CN114878355A - 基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，涉及动态力学性能实验设备技术领域。包括底座，底座上设置伺服轴压装置、挡板和拉杆，伺服轴压装置包括第一油压箱和第一加压杆，第一加压杆一端嵌入第一油压箱内，挡板包括前挡板和后挡板，拉杆架设于前挡板与后挡板之间，前挡板和后挡板之间设置加载导杆，后挡板上固定设置限位质量块，加载导杆一端与第一加压杆连接，另一端通过试样与限位质量块相接，还包括扭矩施加装置和扭矩储存装置，分别用于对加载导杆施加扭矩以及对所施加的扭矩进行储存。本发明提供的试验装置，试样会发生从静到动全摩擦过程，通过数据采集系统记录摩擦全过程中产生的扭转波，利用扭转波实现从静到动的反演与分析。

Description

基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置
技术领域
本发明涉及材料动态摩擦性质技术领域，具体涉及一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置。
背景技术
霍普金森扭杆是研究材料动态剪切性能的优选装置，可以大幅提高实验数据的准确性，从而提高实验的效率。在上世纪70年代已经有学者开始进行研究，之后陆陆续续出现了各种加载方式的装置。主要有预储能式、爆炸式、飞轮式、电磁式；预储能式原理简单，实验耗材较大；爆炸式实验装置可实现高加载率，但实验要求苛刻，成功率不高；飞轮式只适用于中低加载率条件下的实验环境；电磁式扭杆可严格控制扭转波的产生时间，但是电磁信号对实验有所影响，这些加载方式各有利弊，上述各种加载方式都是研究材料在动态剪切过程中的力学性能，表现为动态荷载快速施加在材料接触面上，使得研究材料发生高速摩擦滑移，适用于研究外界扰动荷载对材料接触面上的影响。然而在实际自然环境中，与摩擦相关的材料，结构，地质灾害等破坏，有很多情况是由某种弱力驱动，直到超过某个临界点突然发生失稳，这种破坏的形成机制显然与上述已有装置的作用机理不相符。目前对于匹配此类自发式破坏作用的高速摩擦研究装置还尚无报道，而此类装置所研究的破坏类型与传统最大的不同在于破坏前有较长的一段发展期，恰恰对此阶段的研究对自然灾害预测有直接的指导意义。
发明内容
本发明主要目的在提供一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，以解决现有技术存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，包括底座，所述底座上设置伺服轴压装置、挡板和拉杆，所述伺服轴压装置包括第一油压箱和第一加压杆，所述第一加压杆一端嵌入所述第一油压箱内，所述挡板包括前挡板和后挡板，所述前挡板和所述后挡板均固定设置于所述底座上，所述拉杆架设于所述前挡板与所述后挡板之间，所述前挡板和后挡板之间设置加载导杆，所述前挡板上固定所述第一油压箱，所述后挡板上固定设置限位质量块，所述加载导杆一端与所述第一加压杆连接，另一端通过试样与限位质量块相接，
还包括扭矩施加装置和扭矩储存装置，所述扭矩施加装置用于对所述加载导杆施加扭矩，所述扭矩储存装置用于对扭矩施加装置所施加的扭矩进行储存。
进一步的，所述伺服轴压装置与加载导杆端面之间设置卸能结构，所述卸能结构包括轴承和飞轮，所述飞轮数量为两个，所述轴承位于两个所述飞轮之间，两个所述飞轮分别与所述加载导杆和所述第一加压杆相接触。
进一步的，所述底座上还设置支撑基座，所述支撑基座顶部设置导杆孔，所述加载导杆贯穿所述导杆孔。
进一步的，还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括应变片、桥盒、应变放大仪和示波器，所述应变片粘接于所述加载导杆上，用于测量扭转波信号，所述应变片通过导线与所述桥盒连接，所述桥盒通过导线与所述应变放大仪和示波器连接。
进一步的，所述加载导杆包括实心段和空心段，所述实心段和空心段通过环形套筒连接，所述环形套筒上设置定位销，用于固定所述加载导杆，所述加载导杆与所述伺服轴压装置连接的一侧为实心段，另一侧为空心段。
进一步的，所述扭矩施加装置包括限位板、齿轮带、齿轮盘和套筒，所述底座上设置固定座，所述限位板设置于所述固定座顶端，所述齿轮带设置于所述固定座侧壁，所述齿轮带与所述齿轮盘啮合连接，所述齿轮盘与所述套筒固定连接，所述齿轮盘与所述套筒均套设于所述加载导杆外侧，所述加载导杆与所述套筒通过定位销固定连接，所述扭矩施加装置由所述第二油压箱驱动。
进一步的，所述第二油压箱设置于所述底座上，所述第二油压箱内设置第二加压杆，所述第二加压杆与所述齿轮带连接。
进一步的，所述扭矩储存装置包括第三油压箱、夹板和固定板，所述固定板设置于所述夹板顶部，所述第三油压箱设置于所述底座上，所述第三油压箱内设置第三加压杆，所述夹板包括固定夹板和移动夹板，所述固定夹板固定设置在所述底座上，所述移动夹板底部设置滚轮，所述滚轮设置于所述底座上，所述固定夹板远离所述移动夹板的一侧设置固定支架，所述移动夹板远离所述固定夹板的一侧与所述第三加压杆连接，所述固定夹板和移动夹板相对的一侧均设置半圆形弧口，两个所述半圆形弧口形成圆形孔，所述加载导杆贯穿所述圆形孔，所述圆形孔边缘设置锁芯，所述锁芯内侧设置条形齿。
进一步的，所述限位质量块为圆盘状，所述限位质量块通过试样与所述加载导杆的空心段相接触，所述限位质量块直径大于所述加载导杆外径的八倍。
进一步的，所述拉杆为四根螺纹杆，所述拉杆通过螺帽与所述前挡板与所述后挡板连接，四根螺纹杆两两对称设置于所述加载导杆两侧。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置具有以下有益效果：
本发明中，加载导杆被施加轴压，通过试样与限位质量块相连，然后施加扭矩，当超过试样与限位质量块之间的最大静摩擦力限制时，试样与限位质量块发生相对滑动，使得试样发生从静到动全摩擦过程，并产生扭转波，数据采集系统记录此摩擦全过程(相对滑动前后的摩擦行为)中产生的扭转波，利用该扭转波实现从静到动的反演与分析，可以研究复杂应力条件下材料与岩石断层的全摩擦过程。此外，还可研究另外一种加载模式的高速摩擦实验，表现为产生动态扭转波传播到试样接触面，研究试样的高速摩擦行为。这套装置可以研究两种不同加载模式下的动态摩擦性质，有着极大的便捷性，为相关领域的研究工作人员节省大量时间，还提供了新的研究方法。还设置了扭矩储存装置，可以对扭矩施加装置所施加的扭矩进行储存。
附图说明
图1为该发明整体结构示意图。
图2扭矩施加装置的侧视图。
图3为卸能结构示意图。
图4为限位质量块与试样结构示意图。
图5为套筒结构示意图。
图6为扭矩储存装置的结构示意图。
其中，1-伺服轴压装置，2-卸能结构，21-飞轮，22-轴承，23-滚珠，3-扭矩施加装置，31-齿轮带，32-齿轮盘，33-第二油压箱，4-扭矩储存装置，41-第三油压箱，42-固定板，43-固定夹板，44-移动夹板，45-滚轮，46-固定支架，47-锁芯，5-套筒，51-定位销，6-加载导杆，7-支撑基座，8-拉杆，9-限位质量块，10-挡板，11-试样。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
结合图1至图6，本发明提供一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，包括底座，所述底座上设置伺服轴压装置1、挡板10和拉杆8，所述伺服轴压装置1包括第一油压箱和第一加压杆，所述第一加压杆一端嵌入所述第一油压箱内，所述挡板10包括前挡板和后挡板，所述前挡板和所述后挡板均固定设置于所述底座上，所述拉杆8架设于所述前挡板与所述后挡板之间，所述前挡板和后挡板之间设置加载导杆6，所述前挡板上固定所述第一油压箱，所述后挡板上固定设置限位质量块9，所述加载导杆6一端与所述第一加压杆连接，另一端通过试样11与限位质量块9相接。伺服轴压装置1可以精确控制加载导杆6一端的轴向压力，控制第一油压箱内油压的变化即可调整第一加压杆的前后伸缩，进而实现轴向压力的调节。
还包括扭矩施加装置3和扭矩储存装置4，所述扭矩施加装置3用于对所述加载导杆6施加扭矩，所述扭矩储存装置4用于对扭矩施加装置3所施加的扭矩进行储存。
所述拉杆8架设于所述前挡板与所述后挡板之间，并采用螺帽固定，所述拉杆8为四根螺纹杆，通过螺帽与所述前挡板与所述后挡板连接，四根螺纹杆两两对称设置于所述加载导杆6两侧。设置拉杆8可提高伺服轴压装置1对加载导杆6施加轴向压力时整个系统的稳定性。
底座上还设置扭矩施加装置3，用于对所述加载导杆6施加扭矩。所述扭矩施加装置3包括限位板、齿轮带31、齿轮盘32和套筒5，所述底座上设置固定座，所述限位板设置于所述固定座顶端，所述齿轮带31设置于所述固定座侧壁，所述齿轮带31与所述齿轮盘32啮合连接，所述齿轮盘32与所述套筒5固定连接，所述齿轮盘32与所述套筒5均套设于所述加载导杆6外侧，所述加载导杆6与所述套筒5通过定位销51固定连接，所述扭矩施加装置3由所述第二油压箱33驱动。所述第二油压箱33设置于所述底座上，所述第二油压箱33内设置第二加压杆，所述第二加压杆与所述齿轮带31连接。
控制第二油压箱33内油压的变化即可调整第二加压杆的前后伸缩，实现齿轮带31的上下移动，齿轮带31与齿轮盘32啮合传动，齿轮盘32进行旋转，齿轮盘32上的齿轮与套筒5连接，从而带动套筒5转动，套筒5转动即可对加载导杆6施加扭矩。齿轮盘32转动速率可调控，方便控制，可以保证施加扭矩的安全性和高效性。限位板位于齿轮带31的上方，对齿轮带31起到限位作用，防止扭矩施加过大。当加载导杆6两端被施加轴压时，套筒5才开始转动对加载导杆6施加扭矩。
底座上还设置扭矩储存装置4，所述扭矩储存装置包括第三油压箱41、夹板和固定板42，所述固定板42设置于所述夹板顶部，所述第三油压箱41设置于所述底座上，所述第三油压箱41内设置第三加压杆，所述夹板包括固定夹板43和移动夹板44，所述固定夹板43固定设置在所述底座上，所述移动夹板44底部设置滚轮45，所述滚轮45设置于所述底座上，所述固定夹板43远离所述移动夹板44的一侧设置固定支架46，所述移动夹板44远离所述固定夹板43的一侧与所述第三加压杆连接，所述固定夹板43和移动夹板44相对的一侧均设置半圆形弧口，两个所述半圆形弧口形成圆形孔，所述加载导杆6贯穿所述圆形孔，所述圆形孔边缘设置锁芯47，所述锁芯47内侧设置条形齿。锁芯47位于圆形孔边缘，呈带缺口的圆环形，内侧有条形齿，在夹板的压力作用下可紧紧锁死加载导杆6；所述移动夹板44底部安装有四个滚轮46，可减小摩擦，所述滚轮46可支持移动夹板发生小角度的转动，这样可保证固定板42能够被拉断。
优选的，所述伺服轴压装置3与加载导杆6端面之间设置卸能结构2，所述卸能结构2包括轴承22和飞轮21，所述飞轮21数量为两个，所述轴承22位于两个所述飞轮21之间，两个所述飞轮21两侧分别与加载导杆6和所述第一加压杆相接触。
设置卸能结构2，使得套筒5一侧储能，即限位质量块9的一侧，另一侧通过卸能结构2释放能量，保证伺服轴压装置1只可传递轴向压力，飞轮21转动时可带动滚珠23转动，以消耗扭转波或扭矩的能量，达到保护伺服轴压装置1的目的。由于加载导杆6一端安装有卸能结构2，加载导杆6被施加轴压和扭矩后，加载导杆6的一部分处于自由状态，没有能量的存储，另一部分处于蓄能状态。
优选的，所述底座上还设置支撑基座7，所述支撑基座7顶部设置导杆孔，所述加载导杆6贯穿所述导杆孔。支撑基座7对加载导杆6起到支撑固定作用。本实施例中，支撑基座7数量为三个。
优选的，还设置数据采集系统，所述数据采集系统包括应变片、桥盒、应变放大仪和示波器，所述应变片粘接于所述加载导杆6上，用于测量扭转波信号，所述应变片通过导线与所述桥盒连接，所述桥盒通过导线与所述应变放大仪和示波器连接。
优选的，所述加载导杆6包括实心段和空心段，所述实心段和空心段通过环形套筒连接，所述环形套筒上设置定位销51，用于固定所述加载导杆6，所述加载导杆6与所述伺服轴压装置1连接的一侧为实心段，另一侧为空心段，可以更好地研究高速摩擦过程。
优选的，所述限位质量块9为圆盘状，所述限位质量块9通过试样11与所述加载导杆6的空心段相接触，限位质量块9作为支挡装置，其直径要大于所述加载导杆6外径的八倍，保证有很大的转动惯量。
本实施例中，轴压和扭矩的施加，都是通过同一套油压系统控制，油压系统控制分别控制第一油压箱和第二油压箱内的压力，实现轴压和扭矩的独立加载，试验过程中需先施加轴向压力，然后施加扭矩。
试验过程步骤如下：
自发式动态摩擦试验
步骤一.安装数据采集系统
先将应变片用胶水粘在加载导杆6上，单个应变片与加载导杆6轴向方向成45°，更利于测量扭转波信号，为了提高测量精度，在加载导杆6同一位置的上下侧都贴上应变片，然后将导线连接桥盒，最后连接应变放大仪和示波器，应变片贴好之后需要等1-2天时间风干，使应变片与脉冲信号更好的耦合；
步骤二.安装试样11
试样11为环形，横截面尺寸与加载导杆6相同，用胶水将试样粘在加载导杆6的空心段端面，当试样11与加载导杆6完全固定在一起即可进行实验；
步骤三.开启数据采集系统
数据采集系统安装完成之后，接通电源，检查数据采集系统是否可以正常工作，以及是否有干扰信号扰动，如果有较强的干扰信号，则尝试消除干扰源等方法进行解决，一切正常即可开始下一步操作；
步骤四.施加轴压
将拉杆8两端的螺帽拧紧，保证其不能在挡板10之间来回移动，增强装置的稳定性，打开电机开关，通过操作面板来设置所需轴压值，此时油压控制系统会通过导管向第一油压箱内加压，进而通过第一加压杆传递给加载导杆6，使得试样11与限位质量块9紧密接触，当加载到目标值时，停止加压；
步骤五.施加扭矩
通过扭矩施加装置3对加载导杆6施加扭矩，油压控制系统导管通过给第二油压箱加压，使得第二加压杆向上移动，推动齿轮带31上移，当油压降低时，齿轮带31由于自重会向下运动；同时，在齿轮带31上移过程中，加载导杆6一侧被限位质量块9与试样11之间的摩擦所限制，发生了扭转，而另一侧安装有卸能结构2，加载导杆6处于自由状态，直到扭矩加载到超出限位质量块9与试样11之间的静摩擦极限，试样11与限位质量块9发生相对滑动，产生扭转波信号；当发生相对滑动后，立即停止扭矩加载；
步骤六.数据采集与分析
脉冲波在试样11处产生后，被加载导杆6上的应变片所采集，通过应变放大仪显示在示波器上，脉冲信号储存于仪器中，将实验结果通过数据线拷贝到电脑中进行分析，通过分析实验数据来研究相对滑动前摩擦面的应力状态，以及滑动过程中滑移速率、摩檫力、摩擦系数的变化；得到试样11在扭矩施加前后全摩擦过程的力学行为演化，反演不同应力环境下各种材料失稳前所表现的状况。
诱导式动态摩擦试验
重复上述步骤一到四；
步骤五：调整扭矩储存装置4
安装固定板，控制第三油压箱41，推动第三加压杆作用在移动夹板44上，使得锁芯47很好的锁死加载导杆6。
步骤六：施加扭矩及释放
通过扭矩施加装置3对加载导杆6施加扭矩，油压控制系统导管通过给第二油压箱33加压，使得第二加压杆向上移动，推动齿轮带31上移，当油压降低时，齿轮带31由于自重会向下运动；由于设置了扭矩储存装置4，就会涉及到扭矩的释放过程。在本套装置中，扭矩的释放有两种方式，第一种是第三加压杆作用于移动夹板44上，随着加载导杆6储能段所施加的扭矩增大，固定板42所承受的拉力值也随之变大，当超过最大抗拉强度后，固定板42被拉断，锁芯47就无法锁死加载导杆6，扭矩被释放出来；第二种是固定板42的抗拉强度足够大，当扭矩施加到所需值时，通过快速释放第三油压箱41的液压，移动夹板44下部会脱离第三加压杆的限制，向外张开，进一步地锁芯47松开加载导杆6，然后释放储存的能量，产生扭转波。
步骤七.数据采集与分析
脉冲波在扭矩储存装置4处产生后，被加载导杆6上的应变片所采集，之后在试样11接触界面会发生反射和透射，反射波会被加载导杆6再一次采集，这样应变片就采集了入射波和反射波的信息，通过应变放大仪显示在示波器上，脉冲信号储存于仪器中，将实验结果通过数据线拷贝到电脑中进行分析，通过分析实验数据来研究相对滑动前摩擦面的应力状态，以及滑动过程中滑移速率、摩檫力、摩擦系数的变化；得到试样11在扭矩施加前后全摩擦过程的力学行为演化，反演不同应力环境下各种材料失稳前所表现的状况
完成以上所有操作之后，调整伺服轴压装置1开始卸压，直至第一油压箱压力值为零；然后调整伺服控制的扭矩施加装置3，与前者一样将压力卸为零，齿轮带31会在自重的作用下回到初始位置；回收试样11，对摩擦面进行后续研究分析。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，包括底座，所述底座上设置伺服轴压装置、挡板和拉杆，所述伺服轴压装置包括第一油压箱和第一加压杆，所述第一加压杆一端嵌入所述第一油压箱内，所述挡板包括前挡板和后挡板，所述前挡板和所述后挡板均固定设置于所述底座上，所述拉杆架设于所述前挡板与所述后挡板之间，所述前挡板和后挡板之间设置加载导杆，所述前挡板上固定所述第一油压箱，所述后挡板上固定设置限位质量块，所述加载导杆一端与所述第一加压杆连接，另一端通过试样与限位质量块相接，
还包括扭矩施加装置和扭矩储存装置，所述扭矩施加装置用于对所述加载导杆施加扭矩，所述扭矩储存装置用于对扭矩施加装置所施加的扭矩进行储存。
2.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述伺服轴压装置与加载导杆端面之间设置卸能结构，所述卸能结构包括轴承和飞轮，所述飞轮数量为两个，所述轴承位于两个所述飞轮之间，两个所述飞轮分别与所述加载导杆和所述第一加压杆相接触。
3.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述底座上还设置支撑基座，所述支撑基座顶部设置导杆孔，所述加载导杆贯穿所述导杆孔。
4.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括应变片、桥盒、应变放大仪和示波器，所述应变片粘接于所述加载导杆上，用于测量扭转波信号，所述应变片通过导线与所述桥盒连接，所述桥盒通过导线与所述应变放大仪和示波器连接。
5.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述加载导杆包括实心段和空心段，所述实心段和空心段通过环形套筒连接，所述环形套筒上设置定位销，用于固定所述加载导杆，所述加载导杆与所述伺服轴压装置相连的一侧为实心段，另一侧为空心段。
6.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述扭矩施加装置包括限位板、齿轮带、齿轮盘和套筒，所述底座上设置固定座，所述限位板设置于所述固定座顶端，所述齿轮带设置于所述固定座侧壁，所述齿轮带与所述齿轮盘啮合连接，所述齿轮盘与所述套筒固定连接，所述齿轮盘与所述套筒均套设于所述加载导杆外侧，所述加载导杆与所述套筒通过定位销固定连接，所述扭矩施加装置由所述第二油压箱驱动。
7.如权利要求6所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述第二油压箱设置于所述底座上，所述第二油压箱内设置第二加压杆，所述第二加压杆与所述齿轮带连接。
8.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述扭矩储存装置包括第三油压箱、夹板和固定板，所述固定板设置于所述夹板顶部，所述第三油压箱设置于所述底座上，所述第三油压箱内设置第三加压杆，所述夹板包括固定夹板和移动夹板，所述固定夹板固定设置在所述底座上，所述移动夹板底部设置滚轮，所述滚轮设置于所述底座上，所述固定夹板远离所述移动夹板的一侧设置固定支架，所述移动夹板远离所述固定夹板的一侧与所述第三加压杆连接，所述固定夹板和移动夹板相对的一侧均设置半圆形弧口，两个所述半圆形弧口形成圆形孔，所述加载导杆贯穿所述圆形孔，所述圆形孔边缘设置锁芯，所述锁芯内侧设置条形齿。
9.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述限位质量块为圆盘状，所述限位质量块通过试样与所述加载导杆的空心段相接触，所述限位质量块直径大于所述加载导杆外径的八倍。
10.如权利要求1所述的一种基于霍普金森扭杆的摩擦试验装置，其特征在于，所述拉杆为四根螺纹杆，所述拉杆通过螺帽与所述前挡板与所述后挡板连接，四根螺纹杆两两对称设置于所述加载导杆两侧。
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