用于分離式霍普金森壓桿的通用型真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料力學性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種適用于分離式霍普金森壓桿的通用型真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]地下工程巖體多處于三向不等應(yīng)力條件下，且常遭受地震沖擊、開挖爆破甚至武器打擊等沖擊動載作用而破壞，對巖石材料真三軸應(yīng)力條件下的沖擊力學特性進行研究具有必要性。
[0003]目前，真三軸試驗機難以實現(xiàn)中高應(yīng)變率沖擊荷載施加，分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置作為研究應(yīng)變率段11-1O3s-1巖石類脆性材料動態(tài)性能的經(jīng)典試驗系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。常用的SHPB裝置主要用于材料單軸力學性能的測試?，F(xiàn)有的圍壓SHPB裝置主要通過對試樣施加圍壓后進行沖擊試驗，現(xiàn)有的常規(guī)三軸動靜組合試驗裝置主要通過對試樣施加側(cè)向圍壓與軸向靜應(yīng)力后進行軸向沖擊試驗，此兩種均難以實現(xiàn)對地下工程巖石的三向不等應(yīng)力條件的良好模擬。
[0004]目前，基于SHPB裝置改進的多軸加載裝置已有應(yīng)用，但由于SHPB裝置尺寸裝配等的多樣性，多為所在單位針對其具體型號進行的升級改造，具有通用性的可變尺寸真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)尚未出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的難以實現(xiàn)對地下工程巖石的三向不等應(yīng)力條件的良好模擬的不足，本發(fā)明提出了一種用于分離式霍普金森壓桿的通用型真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明包括體反力鋼架、軸向預(yù)加載系統(tǒng)、徑向預(yù)加載系統(tǒng)和導軌系統(tǒng)。所述主體反力鋼架為所述軸向預(yù)加載系統(tǒng)和徑向預(yù)加載系統(tǒng)的載體。該主體反力鋼架安裝在導軌系統(tǒng)的托架上。所述軸向預(yù)加載系統(tǒng)有兩套，分別位于所述主體反力鋼架的兩端，并安裝在該主體反力鋼架的軸向反力架上。所述徑向預(yù)加載系統(tǒng)有四套，均安裝在所述主體反力鋼架的裝配橫梁長度方向的中部位置;所述各徑向預(yù)加載系統(tǒng)中的徑向千斤頂油缸的中心線垂直于所述軸向預(yù)加載系統(tǒng)中的軸向預(yù)加載桿的中心線。
[0007]所述導軌系統(tǒng)包括兩個托架、一對徑向移動導軌、四個雙向滾輪和一對軸向移動導軌。其中所述的四個雙向滾輪均分為兩組安放在所述徑向移動導軌上。所述一對軸向移動導軌分別安裝在兩組雙向滾輪上。兩個托架的兩端分別安裝在一根軸向移動導軌上。所述徑向移動導軌與軸向移動導軌相互垂直。所述軸向移動導軌平行于軸向預(yù)加載系統(tǒng)中的軸向預(yù)加載桿。
[0008]所述雙向滾輪是將兩個滾輪組的滾輪架表面固接為整體，使兩個滾輪組中的滾輪分別位于該雙向滾輪的上表面和下表面。所述滾輪架為凹槽狀，在各滾輪架的壁板上分別有兩對滾輪安裝槽。所述位于該雙向滾輪的上表面的滾輪的軸線與位于該雙向滾輪的下表面的滾輪的軸線相互垂直。在所述兩個托架的頂部分別有安裝平臺，該安裝平臺與所述主體反力鋼架中的徑向反力架通過螺栓固連。
[0009]所述主體反力鋼架包括兩個軸向反力架、兩個徑向反力架、兩個軸向油缸固定套筒、四個徑向油缸固定套筒和四根裝配橫梁以及T字型連接件和工字型連接件。其中，四根裝配橫梁的中部和兩端分別固定在各T字型連接件和工字型連接件的端面上;所述各T字型連接件均布在各徑向反力架的圓周上;所述各工字型連接件均布在各軸向反力架的圓周上。所述兩個軸向油缸固定套筒分別位于所述主體反力鋼架的兩端，并通過固定板固定在各軸向反力架上。所述四個徑向油缸固定套筒分別通過螺栓固定在各裝配橫梁長度方向的中心位置上。
[0010]所述軸向預(yù)加載系統(tǒng)包括軸向千斤頂、軸向預(yù)加載桿、牽引頭和軸向定位環(huán)。所述軸向千斤頂包括軸向千斤頂油缸、空心活塞、卸載油閥、加載油閥和氣閥。所述軸向千斤頂油缸含有前油室和后油室，并且所述前油室與加載油閥相通，所述后油室與卸載油閥相通；在所述前油室和后油室上分別安裝有氣閥。所述空心活塞的活塞頭的圓周表面與軸向千斤頂油缸的內(nèi)表面配密封合。
[0011]所述空心活塞兩端的空心桿分別從軸向千斤頂油缸兩端的開孔處伸出。所述軸向預(yù)加載桿裝入所述空心活塞內(nèi)，并該述軸向預(yù)加載桿的一端從套裝在所述空心活塞上的牽引頭的端蓋中心穿出。
[0012]在所述圓桿段上有承壓軸肩，當所述軸向預(yù)加載桿的一端依次穿入所述空心活塞的內(nèi)孔和外圓內(nèi)方的環(huán)狀軸向定位環(huán)后，該承壓軸肩的一個端面與該空心活塞一端端面相抵，并將牽引頭套裝在該軸向預(yù)加載桿上，使牽引頭的內(nèi)端面與承壓軸肩的另一個端面相抵，從而實現(xiàn)對所述軸向預(yù)加載桿的軸向定位;所述牽引頭與空心活塞之間螺紋連接。所述軸向預(yù)加載桿方桿段穿過軸向定位環(huán)的方形孔過并定位。
[0013]所述軸向預(yù)加載桿的桿身分為圓桿段、圓-方變截面段和方桿段。其中的圓桿段與SHPB裝置的波導桿相接觸，用于傳遞SHPB裝置的動荷載;所述圓-方變截面段是該軸向預(yù)加載桿的桿身由圓截面逐漸變化為方截面的過渡段;所述方桿段與試樣接觸，并對該試樣施壓。
[0014]所述軸向定位環(huán)為外圓內(nèi)方環(huán)狀結(jié)構(gòu)，方形孔尺寸與軸向預(yù)加載桿方桿段截面尺寸相匹配以供軸向預(yù)加載桿方桿段穿過并定位。所述牽引頭為套筒結(jié)構(gòu)，一端開孔尺寸與軸向預(yù)加載桿圓桿段截面尺寸相匹配以供其穿過，另一端與所述空心活塞螺紋連接。
[0015]所述徑向預(yù)加載系統(tǒng)包括四個徑向千斤頂和加載頭。所述徑向千斤頂包括徑向千斤頂油缸、活塞、密封圈、卸載油閥、加載油閥和氣閥。
[0016]所述徑向千斤頂油缸包含前油室和后油室，其中所述前油室與加載油閥相通，后油室與卸載油閥相通;在所述前油室和后油室上均有氣閥。
[0017]所述千斤頂油缸分別裝入徑向油缸固定套筒內(nèi)。所述各徑向油缸固定套筒固定在裝配橫梁長度方向中部位置的表面上。所述各活塞的活塞頭分別裝入徑向千斤頂油缸的內(nèi)腔中，并通過密封圈密封;所述活塞的活塞桿穿過位于裝配橫梁上的定位孔，并使二者之間間隙配合。
[0018]所述活塞桿的端頭呈凸半球狀;所述加載頭的一端為由磁性材料制成的萬向球盤，呈凹半球狀，與所述活塞桿端磁吸嵌合接觸;所述加載頭的另一端與試樣接觸，端面尺寸與接觸的試樣尺寸相匹配。
[0019]本發(fā)明是一種適用于大直徑分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置的、能夠?qū)崿F(xiàn)巖石試樣三向靜載獨立可控施加的可變尺寸真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)。本發(fā)明與SHPB裝置配合，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石類脆性材料真三軸動靜組合加載。
[0020]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體反力鋼架安裝在導軌系統(tǒng)的托架上。兩套軸向預(yù)加載系統(tǒng)分別位于所述主體反力鋼架的兩端，并安裝在該主體反力鋼架的軸向反力架上。四套徑向預(yù)加載系統(tǒng)均安裝在所述主體反力鋼架的裝配橫梁長度方向的中部位置;各徑向預(yù)加載系統(tǒng)中的徑向千斤頂油缸的中心線垂直于所述軸向預(yù)加載系統(tǒng)中的軸向預(yù)加載桿的中心線。
[0021]本發(fā)明中的導軌系統(tǒng)用于滿足真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)對試樣施力時的軸向位移，并實現(xiàn)該真三軸靜載預(yù)加系統(tǒng)的徑向平移復(fù)位。在所述導軌系統(tǒng)的兩個托架12的頂部分別有安裝平臺，該安裝平臺與所述主體反力鋼架中的徑向反力架5通過螺栓固連。
[0022]所述主體反力鋼架主要作用為固定預(yù)加載系統(tǒng)，提供支撐反力，具有“自平衡”特征。
[0023]所述主體反力鋼架側(cè)立面呈“α”形，其中的四根裝配橫梁的中部和兩端分別固定在各T字型連接件和工字型連接件的端面上;所述各T字型連接件均布在各徑向反力架的圓周上;所述各工字型連接件均布在各軸向反力架的圓周上。兩個軸向油缸固定套筒分別位于所述主體反力鋼架的兩端，并通過固定板固定在各軸向反力架上。四個徑向油缸固定套筒分別通過螺栓固定在各裝配橫梁長度方向的中心位置上。本發(fā)明反力鋼架均采用空心型鋼或帶肋型鋼連接而成，在保證整體剛度的前提下降低整體重量，連接方法主要是焊接和螺栓連接，所用螺栓均為高強防振螺栓。
[0024]本發(fā)明中的軸向預(yù)加載系統(tǒng)中的軸向預(yù)加載桿和徑向預(yù)加載系統(tǒng)中的加載頭能夠變換尺寸，以匹配所適用的SHPB裝置以及試樣尺寸，所述技術(shù)方案具有通用性。所述軸向預(yù)加載桿桿身的圓桿段截面直徑與所適用的SHPB裝置波導桿直徑相等，而方桿段截面尺寸與試樣尺寸匹配，圓桿段截面與方桿段截面均采用等截面積設(shè)計，以利于脈沖波的傳播;所述加載頭的萬向球盤一端截面尺寸與徑向預(yù)加載系統(tǒng)的活塞桿直徑相匹配，另一端截面尺寸與接觸的試樣尺寸相匹配。
[0025]本發(fā)明與所適用的SHPB裝置的配合使用，放置試樣后，調(diào)整對中各軸向預(yù)加載