CN112945747B - 一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，包括底板、面板、水平加载机构和竖直加载机构，底板中心设有加载槽，面板通过连接件与底板相连，面板中心设有贯穿的锥形探孔，水平加载机构包括多个水平加载执行单元和水平加载驱动单元，竖直加载机构包括竖直加载执行单元和竖直加载驱动单元，竖直加载执行单元设于加载槽内部中心，多个水平加载执行单元以竖直加载单元为中心对称布设，于竖直加载单元顶部中心形成样品容置腔，水平加载驱动单元和竖直加载驱动单元设于加载槽外，通过油管与水平加载执行单元和竖直加载执行单元相连通。本发明克服现有试验测量手段的局限性，更加真实地表征材料服役时的力学特性，对科学研究和工程应用有较大帮助。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性质测试的试验设备的技术领域，尤其涉及一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置。
背景技术
传统宏观的材料力学测试方法多为破坏性试验，对试样尺寸和完整性都有较高要求，且测试周期较长、价格昂贵、数据离散性较大、准确性难以保证，指导实际工程的应用价值有限。而纳米压痕技术作为一种无损检测、简单可靠的微观力学表征技术，被光广泛应用于材料科学、生物工程和现役构件寿命评估等领域。
与此同时，我国高度重视煤矿深部开采，并希望加快推动地热、页岩气等新能源的综合利用，促使储层岩石(体)的力学性质问题进一步被广大研究学者关注。对于岩石这类不均匀、各向异性的多相材料，其在服役过程中发生的损伤和破坏多是因为微观上的结构特征和力学性质变化导致的。相比传统的宏观力学破坏性试验，纳米压痕技术能准确测量各类矿物的微观力学性质，提供更大范围载荷和高分辨力的无损测试，拓宽材料行为的测量范围，因此逐渐成为研究岩石(体)物理力学特性差异的关键手段之一。
然而材料和构件在真实服役时的赋存环境比较复杂，如岩石多处于复杂的地应力状态下，但现有的纳米压痕仪能赋予的测量环境较为简单，无法真实模拟和反应测试材料在多向应力状态下的力学特性。因此，亟待设计和开发能适配纳米压痕仪及微纳米表征技术的三向压力加载装置，以克服现有试验测量手段的局限性，更加真实地表征材料服役时的力学特性，对科学研究和工程应用有更大的用处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，能够对待测试样进行多个方向的独立加载，真实还原材料或构件服役时的应力状态，进一步基于纳米压痕技术实现对试验材料力学特性的无损测量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，包括底板、面板、水平加载机构和竖直加载机构，所述底板中心设有加载槽，所述面板通过连接件与底板相连，面板中心设有贯穿的锥形探孔，所述水平加载机构包括多个水平加载执行单元和水平加载驱动单元，所述竖直加载机构包括竖直加载执行单元和竖直加载驱动单元，所述竖直加载执行单元设于所述加载槽内部中心，所述多个水平加载执行单元以竖直加载单元为中心对称布设，于竖直加载单元顶部中心形成样品容置腔，所述水平加载驱动单元和竖直加载驱动单元设于加载槽外，通过油管与水平加载执行单元和竖直加载执行单元相连通。
按上述方案，所述水平加载执行单元包括作动器、楔形压块、加载板和导向轮组，所述作动器设于所述底板上，所述楔形压块设于作动器顶部，所述加载板外侧端中心设有导向杆，所述导向杆穿过安设于所述面板底面上的导向块与楔形压块的斜面相对应，所述导向轮组包括第一导向轮和第二导向轮，所述第一导向轮设于所述加载槽内壁上，与楔形压块的竖直边相抵接，所述第二导向轮安设于导向杆端头，与楔形压块的斜面相抵接。
按上述方案，所述水平加载执行单元位四个，四个所述加载板两两垂直交错，形成方形的所述样品容置腔。
按上述方案，所述竖直加载执行单元为竖向液压千斤顶。
按上述方案，所述水平加载驱动单元为双机联动控制泵。
按上述方案，所述竖直加载驱动单元包括顺次连接的主控泵、截止阀和蓄能器。
按上述方案，所述底板的顶面沿外缘设有卡合槽，所述面板的底面对应于所述卡合凹槽的位置设有卡合凸边，所述卡合凹槽和卡合凸边相配置卡合，所述连接件为紧固螺栓，设于卡合处。
本发明的有益效果是：提供一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，在竖直方向和两个水平方向分别采用不同的加载手段，作动形式独立，滑动边界设计能够实现水平和竖直方向互不影响，使试验过程更加稳定可靠，结构简单、拆卸方便，装填待测试样操作简易，可适用大部分纳米压痕仪，以配合压痕仪对夹持的试样进行压痕测量，基于纳米压痕表征技术和纳米压痕仪，为研究材料服役时真实应力状态下的力学特性提供了有效的试验设备基础。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的加载槽的俯视图。
图3为本发明一个实施例的样品容置腔的示意图。
其中：1-底板，2-面板，3-加载槽，4-连接件，5-锥形探孔，6-样品容置腔，7-作动器，8-楔形压块，9-加载板，10-导向杆，11-导向块，12-第一导向轮，13-第二导向轮，14-双机联动控制泵，15-竖向液压千斤顶，16-主控泵，17-截止阀，18-蓄能器。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1-图3所示，一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，包括底板1、面板2、水平加载机构和竖直加载机构，底板中心设有加载槽3，面板通过连接件4与底板相连，面板中心设有贯穿的锥形探孔5，水平加载机构包括多个水平加载执行单元和水平加载驱动单元，竖直加载机构包括竖直加载执行单元和竖直加载驱动单元，竖直加载执行单元设于加载槽内部中心，多个水平加载执行单元以竖直加载单元为中心对称布设，于竖直加载单元顶部中心形成样品容置腔6，水平加载驱动单元和竖直加载驱动单元设于加载槽外，通过油管与水平加载执行单元和竖直加载执行单元相连通。
水平加载执行单元包括作动器7、楔形压块8、加载板9和导向轮组，作动器设于底板上，楔形压块设于作动器顶部，加载板外侧端中心设有导向杆10，导向杆穿过安设于所面板底面上的导向块11与楔形压块的斜面相对应，导向轮组包括第一导向轮12和第二导向轮13，第一导向轮设于加载槽内壁上，与楔形压块的竖直边相抵接，第二导向轮安设于导向杆端头，与楔形压块的斜面相抵接。
水平加载执行单元位四个，四个加载板两两垂直交错，形成方形的样品容置腔。水平加载驱动单元为双机联动控制泵14，通过双机联动控制泵驱动作动器抬升或下降。作动器抬升，第二导向轮沿楔形压块的斜面转动，通过接触点的宽度变化，推动加载板向内移动，对样品容置腔中的样品进行挤压。
竖直加载执行单元为竖向液压千斤顶15，竖直加载驱动单元包括顺次连接的主控泵16、截止阀17和蓄能器18。
底板的顶面沿外缘设有卡合槽，面板的底面对应于卡合凹槽的位置设有卡合凸边，卡合凹槽和卡合凸边相配置卡合，连接件为紧固螺栓，设于卡合处。
本发明的安装及具体工作过程为：
(1)拧开紧固螺栓，将面板抬起并先移至一旁；
(2)轻轻拨动导向轮组确定可自由旋转滚动；
(3)检查竖向液压千斤顶、作动器的轴承位置，复位后关闭截止阀；
(4)在竖向液压千斤顶标记点处放置经表面抛光处理好的试样S1，在试样S1四个侧面依次填充布置加载板，并保证贴合紧密、保持互相垂直；
(5)调整楔形压块的位置，使其各自直角边与对应的第一导向轮相切；
(6)将导向杆穿过面板上固有的导向块的通孔，并水平调整好间距；
(7)将装置好的面板与底板上下卡合拼接；
(8)启动双机联动控制泵，缓慢抬升作动器，推动四楔形压块缓慢上升，使第二导向轮与楔形压块的斜面相切，并进一步推动加载板产生接触力后暂停运作双机联动控制泵；
(9)旋转紧固螺栓，固定底板和面板，并将加载装置整体移到纳米压痕仪的探头正下方，使探头对准面板的锥形探孔；
(10)启动控制泵开始伺服加载，荷载稳定后，启动纳米压痕仪开始压痕测试。
Claims (6)
1.一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，包括底板、面板、水平加载机构和竖直加载机构，所述底板中心设有加载槽，所述面板通过连接件与底板相连，面板中心设有贯穿的锥形探孔，所述水平加载机构包括多个水平加载执行单元和水平加载驱动单元，所述竖直加载机构包括竖直加载执行单元和竖直加载驱动单元，所述竖直加载执行单元设于所述加载槽内部中心，所述多个水平加载执行单元以竖直加载单元为中心对称布设，于竖直加载单元顶部中心形成样品容置腔，所述水平加载驱动单元和竖直加载驱动单元设于加载槽外，通过油管与水平加载执行单元和竖直加载执行单元相连通；
所述水平加载执行单元包括作动器、楔形压块、加载板和导向轮组，所述作动器设于所述底板上，所述楔形压块设于作动器顶部，所述加载板外侧端中心设有导向杆，所述导向杆穿过安设于所述面板底面上的导向块与楔形压块的斜面相对应，所述导向轮组包括第一导向轮和第二导向轮，所述第一导向轮设于所述加载槽内壁上，与楔形压块的竖直边相抵接，所述第二导向轮安设于导向杆端头，与楔形压块的斜面相抵接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，所述水平加载执行单元为四个，四个所述加载板两两垂直交错，形成方形的所述样品容置腔。
3.根据权利要求2所述的一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，所述竖直加载执行单元为竖向液压千斤顶。
4.根据上述权利要求2或3所述的一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，所述水平加载驱动单元为双机联动控制泵。
5.根据上述权利要求3所述的一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，所述竖直加载驱动单元包括顺次连接的主控泵、截止阀和蓄能器。
6.根据上述权利要求1所述的一种适用于纳米压痕测试系统的三向压力加载装置，其特征在于，所述底板的顶面沿外缘设有卡合凹槽，所述面板的底面对应于所述卡合凹槽的位置设有卡合凸边，所述卡合凹槽和卡合凸边相配置卡合，所述连接件为紧固螺栓，设于卡合处。
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