一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱

1.本发明涉及一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱，属于材料动态力学性能测试技术领域。


背景技术：

2.分离式霍普金森压杆(shpb)是目前材料动态力学性能测试的主要装置之一，可实现材料在中高应变率条件下(102s
‑1～104s
‑1)力学性能参数的获取。随着科技的进步，工程材料往往需要在低温状态、高应变速率等极端环境服役，因此材料在低温条件下的动态力学性能成为众多科技工作者关注的对象。
3.现阶段低温动态试验方案主要有2个方向：一是将测试样品预先放置于低温环境箱内冷却保温，实验时将样品取出，在短时间内完成样品安装和测试加载。此方法对设备要求较低，但受环境温度及实验员操作熟练程度影响，样品温度损失较为严重，实验精度较差。二是在加载位置布置冷却装置，实现测试试样的原位降温，以保证测试精度，为现阶段主流实验方法，如中国专利申请201810833204.1公开的用于实时低温分离式霍普金森压杆试验的温度补偿装置。通常情况下，为得到一组有效数据，需在相同条件下重复实验3～5次，而低温实验降温、均温时间较长，原位冷却装置在不开门及重新装样条件下，只能实现单个试样的降温与测试；同时，更换试样时环境箱箱门大开，会造成环境箱温度的剧烈波动，重新达到实验温度使能耗增加，造成实验效率低下。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱，包括箱体、样品传送装置、样品夹具、制冷系统连接管路和温控器；
7.箱体的顶部设有样品安装窗口，箱体的侧面对称设有第一波导杆导向孔，第一波导杆导向孔的孔径大于分离式霍普金森压杆的波导杆直径，箱体内分为前室和后室两个空间，前室设有箱门，箱门的下端开有样品取出窗口；
8.样品传送装置设置在箱体的前室内且位于样品安装窗口的下方，样品传送装置具有容纳一个以上自下而上依次排布的样品夹具的传送通道；样品传送装置依次将位于下方的样品夹具经样品安装窗口垂直传送至与波导杆导向孔同轴的位置处进行shpb测试，测试结束后再将样品夹具传送至样品取出窗口；
9.样品夹具为圆管结构，内径大于波导杆直径，样品夹具内设有环状支撑结构，环状支撑结构用于支撑试样；
10.温控器安装在箱体的后室内，用于监测箱体内的温度；制冷系统连接管路的一端与外部制冷系统连接，另一端经箱体的后室通入前室；
11.前室的剩余空间内填充有保温材料。
12.使用时，将一个以上装载试样的样品夹具依次经箱体上的样品安装窗口进入样品传送装置中，多个样品夹具在样品传送装置内自上而下依次排布，开启外部制冷系统对箱体的内部进行降温，通过温控器监测到达测试温度后，样品传送装置将最下方的样品夹具传送至第一与波导杆导向孔同轴的位置处，沿第一波导杆导向孔加载波导杆，进行shpb测试，测试结果后，样品传送装置将样品夹具传送样品取出窗口，且样品传送装置再次对最下方的样品夹具进行传送，依次完成对每个样品夹具中试样的测试。
13.进一步的，所述样品传送装置包括试样存储装置、装样控制装置和加载退样装置；
14.试样存储装置位于样品安装窗口下方，试样存储装置内设有存储空间，存储空间宽度与样品夹具外径相同，长度与样品夹具长度相同，高度大于等于样品夹具外径，具体由样品装填数量确定；存储空间用于对一个以上装载试样的样品夹具的轴向和周向进行限位；存储空间的底部与装样控制装置连通，装样控制装置与试样存储装置配合，通过控制连通处的开闭将最下方的一个样品夹具垂直传送至加载退样装置中，加载退样装置位于试样存储装置和装样控制装置的下方，试样在加载退样装置中进行测试，且加载退样装置用于将样品夹具传送至样品取出窗口。
15.进一步的，所述试样存储装置包括轴向限位板、周向限位板和底板；一对轴向限位板和四块周向限位板均垂直安装在底板上形成样品夹具的存储空间，一对轴向限位板之间的距离等于样品夹具长度，同侧两块周向限位板之间的距离小于样品夹具长度，相对两块周向限位板之间的距离与样品夹具外径相同，轴向限位板和周向限位板配合实现对一个以上装载试样的样品夹具自下而上的限位约束；底板上开有与存储空间连通的通孔，用于将样品夹具传送至加载退样装置，底板上还开有若干通风孔，以保证整个装置中对低温气体顺畅流通。
16.进一步的，所述装样控制装置包括连接柱、限位框、上挡板、下挡板和进样推杆；上下两组限位框分别通过连接柱连接并将试样存储装置的底部约束在内，连接柱的高度与样品夹具的外径相等，位于上方的限位框上设有上挡板，位于下方的限位框上设有下挡板，且上挡板和下挡板相对设置在存储空间的周向上，上挡板和下挡板的宽度均小于样品夹具的长度，进样推杆安装在限位框上，推动进样推杆带动限位框在水平方向移动，上挡板和下挡板在存储空间内沿存储空间的宽度方向水平移动，来回推动进样推杆实现最下方样品夹具的垂直移动；箱体上设有与进样推杆相配合的进样推杆导向槽。具体的，推动进样推杆使上挡板进入存储空间内时，下挡板远离存储空间，最下方的样品夹具被限制在上挡板上，再次推动进样推杆使上挡板远离存储空间时，下挡板进入存储空间内，最下方的样品夹具沿垂直方向下降并被限制在下挡板上，再一次推动进样推杆使上挡板进入存储空间内时，下挡板远离存储空间，连通处打开，被限制在下挡板上的样品夹具进入加载退样装置，存储空间内最下方的样品夹具被限制在上挡板上。
17.进一步的，所述加载退样装置包括侧板、固定斜面、活动斜面、退样推杆和第二波导杆导向孔，固定斜面位于两块侧板之间且固定斜面的底部位于样品取出窗口处，两块侧板上分别开有斜面导向槽，活动斜面沿斜面导向槽上下滑动，两块侧板上还分别开有第二波导杆导向孔，第二波导杆导向孔孔径大于波导杆直径，第二波导杆导向孔的圆心距试样存储装置底部的距离大于等于样品夹具的外径；活动斜面滑至最下方时与固定斜面配合形成v形槽，样品夹具沿装样控制装置垂直落入v形槽内，且第二波导杆导向孔与落入v形槽内
的样品夹具同轴，活动斜面向上滑动时样品夹具沿固定斜面向下滑动至样品取出窗口；箱门1上设有与退样推杆相配合的退样推杆导向槽。
18.进一步的，所述固定斜面与活动斜面形成的v形槽角度为90
°
～150
°
，活动斜面向上方运动的最大位移大于样品夹具外径。
19.进一步的，所述第二波导杆导向孔的圆心距试样存储装置底部的距离为1～2倍的样品夹具外径。
20.进一步的，所述箱体的底部设有支撑脚，用于环境箱高度和水平度的调节；箱体的前室内设有均温风扇；箱门在样品取出窗口的上方设有观察窗口，观察窗口为耐shpb测试低温的双层透明材料窗，双层透明材料窗之间为真空状态。
21.进一步的，所述外部制冷系统采用液氮制冷，制冷系统连接管路中设有液氮电磁阀。
22.进一步的，所述环状支撑结构的厚度小于等于试样的高度，在shpb测试低温下的抗压强度小于等于试样抗压强度的1％。
23.有益效果
24.本发明低温环境箱配合分离式霍普金森压杆使用，可实现多个试样同时降温，且无需打开环境箱更换、回收试样，解决了更换样品造成的温度损失问题，极大的节约了测试时间，提高了实验效率，降低了设备能耗；同时，样品夹具的使用，避免了试样破碎造成的设备损伤，防护效果较好。
25.本发明低温环境箱对样品传送装置的特殊结构设置，通过试样存储装置、装样控制装置和加载退样装置之间的相互配合，可实现多个试样顺序加载进行低温shpb测试，进一步提高实验效率。
附图说明
26.图1为实施例1中低温环境箱的结构示意图；
27.图2为实施例1中低温环境箱的内部结构示意图；
28.图3为实施例1中样品传送装置的结构示意图；
29.图4为实施例1中试样存储装置的结构示意图；
30.图5为实施例1中装样控制装置的结构示意图；
31.图6为实施例1中加载退样装置的结构示意图；
32.图7为实施例1中样品夹具的结构示意图；
33.图8为实施例1中低温环境箱使用时的试样传送过程图；
34.其中，1
‑
箱门；2
‑
箱体；3
‑
后盖；4
‑
液氮输入孔；5
‑
波导杆导向孔；6
‑
进样推杆导向槽；7
‑
退样推杆导向槽；8
‑
支撑脚；9
‑
样品取出窗口；10
‑
样品观察窗口；11
‑
样品安装窗口；12
‑
保温材料；13
‑
均温风扇；14
‑
液氮喷淋管；15
‑
环境箱后室；16
‑
样品传送装置；17
‑
试样存储装置；18
‑
装样控制装置；19
‑
加载退样装置；20
‑
样品夹具；21
‑
轴向限位板；22
‑
周向限位板；23
‑
底板；24
‑
方形通孔；25
‑
通风孔；26
‑
连接柱；27
‑
限位框；28
‑
上挡板；29
‑
下挡板；30
‑
进样推杆；31
‑
侧板；32
‑
固定斜面；33
‑
活动斜面；34
‑
斜面导向槽；35
‑
退样推杆；36
‑
波导杆导向孔；37
‑
环状支撑结构；38
‑
试样。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
36.一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱，包括箱体2、样品传送装置16、样品夹具20、制冷系统连接管路和温控器；
37.箱体2的顶部设有样品安装窗口11，箱体2的侧面对称设有第一波导杆导向孔5，第一波导杆导向孔5的孔径大于分离式霍普金森压杆的波导杆直径，箱体2内分为前室和后室两个空间，前室设有箱门1，箱门1的下端开有样品取出窗口9；非检修情况下，箱门1无需打开；
38.样品传送装置16设置在箱体2的前室内且位于样品安装窗口11的下方，样品传送装置16具有容纳一个以上自下而上依次排布的样品夹具20的传送通道；样品传送装置16依次将位于下方的样品夹具20经样品安装窗口11垂直传送至与波导杆导向孔5同轴的位置处进行shpb测试，测试结束后再将样品夹具20传送至样品取出窗口9；
39.样品夹具20为圆管结构，内径大于波导杆直径，样品夹具20内设有环状支撑结构37，环状支撑结构37用于支撑试样38；
40.温控器安装在箱体2的后室内，用于监测箱体2内的温度；制冷系统连接管路的一端与外部制冷系统连接，另一端经箱体2的后室通入前室；
41.前室的剩余空间内填充有保温材料。
42.使用时，将一个以上装载试样38的样品夹具20依次经箱体2上的样品安装窗口11进入样品传送装置16中，多个样品夹具20在样品传送装置16内自上而下依次排布，开启外部制冷系统对箱体2的内部进行降温，通过温控器监测到达测试温度后，样品传送装置16将最下方的样品夹具20传送至第一与波导杆导向孔5同轴的位置处，沿第一波导杆导向孔5加载波导杆，进行shpb测试，测试结果后，样品传送装置16将样品夹具20传送至样品取出窗口9，且样品传送装置16再次对最下方的样品夹具20进行传送，依次完成对每个样品夹具20中试样38的测试。
43.所述样品传送装置16包括试样存储装置17、装样控制装置18和加载退样装置19；
44.试样存储装置17位于样品安装窗口11下方，试样存储装置17内设有存储空间，存储空间宽度与样品夹具20外径相同，长度与样品夹具20长度相同，高度大于等于样品夹具20外径，具体由样品装填数量确定；存储空间用于对一个以上装载试样38的样品夹具20的轴向和周向进行限位；存储空间的底部与装样控制装置18连通，装样控制装置18与试样存储装置17配合，通过控制连通处的开闭将最下方的一个样品夹具20垂直传送至加载退样装置19中，加载退样装置19位于试样存储装置17和装样控制装置18的下方，试样38在加载退样装置19中进行测试，且加载退样装置19用于将样品夹具20传送样品取出窗口9。
45.所述试样存储装置17包括轴向限位板21、周向限位板22和底板23；一对轴向限位板21和四块周向限位板22均垂直安装在底板23上形成样品夹具20的存储空间，一对轴向限位板21之间的距离等于样品夹具20长度，同侧两块周向限位板22之间的距离小于样品夹具20长度，相对两块周向限位板22之间的距离与样品夹具20外径相同，轴向限位板21和周向限位板22配合实现对一个以上装载试样38的样品夹具20自下而上的限位约束；底板23上开有与存储空间连通的通孔24，用于将样品夹具20传送至加载退样装置19，底板23上还开有若干通风孔25，以保证整个装置中对低温气体顺畅流通。
46.所述装样控制装置18包括连接柱26、限位框27、上挡板28、下挡板29和进样推杆30；上下两组限位框27分别通过连接柱26连接并将试样存储装置17的底部约束在内，连接柱26的高度与样品夹具20的外径相等，位于上方的限位框27上设有上挡板28，位于下方的限位框27上设有下挡板29，且上挡板28和下挡板29相对设置在存储空间的周向上，上挡板28和下挡板29的宽度均小于样品夹具20的长度，进样推杆30安装在限位框27上，推动进样推杆30带动限位框27在水平方向移动，上挡板28和下挡板29在存储空间内沿存储空间的宽度方向水平移动，来回推动进样推杆30实现最下方样品夹具20的垂直移动；箱体2上设有与进样推杆30相配合的进样推杆导向槽6。具体的，推动进样推杆30使上挡板28进入存储空间内时，下挡板29远离存储空间，最下方的样品夹具20被限制在上挡板28上，再次推动进样推杆30使上挡板28远离存储空间时，下挡板29进入存储空间内，最下方的样品夹具20沿垂直方向下降并被限制在下挡板29上，再一次推动进样推杆30使上挡板28进入存储空间内时，下挡板29远离存储空间，连通处打开，被限制在下挡板上的样品夹具20进入加载退样装置19，存储空间内最下方的样品夹具20被限制在上挡板28上。
47.所述加载退样装置19包括侧板31、固定斜面32、活动斜面33、退样推杆35和第二波导杆导向孔36，固定斜面32位于两块侧板31之间且固定斜面的底部位于样品取出窗口9处，两块侧板31上分别开有斜面导向槽34，活动斜面33沿斜面导向槽34上下滑动，两块侧板31上还分别开有第二波导杆导向孔36，第二波导杆导向孔36孔径大于波导杆直径，第二波导杆导向孔36的圆心距试样存储装置17底部的距离大于等于样品夹具20的外径；活动斜面33滑至最下方时与固定斜面32配合形成v形槽，样品夹具20沿装样控制装置18垂直落入v形槽内，且第二波导杆导向孔36与落入v形槽内的样品夹具20同轴，活动斜面33向上滑动时样品夹具20沿固定斜面32向下滑动至样品取出窗口9；箱门1上设有与退样推杆35相配合的退样推杆导向槽7。
48.所述固定斜面32与活动斜面33形成的v形槽角度为90
°
～150
°
，活动斜面33向上方运动的最大位移大于样品夹具20外径。
49.所述第二波导杆导向孔36的圆心距试样存储装置17底部的距离为1～2倍的样品夹具20外径。
50.所述箱体2的底部设有支撑脚8，用于环境箱高度和水平度的调节；箱体2的前室内设有均温风扇13；箱门1在样品取出窗口9的上方设有观察窗口10，观察窗口10为耐shpb测试低温的双层透明材料窗，双层透明材料窗之间为真空状态。
51.所述外部制冷系统采用液氮制冷，制冷系统连接管路中设有液氮电磁阀。
52.所述环状支撑结构37的厚度小于等于试样38的高度，在shpb测试低温下的抗压强度小于等于试样38抗压强度的1％。
53.实施例1
54.如图1
‑
7所示，一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱包括环境箱、样品传送装置、制冷系统连接管路和样品夹具20，其中环境箱包括箱门1、箱体2和后盖3，箱门1与箱体2采用合页连接，箱门1外部设有退样推杆导向槽7、样品取出窗口9和观察窗口10，用于测试完成后样品的回收以及箱体内部情况的监测，非检修情况下，箱门1无需打开；箱体2侧面设有液氮输入孔4、波导杆导向孔5和进样推杆导向槽6，液氮输入孔4位于箱体2的侧后方，制冷系统连接管路(液氮导管)可由此进入，波导杆导向孔5对称分布于箱体2的两侧，孔径略
大于波导杆直径，入射杆和透射杆可由此进入并对试样进行加载，箱体2底部螺纹连接有支撑脚8，可用于环境箱高度和水平度的调节，顶部设有样品安装窗口11，样品由此进入环境箱。箱体2内部分为前后两室，前室安装有样品传送装置16，用于测试样品的自动组装及退出，均温风扇13、液氮喷淋管14配合热电偶创造低温环境，环境箱后室15中安装有电机、液氮电磁阀、温控器等电气装置。箱体2内剩余空间填充有保温材料12。
55.所述样品传送装置16包括试样存储装置17、装样控制装置18和加载退样装置19以及组成。所述试样存储装置17中，一对轴向限位板21配合两对周向限位板22平行连接在底板23上，形成长方体样品存储空间，存储空间宽度与样品夹具20外径相同，长度与样品夹具20长度相同，高度由样品装填数量确定；试样存储器中的样品夹具20可通过底板23上的方形通孔24落入加载退样装置19中；底板23上开有若干通风孔25，以保证整个装置中对低温气体顺畅流通。
56.所述装样控制装置18套在试样存储装置17下端，包括连接柱26、限位框27、上挡板28、下挡板29和进样推杆30，4块限位框27分为两组，分别与试样存储装置中的两块轴向限位板21外侧贴合，以保证装样控制装置18仅可以前后运动；上挡板28和下挡板29为矩形薄片，宽度小于试样存储器两组周向限位板22间距，由高度等于样品夹具20外径的连接柱26连接，呈悬臂梁分布于两个平面，其方向一个向前一个向后，当进样推杆30带动装样控制装置18前后运动至最远位置时，上下挡板一个完全挡住方形通孔24，另一个使方形通孔完全露出，以实现单个样品夹具20通过方形通孔24落入加载退样装置19中。
57.所述加载退样装置19位于装样控制装置底板23下方，包括侧板31、固定斜面32、活动斜面33、斜面导向槽34、退样推杆35和波导杆导向孔36。固定斜面32与两块侧板31焊接在一起，一直延伸至加载退样装置底端，活动斜面33安装在侧板31内侧的斜面导向槽34内，可通过退样推杆35控制，沿导向槽上下滑动；固定斜面32与活动斜面33配合形成一v形槽，当样品夹具20从装样控制装置18中落下时，会沿固定斜面32滚动至v形槽底部，此时样品夹具20与侧板31上的波导杆导向孔36同轴线；波导杆导向孔5、36同轴布置，孔径相等且略大于入射杆直径，波导杆通过导向孔进入样品夹具20内部与夹紧试样，加载完成后活动斜面向斜上方抬起，样品夹具沿固定斜面滚动，离开加载退样装置。
58.所述样品夹具20为圆管结构，如图3所示，其内径略大于波导杆直径，以便于波导杆进入，圆管中间有环状支撑结构37紧密包裹试样38，使试样与样品夹具同轴。环状支撑结构需提供足够的支撑能力，其厚度不超过试样高度，在低温下的抗压强度不超过测试样品抗压强度的1％。
59.所述观察窗口10为双层耐低温透明材料窗，所述双层耐低温透明材料之间为真空状态。
60.所述样品取出窗口9高度不小于样品夹具20外径，宽度与固定斜面宽度相同，窗口下沿位置不高于箱体2内部下表面，以保证样品顺利滑出；窗口可用盖板密封，盖板内填充保温材料。
61.所述样品安装窗口11位于试样存储装置17方形通孔24正上方，窗口长度与方形通孔长度相等，宽度不小于方形通孔宽度，投样通道为方形漏斗状，以便样品夹具顺利进入；窗口可用盖板密封，盖板内填充保温材料。
62.所述固定斜面32与活动斜面33形成的v形槽角度为90
°
～150
°
，活动斜面向斜上方
运动最大位移大于样品夹具外径。
63.所述试样存储装置底板23与波导杆导向孔36圆心距离为1～2倍样品夹具外径。
64.使用所述低温环境箱进行低温shpb测试时：
65.(1)通过样品安装窗口将一组装有试样的样品夹具投放至试样存储装置中，设定实验温度，环境箱开始降温；
66.(2)到温及保温结束后，推动进样推杆，使装样控制装置向后运动，上挡板打开样品夹具下落通道，下挡板封闭底板上的方形通孔，阻止样品夹具继续下落，此时有一件样品落入上挡板与下挡板之间；拉回进样推杆，使装样控制装置向前运动，上挡板封闭样品下落通道，阻止试样存储装置中的试样继续下落，同时下挡板打开，处于上下挡板之间的样品夹具落入加载退样装置两斜面形成的v形槽内，完成一件测试样品的装填；
67.(3)装填撞击杆后，入射杆和透射杆通过箱体两侧的波导杆导向孔进入环境箱，穿过样品夹具夹紧试样，发射撞击杆，采集波形数据，完成一次加载；
68.(4)使入射杆和透射杆撤离环境箱，向斜上方提拉退样推杆，使活动斜面沿斜面导向槽向斜上方运动，样品夹具及加载后试样沿固定斜面下滑，离开加载退样装置，打开样品取出窗口，完成试样回收；
69.(5)将活动斜面归位，重复(2)～(4)步，完成多次重复实验。
70.综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。