散体矿岩动态粉碎性能测试装置

摘要

一种散体矿岩动态粉碎性能测试装置是以火药爆炸为驱动力的测定散体矿岩动态粉碎性能的装置。该装置可以实现测量散体矿岩在动态粉碎全过程中的应力、位移的变化，同时还可以测试冲击杆的末速度。该装置包括有机座、料筒、刚性框架、冲击杆、装药室、发射筒、起爆系统和测试系统部分。该装置结构简单，冲击末速度可调的范围广，操作方便，作为驱动力的荷载脉冲重复性好。

说明书

本发明是一种以火药爆炸为驱动力的测定散体矿岩动态粉碎性能的装置，它属于松散材料的应力瞬变力学过程和粉碎效果的测定装置，它包括有机座、与其相连的料筒、刚性框架和冲击杆等。

现有技术中，有一种测定整体岩石试样的冲击破碎强度和破碎功的分段霍布金生压杆（如图6），它的原型于1914年由Hopkinson.B提出，其测定方法的实质是：将整体岩石试样30夹在两段钢杆（即弹性输入杆29和弹性输出杆31）之间，经驱动杆28冲击后，通过测定弹性输入杆29的入射波、反射波和弹性输出杆31的透射波即可计算出岩石试样的冲击破碎强度和破碎功，但是它不能用于测定散体矿岩的动态粉碎性能。

还有一种捣碎筒可以测定散体矿岩试样的破碎程度和比功，它是由CblckoB.K.И于1940年提出的，它由机座、料筒、刚性框架和冲击杆四部分构成，料筒置于机座上并通过压盖经螺栓与其连接，刚性框架由刚性连接板与框架经螺旋付连接构成，它置于机座上在料筒外侧，测定时，在料筒内盛装规定高度的散体矿岩试样，再将冲击杆提升至固定高度，自由落下若干次，然后由破碎后的效果推算破碎程度和比功，但利用捣碎筒测定散体矿岩试样有一定的弊端，它不能反应散体矿岩试样的物料内部在粉碎过程中的应力-应变的瞬变信息，另外，由于冲击杆提升高度恒定，其冲击末速度也恒定，然而散体矿岩的动态粉碎过程是一个在冲击荷载作用下的应力瞬变过程，不同的冲击末速度对散体矿岩动态粉碎性能的影响是至关重要的，所以采用恒定的末速度会影响研究散体矿岩的动态粉碎性能。

本发明的目的是提供一种散体矿岩动态粉碎性能的测试装置，它可以反应散体矿岩在冲击荷载作用下的动态粉碎过程中冲击杆的末速度，在散体矿岩料层中的位移以及散体矿岩的应力瞬变过程。

本发明的目的是这样实现的：它由机座、料筒、刚性框架、冲击杆、装药室、发射筒、起爆系统以及测试系统八部分组成，其中料筒置于机座上并通过压盖经螺栓与其连接;刚性框架置于机座上，居于料筒外侧，它由刚性连接板与框架经螺旋付连接构成，框架的上端、下端均有螺纹，以调整冲击杆的位置，保证当冲击杆接触料层瞬间，切断系统能量来源;本发明所述的装置是以火药爆炸为驱动力，它的起爆系统通过顶丝固紧在刚性框架上，由点火头、导线和起爆器组成;装药室设在冲击杆上端部的凹陷园槽内，其内装有的双基发射火药经起爆系统起爆后，火药经化学反应生成高温高压气体，在装药室、发射筒和冲击杆之间形成的发射腔内，高温高压气体推动冲击杆做冲程加速运动;冲击杆上端部外表面设置两条环形槽，两个锁紧垫圈布于其中，与发射筒内表面配合，在静态时悬吊冲击杆，在动态发射筒与冲击杆相对滑动时，增加滑动摩擦力，当发射腔内压力达到极大值以后，还可增加高温高压气体与冲击杆进行能量交换的时间，防止发射腔内的气体在冲击杆加速运动过程中过早地向外泄漏;发射筒与钢性连接板紧固为一体，其下端有4个通孔，其内园表面有一个与通孔贯通的环形槽，形成一个排空发射腔内高温高压气体的通路，切断输入本装置的能量;测试系统的测速度挡光板和测位移挡光板分别通过两处平行光源的照射与光电二极管和光电池触发式连接，光电二极管和光电池又分别通过两个放大器与瞬态波形存贮器相连，测试系统的应力传感器通过电荷放大器与瞬态波形贮存器相连，瞬态波形贮存器连有微机，测速度挡光板和测位移挡光板与冲击杆同步，设在其上距下端部1/3～1/2处，应力传感器埋在料筒内的散体矿岩料层中。

本发明所述的测试装置可以反应散体矿岩在冲击荷载作用下的动态粉碎过程冲击杆的末速度、在散体矿岩料层中的位移以及散体矿岩的应力瞬变的全过程，如图7，图8，图9，图10，图11，图12是三种矿岩的动态粉碎过程的位移一时间和应力时间曲线，本装置还具有结构简单，冲击杆末速度可调范围广等优点。

下面结合附图详细叙述本发明的内容

图1为散体矿岩动态粉碎性能测试装置的总体结构示意图。

图2为冲击杆的部分结构示意图。

图3为发射筒的部分结构示意图。

图4为料筒部分结构示意图。

图5为测试系统的线路图。

图6为分段霍布金生压杆的示意图。

图7为南芬铁矿石S-t曲线。

图8为花岗岩S-t曲线。

图9为砂岩S-t曲线。

图10为南芬铁矿石F-t曲线。

图11为花岗岩F-t曲线。

图12为砂岩F-t曲线。

其中S-位移    t-时间    F-应力

如附图1所示，本发明所述的装置是由机座、料筒、刚性框架、冲击杆、装药室、发射筒、起爆系统以及测试系统八部分组成，其中料筒9置于机座10上并通过压盖12经螺栓13与其连接;刚性框架置于机座10上、居于料筒9外侧，它是由刚性连接板4与框架7经螺旋付连接构成，框架7上端、下端均有螺纹，以调整冲击杆5的位置，保证当冲击杆5接触散体矿岩8料层瞬间切断系统的能量来源;本发明所述的装置是以火药爆炸为驱动力，它的起爆系统1通过顶丝2固紧在刚性框架上，它由点火头、导线和起爆器组成;装药室3设在冲击杆5上端部的凹陷园槽内，其内装有双基发射火药，经起爆系统1起爆后，火药经化学反应生成高温高压气体，在装药室3、发射筒6和冲击杆5之间形成的发射腔32内，高温高压气体推动冲击杆5做冲程加速运动，火药经化学反应释放的理论能量为：

式中，（U^o₂₉₈）_p-火药的初始内能（单位：焦耳/千克）;（H^o₂₉₆）_p-火药标准生成热（单位：焦耳/千克）;m_i-火药第i种组分的重量百分比含量;（）-火药第i种组分的比生成热（单位：焦耳/千克）;冲击杆5上端部外表面设置两条环形槽，两个锁紧垫圈14布于其中，与发射筒6内表面配合，在静态时悬吊冲击杆5，在动态发射筒6与冲击杆5相对滑动时，增加滑动摩擦力，延滞冲击杆5的冲程时间，另外根据内弹道学原理，发射腔32内的气体压力变化趋势有一个瞬间升压过程，当发射腔32内压力达到极大值以后，冲击杆5的锁紧垫圈结构还可增加高温高压气体与冲击杆5进行能量交换的时间，防止发射腔32内的气体在冲击杆5加速运动过程中过早地向外洩漏，本发明装置输入的封闭系统理论能量：

(φ)/2 mV²＝>1-T）

式中，V-冲击杆冲击的末速度（单位：米/秒），m-冲击杆的质量（单位：千克），φ-冲击杆吸收各种形式的能量折算系数;R-火药反应生成的气体常数;ψ-火药燃烧系数;K-火药气体绝热指数;T1-火药生成气体的初始温度，T-火药生成气体做功后的温度;ω-火药质量（单位：千克）;由此式即可估计火药量与冲击杆末速度的关系;发射筒6是与钢性连接板4紧固为一体，其下端有4个通孔15，其内园表面有一个与通孔贯通的环形槽16，形成一个排空发射腔内高温高压气体通路，从而切断输入本发明装置的能量，调整框架7上端或下端的螺纹，即可调整冲击杆5的位置保证当冲击杆5的下端面接触散体矿岩8料层表面的瞬间，则位于冲击杆5上的锁紧垫圈14抵达或低于环形槽16位置，使发射腔内的高温高压气体沿着冲击杆5的外园表面与发射筒6之间的间隙，再经环形槽16和通孔15迅速排出，切断输入试验系统的能量;本发明装置测试系统的测速度挡光板17和测位移挡光板22，与冲击杆5同步运动，设在冲击杆上距下端部1/3～1/2处;应力传感器11设在料筒9内散体矿岩8料层中，测速度挡光板17和测位移挡光板22分别通过平行光源18和23的照射与光电二极管19和光电池24触发式连接，光电二极管19和光电池24又分别通过放大器25与瞬态波形存贮器21相连;应力传感器11通过电荷放大器26也与瞬态波形存贮器21相连，瞬态波形存贮器26与微机27相连，冲击杆5做冲程运动时，冲击杆5上的测速度挡光板17截断平行光源18照射的平行光，相继触发两个有一定距离的光电二极管19，其电压信号通过放大器20进入瞬态波形贮存器21中，从而存贮冲击杆的速度信息，当冲击杆5高速冲击散体矿岩8料层表面瞬间，其上固定的测位移挡光板22完全遮住光电池24，使光电池受光面积为零，线路输出的电压绝对值最小，在应力变化过程中，随着冲击杆5在散体矿岩料层中位移的变化，光电池的受光面积也随之变化，输出的电压信号也随之改变，从而反应出在散体矿岩在动态粉碎过程中冲击杆5在散体矿岩料层中的全部位移信息，这些信息通过放大器25同样输入到瞬态波形存贮器21中，应力信息是由设在散体矿岩8料层内部的应力传感器11传递给电荷放大器26，然后再输入到同一瞬态波形存贮器21中，电源接通后，瞬态波形存贮器21处于采样等待状态，它是采用予留地址的内触发方式，依靠荷载信号本身来触发扫描系统工作，瞬态波形存贮器通过与微机联机即可显示、打印或存贮冲击杆末速度、应力-时间以及位移-时间曲线信息。

本发明技术解决方案中，冲击杆5直径为15-80毫米，长度为300-3000毫米。

本发明技术解决方案中，散体矿岩8粒度小于20毫米，散体矿岩8料层高度为40-60毫米。