CN110907290A - 偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机 - Google Patents

偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机，涉及剪切试验机技术领域，偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置包括缸体、上活塞以及与试件适配的下活塞；缸体上开设有用于安装上活塞的第一活塞孔和用于安装下活塞的第二活塞孔，上活塞和下活塞均与缸体滑动密封；上活塞与下活塞之间存在用于盛放液压油的空腔；缸体外壁固定设置有支架，缸体通过支架固定在剪切试验机上。剪切试验机包括偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置。达到了偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机能够施加均布压力的技术效果。

Description

偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机
技术领域
本发明涉及剪切试验机技术领域，具体而言，涉及偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机。
背景技术
设备改造是提高设备利用率、降低设备成本的有效途径。在岩土力学领域，随着研究对象的扩展，现有设备往往难以满足新的试验技术要求，研发或购置新试验设备面临周期长、成本高的风险。深入分析问题后发现，现有设备部分模块可以继承使用，只需对其中不满足试验要求的模块进行改造即可。
在土力学试样的物理模拟直剪试验中，要求剪切盒的尺寸(直径或边长)至少增加到150mm，而传统剪切盒尺寸(直径或边长)仅有50mm，这时就需要对剪切盒的尺寸进行扩展以满足物理模拟试验要求。但现有设备是按小尺寸试样设计的，轴向荷载施加的位置位于小尺寸试样的几何中心，一旦试样尺寸扩大，则轴向荷载的施加将不再位于大尺寸试样的几何中心，如此将导致施加在试样上的法向应力不均衡，同时会在剪切盒上产生力矩，导致剪切盒内试样在试验过程中出现翻转。
因此，提供一种能够使压力均布的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置及剪切试验机，以缓解现有技术中压力无法均布的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，包括缸体、上活塞以及与试件适配的下活塞；
所述缸体上开设有用于安装所述上活塞的第一活塞孔和用于安装所述下活塞的第二活塞孔，所述上活塞和所述下活塞均与所述缸体滑动密封；
所述上活塞与所述下活塞之间存在用于盛放液压油的空腔；
所述缸体外壁固定设置有支架，所述缸体通过所述支架固定在剪切试验机上。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述上活塞包括压力段和第一连接段，所述压力段用于与所述空腔内的液压油接触，所述压力段与所述缸体滑动密封，所述第一连接段与所述缸体之间形成第一环空空间，所述缸体上开设有与所述第一环空空间连通的排气孔。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述缸体上开设有与所述空腔连通的第一进油口。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述下活塞包括工作段和第二连接段，所述第二连接段与所述工作段固定连接，且所述工作段的轴线与所述第二连接段的轴线重合；
所述第二连接段与所缸体滑动密封。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述第二连接段呈T型，所述第二连接段的较粗段与所述缸体的内壁滑动密封，所述第二连接段的较细段与所述第二活塞孔滑动密封。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述第二连接段与所述缸体之间形成第二环空空间，所述第二环空空间位于所述第二连接段的较细段与所述缸体之间，所述缸体上开设有均与所述第二环空空间连通的第二进油口和排油口。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述工作段的直径不小于所述上活塞的压力段的直径。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述支架的数量为多个，多个所述支架沿所述缸体周向均匀分布。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述空腔位于所述第一进油口处设置有压力传感器。
第二方面，本发明实施例提供了一种剪切试验机，包括所述偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置。
有益效果：
本发明提供的一种偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，包括缸体、上活塞以及与试件适配的下活塞；缸体上开设有用于安装上活塞的第一活塞孔和用于安装下活塞的第二活塞孔，上活塞和下活塞均与缸体滑动密封；上活塞与下活塞之间存在用于盛放液压油的空腔；缸体外壁固定设置有支架，缸体通过支架固定在剪切试验机上。
上活塞为原剪切试验机的主压力活塞，在使用时，上活塞向下运动，压迫空腔内的液压油，从而压迫下活塞，使得下活塞能够对试件进行压迫；并且，将缸体固定设置在剪切试验机上，能够消除因上活塞的轴线与下活塞的轴线不重合引起的弯矩，从而保证下活塞能够正常工作，使下活塞能够向试件传递均布的压力。
本发明提供的一种剪切试验机，包括偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置。剪切试验机与现有技术相比具有上述的优势，此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置的结构剖视图；
图2为本发明实施例提供的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置中缸体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置的俯视图；
图4为本发明实施例提供的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置工作时的受力示意图。
图标：
100－缸体；110－第一活塞孔；120－第二活塞孔；130－空腔；140－第一环空空间；150－排气孔；160－第一进油口；170－第二环空空间；180－第二进油口；190－排油口；
200－上活塞；210－压力段；220－第一连接段；
300－下活塞；310－工作段；320－第二连接段；
400－支架；
500－压力传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，包括缸体100、上活塞200以及与试件适配的下活塞300；缸体100上开设有用于安装上活塞200的第一活塞孔110和用于安装下活塞300的第二活塞孔120，上活塞200和下活塞300均与缸体100滑动密封；上活塞200与下活塞300之间存在用于盛放液压油的空腔130；缸体100外壁固定设置有支架400，缸体100通过支架400固定在剪切试验机上。
上活塞200为原剪切试验机的主压力活塞，在使用时，上活塞200向下运动，压迫空腔130内的液压油，从而压迫下活塞300，使得下活塞300能够对试件进行压迫；并且，将缸体100固定设置在剪切试验机上，能够消除因上活塞200的轴线与下活塞300的轴线不重合引起的弯矩，从而保证下活塞300能够正常工作，使下活塞300能够向试件传递均布的压力。
当上活塞200向下移动时，通过缸体100内的液压油将上活塞200的压力传递给下活塞300，能够保证下活塞300受到均布的压力，从而保证下活塞300能够向试件传递均布的压力。通过缸体100及缸体100内液压油的设置，能够使上活塞200的压力均布在下活塞300上，避免下活塞300应力集中导致无法将压力均布的传递给试件。
需要指出的是，在现有技术中第一活塞孔110的轴线与第二活塞孔120的轴线无法加工到完全重合，两者轴线必然存在一定的偏差，也无法做到第一活塞孔110的轴线和第二活塞孔120的轴线均与缸体100的几何中心重合，缸体100内液压油在传递竖向力时，液压油会将该力同时传递给缸体100上表面，使得缸体100受力将处于不平衡状态，因此缸体100通过支架400固定在剪切实验机上，能够保持缸体100力矩平衡，保证下活塞300能够向试件传递均布的压力。
还需要指出的是，在进行工作之前，缸体100内的空腔130会盛满液压油。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，上活塞200包括压力段210和第一连接段220，压力段210用于与空腔130内的液压油接触，压力段210与缸体100滑动密封，第一连接段220与缸体100之间形成第一环空空间140，缸体100上开设有与第一环空空间140连通的排气孔150。
具体的，上活塞200的第一连接段220与缸体100滑动密封，上活塞200能够随着剪切试验机的加载压头上下移动，当剪切试验机的加载压头带动上活塞200向下移动时，上活塞200会压迫缸体100内的液压油，从而压迫下活塞300向下移动，从而向试件传递均布压力，在上活塞200向下移动的过程中，外界空气会从排气孔150进入到第一环空空间140内，保持第一环空空间140内的气压平衡；当剪切试验机的加载压头带动上活塞200向上移动时，在上活塞200向下移动的过程中，第一环空空间140内的空气会从排气孔150排出到外界，保持第一环空空间140内的气压平衡。如果第一环空空间140内的气压不平衡，会影响上活塞200的上下移动。
其中，当上活塞200移动至上下的最大行程时，均不会影响排气孔150的正常排气或进气工作。
参见图1、图2和图3所示，本实施例的可选方案中，缸体100上开设有与空腔130连通的第一进油口160。
具体的，第一进油口160开设在缸体100上，并且工作人员可以通过第一进油口160方便的向缸体100内注入液压油。
需要说明的是，缸体100上还可以开设有排油孔，通过排油孔对缸体100内的液压油进行排出作业，使得工作人员可以方便的更换缸体100内的液压油。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，下活塞300包括工作段310和第二连接段320，第二连接段320与工作段310固定连接，且工作段310的轴线与第二连接段320的轴线重合；第二连接段320与缸体100滑动密封。
下活塞300的工作段310位于第二连接段320的下方，下活塞300的第二连接段320与缸体100滑动密封，当液压油驱动下活塞300时，工作段310能够与试件接触并传递均布压力。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，第二连接段320呈T型，第二连接段320的较粗段与缸体100的内壁滑动密封，第二连接段320的较细段与第二活塞孔120滑动密封。
具体的，下活塞300的第二连接段320包括较粗的一段和较细的一段，且第二连接段320较细的一段位于第二连接段320较粗的一段的下方，第二连接段320较粗的一段伸入缸体100的一端的端部与缸体100的内壁滑动密封，第二连接段320较细的一段的外壁与第二活塞孔120滑动密封，通过这样的设置能够避免缸体100内的液压油外泄。
参见图1和图2所示，本实施例的可选方案中，第二连接段320与缸体100之间形成第二环空空间170，第二环空空间170位于第二连接段320的较细段与缸体100之间，缸体100上开设有均与第二环空空间170连通的第二进油口180和排油口190。
第二连接段320较细的一段的外壁与缸体100内壁之间形成第二环空空间170，并且第二环空空间170内充满液压油；当上活塞200驱动下活塞300向下移动时，下活塞300会挤压第二环空空间170内的液压油，使第二环空空间170内的液压油从排油口190排出，使得下活塞300能够正常下降；当上活塞200上移时，液压油会从第二进油口180进入到第二环空空间170内，辅助下活塞300上移。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，工作段310的直径不小于压力段210的直径。
其中，通过这样的设置，能够对尺寸较大的试件进行试验。
参见图3所示，本实施例的可选方案中，支架400的数量为多个，多个支架400沿缸体100周向等间隔分布。
具体的，多个支架400沿缸体100的周向等间隔设置，能够使多个支架400受力平均，提高支架400的使用寿命。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，空腔130位于第一进油口160处设置有压力传感器500。
通过压力传感器500可以检测空腔130内的液压油的油压，从而方便工作人员计算试验数据。
参见图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置的工作过程为：将整体放置在已有剪切试验机的操作台上，上活塞200上表面与已有剪切试验机的加载压头对齐，上活塞200的上表面受外荷载P1作用后，上活塞200整体在缸体100中沿加载方向移动，上活塞200下表面挤压缸体100中的液压油，液压油在上活塞200下表面上产生一个反力P2，使得上活塞200处于动态平衡状态。忽略上活塞200与缸体100间的摩擦，设上活塞200上下表面面积分别为S1和S2，则根据受力平衡应有：
P1×S1＝P2×S2 (1)
根据液体内压力传递原理，液压油受压后，压力将传递至液压油与缸体100接触的任意表面，包括下活塞300的上表面，设作用在该面上的力为P3。如果P2远大于由液压油柱自重所形成的压力，则可忽略液压油自重的压力，于是有：
P2＝P3 (2)
显而易见，液压P3在下活塞300上表面的分布是均匀的。受液压P3作用后，下活塞300将在缸体100中沿加载方向移动。下活塞300下表面与试件接触，试件对其产生一个反力P4，设下活塞300上下表面面积分别为S3和S4，根据受力平衡有：
P3×S3＝P4×S4 (3)
由式(1)、(2)、(3)可知，经过偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置施加至试件上的力为：
Figure BDA0002305766530000101
并且通过支架400的设置产生力矩M2能够抵消缸体100在液压油的作用下产生的力矩M1，因此经过偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置的设置，能够对较大尺寸的试件进行试验工作，并且能够施加均布的压力。
本实施例提供了一种剪切试验机，包括偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置。剪切试验机与现有技术相比具有上述的优势，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，包括：缸体(100)、上活塞(200)以及与试件适配的下活塞(300)；
所述缸体(100)上开设有用于安装所述上活塞(200)的第一活塞孔(110)和用于安装所述下活塞(300)的第二活塞孔(120)，所述上活塞(200)和所述下活塞(300)均与所述缸体(100)滑动密封；
所述上活塞(200)与所述下活塞(300)之间存在用于盛放液压油的空腔(130)；
所述缸体(100)外壁固定设置有支架(400)，所述缸体(100)通过所述支架(400)固定在剪切试验机上。
2.根据权利要求1所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述上活塞(200)包括压力段(210)和第一连接段(220)，所述压力段(210)用于与所述空腔(130)内的液压油接触，所述压力段(210)与所述缸体(100)滑动密封，所述第一连接段(220)与所述缸体(100)之间形成第一环空空间(140)，所述缸体(100)上开设有与所述第一环空空间(140)连通的排气孔(150)。
3.根据权利要求1所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述缸体(100)上开设有与所述空腔(130)连通的第一进油口(160)。
4.根据权利要求2所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述下活塞(300)包括工作段(310)和第二连接段(320)，所述第二连接段(320)与所述工作段(310)固定连接，且所述工作段(310)的轴线与所述第二连接段(320)的轴线重合；
所述第二连接段(320)与所缸体(100)滑动密封。
5.根据权利要求4所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述第二连接段(320)呈T型，所述第二连接段(320)的较粗段与所述缸体(100)的内壁滑动密封，所述第二连接段(320)的较细段与所述第二活塞孔(120)滑动密封。
6.根据权利要求5所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述第二连接段(320)与所述缸体(100)之间形成第二环空空间(170)，所述第二环空空间(170)位于所述第二连接段(320)的较细段与所述缸体(100)之间，所述缸体(100)上开设有均与所述第二环空空间(170)连通的第二进油口(180)和排油口(190)。
7.根据权利要求4所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述工作段(310)的直径不小于所述压力段(210)的直径。
8.根据权利要求3所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述空腔(130)位于所述第一进油口(160)处设置有压力传感器(500)。
9.根据权利要求1－8任一项所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置，其特征在于，所述支架(400)的数量为多个，多个所述支架(400)沿所述缸体(100)周向等间隔分布。
10.一种剪切试验机，其特征在于，包括权利要求1－9任一项所述的偏心载荷作用下单一方向均布力施加装置。
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