減振橡膠支座大型壓剪試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單根立，國家寧

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

0 前言

壓剪試驗(yàn)是材料行業(yè)常用的檢驗(yàn)各種建筑材料力學(xué)性能的一種試驗(yàn)方法。大型多功能壓剪試驗(yàn)機(jī)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(xué)性能檢測(cè)和大型結(jié)構(gòu)件及模型的力學(xué)性能試驗(yàn)，可對(duì)橡膠材料或成品進(jìn)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(yàn)，也可進(jìn)行其他金屬或非金屬材料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。隨著國內(nèi)超大型橋梁建設(shè)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(cè)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要的超大型壓剪試驗(yàn)機(jī)的市場(chǎng)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(cè)和產(chǎn)品研發(fā)的需求，于2006年引進(jìn)意大利ALGA公司的52 MN試驗(yàn)機(jī)。西南交通大學(xué)聯(lián)合有關(guān)企業(yè)于2011年開始開展120 MN橋梁支座試驗(yàn)機(jī)理論研究。2016年，吉林大學(xué)盧建國重點(diǎn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)，但對(duì)液壓系統(tǒng)以及試驗(yàn)過程中遇到的問題沒有詳細(xì)說明。國內(nèi)外比較先進(jìn)的試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了許多性能良好的試驗(yàn)機(jī)，這些試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)較少，基本以30 MN以下的機(jī)型為主。

目前，普通壓剪試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)尚且存在很多問題:如試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)行支座拉伸試驗(yàn)時(shí)，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(huì)造成測(cè)量拉伸力不準(zhǔn)的問題；在進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，由于壓緊裝置安裝位置不恰當(dāng)，與變形后橡膠層產(chǎn)生干涉的問題；進(jìn)行高頻或者多次剪切試驗(yàn)后，導(dǎo)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(yán)重的問題；工程橡膠支座上樣困難以及上樣后定位不準(zhǔn)導(dǎo)致豎向加載力時(shí)沒有作用到橡膠支座中心而造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)不準(zhǔn)等問題。

為克服以上問題，本文作者以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性為主旨，設(shè)計(jì)具有自動(dòng)上樣及定位裝置的新型壓剪試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)。

1 壓剪試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 壓剪試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)

橋梁支座檢測(cè)多功能壓剪試驗(yàn)機(jī)主機(jī)須設(shè)計(jì)豎向壓緊試驗(yàn)系統(tǒng)、水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)，這三大試驗(yàn)系統(tǒng)可獨(dú)立或聯(lián)合開展試驗(yàn)。所研制的試驗(yàn)機(jī)以上述三大系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，按照結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、易安裝、易維護(hù)、運(yùn)行穩(wěn)定等原則進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。試驗(yàn)機(jī)整體以鑄鋼為主材料搭建，總高度達(dá)5 m，通過調(diào)整上置油缸控制試樣空間。所設(shè)計(jì)的壓剪試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 自動(dòng)上樣與定位裝置

試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)上樣及定位裝置主要包括升降平臺(tái)定位系統(tǒng)、平臺(tái)自動(dòng)上樣系統(tǒng)和二次定位油缸自動(dòng)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(shè)定好的長度后，水平移動(dòng)油缸活塞桿帶動(dòng)整個(gè)升降平臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)。將需要檢測(cè)的工程橡膠支座放置在升降平臺(tái)上，兩個(gè)一次定位油缸伸出把橡膠支座推向承壓側(cè)板進(jìn)行一次定位。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，通過轉(zhuǎn)角器帶動(dòng)蝸輪絲杠升降機(jī)使升降平臺(tái)上升。升降平臺(tái)上升到指定位置后，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)或者兩個(gè)油缸活塞桿以將橡膠支座推到下壓板上。自動(dòng)上樣及定位裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)上樣及定位裝置總體結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)機(jī)主機(jī)關(guān)鍵性問題及解決方法

(1)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)力檢測(cè)不準(zhǔn)確

工程橡膠支座進(jìn)行拉壓試驗(yàn)時(shí)，壓力和拉力數(shù)值相差很大，尤其是在大噸位壓剪試驗(yàn)機(jī)上表現(xiàn)得更加明顯，出現(xiàn)由于拉壓傳感器精度問題導(dǎo)致的拉伸力檢測(cè)不準(zhǔn)。本文作者提出新型結(jié)構(gòu)，在原有壓力傳感器的基礎(chǔ)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(dāng)進(jìn)行壓剪試驗(yàn)時(shí)，傳感器連接板3作用于承壓板2和上壓板1上進(jìn)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(cè)力值；當(dāng)進(jìn)行橡膠支座拉伸試驗(yàn)時(shí)，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(cè)拉力。

圖3 新型拉伸力檢測(cè)工裝

(2)壓緊裝置的定位無法滿足各種型號(hào)支座的需求

橡膠支座在進(jìn)行大噸位壓剪試驗(yàn)時(shí)，支座會(huì)產(chǎn)生很大的剪切位移，橡膠層和水平面的夾角會(huì)變得很小。大量統(tǒng)計(jì)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(gè)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(yīng)各種型號(hào)的橡膠支座進(jìn)行合理壓緊。本文作者設(shè)計(jì)新型上下壓板開槽方式，由4個(gè)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(yùn)動(dòng)，可以準(zhǔn)確定位到矩形和圓形2種橡膠支座連接板的4個(gè)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(yàn)機(jī)試驗(yàn)時(shí)造成導(dǎo)衛(wèi)裝置變形失效

試驗(yàn)機(jī)的導(dǎo)衛(wèi)裝置在進(jìn)行高頻或者多次的剪切試驗(yàn)后，易發(fā)生變形，導(dǎo)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(shè)計(jì)新增側(cè)板，連接上橫梁和底座，安裝高強(qiáng)度滾柱直線導(dǎo)軌，既可以增加反應(yīng)力架整體的強(qiáng)度，也可以防止導(dǎo)衛(wèi)裝置發(fā)生形變，如圖5所示。

圖5 新型導(dǎo)衛(wèi)裝置

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)液壓系統(tǒng)

主機(jī)液壓系統(tǒng)最高壓力設(shè)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(gè)加載液壓缸保持同步，進(jìn)行保壓時(shí)保持壓力穩(wěn)定在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。進(jìn)行高頻剪切試驗(yàn)時(shí)，需要大流量液壓油進(jìn)行系統(tǒng)油液補(bǔ)充。根據(jù)主要技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)此壓剪試驗(yàn)機(jī)功能，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的液壓原理圖，如圖6所示。

圖6 主機(jī)液壓原理

此設(shè)計(jì)選用恒壓變量泵1在進(jìn)行流量適應(yīng)性調(diào)節(jié)時(shí)，壓力變動(dòng)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(cè)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(dǎo)式電磁卸荷溢流閥7進(jìn)行空載啟動(dòng)，通過先導(dǎo)式卸荷溢流閥先進(jìn)行卸荷，空載運(yùn)行一段時(shí)間后，先導(dǎo)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(jìn)入工作油路。選擇插裝閥可實(shí)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(qiáng)，切換時(shí)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(jìn)入豎向液壓缸無桿腔，4個(gè)液壓缸進(jìn)行同步加載，豎向加載油缸進(jìn)入保壓狀態(tài)時(shí)伺服閥斷電。此設(shè)計(jì)選擇O形中位機(jī)能的伺服閥，以提高換向位置精度，在進(jìn)行保壓時(shí)保持壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，液控單向閥關(guān)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(yīng)力架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)衛(wèi)裝置可以保證豎向加載的4個(gè)液壓缸保持同步。

2.1.2 剪切液壓缸油路

壓力油通過2個(gè)伺服閥進(jìn)入剪切液壓缸，完成剪切試驗(yàn)。在進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，頻率最快要求達(dá)到0.47 Hz，在此設(shè)計(jì)中采用雙伺服閥并聯(lián)的方式來滿足橫向剪切時(shí)大流量的需求。這樣液壓系統(tǒng)對(duì)每個(gè)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(duì)并聯(lián)的2個(gè)伺服閥進(jìn)行同步控制，可解決閥芯運(yùn)動(dòng)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(gè)蓄能器組，每個(gè)高壓蓄能器組出口都安裝有通流能力強(qiáng)的插裝閥，以及時(shí)補(bǔ)液。

2.2 自動(dòng)上樣與定位裝置液壓系統(tǒng)

為完成橡膠支座自動(dòng)上樣及定位的任務(wù)，設(shè)計(jì)如圖7所示的液壓系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由3個(gè)液壓回路構(gòu)成，包括水平移動(dòng)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(dá)同上樣油缸聯(lián)動(dòng)油路。

圖7 自動(dòng)上樣裝置液壓原理

定量泵1輸出壓力油進(jìn)入先導(dǎo)式卸荷溢流閥2，先導(dǎo)閥得電，油泵空載啟動(dòng)。壓力油通過單向閥進(jìn)入6組執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓油路，在回油路安裝單向閥14可以使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.1 水平移動(dòng)缸油路

壓力油進(jìn)入高速三位四通電磁換向閥4，采用中位機(jī)能為O形的電磁換向閥可以保證油缸活塞桿水平移動(dòng)到達(dá)指定位置后不會(huì)移動(dòng)。蓄能器6吸收換向閥閥芯移動(dòng)產(chǎn)生的液壓沖擊，同時(shí)也可以補(bǔ)償泄漏，起到保壓的作用。在二次定位油缸完成動(dòng)作后，水平油缸活塞桿通過換向閥更換機(jī)能進(jìn)行左右移動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)升降裝置進(jìn)入指定位置。液壓油經(jīng)過液控單向閥5進(jìn)入水平移動(dòng)油缸，安裝液控單向閥可使水平移動(dòng)缸形成自鎖油路，保證在上樣過程中試樣順利到達(dá)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(chǔ)上安裝了1個(gè)分流器9，使位于下壓板兩側(cè)的3個(gè)定位油缸順利到達(dá)指定位置。當(dāng)位移傳感器檢測(cè)的位移量達(dá)到PLC計(jì)算二次定位缸所需位移量時(shí)，換向閥返回中位。此油路中采用的是高速開關(guān)閥，可保證在到達(dá)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(dá)同上樣油缸聯(lián)動(dòng)油路

壓力油一路進(jìn)入液壓馬達(dá)油路，通過減壓閥12可以調(diào)定馬達(dá)進(jìn)出口壓力，接著通過換向閥進(jìn)入液壓馬達(dá)11，同時(shí)安裝2個(gè)節(jié)流閥10控制流量。液壓馬達(dá)帶動(dòng)輔助定位撥片旋轉(zhuǎn)90°，保證橡膠支座順利進(jìn)入下壓板。一路壓力油通過減壓閥進(jìn)入一次定位油缸，同上樣油缸聯(lián)動(dòng)油路，一次定位油缸同上樣油缸的系統(tǒng)壓力應(yīng)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(zhǔn)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(dāng)一次定位油缸加載到一定壓力時(shí)，上樣油缸開始送樣。

3 結(jié)論

本文作者設(shè)計(jì)了包含自動(dòng)上樣和定位裝置的新型壓剪試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)和便于應(yīng)用的液壓系統(tǒng)，解決了拉伸試驗(yàn)檢測(cè)拉伸力值不準(zhǔn)、進(jìn)行水平剪切時(shí)壓緊裝置與支座橡膠層產(chǎn)生干涉、導(dǎo)衛(wèi)裝置變形失效、橡膠支座上樣困難以及定位不準(zhǔn)等問題；設(shè)計(jì)了新型拉伸力檢測(cè)工裝、上下壓板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)衛(wèi)裝置以及自動(dòng)上樣及定位裝置。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的大型壓剪試驗(yàn)機(jī)具有準(zhǔn)確可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、試驗(yàn)方便等特點(diǎn)，提高了工作效率，為減隔振橡膠支座大型壓剪試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。