CN103323346A - 一维应力波岩体试件动态试验仪 - Google Patents

一维应力波岩体试件动态试验仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一维应力波岩体试件动态试验仪，包括：基座（15）、固定于所述基座（15）上的输入杆（6）和输出杆（12）、向所述输入杆（6）施加应力的应力波输出装置和用于处理应力波的应力感应处理装置；所述应力波输出装置包括：固定于所述基座（15）上，用于向所述输入杆（6）施加冲击力的激振器（3）；与所述激振器（3）连接的伺服控制系统；与所述伺服控制系统通信连接，用于控制所述伺服控制系统向所述激振器（3）施加的冲击信号的主控器（18）。本发明提供的一维应力波岩体试件动态试验仪，以便于进行不同加载速率下的一维可控应力波与岩体试件之间相互作用规律的研究。

Description

一维应力波岩体试件动态试验仪
技术领域
本发明涉及岩石动力学试验设备技术领域，特别涉及一种一维应力波岩体试件动态试验仪。
背景技术
在地震工程、爆破工程、岩体动力学等领域中，地震冲击波、爆炸应力波是岩石工程中常见的动力荷载。当岩体受到动力荷载作用时，往往表现出与静力荷载不同的力学性能，其应力、应变状态的变化以应力波的方式传播。
目前，在岩石力学中，对于岩体试件的加载方式通常为准静态加载方式，而准动态或动态条件下测试岩体试件力学性质的技术还很不完善。在本技术领域内，常用的霍普金森杆冲击以及炸药爆破的实验技术虽然可以研究岩体试件与应力波之间相互作用规律，但是动态加载的应力波的形式无法控制，而且应力波的频率一般为在1KHz左右的高频段，无法对中低频段的应力波与岩体试件之间相互作用规律进行研究。
因此，如何进行不同加载速率下的一维可控应力波与岩体试件之间的相互作用规律的研究，已成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种一维应力波岩体试件动态试验仪，以便于进行不同加载速率下的一维可控应力波与岩体试件之间相互作用规律的研究。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种一维应力波岩体试件动态试验仪，包括：基座、固定于所述基座上的输入杆和输出杆、向所述输入杆施加应力的应力波输出装置和用于处理应力波的应力感应处理装置；
所述应力波输出装置包括：
固定于所述基座上，用于向所述输入杆施加冲击力的激振器；
与所述激振器连接的伺服控制系统；
与所述伺服控制系统通信连接，用于控制所述伺服控制系统向所述激振器施加的冲击信号的主控器。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，还包括与所述激振器连接并用于检测所述激振器的冲击力的压力传感器，所述压力传感器与所述主控器通信连接。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述伺服控制系统为液压伺服控制系统，其包括：固定设置于所述基座上的伺服阀，所述激振器设置于所述伺服阀上；与所述伺服阀连接的液压系统。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述液压系统包括油压站及与所述油压站连接的油源水冷系统。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述输入杆及所述输出杆均通过支撑装置支撑于所述基座上；
所述支撑装置包括与所述基座固定连接的支撑座及设置于所述支撑座上的定位把手；
所述支撑座上设置有水平通孔及与所述水平通孔连通的螺纹孔，所述定位把手具有与所述螺纹孔相配合的螺杆。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述螺杆的轴线与所述水平通孔的轴线垂直。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述定位把手的数量为两个，分别为水平定位把手及竖直定位把手。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述输入杆靠近所述应力波输出装置的一端设置有波形整形器。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，还包括与所述基座固定连接的减振后座，所述减振后座与所述输出杆远离所述应力波输出装置的一端相抵。
优选地，在上述一维应力波岩体试件动态试验仪中，所述应力感应处理装置包括：
设置于所述输入杆上的第一应变片和第二应变片；
设置于所述输出杆上的第三应变片和第四应变片；
与所述第一应变片、所述第二应变片、所述第三应变片和所述第四应变片通信连接的超动态应变仪；
与所述超动态应变仪通信连接的数据处理装置。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的一维应力波岩体试件动态试验仪，通过主控器的控制，对伺服控制系统输送控制信号并使伺服控制系统控制激振器向输入杆施加不同速度的冲击力。激振器在伺服控制系统的控制下，对输入杆施加不同速度的冲击力，运用分离式霍普金森杆的一维波动假定和均匀性假定，进行不同加载速率下的一维可控应力波与岩体试件之间相互作用规律的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一维应力波岩体试件动态试验仪的结构示意图；
图2为图1中I-I面的结构示意图；
图3为图1中II-II面的结构示意图；
其中，伺服阀1，压力传感器2，激振器3，波形整形器4，第一应变片5，输入杆6，第二应变片7，岩体试件8，支撑装置9，支撑座9a，水平定位把手9b，竖直定位把手9c，第三应变片10，输出杆12，第四应变片13，减振后座14，基座15，数据处理装置16，超动态应变仪17，主控器18，油源水冷系统19，油压站20，线路箱21。
具体实施方式
本发明公开了一种一维应力波岩体试件动态试验仪，以便于进行不同加载速率下的一维可控应力波与岩体试件之间相互作用规律的研究。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的一维应力波岩体试件动态试验仪的结构示意图；图2为图1中I-I面的结构示意图。
本发明实施例提供了一种一维应力波岩体试件动态试验仪，包括：基座15、固定于基座15上的输入杆6和输出杆12、向输入杆6施加应力的应力波输出装置和用于处理应力波的应力感应处理装置；其重点在于，应力波输出装置包括：固定于基座15上，用于向输入杆6施加冲击力的激振器3；与激荡器3连接的伺服控制系统；与伺服控制系统通信连接，用于控制伺服控制系统向激振器3施加的冲击信号的主控器18。
本发明实施例提供的一维应力波岩体试件动态试验仪，通过主控器18的控制，对伺服控制系统输送控制信号并使伺服控制系统控制激振器3向输入杆6施加不同速度的冲击力。激振器3在伺服控制系统的控制下，对输入杆6施加不同速度的冲击力，运用分离式霍普金森杆的一维波动假定和均匀性假定，便于测出不同加载速率下一维可控应力波与岩体试件8相互作用的规律。
优选地，主控器18为双回路闭环主控器。
为了忽略横向惯性效应，以满足一维应力波理论，输入杆6的长度是其端面直径的20倍以上；输出杆12的长度是其端面直径的20倍以上。在本实施例中，优选输入杆6与输出杆12的端面直径小于等于100mm，即输入杆6与输出杆12的长度小于等于2000mm。
通过上述装置，可以获得频率范围0～50Hz、最大加载荷载0～89KN下，岩体试件8中一维可控应力波与岩体结构面之间相互作用的规律。
进一步的，输入杆6及输出杆12均为圆柱形岩石杆。
在本实施例中，还包括与激振器3连接并用于检测激振器3的冲击力的压力传感器2，压力传感器2与主控器18通信连接。压力传感器2实时记录激振器3端部的输出力，并反馈到主控器18中，进一步精确了激振器3按照指定的波形输出振动载荷。优选地，压力传感器2与激振器3螺纹连接，以提高两者的连接稳定性。
伺服控制系统为液压伺服控制系统，其包括：固定设置于基座15上的伺服阀1，激振器3与伺服阀1连接；与伺服阀1连接的液压系统。激振器3与伺服阀1连接，通过液压管路与液压系统相接，通过压力传感器2将激振器3端部输出的载荷传递给主控器18，以便于主控器18精确的控制液压系统向伺服阀1输送的压力，进而控制激振器3的激振头向输入杆6加载一维应力波的波形。
如图1所示，液压系统包括油压站20及与油压站20连接的油源水冷系统19。油压站20其上设置的线路箱21，通过线路箱21的输送油管路与伺服阀1的油嘴连接，而主控器18与油压站20连接，通过压力传感器2将激振器3的端部输出的载荷传递转换为压力信号并传递给主控器18，主控器18发送油压输送信号给油压站20，控制油压站20向伺服阀1输送的油量，进而达到控制伺服阀1的压力，达到控制激振器3冲击力的作用，最终实现控制输出的一维应力波的加载波形。通过油源水冷系统19，以便于对油压站20内的油液进行冷却。
在本实施例中，输入杆6及输出杆12均通过支撑装置9支撑于基座15上；支撑装置9包括与基座15固定连接的支撑座9a及设置于支撑座9a上的定位把手，支撑座9a上设置有水平通孔及与水平通孔连通的螺纹孔，定位把手具有与螺纹孔相配合的螺杆。其中，支撑座9a固定设置于基座15上，水平通孔的轴线与基座15平行。
以输出杆12及支撑装置9为例，输出杆12套设于支撑座9a上的水平通孔内，定位把手的螺杆与螺纹孔配合，螺杆穿过螺纹孔与输出杆12的周壁相抵，通过控制螺杆与螺纹孔的配合达到控制输出杆12在水平通孔内的位置，进而调整输出杆12的位置，使其轴线与输入杆6的轴线对齐，以便提高测试精度。
其中，支撑座9a与基座15通过螺栓固定连接。
优选地，螺杆的轴线与水平通孔的轴线垂直。
定位把手的数量为两个，分别为水平定位把手9b及竖直定位把手9c。
以输出杆12及支撑装置9为例，在确保输出杆12在轴向的自由度的同时，调整输出杆12在水平通孔内的位置。也可以设置一个或三个及以上的定位把手。仅需支撑并定位输出杆12，使得输出杆12水平放置并可轴向运动。
如图1所示，输入杆6靠近应力波输出装置的一端设置有波形整形器4。提高输入的一维应力波的波形更完整，有利于检测一维应力波在岩体试件8上的传播特性。
还包括与基座15固定连接的减振后座14，减振后座14与输出杆12远离应力波输出装置的一端相抵。其中，减振后座14与基座15通过螺栓固定连接。
应力感应处理装置包括：设置于输入杆6上的第一应变片5和第二应变片7；设置于输出杆12上的第三应变片10和第四应变片13；与第一应变片5、第二应变片7、第三应变片10和第四应变片13通信连接的超动态应变仪17；与超动态应变仪17通信连接的数据处理装置16。通过在输入杆6上设置第一应变片5和第二应变片7，在输出杆12上的第三应变片10和第四应变片13，在一维波动理论下，可以测得输入杆6及输出杆12在不同位置处的应变，从而可以间接测得不同应变率下岩体试件8的应力-应变曲线。
也可以在输入杆6和输出杆12上均设置一个应变片，还可以将应变片设置在岩体试件8上。
为了提高岩体试件8与输入杆6和输出杆12的接触面的连接紧密性，在输入杆6及输出杆12与岩体试件8接触的端面上设置有高强度胶层，以便于紧密粘合岩体试件8。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种一维应力波岩体试件动态试验仪，包括：基座（15）、固定于所述基座（15）上的输入杆（6）和输出杆（12）、向所述输入杆（6）施加应力的应力波输出装置和用于处理应力波的应力感应处理装置；
其特征在于，所述应力波输出装置包括：
固定于所述基座（15）上，用于向所述输入杆（6）施加冲击力的激振器（3）；
与所述激振器（3）连接的伺服控制系统；
与所述伺服控制系统通信连接，用于控制所述伺服控制系统向所述激振器（3）施加的冲击信号的主控器（18）。
2.如权利要求1所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，还包括与所述激振器（3）连接并用于检测所述激振器（3）的冲击力的压力传感器（2），所述压力传感器（2）与所述主控器（18）通信连接。
3.如权利要求1所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述伺服控制系统为液压伺服控制系统，其包括：固定设置于所述基座（15）上的伺服阀（1），所述激振器（3）设置于所述伺服阀（1）上；与所述伺服阀（1）连接的液压系统。
4.如权利要求3所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述液压系统包括油压站（20）及与所述油压站（20）连接的油源水冷系统（19）。
5.如权利要求1所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述输入杆（6）及所述输出杆（12）均通过支撑装置（9）支撑于所述基座（15）上；
所述支撑装置（9）包括与所述基座（15）固定连接的支撑座（9a）及设置于所述支撑座（9a）上的定位把手；
所述支撑座（9a）上设置有水平通孔及与所述水平通孔连通的螺纹孔，所述定位把手具有与所述螺纹孔相配合的螺杆。
6.如权利要求5所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述螺杆的轴线与所述水平通孔的轴线垂直。
7.如权利要求5或6所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述定位把手的数量为两个，分别为水平定位把手（9b）及竖直定位把手（9c）。
8.如权利要求1所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述输入杆靠近所述应力波输出装置的一端设置有波形整形器（4）。
9.如权利要求1所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，还包括与所述基座固定连接的减振后座（14），所述减振后座（14）与所述输出杆远离所述应力波输出装置的一端相抵。
10.如权利要求1所述的一维应力波岩体试件动态试验仪，其特征在于，所述应力感应处理装置包括：
设置于所述输入杆（6）上的第一应变片（5）和第二应变片（7）；
设置于所述输出杆（12）上的第三应变片（10）和第四应变片（13）；
与所述第一应变片（5）、所述第二应变片（7）、所述第三应变片（10）和所述第四应变片（13）通信连接的超动态应变仪（17）；
与所述超动态应变仪（17）通信连接的数据处理装置（16）。
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