一种用于SHPB冲击试验的多级缓冲装置的制作方法

本发明涉及用于shpb冲击试验的多级缓冲装置，属于岩石动力学分离式霍普金森杆(shpb)室内试验领域。

背景技术：

分离式霍普金森杆(以下简称shpb)试验是研究岩石动态作用下力学特性的重要手段之一，目前，对于该试验的研究也已逐渐深入，并取得了丰硕的研究成果。但是，由于岩石试样密度大，试验过程中入射杆、反射杆和透射杆的速度较快，对于试验器材和试验人员来说具有诸多不稳定因素。

试验过程中，常见的缓冲装置包括弹簧缓冲装置、液压缓冲装置等，其中，弹簧缓冲装置是将试验过程中试样的动能转化成弹簧的弹性势能，液压缓冲装置则是利用油液的粘性阻尼作用，将动态冲击能量吸收转化为油液热能等并进行消化散掉。随着试验难度的加大，逐渐暴露出能量存储形式单一、冲击方向缓冲效果不理想、装置难以复位或是复位难以控制等问题，影响试验过程并对造成试验结果的严重误差。肖三霞，蒋国平(2014年04月30日)提出了一种分离式霍普金森压杆实验缓冲装置，该装置采用两柱形弹簧作为缓冲结构的主要形式，通过活塞和活塞杆实现试验过程中的缓冲作用，结构简单，成本较低。但是，在高应变率下的shpb试验，杆件速度较快，作用时间较短，仅靠弹簧和活塞筒作为缓冲结构，不能完成起到缓冲作用，况且高速作用下，弹簧和活塞筒容易发生变形和破坏，对试验数据的采集和整个试验过程产生较大的不利影响；此外，该专利对反射杆撞击过程中，动能转化的能量没有进行处理，极易造成实验仪器和实验室的破坏，并对实验人员产生潜在的威胁。目前，在shpb试验过程中，尚没有很好的能够实现试验杆件的缓冲、复位以及风险规避的缓冲装置。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于shpb冲击试验的多级缓冲装置，具有安全快捷、操作简单等特点，解决shpb冲击试验过程中反射杆件高速作用下的造成的基座破坏、对入射杆的二次撞击破坏、杆件动能无法吸收和转换等问题，避免冲击试验过程中冲击爆炸等危险事故的发生，保证shpb冲击试验安全、高效进行。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于shpb冲击试验的多级缓冲装置，包括承压缓冲系统、液压箱体结构和薄壁管件吸能结构，所述承压缓冲系统包含缓冲外筒、橡胶缓冲层、第二级缓冲装置和撞击杆端头，所述缓冲外筒内依次设有橡胶缓冲层、撞击杆端头、第二级缓冲装置，所述液压箱体结构包含压缩圆盘和压缩箱，压缩圆盘与第二级缓冲装置连接，压缩圆盘在压缩箱内移动，所述薄壁管件吸能结构包含液压箱、薄壁管件吸能结构层和无损移动盘，所述液压箱内设有两层薄壁管件吸能结构层，每层薄壁管件吸能结构层均与无损移动盘连接，两个无损移动盘形成了空腔，空腔与压缩箱连通；入射杆的撞击作用使得反射杆以一定速度冲击橡胶缓冲层，冲击力传递到撞击杆端头，撞击杆端头作用于第二级缓冲装置上，第二级缓冲装置压迫压缩圆盘移动，压缩圆盘移动压缩空腔内的气体体积，从而带动无损移动盘移动，无损移动盘压迫薄壁管件吸能结构层，薄壁管件吸能结构层吸取冲击的能量。

作为优选，所述第二级缓冲装置包含三个弹簧，弹簧的一端与压缩圆盘连接，弹簧另一端与撞击杆端头连接。

作为优选，所述橡胶缓冲层的材料为天然橡胶材料。

作为优选，所述薄壁管件吸能结构层包含若干个吸能块，吸能块的顶部为正方形，吸能块的侧面为等腰梯形与等腰三角形，等腰梯形与等腰三角形交替分布，吸能块的底边为八边形，相邻的吸能块通过焊接连接，形成蜂窝状的三维立体空间结构。

作为优选，所述薄壁管件吸能结构层的材料为hdpe片材料。

在本发明中，所述橡胶缓冲层采用聚异戊二烯为主的天然橡胶材料(nr)，直径为30cm的圆柱体结构嵌套在第二级缓冲外筒，与撞击杆端头共同承压。所述第二级缓冲装置通过3套性能相同的高压缩性弹簧将撞击杆端头与连接压缩圆盘相连接，弹簧结构为直径10cm的圆形，弹簧结构的圆心为以第二级缓冲外筒的圆心为中心的正边三角形的端点。所述压缩箱壁、液压箱壁、液压箱无损移动盘均为光滑界面，移动过程中无摩擦力作用。所述薄壁管件吸能结构层材料为强化的hdpe片材料，为正三边形与梯形通过强力焊接而形成的三维网状格室结构，结构层与液压箱无损移动盘、液压箱壁均为焊接连接。所述橡胶底层缓冲层设置为4cm，位于液压箱壁内侧并与薄壁管件吸能结构层、液压箱无损移动盘连接，保护由于液压过大造成的缓冲装置的底部破坏。

有益效果：本发明的用于shpb冲击试验的多级缓冲装置，通过承压缓冲系统、液压箱体结构和薄壁管件吸能结构实现了岩石试样shpb动态冲击试验过程中的能量转换和吸收，通过橡胶缓冲层、第二级缓冲装置、橡胶底层缓冲层实现了三级缓冲，保证了试验的安全性和高效性，解决了shpb冲击试验过程中反射杆件高速作用下的造成的基座破坏、对入射杆的二次撞击破坏、杆件动能无法吸收和转换等危险事故的发生；薄壁管件吸能材料采用强化的hdpe片材料，价格低廉、适用性和稳定性强，满足shpb试验中的要求和规定。

附图说明

图1为本发明试验室装置整体结构图；

图2为本发明装置内部结构图；

图3为薄壁管件吸能结构层示意图；

图示：1.缓冲外筒；2.第二级缓冲外筒；3.第二级缓冲装置；4.橡胶缓冲层；5.撞击杆端头；6.压缩圆盘；7.压缩箱壁；8.压缩箱内置；9.薄壁管件吸能结构层；10.液压箱壁；11.橡胶底层缓冲层；12.液压箱内置；13.液压箱无损移动盘；14.等腰梯形；15.等腰三角形。

具体实施方式

如图1至图3所示，本一种用于shpb冲击试验的多级缓冲装置，包括承压缓冲系统、液压箱体结构和薄壁管件吸能结构，该装置安装在shpb试验支架基座上，为该试验末端装置。所述承压缓冲系统包括缓冲外筒1、橡胶缓冲层4、第二级缓冲装置3及其外缘2和撞击杆端头5，所述液压箱体结构包括压缩圆盘6、压缩箱壁7、压缩箱内置8和液压箱内置12，所述薄壁管件吸能结构包括薄壁管件吸能结构层9、液压箱壁10、橡胶底层缓冲层11和液压箱无损移动盘13。

入射杆的撞击作用使得反射杆以一定速度冲击橡胶缓冲层4，作为第一级缓冲装置，天然橡胶材料(nr)由于其材料的特殊性对反射杆具有一定的缓冲作用，并将该作用力传递到撞击杆端头5，在第二级缓冲装置3的作用下(主要为3套性能相同的高压缩性弹簧)，弹簧被压缩并推动压缩圆盘6向压缩箱内置8内移动，随着压缩圆盘6逐渐内移，压缩箱内置8与液压箱内置12体积减小，推动液压箱无损移动盘13向两侧移动，压缩圆盘6做的功转换为液压箱无损移动盘13移动的功和一部分能量，能量被薄壁管件吸能结构层9逐渐吸收，完成能量的吸收和转换。与此同时，在整个能量转换和吸收过程中，在第二级缓冲装置3在高压缩性弹簧的回弹作用下，使得橡胶缓冲层4和撞击杆端头5逐步回复初始位置，带动压缩圆盘6对外做功，液压箱无损移动盘13在压力作用下恢复到初始位置，完成一次吸能过程。在特殊情况下，当速度过大或者产生的能量过大，有可能产生破坏情况下，橡胶底层缓冲层11可以进行保护，防止事故造成的二次伤害。

如图3所示，薄壁管件吸能结构层9包括包含若干个吸能块，吸能块的顶部为正方形，吸能块的侧面为等腰梯形与等腰三角形，等腰梯形与等腰三角形交替分布，吸能块的底边为八边形，相邻的吸能块通过焊接连接，形成蜂窝状的三维立体空间结构。等腰梯形14的底边构成的正方形作为该结构的上端面的边长，斜边长度为正三角形的边长，不同形状的结构通过强力焊接方式而成，形成空间的三维网状格室结构，液压箱无损移动盘13移动做的功传递到等腰梯形14和等腰三角形15上，逐渐压缩该结构并被逐渐吸收。在第二级缓冲装置3的回弹作用下，薄壁管件吸能结构层9吸收的能量同样转换为支承液压箱无损移动盘13移动的动能，恢复到初始位置。