CN112858048A - 一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，包括发射管、入射杆、透射杆、接收装置和应变片，发射管与入射杆的起始端相配合，透射杆与入射杆的末端相配合，入射杆包括支座和整形器，应变片分别与入射杆和透射杆抵接，并外接超动态应变仪、示波器与计算器，还公开了如上述所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法，包括如下步骤：启动气枪；记录入射波与反射波；观察填塞物是否装出透射杆，若否则直接计算，若是则记录位移；改变填塞物的长度，对照试验；改变撞击速度，对照试验，通过撞击试验模拟爆破安全有效，可通过计算填塞被冲击的距离，直接反应填塞效果的好坏，方法简单快捷，还确定填塞物不同部位的动态力学性能。

Description

一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及工程爆破技术领域，尤其涉及一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置及其使用方法。
背景技术
炮孔填塞可以有效降低炸药使用量，可以减小岩石的抛散距离，减小岩渣块度，从而节省成本。现阶段工程实践中，为了改善爆破效果，国内外学者对岩体的物理力学性能、岩体的结构特性、炸药性能、炮孔填塞等进行了大量研究。其中，炮孔填塞是爆破的一个基本环节，广大爆破工作者对：炮孔填塞物成分、颗粒、填塞结构质量和几何参数对药柱爆轰波的传播，炮孔中爆生气体的变化等进行了大量研究。但是有关动态荷载作用下的填塞物的力学性能研究还不足，填塞物动态力学性能测试目的是检测填塞效果，以达到优化填塞的目的，从而指导工程实践。
发明内容
本发明为了对填塞的动态力学性能进行检测，在此提出一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置及其使用方法。
一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，包括发射管、入射杆、透射杆、接收装置和应变片，所述发射管设置于所述入射杆的一侧，并与所述入射杆的起始端相配合，所述透射杆设置于所述入射杆的另一侧，并与所述入射杆的末端相配合，所述接收装置则设置于所述透射杆的末端，所述入射杆包括支座和整形器，所述支座设置于所述入射杆的下侧，所述整形器则设置于所述入射杆的起始端，所述应变片分别与所述入射杆和透射杆抵接，并外接超动态应变仪、示波器与计算器。
其中，所述支座包括托架和固定座，所述托架为与所述入射杆外侧契合的圆弧形结构，并与所述固定座固定连接，所述固定座则设置于所述托架的下侧。
其中，所述发射管包括气枪、撞击杆和测速仪，所述气枪与所述撞击杆契合，并设置于所述撞击杆的外周侧，所述测速仪设置于所述气枪的上侧，并与所述气枪的出口相配合，所述撞击杆沿所述气枪的长度方向与所述透射杆同轴设置。
其中，所述透射杆包括外透射杆、内透射杆、两个铝合金外箍、抱箍和基座，所述外透射杆的直径大于所述内透射杆的直径，且所述外透射杆套设于所述内透射杆的外侧，所述内透射杆与所述入射杆同轴设置，且所述内透射杆的内径与所述入射杆的外径契合，两个所述铝合金外箍分别设置于所述外透射杆的两端，并均连接所述外透射杆与所述内透射杆，所述基座设置于所述外透射杆的下侧，并通过所述抱箍与所述外透射杆固定连接，所述抱箍设置于所述外透射杆的外周侧。
其中，所述内透射杆包括活塞、填塞物和木块，所述活塞设置于所述内透射杆的入口端，并与所述内透射杆滑动连接，所述填塞物设置于所述活塞与所述木块之间，所述木块也与所述内透射杆滑动连接。
其中，每个所述铝合金外箍均包括设有贯穿孔的底座和固定板，所述底座与所述外透射杆和所述内透射杆卡接，并设置于所述外透射杆的两端，所述底座的厚度与所述外透射杆和所述内透射杆的直径之差相同，所述固定板则环绕所述外透射杆，并与所述底座固定连接，所述贯穿孔与所述活塞相契合，并设置于所述底座的中心处。
其中，所述接收装置包括矩形板和白色网格纸，所述矩形板设置于所述透射杆的末端，所述白色网格纸则设置于所述矩形板的上侧。
采用如上述所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法，包括如下步骤：
通过气枪将撞击杆发射，使撞击杆与入射杆共轴撞击，撞击时用测速仪记录撞击时的速度，撞击端贴上整形器；
入射杆通过被撞击，向前移动撞击透射杆中的活塞与填塞物向前移动；
观察填塞物有没有直接撞出透射杆，若没有直接冲击出来，根据所测应力-应变关系曲线，计算不同时段填塞物的移动距离，从而推算不同时段不同填塞部位的动态力学性能，并确定填塞效果；
若填塞物冲击出来，散落在接收装置上，则用直尺测量散落出来的填塞物的位移；
改变填塞物的长度，进行对照试验；
改变撞击的速度，进行对照试验。
其中，所述填塞物为粘土、砂和水配比为5:4:1的混合物，且为耦合填塞。
其中，所述活塞与所述木块均选用木制，活塞的直径与所述木块的直径相同，所述活塞的长度为所述木块的长度的两倍。
本发明的有益效果为：提供一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置来检测填塞物在动荷载作用下的力学性能，通过撞击试验模拟爆破安全有效，可通过计算填塞被冲击的距离，直接反应填塞效果的好坏，方法简单快捷，还确定填塞物不同部位的动态力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的结构示意图。
图2是本发明一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的铝合金外箍结构示意图。
图3是本发明一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的铝合金外箍剖面结构示意图。
图4是本发明一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的整形器的剖面结构示意图。
图5是本发明一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法的使用步骤示意图。
10-发射管、20-入射杆、30-透射杆、40-接收装置、50-应变片、11-气枪、12-撞击杆、13-测速仪、21-支座、22-整形器、31-外透射杆、32-内透射杆、33-铝合金外箍、34-抱箍、35-基座、211-托架、212-固定座、221-应力孔、222-加强筋、321-活塞、322-填塞物、323-木块、331-底座、332-固定板、333-贯穿孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，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。
请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：
一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，包括发射管10、入射杆20、透射杆30、接收装置40和应变片50，所述发射管10设置于所述入射杆20的一侧，并与所述入射杆20的起始端相配合，所述透射杆30设置于所述入射杆20的另一侧，并与所述入射杆20的末端相配合，所述接收装置40则设置于所述透射杆30的末端，所述入射杆20包括支座21和整形器22，所述支座21设置于所述入射杆20的下侧，所述整形器22则设置于所述入射杆20的起始端，所述应变片50分别与所述入射杆20和透射杆30抵接，并外接超动态应变仪、示波器与计算器。
在本实施方式中，所述发射管10用以给所述入射杆20提供运动，所述入射杆20通过被撞击，所述入射杆20进而撞击所述透射杆30，以模拟炸药爆炸对填塞的作用，从而达到对填塞的动态力学性能进行研究的目的，从而检测填塞效果，所述透射杆30用以模拟炮孔，所述接收装置40用以配合接收特殊情况下，喷出所述透射杆30的填塞物322，以测量散落出来的填塞物322的位移，所述应变片50则用以测量应力-应变曲线，从而推求出应力波的传播过程，以便改进填塞效果，所述支座21用以限制所述入射杆20的移动轨迹，所述整形器22用以减小撞击过程中由于杆中质点横向运动的惯性作用产生的弥散效应，改善波形。
进一步的，所述支座21包括托架211和固定座212，所述托架211为与所述入射杆20外侧契合的圆弧形结构，并与所述固定座212固定连接，所述固定座212则设置于所述托架211的下侧。
在本实施方式中，所述托架211用以限定所述入射杆20的移动轨迹，使得所述入射杆20仅能沿轴向运动，不可沿径向运动或者旋转，所述固定座212用以固定及支撑所述托架211。
进一步的，所述发射管10包括气枪11、撞击杆12和测速仪13，所述气枪11与所述撞击杆12契合，并设置于所述撞击杆12的外周侧，所述测速仪13设置于所述气枪11的上侧，并与所述气枪11的出口相配合，所述撞击杆12沿所述气枪11的长度方向与所述透射杆30同轴设置。
在本实施方式中，所述气枪11用以发射所述撞击杆12，使得所述撞击杆12与入射杆20发生共轴撞击，所述测速仪13为激光测速仪13记录，通过所述测速仪13记录下撞击时的速度。
进一步的，所述透射杆30包括外透射杆31、内透射杆32、两个铝合金外箍33、抱箍34和基座35，所述外透射杆31的直径大于所述内透射杆32的直径，且所述外透射杆31套设于所述内透射杆32的外侧，所述内透射杆32与所述入射杆20同轴设置，且所述内透射杆32的内径与所述入射杆20的外径契合，两个所述铝合金外箍33分别设置于所述外透射杆31的两端，并均连接所述外透射杆31与所述内透射杆32，所述基座35设置于所述外透射杆31的下侧，并通过所述抱箍34与所述外透射杆31固定连接，所述抱箍34设置于所述外透射杆31的外周侧。
在本实施方式中，所述外透射杆31与所述内透射杆32相配合，两个所述铝合金外箍33用以将所述内透射杆32固定在所述外透射杆31内，所述抱箍34则用以将所述外透射杆31固定在所述基座35上，所述基座35则用以支撑各组件。
进一步的，所述内透射杆32包括活塞321、填塞物322和木块323，所述活塞321设置于所述内透射杆32的入口端，并与所述内透射杆32滑动连接，所述填塞物322设置于所述活塞321与所述木块323之间，所述木块323也与所述内透射杆32滑动连接。
在本实施方式中，所述活塞321、填塞物322和木块323相互配合，通过被所述入射杆20推动的方式，从而使得所述活塞321、所述填塞物322和所述木块323能一起移动，并根据所述填塞物322的长度及移动的距离，从能优化填塞的质量选择。
进一步的，每个所述铝合金外箍33均包括设有贯穿孔333的底座331和固定板332，所述底座331与所述外透射杆31和所述内透射杆32卡接，并设置于所述外透射杆31的两端，所述底座331的厚度与所述外透射杆31和所述内透射杆32的直径之差相同，所述固定板332则环绕所述外透射杆31，并与所述底座331固定连接，所述贯穿孔333与所述活塞321相契合，并设置于所述底座331的中心处。
在本实施方式中，所述底座331用以连接所述内透射杆32和所述外透射杆31，所述固定板332用以限制所述外透射杆31，所述贯穿孔333则用以配合所述活塞321，从而使得所述活塞321能被所述入射杆20推动。
进一步的，所述接收装置40包括矩形板和白色网格纸，所述矩形板设置于所述透射杆30的末端，所述白色网格纸则设置于所述矩形板的上侧。
在本实施方式中，所述白色网格纸用以接收被冲击出来的填塞物322，并方便测量其被冲出的距离，所述矩形板用以铺设所述白色网格纸，因所述矩形板铺设所述白色网格纸为现有技术，本申请未对其结构做详细说明。
进一步的，所述整形器22为具有若干应力孔221和若干加强筋222的空心圆柱体结构，若干所述应力孔221沿所述整形器22的长度延伸方向贯穿所述整形器22，并环绕所述整形器22的空心设置，若干所述加强筋222环绕设置于所述应力孔221的内壁，并均沿所述应力孔221的长度延伸方向设置。
在本实施方式中，利用若干所述应力孔221来提升所述整形器22的波形，而所述加强筋222则用以提升所述整形器22的结构强度，以使得所述整形器22能承载更强的冲击力，有效拓展测试装置的使用范围。
采用如上述所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法，包括如下步骤：
S101：通过气枪11将撞击杆12发射，使撞击杆12与入射杆20共轴撞击，撞击时用测速仪13记录撞击时的速度，撞击端贴上整形器22；
S102：入射杆20通过被撞击，向前移动撞击透射杆30中的活塞321与填塞物322向前移动，贴于入射杆20上的应变片50记录下入射波与反射波；
S103：观察填塞物322有没有直接撞出透射杆30，若没有直接冲击出来，根据所测应力-应变关系曲线，计算不同时段填塞物322的移动距离，从而推算不同时段不同填塞部位的动态力学性能，并确定填塞效果；
S104：若填塞物322冲击出来，散落在接收装置40上，则用直尺测量散落出来的填塞物322的位移；
S105：改变填塞物322的长度，进行对照试验；
S106：改变撞击的速度，进行对照试验。
在本实施方式中，所述透射杆30中，透射杆30长度为L3所述外透射杆31的内径为D，厚度为Δ，外直径为(D+Δ),所述内透射杆32的内径为d，厚度为Δ，外直径为(d+Δ),所述底座331厚度为(D-d)，所述接收装置40为长为a，宽为b的矩形板；
工作原理为：当运动参量在随时间发生显著变化的动载荷条件下，填塞物322中各个微元体处于随时间变化着的动态过程中，特别是在爆破或高速碰撞条件下，此时应力波的传播不可忽略，研究表明，应力波将集中向结构弱面；撞击瞬间完成，且应力波沿轴向运动速度比应力波对周围介质径向速度大得多，故可忽略不计径向速度，因此，此过程可看作应力波沿轴向的一维运动；本发明装置用贴于所述填塞物322的所述应变片50转化应力-应变曲线，从而推求应力波的传播过程，以便改进填塞效果；
所述铝合金套抱箍34的长L等于内径为D的钢管的直径，即取L＝D，使铝合金套抱箍342L/3处位于内径为D的钢管上，剩余L/3延伸出透射杆30使所述底座331的厚度增大至(D-d)，将内透射杆32固定在外透射杆31的内部，再用实体的支座21将抱箍34用螺栓固定在基座35上；
所述支座21为：上底为(D+Δ)，下底为2(D+Δ)，高为
Figure BDA0002905664070000071
托架211为直径为(D+Δ)，长为L的半圆柱体；
所述撞击杆12材质为LC4铝合金材料，直径为d，长度选择为L1，则其质量为
Figure BDA0002905664070000072
动态力学性能计算方法为：
通过应变片50连接超动态应变仪、示波器与计算机即可确定撞击发生之后作用于填塞物322各个部位的应力-应变曲线，设读取的气体压力为p，则作用在填塞物322上的气体压力为P＝pA，对填塞物322进行受力分析得：F＝P-F′,F′为填塞物322作用于内透射杆32的内摩擦力，设填塞物322在内透射杆32内的移位移为s，由动量定理：
Figure BDA0002905664070000081
Figure BDA0002905664070000082
根据运动学方程：vt＝v0+at (3)
根据牛顿方程：F＝ma (4)
Figure BDA0002905664070000083
由于内透射杆32对填塞物322的径向约束，根据泊松效应，填塞物322在内透射杆32内移动时所受的摩擦力F′可由下式计算：
F′＝πd(Ls-s)λfp (5)
Figure BDA0002905664070000084
式中：t为应力波作用于填塞物322的时间，可由应变片50测出；d为透射杆30内径；λ为泊松系数；μd为动态泊松比；f为摩擦系数；Ls为填塞物322的长度，包括活塞321长度、填塞长度及木块323长度，即
Figure BDA0002905664070000085
可由不同时间点移动的距离确认填塞物322的动态力学性能，并可由填塞物322移动的最终距离s来确认填塞效果，所述接收装置40为一块长为a，宽为b，厚为c的矩形板，上面铺一层白色网格纸，放置于透射杆30的尾端，目的是接收被冲击出来的填塞物322，并方便测量其被冲出的距离。
进一步的，所述填塞物322为粘土、砂和水配比为5:4:1的混合物，且为耦合填塞。
进一步的，所述活塞321与所述木块323均选用木制，活塞321的直径与所述木块323的直径相同，所述活塞321的长度为所述木块323的长度的两倍。
在本实施方式中，所述活塞321与木块323均选用木制，直径均选取为d，活塞321长度选取为d/2，木块323长度选取为d/4，填塞物322的直径为d，长度选取为L4，入射杆20为直径为d，长度为L2的实心LC4铝合金钢管。
进一步的，所述应变片50每隔预设距离贴于所述内透射杆32表面，以测量出填塞物322不同位置的应力状态，所述预设距离为填塞物322的长度的三分之一。
在本实施方式中，所述应变片50应横向贴于入射杆20的表面，横向贴于内透射杆32的表面，再连接到超动态应变仪上，连接到示波器与计算机上，横向贴于入射杆20是为了对入射杆20中轴向的入射波、反射波进行测量，从而导出应力-应变关系；横向贴于内径为d的透射杆30表面是为了测量填塞物322被撞击后轴向的应力分布，所述横向贴于内径为d透射杆30上的应变片50按每隔L4/3距离贴于内径为d透射杆30表面，以便测量出填塞物322不同位置的应力状态。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，包括发射管、入射杆、透射杆、接收装置和应变片，所述发射管设置于所述入射杆的一侧，并与所述入射杆的起始端相配合，所述透射杆设置于所述入射杆的另一侧，并与所述入射杆的末端相配合，所述接收装置则设置于所述透射杆的末端，所述入射杆包括支座和整形器，所述支座设置于所述入射杆的下侧，所述整形器则设置于所述入射杆的起始端，所述应变片分别与所述入射杆和透射杆抵接，并外接超动态应变仪、示波器与计算器。
2.如权利要求1所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，所述支座包括托架和固定座，所述托架为与所述入射杆外侧契合的圆弧形结构，并与所述固定座固定连接，所述固定座则设置于所述托架的下侧。
3.如权利要求1所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，所述发射管包括气枪、撞击杆和测速仪，所述气枪与所述撞击杆契合，并设置于所述撞击杆的外周侧，所述测速仪设置于所述气枪的上侧，并与所述气枪的出口相配合，所述撞击杆沿所述气枪的长度方向与所述透射杆同轴设置。
4.如权利要求3所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，所述透射杆包括外透射杆、内透射杆、两个铝合金外箍、抱箍和基座，所述外透射杆的直径大于所述内透射杆的直径，且所述外透射杆套设于所述内透射杆的外侧，所述内透射杆与所述入射杆同轴设置，且所述内透射杆的内径与所述入射杆的外径契合，两个所述铝合金外箍分别设置于所述外透射杆的两端，并均连接所述外透射杆与所述内透射杆，所述基座设置于所述外透射杆的下侧，并通过所述抱箍与所述外透射杆固定连接，所述抱箍设置于所述外透射杆的外周侧。
5.如权利要求4所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，所述内透射杆包括活塞、填塞物和木块，所述活塞设置于所述内透射杆的入口端，并与所述内透射杆滑动连接，所述填塞物设置于所述活塞与所述木块之间，所述木块也与所述内透射杆滑动连接。
6.如权利要求5所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，每个所述铝合金外箍均包括设有贯穿孔的底座和固定板，所述底座与所述外透射杆和所述内透射杆卡接，并设置于所述外透射杆的两端，所述底座的厚度与所述外透射杆和所述内透射杆的直径之差相同，所述固定板则环绕所述外透射杆，并与所述底座固定连接，所述贯穿孔与所述活塞相契合，并设置于所述底座的中心处。
7.如权利要求1所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置，其特征在于，所述接收装置包括矩形板和白色网格纸，所述矩形板设置于所述透射杆的末端，所述白色网格纸则设置于所述矩形板的上侧。
8.采用如权利要求5所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过气枪将撞击杆发射，使撞击杆与入射杆共轴撞击，撞击时用测速仪记录撞击时的速度，撞击端贴上整形器；
入射杆通过被撞击，向前移动撞击透射杆中的活塞与填塞物向前移动，贴于入射杆上的应变片记录下入射波与反射波；
观察填塞物有没有直接撞出透射杆，若没有直接冲击出来，根据所测应力-应变关系曲线，计算不同时段填塞物的移动距离，从而推算不同时段不同填塞部位的动态力学性能，并确定填塞效果；
若填塞物冲击出来，散落在接收装置上，则用直尺测量散落出来的填塞物的位移；
改变填塞物的长度，进行对照试验；
改变撞击的速度，进行对照试验。
9.如权利要求8所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法，其特征在于，所述填塞物为粘土、砂和水配比为5:4:1的混合物，且为耦合填塞。
10.如权利要求9所述的一种炮孔填塞物动态力学性能测试装置的使用方法，其特征在于，所述活塞与所述木块均选用木制，活塞的直径与所述木块的直径相同，所述活塞的长度为所述木块的长度的两倍。
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