CN205643024U - 一种真三轴静载预加系统 - Google Patents

Abstract

一种真三轴静载预加系统，主体反力钢架为所述轴向预加载系统和径向预加载系统的载体。主体反力钢架安装在导轨系统的托架上。两套轴向预加载系统分别位于所述主体反力钢架的两端，并安装在该主体反力钢架的轴向反力架上。四套径向预加载系统均安装在所述主体反力钢架的装配横梁长度方向的中部位置；所述各径向预加载系统中的径向千斤顶油缸的中心线垂直于所述轴向预加载系统中的轴向预加载杆的中心线。本实用新型适用于大直径分离式霍普金森压杆装置，能够实现岩石试样三向静载独立可控施加的可变尺寸真三轴静载预加系统，具有通用性强和经济性好的特点。本发明结构简洁、安装操作方便，自动化程度高。

Description

一种真三轴静载预加系统

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，具体是一种适用于分离式霍普金森压杆的通用型真三轴静载预加系统。

背景技术

地下工程岩体多处于三向不等应力条件下，且常遭受地震冲击、开挖爆破甚至武器打击等冲击动载作用而破坏，对岩石材料真三轴应力条件下的冲击力学特性进行研究具有必要性。

目前，真三轴试验机难以实现中高应变率冲击荷载施加，分离式霍普金森压杆(SHPB)装置作为研究应变率段10¹-10³s^-1岩石类脆性材料动态性能的经典试验系统得到了广泛的应用。常用的SHPB装置主要用于材料单轴力学性能的测试。现有的围压SHPB装置主要通过对试样施加围压后进行冲击试验，现有的常规三轴动静组合试验装置主要通过对试样施加侧向围压与轴向静应力后进行轴向冲击试验，此两种均难以实现对地下工程岩石的三向不等应力条件的良好模拟。

目前，基于SHPB装置改进的多轴加载装置已有应用，但由于SHPB装置尺寸装配等的多样性，多为所在单位针对其具体型号进行的升级改造，具有通用性的可变尺寸真三轴静载预加系统尚未出现。

发明内容

为克服现有技术中存在的难以实现对地下工程岩石的三向不等应力条件的良好模拟的不足，本发明提出了一种真三轴静载预加系统。

本发明包括体反力钢架、轴向预加载系统、径向预加载系统和导轨系统。所述主体反力钢架为所述轴向预加载系统和径向预加载系统的载体。该主体反力钢架安装在导轨系统的托架上。所述轴向预加载系统有两套，分别位于所述主体反力钢架的两端，并安装在该主体反力钢架的轴向反力架上。所述径向预加载系统有四套，均安装在所述主体反力钢架的装配横梁长度方向的中部位置；所述各径向预加载系统中的径向千斤顶油缸的中心线垂直于所述轴向预加载系统中的轴向预加载杆的中心线。

所述导轨系统包括两个托架、一对径向移动导轨、四个双向滚轮和一对轴向移动导轨。其中所述的四个双向滚轮均分为两组安放在所述径向移动导轨上。所述一对轴向移动导轨分别安装在两组双向滚轮上。两个托架的两端分别安装在一根轴向移动导轨上。所述径向移动导轨与轴向移动导轨相互垂直。所述轴向移动导轨平行于轴向预加载系统中的轴向预加载杆。

所述双向滚轮是将两个滚轮组的滚轮架表面固接为整体，使两个滚轮组中的滚轮分别位于该双向滚轮的上表面和下表面。所述滚轮架为凹槽状，在各滚轮架的壁板上分别有两对滚轮安装槽。所述位于该双向滚轮的上表面的滚轮的轴线与位于该双向滚轮的下表面的滚轮的轴线相互垂直。在所述两个托架的顶部分别有安装平台，该安装平台与所述主体反力钢架中的径向反力架通过螺栓固连。

所述主体反力钢架包括两个轴向反力架、两个径向反力架、两个轴向油缸固定套筒、四个径向油缸固定套筒和四根装配横梁以及T字型连接件和工字型连接件。其中，四根装配横梁的中部和两端分别固定在各T字型连接件和工字型连接件的端面上；所述各T字型连接件均布在各径向反力架的圆周上；所述各工字型连接件均布在各轴向反力架的圆周上。所述两个轴向油缸固定套筒分别位于所述主体反力钢架的两端，并通过固定板固定在各轴向反力架上。所述四个径向油缸固定套筒分别通过螺栓固定在各装配横梁长度方向的中心位置上。

所述轴向预加载系统包括轴向千斤顶、轴向预加载杆、牵引头和轴向定位环。所述轴向千斤顶包括轴向千斤顶油缸、空心活塞、卸载油阀、加载油阀和气阀。所述轴向千斤顶油缸含有前油室和后油室，并且所述前油室与加载油阀相通，所述后油室与卸载油阀相通；在所述前油室和后油室上分别安装有气阀。所述空心活塞的活塞头的圆周表面与轴向千斤顶油缸的内表面配密封合。

所述空心活塞两端的空心杆分别从轴向千斤顶油缸两端的开孔处伸出。所述轴向预加载杆装入所述空心活塞内，并该述轴向预加载杆的一端从套装在所述空心活塞上的牵引头的端盖中心穿出。

在所述圆杆段上有承压轴肩，当所述轴向预加载杆的一端依次穿入所述空心活塞的内孔和外圆内方的环状轴向定位环后，该承压轴肩的一个端面与该空心活塞一端端面相抵，并将牵引头套装在该轴向预加载杆上，使牵引头的内端面与承压轴肩的另一个端面相抵，从而实现对所述轴向预加载杆的轴向定位；所述牵引头与空心活塞之间螺纹连接。所述轴向预加载杆方杆段穿过轴向定位环的方形孔过并定位。

所述轴向预加载杆的杆身分为圆杆段、圆-方变截面段和方杆段。其中的圆杆段与SHPB装置的波导杆相接触，用于传递SHPB装置的动荷载；所述圆-方变截面段是该轴向预加载杆的杆身由圆截面逐渐变化为方截面的过渡段；所述方杆段与试样接触，并对该试样施压。

所述轴向定位环为外圆内方环状结构，方形孔尺寸与轴向预加载杆方杆段截面尺寸相匹配以供轴向预加载杆方杆段穿过并定位。所述牵引头为套筒结构，一端开孔尺寸与轴向预加载杆圆杆段截面尺寸相匹配以供其穿过，另一端与所述空心活塞螺纹连接。

所述径向预加载系统包括四个径向千斤顶和加载头。所述径向千斤顶包括径向千斤顶油缸、活塞、密封圈、卸载油阀、加载油阀和气阀。

所述径向千斤顶油缸包含前油室和后油室，其中所述前油室与加载油阀相通，后油室与卸载油阀相通；在所述前油室和后油室上均有气阀。

所述千斤顶油缸分别装入径向油缸固定套筒内。所述各径向油缸固定套筒固定在装配横梁长度方向中部位置的表面上。所述各活塞的活塞头分别装入径向千斤顶油缸的内腔中，并通过密封圈密封；所述活塞的活塞杆穿过位于装配横梁上的定位孔，并使二者之间间隙配合。

所述活塞杆的端头呈凸半球状；所述加载头的一端为由磁性材料制成的万向球盘，呈凹半球状，与所述活塞杆端磁吸嵌合接触；所述加载头的另一端与试样接触，端面尺寸与接触的试样尺寸相匹配。

本发明是一种适用于大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置的、能够实现岩石试样三向静载独立可控施加的可变尺寸真三轴静载预加系统。本发明与SHPB装置配合，能够实现岩石类脆性材料真三轴动静组合加载。

为实现上述目的，本发明的主体反力钢架安装在导轨系统的托架上。两套轴向预加载系统分别位于所述主体反力钢架的两端，并安装在该主体反力钢架的轴向反力架上。四套径向预加载系统均安装在所述主体反力钢架的装配横梁长度方向的中部位置；各径向预加载系统中的径向千斤顶油缸的中心线垂直于所述轴向预加载系统中的轴向预加载杆的中心线。

本发明中的导轨系统用于满足真三轴静载预加系统对试样施力时的轴向位移，并实现该真三轴静载预加系统的径向平移复位。在所述导轨系统的两个托架12的顶部分别有安装平台，该安装平台与所述主体反力钢架中的径向反力架5通过螺栓固连。

所述主体反力钢架主要作用为固定预加载系统，提供支撑反力，具有“自平衡”特征。

所述主体反力钢架侧立面呈“¤”形，其中的四根装配横梁的中部和两端分别固定在各T字型连接件和工字型连接件的端面上；所述各T字型连接件均布在各径向反力架的圆周上；所述各工字型连接件均布在各轴向反力架的圆周上。两个轴向油缸固定套筒分别位于所述主体反力钢架的两端，并通过固定板固定在各轴向反力架上。四个径向油缸固定套筒分别通过螺栓固定在各装配横梁长度方向的中心位置上。本发明反力钢架均采用空心型钢或带肋型钢连接而成，在保证整体刚度的前提下降低整体重量，连接方法主要是焊接和螺栓连接，所用螺栓均为高强防振螺栓。

本发明中的轴向预加载系统中的轴向预加载杆和径向预加载系统中的加载头能够变换尺寸，以匹配所适用的SHPB装置以及试样尺寸，所述技术方案具有通用性。所述轴向预加载杆杆身的圆杆段截面直径与所适用的SHPB装置波导杆直径相等，而方杆段截面尺寸与试样尺寸匹配，圆杆段截面与方杆段截面均采用等截面积设计，以利于脉冲波的传播；所述加载头的万向球盘一端截面尺寸与径向预加载系统的活塞杆直径相匹配，另一端截面尺寸与接触的试样尺寸相匹配。

本发明与所适用的SHPB装置的配合使用，放置试样后，调整对中各轴向预加载杆和加载头的初始位置，根据预设加载路径，控制所述轴向预加载系统与径向预加载系统施加的静荷载至相应静载等级，全程采集预加静载过程荷载位移信息；调整SHPB装置输入杆与输出杆位置，使之与所述轴向预加载杆的端面紧密贴合，按照常规SHPB装置试验规程施加冲击荷载并采集应力波信息。完成试样的真三轴动静组合加载过程。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

本发明与SHPB装置配合使用，可以解决岩石类脆性材料真三轴静载与冲击荷载组合加载问题，实现实验室内对三向不等应力下岩石类脆性材料冲击动力特性的研究；单独使用本发明可以实现岩石类脆性材料的真三轴静态压缩试验。功能全面。

本发明适用于现有的绝大多数大直径SHPB装置，所适用的SHPB波导杆直径范围为：50mm～110mm。实验试样尺寸的范围为：长宽40mm～100mm，高20mm～300mm。具有通用性强和经济性好的特点。

本发明能够按预设加载路径独立控制，解决了复杂应力路径及高应力条件下岩石类脆性材料的真三轴静态、动态及动静组合加载问题。装置整体刚度高、测量精度高，数据采集全自动完成，能获得全过程应力应变关系曲线。

本发明结构简洁、安装操作方便，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为图2中A-A视图；

图5为图2中B-B视图；

图6为图3中C-C视图；

图7为本发明轴向预加载系统与径向预加载系统的装配示意图；

图8为轴向预加载系统的三维剖视图；

图9为径向反力架的结构示意图；

图10为导轨系统的结构示意图；

图11为双向滚轮的结构示意图。图中：

1.装配横梁；2.径向油缸固定套筒；3.径向千斤顶油缸；4.T字型连接件；5.径向反力架；6.轴向油缸固定套筒；7.工字型连接件；8.环形固定板；9.轴向预加载杆；10.牵引头；11.轴向反力架；12.托架；13.径向移动导轨；14.双向滚轮；15.轴向移动导轨；16.轴向千斤顶油缸；17.固定板；18.空心活塞；19.加载头；20.活塞；21.试样；22.轴向定位环；23.螺栓；24.定位孔；25.径向油缸固定套筒底板；26.承压轴肩；27.加载油阀；28.前油室；29.密封圈；30.后油室；31.卸载油阀；32.气阀。

具体实施方式

本实施例是一种适用于分离式霍普金森压杆的通用型真三轴静载预加系统，与SHPB装置配合使用，能够实现真三轴动静组合加载，单独使用能够实现真三轴加载。SHPB装置的波导杆直径范围为：50mm～110mm。实验试样21的尺寸范围可为：长宽40mm～100mm，高20mm～300mm。轴向千斤顶与径向千斤顶的活塞行程设计为300mm，轴向最大荷载等级为3000KN，径向最大荷载等级为1500KN，通过伺服控制与位移采集实现三向不等应力的真三轴加载，并获取试样21加载全过程的应力应变曲线。

本实施例包括主体反力钢架、轴向预加载系统、径向预加载系统和导轨系统。

所述主体反力钢架为所述轴向预加载系统和径向预加载系统的载体。该主体反力钢架安装在导轨系统的托架12上。所述轴向预加载系统有两套，分别位于所述主体反力钢架的两端，并安装在该主体反力钢架的轴向反力架11上。所述径向预加载系统有四套，均安装在所述主体反力钢架的装配横梁1长度方向的中部位置；所述各径向预加载系统中的径向千斤顶油缸3的中心线垂直于所述轴向预加载系统中的轴向预加载杆9的中心线。

所述导轨系统用于满足真三轴静载预加系统对试样施力时的轴向位移，并实现该真三轴静载预加系统的径向平移复位。如图10所示，所述导轨系统包括两个托架12、一对径向移动导轨13、四个双向滚轮14和一对轴向移动导轨15。其中所述的四个双向滚轮14均分为两组安放在所述径向移动导轨13上。所述一对轴向移动导轨15分别安装在两组双向滚轮14上。两个三角框架结构的托架12的两端分别安装在一根轴向移动导轨上。所述径向移动导轨与轴向移动导轨相互垂直。所述轴向移动导轨平行于轴向预加载系统中的轴向预加载杆9。

所述双向滚轮14是将两个滚轮组的滚轮架表面焊接为一个整体，使两个滚轮组中的滚轮分别位于该双向滚轮的上表面和下表面。如图11所示，所述滚轮架为凹槽状，在各滚轮架的壁板上分别有两对滚轮安装槽。所述位于该双向滚轮的上表面的滚轮的轴线与位于该双向滚轮的下表面的滚轮的轴线相互垂直。在所述两个托架12的顶部分别有安装平台，该安装平台与所述主体反力钢架中的径向反力架5通过螺栓固连。

所述主体反力钢架主要作用为固定预加载系统，提供支撑反力，具有“自平衡”特征。所述主体反力钢架侧立面呈“¤”形，包括两个轴向反力架11、两个径向反力架5、两个轴向油缸固定套筒6、四个径向油缸固定套筒2和四根装配横梁1以及T字型连接件4和工字型连接件7。其中，四根装配横梁1的中部和两端分别固定在各T字型连接件4和工字型连接件7的端面上；所述各T字型连接件4均布在各径向反力架5的圆周上；所述各工字型连接件7均布在各轴向反力架11的圆周上。所述两个轴向油缸固定套筒6分别位于所述主体反力钢架的两端，并通过固定板17固定在各轴向反力架上。所述四个径向油缸固定套筒2分别通过螺栓固定在各装配横梁1长度方向的中心位置上。

本发明反力钢架均采用空心型钢或带肋型钢连接而成，在保证整体刚度的前提下降低整体重量，连接方法主要是焊接和螺栓连接，所用螺栓均为高强防振螺栓。

如图8所示。所述轴向预加载系统包括轴向千斤顶、轴向预加载杆9、牵引头10和轴向定位环22。所述轴向千斤顶包括轴向千斤顶油缸16、空心活塞18、密封圈29、卸载油阀31、加载油阀27和气阀32。

所述轴向千斤顶油缸16含有前油室28和后油室30，并且所述前油室28与加载油阀27相通，所述后油室30与卸载油阀31相通；两个气阀32分别安装在所述前油室和后油室上。

所述空心活塞18穿入该轴向千斤顶油缸的内腔中，并使该空心活塞中部的活塞头的圆周表面与轴向千斤顶油缸的内表面配合；在所述活塞头与轴向千斤顶油缸的内表面之间安装有密封圈29。所述空心活塞两端的空心杆分别从轴向千斤顶油缸16两端的开孔处伸出。

所述轴向预加载杆9的杆身分为圆杆段、圆-方变截面段和方杆段。其中的圆杆段与SHPB装置的波导杆相接触，用于传递SHPB装置的动荷载；所述圆-方变截面段是该轴向预加载杆的杆身由圆截面逐渐变化为方截面的过渡段；所述方杆段与试样21接触，并对该试样施压。

在所述圆杆段上有径向凸出的承压轴肩28，当所述轴向预加载杆9的一端依次穿入所述空心活塞的内孔和轴向定位环22后，使承压轴肩的一个端面与该空心活塞18一端端面相抵，并将牵引头10套装在该轴向预加载杆上，使牵引头的内端面与承压轴肩的另一个端面相抵，从而实现对所述轴向预加载杆的轴向定位；所述牵引头与空心活塞之间螺纹连接。

所述轴向定位环22为外圆内方环状结构，方形孔尺寸与轴向预加载杆9方杆段截面尺寸相匹配以供轴向预加载杆9方杆段穿过并定位。所述牵引头10为套筒结构，一端开孔尺寸与轴向预加载杆9圆杆段截面尺寸相匹配以供其穿过，另一端与所述空心活塞18螺纹连接。

工作时，通过所述轴向千斤顶的轴向千斤顶油缸16驱动空心活塞18与牵引头10一起轴向移动，从而带动轴向预加载杆9轴向移动以施加轴向载荷。所述轴向预加载系统通过环形固定板8由螺栓23安装固定在轴向反力架11上，并与SHPB装置波导杆同轴，以对试样21施加轴向静荷载，同时所述轴向预加载杆9可作为轴向冲击脉冲荷载的波导杆，其上可粘贴应变片以供冲击动载作用时采集脉冲波形。

所述径向预加载系统包括径向千斤顶和加载头19。

所述径向千斤顶有四个，均包括径向千斤顶油缸3、活塞20、密封圈29、卸载油阀31、加载油阀27和气阀32。

所述径向千斤顶油缸3包含前油室28和后油室30，其中所述前油室28与加载油阀27相通，后油室30与卸载油阀31相通；在所述前油室28和后油室30上均有气阀32。

所述千斤顶油缸3分别装入径向油缸固定套筒2内。所述各径向油缸固定套筒固定在装配横梁1长度方向中部位置的表面上。所述各活塞的活塞头分别装入径向千斤顶油缸3的内腔中，并通过密封圈29密封；所述活塞的活塞杆穿过位于装配横梁1上的定位孔24，并使二者之间间隙配合。

所述活塞杆的端头呈凸半球状；所述加载头19的一端为由磁性材料制成的万向球盘，呈凹半球状，与所述活塞20杆端磁吸嵌合接触；所述加载头的另一端与试样21接触，端面尺寸与接触的试样尺寸相匹配。

工作时，通过所述径向千斤顶的径向千斤顶油缸3驱动活塞20，带动加载头19平移从而向试样21施加径向荷载。所述径向预加载系统通过径向油缸套筒底板25固定在装配横梁1中间位置，由径向反力架5提供反力支撑。所述活塞杆的轴向垂直于SHPB装置波导杆的轴线，用于对试样21施加径向静荷载。

本发明与SHPB装置配合进行真三轴动静组合加载的工作过程为：通过控制各轴向千斤顶油缸16前后油室形成油压差，从而驱动轴向预加载杆9轴向移动对试样21施加静荷载；控制各径向千斤顶油缸3前后油室形成油压差，从而驱动各径向千斤顶的活塞20径向移动对试样21施加静荷载；当试样受到的静荷载达到预设等级时，操控SHPB装置施加轴向冲击荷载，冲击脉冲由SHPB装置的入射杆传导至本发明中一端的轴向预加载杆9，再作用到试样21，然后透射到另一端的轴向预加载杆，经SHPB装置的输出杆、吸能杆，最后被SHPB装置的吸能器吸收，完成冲击加载过程。本发明可在各轴向预加载杆9上粘贴应变片以采集脉冲波信息，通过所采集冲击脉冲信息获取试样21冲击加载阶段的应力应变曲线。

Claims (5)

1.一种真三轴静载预加系统，其特征在于，包括主体反力钢架、轴向预加载系统、径向预加载系统和导轨系统；所述主体反力钢架为所述轴向预加载系统和径向预加载系统的载体；该主体反力钢架安装在导轨系统的托架上；所述轴向预加载系统有两套，分别位于所述主体反力钢架的两端，并安装在该主体反力钢架的轴向反力架上；所述径向预加载系统有四套，均安装在所述主体反力钢架的装配横梁长度方向的中部位置；所述各径向预加载系统中的径向千斤顶油缸的中心线垂直于所述轴向预加载系统中的轴向预加载杆的中心线。

2.如权利要求1所述真三轴静载预加系统，其特征在于，所述导轨系统包括两个托架、一对径向移动导轨、四个双向滚轮和一对轴向移动导轨；其中所述的四个双向滚轮均分为两组安放在所述径向移动导轨上；所述一对轴向移动导轨分别安装在两组双向滚轮上；两个托架的两端分别安装在一根轴向移动导轨上；所述径向移动导轨与轴向移动导轨相互垂直；所述轴向移动导轨平行于轴向预加载系统中的轴向预加载杆。

3.如权利要求1所述真三轴静载预加系统，其特征在于，所述主体反力钢架包括两个轴向反力架、两个径向反力架、两个轴向油缸固定套筒、四个径向油缸固定套筒和四根装配横梁以及T字型连接件和工字型连接件；其中，四根装配横梁的中部和两端分别固定在各T字型连接件和工字型连接件的端面上；所述各T字型连接件均布在各径向反力架的圆周上；所述各工字型连接件均布在各轴向反力架的圆周上；所述两个轴向油缸固定套筒分别位于所述主体反力钢架的两端，并通过固定板固定在各轴向反力架上；所述四个径向油缸固定套筒分别通过螺栓固定在各装配横梁长度方向的中心位置上。

4.如权利要求1所述真三轴静载预加系统，其特征在于，所述轴向预加载系统包括轴向千斤顶、轴向预加载杆、牵引头和轴向定位环；所述轴向千斤顶包括轴向千斤顶油缸、空心活塞、卸载油阀、加载油阀和气阀；所述轴向千斤顶油缸含有前油室和后油室，并且所述前油室与加载油阀相通，所述后油室与卸载油阀相通；在所述前油室和后油室上分别安装有气阀；所述空心活塞的活塞头的圆周表面与轴向千斤顶油缸的内表面配密封合；

所述空心活塞两端的空心杆分别从轴向千斤顶油缸两端的开孔处伸出；所述轴向预加载杆装入所述空心活塞内，并该述轴向预加载杆的一端从套装在所述空心活塞上 的牵引头的端盖中心穿出；

在轴向预加载杆的圆杆段上有承压轴肩，当所述轴向预加载杆的一端依次穿入所述空心活塞的内孔和外圆内方的环状轴向定位环后，该承压轴肩的一个端面与该空心活塞一端端面相抵，并将牵引头套装在该轴向预加载杆上，使牵引头的内端面与承压轴肩的另一个端面相抵，从而实现对所述轴向预加载杆的轴向定位；所述牵引头与空心活塞之间螺纹连接；所述轴向预加载杆方杆段穿过轴向定位环的方形孔过并定位。

5.如权利要求1所述真三轴静载预加系统，其特征在于，所述径向预加载系统包括四个径向千斤顶和加载头；所述径向千斤顶包括径向千斤顶油缸、活塞、密封圈、卸载油阀、加载油阀和气阀；

所述径向千斤顶油缸包含前油室和后油室，其中所述前油室与加载油阀相通，后油室与卸载油阀相通；在所述前油室和后油室上均有气阀；

所述千斤顶油缸分别装入径向油缸固定套筒内；所述各径向油缸固定套筒固定在装配横梁长度方向中部位置的表面上；所述各活塞的活塞头分别装入径向千斤顶油缸的内腔中，并通过密封圈密封；所述活塞的活塞杆穿过位于装配横梁上的定位孔，并使二者之间间隙配合。