CN209673574U - 立式霍普金森压杆试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及立式霍普金森压杆试验装置，技术方案是，包括导向筒、入射杆、透射杆、缓冲杆和子弹，该立式霍普金森压杆试验装置还包括底座，底座两侧对称装有朝上竖直设置的侧向支撑板，两侧的侧向支撑板之间顶部装有水平的第一横向支撑板，第一横向支撑板下方，在两侧的侧向支撑板之间依次装有三组水平的第二横向支撑板，每组第二横向支撑板设置有夹持机构，每组夹持机构均夹持住对应的入射杆、透射杆或缓冲杆，入射杆表面均粘贴有第一应变片，透射杆的表面粘贴有第二应变片，本实用新型可以精准控制子弹撞击速度且能获得中低速的冲击速度，用于分析如煤、轻质混凝土等较低波阻抗材料动态力学性能，可以满足高、中、低速的动态实验。

Description

立式霍普金森压杆试验装置

技术领域

本实用新型涉及用于测试如煤、轻质混凝土、冻结土等低波阻抗材料的动态力学性能的立式霍普金森压杆试验装置。

背景技术

霍普金森压杆技术是1949年由J.Hopkinson和B.Hopkinson提出，Kolsky在此基础上提出了分离式霍普金森压杆用于测量金属材料在高应变率下的动态力学性能。又经过半个多世纪的发展,分离式霍普金森压杆技术已成为测量各种材料动态力学性能的重要手段。但现有的分离式霍普金森压杆均为水平放置，大多采用气动方式加载,这种加载方式存在以下不足：①加载应变率不稳定；②当加载气压较大时，产生的冲击力太大，在分析煤、轻质混凝土、冻结土等这类低波阻抗材料的动态本构关系时，材料会产生完全破坏，难以分析材料微裂纹稳定发展阶段及微裂纹非稳定扩展阶段；③当加载气压较小时，子弹无法打出，以上原因导致试验无法获得准确结果，因此，其改进和创新势在必行。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种立式霍普金森压杆试验装置，可有效解决煤、轻质混凝土等低波阻抗材料的动态力学性能测试的问题。

本实用新型解决的技术方案是：

一种立式霍普金森压杆试验装置，包括导向筒、入射杆、透射杆、缓冲杆和子弹，其特征在于，该立式霍普金森压杆试验装置还包括底座，底座两侧对称装有朝上竖直设置的侧向支撑板，两侧的侧向支撑板之间顶部装有水平的第一横向支撑板，第一横向支撑板下方，在两侧的侧向支撑板之间依次装有三组水平的第二横向支撑板，第一横向支撑板上设置有上下贯通的导向筒安装孔，导向筒上端与导向筒安装孔固定连接，导向筒为上下贯通的圆形管状中空结构，导向筒上方设置有定滑轮，第一横向支撑板上装有电机，电机的转动轴上装有与其配合的电磁离合器，电磁离合器的外周上套设有线盘，钢丝绳的一端与线盘固定连接，另一端绕过定滑轮后向下延伸并伸入导向筒腔体内，伸入的一端与沿导向筒滑动连接的子弹上端固定连接，伸入导向筒腔体部分的钢丝绳与导向筒的中心线共线，导向筒下部的侧壁上设置有内外贯通的观察孔，观察孔上方的导向筒上设置有用于测量子弹撞击入射杆上端面前下落速度的激光测速传感器，激光测速传感器与用于显示其检测速度的激光测速仪相连，每组第二横向支撑板设置有夹持机构，自上而下三组第二横向支撑板上的夹持机构分别与入射杆、透射杆、缓冲杆一一对应，每组夹持机构均夹持住对应的入射杆、透射杆或缓冲杆，同时，入射杆、透射杆、缓冲杆均与导向筒呈同轴设置，入射杆表面均粘贴有用于测量其应变值的第一应变片，透射杆的表面粘贴有用于其应变值的第二应变片。

本实用新型结构新颖独特，简单合理，实验方法易实施，可以精准控制子弹撞击速度且能获得中低速的冲击速度，用于分析如煤、轻质混凝土等较低波阻抗材料动态力学性能，在实验空间允许的情况下，不会损坏试件，并且可以相应改变子子弹、导向筒、入射杆、透射杆的长度使该结构可以满足高、中、低速的动态实验，并且精准控制子弹撞击速度且能获得高、中、低速的冲击速度，无需采用气动方式加载和电磁发射技术，减小能源损耗，保护环境，具有良好的社会和经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型导向筒与第一横向支撑板连接处的剖面放大示意图。

图3为本实用新型导向筒下部的剖视图。

图4为本实用新型夹持机构的主视图。

图5为本实用新型夹持机构的侧视图。

图6为本实用新型夹持机构的俯视图图

图7为本实用新型子弹的结构示意图,其中A为子弹本体和接头装配后的剖视图；B为接头的剖视图。

图8为本实用新型高度调节机构的结构示意图。

图9为本实用新型控制箱的结构示意图。

图10为本实用新型应变仪的结构示意图。

图11为本实用新型缓冲垫的剖视图。

图12为本实用新型第二轨道的结构示意图。

图13为本实用新型电路原理框式图。

图14为本实用新型中心架剖视示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1-14给出，本实用新型立式霍普金森压杆试验装置，包括导向筒6、入射杆7、透射杆8、缓冲杆9和子弹21，其特征在于，该立式霍普金森压杆试验装置还包括底座5，底座5两侧对称装有朝上竖直设置的侧向支撑板17，两侧的侧向支撑板之间顶部装有水平的第一横向支撑板30，第一横向支撑板30下方，在两侧的侧向支撑板之间依次装有三组水平的第二横向支撑板19，第一横向支撑板30上设置有上下贯通的导向筒安装孔30a，导向筒6上端与导向筒安装孔30a固定连接，导向筒6为上下贯通的圆形管状中空结构，导向筒6上方设置有定滑轮22，第一横向支撑板30上装有电机1，电机1的转动轴上装有与其配合的电磁离合器3，电磁离合器 3的外周上套设有线盘2，钢丝绳4的一端与线盘2固定连接，另一端绕过定滑轮22后向下延伸并伸入导向筒6腔体内，伸入的一端与沿导向筒6滑动连接的子弹21上端固定连接，伸入导向筒6腔体部分的钢丝绳与导向筒6的中心线共线，导向筒6下部的侧壁上设置有内外贯通的观察孔63，观察孔63上方的导向筒6上设置有用于测量子弹撞击入射杆上端面前下落速度的激光测速传感器16，激光测速传感器16与用于显示其检测速度的激光测速仪32相连，每组第二横向支撑板设置有夹持机构，自上而下三组第二横向支撑板上的夹持机构分别与入射杆7、透射杆 8、缓冲杆9一一对应，每组夹持机构均夹持住对应的入射杆7、透射杆8或缓冲杆9，同时，入射杆7、透射杆8、缓冲杆9均与导向筒呈同轴设置，入射杆7表面均粘贴有用于测量其应变值的第一应变片36a，透射杆8的表面粘贴有用于其应变值的第二应变片36b。第一应变片和第二应变片都可以在对应位置的两侧对称粘贴两枚，采用半桥接法采集应变值。

为保证使用效果，所述的夹持机构包括电动推杆10、力传感器11和卡箍，每组第二横向支撑板上均设置有上下贯通的杆通道202，与该夹持机构对应的入射杆7、透射杆8或缓冲杆9 位于杆通道202的中心且与杆通道间隙配合(即对应的入射杆7、透射杆8或缓冲杆9与其内壁存在一定间隙，不应对其受力产生影响)，电动推杆10位于杆通道202的一侧，且电动推杆的活塞杆101朝向杆通道202方向伸出，卡箍包括固定半箍122和活动半箍121，固定半箍122固定在杆通道202另一侧，活动半箍121通过连接杆21a固定在电动推杆10的活塞杆101外端，连接杆21a与活塞杆101之间设置力传感器11，活动半箍121与杆通道正对侧设置第一夹持槽，固定半箍122的与杆通道正对侧开有第二夹持槽，第一夹持槽表面覆盖有第一摩擦片131，第二夹持槽表面覆盖有第二摩擦片132，第二摩擦片132与对应的入射杆、透射杆或缓冲杆的表面紧贴，伸缩活塞杆，构成对应杆(入射杆、透射杆或缓冲杆)夹持调节结构。

所述的固定半箍122通过法兰固定在第二横向支撑板上，有第五螺栓124旋装连接固定。

夹持机构夹持对应杆(入射杆、透射杆或缓冲杆)产生的摩擦力与对应杆重力的差值为对应杆重力的±5％以内，入射杆7的上端从导向筒的下口伸入导向筒的内腔且入射杆的上端面位于观察孔范围内，如图1所示，自上而下三组夹持机构对应电动推杆分别为第一电动推杆 10a、第二电动推杆10b和第三电动推杆10c，力传感器11分别为第一力传感器11a、第二力传感器11b和第三力传感器11c。以入射杆为例，入射杆紧贴第二摩擦片，通过第一电动推杆10a 的活塞杆朝向杆通道伸出，活动半箍121朝向入射杆施力，将入射杆夹持在第一摩擦片和第二摩擦片之间，且该轴向力对入射杆产生的摩擦力与入射杆重力的差值在入射杆重力的±0.5％范围内，即摩擦片与入射杆之间产生的摩擦力与入射杆重力相等，误差可以为±0.5％，透射杆和缓冲杆如何夹持同理。

所述立式霍普金森压杆试验装置还包括与力传感器11相对应的、用于读取力传感器荷载值的测力仪33，力传感器11的输出端与测力仪33的输入端相连。力传感器11与测力仪33通过信号线连接。测力仪可以显示活塞杆的轴向载荷值，力传感器和测力仪均为市售的现有产品，如秦皇岛协力科技开发有限公司生产和销售的型号为XL1153-1t的力传感器，型号为XL2116A 的测力仪，因为摩擦片的材料是已知的，即摩擦系数是已知的，同时摩擦片与对应杆的接触面积也是已知的，因此持机构夹持对应杆产生的摩擦力可以通过力传感器采集的轴向力进行换算，该换算方法为所述领域技术人员的常规技术。

所述立式霍普金森压杆试验装置还包括与第一应变片36a、第二应变片36b相对应的、用于读取两应变片应变值的应变仪31，第一应变片36a和第二应变片36b的输出端均与应变仪31 的输入端相连；第一应变片36a和第二应变片36b均为矩形，第一应变片36a的横向中心线与入射杆下端面的间距为子弹高度的2倍以上，第二应变片36b的横向中心线与透射杆8上端面的间距为子弹高度的2倍以上。这里子弹高度指的是圆柱体实心结构部分。

应变仪可采集第一应变片36a和第二应变片36b的电压值，应变片均为市售的现有产品，如北京一洋应振测试技术有限公司销售的型号为BX120-5AA的应变片等；应变仪可采用江苏东华测试技术股份公司生产和销售的型号为DH8302的高性能动态测试分析系统；该型号的分析系统与电脑相连后，可以绘制出入射波-反射波、入射波-透射波或入射波-反射波-透射波三种计算方法绘制出应变、应力、应变率、应变-应力等曲线，并将波形导入导出；

该装置要得到入射波、反射波、透射波需要屏蔽电信号的干扰，处理手段一是将该设备及DH8302的高性能动态测试分析系统接地，二是将第一应变片、第二应变片用锡箔纸包裹，且连接第一应变片、第二应变片与DH8302的高性能动态测试分析系统连接线必须为屏蔽线

还包括控制箱35，测力仪33和激光测速仪32的显示器均装在控制箱上，控制箱上还装有分别与第一电动推杆10a、第二电动推杆10b、第三电动推杆10c、电机1、电磁离合器3相对应的按键，控制箱内装有控制器，控制器分别与第一电动推杆10a、第二电动推杆10b、第三电动推杆10c、电磁离合器3和按键相连，所述导向筒上端设置有用于检测子弹位置的接近开关 24，控制器通过接近开关24与电机的输入端相连。

所述的接近开关为现有技术，当子弹上升到预设位置时，接近开关断开，电机断电，子弹停止上升，需要释放时，操作电磁离合器松开电机的转轴，钢丝绳失去拉力，子弹在导向筒内自由落体下降，从而对每次子弹提升的位置和下落时机进行控制，该接近开关可以为市售的位移传感器、光电开关等常规的运动部件位置感应原件。

按键包括与第一电动推杆10a相对应的第一操作按键34a、与第二电动推杆10b相对应的第二操作按键34b、与第三电动推杆10c相对应的第三操作按键34c、与电机1相对应的第四按键34d和与电磁离合器相对应的第五按键34e。所述的电动推杆为伺服电机式或步进电机式，所述电机为步进电机，以实现精确控制。按键可以控制电动推杆电机的正反转以及电机的正反转。

所述的激光测速仪33为市售产品，能够通过激光测速传感器激光探头测量运动物体的速度，并将速度与时间显示在激光测速仪的显示器上，如可采用北京天和恒通科技发展有限公司销售的型号为LK14T07B型的测速仪，其参数为：时间精度：1us；时间测试范围为1us～999999us；测速范围：<999米/秒；测速段距离：50mm；同时测量3路数据；大屏液晶显示测量值：同时显示速度与时间值；供电：AC220V，工作温度：-10～40℃，该信号的测速仪包括含有显示器的测速仪本体和三组激光发射、接收探头，每个激光发射探头和激光接收探头一一对应，分别均布设置在观察孔上方，位于最底部的一组激光发射、接收探头与观察孔中心的间距为50mm，相邻激光发射、接收探头的间距为50mm，完全可以满足本装置的要求。

所述电磁离合器3与电机1转轴1a之间的压紧力解除后，钢丝绳完成松开，子弹沿导向筒轴向下落到极限位置时，子弹的下端面低于导向筒观察孔的下沿或与导向筒观察孔的下沿齐平，保证子弹能够撞击入射杆的上端面。

所述子弹为圆柱体的实心结构，圆柱体的外径小于导向筒6的内径，保证其能够在重力或钢丝绳拉力作用下沿导向筒的内腔轴向上下滑动，子弹包括呈圆柱体的子弹本体211，子弹本体211上端面中心呈盲孔状的螺栓连接孔，螺栓连接孔内旋装有接头212，接头212下端面有向凹陷的圆弧槽215，接头212中心开有上下贯通的穿线孔216，钢丝绳4穿过穿线孔216后伸入圆弧槽215，伸入的一端自上而下依次装有钢丝绳导向块213和钢丝绳限位块214，钢丝绳导向块 213上端面呈与圆弧槽215弧度相匹配的圆弧面形，钢丝绳与钢丝绳导向块213为滑动连接。

设置有凸起部211，凸起部211上设置有用于与钢丝绳连接的穿孔212。子弹上端面设置有与凸起部相对应的盲孔，凸起部211旋装螺纹连接在盲孔内，上端伸出盲孔，穿孔212位于伸出盲孔部分的凸起部上。

所述第一横向支撑板30上通过第一螺栓27固定装有覆盖在第一横向支撑板上表面的第一连接板26，第一连接板26上设置有上下贯通且与导向筒安装孔同轴、等径的安装孔延长孔，导向筒安装孔和安装孔延长孔拼接在一起，构成导向筒的连接口，导向筒上端与连接口螺纹连接，导向筒上部的侧壁上可设置限位块6a，用于限制导向筒向上旋装的位置。

所述的定滑轮22转动连接在位于导向筒安装孔两侧滑轮支架23上，两侧滑轮支架23之间连接有位于定滑轮22正上方的挡板28。挡板28通过第二螺栓29固定在滑轮支架23上，滑轮支架23通过第三螺栓25固定在第一横向支撑板30上，该挡板与滑轮间隙很小，比如0.5-1mm，作用是防止子弹下落撞击出现反弹现象时，钢丝绳从定滑轮上脱落。

所述的观察孔63有均布在导向筒6下部周壁上，且位于同一高度的多个，方便从各个方向都能对子弹和入射杆的位置进行复核。

所述的观察孔63上方的侧壁上沿高度方向均布有多组透气孔61，透气孔位于同一横截面同一直径两端的两个为一组，最上方一个透气孔上方装有子弹拆装口62。透气孔的作用是当子弹下落过程中，将子弹与导向筒之间的空气从透气孔排出，减小空气阻力的影响，当子弹需要拆装时，将子弹抬起，同时选择一组高度合适的透气孔，插入销子，让子弹落在销子上，同时使子弹上端的凸起部位于子弹拆装口62范围内，将扳手伸入子弹拆装口将凸起部拧下，然后拔出销子，将子弹从导向筒下口取出即可，装新的子弹同样道理反向操作即可。

所述的底座5四角部分别设置有高度调节机构，高度调节机构包括底板151、滑动支撑块 152和调节螺杆155，滑动支撑块152固定在底座的下表面，底板151下表面为水平面，上表面为斜面，滑动支撑块152的下表面为与底板下表面匹配的斜面，滑动支撑块152的下表面置于底板151的上表面上，底板的外侧伸出底座的外侧，伸出部分的表面设置有向上凸起的螺杆固定板153，调节螺杆155水平转动连接在螺杆固定板153上，调节螺杆155的一端与滑动支撑块 152螺纹连接，螺杆固定板两侧分别设置有螺杆限位块154。螺杆限位块154的作用是限制调节螺杆155使其无法相对于螺杆固定板前后滑动，旋转调节螺杆，即可带动滑动支撑块152沿底板上表面的斜面想外向上滑动或向内向下滑动，从而构成底座的水平调节结构。实际操作时，通过水平尺符合底座上表面是否水平，如果未水平则通过高度调节机构进行调节，直到底座上表面水平。

所述的侧向支撑板17内侧面均设置有沿竖直方向设置的第一轨道171，第一横向支撑板30 和第二横向支撑板19的两侧均设置有与第一轨道171相对应的第一滑块18，第一滑块18上装有用于固定第一滑块在第一轨道位置的第三螺栓181，构成第一横向支撑板和第二横向支撑板的高度位置调节结构。二者的水平通过水平尺来复核，直到调节水平为止。

所述的第二横向支撑板19上设置有沿电动推杆活塞杆轴向平行设置的第二轨道191，第二轨道191上装有延其长度方向左、右滑动的滑板20，滑板上装有用于固定其位置的第四螺栓 201，夹持机构设置在滑板上，滑板上开有与杆通道202相对应的穿孔，

电动推杆10位于穿孔的一侧，且电动推杆的活塞杆101朝向穿孔方向伸出，卡箍包括固定半箍122和活动半箍121，固定半箍122固定在穿孔另一侧，活动半箍121通过连接杆21a固定在电动推杆10的活塞杆101外端，连接杆21a与活塞杆101之间设置力传感器11，活动半箍121与穿孔正对侧设置第一夹持槽，固定半箍122的与穿孔正对侧开有第二夹持槽，第一夹持槽表面覆盖有第一摩擦片131，第二夹持槽表面覆盖有第二摩擦片132，实际操作时，左右调节滑板的位置，使穿孔与杆通道同轴，且该夹持机构对应的入射杆7、透射杆8或缓冲杆9位于该同轴孔的中心，第二摩擦片132与对应的入射杆、透射杆或缓冲杆的表面紧贴，伸缩活塞杆，构成对应杆入射杆、透射杆或缓冲杆夹持调节结构。

第一轨道和第二轨道的示意图如图12所示，以第二轨道为例，第二轨道为倒“T”形，第四螺栓201的头部卡在第二轨道内，螺杆部分穿过滑板20后向上伸出，伸出的部分上装有紧固螺母202，松开紧固螺母后第四螺栓即可沿第二轨道滑动，同时带动滑板滑动，到位后拧紧即可，第一轨道同理，也可采用其他常规的规定行使代替。

所述底座5上设置有与缓冲杆正对设置的缓冲垫14，缓冲垫中心设置有缓冲孔142，缓冲孔142内填充有橡胶或硅胶制成的缓冲体141，也可在缓冲体141上放置千斤顶38，若缓冲杆撞击后下落缓冲体141可以起到保护的作用。

千斤顶的作用为方便装卸试件，操作方法如下：通过松开第二推杆电机、第三推杆电机，释放千斤顶油压使透射杆、缓冲杆下降，取出试件；安装试件方法如下：松开第一推杆电机，让入射杆与透视杆接触，上升千斤顶使入射杆上端面位于导向筒下部的观察孔范围内，并与子弹下端面接触，启动第一推杆电机，压紧固定入射杆，释放千斤顶油压使透射杆、缓冲杆下降，放上测量试件后上升千斤顶使试件与入射杆、透射杆接触，启动第二推杆电机，压紧固定透射杆；启动第三推杆电机，压紧固定缓冲杆。

所述支撑板上还可以设置多组用于导向筒、入射杆、投射杆和缓冲杆对中及导向的中心架39，中心架39为现有技术，能够使入射杆和投射杆从其中心通过并保持轴向方向不变，使下落过程更加稳定，如图14所示，给出了中心架的一种实施例，其包括圆环形的导向座391，导向座391沿周向水平均布有多个沿其径向滑动的伸缩柱397，伸缩柱397与导向座391之间设置有相匹配的轨道和滑块393，伸缩柱397一端伸入导向座391的中心孔398，伸入的一端转动连接有用于入射杆和投射杆滑动通过的滚轮395，伸缩柱397远离滚轮的一端设置有盲孔状的螺纹孔399，螺纹孔内旋装有伸出导向座外侧的调节螺杆392，调节螺杆392与导向座之间装有用于限制调节螺杆径向位置的限位轴承394，伸出导向座外侧一端的调节螺杆上装有手轮，导向座可直接固定在一侧的支撑板上，也可通过设置与第一轨道171相对应的第一滑块18进行上下位置调节，原理同上问描述，这样，旋转调节螺杆，由于限位轴承限制了调节螺杆的径向位置，所以在转动过程中伸缩柱沿导向座径向前后滑动，由于轨道和滑块393的存在，伸缩柱只会前后滑动，不会转动，因此滚轮方向不变，始终与导向筒、入射杆、投射杆、缓冲杆表面贴合，从而起到滑动过程中导向的作用，可以在导向筒上设置一组，入射杆、投射杆、缓冲杆各设置两组。

上述描述中，需要理解的是，为了便于描述本实用新型结构，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“径向”“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

本实用新型一种基于所述立式霍普金森压杆试验装置的低波阻抗材料应力应变测量方法，包括以下步骤：

一、标定

a、沿与入射杆对应的第二横向支撑板上的杆通道上下滑动入射杆，使入射杆上端面位于导向筒下部的观察孔范围内，并与子弹下端面接触，启动第一推杆电机，压紧固定入射杆；

b、沿与透射杆对应的第二横向支撑板上的杆通道上下滑动透射杆，使透射杆上端面与入射杆的下端面紧贴，启动第二推杆电机，压紧固定透射杆；

c、沿与缓冲杆对应的第二横向支撑板上的杆通道上下滑动缓冲杆，使缓冲杆上端面与透射杆的下端面紧贴，启动第三推杆电机，压紧固定缓冲杆；

d、通过调节第一推杆电机、第二推杆电机、第三推杆电机正转或反转，观察测力仪33 的显示器，使各个夹持机构夹持对应杆产生的摩擦力与对应杆重力的差值为对应杆重力的± 0.5％以内；其中，入射杆、透射杆或缓冲杆的重力可提前测量，为已知量，摩擦片的材料是已知的，即摩擦系数是已知的，同时摩擦片与对应杆的接触面积也是已知的，因此持机构夹持对应杆产生的摩擦力可以通过力传感器采集的轴向力进行换算，该换算方法为所述领域技术人员的常规技术，可提前算好，通过测力仪直接显示，该技术也为所属领域技术人员的常规技术；

e、开启电磁离合器，夹紧电机的转轴，启动电机，钢丝绳带动子弹沿导向筒内腔向上滑动至指定位置；调节导向筒、入射杆、投射杆和缓冲杆的中心架使子弹、入射杆、透射杆、缓冲杆对齐；

f、打开电磁离合器，电磁离合器松开电机的转轴，钢丝绳失去拉力，子弹在导向筒内自由落体下降撞击入射杆，激光测速仪通过激光测速传感器采集子弹接触到入射杆的速度V₀，通过第一应变片、第二应变片以及应变仪测出贴在入射杆上第一应变片输出的电压峰值为 V_i0、贴在透射杆上第二应变片输出的电压峰值为V_t0；(V_i0是入射杆入射波的峰值电压，V_t0 为透射杆投射波的峰值电压)

g、修订电压和应变转换系数

通过公式计算入射杆、透射杆电压和应变转换系数η_i、η_t；

其中V₀为子弹接触到入射杆的速度；

C₀为应力波在杆件中的传播速度(已知量)；

V为应变仪测出贴在入射杆、透射杆上电阻应变片输出的电压峰值，分别V_i0、V_t0；

二、测试

a、沿与入射杆对应的第二横向支撑板上的杆通道上下滑动入射杆，使入射杆上端面位于导向筒下部的观察孔范围内，并与子弹下端面接触，启动第一推杆电机，压紧固定入射杆；

b、沿与透射杆对应的第二横向支撑板上的杆通道向下滑动透射杆，将试件37放置在透射杆的上端面，向上滑动透射杆，使试件37上端面与入射杆的下端面紧贴，启动第二推杆电机，压紧固定透射杆；(试件两侧可涂抹黄油耦合)

c、沿与缓冲杆对应的第二横向支撑板上的杆通道上下滑动缓冲杆，使缓冲杆上端面与透射杆的下端面紧贴，启动第三推杆电机，压紧固定缓冲杆；

d、通过调节第一推杆电机、第二推杆电机、第三推杆电机正转或反转，观察测力仪33 的显示器，使各个夹持机构夹持对应杆产生的摩擦力与对应杆重力的差值为对应杆重力的± 0.5％以内；

e、开启电磁离合器，夹紧电机的转轴，启动电机，钢丝绳带动子弹沿导向筒内腔向上滑动至指定位置；调节导向筒、入射杆、投射杆和缓冲杆的中心架使子弹、入射杆、透射杆、缓冲杆对齐；

f、打开电磁离合器，电磁离合器松开电机的转轴，钢丝绳失去拉力，子弹在导向筒内自由落体下降撞击入射杆，激光测速仪通过激光测速传感器采集子弹接触到入射杆的速度V₀，通过第一应变片、第二应变片以及应变仪测出贴在入射杆、透射杆上的应变片输出的电压峰值分别V_i、Vr、Vt；Vi是第一应变片输出的入射杆入射波的电压峰值，Vr第一应变片输出的入射杆反射波的电压峰值，Vt第二应变片输出透射杆的投射波的电压峰值；

三、数据处理

将入射杆测出的电压峰值V_i通过公式ε_i＝η_i×V_i转化成入射波应变ε_i

将透射杆测出的电压峰值V_r通过公式ε_r＝η_i×V_r转化成入射波应变ε_r，将透射杆测出的 V_t通过公式ε_t＝η_t×V_t转化成入射波应变ε_t；

通过公式：得到试件在动载荷作用下应力应变，从而掌握材料的动态本构关系。(其中E为压杆材料的弹性模量(入射杆)，A为压杆的横截面面积， C₀为应力波在杆件中的传播速度，L_s试件的长度)

所述试件37为煤、轻质混凝土等低波阻抗材料制成的圆柱体试件。

由上述情况可以清楚的看出，本实用新型具有以下优点：

1、通过子弹自由下落的重力产生撞击从而获得中低速的冲击速度，用于分析如煤、轻质混凝土等较低波阻抗材料动态力学性能；

2、通过夹持机构对入射杆、透射杆或缓冲杆进行夹持，同时通过力传感器采集对应杆受力情况，通过推杆电机调整负荷，从而使对应杆受到的摩擦力与自身重力保持在误差范围内，满足了实验的要求，调节十分灵活；

3、第一横向支撑板和第二横向支撑板均可调节高度，可以相应改变子子弹、导向筒、入射杆、透射杆的长度使该结构可以满足高、中、低速的动态实验，并且精准控制子弹撞击速度且能获得高、中、低速的冲击速度，无需采用气动方式加载和电磁发射技术，减小能源损耗，保护环境；

4、在定滑轮的滑轮支架上增设挡板，很好的防止了子弹下落撞击出现反弹现象时，钢丝绳从定滑轮上脱落；

5、在导向筒下部设置观察孔，从而对入射杆已经子弹的位置进行复核，保证二者能够在制定位置撞击，定位准确；

6、在导向筒下部增加透气孔，从而很好的降低了空气阻力对测试的影响，大大增加了测试的精度，同时透气孔兼顾销子的固定孔，可以将子弹落在销子上，通过子弹拆装口进行更换子弹，从而适应不同参数的测试要求。

Claims (9)

1.一种立式霍普金森压杆试验装置，包括导向筒(6)、入射杆(7)、透射杆(8)、缓冲杆(9)和子弹(21)，其特征在于，该立式霍普金森压杆试验装置还包括底座(5)，底座(5)两侧对称装有朝上竖直设置的侧向支撑板(17)，两侧的侧向支撑板之间顶部装有水平的第一横向支撑板(30)，第一横向支撑板(30)下方，在两侧的侧向支撑板之间依次装有三组水平的第二横向支撑板(19)，第一横向支撑板(30)上设置有上下贯通的导向筒安装孔(30a)，导向筒(6)上端与导向筒安装孔(30a)固定连接，导向筒(6)为上下贯通的圆形管状中空结构，导向筒(6)上方设置有定滑轮(22)，第一横向支撑板(30)上装有电机(1)，电机(1)的转动轴上装有与其配合的电磁离合器(3)，电磁离合器(3)的外周上套设有线盘(2)，钢丝绳(4)的一端与线盘(2)固定连接，另一端绕过定滑轮(22)后向下延伸并伸入导向筒(6)腔体内，伸入的一端与沿导向筒(6)滑动连接的子弹(21)上端固定连接，伸入导向筒(6)腔体部分的钢丝绳与导向筒(6)的中心线共线，导向筒(6)下部的侧壁上设置有内外贯通的观察孔(63)，观察孔(63)上方的导向筒(6)上设置有用于测量子弹撞击入射杆上端面前下落速度的激光测速传感器(16)，激光测速传感器(16)与用于显示其检测速度的激光测速仪(32)相连，每组第二横向支撑板设置有夹持机构，自上而下三组第二横向支撑板上的夹持机构分别与入射杆(7)、透射杆(8)、缓冲杆(9)一一对应，每组夹持机构均夹持住对应的入射杆(7)、透射杆(8)或缓冲杆(9)，同时，入射杆(7)、透射杆(8)、缓冲杆(9)均与导向筒呈同轴设置，入射杆(7)表面均粘贴有用于测量其应变值的第一应变片(36a)，透射杆(8)的表面粘贴有用于其应变值的第二应变片(36b)。

2.根据权利要求1所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，所述的夹持机构包括电动推杆(10)、力传感器(11)和卡箍，每组第二横向支撑板上均设置有上下贯通的杆通道(202)，与该夹持机构对应的入射杆(7)、透射杆(8)或缓冲杆(9)位于杆通道(202)的中心且与杆通道间隙配合，电动推杆(10)位于杆通道(202)的一侧，且电动推杆的活塞杆(101)朝向杆通道(202)方向伸出，卡箍包括固定半箍(122)和活动半箍(121)，固定半箍(122)固定在杆通道(202)另一侧，活动半箍(121)通过连接杆(21a)固定在电动推杆(10)的活塞杆(101)外端，连接杆(21a)与活塞杆(101)之间设置力传感器(11)，活动半箍(121)与杆通道正对侧设置第一夹持槽，固定半箍(122)的与杆通道正对侧开有第二夹持槽，第一夹持槽表面覆盖有第一摩擦片(131)，第二夹持槽表面覆盖有第二摩擦片(132)，第二摩擦片(132)与对应的入射杆、透射杆或缓冲杆的表面紧贴，伸缩活塞杆，构成对应杆夹持调节结构。

3.根据权利要求2所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，夹持机构夹持对应杆产生的摩擦力与对应杆重力的差值为对应杆重力的±0.5％以内，入射杆(7)的上端从导向筒的下口伸入导向筒的内腔且入射杆的上端面位于观察孔范围内，自上而下三组夹持机构对应电动推杆分别为第一电动推杆(10a)、第二电动推杆(10b)和第三电动推杆(10c)，力传感器(11)分别为第一力传感器(11a)、第二力传感器(11b)和第三力传感器(11c)。

4.根据权利要求2所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，所述立式霍普金森压杆试验装置还包括与力传感器(11)相对应的、用于读取力传感器荷载值的测力仪(33)，力传感器(11)的输出端与测力仪(33)的输入端相连。

5.根据权利要求2所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，所述立式霍普金森压杆试验装置还包括与第一应变片(36a)、第二应变片(36b)相对应的、用于读取两应变片应变值的应变仪(31)，第一应变片(36a)和第二应变片(36b)的输出端均与应变仪(31)的输入端相连；第一应变片(36a)的横向中心线与入射杆下端面的间距为子弹高度的2倍以上，第二应变片(36b)的横向中心线与透射杆(8)上端面的间距为子弹高度的2倍以上。

6.根据权利要求5所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，还包括控制箱(35)，测力仪(33)和激光测速仪(32)的显示器均装在控制箱上，控制箱上还装有分别与第一电动推杆(10a)、第二电动推杆(10b)、第三电动推杆(10c)、电机(1)、电磁离合器(3)相对应的按键，控制箱内装有控制器，控制器分别与第一电动推杆(10a)、第二电动推杆(10b)、第三电动推杆(10c)、电磁离合器(3)和按键相连，所述导向筒上端设置有用于检测子弹位置的接近开关(24)，控制器通过接近开关(24)与电机的输入端相连。

7.根据权利要求1所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，所述电磁离合器(3)与电机(1)转轴(1a)之间的压紧力解除后，钢丝绳完成松开，子弹沿导向筒轴向下落到极限位置时，子弹的下端面低于导向筒观察孔的下沿或与导向筒观察孔的下沿齐平。

8.根据权利要求1所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，所述的定滑轮(22)转动连接在位于导向筒安装孔两侧滑轮支架(23)上，两侧滑轮支架(23)之间连接有位于定滑轮(22)正上方的挡板(28)。

9.根据权利要求1所述的立式霍普金森压杆试验装置，其特征在于，所述的观察孔(63)上方的侧壁上沿高度方向均布有多组透气孔(61)，透气孔位于同一横截面同一直径两端的两个为一组，最上方一个透气孔上方装有子弹拆装口(62)。