一種基於巖石流變擾動效應實驗儀的動力衝擊裝置的製作方法

2023-06-09 17:04:56

本實用新型涉及一種巖石動力學實驗中的衝擊擾動裝置，尤其涉及一種基於巖石流變擾動效應實驗儀的動力衝擊裝置。

背景技術：

巖石流變擾動效應實驗儀是一種用於研究巖石在流變階段受外部擾動載荷影響下動力學特性的儀器，其主要包括靜力加載和動力加載兩套系統。靜力加載系統主要是將重砣的重力載荷經過兩級擴力系統作用於巖石試件上，對巖石試件施加長期的恆定靜載壓力，待巖石試件進入穩定流變階段後再施加動力衝擊載荷。動力加載系統中衝擊載荷的加載方式主要通過衝擊砝碼鋼環2沿傳力軸1自由下落撞擊實驗儀上承壓板3的方式來實現，如圖1所示，砝碼鋼環2每個質量為5kg或10kg，通過不同數量的組合以及不同的自由下落高度，可以對上承壓板3施加不同強度的衝擊載荷。

然而該種衝擊裝置存在以下幾點主要問題：

(1)、衝擊載荷強度不能精確控制

由於每個砝碼鋼環2的淨重是固定的(5kg或10kg)，所以在砝碼鋼環2重量的組合上只能以5的倍數來調節，不能實現取值的精確性和靈活性。另外，砝碼鋼環2的下落高度受限於傳力軸1的高度，在高度的選則上具有一定的局限性。

(2)、衝擊耗散，能量不集中

砝碼鋼環2自由下落至上承壓板3時，由於砝碼鋼環2與上承壓板3之間的接觸面積較大，導致砝碼鋼環2下落所產生的衝擊能量會向上承壓板3四周擴散，無法集中傳遞至巖石試件4上，造成衝擊能量的損耗，給試驗帶來一定的誤差。

(3)、衝擊載荷不穩定

由於疊加組合的砝碼鋼環2不是一體式結構，每個砝碼鋼環2之間存在相互作用，同時這種非一體式的疊加方式會使得砝碼鋼環2和傳力軸1之間產生摩擦，甚至相互碰撞，造成一定的能量損耗，使得預設的載荷大小與實際作用在巖石試件4上的載荷大小有出入，無法保證試驗過程中衝擊載荷的穩定性，對試驗結果造成一定的影響。

因此，為了得到更加精確的實驗結果，現有實驗儀的動力加載裝置還有待於更進一步的改進和完善。

技術實現要素：

本實用新型為避免上述現有技術存在的不足之處，提供了一種基於巖石流變擾動效應實 驗儀的動力衝擊裝置，以提高對衝擊載荷大小的精確控制、減少衝擊載荷的能量耗散、以及使衝擊波在承壓板與巖石試件內的穩定傳播，進一步改善實驗儀的衝擊精確度。

本實用新型所採用的技術方案為：

一種基於巖石流變擾動效應實驗儀的動力衝擊裝置，包括自上而下依次設置的上承壓板、巖石試件和下承壓板，所述動力衝擊裝置還包括動力衝擊機構和空腔柱，空腔柱設置在上承壓板的頂端，動力衝擊機構包括衝擊彈頭和用於發射衝擊彈頭的動力部，動力部位於空腔柱的上方，動力部上設置有衝擊彈頭髮射端，空腔柱內沿其軸向開設有供衝擊彈頭滑行的空腔軌道，衝擊彈頭髮射端正對空腔軌道。

所述衝擊彈頭的外側面設置有提升杆，空腔柱的一側開設有供提升杆上下移動的提升杆滑槽，提升杆滑槽的內徑大於提升杆的外徑，空腔軌道的內徑大於衝擊彈頭的外徑。

所述衝擊彈頭由實心鋼製材料鑄成，衝擊彈頭分上下兩個部分，其上部呈圓柱狀，下部為梭式結構。

所述空腔軌道內及提升杆滑槽內均塗抹有黃油。

所述動力衝擊裝置還包括擾動衝擊波監測接收裝置，擾動衝擊波監測接收裝置包括計算機和設置在巖石試件的底端面與下承壓板的頂端面之間的波形接收器。

所述巖石試件的表面貼有應變片，應變片通過導線與上述計算機相連。

所述動力部包括空氣炮、電動發射器或機械式發射機。

所述下承壓板的底端連接有下端活柱，下端活柱的下方連接有用於伸縮下端活柱的油缸。

由於採用了上述技術方案，本實用新型所取得的有益效果為：

1、本實用新型通過動力部提供衝擊動能之後，可以精確的控制衝擊擾動載荷的大小，不再受限於砝碼鋼環的重量及傳力軸的高度，只需調節電流大小(電動發射器)或氣壓的大小(空氣炮)等就能準確獲得想要的衝擊載荷數值。

2、本實用新型採用的小型衝擊彈頭為鋼製實心體，一方面提高了彈頭的抗磨損性，另一方面減小了與上承壓板之間的接觸面積，使得衝擊能量能夠集中於一處，減少能量的損耗，進而提高衝擊載荷的精確度，也有利於形成的衝擊波在承壓板以及巖石試件內的穩定傳播。

3、本實用新型將原本的實心傳力軸改為空腔柱結構之後，給衝擊彈頭提供了一個穩定的滑行軌道，提高了衝擊過程中的穩定性，使得設置的衝擊載荷大小與通過巖石試件的衝擊波大小趨於一致，提高了試驗的準確性。

4、本實用新型中空腔柱一側的滑槽和衝擊彈頭的提升杆設計方便於試驗的反覆進行，同時相比於原來的砝碼鋼環結構輕便許多，使得實驗人員操作更加便利。

5、本實用新型中的擾動衝擊波監測接收裝置可以實時監測每次衝擊時通過巖石試件的衝 擊載荷的大小和穩定性，以便於隨時進行誤差分析和衝擊載荷進行調整。

附圖說明

圖1為巖石流變擾動效應實驗儀的原有動力衝擊裝置圖。

圖2為本實用新型的結構示意圖。

圖3為本實用新型中空腔柱的軸測圖。

圖4為本實用新型中空腔柱的斷面圖。

圖5為本實用新型中衝擊彈頭及提升杆的軸測圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，但本實用新型並不限於這些實施例。

如圖2至圖5所示，一種基於巖石流變擾動效應實驗儀的動力衝擊裝置，包括自上而下依次設置的上承壓板9、巖石試件10和下承壓板11，下承壓板11的底端連接有下端活柱12，下端活柱12的下方連接有用於伸縮下端活柱12的油缸13。

所述動力衝擊裝置還包括動力衝擊機構和空腔柱8，空腔柱8設置在上承壓板9的頂端，空腔柱8為鋼製材料，其長為300～400mm，直徑為50～60mm；動力衝擊機構包括衝擊彈頭7和用於發射衝擊彈頭的動力部5，衝擊彈頭7由實心鋼製材料鑄成，衝擊彈頭7分上下兩個部分，其上部為圓柱體，圓柱體高30～40mm，下部為梭式結構，該梭式結構高10～20mm；動力部5可選用空氣炮、電動發射器或機械式發射機等，動力部5位於空腔柱8的上方，動力部5上設置有衝擊彈頭髮射端，所述空腔柱8內沿其軸向開設有供衝擊彈頭7滑行的空腔軌道16，衝擊彈頭髮射端正對空腔軌道16，空腔柱8的結構設計能夠將衝擊能量集中於一點，減少能量波的向外擴散，達到精確接收能量波的效果；衝擊彈頭7的外側面設置有圓柱形的提升杆6，便於提升衝擊彈頭7，進行反覆試驗，空腔柱8的一側開設有供提升杆6上下移動的提升杆滑槽14，提升杆滑槽14的內徑大於提升杆6的外徑，空腔軌道16的內徑大於衝擊彈頭7的外徑，所述空腔軌道16內及提升杆滑槽14內均塗抹有黃油，以減少衝擊彈頭7與空腔軌道16之間的摩擦。

所述動力衝擊裝置還包括擾動衝擊波監測接收裝置，通過波形振幅來測量通過巖石試件10的具體的擾動荷載大小及能量的耗散，擾動衝擊波監測接收裝置包括計算機和設置在巖石試件10的底端面與下承壓板11的頂端面之間的波形接收器15；所述巖石試件10的表面貼有應變片，應變片通過導線與上述計算機相連。

空氣炮、電動發射器和機械式發射機等衝擊載荷施加結構分別以壓縮空氣、電能或者機械做功為衝擊彈頭7提供動能，具有衝擊強度精確控制的功能，通過調整衝擊氣壓大小、電 流大小以及機械動力裝置等，能夠實現衝擊載荷的準確控制，並通過巖石試件10下部的衝擊波接收裝置能夠實時監測衝擊擾動載荷的大小及穩定性。

為了更詳盡的說明本實用新型的裝置，以下列舉更為詳盡的實施例來說明本實用新型裝置的具體運用。

實驗開始前，在實驗室製作好巖石試件10，並且在巖石試件10表面貼好測試用的應變片，之後對巖石試件10進行密封處理，在巖石試件10上包裹一層塑料薄膜，用電吹風烘烤，使薄膜密貼在巖石試件10的表面以保證巖石試件10的含水量基本不變。

巖石試件10準備完畢之後，將小型衝擊彈頭7沿提升杆滑槽14提升固定在動力部5下方，調整好衝擊彈頭7的位置，使提升杆6與提升杆滑槽14處於同一豎直方向，使其能夠準確的在空腔柱8內的空腔軌道16活動。

接著將巖石試件10放置於上承壓板9和波形接收器15之間的中心位置處，用導線將應變片與計算機連接，波形接收器15與計算機相連，至此整個準備工作完畢。

實驗開始，先通過靜力加載系統將重砣的重力載荷經過兩級擴力系統作用於巖石試件10上，對巖石試件10施加長期的恆定靜載壓力，使巖石試件10承受的壓力達到預設壓力，進入穩定流變狀態。

待巖石試件10進入穩定流變狀態之後，進行動力載荷加載實驗。控制動力裝置，預設一定的衝擊載荷強度值，對衝擊彈頭7進行衝擊，使其脫離動力部5，沿著空腔軌道16滑行，直至撞擊到上承壓板9上，衝擊載荷以衝擊波的形式傳遞到巖石試件10上，最後傳遞到巖石試件10下方的波形接收器15上，通過讀取振幅大小，以實時監測實驗過程中衝擊波的大小及穩定性。

衝擊結束後，通過小型衝擊彈頭7上的提升杆6將衝擊彈頭7提升至動力部5處，重新進行固定，重複實驗，直至衝擊實驗結束。

簡而言之，可將上述具體操作步驟簡化為如下步驟：

步驟1、試驗開始前，首先將衝擊彈頭7沿空腔柱8的提升杆滑槽14提升，將衝擊彈頭7安裝在動力部5的衝擊彈頭髮射端上；

步驟2、通過巖石流變擾動實驗儀的靜力加載系統對巖石試件10進行靜力加載，使其處於穩定的流變狀態；

步驟3、控制動力部5，預先調節至一定的衝擊強度值，然後發射衝擊彈頭7使其以設定強度值衝擊上承壓板9，以衝擊波的形式對流變狀態下的巖石試件10進行擾動；

步驟4、衝擊結束後，通過提升杆6將衝擊彈頭7提升至動力部5處，進行固定，以便準備下一次衝擊試驗。

本實用新型工藝操作簡單，簡化了試驗操作流程，實現了對衝擊載荷的精確控制，避免了衝擊能量耗散，使得實驗結果更加準確，並且在一定程度上提高了衝擊實驗過程中衝擊載荷的穩定性，相比於原有動力加載系統具有操作簡單、精確度高、衝擊穩定等優點。

本實用新型中未述及的部分採用或借鑑已有技術即可實現。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型的精神所作的舉例說明。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。