CN103616279A - 用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置 - Google Patents

Abstract

一种用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，移动台安装在支架的上表面，能够在Z方向和Y方向移动。加压缸体安放在移动台的上表面，并能够在X方向移动。两个内衬套的一端分别装入隔油橡胶套两端的内孔中；两个内衬套的另一端分别装入两个外套的内孔中。通过一对外套将两个内衬套、油缸和隔油橡胶套固紧。油缸的内表面与隔油橡胶套的外表面之间形成了液压油室。在油缸的圆周上分别有一个进油口/压力表接口和一个排气孔。本发明能够广泛应用于人防工程、岩土工程、地下工程等领域岩石、混凝土类材料的室内霍普金森压杆动静组合加载试验中，具有施压准确、均匀，稳定性高，试件定位准确，试验成功率高，使用年限长等特点。

Description

用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置

技术领域

本发明涉及材料动力特性测试领域，具体涉及一种用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置。

背景技术

分离式霍普金森压杆试验装置是研究材料动态力学性能的重要设备之一，最初主要用于研究材料在单轴冲击加载下的压缩、劈拉和扭转等力学性能。在隧道工程、人防工程等基础设施建设中，岩石、混凝土等材料在承受动荷载之前往往已经处于一定的静应力或地应力作用中，即材料处于三向应力状态。因此，在原有霍普金森压杆试验装置的基础上，经过一定方式的改造，使得其能够用于研究动静组合加载条件下材料的力学响应则更具有现实意义。为此，一些研究人员开发了三轴霍普金森压杆试验装置，并进行了相关试验研究和理论分析。目前，三轴霍普金森压杆试验装置从装置构造特征和实现的功能上可以分为两大类：常规三轴霍普金森压杆试验装置和动静组合加载三轴霍普金森压杆试验装置。常规的三轴霍普金森压杆试验装置是参照静态试验机的工作原理设计的，即在普通霍普金森压杆试验装置的基础上，设计一个环向加压装置，在与冲击荷载方向垂直的平面内施加围压，冲击荷载方向并不施加静压力，然后再进行冲击试验；动静组合加载三轴霍普金森压杆试验装置是在冲击试验前，在三维方向均施加静荷载。无论何种三轴霍普金森压杆试验装置，绝大多数都设计了一个用于施加围压的环向加压装置。

中国专利CN201110200000.2公开了一种稳压的霍普金森杆主动围压装置。该装置包括围压装置和稳压装置两部分。围压装置包括液压油室以及设置在液压油室内的橡胶隔层，液压油室由上部件和下部件构成，上、下部件之间采用0型橡胶密封件密封连接；橡胶隔层通过两个端部的卡环固定在下部件上。上部件设置接口，接口通过高压油管与稳压装置连接，稳压装置包括油缸以及设置在油缸端部的气襄。稳压原理为在冲击加载过程中，试件变形将导致围压装置内液压油体积变化，该体积变化可通过高压油管传入到油缸中去，由油缸内气囊吸收，进而可以确保主动围压提供的压力值在试验过程中保持恒定。该套装置设计、加工方便，操作简单，并试图通过该装置实现稳定的围压加载。但该装置存在以下两点不足：（1）难以在试验过程中提供准确、稳定的围压。其一，0型橡胶密封件材质较软，尺寸较小，在较大的油压下难以有效地密封液压油室和连接上、下部件；仅在端部用卡环将橡胶隔层固定在下部件上，只能在局部范围内实现密封，在试件变形及破坏飞溅过程中橡胶隔层很可能会发生较大变形和位移，从而对围压值造成较大影响。其二，气囊的存在使得在加压过程中测量表盘中的示数上下波动较大，需要较长时间才能达到相对稳定值，较大程度地影响装置的使用效率。其三，对于混凝土、岩石等脆性材料而言，冲击破坏时的应变通常在0.002左右，微小的变形使得液压油体积基本不发生变化；粘稠的液压油具有对压力传导的惰性，从开始受压到传递压力的反应时间较长，而试件破坏前的冲击加载时间仅为0.1-0.3ms，液压油体积的微小变化传至气囊前试件已经发生破坏，稳压装置并不能起到较好的稳压效果。（2）该围压装置只适用于直径为74mm的霍普金森压杆试验系统，并不能有效测试岩石、混凝土类材料在有环向压力作用下的冲击力学性能。各向异性和不均质性是岩石、混凝土类材料的两大主要特点，内部存在大量孔隙及微裂缝，颗粒粒径较大，其中混凝土粗骨料的粒径可达40mm以上。当采用较小尺寸的霍普金森压杆进行试验时，试件的尺寸也相应较小，大颗粒的组分在材料内部所占的比例较大，使得材料具有严重的不均质性，从而导致测试结果并不能真实反映材料整体的力学性能，并且测试结果的离散性也较大。

北京科技大学于亚伦1992年在《岩土工程学报》上发表的题为“用三轴SHPB装置研究岩石的动载特性”的文章中提出了一种用于霍普金森压杆的围压装置。该装置的主体由油压缸及其控制系统构成，能提供轴向及与轴向垂直平面内的静水压力。油压缸耐压100MPa，油压动力系统采用轴向柱塞高压油泵，并采用增压比为1:7.5的增压器来获得油压缸的超高压。试验时，将套有橡胶套的岩石试件装入油压缸内，并加以密封，利用轴向油压系统将试件两端夹紧，再用侧向压力系统于试件周围施加一定的围压。从作者的表述中可知橡胶套并不是固定于围压装置内，构成围压装置的组成部分，而是在试验前将其套在岩石试件上，对于试件如何定位，油压系统如何提供稳定的围压文中并没有详细的介绍。并且在上述文章以及后续一系列采用该装置进行岩石动力特性的研究中，我们无法清晰地了解到该装置的基本构造，各组成部件的功能及它们之间的相互位置关系，施加围压的基本原理以及使用流程等。此外，与专利CN201110200000.2类似，该装置仅适用于直径为30mm的霍普金森压杆，并不能有效测试岩石、混凝土类材料在有环向压力作用下的冲击力学性能。

中南大学李夕兵2009年在《岩土力学》上发表的题为“三轴压缩岩石动静组合强度及变形特征的研究”的文章中提出了一种用于霍普金森压杆的围压装置，可以承受满足工程应用的压力范围为0-200MPa。该围压装置主要由油缸、隔油橡胶套、液压油进出口、支座等组成。围压的加、卸载过程通过与油缸相连的手动泵控制，当需要施加围压时，启动手动泵，液压油从进油口进入油缸，缸内气体由排气孔排出，当余气排完时，关闭排气孔，油缸内压力开始增加，当油压达到所需要的压力时，关闭进油口；试验完毕，打开进油口，油缸内液压油流回油泵。通过作者关于该围压装置的一系列研究，我们只能大致了解该装置的基本构造，但对该装置各个组成部位的基本功能，相互间的位置关系以及该装置如何提供准确而稳定的围压等都无法得到一个清晰而透彻的认识。此外，该装置仅适用于直径为50mm的霍普金森压杆，并不能有效测试岩石、混凝土类材料在有环向压力作用下的冲击力学性能。

发明内容

为克服现有环向加压装置存在的或者无法提供准确、稳定的环向压力，或者无法清晰地解释环向加压装置的构造及工作原理，或者无法对岩石、混凝土等材料进行环向压力作用下冲击力学性能测试的不足，本发明提出了一种用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置。

本发明包括支架、移动台和加压缸体。所述移动台安装在支架的上表面，并通过支架螺母调节移动台在Z方向的高度，通过台架螺母调节移动台在Y方向的位移。加压缸体安放在所述移动台的上表面，并通过位于移动台上表面的滚珠在X方向移动。所述加压缸体由两个内衬套、隔油橡胶套、保护套、两个外套和油缸组成；两个内衬套外端的圆周表面分别为隔油橡胶套和一对外套的配合面，将两个内衬套的一端分别装入隔油橡胶套两端的内孔中；将两个内衬套的另一端分别装入两个外套的内孔中；油缸套装在隔油橡胶套阶梯状外圆表面的的最大外径上，并且该油缸的两端分别嵌入各外套内，通过一对外套将两个内衬套、油缸和隔油橡胶套固紧。油缸的内表面与隔油橡胶套的外表面之间形成了液压油室。在油缸的圆周上分别有一个进油口/压力表接口和一个排气孔。

所述隔油橡胶套中部的外径最小，两端的外表面均为两级阶梯，并且两端端头处外径最大。隔油橡胶套中部的内径略大于试件、入射杆和透射杆的外径；所述隔油橡胶套两端的内径与内衬套一端的外径相同。

所述两个内衬套的内径与隔油橡胶套中部的内径相同。两个内衬套的外圆周表面均为中间高两端低的阶梯状，其中各内衬套一端的外径与所述隔油橡胶套一端的内径相同，形成了内衬套与所述隔油橡胶套配合的配合面；内衬套另一端的外径和该内衬套中部的外径均与外套一端的内径相同，形成了内衬套与所述外套配合的配合面。

所述外套的内孔为阶梯孔，其中一端的二级阶梯孔的孔径均与内衬套上的配合面处的外径相同，另一端的阶梯孔的孔径与油缸的外径相同，使该处阶梯孔形成了与油缸外表面配合的配合面。

所述的移动台包括台架、滚珠、限位条和滚珠架。所述移动台面板的上表面为凹弧面，该面板上表面的半径大于加压缸体的最大半径。在所述移动台的面板圆弧凹面，均布并固定有多个限位条和多个滚珠架。所述多个限位条长度方向的中心线和多个滚珠架长度方向的中心线均与移动台的面板长度方向的中心线平行。若干个滚珠嵌装在各滚珠架上的滚珠孔内。各滚珠架上滚珠的位置相互错开。

所述支架包括4个支杆和调节板；所述调节板安装在支杆上端面，并通过支架螺母调节和固定调节板在Z方向的高度。在所述调节板上分布有4个调节槽，该调节槽的位置分别与台架支杆的位置对应，通过台架螺母将所述台架支杆安装在该调节槽内，并在所述调节槽内调节台架支杆在Y方向的位置。

试验时，打开环向加压装置主体上的排气孔及表盘开关，启动手动液压泵，液压油从液压泵流出，通过相应的管道，流经测量系统并测得液压油的压力，再通过进油口流入液压油室；室内气体由排气孔排出，当气体全部排出之后，关闭排气孔，液压油室内液压开始升高。由于测量系统和液压油室串联，且液压油室密封较好，油压的准确性、均匀性和稳定性可以得到保证。当液压达到所需的压力值时，关闭进油口。推动入射杆和透射杆到预定位置，激发子弹，完成试验。试验完毕，打开进油口，液压油从液压油室内流回液压泵。

本发明包括环向加压装置主体，支撑调节定位装置，测量系统和液压泵。所述的环向加压装置主体由油缸、进油口、排气孔、液压油室、橡胶套、钢圈和钢壳体组成；所述的支撑定位装置由弧形滑槽和支架组成；所述的测量系统包括液压表盘和支座；所述的液压泵包括液压泵主体和手动摇杆。环向加压装置主体装置安放在支撑调节定位装置的弧形滑槽上。

本发明中，弧形滑槽内的滚珠、支架上的螺杆和滑槽使得环向加压装置主体可以在上下、左右和前后三个方向移动，调节方便。

液压油室密封性好，能够保证油压的稳定性。液压泵可施加0～40MPa范围内的压力，能够满足工程需要的范围。液压表盘直径为160mm，量程有16Mpa，48Mpa和64Mpa三个级别，测试精度分别为0.1Mpa，0.2Mpa和0.4Mpa，试验时可根据需要选用相应的仪表。液压油使用国家标准的YB-N32号液压机械油。

通过本发明，对试件预先施加环向压力，进行霍普金森压杆动静加载试验。支撑调节定位装置和环向加压装置主体固定于入射杆和透射杆之间的地面上，支撑调节定位装置用于对环向加压装置主体进行调节和定位，环向加压装置主体用于对试件施加环向压力和定位。本发明的环向加压装置用于岩石、混凝土类材料动静组合加载试验的有益效果是成本小，操作调节方便，可同时满足试件的加压、稳压和定位需求，能够保证试件所受环向压力的稳定性、均匀性，确保试件定位的准确性，提高试验成功率和试验精度。

本发明中，环向加压装置能够提供准确而稳定的环向压力。一方面，液压油室的密封效果好。首先，需要密封的部位较少。围压装置主体并不采用左右或者上下开合的方式，而是整体铸造成型，将两个部分合二为一，省去了两个部分之间的连接和密封。其次，橡胶套不用螺母固定，而是选用密封胶将其与油缸、钢圈和钢壳体的连接处进行密封，密封面积大，密封效果牢。再次，在橡胶套与油缸接触面的垂直方向上，用密封圈沿周长进行密封，确保了液压油室的密封效果。此外，该环向加压装置应用于大直径霍普金森压杆试验装置，橡胶套和油缸的直径较大，因而液压油室的体积较大，而岩石、混凝土等脆性材料破坏前的变形较小，使得试验过程中试件体积变形对环向压力的影响可以忽略不计。另一方面，液压泵、液压表盘和液压油室串联连接，使得液压油室内的压力与表盘的示数保持一致，油压测试准确。

保护膜的使用能够使试件表面各个部位受到均匀的环向压力。在对试件施加环向压力前，用一个与围压装置主体等长的光滑均匀的保护膜将试件、入射杆和反射杆包裹一周，一方面可以防止因橡胶套表面的不平整而使得施加在试件上的压力不均匀，另一方面也可以防止橡胶套的老化变形而施加不均匀的环向压力。此外，该保护膜还可以防止试件破坏时碎块的飞溅对橡胶套造成损伤，延长橡胶套的使用寿命。

环向加压装置主体和支撑调节定位装置协同工作，使得该装置在三维方向上可以任意调节，试件对中、定位准确，试验结果可靠。

本发明能够广泛应用于人防工程、岩土工程、地下工程等领域岩石、混凝土类材料的室内霍普金森压杆动静组合加载试验中，具有施压准确、均匀，稳定性高，试件定位准确，试验成功率高，使用年限长等特点。图9给出了岩石试件在预先施加环向压力下的冲击试验波形图；图10给出了岩石试件在无环向压力和有环向压力下的冲击压缩应力应变曲线。根据材料力学知识可知，岩石类材料在三轴加载下的抗压强度明显高于单轴加载，且呈现一定的塑性特征。从图10中可以看出，使用该装置施加环向压力后，岩石试件的抗压强度显著提高，其应力应变曲线呈双线性，塑性特征明显。

本发明适用于Φ100mm霍普金森压杆试验的环向加压装置，解决了岩石、混凝土类材料在有环向压力作用下的冲击力学性能测试问题。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为加压缸体的结构示意图；

附图3为图2的侧视图；

附图4为台架的结构示意图；

附图5为图4的俯视图；

附图6为图4中A-A剖面图；

附图7为支架的结构示意图；

附图8为调节板的结构示意图；

附图9为岩石试件在动静组合加载下的波形图；

附图10为岩石试件的应力应变曲线。附图中：

1.入射杆；2.密封圈；3.液压油室；4.排气孔；5.油缸；6.隔油橡胶套；7.透射杆；8.内衬套；9.保护套；10.进油口/压力表接口；11.试件；12.外套；13.滚珠；14.限位条；15.滚珠架；16.固定螺母；17.支架螺母；18.台架螺母；19.支架；20.无环向压力；21.加压缸体；22.台架；23.调节板；24.入射波；25.透射波；26.反射波；27.有环向压力。

具体实施方式

本实施例是一种用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，包括支架19、移动台和加压缸体21。所述移动台安装在支架10的上表面，并通过支架螺母17调节移动台在Z方向的高度，通过台架螺母18调节移动台在Y方向的位移。加压缸体21安放在所述移动台的上表面，并通过位于移动台上表面的滚珠产生X方向的移动。

所述的加压缸体21包括液压油室3、油缸5、隔油橡胶套6、保护套9、一对内衬套8和一对外套12。其中，一对内衬套8的外圆周表面为阶梯状，该内衬套外两端的圆周表面分别为隔油橡胶套6和一对外套12的配合面，具体是：将两个内衬套8的一端分别装入隔油橡胶套6两端的内孔中；将两个内衬套8的另一端分别装入两个外套12的的内孔中。

油缸5套装在隔油橡胶套6阶梯状外圆表面的的最大外径上，并且该油缸5的两端分别嵌入各外套12内，通过一对外套12将两个内衬套8、油缸5和隔油橡胶套6固紧成为缸套。油缸5的内表面与隔油橡胶套6的外表面之间形成了液压油室3。在油缸5的圆周上分别有一个进油口/压力表接口10和一个排气孔4。

由两个内衬套8的内表面和隔油橡胶套6的内表面组成了试件11、入射杆1和透射杆7的缸套。在所述缸套的内表面粘贴有保护套9。所述保护套9用硬质聚酯膜制成，厚度为3mm。

使用时，试件11安放在由两个内衬套8、油缸5和隔油橡胶套6组成的缸套中部，入射杆1和透射杆7分别装入所述缸套的两端。所述试件11、入射杆1和透射杆7的外圆周表面均与缸套内表面的保护套9间隙配合。

所述隔油橡胶套6为等壁厚的圆形壳体，该隔油橡胶套6内表面和外表面的两端均为阶梯状，并且隔油橡胶套6两端端头处的内径和外径均最大。隔油橡胶套6中部的内径略大于试件11、入射杆1和透射杆7的外径，；所述隔油橡胶套6两端的内径与内衬套8一端的外径相同。所述隔油橡胶套6中部的外径最小，两端的外表面均为两级阶梯，并且两端端头处外径最大。

所述内衬套8为中空回转体。内衬套8的内孔为等径孔，其内径与隔油橡胶套6中部的内径相同。两个内衬套8的外圆周表面均为中间高两端低的阶梯状，其中各内衬套8一端的外径与所述隔油橡胶套6两端的内径相同，形成了内衬套8与所述隔油橡胶套配合的配合面。内衬套8另一端的外径和该内衬套8中部的外径均与外套12一端的内径相同，形成了内衬套8与所述外套12配合的配合面。

所述外套12为中空回转体。外套12的内孔为4级阶梯孔，其中一端的2级阶梯孔的孔径均与内衬套8上的配合面处的外径相同，另一端的阶梯孔的孔径与油缸5的外径相同，使该处阶梯孔形成了与油缸外表面配合的配合面。在所述各外套12与内衬套8配合和该外套与油缸5配合的配合面之间，有用于安放密封圈2的阶梯面。

所述的移动台包括台架22、滚珠13、限位条14和滚珠架15。所述移动台面板的上表面为凹弧面，该面板上表面的半径大于加压缸体21的最大半径，以方便加压缸体21的安放。在所述移动台的面板圆弧凹面，均布并固定有多个限位条14和多个滚珠架15。所述多个限位条14长度方向的中心线和多个滚珠架15长度方向的中心线均与移动台的面板长度方向的中心线平行。若干个滚珠13嵌装在各滚珠架15上的滚珠孔内。各滚珠架上滚珠的位置相互错开，即相邻的两根滚珠架上的滚珠孔的中心之间有45°夹角。

在所述台架22的面板下表面分布有4个支杆，在各支杆的下端面中心有螺纹盲孔，通过该螺纹盲孔将移动台安装在支架19的调节板23上。

支架19为框架结构，包括4个支杆和安装在该支杆上的调节板。所述各支杆上端面均有螺纹孔。所述调节板23的四角分布有螺纹孔，通过螺杆将所述调节板安装在支杆上，并通过支架螺母17调节和固定调节板在Z方向的高度。在所述调节板上分布有4个调节槽，该调节槽的位置分别与台架支杆的位置对应，通过台架螺母18将所述台架支杆安装在该调节槽内，并在所述调节槽内调节台架支杆在Y方向的位置。

使用时，先将支架19置于入射杆与透射杆之间，通过螺纹盲孔将移动台安装在支架19的调节板上，再将加压缸体21置于移动台上。移动支架19调节加压缸体21在Y方向的位置，使得入射杆1与透射杆7在Y方向上大致位于所述缸套中部；通过支架螺母17调节加压缸体21在Z方向的位置，使得入射杆1与透射杆7在Z方向上大致位于所述缸套中部。将试件11置于缸套中部，使其轴线平行于X方向；将入射杆1和透射杆7分别从所述缸套的两端装入，压紧试件11。通过移动台上的滚珠13调节试件11在X方向的位置，使得射杆1与透射杆7装入所述缸套的长度大致相等。Z方向微调支架螺母17使得试件11在Z方向位于入射杆1与透射杆7的中部；Y方向微调台架螺母18使得试件11在Y方向位于入射杆1与透射杆7的中部移动。试件安装与定位完毕，进行冲击试验。

Claims (6)

1.一种用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，其特征在于，包括支架、移动台和加压缸体；所述移动台安装在支架的上表面，并通过支架螺母调节移动台在Z方向的高度，通过台架螺母调节移动台在Y方向的位移；加压缸体安放在所述移动台的上表面，并通过位于移动台上表面的滚珠在X方向移动；所述加压缸体由两个内衬套、隔油橡胶套、保护套、两个外套和油缸组成；两个内衬套外端的圆周表面分别为隔油橡胶套和一对外套的配合面，将两个内衬套的一端分别装入隔油橡胶套两端的内孔中；将两个内衬套的另一端分别装入两个外套的内孔中；油缸套装在隔油橡胶套阶梯状外圆表面的的最大外径上，并且该油缸的两端分别嵌入各外套内，通过一对外套将两个内衬套、油缸和隔油橡胶套固紧；油缸的内表面与隔油橡胶套的外表面之间形成了液压油室；在油缸的圆周上分别有一个进油口/压力表接口和一个排气孔。

2.如权利要求1所述用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，其特征在于，所述隔油橡胶套中部的外径最小，两端的外表面均为两级阶梯，并且两端端头处外径最大；隔油橡胶套中部的内径略大于试件、入射杆和透射杆的外径；所述隔油橡胶套两端的内径与内衬套一端的外径相同。

3.如权利要求1所述用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，其特征在于，两个内衬套的内径与隔油橡胶套中部的内径相同；两个内衬套的外圆周表面均为中间高两端低的阶梯状，其中各内衬套一端的外径与所述隔油橡胶套一端的内径相同，形成了内衬套与所述隔油橡胶套配合的配合面；内衬套另一端的外径和该内衬套中部的外径均与外套一端的内径相同，形成了内衬套与所述外套配合的配合面。

4.如权利要求1所述用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，其特征在于，所述外套的内孔为阶梯孔，其中一端的二级阶梯孔的孔径均与内衬套上的配合面处的外径相同，另一端的阶梯孔的孔径与油缸的外径相同，使该处阶梯孔形成了与油缸外表面配合的配合面。

5.如权利要求1所述用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，其特征在于，所述的移动台包括台架、滚珠、限位条和滚珠架；所述移动台面板的上表面为凹弧面，该面板上表面的半径大于加压缸体的最大半径；在所述移动台的面板圆弧凹面，均布并固定有多个限位条和多个滚珠架；所述多个限位条长度方向的中心线和多个滚珠架长度方向的中心线均与移动台的面板长度方向的中心线平行；若干个滚珠嵌装在各滚珠架上的滚珠孔内；各滚珠架上滚珠的位置相互错开。

6.如权利要求1所述用于大直径霍普金森压杆的环向加压装置，其特征在于，所述支架包括4个支杆和调节板；所述调节板安装在支杆上端面，并通过支架螺母调节和固定调节板在Z方向的高度；在所述调节板上分布有4个调节槽，该调节槽的位置分别与台架支杆的位置对应，通过台架螺母将所述台架支杆安装在该调节槽内，并在所述调节槽内调节台架支杆在Y方向的位置。

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