一种万能试验机的单向变双向加载钳型夹具

本技术涉及万能试验机夹具，具体为一种万能试验机的单向变双向加载钳型夹具。

背景技术：

1、地下工程是人类未来的重要建设内容，深部岩体的随钻测量技术和设备是未来地下工程勘察钻探和施工钻进过程中的重要技术之一，可在原位钻孔过程中预先获取和掌握岩体特性。数字钻探技术通过实时监测钻探参数如钻速(n)、钻压(f)、扭矩(m)和钻进速率(v)、振动、声强等等，从而可以高效地推断和获取岩体的力学特性，包括岩石类型、状态（例如裂隙发育程度）、抗压强度以及弹性模量等。

2、对现场测试数据的有效分析的基础是建立充分数量的数据库，也就是要实时判定现场钻探过程中不同的扭矩、转速和钻进速度等组合参数能够反映出什么样的岩层和物理力学特性，必然是基于大量实测数据的基础上才可以做到。快速高效准确的获取这些数据，室内钻探随钻试验最为有效经济。

3、地下工程洞室开挖后岩壁一定深度范围内的围岩可认为垂直洞壁方向无荷载（或可以忽略），而远离洞壁的较深处围岩处于一定应力状态，即为二维以及三维应力状态。在实验室开展该二维与三维受力状态下的岩石性能（如水压致裂、数字钻、注浆等）研究，具有重要的科学意义。因而也亟需为试样提供多维加载与钻进功能的设备；本着科学研究由浅入深的惯例，首先需解决二维加载条件下的室内随钻测试问题。

4、现有具有二维加载功能的主要设备是三轴仪，其主要由水或液压油提供围压，其试样尺寸小、不具施钻条件。而万能试验机（压力机）几乎是每个工程实验室必备的试验设备，但仅能提供轴向单向的加载方式。通过发明一种试验夹具，在不增加其他外部动力源的条件下，将万能试验机（压力机）的传统单轴加载方式下（只能进行岩石、混凝土单轴压缩和钢筋拉伸试验）的单向状态转变为双向加载，以较接近实际的模拟岩体的受力状态。从而以极低成本使得众多实验室的万能试验机双向加载得以普及，拓展了单轴压力试验机的用途，极具社会经济效益和科学价值。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，以解决上述背景技术中提出的现有具有二维加载功能的主要设备是三轴仪，其主要由水或液压油提供围压，其试样尺寸小、不具施钻条件。而万能试验机几乎是每个工程实验室必备的试验设备，但仅能提供轴向单向的加载方式的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，钳形板，还包括销孔和万向球，万向球阵列嵌入式安装在钳形板的顶底部，万能试验机的上下压盘与钳形板顶底部的万向球阵列接触，销孔开设在钳形板的中部，销孔处插入有柱式轴承，柱式轴承作为两个钳形板的连接支点，销孔与柱式轴承共同构成了用于钳形夹具的销孔-柱式轴承系统，钳形板由上力臂和下力臂构成，下力臂的横撑端部固定连接有传力板，传力板的一端固定连接有加压板，传力板用于内部夹持加压板。

3、基于本技术方案优选的，上力臂为动力臂，从柱式轴承4中心到顶部万向球接触点的垂直距离为180-220mm，下力臂为阻力臂，从柱式轴承4中心到传力板5作用线的垂直距离为120-150mm。

4、基于本技术方案优选的，万向球采用沉孔结构配合孔用挡圈固定，沉孔采用变曲率球窝设计，球体直径φ2~5mm。

5、基于本技术方案优选的，钳形板的高度为400~500mm，宽度为300 mm. 在钳形板侧面，通过磁吸底座吸附方式，安装低频mems倾角传感器，支持usb/蓝牙双输出。

6、基于本技术方案优选的，柱式轴承为实心圆柱结构，其外径与销孔形成精密过盈配合穿过销孔。

7、基于本技术方案优选的，传力板作为下力臂横撑端部的角钢带，作为力转换中枢，将钳形板的水平力分解传递，传力板的端部设有燕尾型尖角内卡件，加压板背部设有燕尾槽导轨槽，传力板的燕尾型尖角内卡件与加压板的燕尾槽导轨槽适配。

8、基于本技术方案优选的，加压板作为执行终端，设计为直角角钢，用于夹持待加载试样，加压板的燕尾槽导轨，槽深15mm，槽底部铺设0.3mm厚聚四氟乙烯耐磨层。

9、与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

10、1、基于双杠杆-角度耦合的力转换结构设计

11、创新采用x型铰接式双杠杆结构，通过柱式轴承连接两片钳形板形成稳定的铰接支点，实现轴向力至水平力的高效转换。该结构通过精确设计的力臂比和夹角优化，结合力矩平衡方程。实现力传递效率η ≥ 95%，解决了传统万能试验机仅能施加单向荷载的局限，实现了真实二维应力状态的模拟。

12、2、多自由度减阻传力机制

13、在钳形板顶底部嵌入式布置高精度万向球阵列，采用变曲率球窝设计和gcr15轴承钢材质，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，显著降低传力损耗。万向球的多自由度自适应特性可补偿压盘偏转，确保轴向荷载无偏差传递，保障力转换精度。

14、3、模块化可扩展的围压施加系统

15、通过传力板与加压板的燕尾槽导轨接口设计，实现不同尺寸试样的快速更换与适配。加压板内侧设置液压囊结构，有效消除角部应力集中与试样边缘压力衰减，实现围压的自动均衡分布，提升加载均匀性与试验一致性。

16、4、集成化角度监测与反馈控制能力

17、在钳形板侧面通过磁吸底座集成mems倾角传感器，实时监测杠杆夹角变化，并通过spi接口输出数据至控制系统。结合力转换方程，实现水平力f的闭环反馈控制，支持恒围压加载模式，增强试验过程的精确性与可重复性。

18、5、开放式的试样测试界面设计

19、加压板仅包围试样四侧，顶底面自由暴露，支持钻孔、传感器安装、注浆等原位操作，克服了三轴仪等封闭式设备无法开展随钻测量与无损检测的缺陷。该设计为多场耦合试验提供了物理接口，显著拓展了万能试。

1.一种万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：钳形板（1），还包括销孔（2）和万向球（3），万向球（3）阵列嵌入式安装在钳形板（1）的顶底部，万能试验机的上下压盘与钳形板（1）顶底部的万向球（3）阵列接触，销孔（2）开设在钳形板（1）的中部，销孔（2）处插入有柱式轴承（4），柱式轴承（4）作为两个钳形板（1）的连接支点，销孔（2）与柱式轴承（4）共同构成了用于钳形夹具的销孔（2）-柱式轴承（4）系统，钳形板（1）由上力臂（7）和下力臂（8）构成，下力臂（8）的横撑端部固定连接有传力板（5），传力板（5）的一端固定连接有加压板（6），传力板（5）用于内部夹持加压板（6）。

2.根据权利要求1所述的万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：上力臂（7）为动力臂，从柱式轴承(4)中心到顶部万向球（3）接触点的垂直距离为180-220mm，下力臂（8）为阻力臂，从柱式轴承(4)中心到传力板(5)作用线的垂直距离为120-150mm。

3.根据权利要求2所述的万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：万向球（3）采用沉孔结构配合孔用挡圈固定，沉孔采用变曲率球窝设计。

4.根据权利要求3所述的万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：钳形板（1）的高度为400~500mm，宽度为300 mm. 在钳形板（1）侧面，通过磁吸底座吸附方式，安装低频mems倾角传感器，支持usb/蓝牙双输出。

5.根据权利要求4所述的万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：柱式轴承（4）为实心圆柱结构，其外径与销孔（2）形成精密过盈配合穿过销孔（2）。

6.根据权利要求5所述的万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：传力板（5）作为下力臂（8）横撑端部的角钢带，作为力转换中枢，将钳形板（1）的水平力分解传递，传力板（5）的端部设有燕尾型尖角内卡件，加压板（6）背部设有燕尾槽导轨槽，传力板（5）的燕尾型尖角内卡件与加压板（6）的燕尾槽导轨槽适配。

7.根据权利要求6所述的万能试验机的单向变双向加载钳型夹具，其特征在于：加压板（6）作为执行终端，设计为直角角钢，用于夹持待加载试样，加压板（6）的燕尾槽导轨，槽深15mm，槽底部铺设0.3mm厚聚四氟乙烯耐磨层。