CN111474058B - 一种轴流式高流速高压强试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴流式高流速高压强试验装置，包括容器、高压流体输入装置、流体输出装置、流体测速装置、水压测量装置、固定轴杆、活动轴杆及压缩气体输送装置；本发明所述装置可以通过在高流速高压强流体中进行单轴压缩试验，获取材料样品的动态力学性能，从而分析材料样品在高流速高压强流体环境中破坏的力学性能。

Description

一种轴流式高流速高压强试验装置
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种轴流式高流速高压强试验装置。
背景技术
材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度等)下，承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特性。了解材料的力学特性，可为设计各种工程结构时选用材料提供依据。
随着材料力学性能测试试验的不断发展，对模拟环境的复杂性要求越来越高，流体环境中，流速、压强、混合物等因素致使试验研究较空气环境中困难得多。因此，涉及流体环境中材料力学性能测试是本领域亟待解决的重大难题。
获取材料样品在高流速高压强流体条件下的力学性能，有助于对材料进行划分利用，从而选择适应于不同流体环境的材料。同时，针对流体环境中材料的破坏过程进行分析，可进一步研究材料在不同流体环境中破坏的力学性能。
目前，尚未有轴杆试验系统与高流速高压强模拟流体环境相结合的材料单轴压缩试验，为此，本发明提供一种新型轴流式高流速高压强试验装置，用于测试材料样品的力学性能，分析材料样品在高流速高压强流体环境中单轴加载的变化情况。
发明内容
本发明提供了一种轴流式高流速高压强试验装置，可以通过在高流速高压强流体中进行单轴压缩试验，获取材料样品的动态力学性能，从而分析材料样品在高流速高压强流体环境中破坏的力学性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种轴流式高流速高压强试验装置，包括容器、高压流体输入装置、流体输出装置、流体测速装置、水压测量装置、固定轴杆、活动轴杆及压缩气体输送装置；所述容器在1个侧板的中部开设流体入口，在与流体入口相对的另一个侧板的中部设流体出口，其中流体入口与高压流体输入装置相连，流体出口与流体输出装置相连；容器在底板的中部开设轴杆孔一，在顶板的中部开设轴杆孔二，固定轴杆向上穿过轴杆孔一后伸入到容器中，试样置于固定轴杆的顶部；活动轴杆向下穿过轴杆孔二后伸入到容器中，其底端与试样的顶面紧密接触；试样位于容器的中心位置；所述压缩气体输送装置由压缩气体管道及气体压缩机组成，容器的顶板上开设有压缩气体入口，通过压缩气体管道连接气体压缩机；容器在不设流体入口和流体出口的2个侧板中部开设通孔，其中一个侧板上开设取放样及观察孔，在与该侧板相对的另一个侧板上并列开设测速杆一安装孔、压力传感器安装孔及测速杆二安装孔；所述流体测速装置中的测速杆一、测速杆二分别对应安装在测速杆一安装孔、测速杆二安装孔中；所述水压测量装置中的压力传感器安装在压力传感器安装孔中；流体入口、流体出口、轴杆孔一、轴杆孔二及压缩气体入口均设密封结构，取放样及观察孔通过透明密封端盖密封。
所述高压流体输入装置由流体入口管及沿流体流动方向依次安装在流体入口管上的高压流体泵、入口流体控制开关、入口超声波流量计组成；流体入口管的一端连接流体输入管道，另一端穿过流体入口后伸入容器内；所述流体入口管与流体入口之间通过密封管螺纹密封连接。
所述流体输出装置由流体出口管及沿流体流动方向依次安装在流体出口管上的出口超声波流量计、出口流体控制开关组成；流体出口管的一端连接流体输出管道，另一端穿过流体出口后伸入容器内；所述流体出口管与流体出口之间通过密封管螺纹密封连接。
所述容器为正方体容器。
所述透明密封端盖由座圈及盖体组成，座圈与取放样及观察孔外侧的容器侧板固定连接，盖体与座圈通过密封管螺纹密封连接。
所述固定轴杆的外侧套设有环形套筒一，环形套筒一由上环、下环及外筒组成，上环的外圈、下环的外圈分别与外筒内侧的上端、下端固定连接，上环的内圈、下环的内圈分别与固定轴杆的外壁贴合；环形套筒一与固定轴杆之间的环形空间内填充黄油；所述活动轴杆的外侧套设有环形套筒二，环形套筒二由上环、下环及外筒组成，上环的外圈、下环的外圈分别与外筒内侧的上端、下端固定连接，上环的内圈、下环的内圈分别与活动轴杆的外壁贴合；环形套筒二与活动轴杆之间的环形空间内填充黄油。
所述上环和/或下环上开设有注油孔，注油孔通过带螺纹的油塞封闭。
所述固定轴杆的顶部设弹性固定环或弹性固定套，用于固定试样的下端。
所述水压测量装置由压力传感器及压力采集仪组成，压力传感器安装孔处固定有压力传感器，压力传感器的测量端对应试样的中部，压力传感器通过信号输出电缆连接压力采集仪。
所述流体测速装置由测速杆一、测速杆二、流速采集仪组成；测速杆一安装孔处固定有测速杆一，测速杆二安装孔处固定有测速杆二，测速杆一、测速杆二的测量端分别对应试样的两侧；测速杆一、测速杆二的信号输出端分别连接流速采集仪；测速杆一、测速杆二的外侧分别设螺纹套，螺纹套与测速杆一安装孔、测速杆二安装孔之间采用螺纹连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过在高流速高压强流体中进行单轴压缩试验获取材料样品的动态力学性能，从而分析材料样品在高流速高压强流体环境中破坏的力学性能。
(2)本发明所述试验装置适用于所有轴杆压缩或冲击试验系统。
(3)本发明所述装置可通过更换流体介质、改变材料样品所处区域的压强和流速，测试不同流体场条件下材料样品的力学性能。
(4)本发明所述装置结构简单，材料来源广泛，操作使用方便。
附图说明
图1是本发明所述一种轴流式高流速高压强试验装置的结构示意图。
图2是本发明所述固定轴杆或活动轴杆的结构示意图。
图3是本发明所述高压流体输入装置的结构示意图。
图4是本发明所述流体输出装置的结构示意图。
图5是本发明所述测速杆的结构示意图。
图6是本发明所述压力传感器的结构示意图。
图7是本发明所述透明密封端盖的结构示意图。
图中：1.高压流体输入装置 1a.高压流体泵 1b.入口流体控制开关 1c.入口超声波流量计 1d.流体入口管 2.流体入口 3.容器 4.气体压缩机 5.压缩气体管道 6.压缩气体入口 7.活动轴杆 8/21.黄油 9.环形套筒二 10.轴杆孔二 11.试样 12.取放样及观察孔 13.流体出口 14.流体输出装置 14a.流体出口管 14b.出口超声波流量计 14c.出口流体控制开关 15.流速采集仪 16.测速杆一/测速杆二 17.测速杆一安装孔 18.压力传感器安装孔 19.环形套筒一 20.固定轴杆 22.轴杆孔一 23.测速杆二安装孔 24.压力传感器25.压力采集仪 26.信号输出电缆 27.注油孔 28.弹性固定环或弹性固定套 29.座圈 30.盖体 31.螺纹套
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本发明所述一种轴流式高流速高压强试验装置，包括容器3、高压流体输入装置1、流体输出装置14、流体测速装置、水压测量装置、固定轴杆20、活动轴杆7及压缩气体输送装置；所述容器3在1个侧板的中部开设流体入口2，在与流体入口2相对的另一个侧板的中部设流体出口13，其中流体入口2与高压流体输入装置1相连，流体出口13与流体输出装置14相连；容器3在底板的中部开设轴杆孔一22，在顶板的中部开设轴杆孔二10，固定轴杆20向上穿过轴杆孔一22后伸入到容器3中，试样11置于固定轴杆20的顶部；活动轴杆7向下穿过轴杆孔二10后伸入到容器3中，其底端与试样11的顶面紧密接触；试样11位于容器3的中心位置；所述压缩气体输送装置由压缩气体管道及气体压缩机组成，容器3的顶板上开设有压缩气体入口6，通过压缩气体管道5连接气体压缩机4；容器3在不设流体入口2和流体出口的2个侧板中部开设通孔，其中一个侧板上开设取放样及观察孔12，在与该侧板相对的另一个侧板上并列开设测速杆一安装孔17、压力传感器安装孔18及测速杆二安装孔23；所述流体测速装置中的测速杆一16、测速杆二16分别对应安装在测速杆一安装孔17、测速杆二安装孔23中；所述水压测量装置中的压力传感器24安装在压力传感器安装孔18中；流体入口2、流体出口13、轴杆孔一22、轴杆孔二10及压缩气体入口6均设密封结构，取放样及观察孔12通过透明密封端盖密封。
如图3所示，所述高压流体输入装置1由流体入口管1d及沿流体流动方向依次安装在流体入口管1d上的高压流体泵1a、入口流体控制开关1b、入口超声波流量计1c组成；流体入口管1d的一端连接流体输入管道，另一端穿过流体入口2后伸入容器3内；所述流体入口管1d与流体入口2之间通过密封管螺纹密封连接。
如图4所示，所述流体输出装置14由流体出口管14a及沿流体流动方向依次安装在流体出口管14a上的出口超声波流量计14b、出口流体控制开关14c组成；流体出口管14a的一端连接流体输出管道，另一端穿过流体出口13后伸入容器3内；所述流体出口管14a与流体出口13之间通过密封管螺纹密封连接。
所述容器3为正方体容器。
如图7所示，所述透明密封端盖由座圈29及盖体30组成，座圈29与取放样及观察孔12外侧的容器3侧板固定连接，盖体30与座圈29通过密封管螺纹密封连接。
如图1、图2所示，所述固定轴杆20的外侧套设有环形套筒一19，环形套筒一19由上环、下环及外筒组成，上环的外圈、下环的外圈分别与外筒内侧的上端、下端固定连接，上环的内圈、下环的内圈分别与固定轴杆20的外壁贴合；环形套筒一19与固定轴杆20之间的环形空间内填充黄油21；所述活动轴杆7的外侧套设有环形套筒二9，环形套筒二9由上环、下环及外筒组成，上环的外圈、下环的外圈分别与外筒内侧的上端、下端固定连接，上环的内圈、下环的内圈分别与活动轴杆7的外壁贴合；环形套筒二9与活动轴杆7之间的环形空间内填充黄油8。
所述上环和/或下环上开设有注油孔27，注油孔27通过带螺纹的油塞封闭。
所述固定轴杆20的顶部设弹性固定环或弹性固定套28，用于固定试样11的下端。
如图1、图6所示，所述水压测量装置由压力传感器24及压力采集仪25组成，压力传感器安装孔18处固定有压力传感器24，压力传感器24的测量端对应试样11的中部，压力传感器24通过信号输出电缆26连接压力采集仪25。
如图1、图5所示，所述流体测速装置由测速杆一16、测速杆二16、流速采集仪15组成；测速杆一安装孔17处固定有测速杆一16，测速杆二安装孔23处固定有测速杆二16，测速杆一16、测速杆二16的测量端分别对应试样11的两侧；测速杆一16、测速杆二16的信号输出端分别连接流速采集仪15；测速杆一16、测速杆二16的外侧分别设螺纹套31，螺纹套31与测速杆一安装孔17、测速杆二安装孔23之间采用螺纹连接。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例1】
本实施例一种轴流式高流速高压强试验装置中，选用20mm厚的钢板作为容器的制作材料，容器为长方体；其顶面和底面的中部分别设钢制的环形套筒，环形套筒的壁厚为5mm，与容器焊接固定；流体选用海水，试样为金属试样。
固定轴杆和活动轴杆分别耦合嵌套并贯穿于对应的环形套筒中，固定轴杆的顶端设有弹性固定环，用于防止试样在受到高流速冲击时发生位移；活动轴杆的底面压紧在试样顶面。
容器内部的流体不宜过满，高于试样顶面30mm即可，2个环形套筒中分别贯穿有固定轴杆和活动轴杆，环形套筒与固定轴杆或活动轴杆之间注有黄油，防止气压泄漏和流体渗出；注油孔的直径为10mm。
高压流体输入装置与容器左端(图示方向，下同)开设的流体入口相连通，流体输出装置与容器右端开设的流体出口相连通；高压流体输入装置包括高压流体泵、入口流体控制开关、入口超声波流量计、流体入口管，流体入口管的一端与流体入口连接，另一端通过流体输入管道连接流体贮槽；流体输出装置包括出口流体控制开关、出口超声波流量计、流体出口管，流体出口管的一端与流体出口连接，另一端通过流体输出管道连接流体回收槽。
压缩气体输送装置包括气体压缩机和压缩气体管道，压缩气体管道的一端与容器顶部开设的直径为20mm的压缩气体入口连接，另一端与气体压缩机连接。压缩气体入口处设内螺纹，压缩气体管道上对应设有与内螺纹相配合的外螺纹。
容器顶部中心开设与活动轴杆直径相等(均为50mm)的轴杆孔二，容器底部中心开设与固定轴杆直径相等(均为50mm)的轴杆孔二。
容器左端与试样对应高度的位置设有与流体入口管直径相等(均为50mm)的流体入口，流体入口管上设外螺纹，流体入口处设与该外螺纹相匹配的内螺纹；容器的右端与试样对应高度的位置设有与流体出口管直径相等(均为50mm)的流体出口，流体入口管上设外螺纹，流体入口处设有与该外螺纹相匹配的内螺纹。
容器的后端中心位置设有便于取放、观察试样的取放样及观察孔，直径为200mm，取放样与观察孔与透明密封端盖的座圈焊接固定，座圈上设有外螺纹，盖体设有与该外螺纹相匹配的内螺纹。
容器的前端设有3个直径为10mm的通孔，3个通孔的间距均为30mm；中间的通孔用于安装压力传感器24，以测量试样所在位置的压力；左右两边的2个通孔分别用于安装测速杆一和测速杆二，测速杆一、测速杆二分别伸入试样两侧的容器内，以测量试样两边的海水流速，测速杆一、测速杆二的信号输出电缆与流速采集仪连接；测速杆一、测速杆的外侧设螺纹套，螺纹套设有外螺纹，对应的通孔处分别设有与该外螺纹相匹配的内螺纹。
压力传感器嵌装在压力传感器安装孔中，然后对该孔进行密封，压力传感器直接与容器内的海水接触，压力传感器的信号输出端通过信号电缆与压力采集仪连接。
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置装配完毕后进行检查，确保各开孔处具有良好的密封性，活动轴杆与环形套筒二耦合嵌套且具有良好的活动性；确保试样置于容器的中心位置，保持固定轴杆固定不动；确保环形套筒一、环形套筒二内的黄油充足且可以隔绝空气和流体；然后开始试验，调节保压缩空气输送装置、高压流体输入装置和流体输出装置，保持容器内试样所处位置的流速和压力不变；通过高速摄影仪透过透明密封端盖拍摄试样的全部加载过程；本实施例进行轴杆压缩试验，通过与轴杆试验机配套使用的数据采集仪器、计算机等分析试样的力学性能。
【实施例2】
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置的结构组成基本与实施例1相同。容器采用正方体容器，流体选用湖水，试样为经过饱和处理的岩石。
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置装配完毕后进行检查，确保各开孔处具有良好的密封性，活动轴杆与环形套筒二耦合嵌套且具有良好的活动性；确保试样置于容器的中心位置，保持固定轴杆固定不动；确保环形套筒一、环形套筒二内的黄油充足且可以隔绝空气和流体；然后开始试验，调节保压缩空气输送装置、高压流体输入装置和流体输出装置，保持容器内试样所处位置的流速和压力不变；通过高速摄影仪透过透明密封端盖拍摄试样的全部加载过程；本实施例进行轴杆压缩试验，通过与轴杆试验机配套使用的数据采集仪器、计算机等分析试样的力学性能。
【实施例3】
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置的结构组成基本与实施例1相同。容器采用长方体容器，流体选用经过40℃加热处理的自来水，材料样品选取柱状岩石试件。
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置装配完毕后进行检查，确保各开孔处具有良好的密封性，活动轴杆与环形套筒二耦合嵌套且具有良好的活动性；确保试样置于容器的中心位置，保持固定轴杆固定不动；确保环形套筒一、环形套筒二内的黄油充足且可以隔绝空气和流体；然后开始试验，调节保压缩空气输送装置、高压流体输入装置和流体输出装置，保持容器内试样所处位置的流速和压力不变；通过高速摄影仪透过透明密封端盖拍摄试样的全部加载过程；本实施例进行轴杆压缩试验，通过与轴杆试验机配套使用的数据采集仪器、计算机等分析试样的力学性能。
【实施例4】
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置的结构组成基本与实施例1相同。容器采用长方体容器，流体为泥水混合物，粘稠度中等，并对泥水混合物进行降温处理使其温度为5℃，试样为柱状岩石。
本实施例中，轴流式高流速高压强试验装置装配完毕后进行检查，确保各开孔处具有良好的密封性，活动轴杆与环形套筒二耦合嵌套且具有良好的活动性；确保试样置于容器的中心位置，保持固定轴杆固定不动；确保环形套筒一、环形套筒二内的黄油充足且可以隔绝空气和流体；然后开始试验，调节保压缩空气输送装置、高压流体输入装置和流体输出装置，保持容器内试样所处位置的流速和压力不变；通过高速摄影仪透过透明密封端盖拍摄试样的全部加载过程；本实施例进行轴杆压缩试验，通过与轴杆试验机配套使用的数据采集仪器、计算机等分析试样的力学性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轴流式高流速高压强试验装置，其特征在于，包括容器、高压流体输入装置、流体输出装置、流体测速装置、水压测量装置、固定轴杆、活动轴杆及压缩气体输送装置；所述容器在1个侧板的中部开设流体入口，在与流体入口相对的另一个侧板的中部设流体出口，其中流体入口与高压流体输入装置相连，流体出口与流体输出装置相连；容器在底板的中部开设轴杆孔一，在顶板的中部开设轴杆孔二，固定轴杆向上穿过轴杆孔一后伸入到容器中，试样置于固定轴杆的顶部；活动轴杆向下穿过轴杆孔二后伸入到容器中，其底端与试样的顶面紧密接触；试样位于容器的中心位置；所述压缩气体输送装置由压缩气体管道及气体压缩机组成，容器的顶板上开设有压缩气体入口，通过压缩气体管道连接气体压缩机；容器在不设流体入口和流体出口的2个侧板中部开设通孔，其中一个侧板上开设取放样及观察孔，在与该侧板相对的另一个侧板上并列开设测速杆一安装孔、压力传感器安装孔及测速杆二安装孔；所述流体测速装置中的测速杆一、测速杆二分别对应安装在测速杆一安装孔、测速杆二安装孔中；所述水压测量装置中的压力传感器安装在压力传感器安装孔中；流体入口、流体出口、轴杆孔一、轴杆孔二及压缩气体入口均设密封结构，取放样及观察孔通过透明密封端盖密封；
所述高压流体输入装置由流体入口管及沿流体流动方向依次安装在流体入口管上的高压流体泵、入口流体控制开关、入口超声波流量计组成；流体入口管的一端连接流体输入管道，另一端穿过流体入口后伸入容器内；所述流体入口管与流体入口之间通过密封管螺纹密封连接；
所述流体输出装置由流体出口管及沿流体流动方向依次安装在流体出口管上的出口超声波流量计、出口流体控制开关组成；流体出口管的一端连接流体输出管道，另一端穿过流体出口后伸入容器内；所述流体出口管与流体出口之间通过密封管螺纹密封连接；
所述固定轴杆的外侧套设有环形套筒一，环形套筒一由上环、下环及外筒组成，上环的外圈、下环的外圈分别与外筒内侧的上端、下端固定连接，上环的内圈、下环的内圈分别与固定轴杆的外壁贴合；环形套筒一与固定轴杆之间的环形空间内填充黄油；所述活动轴杆的外侧套设有环形套筒二，环形套筒二由上环、下环及外筒组成，上环的外圈、下环的外圈分别与外筒内侧的上端、下端固定连接，上环的内圈、下环的内圈分别与活动轴杆的外壁贴合；环形套筒二与活动轴杆之间的环形空间内填充黄油；所述固定轴杆的顶部设弹性固定环或弹性固定套，用于固定试样的下端。
2.根据权利要求1所述的一种轴流式高流速高压强试验装置，其特征在于，所述容器为正方体容器。
3.根据权利要求1所述的一种轴流式高流速高压强试验装置，其特征在于，所述透明密封端盖由座圈及盖体组成，座圈与取放样及观察孔外侧的容器侧板固定连接，盖体与座圈通过密封管螺纹密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种轴流式高流速高压强试验装置，其特征在于，所述上环和/或下环上开设有注油孔，注油孔通过带螺纹的油塞封闭。
5.根据权利要求1所述的一种轴流式高流速高压强试验装置，其特征在于，所述水压测量装置由压力传感器及压力采集仪组成，压力传感器安装孔处固定有压力传感器，压力传感器的测量端对应试样的中部，压力传感器通过信号输出电缆连接压力采集仪。
6.根据权利要求1所述的一种轴流式高流速高压强试验装置，其特征在于，所述流体测速装置由测速杆一、测速杆二、流速采集仪组成；测速杆一安装孔处固定有测速杆一，测速杆二安装孔处固定有测速杆二，测速杆一、测速杆二的测量端分别对应试样的两侧；测速杆一、测速杆二的信号输出端分别连接流速采集仪；测速杆一、测速杆二的外侧分别设螺纹套，螺纹套与测速杆一安装孔、测速杆二安装孔之间采用螺纹连接。
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