CN109632533A - 一种自对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置，在水平支撑平台上设置变直径入射杆和变直径透射杆自对芯固定支座，支座上设置有滚轮活塞固定盘；在固定盘上设置有可升降滚轮活塞；可升降滚轮活塞末端为滚轮，用于给杆件变直径入射杆和变直径透射杆提供支持并不限制其轴向运动；可升降滚轮活塞通过控制气泵或油泵的压力大小而改变其伸出长度，从而实现滚轮对于杆件的自对芯并紧密夹持。变直径杆件自对芯固定支座实现不同直径杆件的快速安装、更换，并且可以通过控制滚轮活塞的同步伸缩完成杆件系统的快速高精度自动对芯。该发明调试方便，节约成本，增加了设备的可调节性与通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于应力波传播理论的自对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置，属于岩石动力学试验技术领域。
背景技术
随着人类技术手段的发展和实验装备的进步，岩石的动态特性已经越来越多地被人们所了解。特别是自从霍普金森杆出现以来，以及对波形采集设备的不断发展，加上材料加工工艺的进步，使得这种技术手段在测量材料动态特性的应用中越来越精确。目前，传统的霍普金森杆被广泛应用于各种工程材料动态力学性能的测试中。特别地，经过国内外学者们的一致努力，霍普金森杆在测试岩石类脆性材料的动态力学性质中发挥了重要的作用，研究成果主要体现在岩石的强度与断裂特性等方面的研究。然而，在岩石工程领域中，应力波在岩体中的传播规律也是一个重要的研究热点。由于岩体中普遍存在着节理，而节理的力学特性又是影响岩体强度的关键性因素，虽然目前在节理岩体静态和准静态力学特性方面的研究已经十分完善，但对于其动态力学特性的研究尚不全面。在地下工程和边坡工程中，节理岩体经常受到地震、爆破等冲击荷载的影响，给工程安全造成了极大的隐患。因此，研究应力波在岩体中的传播规律是十分有必要的。
在研究应力波在岩体中传播规律的方法中，试验方法无疑是最为可靠与合理的。其中，根据分离式霍普金森压杆改造的岩石压杆是常见的实验仪器之一，因为岩石杆能够合理地模拟并反映一维应力波在岩石中的传播规律。国内外基于此法成功研究了诸如节理吻合系数、节理厚度等因素对岩体中波传播的影响等前沿问题。由此可见，岩石杆在此类问题的研究中起到了不可替代的作用。然而，传统的霍普金森杆由金属材料制成，在现有的工艺水平与机械加工精度条件下，其对于高精度的要求很容易得到满足。但对于岩石材质的杆件来说，其加工精度很难达到金属杆件加工精度；岩石杆在加工过程中的主要原理是依靠钻头与岩石等脆性材料的磨削作用实现的，即便是对于同一根钻筒来讲，岩石的硬度及矿物颗粒成分等因素皆会对取芯直径造成一定的影响。由于传统霍普金森杆系统对测试状态的要求较高，为了保证杆件之间的精确配合，支座的限位轴承的直径需与杆件直径保持一致才能紧密贴合。而由于岩石杆在加工过程中直径不易精确控制的原因，其在安装过程中一旦二者尺寸无法完美匹配，则需要再次定制加工底座，极大地提高了成本。若更换相应的底座，在此过程中往往会增加调试的难度，其中杆件对芯校准就需要耗费大量时间和人力成本，而且对于不熟练的非专业人士而言调试结果往往也难以达到系统最佳的测试状态。同时，频繁更换调试支座也会造成测试系统各部件之间的机械磨损、测试效率的降低与经济成本的增加等问题；另一方面由于实验的要求不同，分离式霍普金森岩石杆系统往往需要频繁更换不同直径的杆件以达到测试目的；此外，由于传统的霍普金森杆系统的杆件制作多数采用直线轴承作为支撑和传动装置，其在安装调试过程中往往需要耗费大量的校准时间且对调试人员的专业性要求较高，极大地降低了安装效率。因此亟需开发一种可以适用于多种直径不同材料杆件并可自动对芯的霍普金森岩石杆实验系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种结构简单、操作方便、试验过程稳定性好、可快速适用于不同直径与不同材质杆件要求的并可实现自动对芯功能的分离式霍普金森岩石杆测试装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置，其特征是在水平支撑平台11上设置变直径入射杆6和变直径透射杆7自对芯固定支座5，支座上设置有滚轮活塞固定盘13；在固定盘上设置有可升降滚轮活塞12；可升降滚轮活塞末端为滚轮14，用于给杆件变直径入射杆6和变直径透射杆7提供支持并不限制其轴向运动；可升降滚轮活塞通过控制气泵或油泵15的压力大小而改变其伸出长度，从而实现滚轮对于杆件的自对芯并紧密夹持。
所述滚轮活塞固定盘上设置有三个可升降滚轮活塞12，三个滚轮活塞同步伸长或缩短，保证所有支座夹持的杆件处于同轴状态，在对变直径入射杆6和变直径透射杆7进行夹持过程中，由于活塞同步伸缩可保证伸出长度一致，更换其他同直径的杆件时确保滚轮活塞夹紧后入射杆和透射杆完成自对芯。
本发明的变直径岩石杆的材质为天然/人工岩石类脆性材料，其外形为圆柱体杆件，且两端面不平行度和垂直度≤0.02mm。
所述的水平支撑平台选用不平整度≤0.001mm的长方形高精度平台，用来安装气罐、发射套管以及变直径杆件自对芯固定支座。
所述多直径岩石杆的直径按照实际需求进行加工，且杆件长度需大于等于直径的100倍。
本发明所述的装置，其特征是装置包括水平支撑平台11、变直径杆件自对芯固定支座5、撞击杆4、炮筒3、气泵1、应变放大器9和示波器10；其中，水平支撑平台11为高平整度平台，用来承载和安装变直径杆件自对芯固定支座5、炮筒3；变直径杆件自对芯固定支座5用来支撑系统的入射杆和透射杆；撞击杆4(子弹)外形为圆柱体，用来对试验系统进行加载；炮筒、撞击杆、气泵协同工作，在变直径入射杆6的另一端，距入射杆端合适位置处，且与入射杆同一水平轴轴线上，设置一根发射炮筒，于该炮筒内配置一根滑动配合的子弹(撞击杆)，该子弹朝向入射杆端，发射套管的另一端通过阀门与气罐相连，该气罐与空压机相连；应变放大器、示波器与惠斯通电桥配合使用，用于测量记录实验的入射波、透射波和反射波的波形信息。
所述变直径杆件自对芯固定支座通过与支撑平台配套的滑槽来安装到位，滑槽起到限制其水平横向位移的作用。
所述变直径入射杆6和变直径透射杆7采用岩石类脆性材料制成。
本发明提供了一种自动对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置，其包括：水平支撑平台11、变直径入射杆6和变直径透射杆7、变直径杆件自对芯固定支座5、撞击杆(子弹)4、炮筒3、气泵1等。其中，变直径入射杆6和变直径透射杆7均可采用岩石类脆性材料制成；其中的变直径杆件自对芯固定支座5可以实现不同直径杆件的快速安装、更换，并且可以通过控制滚轮活塞的同步伸缩完成杆件系统的快速高精度自动对芯。该发明调试方便，节约成本，增加了设备的可调节性与通用性。此发明可用于岩石力学测试领域。
附图说明：
图1为本套装置的示意图。
图2为变直径杆件自对芯固定支座示意图。
图3自对芯固定支座工作示意图。
其中：1-气泵、2-压力罐、3-炮筒、4-撞击杆(子弹)、5-多直径杆件自对芯固定支座、6-变直径入射杆、7-变直径透射杆、8-应变片、9-应变放大器、10-示波器、11-水平支撑台、12-可升降滚轮活塞、13-滚轮活塞固定盘、14-滚轮、15-泵或油泵。
具体实施方式：
一种自对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置，包括：水平支撑平台(11)、变直径入射杆(6)和变直径透射杆(7)自对芯固定支座(5)、撞击杆(4)、炮筒(3)、气泵(1和15)、应变放大器(9)、示波器(10)；其中，水平支撑平台为高平整度平台，用来承载和安装变直径入射杆和变直径透射杆、变直径杆件自对芯固定支座、撞击杆、炮筒、气泵等关键部件；变直径入射杆和变直径透射杆的材质为天然/人工岩石类脆性材料，其外形为圆柱体杆件，且对端面的平行度、垂直度以及粗糙度具有严格要求；变直径杆件自对芯固定支座用来夹持支撑系统的变直径入射杆和变直径透射杆；撞击杆(子弹)外形为圆柱体，用来对试验系统进行加载；炮筒、撞击杆、气泵协同工作，在入射杆的另一端，距入射杆端合适位置处，且与入射杆同一水平轴轴线上，设置一根发射炮筒，于该炮筒内配置一根滑动配合的子弹(撞击杆)，该子弹朝向入射杆端，发射套管的另一端通过阀门与气罐相连，该气罐与空压机相连；应变放大器、示波器与惠斯通电桥配合使用，用于测量记录实验的入射波、透射波和反射波的波形信息。
上述高精度实验平台。优选地，高精度实验平台选用平整度为0.001mm的长方形高精度平台，用来安装气罐、发射套管以及变直径杆件自对芯固定支座。平台上设有可承载及安装该装置相应部件的配套卡槽和孔位，使其能够发挥良好的机械工作性能。
上述变直径入射杆和变直径透射杆的直径可以按照实际需求进行加工，且杆件长度需大于直径的100倍，理论上直径可以为任意尺寸。更进一步，变直径入射杆和变直径透射杆的两端面不平行度和垂直度应≤0.02。以上杆件的材质可以选用天然石材进行加工制作，材料可为但不限于花岗岩、大理岩、砂岩。可选地，该设备中所有杆件以及子弹(撞击杆)可为金属或岩石类材料制作而成，可根据实际需要任意选取和搭配。
上述变直径杆件自对芯固定支座由优质钢材制作而成，其示意图如图2所示。其中，5为变直径杆件自对芯固定支座；12为可升降滚轮活塞；13为滚轮活塞固定盘；14为滚轮。其中，可升降滚轮活塞末端为滚轮，用于给杆件提供支持并不限制其轴向运动。此外，三个滚轮活塞可以根据杆件直径的大小，通过控制15气泵或油泵的压力大小而改变其伸出长度，从而实三个滚轮对于杆件的自对芯并紧密夹持，此过程三个滚轮活塞同步伸长或缩短。其中，由于自对芯固定支座在霍普金森杆系统安装和调试过程中，已经调整到最佳位置，可保证所有支座处于同轴状态，在对杆件进行夹持过程中，由于活塞同步伸缩可保证伸出长度一致，因此更换其他同直径的杆件时可以确保滚轮活塞夹紧后入射杆和透射杆完成自对芯。可以设置15气泵或油泵夹持杆件后的压力大小并使其保持，以满足支持杆件的目的。
上述变直径杆件自对芯固定支座可通过与支撑平台配套的滑槽来安装到位，滑槽起到限制其水平横向位移的作用(图2)。
上述发射套管的内径和长度可根据实验目的的不同而进行相应调整。
以下说明以花岗岩材质的杆件系统为例，其他材质杆件亦可。
首先，选取一整块尺寸合适、新鲜无风化、外表无损伤的天然花岗岩作为杆件制作原料；然后使用无损内部探伤设备对原料进行扫描，确认其内部无损伤后方可选用，否则需重新选材检验；最后按照前述图1中的加工要求对杆件进行加工，其中包括：入射杆、透射杆。
杆件加工完成后，将其与前述其他部件进行装配，其安装方法可参照分离式霍普金森压杆系统的安装与校准方法进行。
值得注意的是由于本系统使用了变直径杆件自对芯固定支座杆系统杆件进行支持，若后续需要更换不同直径的杆件时，仅需收缩滚轮活塞即可完成拆卸和更换杆件，将新杆件安装好后，控制滚轮活塞对杆件进行夹持，夹紧后即可使用。特别地，由于每个制作上的滚轮活塞为同步伸缩，因此只要首次装配支座时将其调整至最佳位置，后续实验即便更换不同直径杆件也会完成高精度的自对芯。工作原理与示意图如图3所示。
系统装配完成后，即可按照分离式霍普金森压杆的测试方法对岩石类材料进行动态试验测试。工作原理、数据采集与处理等工作与传统方式相同。
Claims (8)
1.一种自对芯可变直径岩石霍普金森杆的实验装置，其特征是在水平支撑平台上设置变直径入射杆和变直径透射杆自对芯固定支座，支座上设置有滚轮活塞固定盘；在固定盘上设置有可升降滚轮活塞；可升降滚轮活塞末端为滚轮，用于给杆件提供支持并不限制其轴向运动；可升降滚轮活塞通过控制气泵或油泵的压力大小而改变其伸出长度，从而实现滚轮对于杆件的自对芯并紧密夹持。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是滚轮活塞固定盘上设置有三个可升降滚轮活塞，三个滚轮活塞同步伸长或缩短，保证所有支座处于同轴状态，在对杆件进行夹持过程中，由于活塞同步伸缩可保证伸出长度一致，更换其他同直径的杆件时确保滚轮活塞夹紧后入射杆和透射杆完成自对芯。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是变直径岩石杆的材质为天然/人工岩石类脆性材料，其外形为圆柱体杆件，且两端面不平行度和垂直度应≤0.02mm。
4.如权利要求1所述的装置，其特征是水平支撑平台选用平整度为0.001mm的长方形高精度平台，用来安装气罐、发射套管以及变直径杆件自对芯固定支座。
5.如权利要求1所述的装置，其特征是上述多直径岩石杆的直径按照实际需求进行加工，且杆件长度需大于等于直径的100倍。
6.如权利要求1所述的装置，其特征是装置包括水平支撑平台、变直径杆件自对芯固定支座、撞击杆、炮筒、气泵、测速仪、应变放大器和示波器；其中，水平支撑平台为高平整度平台，用来承载和安装变直径杆件自对芯固定支座、撞击杆、炮筒和气泵；变直径杆件自对芯固定支座用来支撑系统的入射杆和透射杆；撞击杆(子弹)外形为圆柱体，用来对试验系统进行加载；炮筒、撞击杆、气泵协同工作，在入射杆的另一端，距入射杆端合适位置处，且与入射杆同一水平轴轴线上，设置一根发射炮筒，于该炮筒内配置一根滑动配合的子弹(撞击杆)，该子弹朝向入射杆端，发射套管的另一端通过阀门与气罐相连，该气罐与空压机相连；测速仪用于测定子弹出膛速度；应变放大器、示波器与惠斯通电桥配合使用，用于测量记录实验的入射波、透射波和反射波的波形信息。
7.如权利要求1所述的装置，其特征是变直径杆件自对芯固定支座通过与支撑平台配套的滑槽来安装到位，滑槽起到限制其水平横向位移的作用。
8.权利要求1所述的装置，其特征是变直径入射杆和变直径透射杆采用岩石类脆性材料制成。
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