CN108458926B - 一种热力式刚性单轴加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热力式刚性单轴加载装置，包括下刚性板，其上固定连接有多根刚性加载柱，刚性加载柱上放置有上刚性板；还包括试件上连接板和试件下连接板，试件下连接板固定连接在下刚性板上，试件上连接板与下传力杆、拉压力传感器及上传力部件依次连接固定在上刚性板上；刚性加载柱上缠绕有加热线圈，加热线圈与温度调控箱连接；通过温度调控箱来控制缠绕在刚性加载柱上的加热线圈的温度，由刚性加载柱的热胀性来驱动上钢板的运动，以此来实现加载。该热力式刚性单轴加载装置具有静音、刚度大的特点，对声发射等对低频噪音较为敏感的测试技术影响小，同时在试件软化阶段的刚度退化过程中，极大地降低了加载系统弹性能释放对试件的影响。

Description

一种热力式刚性单轴加载装置
技术领域
本发明涉及一种刚性加载装置，特别是涉及一种热力式刚性单轴加载装置，属于土木工程技术领域。
背景技术
在对混凝土、岩石的等脆性材料进行单轴拉伸试验时，普通试验机中由于试验机钢架的变形和液压油缸中压力油的压缩变形，存储了较大的弹性能，会引起试件在达到极限强度后发生脆断，无法对后续的软化阶段的裂缝开展进行测试研究。
目前可解决该类问题的方式主要采用(1)刚性试验机(2)刚性试验架(3)闭环电液伺服试验机。其中，后两种均在液压试验机上完成，在声发射测试中，均会因试验机油泵的工作引入相应的低频噪声。另外，拉伸刚性试验架，在普通液压试验机上安装也存在较多操作问题，尤其对刚度要求较高的测试试件，刚性架体积和重量大幅度增加。而目前的拉伸刚性试验机多采用机械传动形式，手动加载速率较难控制，电机传动加载同样会引入噪声。
发明内容
发明目的：为克服现有刚性试验机在加载过程中的噪音干扰、实现试件应力-应变曲线下降段的测试，本发明提供一种热力式刚性单轴加载装置，通过热力加载方式来实现单轴拉伸试验的静音加载。
技术方案：本发明所述的一种热力式刚性单轴加载装置，包括下刚性板，其上固定连接有多根刚性加载柱，刚性加载柱上放置有上刚性板；还包括试件上连接板和试件下连接板，试件下连接板固定连接在下刚性板上，试件上连接板与下传力杆、拉压力传感器及上传力部件依次连接固定在上刚性板上；其中，刚性加载柱上缠绕有加热线圈，热力式刚性单轴加载装置还包括与该加热线圈连接、用于控制其温度变化的温度调控箱。通过温度调控箱来控制缠绕在刚性加载柱上的加热线圈的温度，由刚性加载柱的热胀性来驱动上钢板的运动，以此来实现加载；装置的加载速率可调，由温度调控箱控制刚性加载柱的升温速率即可实现。
为防止上刚性板与下刚性板受热变形过大，减小温度对各传感器各测试设备的影响，可在刚性加载柱与上刚性板之间设置隔热垫块，并在刚性加载柱与下刚性板之间设置隔热垫圈，通过隔热垫块来减缓刚性加载柱向上刚性板的热传导，隔热垫圈来减缓刚性加载柱向下刚性板的热传导；进一步的，本发明的热力式刚性单轴加载装置可包括冷却装置，该冷却装置包括冷却控制箱和与其连接的冷却管，冷却管铺设在上刚性板和下刚性板上，通过冷却管和冷却控制箱来控制上、下刚性板的温度；更优的，可在刚性加载柱外部套设保温隔热套，以降低加热线圈的热扩散。
其中，刚性加载柱及上刚性板上可分别开设有凹槽，隔热垫块两端部与两凹槽适配，从而可方便隔热垫块的对中安装；试件上连接板和试件下连接板上也可分别设置与试件上、下两端部适配的凹槽，方便试件的对中，且当采用结构胶等粘贴固定试件时，可保证结构胶与试件充分粘合。
上述刚性加载柱上还可设有温度测试元件，用以跟踪各加载柱的温度变化，防止温度差异过大造成的附加弯矩，荷载突变等情况。
为降低加载系统弹性能释放对试件的影响，本发明的热力式刚性单轴加载装置形成的加载系统的刚度KT应满足如下关系：
Figure BDA0001563320470000021
且KT≥10KC；
式中，KA为四根刚性加载柱的刚度，
Figure BDA0001563320470000022
EA为刚性加载柱所用材料的弹性模量，AA为刚性加载柱的截面面积，l A为刚性加载柱的有效承载长度；KB为在拉压力传感器以及与其相连试件上连接板、上传力部件、下传力杆的串联刚度的基础上考虑各部件连接位置处的刚度损失后，得到的折算刚度；KC代表待拉伸试件的刚度，当KT远大于KC时，便可忽略试件软化阶段的刚度退化过程中，加载系统弹性能释放的对试件的影响。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的热力式刚性单轴加载装置采用热力加载方式来进行单轴拉伸试验，具有静音、刚度大的特点，对声发射等对低频噪音较为敏感的测试技术影响小，可扩展测试频段范围，同时在试件软化阶段的刚度退化过程中，极大地降低了加载系统弹性能释放对试件的影响；(2)本发明通过对热力式刚性单轴加载装置进行保温隔热和控温的设计，降低了加载过程中，加载柱升温对加载系统和测试系统的影响，同时也可通过控温装置对加载速率进行调节；(3)该热力式刚性单轴加载装置各部件的连接位置均设计了适配的凹槽或孔洞，方便系统的安装，有利于拉伸试件的对中，减小系统对试件偏心加载的可能性。
附图说明
图1为本发明的热力式刚性单轴加载装置的立体图；
图2为本发明的热力式刚性单轴加载装置的俯视图；
图3为本发明的热力式刚性单轴加载装置的正视图；
图4为A-A截面剖面图；
图5为本发明的热力式刚性单轴加载装置的刚度简化模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1～4，本发明的一种热力式刚性单轴加载装置，包括下刚性板1，其上固定连接有多根刚性加载柱7，如对称设置四根刚性加载柱，可在下刚性板1上开设与刚性加载柱7的结构适配的插孔，方便刚性加载柱7与下刚性板1的对中固定；刚性加载柱7上放置有上刚性板15。
该热力式刚性单轴加载装置还包括用于固定拉伸试件5的试件固定部件，其包括试件上连接板4和试件下连接板18，试件上、下连接板上可设置与试件上、下端适配的凹槽，拉伸试件5可嵌入对应的凹槽中，通过结构胶、螺栓等方式与试件上、下连接板固定。其中，试件下连接板18可由法兰盲板加工而成，通过螺栓固定在下刚性板1上；试件上连接板4与下传力杆11、拉压力传感器10及上传力部件12依次连接固定在上刚性板15上，从而可将拉伸试件5固定在上刚性板15和下刚性板1限定的压力承载框架中。
刚性加载柱7上缠绕有加热线圈6，加热线圈6连接温度调控箱16，如通过串联导线14连接温度调控箱16，通过温度调控箱16来控制缠绕在刚性加载柱7上的加热线圈6的温度，刚性加载柱7受热膨胀，由刚性加载柱7的热胀性来驱动上刚性板15的运动，以此来实现应力加载。通过热力加载方式来进行单轴拉伸试验，与现有的刚性试验机相比，具有静音、刚度大的特点，对声发射等对低频噪音较为敏感的测试技术影响小，可扩展测试频段。
上述热力加载过程的加载速率可通过控制刚性加载柱7的升温速率来实现，该过程由温度调控箱16来操控完成。温度调控箱16可连接试件上方的拉压力传感器10，将其作为加载过程的荷载反馈；或在试件侧边安装引伸计，将温度调控箱16与其连接，作为加载过程的位移反馈。
为防止上刚性板15与下刚性板1受热变形过大，减小温度对各传感器和测试设备的影响：
(1)可在刚性加载柱7与上刚性板15之间设置隔热垫块13，通过隔热垫块13来减缓刚性加载柱7向上刚性板15的热传导，并在刚性加载柱7与下刚性板1之间设置隔热垫圈2，来减缓刚性加载柱7向下刚性板1的热传导；其中，为方便隔热垫块13与刚性加载柱7及上刚性板15的对中固定，可在刚性加载柱7及上刚性板15上分别开设与隔热垫块13两端部适配的凹槽，隔热垫块13的两端部分别插入两凹槽内形成固定；
(2)可设置冷却装置，该冷却装置包括冷却控制箱17和与其连接的冷却管3，冷却管3铺设在上、下刚性板上，从而可控制上、下刚性板的温度；
(3)在刚性加载柱7外部套设保温隔热套8，以降低加热线圈6的温度扩散。
其中，刚性加载柱7宜采用热膨胀系数大、弹性模量适中的诸如铝合金、钢材等金属材料，截面尽量大以提高系统刚性。可在刚性加载柱7上设置温度测试元件9，跟踪各刚性加载柱7的温度变化，防止温度差异过大造成的附加弯矩，荷载突变等情况。
该热力式刚性单轴加载装置的刚度简化模型示意图如图5，KA代表四组刚性加载柱4的刚度，可由式
Figure BDA0001563320470000041
来计算；KB代表拉压力传感器10以及与其相连的诸如试件上连接板4、上传力部件12及下传力杆11等部件的串联刚度，并考虑各部件连接位置处螺栓连接以及拉伸试件与试件上连接板、试件下连接板粘结处的结构胶等位置带来的刚度损失后，得到的折算刚度；KC代表拉伸试件5的刚度。热力式刚性单轴加载装置的刚度
Figure BDA0001563320470000042
当KT远大于KC时(KT≥10KC)，便可忽略试件软化阶段的刚度退化过程中，加载系统弹性能释放的对试件的影响。
若选用较大截面、高弹模的金属刚性加载柱，其刚度值KA将大于KB，故而两者中KB对KT的影响较大，须注意KB与KC的比值，即尽量选用较大刚度的拉压力传感器与隔热垫块(如隔热陶瓷)，并减弱上传力部件、下传力杆、试件上连接板、螺栓等构件对KB值的影响。
本发明的热力式刚性单轴加载装置的安装与实施主要步骤如下：
1)利用下刚性板1上的插孔将刚性加载柱7固定；
2)将隔热垫块13嵌入刚性加载柱7中的凹槽，然后将上刚性板15放置在刚性加载柱7上，通过凹槽来对中；
3)将拉伸试件5与试件上连接板4和试件下连接板18固定在一起，接着将试件下连接板18通过螺栓安装固定在下刚性板1上，在试件上连接板4上连接下传力杆11与拉压力传感器10；
4)待系统间隙均消除后，连接拉压力传感器10，进行数据采集，调节上传力部件12，尽量使试件5处于预压状态，然后通过螺帽将其与拉压力传感器10、上刚性板15固定，避免在调节过程中由于螺帽的固定对试件5产生较大的拉力；
5)通过温度调控箱16来控制缠绕在刚性加载柱7上的加热线圈6的温度变化，并开启上刚性板15和下刚性板1上的冷却装置，由刚性加载柱7的热胀性来驱动上刚性板15的运动，以此来实现加载。

Claims (7)

1.一种热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，包括下刚性板，其上固定连接有多根刚性加载柱，刚性加载柱上放置有上刚性板；还包括试件上连接板和试件下连接板，试件下连接板固定连接在下刚性板上，试件上连接板与下传力杆、拉压力传感器及上传力部件依次连接固定在上刚性板上；其中，所述刚性加载柱上缠绕有加热线圈，所述热力式刚性单轴加载装置还包括与该加热线圈连接、用于控制其温度变化的温度调控箱，通过温度调控箱来控制缠绕在刚性加载柱上的加热线圈的温度，由刚性加载柱的热胀性来驱动上刚性板的运动，以此来实现加载，通过这种热力加载方式实现单轴拉伸试验的静音加载；
所述热力式刚性单轴加载装置的刚度KT满足如下关系：
Figure FDA0002705668960000011
且KT≥10KC；
式中，KA为四根刚性加载柱的刚度，
Figure FDA0002705668960000012
其中，EA为刚性加载柱所用材料的弹性模量，AA为刚性加载柱的截面面积，l A为刚性加载柱的有效承载长度；KB为在拉压力传感器以及与其相连试件上连接板、上传力部件、下传力杆的串联刚度的基础上，考虑各部件连接位置处的刚度损失后，得到的折算刚度；KC代表待拉伸试件的刚度。
2.根据权利要求1所述的热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，所述刚性加载柱与上刚性板之间设置隔热垫块，与下刚性板之间设置隔热垫圈。
3.根据权利要求2所述的热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，所述刚性加载柱及上刚性板上分别开设有凹槽，隔热垫块两端部与两凹槽适配。
4.根据权利要求1所述的热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，还包括冷却装置，该冷却装置包括冷却控制箱和与其连接的冷却管，所述冷却管铺设在上刚性板和下刚性板上。
5.根据权利要求1所述的热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，所述刚性加载柱外部套设保温隔热套。
6.根据权利要求1所述的热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，所述刚性加载柱上设有温度测试元件。
7.根据权利要求1所述的热力式刚性单轴加载装置，其特征在于，所述试件上连接板和试件下连接板上分别设有与试件上、下两端适配的凹槽。
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