专利名称：一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及材料动态力学性能的冲击加载实验装置，尤其是一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置。
背景技术：
目前，随地下工程、抗震结构以及防护工程对混凝土材料在复杂应力状态下高应变率动态力学性能的迫切需要，急需研究一种能实现冲击加载的常规三轴实验装置。目前常用的实验方法是利用霍普金森压杆及主动围压加载装置，通过主动围压加载装置内的高压液体(液压油或水)对试件施加围压，而试件轴向处于自由状态，这样的应力状态与静态常规三轴实验相差甚远，实验结果也无法准确反映静水压对材料动态力学性能的影响。在专利号为ZL200510032031.6的发明专利中，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加载装置基础上增加了轴向加载油缸，可实现对试件的围压和轴压预加载，但分别采用两个单独的液压回路施加围压和轴压，无法保证预加载过程中轴压和围压时刻相等。而且，该实验装置在透射杆远端通过轴向油缸和吸收杆之间的刚性接触承受轴向冲击荷载，容易造成轴向油缸和杆件的损害。另外，目前类似设备围压缸容积一般较小，冲击加载过程中试件体积变化会引起围压的增加，即试件并非处于恒定的围压状态。申请公告号CN102331366A的专利中介绍了一种稳压的霍普金森杆主动围压装置，利用油缸里气囊来减小体积变化对围压的影响。但霍普金森杆实验中有效加载时间只有几百微秒，对应着一个高频过程，而采用带气囊的油缸作为蓄能器来减小管路总压力脉动对高频激励是无效的，所以其稳压效果并不明显。鉴于上述的诸多原因，需要改进霍普金森杆主动围压加载装置。
实用新型内容本实用新型为了解决冲击霍普金森压杆主动围压实验中的试件预加载过程中围压和轴向压不相等、冲击加载过程中围压波动、以及轴向油缸刚性接触吸收杆的轴向冲击荷载会造成轴向油缸和杆件的损害等问题。通过合理的设计，提供一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，通过在液压系统中串联接入大容量均衡油缸同步对试件施加围压和轴压，预加载过程中试件能时刻处于静水压状态；采用大容量围压缸有效减少冲击加载过程中围压缸内油压波动；入射杆和吸收杆夹持系统中分别采用了碟形弹簧，缓冲了轴向冲击。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一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，是由高压气炮、撞击杆、入射杆夹持系统、入射杆固定支座、入射杆碟形弹簧、入射杆卡盘、入射杆、围压缸装置、高压油管、透射杆、吸收杆、吸收杆夹持系统、吸收杆卡盘、吸收杆碟形弹簧、轴向油缸、缓冲支座、均衡油缸、高压溢流阀、泵站截止阀、电动液压泵站、手动加压泵构成；冲击加载实验装置的中部设置围压缸装置，围压缸装置中部预留轴孔，围压缸装置中部的孔中一侧设置入射杆另一侧透射杆，入射杆一端设置入射杆夹持系统，入射杆夹持系统外侧对应设置高压气炮，高压气炮中部设置撞击杆；透射杆一端设置吸收杆，吸收杆另一端设置吸收杆夹持系统；吸收杆夹持系统的一侧设置轴向油缸，轴向油缸的一侧设置缓冲支座；入射杆一端设置入射杆夹持系统中的入射杆卡盘，入射杆卡盘一侧设置入射杆碟形弹簧，入射杆碟形弹簧一侧设置入射杆固定支座，入射杆固定支座外侧对应设置高压气炮，高压气炮中部设置撞击杆；透射杆一端设置吸收杆夹持系统中的吸收杆卡盘，吸收杆卡盘一侧设置吸收杆碟形弹簧；吸收杆碟形弹簧外侧设置轴向油缸，轴向油缸的一侧设置缓冲支座；围压缸装置一侧的闻压气炮、撞击杆、入射杆夹持系统、入射杆，与围压缸装置另一侧的高压油管、透射杆、吸收杆、吸收杆夹持系统、轴向油缸、缓冲支座同轴设置；冲击加载实验装置的一侧设置液压系统，液压系统中设置大容量的均衡均衡油缸，均衡油缸一侧预留至少两个孔，均衡油缸其中的一个孔与手动加压泵之间设置高压油管；均衡油缸其中的另一个孔与围压缸装置之间设置高压油管，高压油管的中段设置三通，三通另一端的高压油管与轴向油缸连接，轴向油缸与电动液压泵站之间设置高压油管，轴向油缸前端设置高压溢流阀，电动液压泵站前端设置泵站截止阀；围压缸装置、轴向油缸、高压溢流阀、泵站截止阀、电动液压泵站、通过高压油管串联。有益效果合理设计，轴向油缸前端设置高压溢流阀，入射杆和吸收杆两端合理设计缓冲碟形弹簧，降低轴向冲击力，保护了实验装置。1，能保持冲击实验前试件围压与轴压相等，即试件处于静水压状态；2，冲击实验过程中，试件承受轴向冲击压缩加载而围压能保持基本恒定不变；3，入射杆和吸收杆夹持系统中的碟形弹簧能有效缓冲和吸收轴向冲击能量，保护实验装置，延长使用寿命。本实用新型的混凝土常规三轴冲击加载实验装置，是对混凝土试件先施加确定的静水压后，利用大直径霍普金森压杆对试件进行轴向冲击，研究静水压和应变率对混凝土材料高应变率动态力学性能。本装置也可以用于诸如岩石、土、泡沫材料等其他非均匀材料或均匀性较好的材料。本实用新型能对试件同步施加大小相等的围压和轴向静压，试件在冲击加载前处于静水压状态；冲击加载过程中试件所承受围压能保持恒定。本实用新型主要由高压气炮、撞击杆、入射杆夹持系统、入射杆、围压缸装置、高压油管、透射杆、吸收杆、吸收杆夹持系统、轴向油缸、缓冲支座、均衡油缸、高压溢流阀、泵站截止阀、电动液压泵站和手动加压泵等组件构成。围压缸、轴向油缸和均衡油缸通过高压油管串联。利用手动泵站把高压油缓慢泵入均衡油缸中，通过大容量的均衡油缸同步给围压缸和轴向油缸加压，消除了由于围压缸和轴向油缸容积不相等以及高压油管压力损失而引起的围压和轴向压力不一致。围压缸内液压沿试件径向对试件施加均布的围压。轴向油缸内液压通过吸收杆和透射杆对试件施加轴向静压，由于轴向油缸的活塞杆、吸收杆和透射杆具有与试件相同的直径，所以试件所受的围压和轴向静压相等，即试件处于静水压状态。在入射杆的左端设置有入射杆夹持系统，用于平衡轴向油缸对试件的轴压。为了缓冲轴向冲击能量，在入射杆夹持系统和吸收杆夹持系统中分别采用了碟形弹簧和吸收杆碟形弹簧选用大容量围压缸以减少冲击加载过程中试件体积变化而引起的围压波动，本实用新型中所使用围压缸有效容积为100倍试件体积。如图所示，本实用新型混凝土常规三轴冲击加载实验装置，包括大直径霍普金森压杆、围压缸、轴向油缸、油路系统和夹持系统等几部分组成。φ IOOmm霍普金森压杆设备包括高压气炮、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆、缓冲支座以及在
图1中没有显示的高压气源、控制台和测速装置。由高压气源给高压气炮提供压缩气体以驱动撞击杆，由撞击杆撞击入射杆产生压缩波对夹在入射杆和透射杆之间的试件进行冲击加载，利用黏贴在入射杆和透射杆上应变计测量入射波、反射波和透射波，并据此得到材料的应力-应变-应变率之间关系。为减少冲击加载过程中试件体积变化而引起的围压波动，本实用新型采用大容量围压缸，围压缸容积为100倍的试件体积。在围压缸上还可以设置压力传感器以测量冲击实验过程中围压的变化。轴向油缸为小容量油缸，用于传递均衡油缸中的高液压给吸收杆，并传递轴向压力给试件。由于轴向油缸的内径与吸收杆、透射杆和试件直径相同，所以试件轴向压力与轴向油缸内液压相等。油路系统包括围压缸、均衡油缸、轴向油缸、高压油管、电动液压泵站、手动高压泵站、高压溢流阀和电动液压泵站截止阀等组件构成。电动液压泵站用于给整个油路提供低压(< 5MPa)供油，手动高压泵站用于给均衡油缸提供高压供油，再由均衡油缸同步把高压传递给围压缸和轴向油缸.夹持系统包括入射杆夹持系统和吸收杆夹持系统两部分，其中入射杆夹持系统包括入射杆固定支座、入射杆碟形弹簧和入射杆卡盘；吸收杆夹持系统包括吸收杆卡盘和吸收杆碟形弹簧.夹持系统除用于对试件提供轴向静压外，还用于缓冲和吸收实验过程中轴向冲击能量，有效保护轴向油缸及霍普金森杆不受损坏。具体工作原理(操作步骤)为1，调节围压缸的位置与入射杆和透射杆同轴；2，装配试件至围压缸中，并与入射杆和透射杆同轴接触。然后装配调节吸收杆与透射杆和轴向油缸同轴接触；3，打开电动液压泵站的截止阀，打开围压缸的排气孔阀门，启动电动泵站的电机给整个油路充油至围压缸排气孔出油为止。关闭电动泵站的电机、电动泵站的截止阀和围压缸排气孔阀门；4，根据实验需要围压大小调整溢流阀的压力，使其稍大于实验所需围压；5，利用手动泵站加压至实验所需压力；然后关闭手动泵站阀门；6，打开数据采集设备，进入采集准备状态；7，利用高压气源驱动撞击杆撞击入射杆，对试件进行冲击加载，由数据采集系统记录入射杆和透射杆上应变计的应变信号。如果需要，还可以利用黏贴在试件上的应变计测量试件变形，以及利用围压缸上压力传感器测量围压缸内围压的变化；8，打开手动泵站截止阀卸掉高压；9，取出试件，实验结束；如果需要可启动电动泵站的电机，排除油路内液压油至液压泵站的油箱中。
以下结合附图对本实用新型作进一步 说明[0033]图1 ;一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置的结构示意图；图1中闻压气炮1、撞击杆2、入射杆夹持系统3、入射杆固定支座3_1、入射杆碟形弹簧3-2、入射杆卡盘3-3、入射杆4、围压缸装置5、高压油管6、透射杆7、吸收杆8、吸收杆夹持系统9、吸收杆卡盘9-1、吸收杆碟形弹簧9-2、轴向油缸10、缓冲支座11、均衡油缸12、高压溢流阀13、泵站截止阀14、电动液压泵站15、手动加压泵16。
具体实施方式
以下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如图所示冲击加载实验装置的中部设置围压缸装置5，围压缸装置5中部预留轴孔，围压缸装置5中部的孔中一侧设置入射杆4另一侧透射杆7，入射杆4 一端设置入射杆夹持系统3,入射杆夹持系统3外侧对应设置闻压气炮I,闻压气炮I中部设置撞击杆2 ;透射杆7 —端设置吸收杆8，吸收杆8另一端设置吸收杆夹持系统9 ;吸收杆夹持系统9的一侧设置轴向油缸10，轴向油缸10的一侧设置缓冲支座11 ;入射杆4 一端设置入射杆夹持系统3中的入射杆卡盘3-3，入射杆卡盘3-3 —侧设置入射杆碟形弹簧3-2，入射杆碟形弹簧3-2 一侧设置入射杆固定支座3-1，入射杆固定支座3-1外侧对应设置高压气炮1，高压气炮I中部设置撞击杆2 ;透射杆7 —端设置吸收杆夹持系统9中的吸收杆卡盘9-1,吸收杆卡盘9-1 一侧设置吸收杆碟形弹簧9-2 ;吸收杆碟形弹簧9-2外侧设置轴向油缸10，轴向油缸10的一侧设置缓冲支座11 ;围压缸装置5 —侧的高压气炮1、撞击杆2、入射杆夹持系统3、入射杆4，与围压缸装置5另一侧的高压油管6、透射杆7、吸收杆8、吸收杆夹持系统9、轴向油缸10、缓冲支座11同轴设置；冲击加载实验装置的一侧设置液压系统，液压系统中设置大容量的均衡均衡油缸12，均衡油缸12 —侧预留至少两个孔，均衡油缸12其中的一个孔与手动加压泵16之间设置高压油管6 ;均衡油缸12其中的另一个孔与围压缸装置5之间设置高压油管6，高压油管6的中段设置三通，三通另一端的高压油管6与轴向油缸10连接，轴向油缸10与电动液压泵站15之间设置高压油管6，轴向油缸前端设置高压溢流阀13，电动液压泵站15前端设置泵站截止阀14 ;围压缸装置5、轴向油缸10、高压溢流阀13、泵站截止阀14、电动液压泵站15、通过高压油管6串联。
权利要求1.一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，是由高压气炮(I)、撞击杆(2)、入射杆夹持系统(3)、入射杆固定支座(3-1)、入射杆碟形弹簧(3-2)、入射杆卡盘(3-3)、入射杆(4)、 围压缸装置(5)、高压油管(6)、透射杆(7)、吸收杆(8)、吸收杆夹持系统(9)、吸收杆卡盘 (9-1)、吸收杆碟形弹簧(9-2)、轴向油缸(10)、缓冲支座(11)、均衡油缸(12)、高压溢流阀 (13)、泵站截止阀(14)、电动液压泵站(15)、手动加压泵(16)构成；其特征在于冲击加载实验装置的中部设置围压缸装置(5)，围压缸装置(5)中部预留轴孔，围压缸装置(5)中部的孔中一侧设置入射杆(4)另一侧透射杆(7)，入射杆(4) 一端设置入射杆夹持系统(3)， 入射杆夹持系统(3)外侧对应设置高压气炮(I)，高压气炮(I)中部设置撞击杆(2);透射杆(7) —端设置吸收杆(8)，吸收杆(8)另一端设置吸收杆夹持系统(9);吸收杆夹持系统(9)的一侧设置轴向油缸(10)，轴向油缸(10)的一侧设置缓冲支座(11)。
2.根据权利要求1中所述的一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，其特征在于入射杆(4) 一端设置入射杆夹持系统(3)中的入射杆卡盘(3-3)，入射杆卡盘(3-3) —侧设置入射杆碟形弹簧(3-2)，入射杆碟形弹簧(3-2) —侧设置入射杆固定支座(3-1)，入射杆固定支座(3-1)外侧对应设置高压气炮(I)，高压气炮(I)中部设置撞击杆(2)。
3.根据权利要求1中所述的一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，其特征在于透射杆(7) —端设置吸收杆夹持系统(9)中的吸收杆卡盘(9-1)，吸收杆卡盘(9-1) 一侧设置吸收杆碟形弹簧(9-2)，吸收杆碟形弹簧(9-2)外侧设置轴向油缸(10)，轴向油缸(10)的一侧设置缓冲支座(11)。
4.根据权利要求1中所述的一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，其特征在于围压缸装置(5) —侧的闻压气炮(I)、撞击杆(2)、入射杆夹持系统(3)、入射杆(4),与围压缸装置(5)另一侧的高压油管(6)、透射杆(7)、吸收杆(8)、吸收杆夹持系统(9)、轴向油缸(10)、缓冲支座(11)同轴设置。
5.根据权利要求1中所述的一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，其特征在于冲击加载实验装置的一侧设置液压系统，液压系统中设置大容量的均衡油缸(12)，均衡油缸 (12) 一侧预留至少两个孔，均衡油缸(12)其中的一个孔与手动加压泵(16)之间设置高压油管(6);均衡油缸(12)其中的另一个孔与围压缸装置(5)之间设置高压油管(6)，高压油管(6)的中段设置三通，三通另一端的高压油管(6)与轴向油缸(10)连接，轴向油缸(10) 与电动液压泵站(15)之间设置高压油管￠)，轴向油缸前端设置高压溢流阀(13)，电动液压泵站(15)前端设置泵站截止阀(14);围压缸装置(5)、轴向油缸(10)、高压溢流阀(13)、 泵站截止阀(14)、电动液压泵站(15)、通过高压油管(6)串联。
专利摘要一种混凝土常规三轴冲击加载实验装置，是由冲击加载实验装置的中部设置围压缸装置，围压缸的中部预留轴孔中同轴装置入射杆和透射杆及吸收杆，及其两端的入射杆夹持系统和高压气炮与吸收杆夹持系统和轴向油缸及其缓冲支座；冲击加载实验装置的一侧设置均衡油缸预留至少两个孔，均衡油缸其中的一个孔与手动加压泵之间设置高压油管；均衡油缸其中的另一个孔与围压缸装置之间设置高压油管，围压缸装置、轴向油缸、高压溢流阀、泵站截止阀、电动液压泵站、通过高压油管串联。合理设计缓冲碟形弹簧，降低轴向冲击，液压调整缸试件的围压和轴向压，保护了实验装置，延长了使用寿命。
文档编号G01N3/12GK202837121SQ20122057487
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者张磊, 刘瑞朝, 吴飚, 徐可立, 张守保, 李林, 王长海 申请人:张磊