CN207181185U - 一种低速轻气炮冲击试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种低速轻气炮冲击试验装置，包括：调节试样高度的试样调高设备、对试样加载预设的轴向压力的轴向加载设备、对试样施加预设的冲击力的冲击防护设备，以及控制该试样调高设备和该轴向加载设备工作的数字信号控制器。由数字信号控制器代替人工来实现对于试样调高设备和轴向加载设备的控制，不仅操作简便且控制精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及应力场测量技术领域，特别涉及一种低速轻气炮冲击试验装置。
背景技术
地震灾害的根源主要是断层突发运动产生的地表位错和地震波辐射造成的地表强烈振动，常常造成人员重大伤亡和基础设施严重破坏。为弄清自然地震破裂机理，对地震断层面的破裂速度、破裂模式、破裂方向，以及破裂过程中地震波沿平面动态应力场的演化规律进行研究显得尤为重要。由于工程现场的复杂性和测试的不可操作性，使得在实验室模拟开展平面应力波传播及应力场演化规律的研究成为一个很好的选择。
现有技术中以A.J.Rosakis为代表的轻气炮平板冲击试验装置，不仅可以模拟自然地震破裂，而且能够模拟矿井爆破冲击波对分层充填体胶结面破裂的影响及金属材料沿界面突然滑移等物理现象，因此得到广泛应用。但是，该轻气炮平板冲击试验装置，所应用到的调高和加载设备均需要现场人工调整，不仅操作不便而且控制精度低。
实用新型内容
本实用新型提供一种低速轻气炮冲击试验装置，以解决现有技术中操作不便且控制精度低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种低速轻气炮冲击试验装置，包括：
调节试样高度的试样调高设备；
对试样加载预设的轴向压力的轴向加载设备，所述轴向加载设备设置在所述试样调高设备之上；
对试样施加预设的冲击力的冲击防护设备，所述冲击防护设备设置在所述轴向加载设备周边；
控制所述试样调高设备和所述轴向加载设备工作的数字信号控制器。
优选的，所述数字信号控制器中安装有电机控制软件，或者，所述数字信号控制器与安装有所述电机控制软件的终端相连；
所述电机控制软件为控制所述试样调高设备和所述轴向加载设备工作的软件。
优选的，所述电机控制软件还为控制所述冲击防护设备工作的软件。
优选的，所述试样调高设备包括：
底座；
设置在所述底座与所述轴向加载设备之间的调节杆；
根据所述数字信号控制器的控制而运行的第一电机；
被所述第一电机带动，以调节试样高度的调高活塞，所述调高活塞设置在所述底座上。
优选的，所述试样调高设备还包括：
将所述底座锁死在地面上的多个螺栓。
优选的，所述轴向加载设备包括：
与所述试样调高设备连接固定的下板；
通过压力杆与所述下板连接固定的上板；
根据所述数字信号控制器的控制而运行的第二电机；
被所述第二电机带动，以对试样加载预设的轴向压力的压头，所述压头设置在所述上板底部；
设置在所述压头与试样之间的垫板。
优选的，所述轴向加载设备还包括：
锁死试样的第一夹具和第二夹具；
所述第一夹具与所述下板连接固定；所述第二夹具设置在所述垫板与试样之间，与所述垫板连接固定。
优选的，所述冲击防护设备包括：
与试样相连的垫块；
包裹所述垫块的防护箱，所述防护箱内设置有轻气炮弹丸发射到所述垫块的通道槽；
设置于所述防护箱入口的分流垫圈，所述分流垫圈的通孔与所述通道槽连通；
在所述防护箱入口的预设距离处发射所述轻气炮弹丸的炮管。
优选的，所述冲击防护设备还包括：
设置于所述防护箱内壁与所述通道槽之间的缓冲物体；
设置于所述防护箱底部的储弹槽。
优选的，所述分流垫圈的外表面为弧形。
本实用新型提供的所述低速轻气炮冲击试验装置，包括：调节试样高度的试样调高设备、对试样加载预设的轴向压力的轴向加载设备、对试样施加预设的冲击力的冲击防护设备，以及控制该试样调高设备和该轴向加载设备工作的数字信号控制器。由数字信号控制器代替人工来实现对于试样调高设备和轴向加载设备的控制，不仅操作简便且控制精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术内的技术方案，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，下面描述内的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的低速轻气炮冲击试验装置的结构示意图；
图2是本实用新型另一实施例提供的低速轻气炮冲击试验装置的主视图；
图3是本实用新型另一实施例提供的低速轻气炮冲击试验装置的左视图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实用新型提供一种低速轻气炮冲击试验装置，以解决现有技术中操作不便且控制精度低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
具体的，该低速轻气炮冲击试验装置，参见图1，包括：
试样调高设备100，用于调节试样的高度；
设置在试样调高设备100之上的轴向加载设备200，用于对试样加载预设的轴向压力；
设置在轴向加载设备200周边的冲击防护设备300，用于对试样施加预设的冲击力；
数字信号控制器400，用于控制试样调高设备100和轴向加载设备200工作。
优选的，该数字信号控制器400中安装有电机控制软件，或者，该数字信号控制器400与安装有电机控制软件的终端相连；
该电机控制软件为控制试样调高设备100和轴向加载设备200工作的软件。
具体的工作原理为：
数字信号控制器400通过数据线分别连接试样调高设备100和轴向加载设备200。具体的实际应用中，该数字信号控制器400可以配有7寸数显触摸操作屏，内存32G，当然，也可以采用其他型号的设备，此处不做具体限定；并且，该数字信号控制器400还可通过USB数据线连接到终端(比如台式计算机、笔记本、移动平板等)上，通过预先安装好的电机控制软件进行控制。在进行试验时，首先打开数字信号控制器400的电源开关，然后打开数字信号控制器400中预先安装好的电机控制软件，或者通过数据线连接终端之后、打开终端上预先安装好的电机控制软件。
试验人员首先通过该电机控制软件设置好相关的试验参数，然后将预制裂隙模拟地震断层的试样放置在试样调高设备100上，对准加载中心；通过控制试样调高设备100工作，调节好试样的高度，使试样的中心线位于合适的高度时。然后通过控制轴向加载设备200工作，对试样加载预设的轴向压力。此时，即可通过操作设备设置好轻气炮弹丸的冲击速度为0-200m/s之间的预设低速值，控制冲击防护设备300对试样施加预设的冲击力，模拟地震波的产生。待测试结束后，如无需继续进行试验，则可以控制试样调高设备100和轴向加载设备200恢复到初始状态，取下试样。在进行试验的过程中，还可以借助数字光弹技术和高速相机以得到试样内部应力场的变化规律，进而得到地震波在断层面的传播及断层破裂现象的模拟结果。
本实施例提供的该低速轻气炮冲击试验装置，包括：试样调高设备100、轴向加载设备200、冲击防护设备300及数字信号控制器400。由数字信号控制器400代替人工来实现对于试样调高设备100和轴向加载设备200的控制，不仅操作简便且控制精度高。
值得说明的是，上述电机控制软件还用于控制冲击防护设备300工作。也就是说，冲击防护设备300可以通过操作设备(比如操作面板或者手持终端等)控制轻气炮弹丸冲击的力量和速度，也可以通过数字信号控制器400或与数字信号控制器400相连的终端进行控制，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
本实用新型另一实施例还提供了一种具体的低速轻气炮冲击试验装置，在上述实施例及图1的基础之上，优选的，参见图2，其试样调高设备包括：
底座101；
设置在底座101与轴向加载设备之间的调节杆102；
第一电机103，用于根据数字信号控制器400的控制而运行；
设置在底座101上的调高活塞104，用于被第一电机103带动，以调节试样的高度。
在具体的实际操作中，试验人员可以通过数字信号控制器400或者与之相连的终端，点击电机控制软件里的伺服电机控制按钮，先运转第一电机103，调节试样中心线至合适高度处，停止第一电机103并锁死调高活塞104。
在具体的实际应用中，该第一电机103可以采用开环控制伺服电机，调高行程较大，操作方便，控制准确。第一电机103还可以采用闭环控制伺服电机，相应的，还需要设置位置传感器与数字信号控制器400相连接，以实现第一电机103的闭环控制。当然，也可以采用其他类型电机，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
调高活塞104，受第一电机103控制，内部配有自动锁死装置，当试样调节到合适高度时，第一电机103停止转动并自动锁死调高活塞104。此外，调高活塞104缸体调节行程较大，比如0-200mm，可适用不同尺寸加载试样要求。
调节杆102采用刚性金属材料，杆体直径范围为10-30mm，与图2所示轴向加载设备中的下板201内部孔间隙配合，并涂抹润滑油。
优选的，参见图2，试样调高设备还包括：
多个螺栓105，用于将底座101锁死在地面上。
通过多个螺栓105可将该低速轻气炮冲击试验装置锁死在地面上，防止轻气炮弹丸冲击时引起该低速轻气炮冲击试验装置的整机滑移。
并且，优选的，参见图2，其轴向加载设备包括：
下板201，用于与试样调高设备连接固定；
通过压力杆203与下板201连接固定的上板204；
第二电机205，用于根据数字信号控制器400的控制而运行；
设置在上板204底部的压头206，用于被第二电机205带动，以对试样加载预设的轴向压力；
设置在压头206与试样之间的垫板207。
优选的，参见图2，轴向加载设备还包括：
用于锁死试样的第一夹具202和第二夹具208；
第一夹具202与下板201连接固定；第二夹具208设置在垫板207与试样之间，与垫板207连接固定。
在具体的实际操作过程中，当试样调高设备将试样调节到合适高度后，可以利用第一夹具202中的螺栓完全锁死试样下端部。
第一夹具202的调节范围较大，可夹持不同厚度的试样；此外，其内表面有凸起螺纹，可增大夹持试样的摩擦力，防止试样在轻气炮弹丸强冲击作用下因夹持不紧产生滑动。
第二电机205根据数字信号控制器400的控制而运行，带动压头206、垫板207及第二夹具208向下运动，当对于试样的压力达到预设的轴向压力时，第二电机205加载自动停止。然后可以根据试验要求，选择是否锁死与垫板207相连的第二夹具208。
在具体的实际应用中，第二电机205可以采用开环控制伺服电机，且电机提供压头206轴向荷载较大，可模拟高轴压加载试样的冲击试验；也可以采用闭环控制伺服电机，相应的，还需要设置压力传感器与数字信号控制器400相连接，以实现第二电机205的闭环控制。当然，也可以采用其他类型电机，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
压头206可以选用刚性金属材料、加载行程较大的压头，比如最大加载行程为50mm，可适用不同应变率材料的加载。
第一夹具202和第二夹具208可以均为内侧面设置有凸起纹理、并通过螺杆和螺母连接的刚性体，其夹片厚度可以为20mm，夹持试样厚度范围为8-16mm可调，以起到阻止试样冲击滑动作用。
另外，优选的，参见图2和图3，冲击防护设备包括：
与试样相连的垫块；
包裹垫块的防护箱301，防护箱301内设置有轻气炮弹丸发射到垫块的通道槽302；
设置于防护箱301入口的分流垫圈303，分流垫圈303的通孔与通道槽302连通；
炮管304，用于在防护箱301入口的预设距离处发射轻气炮弹丸。
优选的，冲击防护设备还包括：
设置于防护箱301内壁与通道槽302之间的缓冲物体；
设置于防护箱301底部的储弹槽。
优选的，参见图2，分流垫圈303的外表面为弧形。
在具体的实际应用中，防护箱301可以为刚性金属材料，腔体材料厚度5mm，腔体内壁可以设置有缓冲物体，比如可以贴满10mm厚的海绵，以减缓轻气炮弹丸在腔体内的冲击碰撞作用，延长腔体的使用寿命，增加防护的安全性。
实际应用中，还可以根据试验所需炮管口径差异，通过拆卸更换防护箱301，实现不同尺寸的孔径通道，即通道槽302，满足不同的冲击加载要求设计。该通道槽302是一个与靶试样相连的钢制垫块的活动通道，比如16mm宽、100mm长；试验时，可通过冲击垫块达到间接冲击试样的目的，而通道槽302可阻止轻气炮弹丸飞出腔体，引发一些安全隐患。
分流垫圈12为刚性金属材料，与炮口距离20-70mm可调。实际应用中，可以设计分流垫圈303的通孔直径比轻气炮弹丸直径大2-3mm，可增加轻气炮弹丸入射的安全性，防止设计孔径过小，轻气炮弹丸直接打到分流垫圈303表面，造成设备损伤。
分流垫圈303采用弧形表面结构，利于冲击气流沿垫圈表面向外扩散，大大减弱了轻气炮弹丸从炮口射出携带的强冲击气流进入防护箱301腔体对靶试样的冲击干扰作用，使得轻气炮弹丸的冲击效果更接近真实，试验结果更加准确可靠。
并且防护箱301和分流垫圈303通过螺杆305、螺母306与炮管304连接在一起，相比现有技术中的轻气炮轴压加载设备的防护设计，轻气炮弹丸不出腔体，更加安全可靠。
此外，防护箱301底部设置有一个可开闭式储弹槽，可将废弹储存起来，待试验结束后统一取出。
本实施例提供的该低速轻气炮冲击试验装置，在进行试验时，首先将试样轻轻夹持到与下板201相连的第一夹具202上，通过设置计算机上的加载参数，打开数字信号控制器400中的相应按钮，通过两个电机分别控制压头206和调高活塞104按照设置参数运动，待加载稳定后，利用螺栓锁死试样下端部，并根据试验设计要求，选择是否利用与垫板207相连的第二夹具208锁死试样上端部。然后启动轻气炮，使轻气炮弹丸经炮管304，射入防护箱301中，冲击与试样表面连接的立方体垫块，达到对二维平板试样的侧面冲击效果。
上述过程中，试样加载和调高均使用伺服电机进行控制，操作方便、结果精确。整个系统操作安全、精确、简便、高效，可应用于大多数利用轻气炮进行平板侧面剪切冲击试验，包括含有节理面和不含节理面，上端锁死、下端锁死或上下两端均锁死的试样冲击试验，可模拟地震、爆破及冲击地压等动力灾害产生的动态应力波的传播及动态应力场的演化规律。
其余的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本实用新型中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，包括：
调节试样高度的试样调高设备；
对试样加载预设的轴向压力的轴向加载设备，所述轴向加载设备设置在所述试样调高设备之上；
对试样施加预设的冲击力的冲击防护设备，所述冲击防护设备设置在所述轴向加载设备周边；
控制所述试样调高设备和所述轴向加载设备工作的数字信号控制器。
2.根据权利要求1所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述数字信号控制器中安装有电机控制软件，或者，所述数字信号控制器与安装有所述电机控制软件的终端相连；
所述电机控制软件为控制所述试样调高设备和所述轴向加载设备工作的软件。
3.根据权利要求2所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述电机控制软件还为控制所述冲击防护设备工作的软件。
4.根据权利要求1至3任一所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述试样调高设备包括：
底座；
设置在所述底座与所述轴向加载设备之间的调节杆；
根据所述数字信号控制器的控制而运行的第一电机；
被所述第一电机带动，以调节试样高度的调高活塞，所述调高活塞设置在所述底座上。
5.根据权利要求4所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述试样调高设备还包括：
将所述底座锁死在地面上的多个螺栓。
6.根据权利要求1至3任一所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述轴向加载设备包括：
与所述试样调高设备连接固定的下板；
通过压力杆与所述下板连接固定的上板；
根据所述数字信号控制器的控制而运行的第二电机；
被所述第二电机带动，以对试样加载预设的轴向压力的压头，所述压头设置在所述上板底部；
设置在所述压头与试样之间的垫板。
7.根据权利要求6所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述轴向加载设备还包括：
锁死试样的第一夹具和第二夹具；
所述第一夹具与所述下板连接固定；所述第二夹具设置在所述垫板与试样之间，与所述垫板连接固定。
8.根据权利要求1至3任一所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述冲击防护设备包括：
与试样相连的垫块；
包裹所述垫块的防护箱，所述防护箱内设置有轻气炮弹丸发射到所述垫块的通道槽；
设置于所述防护箱入口的分流垫圈，所述分流垫圈的通孔与所述通道槽连通；
在所述防护箱入口的预设距离处发射所述轻气炮弹丸的炮管。
9.根据权利要求8所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述冲击防护设备还包括：
设置于所述防护箱内壁与所述通道槽之间的缓冲物体；
设置于所述防护箱底部的储弹槽。
10.根据权利要求8所述的低速轻气炮冲击试验装置，其特征在于，所述分流垫圈的外表面为弧形。
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