單根立，國家寧

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

0 前言

壓剪試驗是材料行業(yè)常用的檢驗各種建筑材料力學性能的一種試驗方法。大型多功能壓剪試驗機主要用于公路、鐵路，橋梁以及建筑結(jié)構(gòu)用的板式、盆式橡膠支座及球型支座力學性能檢測和大型結(jié)構(gòu)件及模型的力學性能試驗，可對橡膠材料或成品進行抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、抗剪黏結(jié)性能、摩擦因數(shù)、轉(zhuǎn)角等試驗，也可進行其他金屬或非金屬材料的抗壓強度試驗。隨著國內(nèi)超大型橋梁建設以及大型建筑抗振性能要求，超大型隔振橡膠支座和摩擦擺支座逐漸增加，其性能檢測和產(chǎn)品設計需要的超大型壓剪試驗機的市場需求也增加了。

在國內(nèi)，某公司為滿足自身生產(chǎn)的鐵路橋梁支座出廠產(chǎn)品質(zhì)量檢測和產(chǎn)品研發(fā)的需求，于2006年引進意大利ALGA公司的52 MN試驗機。西南交通大學聯(lián)合有關企業(yè)于2011年開始開展120 MN橋梁支座試驗機理論研究。2016年，吉林大學盧建國重點設計了試驗機機架結(jié)構(gòu)，但對液壓系統(tǒng)以及試驗過程中遇到的問題沒有詳細說明。國內(nèi)外比較先進的試驗機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了許多性能良好的試驗機，這些試驗機的功能較為單一，且結(jié)構(gòu)載荷較小，大多在50 MN以下。由以上可知，國內(nèi)外研制的專用于橋梁支座大型壓剪多功能試驗機較少，基本以30 MN以下的機型為主。

目前，普通壓剪試驗機在進行試驗時尚且存在很多問題:如試驗機在進行支座拉伸試驗時，由于豎向壓力和拉伸力相差很大，且一般力傳感器精度下限約為4‰，會造成測量拉伸力不準的問題；在進行剪切試驗時，由于壓緊裝置安裝位置不恰當，與變形后橡膠層產(chǎn)生干涉的問題；進行高頻或者多次剪切試驗后，導衛(wèi)裝置變形，從而引起豎向加載中心發(fā)生偏移，豎向液壓缸和活塞桿磨損嚴重的問題；工程橡膠支座上樣困難以及上樣后定位不準導致豎向加載力時沒有作用到橡膠支座中心而造成的試驗數(shù)據(jù)檢測不準等問題。

為克服以上問題，本文作者以提高試驗數(shù)據(jù)檢測的準確性為主旨，設計具有自動上樣及定位裝置的新型壓剪試驗機結(jié)構(gòu)。

1 壓剪試驗機機械結(jié)構(gòu)設計

1.1 壓剪試驗機主機結(jié)構(gòu)

橋梁支座檢測多功能壓剪試驗機主機須設計豎向壓緊試驗系統(tǒng)、水平剪切試驗系統(tǒng)和轉(zhuǎn)角試驗系統(tǒng)，這三大試驗系統(tǒng)可獨立或聯(lián)合開展試驗。所研制的試驗機以上述三大系統(tǒng)作為基礎，按照結(jié)構(gòu)與功能相適應、易安裝、易維護、運行穩(wěn)定等原則進行組合設計。試驗機整體以鑄鋼為主材料搭建，總高度達5 m，通過調(diào)整上置油缸控制試樣空間。所設計的壓剪試驗機使用電液伺服系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗機主機結(jié)構(gòu)

1.2 自動上樣與定位裝置

試驗機自動上樣及定位裝置主要包括升降平臺定位系統(tǒng)、平臺自動上樣系統(tǒng)和二次定位油缸自動定位系統(tǒng)。工作人員將工程橡膠支座參數(shù)輸入觸摸屏，二次定位油缸活塞桿根據(jù)輸入信息伸出設定好的長度后，水平移動油缸活塞桿帶動整個升降平臺進行移動。將需要檢測的工程橡膠支座放置在升降平臺上，兩個一次定位油缸伸出把橡膠支座推向承壓側(cè)板進行一次定位。步進電機啟動，通過轉(zhuǎn)角器帶動蝸輪絲杠升降機使升降平臺上升。升降平臺上升到指定位置后，液壓馬達轉(zhuǎn)動將輔助定位撥片旋轉(zhuǎn)，上樣油缸根據(jù)橡膠支座尺寸選擇伸出一個或者兩個油缸活塞桿以將橡膠支座推到下壓板上。自動上樣及定位裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動上樣及定位裝置總體結(jié)構(gòu)

1.3 試驗機主機關鍵性問題及解決方法

(1)試驗機進行拉伸試驗時力檢測不準確

工程橡膠支座進行拉壓試驗時，壓力和拉力數(shù)值相差很大，尤其是在大噸位壓剪試驗機上表現(xiàn)得更加明顯，出現(xiàn)由于拉壓傳感器精度問題導致的拉伸力檢測不準。本文作者提出新型結(jié)構(gòu)，在原有壓力傳感器的基礎上新增小噸位拉伸傳感器，如圖3所示。承壓板2與上壓板1焊接，拉伸傳感器固定在上壓板1上，連接螺釘4與拉伸力傳感器6連接在一起。當進行壓剪試驗時，傳感器連接板3作用于承壓板2和上壓板1上進行豎向加載，拉伸傳感器連接螺釘與傳感器連接板未接觸，拉伸力傳感器不檢測力值；當進行橡膠支座拉伸試驗時，傳感器連接板3上移與承壓板2分離，與拉伸傳感器連接螺釘接觸，拉伸力傳感器開始檢測拉力。

圖3 新型拉伸力檢測工裝

(2)壓緊裝置的定位無法滿足各種型號支座的需求

橡膠支座在進行大噸位壓剪試驗時，支座會產(chǎn)生很大的剪切位移，橡膠層和水平面的夾角會變得很小。大量統(tǒng)計結(jié)果顯示，一般橡膠支座橡膠層和連接板左右距離約為50 mm，壓緊裝置固定在連接板的4個角位置可防止與橡膠層發(fā)生干涉。

一般的壓緊裝置通過T形槽固定在上壓板和下壓板上，由于T形槽間距是固定的，無法適應各種型號的橡膠支座進行合理壓緊。本文作者設計新型上下壓板開槽方式，由4個角向中心開鑿，壓緊裝置固定在絲杠滑塊上，通過絲杠直線運動，可以準確定位到矩形和圓形2種橡膠支座連接板的4個角，大大減少上下壓板的T形槽數(shù)量，如圖4所示。

圖4 新型下壓板

(3)試驗機試驗時造成導衛(wèi)裝置變形失效

試驗機的導衛(wèi)裝置在進行高頻或者多次的剪切試驗后，易發(fā)生變形，導致豎向加載困難，損耗加大及豎向壓力中心偏移等問題。此設計新增側(cè)板，連接上橫梁和底座，安裝高強度滾柱直線導軌，既可以增加反應力架整體的強度，也可以防止導衛(wèi)裝置發(fā)生形變，如圖5所示。

圖5 新型導衛(wèi)裝置

2 液壓系統(tǒng)設計

2.1 主機液壓系統(tǒng)

主機液壓系統(tǒng)最高壓力設定為28 MPa，主要由豎向加載油路和橫向剪切油路組成。豎向加載過程需要4個加載液壓缸保持同步，進行保壓時保持壓力穩(wěn)定在國家標準范圍之內(nèi)。進行高頻剪切試驗時，需要大流量液壓油進行系統(tǒng)油液補充。根據(jù)主要技術要求實現(xiàn)此壓剪試驗機功能，設計對應的液壓原理圖，如圖6所示。

圖6 主機液壓原理

此設計選用恒壓變量泵1在進行流量適應性調(diào)節(jié)時，壓力變動十分微小，可視為恒壓油源。泵出的壓力油通過高壓精密濾油器3主油路、通信器4檢測濾油器是否發(fā)生堵塞。壓力油從濾油器流出后經(jīng)過先導式電磁卸荷溢流閥7進行空載啟動，通過先導式卸荷溢流閥先進行卸荷，空載運行一段時間后，先導閥電磁鐵斷電，作為普通溢流閥使用。然后，壓力油經(jīng)過插裝閥分成4路進入工作油路。選擇插裝閥可實現(xiàn)大功率控制，插裝閥為尺寸緊湊的錐閥式結(jié)構(gòu)，通流能力強，切換時控制容積小，而且沒有滑閥式液壓閥的“正遮蓋”概念，可高速切換。系統(tǒng)回油路安裝有背壓閥，可以改善執(zhí)行機構(gòu)的運動平穩(wěn)性。

2.1.1 豎向加載液壓缸油路

壓力油通過精密濾油器，伺服閥10右側(cè)電磁鐵通電后，經(jīng)過液控單向閥11進入豎向液壓缸無桿腔，4個液壓缸進行同步加載，豎向加載油缸進入保壓狀態(tài)時伺服閥斷電。此設計選擇O形中位機能的伺服閥，以提高換向位置精度，在進行保壓時保持壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，液控單向閥關閉可以使油路自鎖。豎向加載完成后伺服閥左側(cè)電磁鐵通電，豎向加載液壓缸活塞桿收回。通過伺服閥控制豎向加載液壓缸，再輔助以反應力架結(jié)構(gòu)的導衛(wèi)裝置可以保證豎向加載的4個液壓缸保持同步。

2.1.2 剪切液壓缸油路

壓力油通過2個伺服閥進入剪切液壓缸，完成剪切試驗。在進行剪切試驗時，頻率最快要求達到0.47 Hz，在此設計中采用雙伺服閥并聯(lián)的方式來滿足橫向剪切時大流量的需求。這樣液壓系統(tǒng)對每個伺服閥的流量需求較低，可以選用高頻響、中等流量的伺服閥。對并聯(lián)的2個伺服閥進行同步控制，可解決閥芯運動不同步所造成的流量減小和液壓沖擊等問題。為滿足大流量需求，開啟多個蓄能器組，每個高壓蓄能器組出口都安裝有通流能力強的插裝閥，以及時補液。

2.2 自動上樣與定位裝置液壓系統(tǒng)

為完成橡膠支座自動上樣及定位的任務，設計如圖7所示的液壓系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由3個液壓回路構(gòu)成，包括水平移動油缸液壓回路、二次定位油缸液壓回路和一次定位油缸，液壓馬達同上樣油缸聯(lián)動油路。

圖7 自動上樣裝置液壓原理

定量泵1輸出壓力油進入先導式卸荷溢流閥2，先導閥得電，油泵空載啟動。壓力油通過單向閥進入6組執(zhí)行機構(gòu)液壓油路，在回油路安裝單向閥14可以使各執(zhí)行機構(gòu)在執(zhí)行動作時平穩(wěn)運行。

2.2.1 水平移動缸油路

壓力油進入高速三位四通電磁換向閥4，采用中位機能為O形的電磁換向閥可以保證油缸活塞桿水平移動到達指定位置后不會移動。蓄能器6吸收換向閥閥芯移動產(chǎn)生的液壓沖擊，同時也可以補償泄漏，起到保壓的作用。在二次定位油缸完成動作后，水平油缸活塞桿通過換向閥更換機能進行左右移動，帶動整個升降裝置進入指定位置。液壓油經(jīng)過液控單向閥5進入水平移動油缸，安裝液控單向閥可使水平移動缸形成自鎖油路，保證在上樣過程中試樣順利到達下壓板中心。

2.2.2 二次定位缸油路

二次定位缸油路在水平缸油路基礎上安裝了1個分流器9，使位于下壓板兩側(cè)的3個定位油缸順利到達指定位置。當位移傳感器檢測的位移量達到PLC計算二次定位缸所需位移量時，換向閥返回中位。此油路中采用的是高速開關閥，可保證在到達指定位置后二次定位缸活塞桿快速鎖死。

2.2.3 一次定位油缸、液壓馬達同上樣油缸聯(lián)動油路

壓力油一路進入液壓馬達油路，通過減壓閥12可以調(diào)定馬達進出口壓力，接著通過換向閥進入液壓馬達11，同時安裝2個節(jié)流閥10控制流量。液壓馬達帶動輔助定位撥片旋轉(zhuǎn)90°，保證橡膠支座順利進入下壓板。一路壓力油通過減壓閥進入一次定位油缸，同上樣油缸聯(lián)動油路，一次定位油缸同上樣油缸的系統(tǒng)壓力應小于二次定位油缸油路系統(tǒng)壓力，這樣才能保證支座定位的準確性。一次定位油缸和上樣油缸之間安裝有單向順序閥13，當一次定位油缸加載到一定壓力時，上樣油缸開始送樣。

3 結(jié)論

本文作者設計了包含自動上樣和定位裝置的新型壓剪試驗機結(jié)構(gòu)和便于應用的液壓系統(tǒng)，解決了拉伸試驗檢測拉伸力值不準、進行水平剪切時壓緊裝置與支座橡膠層產(chǎn)生干涉、導衛(wèi)裝置變形失效、橡膠支座上樣困難以及定位不準等問題；設計了新型拉伸力檢測工裝、上下壓板結(jié)構(gòu)、導衛(wèi)裝置以及自動上樣及定位裝置。結(jié)果表明：所設計的大型壓剪試驗機具有準確可靠、運行平穩(wěn)、試驗方便等特點，提高了工作效率，為減隔振橡膠支座大型壓剪試驗機結(jié)構(gòu)的設計與優(yōu)化提供參考。