CN111251477A - 一种用于弯曲元试验的试样开槽装置 - Google Patents

一种用于弯曲元试验的试样开槽装置 Download PDF

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徐湘田
王宝萱
史浩南
顾强
刘庆贺
张伟东
李高升
赵宇琴
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Abstract

本发明公开了一种用于弯曲元试验的试样开槽装置，包括盖形螺母、通心螺母、垫圈、螺杆、套筒和垫片，所述套筒设置为空心结构，垫片的结构与套筒内部空心结构的横截面相配合，在套筒水平方向开设数对贯穿筒壁的水平定位孔，所述垫片的中心处开设有竖直定位孔，所述盖形螺母安装在螺杆的上下两端，并且所述盖形螺母还抵在套筒的上下端面上。本发明解决了传统开槽方法的肉眼粗略观测难以保证弯曲元试样上的两个预留空腔相互平行，精准对位的难题，通过保证对试样开槽深度的可控性，能够高效地实现弯曲元件插入物和试样预留空腔的紧密贴合，精准开凿满足试验要求的弯曲元预留空腔，提高试样制备的效率和成功率。

Description

一种用于弯曲元试验的试样开槽装置
技术领域：
本发明属于弯曲元试验技术领域，尤其是涉及一种用于弯曲元试验的试样开槽装置。
背景技术：
弯曲元试验是一种利用弹性波在介质中的传播理论，在量级约为10-6的小应变范围内确定材料剪切模量、弹性模量和泊松比的无损检测方法。该试验使用一对弯曲元件分别作为发射端和接收端，因为弯曲元件具有相同的结构，所以每个弯曲元件既可以作为发射端又可以作为接收端。弯曲元件既可以垂直安装在试样的顶部和底部，又可以在水平方向安装，从而量化研究由于试样的各向异性引起的轴向刚度与水平刚度之间的差异。弯曲元件是由两个压电陶瓷薄片粘在一起组成的压电陶瓷双晶片，两薄片间及其外表面安装有导体(金属垫片)。由于压电陶瓷具有压电特性，可实现电能与机械能的相互转换，故可使用信号发生器对双晶片上的两个压电陶瓷薄片分别施加电压使其同时伸缩或一伸一缩，从而使压电陶瓷双晶片整体表现为微小的伸缩变形或弯曲变形并在其嵌入的试样中产生相应的振动，即产生压缩波(纵波)或剪切波(横波)两种体波。发射端弯曲元件发射的体波在试样中传播后带动接收弯曲元的压电陶瓷片产生相应的振动，并将该机械能转化为电信号。通过对比存储示波器中存储和显示的发射信号和接收信号，能够判断出体波在试样中的传播时间，根据已知的发射端和接收端之间的距离，即可计算出体波在试样中的传播速度。因为体波的波速和传播路径仅由密度和刚度控制，所以可以由体波波速和试样密度计算出试样的小应变刚度，由此分析计算场地地震响应以及在工作荷载下处于小应变状态的工程实际问题。此外，弯曲元试验也可以作为一种通过不同方向上所测刚度的差异来评估试样均匀性的一种无损测试方法。
在弯曲元试验中，弯曲元件是作为插入物插入试样内部的，无法直接压入如软岩、水泥稳定类土、高密度融土以及冻土等硬质刚性试样。因此，必须在试样上开凿出一对精准对位的空腔供作为发射端和接收端的弯曲元件插入，以免在安装和测试过程中损坏元件。若插入试样后的接收端元件和发射端元件不共面，也即接收端和发射端之间存在不为零的夹角或有平行间距，则接收到的信号不清晰且杂波多，尤其是二者垂直时理论上不会接收到任何信号，造成试验失败。因此，在试样上开凿出一对精准对位的预留空腔使得插入试样后的发射端元件和接收端元件在具有一致相位方向的前提下共面，对获取准确清晰的最大信号以及确保测试结果准确可靠而言是至关重要的。
目前，对于软岩、水泥稳定类土、高密度融土以及冻土等硬质刚性试样的弯曲元试验，试样的预留空腔仅凭肉眼在粗略的观测标记后用刻刀、手钻等工具徒手开槽。
现有开槽方法既不能控制开槽尺寸和深度，造成弯曲元件和试样无法紧密贴合，更不能保证两个预留空腔共面和精准对位。徒手开槽时为了防止试样移动或转动，还需要牢牢按住试样，可能对试样造成影响较大的扰动甚至损伤破坏。此外，由于现有开槽过程耗时较长，耗时费力，而且需要反复调整，因而会造成试样的水分变化，对冻土来说还造成试样温度的扰动。因此使用由现有技术开槽的试样进行弯曲元试验，不但在开槽过程中对试样造成较大的扰动，而且所得测试结果的波形杂乱、干扰信号多、可靠性差，难以判断接受信号的初始到达时间,从而无法正确计算出剪切波在试样中的传播速度并以此确定试样的刚度。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种既能在防止试样移动或转动的情况下同时在其水平和垂直方向精准对位开槽的装置。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于弯曲元试验的试样开槽装置，包括盖形螺母、通心螺母、垫圈、螺杆、套筒和垫片，所述套筒设置为空心结构，所述垫片的结构与套筒内部空心结构的横截面相配合，在套筒水平方向开设数对贯穿筒壁的水平定位孔，所述垫片的中心处开设有竖直定位孔，所述垫片上还开设有一对安装孔，所述螺杆两端设置有螺纹，两个垫片套接安装在螺杆上，并且位于上部的垫片的顶面上通过通心螺母、垫圈锁紧调节，位于下部的垫片的底面上通过通心螺母、垫圈锁紧调节，所述垫片置于套筒内，所述盖形螺母安装在螺杆的上下两端，并且所述盖形螺母还抵在套筒的上下端面上。
作为优选，所述垫片两侧设置为对称的向外凸起的榫头，所述安装孔开设在凸起的榫头上，所述套筒设置有用于限位榫头的限位凹槽。
作为优选，所述竖直定位孔的长度方向与垫片上开设的一对安装孔连线的方向相垂直。
作为优选，所述套筒由硬质透明材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
1、本发明解决了传统开槽方法的肉眼粗略观测难以保证弯曲元试样上的两个预留空腔相互平行，精准对位的难题。
2、本发明通过保证对试样开槽深度的可控性，能够高效地实现弯曲元件插入物和试样预留空腔的紧密贴合。可调整的刀头外露长度使装置适用于具有不同入样深度的弯曲元件，并且克服了现有开槽方法需反复调整开槽深度，耗时费力的缺点，根据垫片厚度或圆筒壁厚和弯曲元入孔深度可预设刀头长度，精准开凿满足试验要求的弯曲元预留空腔，提高试样制备的效率和成功率。
附图说明：
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是套筒的结构示意图。
图3是垫片与螺杆的安装结构示意图。
图4是垫片的结构示意图。
图5是可拆卸式刻刀的结构示意图。
图6是使用本发明开槽后试样预留空腔精准对位时的测试结果图。
图7是使用现有技术开槽后试样预留空腔对位不平行时的测试结果图。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述：
如图1至图4所示的一种用于弯曲元试验的试样开槽装置，包括盖形螺母1、通心螺母2、垫圈3、螺杆4、套筒5和垫片6，所述套筒5设置为空心结构，所述垫片6的结构与套筒5内部空心结构的横截面相配合，在套筒5水平方向开设数对贯穿筒壁的水平定位孔51，所述垫片6的中心处开设有竖直定位孔61，所述垫片6上还开设有一对安装孔62，所述螺杆4两端设置有螺纹，两个垫片6套接安装在螺杆4上，并且位于上部的垫片6的顶面上通过通心螺母2、垫圈3锁紧调节，位于下部的垫片6的底面上通过通心螺母2、垫圈3锁紧调节，所述垫圈3套接安装在螺杆4上，所述通心螺母2与螺杆4的两端螺纹连接，所述垫片6置于套筒5内，所述盖形螺母1安装在螺杆4的上下两端，并且所述盖形螺母1还抵在套筒5的上下端面上。
作为垫片6的优选设置结构，所述垫片6两侧设置为对称的向外凸起的榫头63，所述安装孔62开设在凸起的榫头63上，所述套筒5设置有用于限位榫头63的限位凹槽52。
所述竖直定位孔61的长度方向与垫片6上开设的一对安装孔62连线的方向相垂直，以避免操作人员在竖向开槽时刀具或者手盖形螺母1发生碰撞。
所述套筒5由硬质透明材料制成，以便调整后对有开槽位置标记的试样进行水平对位开槽。
实施例一：
A、在制备好的圆柱体试样上下两端各垫一片垫片6，使试样两端与垫片6重合；
B、将两根螺杆4分别垂直插入上、下两个垫片6两侧榫头63的安装孔62中；
C、在每根螺杆4两端，各套入一个垫圈3和通心螺母2；
D、拧紧通心螺母2，使其通过垫圈3和上下垫片6夹紧试样的两端；
E、将装夹固定好的试样套入套筒5内；
F、随后在每根插入的螺杆4两端各套入一个盖形螺母1，将其卡在套筒5上拧紧；
G、根据套筒5的厚度、垫片6的厚度以及实际所用弯曲元件插入物的入样深度确定并调整可拆卸式刻刀中刀头的外露长度水平方向开槽时，刀头的外露长度为套筒厚度与弯曲元件插入物的入样深度之和；垂直方向开槽时，刀头的外露长度为垫片厚度与弯曲元件插入物的入样深度之和；
H、将调好外露刀头73长度的刻刀7分别插入套筒5上的水平定位孔51以及垫片6上的竖直定位孔61中，对试样进行开槽；随着槽深的增加，刀头73的外露长度逐渐减小，当刻刀夹头72外的套壳71紧紧卡在套筒5筒壁或垫片6外侧时，说明槽深已经达到所需深度；最后，在定位孔长度和宽度方向上来回移动刻刀7，直至形成规整的空腔。
实施例二：
A、先将一个垫片6通过通心螺母2和垫圈3安装在两根螺杆4上；
B、然后置于套筒5内部作为下垫片，放入试样并在试样上放置另一个垫片6作为上垫片；
C、在每根螺杆4上端，各套入一个垫圈3和通心螺母2；
D、拧紧通心螺母2，使其通过垫圈3和上下垫片6夹紧试样的两端；
E、将装夹固定好的试样套入套筒5内；
F、随后在每根插入的螺杆4两端各套入一个盖形螺母1，将其卡在套筒5上拧紧；
G、根据套筒5的厚度、垫片6的厚度以及实际所用弯曲元件插入物的入样深度确定并调整可拆卸式刻刀中刀头的外露长度水平方向开槽时，刀头的外露长度为套筒厚度与弯曲元件插入物的入样深度之和；垂直方向开槽时，刀头的外露长度为垫片厚度与弯曲元件插入物的入样深度之和；
H、将调好外露刀头73长度的刻刀7分别插入套筒5上的水平定位孔51以及垫片6上的竖直定位孔61中，对试样进行开槽；随着槽深的增加，刀头73的外露长度逐渐减小，当刻刀夹头72外的套壳71紧紧卡在套筒5筒壁或垫片6外侧时，说明槽深已经达到所需深度；最后，在定位孔长度和宽度方向上来回移动刻刀7，直至形成规整的空腔。
本发明实现了弯曲元试验中信号发射端和接收端的精准对位并使之共面，从而获取最清晰的接收波形以及准确可靠的波速和试样刚度。该装置和方法既要能够较好地适用于具有不同高度的软岩、水泥稳定类土、高密度融土以及冻土等硬质刚性试样，又要适用于具有不同入样深度的弯曲元件插入物，并应保证试样与弯曲元压电陶瓷双晶片紧密贴合。不但应能在防止试样移动或转动的情况下对其水平和垂直方向精准对位开槽，而且要能够有效降低对试样在内部结构、水分、温度方面的扰动。同时，在很大程度上提高开槽速度，减少试样离开养护环境的时间。
如图6和图7所示为验证本发明方法与传统技术相比产生的有益效果以及在实际应用中的可行性，下面设置一组对照试验，所用试验材料均为含水率为18％的高密度粉质黏土试样，原始试样为直径50mm、高100mm的圆柱体，且进行弯曲元试验时发射端采用的激励信号均为振幅14V、激发频率为2.5kHz的正弦剪切波。
对照试验中，实验组试样采用本发明装置精确对位开槽，其剪切波测试结果如图6所示。
对照组试样采用传统技术开槽，未保证试样所开预留空腔平行对位，其剪切波测试结果如图7所示。
对比可知,实验组测试结果波形稳定，强度高,杂波少,易于判断接受信号的初始到达时间,从而能够准确计算出剪切波在试样中的传播速度并以此确定试样的剪切刚度。然而，使用传统方法开槽且未保证所开预留空腔平行对位的对照组试样，其剪切波测试结果干扰信号多，接收信号杂乱不稳定，难以准确判断出接受波初始到达时间，相同条件下的测试结果与实验组相差甚远。
需要强调的是：对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种用于弯曲元试验的试样开槽装置，其特征在于：包括盖形螺母(1)、通心螺母(2)、垫圈(3)、螺杆(4)、套筒(5)和垫片(6)，所述套筒(5)设置为空心结构，所述垫片(6)的结构与套筒(5)内部空心结构的横截面相配合，在套筒(5)水平方向开设数对贯穿筒壁的水平定位孔(51)，所述垫片(6)的中心处开设有竖直定位孔(61)，所述垫片(6)上还开设有一对安装孔(62)，所述螺杆(4)两端设置有螺纹，两个垫片(6)套接安装在螺杆(4)上，并且位于上部的垫片(6)的顶面上通过通心螺母(2)、垫圈(3)锁紧调节，位于下部的垫片(6)的底面上通过通心螺母(2)、垫圈(3)锁紧调节，所述垫片(6)置于套筒(5)内，所述盖形螺母(1)安装在螺杆(4)的上下两端，并且所述盖形螺母(1)还抵在套筒(5)的上下端面上。
2.根据权利要求1所述的用于弯曲元试验的试样开槽装置，其特征在于：所述垫片(6)两侧设置为对称的向外凸起的榫头(63)，所述安装孔(62)开设在凸起的榫头(63)上，所述套筒(5)设置有用于限位榫头(63)的限位凹槽(52)。
3.根据权利要求1所述的用于弯曲元试验的试样开槽装置，其特征在于：所述竖直定位孔(61)的长度方向与垫片(6)上开设的一对安装孔(62)连线的方向相垂直。
4.根据权利要求1所述的用于弯曲元试验的试样开槽装置，其特征在于：所述套筒(5)由硬质透明材料制成。
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