CN101403665B - 用于岩石冲击实验的试样加热装置 - Google Patents

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本发明提供一种用于岩石冲击实验的试样加热装置，可用于岩石SHB(Split Hopkinson Bar)和动静组合加载等岩石冲击实验，属于岩石力学研究领域。装置包括调节滑道(9)，定位螺柱(10)，电阻丝(11)，找平螺栓(12)，支架(13)，电源开关(14)，可调保温仓门(15)，热电耦出入孔(16)，加热腔(17)，碳纤维增强合金筒(18)和保温仓(19)。本发明通过使用耐冲击、耐高温的碳纤维增强合金筒、可调保温仓门和装置底座的四个调平螺栓，实现岩石冲击实验过程中试样的持续恒定高温和冲击应力波加载的同步进行，为深部岩石力学研究提供了一种独特的实验装置。

Description

用于岩石冲击实验的试样加热装置
技术领域
本发明涉及一种试样加热装置，特别是涉及一种用于岩石冲击实验的试样加热装置。
技术背景
在资源开采过程中，大量使用凿岩、爆破等方式对岩石进行破碎，这就需要掌握岩石的动态力学行为。这些力学行为通常是通过实验室开展各类冲击实验来获得，目前应用比较广泛而且结果比较可靠的冲击实验系统是SHB(Split Hopkinson Bar)装置，以及由此改进而出现的各种变形装置(如岩石动静组合加载实验装置，国家发明专利ZL200510032031.6)。
在传统SHB测试中，岩石试样往往在常温下进行，然而，随着资源开采深度的不断增加，地热梯度以每100米3摄氏度增加，当凿岩、爆破等破岩活动在地下数千米深度进行时，那里的岩石自身温度远远高于常温，其力学特性也与室温实验结果有较大差别。以采矿活动为例，原来矿山开采都在几百米深度以内，室温岩石力学实验结果应用于工程设计和施工比较合理，没有出现大的工程灾害；近年来，大量矿山转入地下1000米以下的深度进行矿石开采，南非一些矿山甚至进入了4000米的开采深度，在这些高深度环境下，观测到许多传统岩石力学无法解释的现象：岩体大范围分区破裂、岩爆异常、岩性脆延转化等。引起这些异常的主要因素之一就是深部岩石处于一种相对高温状态，其冲击力学行为与常温截然不同。因此，研制相应的加热装置进行高温岩石的冲击力学特性实验成了当前岩石力学领域亟待开展的工作。
在发展相对成熟的SHB装置上开展高温岩石力学实验，首要解决的就是试样的加热问题。在利用SHB装置进行金属材料测试中，一些学者开展了高温下材料动态冲击实验。在这些实验中，以试样在测试中所处的受热状态可分为两种：①试样离开热源实验方式。这种方法在冲击实验开始前，对试样进行高温加热，然后取出试样放入SHB装置进行冲击实验。这种方法有两个缺点：一是试样从高温炉中取出后温度迅速下降，等到冲击实验测试时，试样温度已不是加热炉中测到的温度，需要进行试样温度校正才能使用结果；二是在入射杆、透射杆与试样接触的过程中，由于入射杆、透射杆和试样都具有强导热性，致使试样两端和中间温度差异较大。Lennon、李玉龙等研究表明，如果接触时间超过1ms，试样长度方向的温度差异将超过10％，这就要求设备自动组装十分迅速。②试样不离开热源实验方式。为了克服方法①中存在的不足，有学者研究了多种试样不离开热源的材料冲击实验设备。有的是将试样与入射杆、透射杆对好后进行一同快速加温，在结果处理时对入射杆、透射杆端部温度梯度引起的应力波畸变进行修正；有的在入射杆、透射杆和试样接触近区使用绝热材料；有的使用单向或双向的快速自动组装机构(发明专利：用于高温霍普金森压杆实验的双向气路自动组装装置，谢若泽等)。这些金属材料的高温冲击实验研究对岩石高温冲击实验研究有很多的借鉴之处，但岩石作为一种脆性材料，与金属材料有着完全不同的力学特性和破坏行为，实验装置自然不同。在高温冲击实验中，岩石与金属最大的不同有两点：一是低热导性，其与入射杆、透射杆接触后，温度传播极慢，三者温度梯度变化都不大；二是试样在冲击下的破裂是伴随有大量高速弹射碎块的崩射型破坏，这些碎块可击穿常规加热炉的石棉、陶瓷内罩。因此，用SHB进行金属材料高温冲击实验的重点在于试样与入射杆、透射杆的快速组装和入射杆、透射杆、试样温度梯度变化的有效控制；而用SHB进行岩石高温冲击实验的重点则是试样与入射杆、透射杆的精确组装和试样加热设备的抗冲击选材。
本发明以SHB装置为基础，发明试样不离开热源的加热装置，提供相应关键技术和产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现岩石试样不离开热源、保证试样与入射杆、透射杆精确对齐，有效防止破碎岩块击坏加热炉内罩的用于岩石冲击实验的试样加热装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的用于岩石冲击实验的试样加热装置，支架上水平设有圆筒状的保温仓，在所述的保温仓内轴向水平设有碳纤维增强合金筒，所述的碳纤维增强合金筒内形成有加热腔，所述的碳纤维增强合金筒上设有电阻丝，所述的电阻丝通过电源开关与加热腔温度监测与控制仪电连接，所述的加热腔温度监测与控制仪电连接有热电耦，在所述的保温仓上设有与所述的加热腔两端口分别对应的可调保温仓门，所述的可调保温仓门上设有调节滑道，在所述的保温仓上设有与所述的调节滑道对应的定位螺柱，所述的可调保温仓门可沿所述的调节滑道的延伸方向上下移动，所述的可调保温仓门上设有与所述的加热腔和所述的热电耦对应的热电耦出入孔，所述的支架上设有调平装置。
所述的调平装置为设在所述的支架上四角的四个找平螺栓。
采用上述技术方案的用于岩石冲击实验的试样加热装置，通过松开定位螺柱，可调保温仓门可沿调节滑道上下移动，方便冲击设备中入射杆、透射杆和试样自由进出加热腔；安装在支架上的四个找平螺栓可上下旋动，保障入射杆、透射杆与试样中心对齐并在端面间保持完好接触；在打开电源开关开启加热装置后，电阻丝发热，加热腔温度升高，通过调节加热腔温度监测与控制仪上的温度指示与控制盘、电压控制旋钮和电流控制旋钮，使加热温度达到预定值；热电耦根据加热腔长度特制而成，一端通过热电耦出入孔进入加热腔进行腔内温度感应，另一端与温度指示与控制盘连接，显示加热腔内的实时温度；加热腔外的碳纤维增强合金筒具有耐冲击、耐高温特性，可有效防止高温岩石试样在冲击作用下破碎块体的高速冲撞；最外部的保温仓可有效防止加热腔内热量散失，并与外界起到热隔离作用。
本发明主要优点在于：针对岩石冲击破裂过程中高速碎块的剧烈崩射特点，采用碳纤维增强合金筒作为加热腔的内壁，有效地防止了加热腔的击坏与击穿；通过在试样加热装置的支架上安装找平螺栓，实现了试样与入射杆、透射杆的精确对齐和完好接触；通过在加热腔两端安装可调保温仓门，避免了入射杆、透射杆在出入加热腔时热量的大量散失，保证了试样的恒温状态。
综上所述，本发明是一种能实现岩石试样不离开热源、保证试样与入射杆、透射杆精确对齐，有效防止破碎岩块击坏加热炉内罩的用于岩石冲击实验的试样加热装置。
附图说明
图1为用于高温岩石冲击实验的SHB装置示意图；
图2为本发明用于岩石冲击实验的试样加热装置左视图；
图3为本发明用于岩石冲击实验的试样加热装置剖视图；
图4为加热腔温度监测与控制仪；
图5为可调保温仓门提起一定开口后试样端部温度随时间变化曲线；
图6为测试系统采集到的信号；
图7为实施例得到的岩石在150℃高温下的动态本构曲线。
图中各标号表示：
1、冲头             2、入射杆              3、应变片
4、试样             5、透射杆              6、吸收杆
7、试样加热装置     8、数据采集处理系统    9、调节滑道
10、定位螺柱        11、电阻丝             12、找平螺栓
13、支架            14、电源开关           15、可调保温仓门
16、热电耦出入孔    17、加热腔             18、碳纤维增强合金筒
19、保温仓          20、温度指示与控制盘   21、电源指示灯
22、电压指示盘      23、电流指示盘         24、电压控制旋钮
25、电流控制旋钮    26、热电耦             27、加热腔温度监测与控制仪
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图2、图3和图4，加热装置7的结构是：支架13上水平设有圆筒状的保温仓19，在保温仓19内轴向水平设有碳纤维增强合金筒18，碳纤维增强合金筒18内形成有加热腔17，碳纤维增强合金筒18上设有电阻丝11，电阻丝11通过电源开关14与加热腔温度监测与控制仪27电连接，加热腔温度监测与控制仪27电连接有热电耦26，在保温仓19上设有与加热腔17两端口分别对应的可调保温仓门15，可调保温仓门15上设有调节滑道9，在保温仓19上设有与调节滑道9对应的定位螺柱10，可调保温仓门15可沿调节滑道9的延伸方向上下移动，可调保温仓门15上设有与加热腔17和热电耦26对应的热电耦出入孔16，在支架13的四角设有四个找平螺栓12。
实验在Φ50mm直径SHB装置上测度150℃高温下粉砂的动态本构。
首先将本发明的试样加热装置放于SHB实验台上，将可调保温仓门15沿调节滑道9向上提起，用定位螺柱10暂时固定；将长30mm、直径50mm的粉砂岩试样放入加热腔17中部，轴向与杆件系统平行，调节入射杆2和透射杆5的位置，使其与试样端面对齐；通过调节加热装置7下部支架13上的四个找平螺栓12，达到试样4与入射杆2、透射杆5的精确对齐和完好接触，调节过程中，注意每次对角两个螺栓同步调节，保证试样4的平行移动；松开定位螺柱10，放下可调保温仓门15，使其口部尽可能接近入射杆2、透射杆5顶部，标记出此时可调保温仓门15的高度；退出入射杆2和透射杆5，关闭可调保温仓门15，通过热电耦出入孔16插入热电耦26，同时打开SHB装置数据采集处理系统8，设置好应力波触发水平和采样率等采集参数；接通电源，启动加热腔温度监测与控制仪27(图4)，通过调节加热腔温度监测与控制仪27上的温度指示与控制盘20、电压控制旋钮22和电流控制旋钮23，使加热温度达到预定值，恒温保持30分钟，使试样4均匀受热；取出热电耦26，提起可调保温仓门15到已有标记高度；用热电耦26测试可调保温仓门15提起一定开口后加热腔17内靠近试样4端部的温度在一分钟内随时间变化情况，如图5所示，温度适时波动范围在0.4％以内，大部分时间稳定不变，可见加热腔17内温度基本不受影响，也即试样4温度保持恒定不变；快速滑动入射杆2和透射杆5，使其与试样4紧密接触，移动吸收杆6，使其与透射杆5紧密对心接触；发射冲头1，冲头1撞击入射杆2产生应力波，应力波传入试样4，并通过透射杆5传入吸收杆6；数据采集处理系统8通过应变片3捕获入射杆2和透射杆5上的应力波信号如图6，通过采集到的数据信号进行数据处理可得到本次实例测试的150℃高温下粉砂岩的动态本构曲线如图7所示。

Claims (2)

1.一种用于岩石冲击实验的试样加热装置，其特征在于：支架(13)上水平设有圆筒状的保温仓(19)，在所述的保温仓(19)内轴向水平设有碳纤维增强合金筒(18)，所述的碳纤维增强合金筒(18)内形成有加热腔(17)，所述的碳纤维增强合金筒(18)上设有电阻丝(11)，所述的电阻丝(11)通过电源开关(14)与加热腔温度监测与控制仪(27)电连接，所述的加热腔温度监测与控制仪(27)电连接有热电耦(26)，在所述的保温仓(19)上设有与所述的加热腔(17)两端口分别对应的可调保温仓门(15)，所述的可调保温仓门(15)上设有调节滑道(9)，在所述的保温仓(19)上设有与所述的调节滑道(9)对应的定位螺柱(10)，所述的可调保温仓门(15)可沿所述的调节滑道(9)的延伸方向上下移动，所述的可调保温仓门(15)上设有与所述的加热腔(17)和所述的热电耦(26)对应的热电耦出入孔(16)，所述的支架(13)上设有调平装置。
2.按照权利要求1所述的用于岩石冲击实验的试样加热装置，其特征在于：所述的调平装置为设在所述的支架(13)上四角的四个找平螺栓(12)。
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