CN104677754B - 一种材料旋转冲击响应特性测试*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料旋转冲击响应特性测试***，该***包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，本发明可以用于测试旋转‑冲击以及单冲击脉冲荷载作用下的材料特性，例如冲击钻进、旋转‑冲击钻进以及旋转钻进中的冲击效应以及其他旋转‑冲击荷载，通过测试输入杆中的应力波特征，可以揭示材料的结构及强度特性。反过来，也可用于研究冲击弹头的结构形状与材料特性，以获得好的入射波形和破坏效果。

Description

一种材料旋转冲击响应特性测试***

技术领域

本发明涉及一种材料旋转冲击响应特性测试***，一种用于测试材料在旋转-冲击荷载下的响应特性的测试技术，可用于在不同冲击荷载及不同旋转速率下材料的动态强度以及入、反、透射应力波峰值特征与能量特征的测试与分析，可用以研究受荷材料的结构与动力学特性；也可用于不同冲击速率下冲击荷载特性的测试，属材料及岩土工程领域。

背景技术

目前，在地质、岩土工程等勘察以及矿业工程等生产中，通常需要采用钻孔/探方法，其主要的钻进方法为冲击式、旋转式或旋转-冲击式。地质材料在旋转冲击荷载下的破碎效果与荷载特性之间的关系、地层结构及强度特性与荷载特性的关系，以及材料抵抗高速旋转脉冲荷载如飞弹等的破坏特性，都需要测试材料在旋转冲击荷载下的结构及动力学特性。

在材料动力学响应特性测试中，分离式霍普金森压杆（separate Hopkinsonpressure bar: SHPB）是研究材料高应变率力学响应的基本方法，它通过测定材料在一定应变率范围的动态应力-应变行为来分析试样材料的应力-应变关系，其基础是线弹性波动理论。自1914年B. Hopkinson建立该方法以来，经过Davies、Kolsky等人的发展，SHPB技术在加载波形的整形、弥散的处理、可控双脉冲加载等方面取得了长足进展，不仅能测量试件在冲击荷载下的动态抗压强度，而且可以测量试件的动态拉伸强度。由于SHPB技术可以获得试件中的压力脉冲，计算试件在冲击荷载下的变形及试件应力，已成为材料动力学响应测试方面简单、有效的方法，因而在国内外得到了广泛的应用，并逐渐成为材料动力学响应的标准测试方法。

但是，SHPB存在以下不足：（1）不能进行旋转冲击，即不能施加旋转脉冲荷载；（2）输入杆的冲击端为自由端，输入杆不能施加静压；（3）SHPB的基础是线弹性波动理论，在求解应力-应变关系时要求***中杆和试样均应满足一维线弹性体的基本条件。然而，在很多情况下，受荷体相对于脉冲荷载加载体而言，为非线性体的非对称结构。如勘探或生产钻孔时，孔底岩体为无限大非线性体；弹体飞行撞击物体也属于非线性、非对称的情况。均属于非线性体+线性杆的情况，不能简单运用线弹性波动理论计算和分析材料的强度特性。

本发明基于冲击及旋转-冲击破碎岩石的原理，在SHPB的基础上，研发一套材料旋转-冲击相应特性测试***，通过测量冲头瞬发脉冲速率、冲击能以及冲击杆入/反射应力波，分析受荷材料的结构及强度特性。同时，通过设定特征材料，测试和分析不同触发压力下冲头几何结构特征、穿透性能与脉冲荷载特性的关系。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种克服现有材料动力学测试***中不能实施旋转脉冲加载以及给输入杆施加轴向静荷载等局限性的材料旋转-冲击响应测试***。

本发明的技术方案是：一种材料旋转-冲击响应特性测试***，该***包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，

所述旋转与冲击单元由***平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；

所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；

所述载样仓用以承载试样；

所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；

所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、动态应变仪及数据集成箱组成；

所述数据分析单元，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；

其中，所述***平台为水平刚性支架，直接安装在水平地面上，所述脉冲发射器、动量陷波器及实验杆固定安装在所述水平刚性支架上；压力源为空压机，空压机通过压力管网与调压器联通，通过调节器的标准压力表进行标定，压力传感器设置在调压器管路中位于输入I-输出O回路中压力表的前方，通过联接头与管路联通，所述调压器通过管道与所述脉冲发射器联通，脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆、钻头、载样仓和调速器位于同一水平轴线上，所述脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆从左到右依次连接，应变传感器设置在所述实验杆上，所述载样仓的一端与输出轴固联，输出轴通过转速调节器与旋转电机固联，由激光发射头和激光传感器的接收器组成的激光测速传感器设置在脉冲发射器和转换阀之间，探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上，应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与数据转换盒数据连接，数据转换盒与数字动态应变仪数据连接，数字动态应变仪与数据集成箱数据连接；测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱，数据集成箱将数据集成后输送到数据分析单元，所述数据分析单元包括远程终端、其它终端、计算机和打印机。

进一步，所述载样仓为刚性柱形圆筒，其底座与调速器11输出轴联接，载样仓内根据试样规格设置有载样套仓，载样套仓内安装试样，试样直径与套仓内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求，载样仓的轴向长度大于试样套仓和试样长度，超出的长度应满足试样冲击碎裂时飞溅的安全防护要求。

进一步，所述旋转电机的工作电压为380V。

进一步，所述数字式动态应变仪的工作电压为220V。

进一步，所述激光测速仪的工作电压为220V。

进一步，所述数据集成盒的工作电压为DC12V。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，一方面，可以将旋转与冲击荷载有效结合，在旋转-冲击耦合荷载下测试材料的抗压强度、入/反射应力波峰值、应变能等动态力学响应特征参数；同时，测试材料动态响应特征与撞击杆或弹头冲击能的关系。另一方面，当旋转速率设置为0时，可实现单冲击脉冲荷载下的材料动态特性测试，获取材料在冲击荷载下的物理力学特性。

本发明可以用于测试旋转-冲击以及单冲击脉冲荷载作用下的材料特性，例如冲击钻进、旋转-冲击钻进以及旋转钻进中的冲击效应以及其他旋转-冲击荷载，通过测试输入杆中的应力波特征，可以揭示材料的结构及强度特性。反过来，也可用于研究冲击弹头的结构形状与材料特性，以获得好的入射波形和破坏效果。

附图说明

图1为本发明材料旋转冲击响应特性测试***的构造框图。

图2为压力传感器的连接结构示意图。

图3为测速传感器的连接结构示意图。

图4为应变测量的连接结构示意图。

图5为旋转传感器的连接结构示意图。

图6为材料旋转冲击响应特性测试***布置图。

图中：

1.压缩空气压力源，2.调压器，3.脉冲发射器，4.激光源，5.转换阀，6.动量限波器，7.应变传感器，8.实验杆（输入杆），9.探针，10.载样仓，11.转速调速器，12.旋转电机，13.压力传感器，14.激光测速传感器，15.转换盒，16. 接口，17.数字式动态应变仪，18.转速传感器，19.数据集成箱，20.计算机，21.压力阀，22.压力表， 23.连接头，24.信号线缆，25.激光束，26.信号线缆，27.整形器，28.钻头，29.转速传感器输出线缆，30.载样套仓，31.试样，12DC.12伏直流电源， DIB.数据集成箱，I.输入，O.输出。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本***安装在实验室水平刚性试验平台上，用于测试材料的旋转-冲击响应特性参数。

如图1-6所示为本发明材料旋转冲击响应特性测试***的结构示意图，该***包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，

所述旋转与冲击单元由***平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；

所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；

所述载样仓用以承载试样；

所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；

所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、动态应变仪及数据集成箱组成；

所述数据分析单元，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；

其中，所述***平台为水平刚性支架，直接安装在水平地面上，所述脉冲发射器、动量陷波器及实验杆固定安装在所述水平刚性支架上；压力源为空压机，空压机通过压力管网与调压器联通，通过调节器的标准压力表进行标定，压力传感器设置在调压器管路中位于输入I-输出O回路中压力表的前方，通过联接头与管路联通，所述调压器通过管道与所述脉冲发射器联通，脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆、钻头、载样仓和调速器位于同一水平轴线上，所述脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆从左到右依次连接，应变传感器设置在所述实验杆上，所述载样仓的一端与输出轴固联，输出轴通过转速调节器与旋转电机固联，由激光发射头和激光传感器的接收器组成的激光测速传感器设置在脉冲发射器和转换阀之间，探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上，应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与数据转换盒数据连接，数据转换盒与数字动态应变仪数据连接，数字动态应变仪与数据集成箱数据连接；测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱，数据集成箱将数据集成后输送到数据分析单元，所述数据分析单元包括远程终端、其它终端、计算机和打印机。

所述载样仓为刚性柱形圆筒，其底座与调速器11输出轴联接，载样仓内根据试样规格设置有载样套仓，载样套仓内安装试样，试样直径与套仓内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求，载样仓的轴向长度大于试样套仓和试样长度，超出的长度应满足试样冲击碎裂时飞溅的安全防护要求在图1的实施例中，压力传感器用来测试压力源经压力调节器输出的压气压力，它是发射器的发射压力。本发明采用英国Gems 2200/2600传感器系列，各压力传感器的测量范围为0.01-25.0 MPa。

数据采集***安装在实验工作台上，将旋转与冲击***采集的数据进行放大、转化、集成和传输。

数据采集***由转换盒、数字式动态应变仪和数据集成箱组成。其中，转换盒包括放大器和转换器：（1）放大器，它属于典型的惠斯通电桥（Wheatstone Bridge）前置放大器，用以将应变信号放大。（2）转换器，将压力传感器采集的模拟数据进行转换。本发明采用日本CSW-5A型转换器，它通过CR-655接口电缆与数字式应变仪相连。数字动态应变仪，将CSW-5A转换盒输入的压力模拟信号变换为数字信号，本发明采用Nicolet Sigma 90 （DigitalOscilloscope workstation）数字动态应变仪，通过RS-232C接口电缆将数据输入到数据集成箱DIB（Date Integrated Box）。数据集成箱将对旋转与冲击***测试的输入信息进行集成，通过CR-553B接口电缆输入到终端设备。

应变传感器用于测量输入杆中的入射应力波和反射应力波。本发明根据测量目的采用拉/压应变或剪切应变测量。拉压应变测定采用全桥方式接入，共两对应变片，其中两个为感应片，另两个为补偿片，如R1，R4采用高阻值（1000Ω）应变片，R2，R3采用精密标准1000Ω电阻。剪切应变测定亦采用全桥方式接入，四个应变片均为感应片。黏贴好的应变片阻值变化应小于0.5W，且应变片与压杆间的绝缘电阻应大于100MW。应变片的粘贴、引线联接及应变测试按常规方法操作。

应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与转换盒联接，并输入到数字动态应变仪，并接入数据集成箱；测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱。数据集成后，由集成箱输送到计算机或示波器等数据分析终端。

对于软土、沙土、碎石等散软体及塑料等低阻抗材料，应变率很低，脉冲荷载产生的冲击作用很小，这时的冲击脉冲信号弱。在图1的实施例中，对于较低的信号采用黏弹性杆及/或石英压电传感器进行补偿。

在图2的实施例中，给出了压力传感器的安装示意图。

在图2的实施例中，压力传感器13安装在压力调节器2管路中的适当位置，一般处于输入I-输出O回路中压力表22的前方，当压力流体输入到发射器管路中，经压力阀21、压力表22及压力传感器13输入到脉冲发射器3管路，压力传感器13通过联接头23与管路相连，当压力流体经压力传感器3时，压力作用于传感器上的压阻片，使其变形从而使电阻、电流或电压等电信号发生改变。电信号经数据电缆24，通过接口传输给数据采集***。

在图3的实施例中，测速传感器用来测量发射杆的冲击速率。本发明采用线激光测速传感器进行测速，其安装如图3所示。激光源4发射的线激光25经过脉冲发射器3和实验杆（输入杆）8之间的间隔，由激光传感器的接收器14接收，当脉冲发射器触发时，发射管3中的撞击杆（弹头）以一定速度沿发射管射出，切割线激光束25，激光接收器14产生光电脉冲，信号经线缆26传输到数据采集***，由采集***再传输到分析***，根据线激光设定的宽度和脉冲时间计算弹头切割速率。激光测速传感器水平安装，激光线与发射杆轴线垂直。

在图3的实施例中，入射波整形器27、转换阀5以及动量限波器6用来获得完整的加载波形和避免入射杆的二次加载。整形器选取塑性较好的力学性质已知材料，用真空脂粘贴在输入杆撞击端的中心位置上，整形器由一个或多个组合型整形器构成，用以过滤加载波中由于直接碰撞引起的高频分量，减小波的弥散效应，并通过其塑性变形来有效地增加入射应力脉冲的上升时间，保证试样中变形均匀和应力的平衡，获得常应变率加载。转换阀5以及动量限波器6用以实施单脉冲加载，避免撞击杆冲击过程中实验杆因撞击端反射压缩波对试样产生的二次加载。在对低阻抗材料进行测试时，采用整形器以保证测试的精度。

在图4的实施例中，转速传感器18用来测量载样仓10转速。在本发明中采用德国PEPPERL+FUCHS电磁传感器测量转速，测量范围 为0-2500 r/min。

转速传感器18安装在与转速调速器11输出轴联接的载样仓10上探针9对应的位置上。当探针9与载样仓10一起转动时，探针9将在转速传感器18前端扫过（虚线园为探针9转动时的轨迹），即转速传感器18位于探针9旋转圆周线所包络的平面中。此时转速传感器18发生电磁脉冲，并通过数据电缆29传输给数据采集***。本发明中输入杆系由输入杆8及钻头28组成。转速传感器11由旋转电机12驱动，旋转电机12可由电、液压或压气等驱动，在本发明实施例中由380V交变电压驱动，载样仓10与转速传感器11输出轴联接，因此，载样仓10与转速传感器11的输出轴具有相同的转速。

在图5的实施例中，载样仓10为一定厚度的刚性柱形圆筒，其底座与调速器11输出轴联接，载样仓10内可根据试样规格安装载样套仓30，套仓内安装试样31，试样31直径与套仓30内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求。根据测试要求，可具有不同的套仓内径和试样尺寸。载样仓10的轴向长度大于试样套仓30和试样31长度，超出的长度应满足试样冲击碎裂时飞溅的安全防护要求。

在图6的实施例中，给出了本发明的布置形式。

压力源1为空压机，一般布置在离测试场所较远的隔声空间，通过压力管网将压气引入室内，并与调压器2联通，压气压力由压力传感器13进行测量，并通过调节器2的标准压力表进行标定。脉冲发射器3、转换阀5、动量限波器6、实验杆8及载样仓、转速传感器11位于同一水平轴线上。激光源4、激光测速传感器14安装在脉冲发射器3和转换阀5之间。拉压应变和剪切应变可同时布置和测量。探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上。

本发明的基本原理是：采用撞击杆系、旋转***、传感器技术和数字集成技术，建立一种材料旋转-冲击响应特性测试***，通过撞击杆系和旋转***模拟旋转-撞击过程，撞击杆撞击实验杆（输入杆）后，使实验杆产生一定的速度和位移，同时在实验杆中产生入射应力波，当应力波达到实验杆端面后，撞击由旋转***驱动的试样，并在撞击端面发生反射应力波。通过数据采集***从实验杆采集拉/压及剪切应变，信号以电压或电子脉冲信号的形式，根据选定的采样频率直接输出到数据采集***，经数据转换和数字集成后输入给计算机分析***及其他终端，进行数据的存储、显示、分析、打印及网络传输。分析***根据弹性杆入/反射应力波原理，计算获得应变能、扭矩及被测材料的动态抗压强度等参数。通过测速传感器和压力传感器获得撞击杆系的发射压力、撞击速率，从而分析材料在旋转-冲击或单冲击条件下的结构及力学响应特性。

其中，脉冲发射***的压力测量由压力传感器来实现，原始感应信号为电压或电流；旋转***所驱动的载样仓的旋转速率由电磁转速传感器测量，原始感应信号为电磁脉冲信号，通过脉冲次数记录转数；实验杆的撞击速率通过激光测速传感器来实现，其原始输出信号为光电脉冲发生的时间，由***设定的线激光长度获得冲击速率。应力应变由应变传感器、石英晶体压电传感器来实现。

Claims (6)

1.一种材料旋转-冲击响应特性测试***，该***包括（i）旋转与冲击单元、（ii）数据采集单元及（iii）数据分析单元，其特征在于；

所述旋转与冲击单元由***平台、脉冲发生单元、载样仓及旋转单元组成；

所述脉冲发生单元由压力源、压力调节器、脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量陷波器及实验杆组成；

所述载样仓用以承载试样；

所述旋转单元由旋转电机、转速调节器及输出轴组成；

所述数据采集单元由压力传感器、应变传感器、激光测速传感器、转速传感器、数据转换盒、数字式动态应变仪及数据集成箱组成；

所述数据分析单元，将转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析单元进行分析、存储和输出，并对材料的结构及物理力学特性进行分析；

其中，所述***平台为水平刚性支架，直接安装在水平地面上，所述脉冲发射器、动量陷波器及实验杆固定安装在所述水平刚性支架上；压力源为空压机，空压机通过压力管网与压力调节器连通，通过压力调节器的标准压力表进行标定，压力传感器设置在压力调节器管路中位于输入I-输出O回路中压力表的前方，通过连接头与管路连通，所述压力调节器通过管道与所述脉冲发射器连通，脉冲发射器、脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆、钻头、载样仓和转速调节器位于同一水平轴线上，所述脉冲整形器、转换阀、动量限波器、实验杆从左到右依次连接，应变传感器设置在所述实验杆上，所述载样仓的一端与输出轴固连，输出轴通过转速调节器与旋转电机固连，由激光发射头和激光传感器的接收器组成的激光测速传感器设置在脉冲发射器和转换阀之间，探针安装在所述载样仓上，转速传感器设置在与载样仓上的探针对应的位置上，应变传感器与压力传感器通过线缆、接口与数据转换盒数据连接，数据转换盒与数字式动态应变仪数据连接，数字式动态应变仪与数据集成箱数据连接；激光测速传感器和转速传感器经线缆接入数据集成箱，数据集成箱将数据集成后输送到数据分析单元，所述数据分析单元包括计算机和打印机；采用旋转与冲击单元、传感器技术和数字集成技术，建立一种材料旋转-冲击响应特性测试***，通过旋转与冲击单元模拟旋转-撞击过程，撞击实验杆后，使实验杆产生一定的速度和位移，同时在实验杆中产生入射应力波，当应力波达到实验杆端面后，撞击由旋转单元驱动的试样，并在撞击端面发生反射应力波，通过数据采集单元从实验杆采集拉/压及剪切应变，信号以电压或电子脉冲信号的形式，根据选定的采样频率直接输出到数据采集单元，经数据转换和数字集成后输入给数据分析单元，进行数据的存储、显示、分析、打印及网络传输，数据分析单元根据反射应力波原理，计算获得应变能、扭矩及被测材料的动态抗压强度参数，通过激光测速传感器和压力传感器获得***的发射压力、撞击速率，从而分析材料在旋转-冲击或单冲击条件下的结构及力学响应特性；

其中，脉冲发生单元的压力测量由压力传感器来实现，原始感应信号为电压或电流；旋转单元所驱动的载样仓的旋转速率由电磁转速传感器测量，原始感应信号为电磁脉冲信号，实验杆的撞击速率通过激光测速传感器来实现，其原始输出信号为光电脉冲发生的时间，由***设定的线激光长度获得冲击速率，应力应变由应变传感器、石英晶体压电传感器来实现。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述载样仓为刚性柱形圆筒，其底座与转速调节器输出轴连接，载样仓内根据试样规格设置有载样套仓，载样套仓内安装试样，试样直径与套仓内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求，载样仓的轴向长度大于试样套仓和试样长度，超出的长度应满足试样冲击碎裂时飞溅的安全防护要求。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述旋转电机的工作电压为380V。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数字式动态应变仪的工作电压为220V。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光测速传感器的工作电压为220V。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据集成盒的工作电压为DC12V。