一種基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置，包括高壓氣炮、入射方桿、X方向定位導(dǎo)軌、入射桿固定支架、中心支架、Z方向下固定支架、Z方向下輸出方桿、Y方向右固定支架、Y方向定位導(dǎo)軌、Y方向右輸出方桿、透射方桿、透射桿固定支架、X方向蝶形彈簧、X方向空心液壓缸、吸收桿、Z方向上固定支架、Z方向上輸出方桿、Z方向蝶形彈簧、Z方向液壓缸、Z方向定位導(dǎo)軌、立方體方箱、Y方向左固定支架、Y方向左輸出方桿、Y方向蝶形彈簧、Y方向液壓缸、桿長度微調(diào)裝置、桿定位微調(diào)裝置和伺服液壓系統(tǒng)泵站。本實用新型實現(xiàn)了在穩(wěn)定靜載真三軸應(yīng)力狀態(tài)下巖石試樣的沖擊壓縮加載。
【專利說明】
一種基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及巖石霍普金森沖擊加載實驗的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]工程巖石處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。隨地下工程、水利工程的深度與廣度發(fā)展，工程設(shè)計、施工，以及安全生產(chǎn)迫切需要得到巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下高應(yīng)變率動態(tài)力學(xué)參數(shù)，設(shè)計制造一種能對處于真三軸應(yīng)力狀態(tài)的巖石進行沖擊加載的實驗裝置顯得尤為迫切。
[0003]巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊性能實驗?zāi)壳皣鴥?nèi)外主要采用基于霍普金森壓桿的主動圍壓裝置。該類設(shè)備通過高壓液體(油或水)對圓柱形試件的側(cè)向施加圍壓，而后在軸向采用霍普金森壓桿施加沖擊載荷，其初始的靜載為側(cè)向等圍壓狀態(tài)。專利號為ZL200510032031.6的發(fā)明專利介紹了一種動靜組合加載巖石力學(xué)實驗裝置。該裝置在已有的霍普金森壓桿主動圍壓裝置上增加了軸向加載油缸，可分別對試件進行圍壓和軸壓的預(yù)加載，但其初始的靜載仍為側(cè)向等圍壓狀態(tài)。這種應(yīng)力狀態(tài)無法反映工程實際中的真三軸應(yīng)力狀態(tài)。
[0004]目前國內(nèi)外尚沒有進行巖石真三軸靜載應(yīng)力狀態(tài)下沖擊特性實驗的設(shè)備。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種可以在巖石類試樣施加到預(yù)定的真三軸應(yīng)力狀態(tài)(三個主方向的應(yīng)力滿足:ox#0y#0z)后，對試樣進行沖擊實驗的測試裝備。通過合理設(shè)計的定位體系，精確安裝立方體試件;通過液壓伺服控制系統(tǒng)，精確控制三個方向的液壓缸，對試件三個方向分別施加壓力，使試件處于真三軸應(yīng)力狀態(tài);通過透射桿后部的碟形彈簧、空心液壓缸，以及吸收桿，緩沖沖擊能量并保護X方向液壓系統(tǒng);通過試件側(cè)向的四根方桿上的測試信號，監(jiān)測立方體試件的變形發(fā)展。
[0006]本實用新型為了實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，采用如下的技術(shù)方案:
[0007]—種基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置，包括高壓氣炮、入射方桿、X方向定位導(dǎo)軌、入射桿固定支架、中心支架、Z方向下固定支架、Z方向下輸出方桿、Y方向右固定支架、Y方向定位導(dǎo)軌、Y方向右輸出方桿、透射方桿、透射桿固定支架、X方向蝶形彈簧、X方向空心液壓缸、吸收桿、2方向上固定支架、Z方向上輸出方桿、Z方向蝶形彈簧、Z方向液壓缸、2方向定位導(dǎo)軌、立方體方箱、Y方向左固定支架、Y方向左輸出方桿、Y方向蝶形彈簧、Y方向液壓缸、桿長度微調(diào)裝置、桿定位微調(diào)裝置、伺服液壓系統(tǒng)栗站、高壓油管、矩管組合結(jié)構(gòu)和吸收桿調(diào)心螺栓；
[0008]實驗裝置的三個相互垂直方向分別設(shè)置X方向定位導(dǎo)軌、Y方向定位導(dǎo)軌和Z方向定位導(dǎo)軌，X方向定位導(dǎo)軌、Y方向定位導(dǎo)軌和Z方向定位導(dǎo)軌分別穿過實驗裝置中部設(shè)置的立方體方箱，立方體方箱六個面的中部預(yù)留方孔，六個方孔分別設(shè)置入射方桿、透射方桿、Z方向上輸出方桿、Z方向下輸出方桿、Y方向右輸出方桿、Y方向左輸出方桿；
[0009]中心支架上面為立方體方箱，入射方桿與透射方桿分別穿過立方體方箱X方向的兩側(cè)方孔加持試件;入射方桿一端設(shè)置包含桿長度微調(diào)裝置和桿定位微調(diào)裝置的夾持裝置，該夾持裝置外側(cè)對應(yīng)設(shè)置高壓氣炮;透射方桿設(shè)置包含桿定位微調(diào)裝置的夾持系統(tǒng)，另一端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置，透射方桿通過桿長度微調(diào)裝置中部設(shè)置的圓孔與X方向碟形彈簧連接，X方向碟形彈簧一側(cè)設(shè)置X方向空心液壓缸，透射方桿通過X方向碟形彈簧與X方向空心液壓缸中部設(shè)置的圓孔與吸收桿相連，吸收桿設(shè)置吸收桿夾持系統(tǒng);X方向蝶形彈簧左側(cè)設(shè)置吸收桿調(diào)心螺栓;3個吸收桿調(diào)心螺栓沿徑向均勻分布；
[0010]Y方向右輸出方桿和Y方向左輸出方桿分別穿過立方體方箱Y方向的兩側(cè)方孔加持試件;Y方向右輸出方桿一端設(shè)置包含桿長度微調(diào)裝置和桿定位微調(diào)裝置的夾持裝置;Y方向左輸出方桿設(shè)置包含桿定位微調(diào)裝置的夾持裝置，另一端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置，Y方向左輸出方桿通過桿長度微調(diào)裝置中部設(shè)置的圓孔與Y方向碟形彈簧連接，Y方向碟形彈簧一側(cè)設(shè)置Y方向液壓缸；
[0011]Z方向下輸出方桿和Z方向上輸出方桿分別穿過立方體方箱Z方向的兩側(cè)方孔加持試件;Z方向下輸出方桿一端設(shè)置包含桿長度微調(diào)裝置和桿定位微調(diào)裝置的夾持裝置;Z方向上輸出方桿設(shè)置包含桿定位微調(diào)裝置的夾持裝置，另一端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置，Z方向上輸出方桿通過桿長度微調(diào)裝置中部設(shè)置的圓孔與Z方向碟形彈簧連接，Z方向碟形彈簧一側(cè)設(shè)置Z方向液壓缸；
[0012]X方向空心液壓缸、Y方向液壓缸、Z方向液壓缸分別通過獨立的高壓油管與伺服液壓系統(tǒng)栗站連接。
[0013]本實用新型有如下優(yōu)點:
[0014]1.試樣的三個主方向采用液壓伺服控制系統(tǒng)施加靜載，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的真三軸應(yīng)力狀
[0015]態(tài)。由此，實現(xiàn)了在穩(wěn)定靜載真三軸應(yīng)力狀態(tài)下巖石試樣的沖擊壓縮加載。
[0016]2.四根側(cè)向桿上測試得到的波形，可以監(jiān)測試件的破壞演化。
[0017]3.中心支架和三個方向定位導(dǎo)軌的應(yīng)用，保證了試件安裝的便利和實驗的重復(fù)性。
[0018]4.X方向(沖擊方向)空心液壓缸和吸收桿的應(yīng)用，保證了沖擊方向設(shè)備的安全。
【附圖說明】

[0019]圖1為實驗原理圖；
[0020]圖2a為真三軸靜載下沖擊加載實驗裝置的主視圖；
[0021 ]圖2b為真三軸靜載下沖擊加載實驗裝置的俯視圖；
[0022]圖2c為真三軸靜載下沖擊加載實驗裝置的三維圖；
[0023]圖3a為中心支架；
[0024]圖3b為中心支架的垂直向安裝圖；
[0025]圖4a為X方向空心液壓缸及吸收桿裝配圖(主視圖)；
[0026]圖4b為X方向空心液壓缸及吸收桿裝配圖(左視圖)；
[0027]圖中附圖標(biāo)記含義:1-高壓氣炮;2-入射方桿;3-X方向定位導(dǎo)軌;4-入射桿固定支架;5-中心支架;6-Z方向下固定支架;7-Z方向下輸出方桿;8-Y方向右固定支架;9-Y方向定位導(dǎo)軌；1-Y方向右輸出方桿;11-透射方桿;12-透射桿固定支架；13-X方向蝶形彈簧；14-X方向空心液壓缸;15-吸收桿;16-Z方向上固定支架；17-Z方向上輸出方桿;18-Z方向蝶形彈簧；19-Z方向液壓缸;20-Z方向定位導(dǎo)軌;21-立方體方箱;22-Y方向左固定支架;23-Y方向左輸出方桿;24-Y方向蝶形彈簧;25-Y方向液壓缸;26-桿長度微調(diào)裝置;27-桿定位微調(diào)裝置;28-伺服液壓系統(tǒng)栗站；29-高壓油管；30-矩管組合結(jié)構(gòu)；31-吸收桿調(diào)心螺栓;32-立方體巖石試件。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細(xì)說明:
[0029]圖1為實驗原理圖，圖1中:σχ、Oy、02分別為沖擊實驗之前在立方體試件的X方向、Y方向、Z方向施加的靜載;沖擊過程，在X方向施加沖擊信號(I1),經(jīng)過立方體試件后，將在立方體試件的X方向后端面產(chǎn)生透射信號(Tl)，在Y方向右端面產(chǎn)生透射信號(Ty2)，在Y方向左端面產(chǎn)生透射信號(Ty1)，在Z方向上端面產(chǎn)生透射信號(Tz1)，在Z方向下端面產(chǎn)生透射信號(TZ2)ο
[0030]如圖2a、圖2b所示，其中，圖2a為真三軸靜載下沖擊加載實驗裝置的主視圖；圖2b為真三軸靜載下沖擊加載實驗裝置的俯視圖；圖2c為真三軸靜載下沖擊加載實驗裝置的三維圖，實驗裝置的三個方向分別設(shè)置X方向定位導(dǎo)軌3、Y方向定位導(dǎo)軌9和Z方向定位導(dǎo)軌20 ；實驗裝置的中部設(shè)置中心支架5、立方體方箱21，立方體方箱21的六個面的中部預(yù)留方孔，立方體巖石試件3 2置于立方體方箱21的內(nèi)部，立方體方箱21在X方向的方孔中一側(cè)設(shè)置入射方桿2，另一側(cè)透射方桿11;入射方桿2—端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置26、桿定位微調(diào)裝置27，和入射桿固定支架4，入射桿固定支架4外側(cè)對應(yīng)設(shè)置高壓氣炮I;透射方桿11一端設(shè)置桿定位微調(diào)裝置27、透射桿固定支架12，透射方桿11通過透射桿固定支架12中部設(shè)置的圓孔與X方向的碟形彈簧13連接，X方向碟形彈簧13—側(cè)設(shè)置X方向空心液壓缸14，透射方桿11通過X方向碟形彈簧13與X方向空心液壓缸14中部設(shè)置的圓孔與吸收桿15相連;立方體方箱21在Y方向的方孔中一側(cè)設(shè)置Y方向右輸出方桿1，另一側(cè)設(shè)置Y方向左輸出方桿23; Y方向右輸出方桿10—端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置26、桿定位微調(diào)裝置27，和Y方向右固定支架8; Y方向左輸出方桿23—端設(shè)置桿定位微調(diào)裝置27、Υ方向左固定支架22，Υ方向左輸出方桿23通過Y方向左固定支架22中部設(shè)置的圓孔與Y方向的碟形彈簧24連接，Y方向的碟形彈簧24的一側(cè)設(shè)置Y方向液壓缸25 ；立方體方箱21在Z方向的方孔中一側(cè)設(shè)置Z方向下輸出方桿7，另一側(cè)設(shè)置Z方向上輸出方桿17;Ζ方向下輸出方桿7—端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置26、桿定位微調(diào)裝置27，和Z方向下固定支架6;Ζ方向上輸出方桿17—端設(shè)置桿定位微調(diào)裝置27、Ζ方向上固定支架16，Ζ方向上輸出方桿17通過Z方向上固定支架16中部設(shè)置的圓孔與Z方向蝶形彈簧18連接，Z方向蝶形彈簧18—側(cè)設(shè)置Z方向液壓缸19; X方向空心液壓缸14、Y方向液壓缸25、Z方向液壓缸19，通過高壓油管29并聯(lián)，與伺服液壓系統(tǒng)栗站28連接。
[0031]如圖3a、圖3b所示，其中，圖3a為中心支架；圖3b為中心支架的垂直向安裝圖，中心支架5與矩管組合結(jié)構(gòu)30連接；
[0032]中心支架5上面為立方體方箱21，立方體方箱21在Z方向的方孔中一側(cè)設(shè)置Z方向下輸出方桿7，另一側(cè)設(shè)置Z方向上輸出方桿17; Z方向下輸出方桿7—端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置26、桿定位微調(diào)裝置27，和Z方向下固定支架6; Z方向上輸出方桿17—端設(shè)置桿定位微調(diào)裝置27、Z方向上固定支架16，Z方向上輸出方桿17通過Z方向上固定支架16中部設(shè)置的圓孔與Z方向蝶形彈簧18連接，Z方向蝶形彈簧18—側(cè)設(shè)置Z方向液壓缸19。
[0033]如圖4a、4b所示，其中圖4a為X方向空心液壓缸及吸收桿裝配圖(主視圖)，圖4b為X方向空心液壓缸及吸收桿裝配圖(左視圖)，吸收桿15置于X方向空心液壓缸14和X方向蝶形彈簧13的內(nèi)部圓孔中；X方向蝶形彈簧13左側(cè)設(shè)置吸收桿調(diào)心螺栓31 ;3個吸收桿調(diào)心螺栓31沿徑向均勻分布。
[0034]本實用新型基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置具體工作原理為:
[0035]1.調(diào)節(jié)X方向的定位導(dǎo)軌3和Y方向的定位導(dǎo)軌9，使得二者保持水平且互相垂直；以這兩個方向?qū)к墳榛鶞?zhǔn)，架設(shè)中心支架5和立方體方箱21;
[0036]2.調(diào)節(jié)Z方向的定位導(dǎo)軌20，使其與X方向定位導(dǎo)軌3和Y方向定位導(dǎo)軌9相互垂直；
[0037]3.架設(shè)入射桿固定支架4和桿長度微調(diào)裝置26、透射桿固定支架12、Y方向右固定支架8和桿長度微調(diào)裝置26、Y方向左固定支架22、Z方向上固定支架16，以及Z方向下固定支架6和桿長度微調(diào)裝置26;
[0038]4.在三個方向的定位導(dǎo)軌上分別架設(shè)桿定位微調(diào)裝置27，由此對應(yīng)架設(shè)入射方桿
2、透射方桿11、2方向上輸出方桿17、2方向下輸出方桿7、￥方向右輸出方桿10、￥方向左輸出方桿23等六根桿，這六根桿通過立方體方箱21六個面的中部預(yù)留的方孔在方向內(nèi)部匯合，在六根桿匯合部位初步裝配精細(xì)加工的立方體巖石試件32;
[0039]5.在X方向透射方桿11的另一側(cè)安裝碟形彈簧13和X方向的空心液壓缸14 ；安裝吸收桿15調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由此，穿過X方向空心液壓缸14架設(shè)吸收桿15 ；在Y方向左輸出方桿23的另一側(cè)安裝碟形彈簧24和Y方向液壓缸25;在Z方向上輸出方桿17的另一側(cè)安裝碟形彈簧18和Z方向液壓缸19;
[0040]6.用高壓油管29將三個方向的液壓缸14、19、25與伺服液壓系統(tǒng)栗站28的對應(yīng)閥門進行連接;打開電動液壓栗站的截止閥，啟動電動栗站的電機給整個油路充油至液壓缸排氣孔出油為止；
[0041]7.啟動伺服控制系統(tǒng)，給實驗系統(tǒng)的三個方向施加預(yù)壓，精確裝配立方體巖石試件32 ；
[0042]8.根據(jù)實驗要求三個方向施加需要的應(yīng)力大小調(diào)整溢流閥的壓力，使其稍大于實驗所需應(yīng)力；啟動液壓伺服控制系統(tǒng)，逐步控制巖石所受的三向應(yīng)力至實驗所需壓力；
[0043]9.打開數(shù)據(jù)采集設(shè)備，進入采集準(zhǔn)備狀態(tài)；
[0044]10.利用尚壓氣炮中的尚壓氣體驅(qū)動撞擊桿撞擊入射方桿，對巖石試件進行沖擊加載，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄入射方桿、透射方桿、z方向上輸出方桿、z方向下輸出方桿、m向右輸出方桿、Y方向左輸出方桿等六根桿上應(yīng)變計所測的應(yīng)變信號；
[0045]11.啟動液壓伺服控制系統(tǒng)，卸掉三個方向上液壓缸中的高壓；
[0046]12.取出試件，實驗結(jié)束。
【主權(quán)項】
1.一種基于真三軸靜載的巖石霍普金森沖擊加載實驗裝置，其特征在于:包括高壓氣炮(I)、入射方桿(2)、X方向定位導(dǎo)軌(3)、入射桿固定支架(4)、中心支架(5)、Z方向下固定支架(6)、Z方向下輸出方桿(7)、Y方向右固定支架(8)、Y方向定位導(dǎo)軌(9)、Y方向右輸出方桿(10)、透射方桿(11)、透射桿固定支架(12)、Χ方向蝶形彈簧(13)、Χ方向空心液壓缸(14)、吸收桿(15)、Ζ方向上固定支架(16)、Ζ方向上輸出方桿(17)、Ζ方向蝶形彈簧(18)、Ζ方向液壓缸(19)、Ζ方向定位導(dǎo)軌(20)、立方體方箱(21)、Υ方向左固定支架(22)、Υ方向左輸出方桿(23)、Υ方向蝶形彈簧(24)、Υ方向液壓缸(25)、桿長度微調(diào)裝置(26)、桿定位微調(diào)裝置(27)、伺服液壓系統(tǒng)栗站(28)、高壓油管(29)、矩管組合結(jié)構(gòu)(30)和吸收桿調(diào)心螺栓(31); 實驗裝置的三個相互垂直方向分別設(shè)置X方向定位導(dǎo)軌(3)、Υ方向定位導(dǎo)軌(9)和Z方向定位導(dǎo)軌(20)，Χ方向定位導(dǎo)軌(3)、Υ方向定位導(dǎo)軌(9)和Z方向定位導(dǎo)軌(20)分別穿過實驗裝置中部設(shè)置的立方體方箱(21)，立方體方箱(21)六個面的中部預(yù)留方孔，六個方孔分別設(shè)置入射方桿(2)、透射方桿(11)、Ζ方向上輸出方桿(17)、Ζ方向下輸出方桿(7)、Υ方向右輸出方桿(10)、Υ方向左輸出方桿(23); 中心支架(5)上面為立方體方箱(21 )，入射方桿(2)與透射方桿(I I)分別穿過立方體方箱(21)Χ方向的兩側(cè)方孔加持試件;入射方桿(2)—端設(shè)置包含桿長度微調(diào)裝置(26)和桿定位微調(diào)裝置(27)的夾持裝置，該夾持裝置外側(cè)對應(yīng)設(shè)置高壓氣炮(I);透射方桿(11)設(shè)置包含桿定位微調(diào)裝置(27)的夾持系統(tǒng)，另一端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置(26)，透射方桿(11)通過桿長度微調(diào)裝置(26)中部設(shè)置的圓孔與X方向碟形彈簧(13)連接，X方向碟形彈簧(13)—側(cè)設(shè)置X方向空心液壓缸(14)，透射方桿(11)通過X方向碟形彈簧(13)與X方向空心液壓缸(14)中部設(shè)置的圓孔與吸收桿(15)相連，吸收桿(15)設(shè)置吸收桿夾持系統(tǒng);X方向蝶形彈簧(13)左側(cè)設(shè)置吸收桿調(diào)心螺栓(31) ;3個吸收桿調(diào)心螺栓(31)沿徑向均勻分布； Y方向右輸出方桿(10)和Y方向左輸出方桿(23)分別穿過立方體方箱(21 )Υ方向的兩側(cè)方孔加持試件;Y方向右輸出方桿(10) —端設(shè)置包含桿長度微調(diào)裝置(26)和桿定位微調(diào)裝置(27)的夾持裝置;Y方向左輸出方桿(23)設(shè)置包含桿定位微調(diào)裝置(27)的夾持裝置，另一端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置(26)，Υ方向左輸出方桿(23)通過桿長度微調(diào)裝置(26)中部設(shè)置的圓孔與Y方向碟形彈簧(24)連接，Y方向碟形彈簧(24) —側(cè)設(shè)置Y方向液壓缸(25); Z方向下輸出方桿(7)和Z方向上輸出方桿(17)分別穿過立方體方箱(21) Z方向的兩側(cè)方孔加持試件;Z方向下輸出方桿(7) —端設(shè)置包含桿長度微調(diào)裝置(26)和桿定位微調(diào)裝置(27)的夾持裝置;Z方向上輸出方桿(17)設(shè)置包含桿定位微調(diào)裝置(27)的夾持裝置，另一端設(shè)置桿長度微調(diào)裝置(26)，Ζ方向上輸出方桿(17)通過桿長度微調(diào)裝置(26)中部設(shè)置的圓孔與Z方向碟形彈簧(18)連接，Z方向碟形彈簧(18) —側(cè)設(shè)置Z方向液壓缸(19); X方向空心液壓缸(14 )、Y方向液壓缸(25 )、Z方向液壓缸(19)分別通過獨立的高壓油管(29)與伺服液壓系統(tǒng)栗站(28)連接。
【文檔編號】G01N3/307GK205719826SQ201620574575
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】徐松林, 趙堅, 宋曉勇, 張乾兵, 王鵬飛, 徐可立, 胡時勝
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)