一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置，包括高压气炮、入射方杆、X方向定位导轨、入射杆固定支架、中心支架、Z方向下固定支架、Z方向下输出方杆、Y方向右固定支架、Y方向定位导轨、Y方向右输出方杆、透射方杆、透射杆固定支架、X方向蝶形弹簧、X方向空心液压缸、吸收杆、Z方向上固定支架、Z方向上输出方杆、Z方向蝶形弹簧、Z方向液压缸、Z方向定位导轨、立方体方箱、Y方向左固定支架、Y方向左输出方杆、Y方向蝶形弹簧、Y方向液压缸、杆长度微调装置、杆定位微调装置和伺服液压系统泵站。本实用新型实现了在稳定静载真三轴应力状态下岩石试样的冲击压缩加载。
【专利说明】
一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及岩石霍普金森冲击加载实验的技术领域，具体涉及一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置。
【背景技术】
[0002]工程岩石处于复杂的应力状态。随地下工程、水利工程的深度与广度发展，工程设计、施工，以及安全生产迫切需要得到岩石在复杂应力状态下高应变率动态力学参数，设计制造一种能对处于真三轴应力状态的岩石进行冲击加载的实验装置显得尤为迫切。
[0003]岩石在复杂应力状态下的冲击性能实验目前国内外主要采用基于霍普金森压杆的主动围压装置。该类设备通过高压液体(油或水)对圆柱形试件的侧向施加围压，而后在轴向采用霍普金森压杆施加冲击载荷，其初始的静载为侧向等围压状态。专利号为ZL200510032031.6的发明专利介绍了一种动静组合加载岩石力学实验装置。该装置在已有的霍普金森压杆主动围压装置上增加了轴向加载油缸，可分别对试件进行围压和轴压的预加载，但其初始的静载仍为侧向等围压状态。这种应力状态无法反映工程实际中的真三轴应力状态。
[0004]目前国内外尚没有进行岩石真三轴静载应力状态下冲击特性实验的设备。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种可以在岩石类试样施加到预定的真三轴应力状态(三个主方向的应力满足:ox#0y#0z)后，对试样进行冲击实验的测试装备。通过合理设计的定位体系，精确安装立方体试件;通过液压伺服控制系统，精确控制三个方向的液压缸，对试件三个方向分别施加压力，使试件处于真三轴应力状态;通过透射杆后部的碟形弹簧、空心液压缸，以及吸收杆，缓冲冲击能量并保护X方向液压系统;通过试件侧向的四根方杆上的测试信号，监测立方体试件的变形发展。
[0006]本实用新型为了实现上述的发明目的，采用如下的技术方案:
[0007]—种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置，包括高压气炮、入射方杆、X方向定位导轨、入射杆固定支架、中心支架、Z方向下固定支架、Z方向下输出方杆、Y方向右固定支架、Y方向定位导轨、Y方向右输出方杆、透射方杆、透射杆固定支架、X方向蝶形弹簧、X方向空心液压缸、吸收杆、2方向上固定支架、Z方向上输出方杆、Z方向蝶形弹簧、Z方向液压缸、2方向定位导轨、立方体方箱、Y方向左固定支架、Y方向左输出方杆、Y方向蝶形弹簧、Y方向液压缸、杆长度微调装置、杆定位微调装置、伺服液压系统栗站、高压油管、矩管组合结构和吸收杆调心螺栓；
[0008]实验装置的三个相互垂直方向分别设置X方向定位导轨、Y方向定位导轨和Z方向定位导轨，X方向定位导轨、Y方向定位导轨和Z方向定位导轨分别穿过实验装置中部设置的立方体方箱，立方体方箱六个面的中部预留方孔，六个方孔分别设置入射方杆、透射方杆、Z方向上输出方杆、Z方向下输出方杆、Y方向右输出方杆、Y方向左输出方杆；
[0009]中心支架上面为立方体方箱，入射方杆与透射方杆分别穿过立方体方箱X方向的两侧方孔加持试件;入射方杆一端设置包含杆长度微调装置和杆定位微调装置的夹持装置，该夹持装置外侧对应设置高压气炮;透射方杆设置包含杆定位微调装置的夹持系统，另一端设置杆长度微调装置，透射方杆通过杆长度微调装置中部设置的圆孔与X方向碟形弹簧连接，X方向碟形弹簧一侧设置X方向空心液压缸，透射方杆通过X方向碟形弹簧与X方向空心液压缸中部设置的圆孔与吸收杆相连，吸收杆设置吸收杆夹持系统;X方向蝶形弹簧左侧设置吸收杆调心螺栓;3个吸收杆调心螺栓沿径向均匀分布；
[0010]Y方向右输出方杆和Y方向左输出方杆分别穿过立方体方箱Y方向的两侧方孔加持试件;Y方向右输出方杆一端设置包含杆长度微调装置和杆定位微调装置的夹持装置;Y方向左输出方杆设置包含杆定位微调装置的夹持装置，另一端设置杆长度微调装置，Y方向左输出方杆通过杆长度微调装置中部设置的圆孔与Y方向碟形弹簧连接，Y方向碟形弹簧一侧设置Y方向液压缸；
[0011]Z方向下输出方杆和Z方向上输出方杆分别穿过立方体方箱Z方向的两侧方孔加持试件;Z方向下输出方杆一端设置包含杆长度微调装置和杆定位微调装置的夹持装置;Z方向上输出方杆设置包含杆定位微调装置的夹持装置，另一端设置杆长度微调装置，Z方向上输出方杆通过杆长度微调装置中部设置的圆孔与Z方向碟形弹簧连接，Z方向碟形弹簧一侧设置Z方向液压缸；
[0012]X方向空心液压缸、Y方向液压缸、Z方向液压缸分别通过独立的高压油管与伺服液压系统栗站连接。
[0013]本实用新型有如下优点:
[0014]1.试样的三个主方向采用液压伺服控制系统施加静载，可以实现稳定的真三轴应力状
[0015]态。由此，实现了在稳定静载真三轴应力状态下岩石试样的冲击压缩加载。
[0016]2.四根侧向杆上测试得到的波形，可以监测试件的破坏演化。
[0017]3.中心支架和三个方向定位导轨的应用，保证了试件安装的便利和实验的重复性。
[0018]4.X方向(冲击方向)空心液压缸和吸收杆的应用，保证了冲击方向设备的安全。
【附图说明】
[0019]图1为实验原理图；
[0020]图2a为真三轴静载下冲击加载实验装置的主视图；
[0021 ]图2b为真三轴静载下冲击加载实验装置的俯视图；
[0022]图2c为真三轴静载下冲击加载实验装置的三维图；
[0023]图3a为中心支架；
[0024]图3b为中心支架的垂直向安装图；
[0025]图4a为X方向空心液压缸及吸收杆装配图(主视图)；
[0026]图4b为X方向空心液压缸及吸收杆装配图(左视图)；
[0027]图中附图标记含义:1-高压气炮;2-入射方杆;3-X方向定位导轨;4-入射杆固定支架;5-中心支架;6-Z方向下固定支架;7-Z方向下输出方杆;8-Y方向右固定支架;9-Y方向定位导轨；1-Y方向右输出方杆;11-透射方杆;12-透射杆固定支架；13-X方向蝶形弹簧；14-X方向空心液压缸;15-吸收杆;16-Z方向上固定支架；17-Z方向上输出方杆;18-Z方向蝶形弹簧；19-Z方向液压缸;20-Z方向定位导轨;21-立方体方箱;22-Y方向左固定支架;23-Y方向左输出方杆;24-Y方向蝶形弹簧;25-Y方向液压缸;26-杆长度微调装置;27-杆定位微调装置;28-伺服液压系统栗站；29-高压油管；30-矩管组合结构；31-吸收杆调心螺栓;32-立方体岩石试件。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图与【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明:
[0029]图1为实验原理图，图1中:σχ、Oy、02分别为冲击实验之前在立方体试件的X方向、Y方向、Z方向施加的静载;冲击过程，在X方向施加冲击信号(I1),经过立方体试件后，将在立方体试件的X方向后端面产生透射信号(Tl)，在Y方向右端面产生透射信号(Ty2)，在Y方向左端面产生透射信号(Ty1)，在Z方向上端面产生透射信号(Tz1)，在Z方向下端面产生透射信号(TZ2)ο
[0030]如图2a、图2b所示，其中，图2a为真三轴静载下冲击加载实验装置的主视图；图2b为真三轴静载下冲击加载实验装置的俯视图；图2c为真三轴静载下冲击加载实验装置的三维图，实验装置的三个方向分别设置X方向定位导轨3、Y方向定位导轨9和Z方向定位导轨20 ；实验装置的中部设置中心支架5、立方体方箱21，立方体方箱21的六个面的中部预留方孔，立方体岩石试件3 2置于立方体方箱21的内部，立方体方箱21在X方向的方孔中一侧设置入射方杆2，另一侧透射方杆11;入射方杆2—端设置杆长度微调装置26、杆定位微调装置27，和入射杆固定支架4，入射杆固定支架4外侧对应设置高压气炮I;透射方杆11一端设置杆定位微调装置27、透射杆固定支架12，透射方杆11通过透射杆固定支架12中部设置的圆孔与X方向的碟形弹簧13连接，X方向碟形弹簧13—侧设置X方向空心液压缸14，透射方杆11通过X方向碟形弹簧13与X方向空心液压缸14中部设置的圆孔与吸收杆15相连;立方体方箱21在Y方向的方孔中一侧设置Y方向右输出方杆1，另一侧设置Y方向左输出方杆23; Y方向右输出方杆10—端设置杆长度微调装置26、杆定位微调装置27，和Y方向右固定支架8; Y方向左输出方杆23—端设置杆定位微调装置27、Υ方向左固定支架22，Υ方向左输出方杆23通过Y方向左固定支架22中部设置的圆孔与Y方向的碟形弹簧24连接，Y方向的碟形弹簧24的一侧设置Y方向液压缸25 ；立方体方箱21在Z方向的方孔中一侧设置Z方向下输出方杆7，另一侧设置Z方向上输出方杆17;Ζ方向下输出方杆7—端设置杆长度微调装置26、杆定位微调装置27，和Z方向下固定支架6;Ζ方向上输出方杆17—端设置杆定位微调装置27、Ζ方向上固定支架16，Ζ方向上输出方杆17通过Z方向上固定支架16中部设置的圆孔与Z方向蝶形弹簧18连接，Z方向蝶形弹簧18—侧设置Z方向液压缸19; X方向空心液压缸14、Y方向液压缸25、Z方向液压缸19，通过高压油管29并联，与伺服液压系统栗站28连接。
[0031]如图3a、图3b所示，其中，图3a为中心支架；图3b为中心支架的垂直向安装图，中心支架5与矩管组合结构30连接；
[0032]中心支架5上面为立方体方箱21，立方体方箱21在Z方向的方孔中一侧设置Z方向下输出方杆7，另一侧设置Z方向上输出方杆17; Z方向下输出方杆7—端设置杆长度微调装置26、杆定位微调装置27，和Z方向下固定支架6; Z方向上输出方杆17—端设置杆定位微调装置27、Z方向上固定支架16，Z方向上输出方杆17通过Z方向上固定支架16中部设置的圆孔与Z方向蝶形弹簧18连接，Z方向蝶形弹簧18—侧设置Z方向液压缸19。
[0033]如图4a、4b所示，其中图4a为X方向空心液压缸及吸收杆装配图(主视图)，图4b为X方向空心液压缸及吸收杆装配图(左视图)，吸收杆15置于X方向空心液压缸14和X方向蝶形弹簧13的内部圆孔中；X方向蝶形弹簧13左侧设置吸收杆调心螺栓31 ;3个吸收杆调心螺栓31沿径向均匀分布。
[0034]本实用新型基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置具体工作原理为:
[0035]1.调节X方向的定位导轨3和Y方向的定位导轨9，使得二者保持水平且互相垂直；以这两个方向导轨为基准，架设中心支架5和立方体方箱21;
[0036]2.调节Z方向的定位导轨20，使其与X方向定位导轨3和Y方向定位导轨9相互垂直；
[0037]3.架设入射杆固定支架4和杆长度微调装置26、透射杆固定支架12、Y方向右固定支架8和杆长度微调装置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和杆长度微调装置26;
[0038]4.在三个方向的定位导轨上分别架设杆定位微调装置27，由此对应架设入射方杆
2、透射方杆11、2方向上输出方杆17、2方向下输出方杆7、￥方向右输出方杆10、￥方向左输出方杆23等六根杆，这六根杆通过立方体方箱21六个面的中部预留的方孔在方向内部汇合，在六根杆汇合部位初步装配精细加工的立方体岩石试件32;
[0039]5.在X方向透射方杆11的另一侧安装碟形弹簧13和X方向的空心液压缸14 ；安装吸收杆15调节系统，由此，穿过X方向空心液压缸14架设吸收杆15 ；在Y方向左输出方杆23的另一侧安装碟形弹簧24和Y方向液压缸25;在Z方向上输出方杆17的另一侧安装碟形弹簧18和Z方向液压缸19;
[0040]6.用高压油管29将三个方向的液压缸14、19、25与伺服液压系统栗站28的对应阀门进行连接;打开电动液压栗站的截止阀，启动电动栗站的电机给整个油路充油至液压缸排气孔出油为止；
[0041]7.启动伺服控制系统，给实验系统的三个方向施加预压，精确装配立方体岩石试件32 ；
[0042]8.根据实验要求三个方向施加需要的应力大小调整溢流阀的压力，使其稍大于实验所需应力；启动液压伺服控制系统，逐步控制岩石所受的三向应力至实验所需压力；
[0043]9.打开数据采集设备，进入采集准备状态；
[0044]10.利用尚压气炮中的尚压气体驱动撞击杆撞击入射方杆，对岩石试件进行冲击加载，由数据采集系统记录入射方杆、透射方杆、z方向上输出方杆、z方向下输出方杆、m向右输出方杆、Y方向左输出方杆等六根杆上应变计所测的应变信号；
[0045]11.启动液压伺服控制系统，卸掉三个方向上液压缸中的高压；
[0046]12.取出试件，实验结束。
【主权项】
1.一种基于真三轴静载的岩石霍普金森冲击加载实验装置，其特征在于:包括高压气炮(I)、入射方杆(2)、X方向定位导轨(3)、入射杆固定支架(4)、中心支架(5)、Z方向下固定支架(6)、Z方向下输出方杆(7)、Y方向右固定支架(8)、Y方向定位导轨(9)、Y方向右输出方杆(10)、透射方杆(11)、透射杆固定支架(12)、Χ方向蝶形弹簧(13)、Χ方向空心液压缸(14)、吸收杆(15)、Ζ方向上固定支架(16)、Ζ方向上输出方杆(17)、Ζ方向蝶形弹簧(18)、Ζ方向液压缸(19)、Ζ方向定位导轨(20)、立方体方箱(21)、Υ方向左固定支架(22)、Υ方向左输出方杆(23)、Υ方向蝶形弹簧(24)、Υ方向液压缸(25)、杆长度微调装置(26)、杆定位微调装置(27)、伺服液压系统栗站(28)、高压油管(29)、矩管组合结构(30)和吸收杆调心螺栓(31); 实验装置的三个相互垂直方向分别设置X方向定位导轨(3)、Υ方向定位导轨(9)和Z方向定位导轨(20)，Χ方向定位导轨(3)、Υ方向定位导轨(9)和Z方向定位导轨(20)分别穿过实验装置中部设置的立方体方箱(21)，立方体方箱(21)六个面的中部预留方孔，六个方孔分别设置入射方杆(2)、透射方杆(11)、Ζ方向上输出方杆(17)、Ζ方向下输出方杆(7)、Υ方向右输出方杆(10)、Υ方向左输出方杆(23); 中心支架(5)上面为立方体方箱(21 )，入射方杆(2)与透射方杆(I I)分别穿过立方体方箱(21)Χ方向的两侧方孔加持试件;入射方杆(2)—端设置包含杆长度微调装置(26)和杆定位微调装置(27)的夹持装置，该夹持装置外侧对应设置高压气炮(I);透射方杆(11)设置包含杆定位微调装置(27)的夹持系统，另一端设置杆长度微调装置(26)，透射方杆(11)通过杆长度微调装置(26)中部设置的圆孔与X方向碟形弹簧(13)连接，X方向碟形弹簧(13)—侧设置X方向空心液压缸(14)，透射方杆(11)通过X方向碟形弹簧(13)与X方向空心液压缸(14)中部设置的圆孔与吸收杆(15)相连，吸收杆(15)设置吸收杆夹持系统;X方向蝶形弹簧(13)左侧设置吸收杆调心螺栓(31) ;3个吸收杆调心螺栓(31)沿径向均匀分布； Y方向右输出方杆(10)和Y方向左输出方杆(23)分别穿过立方体方箱(21 )Υ方向的两侧方孔加持试件;Y方向右输出方杆(10) —端设置包含杆长度微调装置(26)和杆定位微调装置(27)的夹持装置;Y方向左输出方杆(23)设置包含杆定位微调装置(27)的夹持装置，另一端设置杆长度微调装置(26)，Υ方向左输出方杆(23)通过杆长度微调装置(26)中部设置的圆孔与Y方向碟形弹簧(24)连接，Y方向碟形弹簧(24) —侧设置Y方向液压缸(25); Z方向下输出方杆(7)和Z方向上输出方杆(17)分别穿过立方体方箱(21) Z方向的两侧方孔加持试件;Z方向下输出方杆(7) —端设置包含杆长度微调装置(26)和杆定位微调装置(27)的夹持装置;Z方向上输出方杆(17)设置包含杆定位微调装置(27)的夹持装置，另一端设置杆长度微调装置(26)，Ζ方向上输出方杆(17)通过杆长度微调装置(26)中部设置的圆孔与Z方向碟形弹簧(18)连接，Z方向碟形弹簧(18) —侧设置Z方向液压缸(19); X方向空心液压缸(14 )、Y方向液压缸(25 )、Z方向液压缸(19)分别通过独立的高压油管(29)与伺服液压系统栗站(28)连接。
【文档编号】G01N3/307GK205719826SQ201620574575
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】徐松林, 赵坚, 宋晓勇, 张乾兵, 王鹏飞, 徐可立, 胡时胜
【申请人】中国科学技术大学