用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置及操作方法

1.本发明涉及岩石类材料测量设备技术领域，具体涉及用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置及操作方法。


背景技术：

2.地下岩石工程灾后修复的安全性设计，以及防护抗爆性能的稳定性评估等也均涉及到高温环境下岩石的冲击力学特征，这都需要对高温与冲击荷载耦合作用下岩石的动力学特性进行系统深入的研究；所以，高温条件下岩石动力学特性的研究既是重要的理论问题，又是重大的工程问题；采用分离式霍普金森压杆研究岩石的高温动态力学特性存在诸多问题：与岩石材料高温静态试验相比，开展岩石材料的高温动态测试存在较大的难度，这是因为，在常规的霍普金森压杆装置上形成高温环境非常困难，主要体现在两个方面：一是需要在试样上形成内外一致的均匀温度场；二是同时还要尽可能的减小试样以及周围环境中的高温对于输入和输出杆的影响；
3.被广泛采用的常规解决办法：(1)采用独立加温装置将试样加热到目标温度，整个过程中输入杆及输出杆隔绝于热源之外；(2)采用恒温装置对试样进行一定时间预设温度的恒温补偿；(3)待试样的温度稳定后，迅速完成试样与输入杆及输出杆的组装后立即进行加载试验，这种加热方法不需要考虑温度对导杆的影响，也无须对冲击试验所测数据进行修正处理，所以成为普遍接受的测试方法；但是这种操作方法存在弊端：(1)将整个高温施加环节拆分成了加温和恒温独立的两个步骤，增加了试验的难度，降低了测试的效率；(2)试样从加温装置到恒温装置的转移过程中的温度散失很难进行精确估算，相关过程是否会对试样产生损伤影响尚未可知；(3)恒温装置需要对加温后的试样进行温度补偿，很难控制每次恒温补偿的程度，无法保证试样高温工况的一致性；
4.基于此，亟需设计一种用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置，以解决上述现有技术存在的问题。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置及操作方法，本装置通过高温箱、加热炉和夹头的设置，有效的解决了采用分离式霍普金森压杆研究岩石的高温动态力学特性试验过程中的复杂步骤，最大程度还原了实时高温环境的模拟工况；同时，极大的提高了测试效率，整合了加温和恒温两个测试过程，具有操作简单、测试效率和测试精度高的特点。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置，包括
8.高温箱，所述高温箱包括高温箱盖、导向件和高温箱外壳，其中所述导向件设置在高温箱盖与高温箱外壳之间，且在高温箱盖上设置有第一驱动机构和第一自动给料机构；
9.加热炉，所述加热炉与高温箱连接，包括加热炉盖、转轮和加热炉外壳，所述转轮
设置在加热炉盖与加热炉外壳之间，所述加热炉盖上设置有第二驱动机构和第二自动给料机构，且在加热炉外壳上还设置有加载机构；
10.夹头，所述夹头设置在导向件和转轮内；
11.且在所述高温箱和加热炉内均设置有加热电阻丝。
12.优选的，所述的夹头包括夹头外壳、弹簧、圆柱体和滚轮，所述夹头外壳包括一体成形的中部圆盘和限位筒，其中所述中部圆盘和限位筒均为设置有安装孔的筒状结构，所述限位筒对称设置在中部圆盘两端；所述限位筒内设置有触件安装槽，所述圆柱体通过弹簧设置在触件安装槽内，所述滚轮转动设置在圆柱体前端的滚轮安装槽内，且与试样配合使用。
13.优选的，所述的导向件对称设置的两个立面上均开设有相同的弧形轨道，所述弧形轨道与限位筒配合使用，将夹头安装在导向件内，且所述夹头在弧形轨道内满布设置，并沿着弧形轨道运动。
14.优选的，所述的第一驱动机构包括第一驱动电机和驱动件，所述第一驱动电机通过轴承安装在高温箱盖外侧，所述驱动件转动安装在导向件上，包括连接轴和驱动盘，所述连接轴穿过导向件上的连接孔设置，所述驱动盘对称设置在连接轴的两端，且在所述驱动盘上均设置有至少一个驱动槽，所述驱动槽与夹头的限位筒配合使用，且在靠近第一驱动电机一侧的驱动盘上还设置有第一连轴槽，所述第一连轴槽与第一驱动电机连接。
15.优选的，所述的第一自动给料机构包括第一给料组件和第二给料组件，所述第一给料组件包括设置在高温箱盖上的试样存储斗和第一液压给料件，所述试样存储斗呈倒置漏斗状，且试样存储斗的下端与设置在高温箱盖上的第一给料口连通，所述第一液压给料件设置在第一给料口外侧，且与夹头配合使用；所述第二给料组件为设置在高温箱盖上的第二液压给料件，所述第二液压给料件设置在高温箱盖上的第一推孔外侧，且与设置在高温箱外壳上的第一出料口、设置在加热炉外壳上的第二进料口配合使用。
16.优选的，所述的转轮转动安装在加热炉外壳内，且在所述转轮内设置有若干夹头安装槽，所述夹头安装槽与夹头配合使用，所述转轮的中心处还设置有第二连轴槽，所述第二连轴槽与第二驱动机构配合使用；所述第二驱动机构包括第二驱动电机和传动组件，所述传动组件设置在第二驱动电机的驱动端。
17.优选的，所述的传动组件为设置在第二驱动电机端部的驱动轴，所述驱动轴与第二连轴槽连接。
18.优选的，所述的传动组件包括第一啮合件和第二啮合件，所述第一啮合件和第二啮合件均为双层结构，其中
19.所述第一啮合件设置在第二驱动电机的驱动端，包括第一齿轮件和间歇性啮合齿，所述间歇性啮合齿设置在第一齿轮件外侧；
20.所述第二啮合件包括第二齿轮件和间歇性齿轮件，所述第二齿轮件设置在间歇性齿轮件外侧，与间歇性啮合齿啮合，所述间歇性齿轮件与第一齿轮件啮合，且在所述间歇性齿轮件上还设置有让位缺口。
21.优选的，所述的第二自动给料机构为第三液压给料件，所述第三液压给料件设置在加热炉盖上，且设置在加热炉盖上的第三给料口外侧，与设置在加热炉外壳上的第二出料口配合使用；
22.所述加载机构包括滑动件、清理盖、入射杆和透射杆，所述滑动件设置在第二出料口外侧，与加热炉外壳固定连接，且在所述滑动件内设置有滑道与试样配合使用，所述清理盖通过销栓安装在滑动件下端，在滑动件下端部形成冲击槽与试样配合使用，所述入射杆和透射杆对称安装在冲击槽的两端，且在所述冲击槽的两端还设置有橡胶塞。
23.用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置的操作方法，包括
24.步骤一：首先在对试样进行加热的过程中，打开第一驱动机构的电机工作，通过电机带动夹头沿着设置在导向件上的轨道运动，并通过第一自动给料机构给夹头内以设定时序频率将试样送入高温箱内进行加热；
25.步骤二：在加热完成后，再通过第一自动给料机构将加热完毕的试样推入加热炉进行下一步实验；
26.步骤三：在试样进入到加热炉内的夹头上时，第二驱动机构的电机工作，带动试样旋转，转至加载机构所在位置时，通过第二自动给料机构再将试样以设定时序频率推入加载机构内；
27.步骤四：加载机构在得到试样后，安装入射杆和透射杆，并对试样进行冲击试验，在实验完成后，收集试样碎片并对装置进行清理。
28.本发明的有益效果是：本发明公开了用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置及操作方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：
29.1.本发明设计了一种用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置，包括高温箱、加热炉和夹头，所述高温箱与加热炉固定连接，在实验过程中高温箱与加热炉实现了无缝连接，高温箱与加热炉的一体化省去了把试样从高温箱取出再送到加热炉中温度补偿的过程，有效的提高了实验效率；
30.2.本装置通过在导向件上设置弧形轨道，以及第一驱动机构、第一自动给料机构、第二驱动机构、第二自动给料机构和加载机构的集成化设置，实现了试样时序加热和时序冲击清理加热炉(加入试样的时间间隔等于清理加热炉的时间)，从而达到了所有试样加热时间相同的目的，有效的实现了试样的流水实验，使得实验过程全程自动化控制，使得实验过程更加简单；
31.3.本装置通过设计一种新型的夹头，在使用时能够实现对不同直径尺寸试样的夹持，使用简单方便，具有操作简单、测试效率和测试精度高的优点。
附图说明
32.图1为本发明加温-恒温一体化装置的结构示意图。
33.图2为本发明加温-恒温一体化装置的分解图。
34.图3为本发明驱动件的结构示意图。
35.图4为本发明高温箱盖的剖视图。
36.图5为本发明实施例2加热炉的结构示意图。
37.图6为本发明实施例2加热炉的分解图。
38.图7为本发明实施例2转轮的剖视图。
39.图8为本发明实施例2加热炉外壳的后视图。
40.图9为本发明转轮及其安装结构的结构示意图
41.图10为本发明转轮的后视图。
42.图11为本发明夹头的结构示意图。
43.图12为本发明夹头的分解图。
44.图13为本发明夹头外壳侧视角度的剖视图。
45.图14为本发明夹头外壳主视角度的剖视图。
46.图15为本发明实施例3加热炉的结构示意图。
47.图16为本发明实施例3第一啮合件的结构示意图。
48.图17为本发明实施例3第二啮合件的结构示意图。
49.图18为本发明实施例3第二啮合件的剖视图。
50.其中：1.高温箱，1-1.高温箱盖，1-1-1.第一给料口，1-1-2.第一推孔，1-2.驱动件，1-2-1.第一连轴槽，1-2-2.连接轴，1-2-3.驱动盘，1-2-4.驱动槽，1-3.导向件，1-3-1.弧形轨道，1-4.高温箱外壳，1-4-1.第一出料口，1-5.第一驱动电机，1-6.第二液压给料件，1-7.第一液压给料件，1-8.试样存储斗，2.夹头，2-1.夹头外壳，2-1-1.中部圆盘，2-1-2.限位筒，2-1-3.触件安装槽，2-2.弹簧，2-3.圆柱体，2-4.滚轮，3.加热炉，3-1.加热炉盖，3-2.转轮，3-2-1.夹头安装槽，3-2-2.第二连轴槽，3-3.加热炉外壳，3-3-1.第二进料口，3-3-2.第二出料口，3-4.清理盖，3-5.橡胶塞，3-6.销栓，3-7.第二驱动电机，3-8.滑动件，3-8-1.滑道，3-9.第三液压给料件，3-0.冲击槽，4.入射杆，5.透射杆，6.第一啮合件，6-1.第一齿轮件，6-2.间歇性啮合齿，7.第二啮合件，7-1.第二齿轮件，7-2.间歇性齿轮件，7-2-1.让位缺口，7-3.键轴。
具体实施方式
51.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
52.实施例1：参照附图1-18，为了在霍普金森加载实验前，对试样进行加热，以便进行不同温度条件下的岩石霍普金森实验，所述的用于霍普金森压杆的加温-恒温一体化装置，包括
53.高温箱1，所述高温箱1为箱体结构，包括相互配合使用的高温箱盖1-1、导向件1-3和高温箱外壳1-4，其中所述导向件1-3通过螺栓件安装在高温箱盖1-1与高温箱外壳1-4之间，且在所述高温箱盖1-1上设置有用于上料的第一驱动机构和第一自动给料机构；
54.夹头2，所述夹头2设置在导向件1-3内，且与第一驱动机构和第一自动给料机构均配合使用，在第一驱动机构驱动下，沿着设置在导向件1-3上的轨道运动，对放入夹头2的试样进行传递。
55.优选的，为了保证试验时高温箱1内的温度，对试样进行加热，在所述的高温箱外壳1-4内部设置有加热电阻丝，在使用过程中对试样进行加热。
56.优选的，为便于安装夹头2，设计所述的导向件1-3为内部中空的箱体结构，且在导向件1-3对称设置的两个立面上均开设有相同的弧形轨道1-3-1，所述夹头2通过弧形轨道1-3-1安装在导向件1-3内，且夹头2在弧形轨道1-3-1内满布设置，在使用时，通过第一驱动机构带动夹头2沿着弧形轨道1-3-1运动，对放入夹头2的试样进行传递。
57.优选的，为便于驱动所述夹头2运动，设计所述的第一驱动机构包括第一驱动电机
1-5和驱动件1-2，所述第一驱动电机1-5通过轴承安装在高温箱盖1-1的外侧，所述驱动件1-2与第一驱动电机1-5动力连接，且转动安装在导向件1-3上，在使用时，通过第一驱动电机1-5带动驱动件1-2转动，所述驱动件1-2与夹头2配合使用，继而在驱动件1-2转动的过程中带动夹头2沿着弧形轨道1-3-1运动。
58.优选的，为便于带动夹头2运动，设计所述的驱动件1-2包括连接轴1-2-2和驱动盘1-2-3，所述连接轴1-2-2穿过导向件1-3上的连接孔设置，所述驱动盘1-2-3对称设置在连接轴1-2-2的两端，且在所述驱动盘1-2-3上均设置有至少一个驱动槽1-2-4，所述驱动槽1-2-4与夹头2配合使用，因此驱动盘1-2-3在转动过程中通过驱动槽1-2-4的作用带动夹头2沿着弧形轨道1-3-1运动；且在靠近第一驱动电机1-5一侧的驱动盘1-2-3上还设置有第一连轴槽1-2-1，所述第一连轴槽1-2-1与第一驱动电机1-5的驱动轴配合使用，通过第一驱动电机1-5带动驱动件1-2转动。
59.优选的，所述的驱动槽1-2-4等距设置，可以实现对于夹头2的间歇性输送，便于将试样推入夹头2内，同时便于夹头2内的试样的推出。
60.优选的，为便于上料，所述的第一自动给料机构包括第一给料组件和第二给料组件，所述第一给料组件包括设置在高温箱盖1-1上的试样存储斗1-8和第一液压给料件1-7，所述试样存储斗1-8呈倒置漏斗状，且试样存储斗1-8的下端与设置在高温箱盖1-1上的第一给料口1-1-1位置吻合，所述第一液压给料件1-7设置在第一给料口1-1-1的外侧，用于将试样存储斗1-8内的试样通过第一给料口1-1-1推入夹头2内，随夹头2在高温箱1内运动，进行加热。
61.优选的，所述的第二给料组件为设置在高温箱盖1-1上的第二液压给料件1-6，所述第二液压给料件1-6设置在高温箱盖1-1上的第一推孔1-1-2外侧，且与设置在高温箱外壳1-4上的第一出料口1-4-1配合使用，在使用时，通过第二液压给料件1-6将高温箱1内的夹头2上的试样推出，进行下一步实验。
62.优选的，所述的第一液压给料件1-7和第二液压给料件1-6均为液压杆。
63.本实施例所述加温-恒温一体化装置的使用过程和使用原理包括：
64.首先在对试样进行加热的过程中，打开第一驱动电机1-5，通过第一驱动电机1-5带动夹头2沿着弧形轨道1-3-1运动；然后在试样存储斗1-8内放入试样，利用第一液压给料件1-7将试样以一定设定时序频率送入夹头2内，进行流水线形式的加热过程，在加热完毕后，利用第二液压给料件1-6将高温箱1内的夹头2上的试样从高温箱1内推出，进行下一步实验。
65.实施例2：与实施例1不同的是，为对经实施例1加热后的试样进行恒温保温，避免试样在实验时温度发生变化，影响试验进度，同时进行试样的霍普金森加载实验，所述的加温-恒温一体化装置还包括加热炉3，
66.所述加热炉3为与高温箱1固定连接的圆形加热盘，包括加热炉盖3-1、转轮3-2和加热炉外壳3-3，所述转轮3-2通过螺栓件安装在加热炉盖3-1与加热炉外壳3-3之间，且在转轮3-2内设置有夹头2，所述加热炉盖3-1上设置有第二驱动机构和第二自动给料机构，通过第二驱动机构带动转轮3-2转动，对试件2进行传递，且在所述加热炉外壳3-3上设置有加载机构对试样进行霍普金森加载实验。
67.优选的，为进行保温，所述的加热炉外壳3-3内设置有加热电阻丝，用于保证加热
炉3内的温度，起到给试样恒温的作用。
68.优选的，所述的转轮3-2转动安装在加热炉外壳3-3内，且为便于安装夹头2，在所述的转轮3-2内等距设置有若干夹头安装槽3-2-1，所述夹头安装槽3-2-1与夹头2配合使用，同时为便于与第二驱动机构配合使用，在所述的转轮3-2中心处还设置有第二连轴槽3-2-2，所述第二连轴槽3-2-2与第二驱动机构配合使用，使用时通过第二驱动机构带动转轮3-2旋转，对夹头2进行传递。
69.优选的，为便于驱动转轮3-2转动，对转轮3-2内夹头2上的试样进行传递，设计所述的第二驱动机构包括第二驱动电机3-7和传动组件，所述传动组件设置在第二驱动电机3-7的驱动端，所述传动组件为设置在第二驱动电机3-7端部的驱动轴，所述驱动轴与第二连轴槽3-2-2连接，在使用时通过第二驱动电机3-7带动转轮3-2转动。
70.优选的，为便于在第二液压给料件1-6将高温箱1内的夹头2上的试样推出后，可以直接进入到转轮3-2上的夹头2内，在所述的加热炉外壳3-3上设置有第二进料口3-3-1，所述第二进料口3-3-1与第一出料口1-4-1配合使用。
71.优选的，为便于将转轮3-2上的夹头2内的试样推入加载机构内进行实验，设计所述的第二自动给料机构为第三液压给料件3-9，所述第三液压给料件3-9设置在加热炉盖3-1上，且设置在加热炉盖3-1上的第三给料口外侧，与设置在加热炉外壳3-3上的第二出料口3-3-2配合使用，在使用时，通过第三液压给料件3-9将转轮3-2上的夹头2内的试样从第二出料口3-3-2内推出，进入到加载机构内进行实验。
72.所述的加载机构包括滑动件3-8、清理盖3-4、入射杆4和透射杆5，所述滑动件3-8设置在第二出料口3-3-2的外侧，与加热炉外壳3-3固定连接，且在滑动件3-8内设置有滑道3-8-1与试样配合使用，所述清理盖3-4通过销栓3-6安装在滑动件3-8的下端，形成筒状的冲击槽3-0与试样配合使用，所述入射杆4和透射杆5对称设置在冲击槽3-0的两端，对试样进行霍普金森加载实验，在试样冲击加载试验后，打开清理盖3-4收集试样碎片并清理装置，试验时用销栓3-6把清理盖3-4固定到滑动件3-8上即可。
73.优选的，为保护试样，在所述的冲击槽3-0的两端还可拆卸的设置有橡胶塞3-5，在进行冲击试验时通过把橡胶塞3-5取下，插入入射杆4和透射杆5进行实验。
74.优选的，所述的第三液压给料件3-9优选液压杆。
75.本实施例所述加温-恒温一体化装置的使用过程和使用原理包括：
76.在加热炉3的转轮3-2中的夹头2得到经高温箱1加热后的试样后，第二驱动电机3-7工作，带动转轮3-2对夹头2内的试样进行传递，待运动至第三液压给料件3-9处时，第三液压给料件3-9动作将试样推入滑动件3-8内，并沿着滑动件3-8滑至冲击槽3-0内，插入入射杆4和透射杆5进行实验，并在试验后打开清理盖3-4收集试样碎片并清理装置，试验时用销栓3-6把清理盖3-4固定到滑动件3-8上。
77.实施例3，与实施例2不同的是，为了在使用过程中可以通过第二驱动电机3-7驱动转轮3-2间歇性转动，以便于第三液压给料件3-9将试样推出，设计所述的传动组件包括第一啮合件6和第二啮合件7，其中
78.所述第一啮合件6设置在第二驱动电机3-7的驱动端，在使用时，通过第二驱动电机3-7带动第一啮合件6转动；
79.所述第二啮合件7安装在转轮3-2上，且与第一啮合件6间歇性啮合，在使用时，通
过第一啮合件6与第二啮合件7之间的啮合力，带动转轮3-2间歇性转动，便于第三液压给料件3-9将试样推出。
80.优选的，为实现第一啮合件6与第二啮合件7的间歇性啮合，设计所述的第一啮合件6和与第二啮合件7均为双层结构，其中
81.所述第一啮合件6包括第一齿轮件6-1和间歇性啮合齿6-2，所述间歇性啮合齿6-2为设置在第一齿轮件6-1外侧的单啮合齿；
82.所述第二啮合件7包括第二齿轮件7-1和间歇性齿轮件7-2，所述第二齿轮件7-1设置在间歇性齿轮件7-2的外侧，与间歇性啮合齿6-2相互啮合，所述间歇性齿轮件7-2与第一齿轮件6-1相互啮合，且在所述间歇性齿轮件7-2上设置有让位缺口7-2-1，即在使用时，通过第二驱动电机3-7带动第一齿轮件6-1转动，第一齿轮件6-1通过与间歇性齿轮件7-2之间的啮合力带动第二啮合件7转动，继而带动转轮3-2转动，而当转至间歇性齿轮件7-2的让位缺口7-2-1处时，第二啮合件7不转，第二驱动电机3-7空转，当转至间歇性啮合齿6-2与第二齿轮件7-1相互啮合时，带动第二啮合件7重新转动，越过让位缺口7-2-1所在区域，此时第一齿轮件6-1通过与间歇性齿轮件7-2重新啮合，再次带动第二啮合件7和转轮3-2转动，完成一个循环，周而复始，中间第二啮合件7停顿不转的那个时间段恰好可以实现第三液压给料件3-9将试样推出。
83.优选的，为便于与转轮3-2固定连接，在所述的间歇性齿轮件7-2上还设置有键轴7-3，所述键轴7-3与第二连轴槽3-2-2配合使用。
84.实施例4：与上述实施例不同的是，为便于在使用时实现不同直径的试样的固定，设计所述的夹头2包括夹头外壳2-1、弹簧2-2、圆柱体2-3和滚轮2-4，
85.所述夹头外壳2-1包括一体成形的中部圆盘2-1-1和限位筒2-1-2，其中所述中部圆盘2-1-1和限位筒2-1-2均为设置有安装孔的筒状结构，所述限位筒2-1-2对称设置在中部圆盘2-1-1的两端，且与弧形轨道1-3-1配合使用，并沿着弧形轨道1-3-1滑动；
86.所述限位筒2-1-2内设置有触件安装槽2-1-3，所述圆柱体2-3通过弹簧2-2安装在触件安装槽2-1-3内，且在圆柱体2-3前端设置有滚轮安装槽2-3-1，所述滚轮2-4转动安装在滚轮安装槽2-3-1内，且与试样配合使用，在安装试样时，当试样进入夹头2时会与滚轮2-4接触，滚轮2-4由于弹簧2-2的弹力与试样紧紧贴合，实现对不同直径尺寸试样的夹持。
87.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。