CN107677560B - 用于shpb动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法 - Google Patents

用于shpb动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，包括储气室、子弹发射筒和气源装置，所述子弹发射筒的一端连接有储气室，储气室与气源装置连接，子弹发射筒通过支架安装在地面上，所述子弹发射筒内设有若干个正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽，在子弹发射筒上安装有子弹位置感应器。本发明通过储气系统、轨道控制系统和子弹发射及填充系统能够完成能够实现岩石试样SHPB动态冲击试验过程中子弹的发射和自动填充，提高岩石试样SHPB动态冲击试验高效性；三阶段的子弹位置感应器布置方式，不仅能够保证子弹填充至预定位置，也能够保证子弹填充过程中与子弹发射筒、储气室之间的摩擦和撞击，满足动态冲击条件下岩石动力试验要求和规定。

Description

用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法
技术领域
本发明涉及用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法，属于岩石动力学分离式霍普金森杆(SHPB)室内试验领域。
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可以完成岩石试样在高应变率下的动态冲击力学试验。虽然我国已经在SHPB及其试验中进行了深入的研究，但是目前仍存在不足和值得继续研究之处：
(1)SHPB试验过程中，为了得出多组岩石试样试验数据和曲线，不可避免的会对多组岩石试样进行试验，因此，进行下一组岩石试样SHPB试验子弹填充时，SHPB子弹的填充面临较多问题。目前，很多高校、科研院所等采用的SHPB试验子弹的填充大多数采用手工填充，即在活塞阀门打开的情况下，采用实心塑料长杆将子弹人工顶入子弹发射筒，SHPB试验空间场地狭小，子弹与入射杆之间的空隙也较小，长杆可以活动的空间也较小，不仅费时费力，而且极易造成实心塑料长杆杆件的磨损并经常购置新长杆进行试验，浪费资源。
(2)由于是人工手动塑料厂干顶入SHPB试验子弹，在子弹邻近储气室时，即便是刻意的减少用力，子弹在惯性作用下或者是在实心塑料长杆杆件的推力作用下到达储气室不可避免的会产生对储气室的撞击，久而久之会对储气室造成冲击性损伤，严重的造成储气室的漏气或破坏等严重后果。但是，目前没有很好的能够实现SHPB试验过程中子弹自动填充的装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置及使用方法，具有高效、安全、适用等特点，能够解决岩石试样SHPB实验过程中的子弹自动填充问题，节省试验过程中因为子弹填充造成的时间和人力物力上的浪费。
技术方案：为实现上述目的，本发明的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，包括储气室、子弹发射筒和气源装置，所述子弹发射筒的一端连接有储气室，储气室与气源装置连接，子弹发射筒通过支架安装在地面上，所述子弹发射筒内设有若干个正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽，所述正向滑动支撑枢纽包含第一转动基座、第一转动轴承、第一联动杆和光面滚动滑轮，所述第一转动基座内安装有第一转动轴承，第一转动轴承与第一联动杆连接，光面滚动滑轮安装在第一联动杆的端部，第一转动基座内设有第一伺服电机，通过第一伺服电机带动第一联动杆的转动；所述反向滑动填充枢纽包含第二转动基座、第二转动轴承、第二联动杆和摩擦滚动滑轮，所述第二转动基座内安装有第二转动轴承，第二转动轴承与第二联动杆连接，摩擦滚动滑轮安装在第二联动杆的端部，第二转动基座内设有第二伺服电机，通过第二伺服电机带动第二联动杆的转动，在子弹发射筒上安装有子弹位置感应器。
作为优选，所述子弹发射筒上安装有若干个塑料板，将子弹发射筒分隔为几部分。
作为优选，所述正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽均沿子弹发射筒圆周分布，在子弹发射筒上每隔10cm分布有一断面，在断面上分布有正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽，以子弹发射筒最低点为零度，正向滑动支撑枢纽分布在60°、180°和300度的位置，反向滑动填充枢纽分布在30°、90°、270°和330°的位置。
作为优选，所述储气室外安装有轨道控制伺服系统，轨道控制伺服系统与第一伺服电机和第二伺服电机连接。
作为优选，所述子弹发射筒上安装有活塞阀门。
作为优选，所述子弹位置感应器分三阶段布置，按照邻近储气室方向10cm范围内，每1cm布置一个；在10cm～30cm范围内，每5cm布置一个；在30cm～50cm范围内，每10cm布置一个，当子弹运行至50cm处时，轨道控制伺服系统根据子弹位置的变化调整反向滑动填充枢纽摩擦滚动滑轮滚动速率，实现子弹的安全无损填充归位。
一种上述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)安装完岩石试样无误后，检查试验仪器的各个参数和指标是否一切正常；
(2)轨道控制伺服系统控制第一伺服电机工作，通过第一联动杆将光面滚动滑轮调整到合适位置，将子弹放入到光面滚动滑轮上；
(3)轨道控制伺服系统控制第二伺服电机工作，通过第二联动杆将摩擦滚动滑轮调整到合适位置，摩擦滚动滑轮夹持住子弹，通过摩擦滚动滑轮转动带动子弹装填；
(4)通过气源装置加压至需要子弹速度的气压大小；
(5)再次检查试验所有仪器参数指标，确认无误后，开始岩石试样冲击试验；
(6)整理检查试验数据的获取和收集情况并及时保存，清理试验场地岩石试样，安装新的岩石试样；
(7)重复(1)～(6)。
在本发明中，所述轨道控制伺服系统包括子弹发射轨道伺服控制(A系统)和子弹填充伺服控制(B系统)，在A系统模式下运行轨道默认为正向滑动支撑枢纽起到支撑和无损摩擦岩石试样的作用，正向滑动支撑枢纽的转动轴承在轨道控制伺服系统控制下带动联动杆将光面滚动滑轮提升至滚轮圆心距内壁1 .5cm，滚动方向会随着子弹的发射为顺时针方向；在B系统模式下运行轨道转换为反向滑动填充枢纽起到支撑和自动填充的作用，反向滑动填充枢纽在轨道控制伺服系统控制下带动联动杆将摩擦滚动滑轮提升至滚轮圆心距内壁1 .5cm，然后正向滑动支撑枢纽下降至与子弹发射筒内壁相切，摩擦滚动滑轮沿着逆时针滚动，通过轨道上所有摩擦滚动滑轮产生的摩擦力带动子弹实现自动填充。
在本发明中，第一次岩石试样冲击试验结束后，选择B系统模式，反向滑动填充枢纽中第二转动基座会通过伺服机电机提供动力带动第二转动轴承工作，第二转动轴承带动第二联动杆将摩擦滚动滑轮提升至指定高度，然后正向滑动支撑枢纽中光面滚动滑轮会在第一联动杆作用下回到初始位置，反向滑动填充枢纽在轨道控制伺服系统控制下带动联动杆将摩擦滚动滑轮提升至滚轮圆心距内壁1 .5cm，然后正向滑动支撑枢纽下降至与子弹发射筒内壁相切，摩擦滚动滑轮沿着逆时针滚动，通过反向滑动填充枢纽与子弹之间的摩擦力实现子弹自动填充，当子弹填充到距离储气室位置50cm时，子弹位置感应器会根据子弹的位置变化实现信息反馈到子弹发射及填充系统，通过该系统调整反向滑动填充枢纽的摩擦滚动滑轮滚动速率，保证子弹安全无损填充归位。
一切就绪后，选择A系统模式，正向滑动支撑枢纽中转动基座会通过伺服机电机提供动力带动转动轴承工作，转动轴承带动联动杆将光面滚动滑轮提升至指定高度，然后正向滑动支撑枢纽中光面滚动滑轮会在联动杆作用下回到初始位置，该过程通过伺服电机提供动能。A系统模式，子弹发射后，光面滚动滑轮仅提供支撑子弹的作用，与子弹之间为光滑切面，忽略此时的摩擦力作用。进行完一次岩石试样冲击试验结束后，再重复以上操作，实现子弹的自动填充。摩擦滚动滑轮提供的摩擦力是子弹自动填充的主要动力，光面滚动滑轮是子弹运行过程中的主要支撑装置。转动轴承通过伺服电机提供轨道变轨的动力，子弹位置感应器保证子弹的全无损填充归位。
有益效果：本发明的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，通过储气系统、轨道控制系统和子弹发射及填充系统能够完成能够实现岩石试样SHPB动态冲击试验过程中子弹的发射和自动填充，提高岩石试样SHPB动态冲击试验高效性，节省大量的人力物力；三阶段的子弹位置感应器布置方式，不仅能够保证子弹填充至预定位置，也能够保证子弹填充过程中与子弹发射筒、储气室之间的摩擦和撞击，安全性较高，满足动态冲击条件下岩石动力试验要求和规定。
附图说明
图1为本发明装置整体结构图；
图2为本发明装置内部结构布置图；
图3为本发明装置剖面图；
图4为正向滑动支撑枢纽的结构示意图；
图5为反向滑动填充枢纽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图5所示，一种用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，如图1、2和3所示，包括储气系统、轨道控制系统和子弹发射及填充系统。储气系统设有储气室1、气压表2、气压调节阀门3、气源装置4；轨道控制系统设有轨道控制伺服系统7和运行轨道13；子弹发射及填充系统设有活塞阀门5、子弹发射筒6、正向滑动支撑枢纽11、反向滑动填充枢纽12、子弹位置感应器10和塑料板14。所述子弹发射筒6的一端连接有储气室1，储气室1与气源装置4连接，子弹发射筒6通过支架8安装在地面9上，所述子弹发射筒6内设有若干个正向滑动支撑枢纽11和反向滑动填充枢纽12，所述正向滑动支撑枢纽11包含第一转动基座15、第一转动轴承16、第一联动杆和光面滚动滑轮18，所述第一转动基座15内安装有第一转动轴承16，第一转动轴承16与第一联动杆17连接，光面滚动滑轮18安装在第一联动杆17的端部，第一转动基座15内设有第一伺服电机，通过第一伺服电机带动第一联动杆17的转动；所述反向滑动填充枢纽12包含第二转动基座、第二转动轴承、第二联动杆和摩擦滚动滑轮19，所述第二转动基座内安装有第二转动轴承，第二转动轴承与第二联动杆连接，摩擦滚动滑轮19安装在第二联动杆的端部，第二转动基座内设有第二伺服电机，通过第二伺服电机带动第二联动杆的转动，在子弹发射筒6上安装有子弹位置感应器10。正向滑动支撑枢纽11和反向滑动填充枢纽12结构基本相同，仅仅光面滚动滑轮18与摩擦滚动滑轮19不一样。
在本发明中，SHPB试验安装岩石试样完成后，打开活塞阀门5，通过气压调节阀门3和气压表2，加压至需要速度的气压大小，等气压表2的指针回落稳定后，气压调整完成。子弹发射筒6为直径26cm，宽1cm的薄壁钢制圆筒，内部铺设有两类运行轨道13，在A系统模式下运行轨道13默认为正向滑动支撑枢纽11起到支撑岩石试样等主要作用，正向滑动支撑枢纽11的转动轴承16在轨道控制伺服系统7控制下带动联动杆17将光面滚动滑轮18提升至滚轮圆心距内壁1 .5cm，滚动方向会随着子弹的发射为顺时针方向；在B系统模式下运行轨道13转换为反向滑动填充枢纽12起到支撑和子弹自动填充的作用，反向滑动填充枢纽12在轨道控制伺服系统7控制下带动联动杆17将摩擦滚动滑轮19提升至滚轮圆心距内壁1 .5cm，然后正向滑动支撑枢纽11下降至与子弹发射筒6内壁相切，摩擦滚动滑轮19沿着逆时针滚动，通过轨道上所有摩擦滚动滑轮19产生的摩擦力带动子弹实现自动填充。当子弹填充到距离储气室1位置50cm时，子弹位置感应器10会根据子弹的位置变化实现信息反馈到子弹发射及填充系统，通过该系统调整反向滑动填充枢纽12的摩擦滚动滑轮19滚动速率，实现子弹的安全无损填充归位。
如图4所示，正向滑动支撑枢纽11包括第一转动基座15、第一转动轴承16、第一联动杆17和光面滚动滑轮18，反向滑动填充枢纽12包含第二转动基座、第二转动轴承、第二联动杆和摩擦滚动滑轮19。在A系统模式下，正向滑动支撑枢纽11中转动基座15会通过伺服机电机提供动力带动转动轴承16工作，转动轴承16带动联动杆17将光面滚动滑轮18提升至指定高度；子弹发射后，光面滚动滑轮18起到支撑和无损滚动的作用。在B系统模式下，反向滑动填充枢纽12中第二转动基座会通过伺服机电机提供动力带动第二转动轴承工作，第二转动轴承带动第二联动杆将摩擦滚动滑轮19提升至指定高度，然后正向滑动支撑枢纽11中光面滚动滑轮18会在第一联动杆17作用下回到初始位置；子弹发射后，摩擦滚动滑轮19起到支撑和提供子弹自动填充力的作用。
一种上述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)安装完岩石试样无误后，检查试验仪器的各个参数和指标是否一切正常；
(2)轨道控制伺服系统控制第一伺服电机工作，通过第一联动杆17将光面滚动滑轮18和调整到合适位置，将子弹放入到光面滚动滑轮18上；
(3)轨道控制伺服系统控制第二伺服电机工作，通过第二联动杆将摩擦滚动滑轮19调整到合适位置，摩擦滚动滑轮19夹持住子弹，通过摩擦滚动滑轮19转动带动子弹装填；
(4)通过气源装置加压至需要子弹速度的气压大小；
(5)再次检查试验所有仪器参数指标，确认无误后，开始岩石试样冲击试验；
(6)整理检查试验数据的获取和收集情况并及时保存，清理试验场地岩石试样，安装新的岩石试样；
(7)重复(1)～(6)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，其特征在于：包括储气室、子弹发射筒和气源装置，所述子弹发射筒的一端连接有储气室，储气室与气源装置连接，子弹发射筒通过支架安装在地面上，所述子弹发射筒内设有若干个正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽，所述正向滑动支撑枢纽包含第一转动基座、第一转动轴承、第一联动杆和光面滚动滑轮，所述第一转动基座内安装有第一转动轴承，第一转动轴承与第一联动杆连接，光面滚动滑轮安装在第一联动杆的端部，第一转动基座内设有第一伺服电机，通过第一伺服电机带动第一联动杆的转动；所述反向滑动填充枢纽包含第二转动基座、第二转动轴承、第二联动杆和摩擦滚动滑轮，所述第二转动基座内安装有第二转动轴承，第二转动轴承与第二联动杆连接，摩擦滚动滑轮安装在第二联动杆的端部，第二转动基座内设有第二伺服电机，通过第二伺服电机带动第二联动杆的转动，在子弹发射筒上安装有子弹位置感应器；
所述正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽均沿子弹发射筒圆周分布，在子弹发射筒上每隔10cm分布有一断面，在断面上分布有正向滑动支撑枢纽和反向滑动填充枢纽，以子弹发射筒最低点为零度，正向滑动支撑枢纽分布在60°、180°和300度的位置，反向滑动填充枢纽分布在30°、90°、270°和330°的位置。
2.根据权利要求1所述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，其特征在于：所述子弹发射筒上安装有若干个塑料板，将子弹发射筒分隔为几部分。
3.根据权利要求1所述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，其特征在于：所述储气室外安装有轨道控制伺服系统，轨道控制伺服系统与第一伺服电机和第二伺服电机连接。
4.根据权利要求1所述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，其特征在于：所述子弹发射筒上安装有活塞阀门。
5.根据权利要求3所述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置，其特征在于：所述子弹位置感应器分三阶段布置，按照邻近储气室方向10cm范围内，每1cm布置一个；在10cm～30cm范围内，每5cm布置一个；在30cm～50cm范围内，每10cm布置一个，当子弹运行至50cm处时，轨道控制伺服系统根据子弹位置的变化调整反向滑动填充枢纽摩擦滚动滑轮滚动速率，实现子弹的安全无损填充归位。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的用于SHPB动态冲击试验的子弹自动填充伺服装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)安装完岩石试样无误后，检查试验仪器的各个参数和指标是否一切正常；
(2)轨道控制伺服系统控制第一伺服电机工作，通过第一联动杆将光面滚动滑轮调整到合适位置，将子弹放入到光面滚动滑轮上；
(3)轨道控制伺服系统控制第二伺服电机工作，通过第二联动杆将摩擦滚动滑轮调整到合适位置，摩擦滚动滑轮夹持住子弹，通过摩擦滚动滑轮转动带动子弹装填；
(4)通过气源装置加压至需要子弹速度的气压大小；
(5)再次检查试验所有仪器参数指标，确认无误后，开始岩石试样冲击试验；
(6)整理检查试验数据的获取和收集情况并及时保存，清理试验场地岩石试样，安装新的岩石试样；
(7)重复(1)～(6)。
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