CN107300454B - 碎屑流防护结构撞击试验装置 - Google Patents

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    • G01M7/08—Shock-testing

Abstract

本发明涉及安全防护技术领域，具体为碎屑流防护结构撞击试验装置，气缸连接着发射装置，发射装置设置控制开关以控制冲击力的大小；发射装置连接着圆柱形的转轮，转轮有六个弹膛，弹膛分别装有锥形冲击子弹；调速电机与转轮的转轴连接，调速电机和控制开关分别连接发射速度控制器；转轮的发射前方安装有实验防护结构，实验防护结构前安装有高速摄像机。本发明提供的碎屑流防护结构撞击试验装置，采用了转轮式的发射装置实现了子弹的连续发射，从而能模拟碎屑流的连续冲击过程；实验防护结构实现了可调可控，从而能模拟不同形式的碎屑流防护结构；该试验装置提高了试验效率。

Description

碎屑流防护结构撞击试验装置
技术领域
本发明涉及安全防护技术领域，具体为碎屑流防护结构撞击试验装置。
背景技术
在我国西南、西藏山高沟深等地貌条件复杂的地区和山地灾害较多的发达城市如香港，碎屑流加速后撞击防护结构的最高速度可达到50～100m/s，且撞击能量巨大。若在近程加速阶段进行拦截，碎屑流对防护结构的冲击就是一个连续的动态冲击过程。因此开发碎屑流冲击试验装置需要解决两个方面的问题：
其冲击过程是一个动态的冲击过程，因此必须向防护结构提供较大的冲击能量；
其冲击过程是一个连续的冲击过程，因此需要向防护结构提供连续的冲击能量。
矿岩破碎、油井致裂、高速撞击、打桩、弹丸撞靶、常规爆炸及核爆炸防护和一些地震、滑坡、岩爆等一些等灾害性自然现象等都与应力脉冲和冲击荷载作用下的应力波传递有关。在进行撞击试验时，根据应变率的不同可以将实验设备分为以下几个部分：
表1按应变率分级的撞击试验设备
Figure GDA0004078158340000011
传统碎屑流撞击试验采用的是摆锤式重力锤的试验装置，重力锤试验装置虽然试验操作简单，可模拟大尺寸的模型，但重力锤试验的冲击能单纯依靠重力锤的重力势能，在模拟不同冲击能量时需要更换重力锤，或者需要借助吊车等机械设备来完成实验，并不适合室内试验定量研究。而目前在核爆炸等防护试验装置其主要是模拟一次超高速的撞击，其冲击过程并不等同于碎屑流的连续冲击过程。滑槽试验在一定程度上可以模拟碎屑流对防护结构的冲击作用，但其受到尺寸的限制，其冲击力和冲击过程并不能准确模拟高速碎屑流对防护结构的连续冲击作用。此外不同山地地形需要采用不同的防护结构，目前运用较多的是以钢混结构为主的板状防护结构和以钢丝网等为主的网状防护结构，尤其对于新结构或者新材料的防护结构需要通过试验来验证设计，而目前的设备均不能在同一个设备上模拟上述二者的连续冲击作用下的防护能力。综上所述，目前虽然有较多的撞击试验装置，但是还未有一种能直接应用于模拟碎屑流冲击的试验装置。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种直接应用于模拟碎屑流冲击的试验装置。
具体的技术方案为：
碎屑流防护结构撞击试验装置，包括气缸、发射装置、转轮、锥形冲击子弹、高速摄像机和实验防护结构；气缸连接着发射装置，发射装置设置控制开关以控制冲击力的大小；发射装置连接着圆柱形的转轮，转轮有六个弹膛，弹膛分别装有锥形冲击子弹；调速电机与转轮的转轴连接，调速电机和控制开关分别连接发射速度控制器；转轮的发射前方安装有实验防护结构，实验防护结构前安装有高速摄像机。
所述的实验防护结构包括底部的基槽、防护网，防护网底部安装在基槽内，防护网两侧有边界板，边界板通过液压柱安装在固定墙上，防护网上安装有冲击区，冲击区周围分布有应变片，所述的应变片与应变仪连接；所述的防护网通过锚绳固定在固定墙上。
本发明提供的碎屑流防护结构撞击试验装置，采用了转轮式的发射装置实现了子弹的连续发射，从而能模拟碎屑流的连续冲击过程；实验防护结构实现了可调可控，从而能模拟不同形式的碎屑流防护结构；该试验装置提高了试验效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的转轮结构示意图；
图3是本发明的实验防护结构示意图；
图4是本发明的防护网结构示意图；
图5是实施例碎屑流冲击作用下的受力过程曲线图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示碎屑流防护结构撞击试验装置，包括气缸1、发射装置3、转轮4、锥形冲击子弹5、高速摄像机7和实验防护结构6；
气缸1连接着发射装置3，发射装置3设置控制开关2以控制冲击力的大小；发射装置连接着圆柱形的转轮4，如图2所示，转轮4有六个弹膛，弹膛分别装有锥形冲击子弹5；
调速电机9与转轮4的转轴连接，调速电机9和控制开关2分别连接发射速度控制器10；
转轮4的发射前方安装有实验防护结构6，实验防护结构6前安装有高速摄像机7；
如图3所示，所述的实验防护结构6包括底部的基槽63、防护网67，防护网67底部安装在基槽63内，防护网67两侧有边界板64，边界板64通过液压柱61安装在固定墙62上，防护网67上安装有冲击区66，冲击区66周围分布有应变片65，所述的应变片65与应变仪8连接；如图4所示，所述的防护网67通过锚绳68固定在固定墙62上。
调速电机9通过转轴控制转轮4的转动速度。调速电机9和控制开关2连在发射速度控制器10上以控制发射频率和冲击力大小。转轮4转动至发射装置发射口时，气缸1的高速气体迅速驱动锥形冲击子弹5冲击实验防护结构6，同时通过高速摄像机7监测锥形冲击子弹5冲击的全过程，通过应变片65监测实验防护结构6连续冲击作用下的应变变化过程。
随着转轮4的转动直至所有的锥形冲击子弹5发射完毕。边界板64是一块摩擦系数大的硬板，以模拟冲击结构受力的两侧边界条件。
上述改进的有益效果是：
(1)采用了转轮式的发射装置实现了子弹的连续发射。由于碎屑流对防护结构是一个连续的冲击过程，传统的冲击试验装置只能够实现单发单次冲击因为不能直接用于碎屑流冲击效应模拟。为此在发射装置3前端安转一个转轮4，转轮4通过固定连接的转轴转动，转轴连接着调速电机9，调速电机9控制着转轮4的转动速度。锥形冲击子弹5置于转轮4内的弹膛内，发射一个锥形冲击子弹5后转轮4转动至另一个弹膛处，同时准备发射第二颗锥形冲击子弹5。根据碎屑流冲击力的变化曲线，通过发射速度控制器10控制调速电机9的转动方式和转动速度以控制冲头的冲击频率，同时发射速度控制器10还连接着控制开关2以控制冲击力大小每颗子弹发射时选择不同的冲击力大小，从而实现不同冲击力连续冲击。
(2)实验防护结构6实现了可调可控，从而能模拟不同形式的碎屑流防护结构。不同地形地貌的碎屑流防护结构不尽相同，尤其是防护结构的边界条件。而边界条件直接影响着冲击作用下的结构应力应变分布。传统试验设备均采用固定式的边界条件，这种边界条件限定了冲击作用力的传递，因而难以准确模拟冲击作用下结构物的应力应变。本试验装置采用了液压控制边界条件的方式，根据不同的边界条件施加不同的边界应力从而模拟不同结构的边界条件。
同时加装了网状结构试验材料的边界条件，利用锚绳及锚绳接头将网状结构物固定在边界墙上并可以按照实际工况条件加装固定端以模拟不同试验条件下的网状防护接头的抗冲能力。
(3)优化试验装置结构，提高了试验效率。此试验结构的主要特点是，一个锥形冲击子弹5冲击完成后转轮4迅速转动使第二个冲击冲头处于发射位，按照试验要求发射第二个冲头直至模拟完碎屑流冲击完成后的冲击力。通过高速摄像机7监测防护结构破坏全过程，在实验防护结构6上布置应变片65监测冲击作用下的形变，以研究实验防护结构6在冲击作用下的稳定性。
试验装置可以模拟不同结构的防护结构，包括砖混结构、钢筋混凝土结构、钢网等刚性或者柔性结构在碎屑流作用下的稳定性，也可以模拟滚石对防护结构的冲击作用。虽然其只能模拟整个防护结构一处的冲击作用，但是其可以模拟连续时间内的冲击作用，且可以改变冲头的形状，模拟不同冲击面对防护结构的影响。其主要思路为假设防护结构单处的受力如图1所示。通过选取应力路径上的拐点或者最大最小值点，如图5所示的P1、P2、P3、P4的冲击应力作为实验模拟的冲击应力。该装置的可以在室内完成，可以完成新型防护结构的开发验证工作，试验效率高，试验成本低，操作灵活。

Claims (2)

1.碎屑流防护结构撞击试验装置，其特征在于，包括气缸(1)、发射装置(3)、转轮(4)、锥形冲击子弹(5)、高速摄像机(7)和实验防护结构(6)；
气缸(1)连接着发射装置(3)，发射装置(3)设置控制开关(2)以控制冲击力的大小；发射装置连接着圆柱形的转轮(4)，转轮(4)有六个弹膛，弹膛分别装有锥形冲击子弹(5)；
调速电机(9)与转轮(4)的转轴连接，调速电机(9)和控制开关(2)分别连接发射速度控制器(10)；
转轮(4)的发射前方安装有实验防护结构(6)，实验防护结构(6)前安装有高速摄像机(7)。
2.根据权利要求1所述的碎屑流防护结构撞击试验装置，其特征在于，所述的实验防护结构(6)包括底部的基槽(63)、防护网(67)，防护网(67)底部安装在基槽(63)内，防护网(67)两侧有边界板(64)，边界板(64)通过液压柱(61)安装在固定墙(62)上，防护网(67)上安装有冲击区(66)，冲击区(66)周围分布有应变片(65)，所述的应变片(65)与应变仪(8)连接；所述的防护网(67)通过锚绳(68)固定在固定墙(62)上。
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