CN107655744A - 分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置及方法，通过透明防爆箱、分级式支承螺栓和箱腿基本能够实现SHPB岩石试样高速撞击试验操作人员和试验场地的高效率、安全性和便捷性，采用分级的支承螺栓单元结构、激光发射器和反射器等实现对试样支承区岩石试样的承担和定位，解决多尺寸、大长度岩石试样分离式霍普金森杆试验过程中岩石试样中心定位不准确等问题；利用高清摄像机通过高清摄像薄板窗口实现高速试验过程中对岩石瞬时破坏的获取和对高清摄像头的保护，很大程度上可以避免因高速撞击下岩石碎片飞溅对高清摄像机造成的破坏和损伤，具有安全、经济、高效、便捷等有益效果，满足高应变率下岩石动力试验要求和规定。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离式霍普金森杆，具体涉及一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置及方法。
背景技术
分离式霍普金森杆（以下简称SHPB）是一种研究一维应力状态下材料动态力学性能的有效试验装置，通过SHPB可以实现高应变率下动力岩石力学试验。随着对SHPB试验的深入研究，其应用领域从最初研究金属材料的动态力学性能到现在可研究岩石、混凝土、陶瓷、高聚物、含能材料等多种材料的动态力学性。虽然在研究某些岩石结构的动态响应与破坏问题方面已经进行了深入的研究，但是仍存在较多不足和值得商榷研究之处。主要包括：
（1）现已研制出的SHPB装置能支承的试件直径比较单一，试件长度一般不超过200mm，调整范围和试验范围有一定的局限性，满足不了多尺寸、大长度岩石试件的试验要求和精度。
（2）随着对岩石多尺寸、大长度开展研究，现有支承装置越不易于支撑试件，很多试验过程中出现岩石试件轴心不对中，无法保证高速状态下的试验试样的稳定性，极大地影响岩石力学试验结果的准确性。
（3）为了便于对岩石破坏过程的研究和掌握，大部分的试验过程中都会采用高清摄像机进行全程记录，但是当SHPB试验速率达到10m/s以上时，近距离的高清摄像机经常会被破坏的岩石碎片飞出造成镜头破损或试验人员的生命安全，造成严重的经济和仪器的损失，但是，目前没有很好的避免和防止高速率下岩石碎片飞出的保护装置等。
综上所述，目前SHPB试验研究过程中，尚未发现防爆、安全、可随时进行高清记录的支承装置和结构。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置及方法，具有安全经济、高效适用、安装便捷等特点，能够解决多尺寸、大长度岩石试样SHPB试验过程中的定位和支承问题，避免岩石试样在杆高速率撞击下对高清摄像机造成的破坏和损伤，防止岩石试样碎裂飞出对试验人员及其场地造成的二次伤害。
技术方案：本发明提供了一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，包括透明的防爆箱体、分级式支承螺栓和箱腿，所述防爆箱体上开设有由内向外逐渐扩大的高清摄像窗口；
所述防爆箱体的中部为试样支承区，从防爆箱体的两侧及底面均设有向试样支承区连通的支承通道，所述支承通道的截面为方形；
所述分级式支承螺栓由紧密套装在一根轴上的多个大小与支承通道相适配的可转动正方体组成，各个所述分级式支承螺栓穿过支承通道进入试样支承区对试样进行支撑，且每个分级式支承螺栓上紧贴箱体外壁的可转动正方体旋转成与支承通道形成角度以锁定支承螺栓的位置；
所述箱腿包括由两个可旋转的正交长方体构成的转动轴承、从转动轴承向上伸出固定在箱体底面的伸缩杆、以及固定在转动轴承底端的箱腿滚珠；所述箱腿滚珠沿着分离式霍普金森杆支架卡槽内部自由滚动的同时，转动轴承下部的长方体嵌入卡槽中滑动。
进一步，所述高清摄像窗口由薄板封闭，薄板与窗缘呈45°。
进一步，所述薄板的厚度为1cm。
进一步，所述支承通道包括从防爆箱体两侧同一高度向中心的横向支承通道和沿防爆箱体底面中心线向上延伸的竖向支承通道，每侧的横向支承通道设有5个，竖向支承通道设有5个。
进一步，所述横向支承通道位于高清摄像窗口以下2.5cm处。
进一步，所述横向支承通道和竖向支承通道在试样支承区的出口与试样支承区中心的连线形成的夹角为60°。
进一步，所述分级式支承螺栓上的每个可转动正方体每次的旋转角度为45°。
进一步，穿过两侧横向支承通道的两组支承螺栓上的每级可转动正方体皆设有对应的激光发射器及接收器。
一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）安装分离式霍普金森杆试验子弹，暂不加压；
（2）根据霍普金森杆与支架的距离调整伸缩杆的伸缩长度，组装完成后，将箱腿滚珠插入支架卡槽，待滚珠到达支架卡槽的底部位置时，扭转正交十字转动轴承，使得下部轴承长方体能够正好卡在支架卡槽内部，上部轴承正好卡在支架卡槽上方；
（3）确定进行试验的岩石试样尺寸，左、右两侧支承通道各选择两个插入分级式支承螺栓，同时底面的支承通道插入分级式支承螺栓，待到达指定长度后，旋转紧贴箱体外壁的可转动正方体以锁定支承螺栓的位置；
（4）安装岩石试样，确保试样位于试验区域的中心位置；
（5）架设高清摄像机，调整高清摄像机摄位置，保证镜头位置正好能够通过高清摄像薄板窗口观测岩石试样；
（6）所有试验设备和岩石试样安装就绪后，加压，待所有参数无误后进行试验。
有益效果：本发明装置通过透明防爆箱、分级式支承螺栓和箱腿基本能够实现SHPB岩石试样高速撞击试验操作人员和试验场地的高效率、安全性和便捷性，采用分级的支承螺栓单元结构、激光发射器和反射器等实现对试样支承区岩石试样的承担和定位，解决多尺寸、大长度岩石试样分离式霍普金森杆试验过程中岩石试样中心定位不准确等问题；利用高清摄像机通过高清摄像薄板窗口实现高速试验过程中对岩石瞬时破坏的获取和对高清摄像头的保护，很大程度上可以避免因高速撞击下岩石碎片飞溅对高清摄像机造成的破坏和损伤，具有安全、经济、高效、便捷等有益效果，满足高应变率下岩石动力试验要求和规定。
附图说明
图1为本发明一个侧面的结构示意图；
图2为本发明另一侧面的结构示意图；
图3为分级式支承螺栓的具体结构示意图；
图4、5为箱腿的平面及立体结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，如图1、2所示，包括防爆箱体1、分级式支承螺栓14和箱腿5，防爆箱体1为透明塑料板构成的立方体箱型结构，为满足一般性岩石力学实验，设定长为20cm，宽为1cm，高为20cm。在防爆箱体1的一侧开设有高清摄像窗口3，由1cm厚的透明薄板3封闭，与箱体1采用无缝连接，薄板3与窗缘2呈45°的“外八字”结构，故高清摄像窗口3由内向外逐渐扩大，试验过程中高清摄像机可以通过摄像薄板3窗口3对岩石试样的整个破坏过程进行全程记录，既能为高清摄像机提供更为广阔的拍摄视野，又能避免岩石试样在破坏过程中碎裂岩石碎块飞出造成人身伤害和场地破坏。
防爆箱体1的中部为试样支承区11，防爆箱体1的两侧和底面上设有向试样支承区11连通的支承通道，支承通道的截面为边长为1cm的方形。其中，箱体1的底面沿中心线上均匀的分布五个向上延伸的竖向支承通道7，两个侧面在同一水平线上对应的开设向中心延伸的横向支承通道12、13，左、右侧各五个。与高清摄像窗口3同侧的横向支承通道13位于高清摄像窗口3以下2.5cm处。支承通道组成了供分级式支承螺栓14支撑岩石试样的重要通道，各个面上的通道以满足不同位置上岩石试样的定位和支承。侧面的横向支承通道12和底面的竖向支承通道7分别与试样支承区11的圆心连线，形成的夹角为60°，通过三点定面实现对岩石试样的有效支承。
如图3所示，分级式支承螺栓14由紧密套装在一根轴上的多个大小与支承通道相适配的可转动正方体15组成，分级式支承螺栓14穿过各个支承通道进入试样支承区11，并通过支承螺栓14末端的滚轮18对试样进行支撑。本实施例中，一个分级式支承螺栓14上设有10个可转动正方体15，即为十级转动结构。每个可转动正方体15的边长为1cm，自支承螺栓14底端第一至六级分别设有激光发射器16和反射器17，对应左侧支承通道的分级式支承螺栓14上设有激光发射器16，对应右侧支承通道的分级式支承螺栓14上设有反射器17，每一级相互发射、接收，通过两者之间激光定位确定左右两侧的分级式支承螺栓14能够对准在同一条直线上，保证当岩石试样装入稳定时，位于试样支承区11的正中位置，便于后期试验。每个分级式支承螺栓14上的可转动正方体15可转动45°，支承螺栓14固定好试样后可对紧贴箱体1外壁的可转动正方体15进行旋转，使该级可转动正方体15无法进入支承通道以锁住支承螺栓14的位置。
如图4、5所示，箱腿5包括可伸缩杆8、伸缩杆8转扭9、转动轴承10和箱腿滚珠6，箱腿5通过螺栓孔与防爆箱体11进行连接，通过伸缩杆8转扭9的顺、逆时针方向的转动可伸长或回缩伸缩杆8，伸缩杆8最大长度为6cm。转动轴承10为两个互相垂直正交的长方体结构，长×宽×高=2cm×1cm×1cm，箱腿滚珠6固定在位于下面的长方体底面。当箱腿滚珠6进入杆件支架沟槽后，扭转90°保证下面的长方体结构能够嵌入卡槽滑动，箱腿滚珠6能够在支架沟槽内部顺利滚动，以便防爆槽移动过程中顺利进行。
上述防爆支承装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）清理试验场地，检查试验设备及其试样的安全性和完整性，对装置进行清理检查；
（2）安装分离式霍普金森杆试验子弹，暂不加压；
（3）根据霍普金森杆与支架的距离调整伸缩杆8的伸缩长度，组装完成后，将箱腿滚珠6插入支架卡槽，待滚珠到达支架卡槽的底部位置时，扭转正交十字转动轴承10，使得下部轴承长方体能够正好卡在支架卡槽内部，上部轴承正好卡在支架卡槽上方，既能够保证箱腿滚珠6的正常滑动，又能够保证对上部防爆箱的支撑作用；
（4）确定进行试验的岩石试样尺寸，左、右两侧支承通道各选择两个插入分级式支承螺栓14，同时底面的支承通道插入分级式支承螺栓14，待到达指定长度后，旋转紧贴箱体1外壁的可转动正方体15以锁定支承螺栓14的位置，保持固定和支撑作用；
（5）校核支承螺栓14每级的激光发射器16和反射器17，完全对准后，安装岩石试样；
（6）安装岩石试样，确保试样位于试验区域的中心位置；
（7）架设高清摄像机，调整高清摄像机摄位置，保证镜头位置正好能够通过高清摄像薄板3窗口观测岩石试样；
（8）所有试验设备和岩石试样安装就绪后，加压，待所有参数无误后进行试验。
Claims (9)
1.一种分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：包括透明的防爆箱体、分级式支承螺栓和箱腿，所述防爆箱体上开设有由内向外逐渐扩大的高清摄像窗口；
所述防爆箱体的中部为试样支承区，从防爆箱体的两侧及底面均设有向试样支承区连通的支承通道，所述支承通道的截面为方形；
所述分级式支承螺栓由紧密套装在一根轴上的多个大小与支承通道相适配的可转动正方体组成，各个所述分级式支承螺栓穿过支承通道进入试样支承区对试样进行支撑，且每个分级式支承螺栓上紧贴箱体外壁的可转动正方体旋转成与支承通道形成角度以锁定支承螺栓的位置；
所述箱腿包括由两个可旋转的正交长方体构成的转动轴承、从转动轴承向上伸出固定在箱体底面的伸缩杆、以及固定在转动轴承底端的箱腿滚珠；所述箱腿滚珠沿着分离式霍普金森杆支架卡槽内部自由滚动的同时，转动轴承下部的长方体嵌入卡槽中滑动。
2.根据权利要求1所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：所述高清摄像窗口由薄板封闭，薄板与窗缘呈45°。
3.根据权利要求2所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：所述薄板的厚度为1cm。
4.根据权利要求1所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：所述支承通道包括从防爆箱体两侧同一高度向中心的横向支承通道和沿防爆箱体底面中心线向上延伸的竖向支承通道，每侧的横向支承通道设有5个，竖向支承通道设有5个。
5.根据权利要求4所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：所述横向支承通道位于高清摄像窗口以下2.5cm处。
6.根据权利要求4所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：所述横向支承通道和竖向支承通道在试样支承区的出口与试样支承区中心的连线形成的夹角为60°。
7.根据权利要求1所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：所述分级式支承螺栓上的每个可转动正方体每次的旋转角度为45°。
8.根据权利要求4所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置，其特征在于：穿过两侧横向支承通道的两组支承螺栓上的每级可转动正方体皆设有对应的激光发射器及接收器。
9.一种根据权利要求1~8任意一项所述的分离式霍普金森杆多尺寸岩石试样防爆支承装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）安装分离式霍普金森杆试验子弹，暂不加压；
（2）根据霍普金森杆与支架的距离调整伸缩杆的伸缩长度，组装完成后，将箱腿滚珠插入支架卡槽，待滚珠到达支架卡槽的底部位置时，扭转正交十字转动轴承，使得下部轴承长方体能够正好卡在支架卡槽内部，上部轴承正好卡在支架卡槽上方；
（3）确定进行试验的岩石试样尺寸，左、右两侧支承通道各选择两个插入分级式支承螺栓，同时底面的支承通道插入分级式支承螺栓，待到达指定长度后，旋转紧贴箱体外壁的可转动正方体以锁定支承螺栓的位置；
（4）安装岩石试样，确保试样位于试验区域的中心位置；
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