙度以及核磁共振测试，得到岩石样本在冷浸前、后的孔隙度、内部裂纹扩展及萌生变化情况。液氮冷浸会对岩石的孔隙结构产生损伤，损伤程度会受到岩性、孔隙度和岩石含水饱和度等因素的影响，可进一步测试经过超低温处理后的岩石样本抗拉抗压抗剪强度变化，研究岩石样本的弹性模量变化等相关力学参数。

在瓦斯地质学领域，对于研究低温环境下煤岩内部孔隙变化以及温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制，当前在进行该类实验的时候，往往缺乏专用的实验设备，通常是人工操作,具有冷浸过程温度不可控,能量散失明显，冷浸处理过程缓慢，实验周期长，工作效率低下的弊端，因此导致实验时一方面实验的效率相对较低，且实验精度相对较差，另一方面对实验环境的控制性严重不足，难以保持同类实验均处于相同环境下进行实验，从而对实验的精度和实验的可控性及重复性均造成了极大的影响，因此针对这一问题，迫切需要开发一种进行此类实验用的专用设备及与之相应的使用方法。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本发明提供液氮冷浸自动旋转升降装置及使用方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

液氮冷浸自动旋转升降装置，包括承载架、冷浸罐、液氮储存瓶、盛样底座、蜗杆、升降驱动机构、旋转驱动机构、导向支架、双输出齿轮箱及驱动电机，承载架为框架结构，所述的冷浸罐、液氮储存瓶、双输出齿轮箱和驱动电机均嵌于承载架内，并通过滑轨与承载架滑动连接，其中冷浸罐轴线与水平面相互垂直分布，冷浸罐包括罐体和密封盖，罐体与密封盖相互连接并构成密闭腔体结构，罐体侧表面上设至少一个增压口和一个排气口，其中增压口通过导气管与液氮储存瓶相互连通，密封盖上设至少一个紧急泄压口，罐体内设至少一个温度传感器和至少一个压力传感器，且温度传感器和压力传感器均环绕罐体轴线均布，盛样底座、升降驱动机构、旋转驱动机构、导向支架均位于冷浸罐的罐体内，其中导向支架为空心管状结构，与罐体同轴分布并与罐体底部相互连接，导向支架高度不大于罐体高度的2/3，蜗杆嵌于导向支架内，并与导向支架同轴分布，且蜗杆通过升降驱动机构沿着导向支架轴线方向上下移动，蜗杆上端面与盛样底座下端面垂直连接，且盛样底座与罐体同轴分布，蜗杆下端面设连接键，并通过连接键与旋转驱动机构连接，旋转驱动机构包括传动带轮、传动带、驱动带轮及传动轴，其中传动带轮嵌于导向支架底部，并通过定位轴与罐体连接，且传动带轮与导向支架同轴分布，传动带轮上设键槽，并通过键槽与蜗杆末端的连接键相互连接，传动带轮通过至少一条传动带与驱动带轮相互连接，且驱动带轮与传动轴前端连接，传动轴末端通过离合器与双输出齿轮箱其中一条输出轴相互连接，升降驱动机构包括涡轮及驱动轴，其中所述的驱动轴前端和后端均通过离合器分别与涡轮及双输出齿轮箱的另一输出轴连接，涡轮嵌于导向支架内，并与蜗杆啮合，涡轮轴线与蜗杆轴线相互垂直分布，涡轮轴线与罐体底部间间距为导向支架有效高度的1/2—2/3，双输出齿轮箱通过传动轴与驱动电机连接。

进一步的，所述的导气管与增压口和液氮储存瓶处均设控制阀，所述的导气管上另设一个压力测定调节阀。

进一步的，所述的盛样底座包括承载台及定位台，其中所述的定位台下端面与蜗杆相互连接，上端面与承载台连接，且所述的承载台及定位台同轴分布，所述的承载台直径为定位台直径的1—5倍，且承载台直径不大于罐体直径的3/4。

进一步的，所述的承载台为网板状结构，且网孔总面积为承载台总面积的60%—80%。

进一步的，所述的罐体和密封盖均包括承载内胆、保温棉及防护外套，所述的防护外套包覆在承载内胆外，并与承载内胆同轴分布，所述的防护外套与承载内胆间设宽度为1—10毫米的保温腔，所述的保温棉嵌于保温腔内并分别与防护外套与承载内胆相抵。

液氮冷浸自动旋转升降装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步，设备连接，根据使用需要，将承载架、冷浸罐、液氮储存瓶、盛样底座、蜗杆、升降驱动机构、旋转驱动机构、导向支架、双输出齿轮箱及驱动电机等设备进行连接，并与外部控制电路间进行连接即可；

第二步，样品夹装，在完成一步操作后，通过升降驱动机构驱动蜗杆，使盛样底座上行，并使其位于罐体顶部位置处，在上行过程中旋转驱动机构与蜗杆间分离，避免盛样底座旋转，然后将样本放置到盛样底座上并定位，最后对罐体进行密封；

第三步，样本定位，完成第二部操作后，通过升降驱动机构驱动蜗杆，使盛样底座下行，并使其位于罐体底部位置处，在下行过程中旋转驱动机构与蜗杆间分离，避免盛样底座旋转，并在完成盛样底座下行后，升降驱动机构与蜗杆分离，蜗杆末端与旋转驱动机构连接。

第四步，冷浸实验，在完成第三步，且样本到达指定位置后，由旋转驱动机构驱动蜗杆，并由蜗杆带动盛样底座和样本进行单向匀速旋转，转速为20r /min,同时将液氮储存瓶内的低温液氮输入到罐体内，并在1—10分钟内，使罐体内温度到达-150℃—-190℃，然后对罐体进行保温保压作业，并保持旋转作业恒定条件下冷浸50—80分钟。

第五步，复位，在完成冷浸作业后，首先将罐体内液氮排空，然后蜗杆与旋转驱动机构分离并与升降驱动机构连接，并通过升降驱动机构驱动，将盛样底座上升到罐体顶部位置即可完成样本更换作业。

进一步的，所述的第二步、第三步和第五步中，盛样底座上升和下降的速度为度0.03m/s。

本发明的优点和有益效果为：

（1）未使用时,盛样底座位于冷浸保温罐体的顶部,使用时把冷浸的岩石样品放置在盛样底座上,通电后丝杠会带动盛样底座缓缓进入到罐体内部,整个过程处于自动化。待岩石样本进入到罐体后，将罐体开口处盖子密封，可保证冷浸过程不受外界环境温度影响。

（2）通过盛样底座带动岩石样本在罐体中缓慢转动的过程，岩石样本得到充分冷浸。通过温度传感显示器可实时监控罐体内部温度，及时有效记录所测岩石样本的冷浸过程中的环境温度变化。

（3）液氮冷浸流程完成后，通过管路上的压力测定调节阀对冷浸环境内部压力的动态变化，做出相应调整保持冷浸罐体内部气压环境恒定。一方面可以防止由于液氮汽化造成冷浸罐体内部的气压急剧变化影响冷浸过程，另一方面也可以模拟岩石样本在受压受低温环境下的物理化学变化。

（4）该冷浸装置也不仅仅适用于液氮等低温流体冷浸岩石样本，对于其他性质的流体浸泡岩石样本所产生的气压环境变化和温度变化都具有实际的测定意义及价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明使用方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1和2所述的液氮冷浸自动旋转升降装置，包括承载架1、冷浸罐2、液氮储存瓶3、盛样底座4、蜗杆5、升降驱动机构6、旋转驱动机构7、导向支架8、双输出齿轮箱9及驱动电机10，承载架1为框架结构，冷浸罐2、液氮储存瓶3、双输出齿轮箱9和驱动电机10均嵌于承载架内，并通过滑轨11与承载架1滑动连接，其中冷浸罐2轴线与水平面相互垂直分布，冷浸罐2包括罐体21和密封盖22，罐体21与密封盖22相互连接并构成密闭腔体结构，罐体21侧表面上设至少一个增压口23和一个排气口24，其中增压口23通过导气管12与液氮储存瓶3相互连通，密封盖22上设至少一个紧急泄压口25，罐体21内设至少一个温度传感器13和至少一个压力传感器14，且温度传感器13和压力传感器14均环绕罐体21轴线均布，盛样底座4、升降驱动机构6、旋转驱动机构7、导向支架8均位于冷浸罐2的罐体21内，其中导向支架8为空心管状结构，与罐体21同轴分布并与罐体21底部相互连接，导向支架8高度不大于罐体21高度的2/3，蜗杆5嵌于导向支架8内，并与导向支架8同轴分布，且蜗杆5通过升降驱动机构6沿着导向支架8轴线方向上下移动，蜗杆5上端面与盛样底座4下端面垂直连接，且盛样底座4与罐体21同轴分布，蜗杆5下端面设连接键15，并通过连接键15与旋转驱动机构7连接，旋转驱动机构7包括传动带轮71、传动带72、驱动带轮73及传动轴74，其中传动带轮72嵌于导向支架8底部，并通过定位轴75与罐体21连接，且传动带轮72与导向支架8同轴分布，传动带轮72上设键槽76，并通过键槽76与蜗杆5末端的连接键15相互连接，传动带轮72通过至少一条传动带71与驱动带轮73相互连接，且驱动带轮73与传动轴74前端连接，传动轴74末端通过离合器16与双输出齿轮箱9其中一条输出轴相互连接，升降驱动机构6包括涡轮61及驱动轴62，其中驱动轴62前端和后端均通过离合器16分别与涡轮61及双输出齿轮箱9的另一输出轴连接，涡轮61嵌于导向支架8内，并与蜗杆5啮合，涡轮61轴线与蜗杆5轴线相互垂直分布，涡轮61轴线与罐体21底部间间距为导向支架8有效高度的1/2—2/3，双输出齿轮箱9通过传动轴74与驱动电机连接。

本实施例中，所述的导气管12与增压口23和液氮储存瓶3处均设控制阀17，所述的导气管12上另设一个压力测定调节阀18。

本实施例中，所述的盛样底座4包括承载台41及定位台42，其中所述的定位台42下端面与蜗杆5相互连接，上端面与承载台41连接，且所述的承载台41及定位台42同轴分布，所述的承载台41直径为定位台42直径的1—5倍，且承载台41直径不大于罐体21直径的3/4。

本实施例中，所述的承载台41为网板状结构，且网孔总面积为承载台总面积的60%—80%。

本实施例中，所述的罐体21和密封盖22均包括承载内胆101、保温棉102及防护外套103，所述的防护外套103包覆在承载内胆101外，并与承载内胆101同轴分布，所述的防护外套103与承载内胆101间设宽度为1—10毫米的保温腔104，所述的保温棉102嵌于保温腔104内并分别与防护外套103与承载内胆101相抵。

液氮冷浸自动旋转升降装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步，设备连接，根据使用需要，将承载架、冷浸罐、液氮储存瓶、盛样底座、蜗杆、升降驱动机构、旋转驱动机构、导向支架、双输出齿轮箱及驱动电机等设备进行连接，并与外部控制电路间进行连接即可；

第二步，样品夹装，在完成一步操作后，通过升降驱动机构驱动蜗杆，使盛样底座上行，并使其位于罐体顶部位置处，在上行过程中旋转驱动机构与蜗杆间分离，避免盛样底座旋转，然后将样本放置到盛样底座上并定位，最后对罐体进行密封；

第三步，样本定位，完成第二部操作后，通过升降驱动机构驱动蜗杆，使盛样底座下行，并使其位于罐体底部位置处，在下行过程中旋转驱动机构与蜗杆间分离，避免盛样底座旋转，并在完成盛样底座下行后，升降驱动机构与蜗杆分离，蜗杆末端与旋转驱动机构连接。

第四步，冷浸实验，在完成第三步，且样本到达指定位置后，由旋转驱动机构驱动蜗杆，并由蜗杆带动盛样底座和样本进行单向匀速旋转，转速为20r /min,同时将液氮储存瓶内的低温液氮输入到罐体内，并在1—10分钟内，使罐体内温度到达-150℃—-190℃，然后对罐体进行保温保压作业，并保持旋转作业恒定条件下冷浸50—80分钟。

第五步，复位，在完成冷浸作业后，首先将罐体内液氮排空，然后蜗杆与旋转驱动机构分离并与升降驱动机构连接，并通过升降驱动机构驱动，将盛样底座上升到罐体顶部位置即可完成样本更换作业。

本实施例中，所述的第二步、第三步和第五步中，盛样底座上升和下降的速度为度0.03m/s。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。