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、桿長度微調裝置、桿定位微調裝置和伺服液壓系統泵站。本實用新型實現了在穩定靜載真三軸應力狀態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
技術領域
[0001]本實用新型涉及巖石霍普金森沖擊加載實驗的技術領域，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】
[0002]工程巖石處于復雜的應力狀態。隨地下工程、水利工程的深度與廣度發展，工程設計、施工，以及安全生產迫切需要得到巖石在復雜應力狀態下高應變率動態力學參數，設計制造一種能對處于真三軸應力狀態的巖石進行沖擊加載的實驗裝置顯得尤為迫切。
[0003]巖石在復雜應力狀態下的沖擊性能實驗目前國內外主要采用基于霍普金森壓桿的主動圍壓裝置。該類設備通過高壓液體(油或水)對圓柱形試件的側向施加圍壓，而后在軸向采用霍普金森壓桿施加沖擊載荷，其初始的靜載為側向等圍壓狀態。專利號為ZL200510032031.6的發明專利介紹了一種動靜組合加載巖石力學實驗裝置。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加載，但其初始的靜載仍為側向等圍壓狀態。這種應力狀態無法反映工程實際中的真三軸應力狀態。
[0004]目前國內外尚沒有進行巖石真三軸靜載應力狀態下沖擊特性實驗的設備。
【實用新型內容】
[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定的真三軸應力狀態(三個主方向的應力滿足: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，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力狀態;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;通過試件側向的四根方桿上的測試信號，監測立方體試件的變形發展。
[0006]本實用新型為了實現上述的發明目的，采用如下的技術方案:
[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、桿長度微調裝置、桿定位微調裝置、伺服液壓系統栗站、高壓油管、矩管組合結構和吸收桿調心螺栓；
[0008]實驗裝置的三個相互垂直方向分別設置X方向定位導軌、Y方向定位導軌和Z方向定位導軌，X方向定位導軌、Y方向定位導軌和Z方向定位導軌分別穿過實驗裝置中部設置的立方體方箱，立方體方箱六個面的中部預留方孔，六個方孔分別設置入射方桿、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方向的兩側方孔加持試件;入射方桿一端設置包含桿長度微調裝置和桿定位微調裝置的夾持裝置，該夾持裝置外側對應設置高壓氣炮;透射方桿設置包含桿定位微調裝置的夾持系統，另一端設置桿長度微調裝置，透射方桿通過桿長度微調裝置中部設置的圓孔與X方向碟形彈簧連接，X方向碟形彈簧一側設置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置的圓孔與吸收桿相連，吸收桿設置吸收桿夾持系統;X方向蝶形彈簧左側設置吸收桿調心螺栓;3個吸收桿調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方向的兩側方孔加持試件;Y方向右輸出方桿一端設置包含桿長度微調裝置和桿定位微調裝置的夾持裝置;Y方向左輸出方桿設置包含桿定位微調裝置的夾持裝置，另一端設置桿長度微調裝置，Y方向左輸出方桿通過桿長度微調裝置中部設置的圓孔與Y方向碟形彈簧連接，Y方向碟形彈簧一側設置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方向的兩側方孔加持試件;Z方向下輸出方桿一端設置包含桿長度微調裝置和桿定位微調裝置的夾持裝置;Z方向上輸出方桿設置包含桿定位微調裝置的夾持裝置，另一端設置桿長度微調裝置，Z方向上輸出方桿通過桿長度微調裝置中部設置的圓孔與Z方向碟形彈簧連接，Z方向碟形彈簧一側設置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栗站連接。
[0013]本實用新型有如下優點:
[0014]1.試樣的三個主方向采用液壓伺服控制系統施加靜載，可以實現穩定的真三軸應力狀
[0015]態。由此，實現了在穩定靜載真三軸應力狀態下巖石試樣的沖擊壓縮加載。
[0016]2.四根側向桿上測試得到的波形，可以監測試件的破壞演化。
[0017]3.中心支架和三個方向定位導軌的應用，保證了試件安裝的便利和實驗的重復性。
[0018]4.X方向(沖擊方向)空心液壓缸和吸收桿的應用，保證了沖擊方向設備的安全。
【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]圖中附圖標記含義:1-高壓氣炮;2-入射方桿;3-X方向定位導軌;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-桿長度微調裝置;27-桿定位微調裝置;28-伺服液壓系統栗站；29-高壓油管；30-矩管組合結構；31-吸收桿調心螺栓;32-立方體巖石試件。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明:
[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),經過立方體試件后，將在立方體試件的X方向后端面產生透射信號(Tl)，在Y方向右端面產生透射信號(Ty2)，在Y方向左端面產生透射信號(Ty1)，在Z方向上端面產生透射信號(Tz1)，在Z方向下端面產生透射信號(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置X方向定位導軌3、Y方向定位導軌9和Z方向定位導軌20 ；實驗裝置的中部設置中心支架5、立方體方箱21，立方體方箱21的六個面的中部預留方孔，立方體巖石試件3 2置于立方體方箱21的內部，立方體方箱21在X方向的方孔中一側設置入射方桿2，另一側透射方桿11;入射方桿2—端設置桿長度微調裝置26、桿定位微調裝置27，和入射桿固定支架4，入射桿固定支架4外側對應設置高壓氣炮I;透射方桿11一端設置桿定位微調裝置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—側設置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方向的方孔中一側設置Y方向右輸出方桿1，另一側設置Y方向左輸出方桿23; Y方向右輸出方桿10—端設置桿長度微調裝置26、桿定位微調裝置27，和Y方向右固定支架8; Y方向左輸出方桿23—端設置桿定位微調裝置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的一側設置Y方向液壓缸25 ；立方體方箱21在Z方向的方孔中一側設置Z方向下輸出方桿7，另一側設置Z方向上輸出方桿17;Ζ方向下輸出方桿7—端設置桿長度微調裝置26、桿定位微調裝置27，和Z方向下固定支架6;Ζ方向上輸出方桿17—端設置桿定位微調裝置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中部設置的圓孔與Z方向蝶形彈簧18連接，Z方向蝶形彈簧18—側設置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，與伺服液壓系統栗站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與矩管組合結構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方向的方孔中一側設置Z方向下輸出方桿7，另一側設置Z方向上輸出方桿17; Z方向下輸出方桿7—端設置桿長度微調裝置26、桿定位微調裝置27，和Z方向下固定支架6; Z方向上輸出方桿17—端設置桿定位微調裝置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中部設置的圓孔與Z方向蝶形彈簧18連接，Z方向蝶形彈簧18—側設置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的內部圓孔中；X方向蝶形彈簧13左側設置吸收桿調心螺栓31 ;3個吸收桿調心螺栓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.調節X方向的定位導軌3和Y方向的定位導軌9，使得二者保持水平且互相垂直；以這兩個方向導軌為基準，架設中心支架5和立方體方箱21;
[0036]2.調節Z方向的定位導軌20，使其與X方向定位導軌3和Y方向定位導軌9相互垂直；
[0037]3.架設入射桿固定支架4和桿長度微調裝置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和桿長度微調裝置26;
[0038]4.在三個方向的定位導軌上分別架設桿定位微調裝置27，由此對應架設入射方桿
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21六個面的中部預留的方孔在方向內部匯合，在六根桿匯合部位初步裝配精細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調節系統，由此，穿過X方向空心液壓缸14架設吸收桿15 ；在Y方向左輸出方桿23的另一側安裝碟形彈簧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與伺服液壓系統栗站28的對應閥門進行連接;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，給實驗系統的三個方向施加預壓，精確裝配立方體巖石試件32 ；
[0042]8.根據實驗要求三個方向施加需要的應力大小調整溢流閥的壓力，使其稍大于實驗所需應力；啟動液壓伺服控制系統，逐步控制巖石所受的三向應力至實驗所需壓力；
[0043]9.打開數據采集設備，進入采集準備狀態；
[0044]10.利用尚壓氣炮中的尚壓氣體驅動撞擊桿撞擊入射方桿，對巖石試件進行沖擊加載，由數據采集系統記錄入射方桿、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變計所測的應變信號；
[0045]11.啟動液壓伺服控制系統，卸掉三個方向上液壓缸中的高壓；
[0046]12.取出試件，實驗結束。
【主權項】
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)、桿長度微調裝置(26)、桿定位微調裝置(27)、伺服液壓系統栗站(28)、高壓油管(29)、矩管組合結構(30)和吸收桿調心螺栓(31); 實驗裝置的三個相互垂直方向分別設置X方向定位導軌(3)、Υ方向定位導軌(9)和Z方向定位導軌(20)，Χ方向定位導軌(3)、Υ方向定位導軌(9)和Z方向定位導軌(20)分別穿過實驗裝置中部設置的立方體方箱(21)，立方體方箱(21)六個面的中部預留方孔，六個方孔分別設置入射方桿(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方向的兩側方孔加持試件;入射方桿(2)—端設置包含桿長度微調裝置(26)和桿定位微調裝置(27)的夾持裝置，該夾持裝置外側對應設置高壓氣炮(I);透射方桿(11)設置包含桿定位微調裝置(27)的夾持系統，另一端設置桿長度微調裝置(26)，透射方桿(11)通過桿長度微調裝置(26)中部設置的圓孔與X方向碟形彈簧(13)連接，X方向碟形彈簧(13)—側設置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)中部設置的圓孔與吸收桿(15)相連，吸收桿(15)設置吸收桿夾持系統;X方向蝶形彈簧(13)左側設置吸收桿調心螺栓(31) ;3個吸收桿調心螺栓(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方向的兩側方孔加持試件;Y方向右輸出方桿(10) —端設置包含桿長度微調裝置(26)和桿定位微調裝置(27)的夾持裝置;Y方向左輸出方桿(23)設置包含桿定位微調裝置(27)的夾持裝置，另一端設置桿長度微調裝置(26)，Υ方向左輸出方桿(23)通過桿長度微調裝置(26)中部設置的圓孔與Y方向碟形彈簧(24)連接，Y方向碟形彈簧(24) —側設置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方向的兩側方孔加持試件;Z方向下輸出方桿(7) —端設置包含桿長度微調裝置(26)和桿定位微調裝置(27)的夾持裝置;Z方向上輸出方桿(17)設置包含桿定位微調裝置(27)的夾持裝置，另一端設置桿長度微調裝置(26)，Ζ方向上輸出方桿(17)通過桿長度微調裝置(26)中部設置的圓孔與Z方向碟形彈簧(18)連接，Z方向碟形彈簧(18) —側設置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】中國科學技術大學