CN102410960A - 一种多功能管材检验和材料试验的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能管材检验和材料试验的方法及装置，即在一个若干同心扇形板组成的圆形检验件卡盘上，有若干个不同深度和宽度的同心环形沟槽，将在待检管材上切割的环状试样或制备的待检材料环状试样，放在同心环形沟槽内，控制液压站压力使活塞位移，带动同心扇形板做同步离心或向心移动，可达到对环状试样径向加压之目的，控制系统根据压力与径向变形量，即可检验管材承受内、外压性能或测试材料拉伸、抗压性能。本发明既可用于测试复合材料、管材的各种性能，又可用于测试金属材料、建筑材料的各种性能，具有一机多用、操作简便、测试快速准确、可现场使用等优点。

Description

一种多功能管材检验和材料试验的方法及装置

技术领域

本发明涉及管材检验及材料实验的方法及装置，特别是用于高分子材料、复合材料、梯度材料等新材料的一种多功能管材检验和材料试验的方法及装置，属实验力学装置技术领域。

背景技术

目前管材内压测试多采用水压法(参见GB/T6111-2003流体输送用热塑性塑料管材耐内压试验方法)，不同规格、材质的管材需配置不同的封头；管材规格愈大、或承受压力愈高，则封头愈昂贵；试验时，管材两端受封头约束，从而改变了管材的受力状态，影响了测试结果的准确性；为消除封头的影响，需加长管材试样，从而导致材料的浪费，也需增加试压供水量，影响试验效率；另外，不同规格、材质的管材，试样的合理长度也不同。另外，管材承受外压的能力以管材的环刚度来衡量。环刚度的测量方法是两点对压法，未考虑实际工况中土壤对管材的支撑作用。对此，目前尚缺乏系统地研究。更没有科学合理的实验机。对于大口径管材，目前尚缺乏有效的测试方法和设备。

目前各种高分子硬质材料、复合材料硬质材料性能测试尚没有相应的测试仪器和设备，仍沿用金属材料的测试手段和方法，例如GB/T 1040.2-2006塑料拉伸性能试验方法、GB1446-2005纤维增强塑料性能试验方法总则。较为常用的试验设备是万能材料试验机。

材料性能测试结果的准确性取决于测试方法和试样制作方法。与万能材料试验机相配套的材料试样通常为哑铃形(拉伸)、长方形(弯曲或剪切)和圆柱(方柱)形(压缩)。由于金属材料材质较均匀，且对温度不甚敏感，试样制作方法对材料的影响甚小，故利用万能试验机测试结果较为准确。

高分子材料对温度敏感，在机械加工试样时会不同程度损伤其表面，从而影响材料性能的测试结果。试样制作方法、试样表面的损伤程度、加工表面积的大小等均会影响测试结果，有时会造成很大的差异。

复合材料的材质极不均匀，机械加工会对试样表面造成严重损伤。在垂直于纤维的方向上力的传递性较差，当纤维铺设方向与受力方向不一致时，试样易发生扭曲，从而影响测试结果.因此哑铃形试样不适于长纤维复合材料。

梯度性材料为新兴材料，发展极为迅速。梯度性材料试样在万能机上拉伸或压缩时，其内力的合力已偏离横截面形心，与外力的合力不在同一纵向轴线上，从而形成拉伸-弯曲组合或压缩-弯曲组合。因此，万能试验机难以测试梯度性材料的拉伸和压缩性能。

鉴于上述现状，急需一种既可用于测试塑料、复合材料和梯度材料的各种性能，又可快速准确地检验管材的各种性能，也可用于测试金属材料、建筑材料的各种性能的多功能管材检验和材料试验的方法及装置。

发明内容

为了实现上述目的，本发明依据当圆环承受径向(内、外)均布压力时，其环向为拉伸或收缩的基本原理，利用多点压力取代均布压力，当加力点足够多时，所测结果也足够准确的力学分析方法，提供一种多功能管材检验和材料试验的方法及装置。

所述的一种多功能管材检验和材料试验方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、将待检管材切割成环状试样或制备待检材料环状试样；

2)、将环状试样放在检验件卡盘的环形沟槽内；

3)、控制系统指令液压系统启动工作，控制液压站压力使活塞位移，带动同心扇形板做同步径向移动，对环状试样径向加压，所述对环状试样施加的压力及其变形量由压力传感器和位移传感器进行监控；

4)、对环状试样径向施压，当加压到规定程度后，控制系统根据压力传感器和位移传感器获取的压力与径向变形量信号，即可测得被检管材或测试材料的力学性能。

所述的一种多功能管材检验和材料试验方法，当若干同心扇形板做同步离心或向心移动，可以检验管材承受内、外压性能或测试材料拉伸、抗压性能。

当相邻的两块同心扇形板做相反方向移动，可以测量材料的抗剪性能。

当相对于圆心且为对顶角的两块同心扇形板同步向心移动，可以测量管材的环刚度或材料的弯曲性能。

本发明还提供一种多功能管材检验及材料试验装置，主要有圆形检验件卡盘、支撑圆筒、滚动支撑架、定位板、压力传感器、位移传感器、总液压缸和控制柜组成。所述的圆形检验件卡盘是2n块相等的同心扇形板，相邻扇形板间环向间隙相等，其正面有若干不同深度和宽度的同心环形沟槽、背面固定有2n个定位板和4n个滚动支撑架，每块同心扇形板的背面固定有一块定位板和二个滚动支撑架，同心扇形板的定位板与分液压缸活塞由圆柱销活动连接。(n是≥2的自然数)

所述的总液压缸固定在支撑圆筒的底板上，在其上部同一平面上，向外伸出2n个分液压缸，分液压缸穿过滚动支撑架的圆孔，分液压缸活塞端部与固定在同心扇形板上的定位板用圆柱销活动连接。(n是≥2的自然数)

所述的滚动支撑架上有和分液压缸外径相等的圆孔，圆孔内装有2n组双排滚动钢球。(n是≥2的自然数)

所述的同心环形沟槽的横截面为矩形，深度大于或等于检验件的长度，宽度参照管材规格和材料环状试样确定。

同心扇形板和分液压缸的个数根据多功能管材检验及材料实验装置的精度和等级确定。

滚动支撑架圆孔内双排滚动钢球的组数根据分液压缸直径的大小确定。

在分液压缸活塞处安装位移传感器，液压站安装压力传感器，液压站与总液压缸经输油管、阀门连接在一起，并与控制柜相连接。控制液压站压力使分液压缸活塞发生位移，带动同心扇形板径向移动。

圆形检验件卡盘有若干个不同深度和宽度的同心环形沟槽，如此，可以对不同材质不同规格的管材进行性能检验，或对不同直径的环状材料试样进行测试。

与现有材料试验机相比较，本发明具有如下优点：

试样形状规则，加工表面少，可大大减少因试样表面损伤而带来的测量误差。

试样不需夹持，由此可消除夹具带来的测量误差。另外，也节省了夹具制造费用。

材料的拉伸、压缩、弯曲试样形状、尺寸一致，减少了因机械加工而带来的测量误差，所测材料性能一致性较好。

材料试样环向均匀受力，在垂直于纤维方向不需进行力的传递，试样也不易扭曲，因此，适用于长纤维复合材料的性能测量。

材料试样环向无外力，内力自相平衡，无力矩产生，适用于梯度性工程材料的性能测量。

与现有管材试验设备相比较，本发明具有如下优点：

管材试样两端不需加装封头，既消除了封头带来的测量误差，又减少了封头制造费用。

管材试样长度对测量结果影响较小，管材性能测试时仅需短圆环即可，因此减少了材料消耗，降低了测量费用。

通过增加加力点的数量、加大加力杆的长度和直径，可以测量大口径管材的性能，从而可解决大型管材性能测试这一难题。

通过调整各加力点内缩力的大小，可模拟土壤对埋地管道的作用，这是目前管材试验设备无法做到的。

可实现管材性能现场测试。

本发明既可用于测试复合材料、管材的各种性能，又可用于测试金属材料、建筑材料的各种性能，具有一机多用、操作简便、测试快速准确、可现场使用等优点。可广泛适用于国家监督检验机构、科研院所、高等院校、管材生产厂家和管道施工单位。

附图说明

图1是一种多功能管材检验及材料试验装置主视图

图2是圆形检验件卡盘俯视图

图3是圆形检验件卡盘A-A剖视图

1、控制柜，2、液压站，3、输油管，4、阀门，5、支撑圆筒，6、总液压缸，7、定位板，8、活塞，9、分液压缸，10、滚动支撑架，11、同心扇形板，12、位移传感器，13、压力传感器，14、圆柱销，15、同心环形沟槽1-4，16、相邻扇形板间环向间隙，17、钢球。

具体实施方式

以同心扇形板11的块数2n等于8(n＝4)为实施例，如附图1、2、3，对本发明做进一步说明：本实施例所述的多功能管材检验及材料试验装置，可以分别检验外径为110、200、315和500mm的四种PE管材及材料性能。

将外径为110、200、315和500mm四种PE管材，对照PE管材规格尺寸表，分别求得平均壁厚。在一厚度60mm、直径550mm的钢制圆盘的一个平面上，加工出4个同心环形沟槽15，各同心环形沟槽15尺寸如下：

沟槽1：外径112mm，内径88mm，深度35mm；

沟槽2：外径202mm，内径162mm，深度35mm；

沟槽3：外径318mm，内径256mm，深度35mm；

沟槽4：外径504mm，内径408mm，深度35mm。

将制作好同心环形沟槽15的钢制圆盘，经圆心均匀分割成8块同心扇形板11，相邻两块同心扇形板11之间的同心环向间隙16为15mm。

把分割成同心扇形板11后的圆形检验件卡盘，在没有同心环形沟槽15的一面，固定定位板7和滚动支撑架10。总液压缸6固定在支撑圆筒5的底板上，把每个分液压缸9穿过同心扇形板11背面的滚动支撑架10上的圆孔，分液压缸活塞8与定位板7用圆柱销14活动连接。在分液压缸活塞8处安装位移传感器12，液压站2安装压力传感器13，液压站2与液压缸总成6经输油管3、阀门4连接在一起，与控制柜1相连接。控制液压站2压力使活塞8发生位移，带动同心扇形板11径向移动。

材料性能测试：

制备材料环状试样，外径110mm，内径90mm，长度30mm.

将环状试样放在圆形检验件卡盘的同心环形沟槽15-1内。

控制柜1指令液压站2启动工作，控制液压站2压力使活塞8发生位移，8块同心扇形板11做同步离心运动，控制柜1根据记录的压力、径向位移量等数据，可测量出材料的拉伸性能。

如果控制8块同心扇形板11做同步向心运动，控制柜1根据记录的压力、径向位移量等数据，可测量出材料的压缩性能。

同理，试样的制备如上，调整相邻的两块同心扇形板11的间隙，控制柜1控制相邻的两块同心扇形板11做相反方向移动，可以测量材料的抗剪性能；控制柜1控制相对于圆心且为对顶角的两块同心扇形板11做同步向心移动，则可以测量材料的弯曲性能。

管材性能检验：

现以外径200mm管材性能检验为例，说明本发明如何用来检验管材性能。

从外径200mm的待检管材上截取长度30mm的圆环，放在外径202mm的环形沟槽15-2内。

控制柜1指令液压站2启动，控制8块同心扇形板11做同步离心运动，控制柜1根据记录的压力、径向位移量等数据，可测量管材承受内压的能力。

控制柜1指令液压站2启动，如果控制8块同心扇形板11做同步向心运动，控制柜1根据记录的压力、径向位移量等数据，可测量管材承受外压的能力。

只保留两块对顶角的扇形板，拆掉两块对顶角扇形板两侧的其他扇形板，控制柜1控制相对于圆心而轴对称的两块同心扇形板做同步向心移动，则可测量管材的环刚度。

上述实施例只用来解释本发明，而不是对本发明的限制。凡在本发明权利要求保护的范围内，所做的任何修改和改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多功能管材检验及材料试验方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、将待检管材切割成环状试样或制备待检材料环状试样；

2)、将环状试样放在检验件卡盘的环形沟槽内；

3)、控制系统指令液压系统启动工作，控制液压站压力使活塞位移，带动同心扇形板做同步径向移动，对环状试样径向加压，对环状试样施加的压力及其变形量由压力传感器和位移传感器进行监控；

4)、对环状试样径向施压，当加压到规定程度后，控制系统根据压力传感器和位移传感器获取的压力与径向变形量信号，即可测得被检管材或测试材料的力学性能。

2.根据权利要求1所述的多功能管材检验及材料试验方法，其特征是：当若干同心扇形板做同步离心或向心移动，可以检验管材承受内、外压性能或测试材料拉伸、抗压性能。

3.根据权利要求1所述的多功能管材检验及材料试验方法，其特征是：当相邻的两块同心扇形板做相反方向移动，可以测量材料的抗剪性能。

4.根据权利要求1所述的多功能管材检验及材料试验方法，其特征是：当相对于圆心且为对顶角的两块同心扇形板同步向心移动，可以测量管材的环刚度或材料的弯曲性能。

5.一种实施权利要求1的多功能管材检验及材料试验装置，主要有圆形检验件卡盘、支撑圆筒、滚动支撑架、定位板、压力传感器、位移传感器、总液压缸和控制柜组成，其特征是：所述的圆形检验件卡盘是2n块相等的同心扇形板，相邻扇形板间环向间隙相等，其正面有若干不同深度和宽度的同心环形沟槽、背面固定有2n个定位板和4n个滚动支撑架，每块同心扇形板的背面固定有一块定位板和二个滚动支撑架，同心扇形板的定位板与分液压缸活塞由圆柱销活动连接。(n是≥2的自然数)

6.根据权利要求5所述的多功能管材检验及材料试验装置，其特征是：总液压缸固定在支撑圆筒的底板上，在其上部同一平面上，向外伸出2n个分液压缸，分液压缸穿过滚动支撑架的圆孔，分液压缸活塞端部与固定在同心扇形板上的定位板用圆柱销活动连接。(n是≥2的自然数)

7.根据权利要求5所述的一种多功能管材检验及材料试验装置，其特征是：滚动支撑架上有和分液压缸外径相等的圆孔，圆孔内装有2n组双排滚动钢球。(n是≥2的自然数)

8.根据权利要求5所述的一种多功能管材检验及材料试验装置，其特征是：同心环形沟槽的横截面为矩形，深度大于或等于检验件的长度，宽度参照管材规格和材料环状试样确定。

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