CN215812208U - 一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种重力驱动式的大颗粒应力‑冲蚀试验装置，包括：支架、颗粒分步加载装置、第一气密阀门、固定支架、PVC真空管、第二气密阀门、应力加载装置、抽气管和真空泵；所述PVC真空管通过固定支架固定在支架上，PVC真空管顶部连接有颗粒分步加载装置，且PVC真空管顶部与颗粒分步加载装置之间设置有第一气密阀门；PVC真空管的底部设置有第二气密阀门，PVC真空管下端连接真空室，真空室内放置应力加载装置，同时真空室侧面通过抽气管连接真空泵。上述的一种适用于大颗粒矿石应力‑冲蚀试验的试验装置，用于探究大颗粒冲蚀下受力结构的损伤机理和演化规律。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种试验装置，尤其涉及一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置。
背景技术
随着陆上矿产资源逐渐枯竭，深海矿产资源开发逐渐受到重视。目前管道提升法是当前深海采矿最具商业化应用前景的采矿方式。然而，水力矿物举升存在海水腐蚀和特有的大颗粒矿物冲蚀问题，给结构设计带来了巨大挑战，揭示大颗粒矿石(直径20～70mm)冲蚀下的材料损伤机理和规律是指导结构设计的重要工作，对保证深海采矿输送系统的安全运营具有重要的意义。此外，深海提升立管、提升泵由于自重和环境荷载，承受巨大的结构应力，荷载的存在会进一步加剧冲蚀损伤演化。
在已有冲蚀研究中，主要聚焦在油气采输中油田出砂问题中，由于割缝筛管在地层的过滤，油气管中的砂粒尺寸一般在0.1～0.5mm之间，矿石粗颗粒典型尺寸比油气田出砂中的砂粒大1～2个数量级，这导致传统的冲射式试验(典型喷嘴内径在7mm以下)无法用于粗颗粒矿石的冲蚀机理和规律研究(如CN211205998U“一种固液两相冲蚀试验机”，CN201510598187.4“一种角度流速与距离可调具有节水功能的四面环形冲蚀试验机”、CN201110195083.0“一种模拟高压管汇的冲蚀试验机”、CN201220516317.7“一种气固液三相流冲蚀试验机”)。若简单增大喷嘴内径，在要求达到指定流速以实现颗粒高速撞击前提下，则要求大大增大泵的功率，给试验成本和系统设计均带来挑战。
此外，传统冲射式试验机有诸多局限性：
1.需通过高速载流体给颗粒运动加速，要求大功率流量泵或空压机支持，在大颗粒条件下，管路、喷嘴尺寸要大大增加，为到达高流速给配套设备带来极大困难；
2.为建立冲蚀模型，需得到准确的颗粒运动信息，然而由于颗粒和载流体之间存在速度滑移，颗粒运动速度并不等于流速，需配备复杂的图像监测处理软件，以获得较准确的颗粒运动速度；
3.由于载流体的粘性，会对运动颗粒产生拖曳，由此导致颗粒撞击靶材角度并不等于入射角，进一步导致颗粒撞击角度信息不准确，由此增加模型开发误差。
此外，目前尚无可考虑荷载效应的大颗粒应力-冲蚀试验装置，无法将结构服役过程中承受的荷载效应纳入考虑。为了进行合理的选材和结构尺寸设计，需开发新型大颗粒应力-冲蚀试验机。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有冲蚀试验装置的不足，提供一种适用于大颗粒矿石应力-冲蚀试验的试验装置，用于探究大颗粒冲蚀下受力结构的损伤机理和演化规律。
为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置，包括：支架、颗粒分步加载装置、第一气密阀门、固定支架、PVC真空管、第二气密阀门、应力加载装置、抽气管和真空泵；
所述PVC真空管通过固定支架固定在支架上，PVC真空管顶部连接有颗粒分步加载装置，且PVC真空管顶部与颗粒分步加载装置之间设置有第一气密阀门；PVC真空管的底部设置有第二气密阀门，PVC真空管下端连接真空室，真空室内放置应力加载装置，同时真空室侧面通过抽气管连接真空泵。
在一较佳实施例中：所述真空室为圆柱形。
在一较佳实施例中：所述颗粒分步加载装置包括颗粒储槽、颗粒分步加载旋转轮、单颗粒储槽、颗粒垂向导槽；
所述颗粒分步加载旋转轮设置在颗粒储槽和颗粒垂向导槽之间；所述单颗粒储槽沿着周向间隔设置在颗粒分步加载旋转轮的侧面。
在一较佳实施例中：所述应力加载装置包括左端固定螺母、定位销、楔形夹头、板状试样、反力架、大刚度加载弹簧、右端加载螺母、加载垫板和定位槽；
所述板状试样沿着长度方向的两端分别被所述楔形夹头夹持固定；所述板状式样设置在反力架中；所述反力架的左端与所述左端固定螺母固定连接，右端通过大刚度加载弹簧连接加载垫板和右端加载螺母；所述楔形夹头上设置有定位销和与定位销配合的定位槽。
相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：
1.利用重力驱动，通过自由落体实现大颗粒运动的高速加载，通过制定下落高度h控制颗粒终端速度V，无需大功率泵和空压机支撑，试验成本极低；
2.若配备真空管，颗粒终端速度V可根据下落高度准确h计算：
若未配备真空管，直接在大气条件下进行试验，终端速度可采用高速摄像机或CFD仿真计算得到，方便可行；
3.颗粒撞击速度可通过试样表面与竖直线的夹角精确控制，不存在冲射式试验装置中因高速运动载流体粘性导致的拖曳夹带作用，颗粒撞击角度精确可控；
4.通过反力架施加拉伸载荷，载荷F大小通过大刚度弹簧(刚度K)压缩量δ控制，F＝Kδ，实现荷载与大颗粒冲蚀耦合研究。
附图说明
图1为本实用新型优选实施例的整体布局图；
图2为本实用新型优选实施例中颗粒分步加载装置详细示意图；
图3为本实用新型优选实施例中应力加载装置详细示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
参考图1-图3，本实施例提供了一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置，包括：支架1、颗粒分步加载装置2、第一气密阀门3、固定支架4、PVC真空管5、第二气密阀门6、应力加载装置7、抽气管8和真空泵9；
所述PVC真空管5通过固定支架4固定在支架1上，PVC真空管5顶部连接有颗粒分步加载装置2，且PVC真空管5顶部与颗粒分步加载装置2之间设置有第一气密阀门3；PVC真空管的底部设置有第二气密阀门6，PVC真空管5下端连接圆柱形真空室，真空室内放置应力加载装置7，同时真空室侧面通过抽气管8连接真空泵9。
所述颗粒分步加载装置包括颗粒储槽2-1、颗粒分步加载旋转轮2-2、单颗粒储槽2-3、颗粒垂向导槽2-5；所述颗粒分步加载旋转轮2-2设置在颗粒储槽2-1和颗粒垂向导槽2-5之间；所述单颗粒储槽2-3沿着周向间隔设置在颗粒分步加载旋转轮2-2的侧面。
所述应力加载装置包括左端固定螺母7-1、定位销7-2、楔形夹头7-3、板状试样7-4、反力架7-5、大刚度加载弹簧7-6、右端加载螺母7-7、加载垫板7-8和定位槽7-9；所述板状试样7-4沿着长度方向的两端分别被所述楔形夹-头7-3夹持固定；所述板状式样7-4设置在反力架7-5中；所述反力架7-5的左端与所述左端固定螺母7-1固定连接，右端通过大刚度加载弹簧7-6连接加载垫板7-8和右端加载螺母7-7；所述楔形夹头7-3上设置有定位销7-2和与定位销7-2配合的定位槽7-9。
该系统通过重力将颗粒分步加载装置2内颗粒储槽2-1中的颗粒通过颗粒分步加载旋转轮2-2逐个分离，当装有单个粗颗粒的单颗粒储槽2-3旋转至6点钟方向，在重力作用下，储槽内的颗粒将下落，并通过颗粒垂向导槽2-5和2-4实现导向。随后在重力作用下通过PVC真空管5不断加速，最后撞击在应力加载装置7中的板状试样7-4上。其中板状试样7-4的受力大小通过端部加载螺母7-7控制，与大刚度加载弹簧7-6接触并消除工装接触间隙后，加载螺母7-7旋进的距离即为大刚度加载弹簧7-6的压缩量δ，根据刚度K即可计算施加的载荷F＝Kδ。颗粒撞击角通过旋转左端楔形夹头7-3，并用定位销7-2进行定位，其中定位销插在左端夹具7-3上预先制好的卡槽上，从而通过卡槽精确确定颗粒撞击角度(定义为颗粒入射方向与试样平面之间的夹角)。
试验时，先将颗粒储槽2-1中装满所需质量的颗粒mp(通过分析天平确定)，并按预设的颗粒撞击角度α调整左端楔形夹头7-3，随后用定位销7-2进行角度固定，在这种情况下入射角θ＝α。载荷通过应力加载装置7按预设应力水平施加，截面应力一般取材料屈服强度σy的特定比例c(0≤c<1)，并根据截面面积S确定所需试验载荷F＝cσyS＝Kδ，从而：
随后将颗粒分步加载装置2和应力加载装置7分别安装到试验系统指定位置，密封后开启真空泵9进行抽真空，使PVC真空管内为真空状态，根据颗粒下落高度准确h(定义为颗粒垂向导槽2-5顶端与试样中心之间的垂向间距)，可计算得到颗粒撞击试样的速度：
待颗粒储槽2-1中的颗粒完全下落，先关闭第一气密阀门3和第二气密阀门6，随后打开顶部和底部的舱门，重新加装颗粒，并取出试样，去除试样表面的碎屑后用高精度分析天平重新称重，确定由颗粒撞击引起的失重△m。根据冲蚀损伤中冲蚀比ER的定义有：
其中：Fs是颗粒形状因子，H是靶材硬度。
随后将装满颗粒的颗粒分步加载装置2和设定好试样加载条件的应力加载装置7重新安装至试验系统中，关闭舱门，重新抽真空至指定真空度，并打开气密阀门3和6；
随后重复步骤1)～4)即可进行不同加载条件下的试验。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均属于侵犯本实用新型保护范围的行为。
Claims (4)
1.一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置，其特征在于包括：支架、颗粒分步加载装置、第一气密阀门、固定支架、PVC真空管、第二气密阀门、应力加载装置、抽气管和真空泵；
所述PVC真空管通过固定支架固定在支架上，PVC真空管顶部连接有颗粒分步加载装置，且PVC真空管顶部与颗粒分步加载装置之间设置有第一气密阀门；PVC真空管的底部设置有第二气密阀门，PVC真空管下端连接真空室，真空室内放置应力加载装置，同时真空室侧面通过抽气管连接真空泵。
2.根据权利要求1所述的一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置，其特征在于：所述真空室为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置，其特征在于：所述颗粒分步加载装置包括颗粒储槽、颗粒分步加载旋转轮、单颗粒储槽、颗粒垂向导槽；
所述颗粒分步加载旋转轮设置在颗粒储槽和颗粒垂向导槽之间；所述单颗粒储槽沿着周向间隔设置在颗粒分步加载旋转轮的侧面。
4.根据权利要求3所述的一种重力驱动式的大颗粒应力-冲蚀试验装置，其特征在于：所述应力加载装置包括左端固定螺母、定位销、楔形夹头、板状试样、反力架、大刚度加载弹簧、右端加载螺母、加载垫板和定位槽；
所述板状试样沿着长度方向的两端分别被所述楔形夹头夹持固定；所述板状式样设置在反力架中；所述反力架的左端与所述左端固定螺母固定连接，右端通过大刚度加载弹簧连接加载垫板和右端加载螺母；所述楔形夹头上设置有定位销和与定位销配合的定位槽。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117864442A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-04-12 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种地下真空管弹射式微重力实验装置及实验方法 |
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