一种翻盖式霍普金森杆围压装置的制作方法

本发明涉及材料动力实验测试设备领域，尤其涉及一种翻盖式霍普金森杆围压装置。

背景技术：

在岩土工程，采矿工程，防护工程中经常会遭遇来自爆破，地震带来的动态荷载，使得岩石材料处于高应变率的动态荷载下，因此迫切需要探究岩石材料在动态荷载下的力学特性及变形破坏机理。分离式霍普金森压杆(shpb)已经被国际上广泛应用测试材料在高应变率(10-10⁴s^-1)下的动力特性。基于一维应力波理论，初始的分离式霍普金森压杆只能用于测试材料在一维应力状态下的动力特性。但是在实际工程实践中，由于自重应力和构造应力作用，岩石材料常处于复杂的三维应力状态，因此需要研制用于三维霍普金森杆实验的围压装置。

中南大学李夕兵教授2008年在岩石力学与工程学报上发表的题为“岩石动静组合加载力学特性研究”的文章中提出了一种可用于实现岩石材料在三维动静组合荷载下的三维霍普金森杆实验设备，该实验设备可以实现轴向静压0～200mpa、围压0～200mpa以及冲击动载0～500mpa的同时加载，试样应变率为10⁰～10³s^-1段。该围压装置由左右封盖的圆筒形油缸，隔油橡胶套，进出油孔，手动液压油泵，耐压油管等组成。在三维shpb动力实验中，通过手动加压往油缸中加油使缸内气体排出，直到油从出口流出时表示油缸已经加满油，此时关闭出油孔阀门，继续加压使缸内液压升高，通过压力表控制试样侧向围压。冲击试验完毕后，打开油缸进、出油孔阀门，使液压油回流。该围压装置可以实现三维shpb动力学试验，但是实际的试验操作过程发现该装置也有明显的缺点:其一，每次试验都需要手动对油缸加油，液压油自动回流的过程也非常缓慢，降低了试验效率。其二，由于围压油缸设计为左右封盖，左右封盖与入射杆，透射杆密封紧密，使得每次试验安装和拆卸试样时左右移动封盖都非常困难，再次的降低了试验效率。以上两个原因导致进行一次完整的三维shpb试验大概会花费3-4小时，试验效率非常低。

中国专利cn201110200000.2公开了一种稳压的霍普金森杆围压装置。该装置主要由围压装置和稳压装置两个部分组成。围压装置主要由液压油缸，隔油橡胶套，o型密封圈等组成。该围压装置一改已有油缸左右封盖的设计，将油缸设计为上部分和下部分的上下封盖形式并采用o型橡胶圈密封，但是隔油橡胶套通过卡环固定在下部件，上下部件共同形成一个围压室。该围压装置也有明显的不足之处：其一，采用o型橡胶圈密封上下部件效果并不是很好；其二，由于隔油橡胶套作为一个整体，使得试样安装和拆卸的过程比较复杂，且不能精确定位试样的位置，因此也会导致试验效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种翻盖式霍普金森杆围压装置，以解决三维shpb试验中因每次试验需要手动加油以及装置拆卸不便带来的试验效率很低的问题，简化试样安装和拆卸过程，提高试验效率。

本发明提供一种翻盖式霍普金森压杆围压装置，包括用于盛装围压油的上油缸、下油缸，以及两个隔油橡胶膜；所述上油缸、下油缸为两个对称设置的空心半圆环体，两个半圆环体合拢形成一个圆环体后在中心形成同圆心轴线的圆形通道，所述通道直径与岩石试样大小匹配，作为安装岩石试样的试样室；上、下油缸的内圆弧壁面中部分别开设有与试样室相通的两个对称的开口，两个隔油橡胶膜分别密封上、下油缸上的该开口，将试样室与油缸内的空间隔开，上下油缸内部形成独立的环向围压室。

所述“空心半圆环体”是指横截面为半圆环形的柱体，且内部为空心。

所述“圆心轴线”是指半圆环柱的圆心坐在直线，也即纵向轴线。

进一步地，所述上下油缸上的开口绕内圆弧壁面周向贯通内圆弧壁面，沿半圆柱圆心轴线方向的宽度大于等于岩石试样安装在试样室后沿圆心轴线方向的长度。

所述“内圆弧壁面周向”是指半圆环柱的横向。

进一步地，上下油缸在在半圆环体的一侧边缘通过铰链连接，实现两个半圆环柱油缸之间开合，同时实现试样室的打开和关闭。所述铰链为2-4个，根据油缸轴向长度确定。铰链连接使上油缸能够相对下油缸翻转，实现试样室打开和关闭。

进一步地，上下油缸的与铰链连接边缘对称的另一侧边缘，设置有连接外沿，连接外沿上设置有上下对称的螺孔，螺钉穿过螺孔配合螺母将上下油缸可拆卸地连接。在试验进行时通过螺钉将上下油缸紧密连接，试验结束后，将螺钉拆卸，可打开试验室。这样，在多次试验中无需手动加油，只需要调整液压油的压力或更换试验即可，简化了试验操作，提高试验效率。

进一步地，两个隔油橡胶膜分别完全覆盖上下油缸的开口，边缘固定在开口周围的上下油缸壁面上，将开口密封。

进一步地，所述上下油缸开口周围的壁面上根据隔油橡胶膜的大小设置围绕开口一周的凹槽，以及与凹槽形状和大小匹配的压紧环，隔油橡胶膜覆盖在开口处，压紧环嵌入凹槽中将隔油橡胶膜边缘压入凹槽中，再通过螺钉穿过压紧环将压紧环固定在凹槽中，实现隔油橡胶膜的固定和开口的密封。

进一步地，所述凹槽中，隔油橡胶膜下方设置有两条与凹槽的走向匹配的环形止水带，两条止水带分别位于螺钉两侧，在螺钉穿过压紧环钉入凹槽的过程中将隔油橡胶膜和止水带压紧，实现隔油密封。

优选地，所述隔油橡胶膜为方形边缘，则凹槽为方形，环形止水带为与凹槽走向相同的方形环，一大一小以内圈和外圈的形式分别位于凹槽中。止水带的材质优选具有良好的密封效果的橡胶材质。

进一步地，所述上油缸上设置有上部进/出油孔和上部排气孔，所述下油缸上设置有下部进/出油孔和下部排气孔；所述下部进/出油孔设计在下部油缸底部中心，下部排气孔设置在下部油缸圆柱面上最高处。

进一步地，所述隔油橡胶膜外形为与试样匹配，在上下油缸合拢后将试样完全包覆。

优选地，所述隔油橡胶套为与试样室半圆弧壁面形状相同的半圆弧状，且与试样形状匹配，其半径略大于试样，使试样放入其中后施加油压的后与试验紧密贴合。也可以是形状与试样匹配的其他形状的橡胶套，橡胶材质选用具有优异的弹性变形能力的橡胶材料，使得在施加围压的过程中能够与试样紧密贴合。

进一步地，还包括底座，所述底座由底板和四根支撑杆组成，所述支撑杆两两一组，对称竖立固定在底板上，支撑杆的顶端下油缸底部固定连接。

进一步地，进/出油孔和排气孔设置有开关阀门。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明所述装置采用上下翻盖式设计，上下部油缸相互独立，但同时共同作用对试样形成环向围压，上下部油缸通过铰链和螺钉盖紧，翻盖式的设计可使试验过程中试样的安装和拆卸非常方便，避免在左右封盖设计中，左右封盖由于密封而难以左右移动的问题，极大的节约了时间，提高了试验效率。

2.本发明所述装置上下部的油缸独立工作，则每次试验结束后不需要将油缸中液压油全部排出，可保留油缸中液压油为满盛无压状态，直到下次试验时只需对上下油缸同时加压至指定压力即可。这样操作节约了液压油注入和泄出时间，进一步提高了试验效率。

3.本发明装置结构简单，安装方便，密封效果好，且方便精确定位试样位置，适用于岩石材料的三维shpb试验。

附图说明

图1为本发明所述围压装置纵向剖视图；

图2为本发明所述围压装置侧视图；

图3为本发明所述围压装置的上油缸仰视图；

图4为图3中a-a剖视图；

图5为隔油橡胶膜、压紧块、环形止水带的局部放大图。

图中，1—上油缸；2—下油缸；3—上部进/出油孔；4—下部进/出油孔；5上部排气孔；6—下部排气孔；7—入射杆；8—透射杆；9—试样；10—隔油橡胶膜；11—环形橡胶止水带；12—压紧环；13—螺钉；14—螺孔；15—铰链。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述围压装置做进一步说明。

实施例1

本实施例所述翻盖式霍普金森压杆围压装置，结构如图1-5所示，包括用于盛装围压油的上油缸1、下油缸2，以及两个隔油橡胶膜10；所述上油缸、下油缸为两个对称设置的空心半圆环体，两个半圆环体合拢形成一个圆环体后在中心形成同圆心轴线的圆形通道，所述通道直径与岩石试样大小匹配，作为安装岩石试样9的试样室；上、下油缸的内圆弧壁面中部开设有与试样室相通的两个对称的开口，所述开口绕内圆弧壁面周向贯通内圆弧壁面，沿半圆柱圆心轴线方向的宽度大于等于岩石试样安装在试样室后沿圆心轴线方向的长度。两个隔油橡胶膜分别完全覆盖上下油缸的开口，边缘固定在开口周围的上下油缸壁面上，将开口密封。具体地，所述述上下油缸开口周围的壁面上根据隔油橡胶膜的大小设置围绕开口一周方形的凹槽，以及与凹槽形状和大小匹配的压紧环12，隔油橡胶膜覆盖在开口处，压紧环嵌入凹槽中将隔油橡胶膜边缘压入凹槽中，再通过螺钉13穿过压紧环将压紧环固定在凹槽中，实现隔油橡胶膜的固定和开口的密封。为了提高密封性，所述凹槽中，隔油橡胶膜下方设置有两条与凹槽的走向匹配的环形止水带11，两条止水带分别位于螺钉两侧，在螺钉穿过压紧环钉入凹槽的过程中将隔油橡胶膜和止水带压紧，实现隔油密封。所述螺钉的数量每间隔一定距离设置一颗，满足将压紧环和橡胶膜固定牢固即可。所述隔油橡胶膜围具有良好弹性变形能力的橡胶材质，主体为与圆柱形试样匹配的半圆弧形，上下油缸合拢后将试样完全包裹，施加围压后与试样表面紧密贴。

上下油缸在在半圆环体的一侧边缘通过铰链15连接，实现两个半圆环柱油缸之间开合，同时实现试样室的打开和关闭。上下油缸的与铰链连接边缘对称的另一侧边缘，设置有连接外沿，连接外沿上设置有上下对称的螺孔14，螺钉穿过螺孔配合螺母将上下油缸可拆卸地连接。所述上油缸上设置有上部进/出油孔3和上部排气孔5，所述下油缸上设置有下部进/出油孔4和下部排气孔6；所述下部进/出油孔4设计在下部油缸2底部中心，下部排气孔6设置在下部油缸2圆柱面上最高处。

所述底座由底板和四根支撑杆组成，所述支撑杆两两一组，对称竖立固定在底板上，支撑杆的顶端下油缸底部固定连接。

实施例2

本实施例进行三维shpb围压试验，具体的操作如下：

(1)将环形橡胶止水带11和隔油橡胶膜10按照安装顺序放置，用螺钉13将压紧环12固定，压紧密封橡胶套10和环形橡胶止水带11，形成上下两个独立的围压室。

(2)将试样9安放在试样室内下油缸的隔油橡胶膜中部，移动入射杆7和透射杆8至试样9两端端面。

(3)通过铰链翻转上部油缸1，用螺钉13将上油缸1和下油缸2盖紧。

(4)通过上部进/出油孔3和下部进/出油孔4同时对上部油缸1和下部油缸2加入液压油，直到上部排气孔5和下部排气孔6都有液压油流出，标志着液压油已经加满，此时关闭上部排气孔5和下部排气孔6，同时对上部油缸1和下部油缸2加压至同一指定围压。

(5)调整shpb的触发装置和数据收集装置，进行三维shpb冲击试验。

(6)冲击试验结束，打开上部进/出油孔5和下部进/出油孔6，使上下油压室油压降为0，此时可关闭上部进/出油孔5和下部进/出油孔6，下一次试验时只需对油压室加压即可，节约了液压油注满和排出油压室的时间。