專利名稱：用于巖石沖擊實驗的試樣加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種試樣加熱裝置，特別是涉及一種用于巖石沖擊實驗的試樣 加熱裝置。
背景技術(shù)：
在資源開采過程中，大量使用鑿巖、爆破等方式對巖石進行破碎，這就需 要掌握巖石的動態(tài)力學(xué)行為。這些力學(xué)行為通常是通過實驗室開展各類沖擊實 驗來獲得，目前應(yīng)用比較廣泛而且結(jié)果比較可靠的沖擊實驗系統(tǒng)是SHB(Split Hopkinson Bar)裝置，以及由此改進而出現(xiàn)的各種變形裝置(如巖石動靜組合 加載實驗裝置，國家發(fā)明專利ZL200510032031. 6)。
在傳統(tǒng)SHB測試中，巖石試樣往往在常溫下進行，然而，隨著資源開采深 度的不斷增加，地?zé)崽荻纫悦?00米3攝氏度增加，當(dāng)鑿巖、爆破等破巖活動 在地下數(shù)千米深度進行時，那里的巖石自身溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫，其力學(xué)特性也 與室溫實驗結(jié)果有較大差別。以采礦活動為例，原來礦山開采都在幾百米深度 以內(nèi)，室溫巖石力學(xué)實驗結(jié)果應(yīng)用于工程設(shè)計和施工比較合理，沒有出現(xiàn)大的 工程災(zāi)害；近年來，大量礦山轉(zhuǎn)入地下1000米以下的深度進行礦石開采，南 非一些礦山甚至進入了 4000米的開采深度，在這些高深度環(huán)境下，觀測到許 多傳統(tǒng)巖石力學(xué)無法解釋的現(xiàn)象巖體大范圍分區(qū)破裂、巖爆異常、巖性脆延 轉(zhuǎn)化等。引起這些異常的主要因素之一就是深部巖石處于一種相對高溫狀態(tài)， 其沖擊力學(xué)行為與常溫截然不同。因此，研制相應(yīng)的加熱裝置進行高溫巖石的
沖擊力學(xué)特性實驗成了當(dāng)前巖石力學(xué)領(lǐng)域亟待開展的工作。
在發(fā)展相對成熟的SHB裝置上開展高溫巖石力學(xué)實驗，首要解決的就是試 樣的加熱問題。在利用SHB裝置進行金屬材料測試中， 一些學(xué)者開展了高溫下 材料動態(tài)沖擊實驗。在這些實驗中，以試樣在測試中所處的受熱狀態(tài)可分為兩 種①試樣離開熱源實驗方式。這種方法在沖擊實驗開始前，對試樣進行高溫 加熱，然后取出試樣放入SHB裝置進行沖擊實驗。這種方法有兩個缺點 一是 試樣從高溫爐中取出后溫度迅速下降，等到?jīng)_擊實驗測試時，試樣溫度已不是 加熱爐中測到的溫度，需要進行試樣溫度校正才能使用結(jié)果；二是在入射桿、 透射桿與試樣接觸的過程中，由于入射桿、透射桿和試樣都具有強導(dǎo)熱性，致 使試樣兩端和中間溫度差異較大。Lennon、李玉龍等研究表明，如果接觸時間 超過liiis，試樣長度方向的溫度差異將超過10%，這就要求設(shè)備自動組裝十分 迅速。②試樣不離開熱源實驗方式。為了克服方法①中存在的不足，有學(xué)者研究了多種試樣不離開熱源的材料沖擊實驗設(shè)備。有的是將試樣與入射桿、透射 桿對好后進行一同快速加溫，在結(jié)果處理時對入射桿、透射桿端部溫度梯度引 起的應(yīng)力波畸變進行修正；有的在入射桿、透射桿和試樣接觸近區(qū)使用絕熱材 料；有的使用單向或雙向的快速自動組裝機構(gòu)(發(fā)明專利用于高溫霍普金森 壓桿實驗的雙向氣路自動組裝裝置，謝若澤等)。這些金屬材料的高溫沖擊實 驗研究對巖石高溫沖擊實驗研究有很多的借鑒之處，但巖石作為一種脆性材 料，與金屬材料有著完全不同的力學(xué)特性和破壞行為，實驗裝置自然不同。在 高溫沖擊實驗中，巖石與金屬最大的不同有兩點 一是低熱導(dǎo)性，其與入射桿、 透射桿接觸后，溫度傳播極慢，三者溫度梯度變化都不大；二是試樣在沖擊下 的破裂是伴隨有大量高速彈射碎塊的崩射型破壞，這些碎塊可擊穿常規(guī)加熱爐 的石棉、陶瓷內(nèi)罩。因此，用SHB進行金屬材料高溫沖擊實驗的重點在于試樣 與入射桿、透射桿的快速組裝和入射桿、透射桿、試樣溫度梯度變化的有效控 制；而用SHB進行巖石高溫沖擊實驗的重點則是試樣與入射桿、透射桿的精確 組裝和試樣加熱設(shè)備的抗沖擊選材。本發(fā)明以SHB裝置為基礎(chǔ)，發(fā)明試樣不離開熱源的加熱裝置，提供相應(yīng)關(guān) 鍵技術(shù)和產(chǎn)品。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能實現(xiàn)巖石試樣不離開熱源、保證 試樣與入射桿、透射桿精確對齊，有效防止破碎巖塊擊壞加熱爐內(nèi)罩的用于巖 石沖擊實驗的試樣加熱裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的用于巖石沖擊實驗的試樣加熱裝 置，支架上設(shè)有保溫倉，在所述的保溫倉內(nèi)軸向水平設(shè)有碳纖維增強合金筒， 所述的碳纖維增強合金筒內(nèi)形成有加熱腔，所述的碳纖維增強合金筒上設(shè)有電 阻絲，所述的電阻絲通過電源開關(guān)與加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀電連接，所述的 加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀電連接有熱電耦，在所述的保溫倉上設(shè)有與所述的加 熱腔兩端口分別對應(yīng)的可調(diào)保溫倉門，所述的可調(diào)保溫倉門上設(shè)有調(diào)節(jié)滑道， 在所述的保溫倉上設(shè)有與所述的調(diào)節(jié)滑道對應(yīng)的定位螺柱，所述的可調(diào)保溫倉 門可沿所述的調(diào)節(jié)滑道上下移動，所述的可調(diào)保溫倉門上設(shè)有與所述的加熱腔 和所述的熱電耦對應(yīng)的熱電耦出入孔，所述的支架上設(shè)有調(diào)平裝置。 所述的調(diào)平裝置為設(shè)在所述的支架上四角的四個找平螺栓。采用上述技術(shù)方案的用于巖石沖擊實驗的試樣加熱裝置，通過松開定位螺 柱，可調(diào)保溫倉門可沿調(diào)節(jié)滑道上下移動，方便沖擊設(shè)備中入射桿、透射桿和 試樣自由進出加熱腔；安裝在支架上的四個找平螺栓可上下旋動，保障入射桿、 透射桿與試樣中心對齊并在端面間保持完好接觸；在打開電源開關(guān)開啟加熱裝 置后，電阻絲發(fā)熱，加熱腔溫度升高，通過調(diào)節(jié)加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀上的 溫度指示與控制盤、電壓控制旋鈕和電流控制旋鈕，使加熱溫度達(dá)到預(yù)定值；熱電耦根據(jù)加熱腔長度特制而成， 一端通過熱電耦出入孔進入加熱腔進行腔內(nèi) 溫度感應(yīng)，另一端與溫度指示與控制盤連接，顯示加熱腔內(nèi)的實時溫度；加熱 腔外的碳纖維增強合金筒具有耐沖擊、耐高溫特性，可有效防止高溫巖石試樣 在沖擊作用下破碎塊體的高速沖撞；最外部的保溫倉可有效防止加熱腔內(nèi)熱量 散失，并與外界起到熱隔離作用。本發(fā)明主要優(yōu)點在于針對巖石沖擊破裂過程中高速碎塊的劇烈崩射特 點，采用碳纖維增強合金筒作為加熱腔的內(nèi)壁，有效地防止了加熱腔的擊壞與 擊穿；通過在試樣加熱裝置的支架上安裝找平螺栓，實現(xiàn)了試樣與入射桿、透 射桿的精確對齊和完好接觸；通過在加熱腔兩端安裝可調(diào)保溫倉門，避免了入 射桿、透射桿在出入加熱腔時熱量的大量散失，保證了試樣的恒溫狀態(tài)。綜上所述，本發(fā)明是一種能實現(xiàn)巖石試樣不離開熱源、保證試樣與入射桿、 透射桿精確對齊，有效防止破碎巖塊擊壞加熱爐內(nèi)罩的用于巖石沖擊實驗的試 樣加熱裝置。


圖1為用于高溫巖石沖擊實驗的SHB裝置示意2為本發(fā)明用于山 石石沖擊實驗的試樣加熱裝置左視圖；圖3為本發(fā)明用于山 石石沖擊實驗的試樣加熱裝置剖視圖；圖4為加熱腔溫度測與控制儀；圖5為可調(diào)保溫倉門提起一定開口后試樣端部溫度隨時間變化曲線；圖6為測試系統(tǒng)采集到的信號；圖7為實施例得到的巖石在150°C高溫下的動態(tài)本構(gòu)曲線。圖中各標(biāo)號表示1、沖頭2、入射桿3、應(yīng)變片4、試樣5、透射桿6、吸收桿7、試樣加熱裝置8、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)9、調(diào)節(jié)滑道10、定位螺柱11、電阻絲12、找平螺栓13、支架14、電源開關(guān)15、可調(diào)保溫倉門16、熱電耦出入孔17、加熱腔18、碳纖維增強合金筒19、保溫倉20、溫度指示與控制盤21、電源指示燈22、電壓指示盤23、電流指示盤24、電壓控制旋鈕25、電流控制旋鈕26、熱電耦 27、加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。參見圖2、圖3和圖4，加熱裝置7的結(jié)構(gòu)是支架13上設(shè)有保溫倉19， 在保溫倉19內(nèi)軸向水平設(shè)有碳纖維增強合金筒18，碳纖維增強合金筒18內(nèi)形 成有加熱腔17，碳纖維增強合金筒18上設(shè)有電阻絲11，電阻絲11通過電源開關(guān)14與加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀27電連接，加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀27 電連接有熱電耦26，在保溫倉19上設(shè)有與加熱腔17兩端口分別對應(yīng)的可調(diào)保 溫倉門15，可調(diào)保溫倉門15上設(shè)有調(diào)節(jié)滑道9，在保溫倉19上設(shè)有與調(diào)節(jié)滑 道9對應(yīng)的定位螺柱10，可調(diào)保溫倉門15可沿調(diào)節(jié)滑道9上下移動，可調(diào)保 溫倉門15上設(shè)有與加熱腔17和熱電耦26對應(yīng)的熱電耦出入孔16，在支架13 的四角設(shè)有四個找平螺栓12。實驗在巾50mm直徑SHB裝置上測度150°C高溫下粉砂的動態(tài)本構(gòu)。 首先將本發(fā)明的試樣加熱裝置放于SHB實驗臺上，將可調(diào)保溫倉門15沿 調(diào)節(jié)滑道9向上提起，用定位螺柱10暫時固定；將長30mm、直徑50mm的粉砂 巖試樣放入加熱腔17中部，軸向與桿件系統(tǒng)平行，調(diào)節(jié)入射桿2和透射桿5 的位置，使其與試樣端面對齊；通過調(diào)節(jié)加熱裝置7下部支架13上的四個找 平螺栓12，達(dá)到試樣4與入射桿2、透射桿5的精確對齊和完好接觸，調(diào)節(jié)過 程中，注意每次對角兩個螺栓同步調(diào)節(jié)，保證試樣4的平行移動；松開定位螺 柱10，放下可調(diào)保溫倉門15，使其口部盡可能接近入射桿2、透射桿5頂部， 標(biāo)記出此時可調(diào)保溫倉門15的高度；退出入射桿2和透射桿5，關(guān)閉可調(diào)保溫 倉門15，通過熱電耦出入孔16插入熱電耦26，同時打開SHB裝置數(shù)據(jù)采集處 理系統(tǒng)8，設(shè)置好應(yīng)力波觸發(fā)水平和釆樣率等采集參數(shù)；接通電源，啟動加熱 腔溫度監(jiān)測與控制儀27(圖4)，通過調(diào)節(jié)加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀27上的溫 度指示與控制盤20、電壓控制旋鈕22和電流控制旋鈕23，使加熱溫度達(dá)到預(yù) 定值，恒溫保持30分鐘，使試樣4均勻受熱；取出熱電耦26，提起可調(diào)保溫 倉門15到已有標(biāo)記高度；用熱電耦26測試可調(diào)保溫倉門15提起一定開口后 加熱腔17內(nèi)靠近試樣4端部的溫度在一分鐘內(nèi)隨時間變化情況，如圖5所示， 溫度適時波動范圍在0.4%以內(nèi)，大部分時間穩(wěn)定不變，可見加熱腔17內(nèi)溫度 基本不受影響，也即試樣4溫度保持恒定不變；快速滑動入射桿2和透射桿5， 使其與試樣4緊密接觸，移動吸收桿6，使其與透射桿5緊密對心接觸；發(fā)射 沖頭1，沖頭1撞擊入射桿2產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波傳入試樣4，并通過透射桿5 傳入吸收桿6;數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)8通過應(yīng)變片3捕獲入射桿2和透射桿5上 的應(yīng)力波信號如圖6，通過采集到的數(shù)據(jù)信號進行數(shù)據(jù)處理可得到本次實例測 試的150°C高溫下粉砂巖的動態(tài)本構(gòu)曲線如圖7所示。
權(quán)利要求
1、一種用于巖石沖擊實驗的試樣加熱裝置，其特征在于支架(13)上設(shè)有保溫倉(19)，在所述的保溫倉(19)內(nèi)軸向水平設(shè)有碳纖維增強合金筒(18)，所述的碳纖維增強合金筒(18)內(nèi)形成有加熱腔(17)，所述的碳纖維增強合金筒(18)上設(shè)有電阻絲(11)，所述的電阻絲(11)通過電源開關(guān)(14)與加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀(27)電連接，所述的加熱腔溫度監(jiān)測與控制儀(27)電連接有熱電耦(26)，在所述的保溫倉(19)上設(shè)有與所述的加熱腔(17)兩端口分別對應(yīng)的可調(diào)保溫倉門(15)，所述的可調(diào)保溫倉門(15)上設(shè)有調(diào)節(jié)滑道(9)，在所述的保溫倉(19)上設(shè)有與所述的調(diào)節(jié)滑道(9)對應(yīng)的定位螺柱(10)，所述的可調(diào)保溫倉門(15)可沿所述的調(diào)節(jié)滑道(9)上下移動，所述的可調(diào)保溫倉門(15)上設(shè)有與所述的加熱腔(17)和所述的熱電耦(26)對應(yīng)的熱電耦出入孔(16)，所述的支架(13)上設(shè)有調(diào)平裝置。
2、按照權(quán)利要求1所述的用于巖石沖擊實驗的試樣加熱裝置，其特征在于 所述的調(diào)平裝置為設(shè)在所述的支架(13)上四角的四個找平螺栓(12)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于巖石沖擊實驗的試樣加熱裝置，可用于巖石SHB(Split Hopkinson Bar)和動靜組合加載等巖石沖擊實驗，屬于巖石力學(xué)研究領(lǐng)域。裝置包括調(diào)節(jié)滑道(9)，定位螺柱(10)，電阻絲(11)，找平螺栓(12)，支架(13)，電源開關(guān)(14)，可調(diào)保溫倉門(15)，熱電耦出入孔(16)，加熱腔(17)，碳纖維增強合金筒(18)和保溫倉(19)。本發(fā)明通過使用耐沖擊、耐高溫的碳纖維增強合金筒、可調(diào)保溫倉門和裝置底座的四個調(diào)平螺栓，實現(xiàn)巖石沖擊實驗過程中試樣的持續(xù)恒定高溫和沖擊應(yīng)力波加載的同步進行，為深部巖石力學(xué)研究提供了一種獨特的實驗裝置。
文檔編號G01N3/30GK101403665SQ200810143629
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月17日
發(fā)明者周子龍, 尹土兵, 李夕兵, 科 高 申請人:中南大學(xué)