CN103308300B - 超大载荷拉伸试验机缓冲装置 - Google Patents
超大载荷拉伸试验机缓冲装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲装置，包括夹具(2)，主夹头(3)，副夹头(4)，位移传感器(5)，缓冲杆(6)，缓冲挡环(7)，加载油缸(8)，导轨(9)，力传感器(10)，液压缓冲缸座(11)，液压缓冲缸(12)，弹簧(13)，复位缸(14)，缓冲缸活塞(15)和缓冲缸缸筒(16)。本发明采用液压缓冲缸和弹簧两级串联缓冲，将夹头夹具的冲击动能大部分转化为液压缸内液体的热能，并由空气散发掉，小部分转化为弹簧的变形势能，此外，弹簧还具有复位缓冲系统的作用。调整缓冲时间大于等于临界缓冲时间，以保证液压缓冲缸达到的良好的缓冲效果。该缓冲系统设计合理、缓冲平稳、便于控制、可靠性高。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及一种结构件在超大拉伸载荷作用下发生破坏时拉伸试验机的缓冲装 置，采用液压缓冲缸和弹簧两级串联缓冲，提出了通过调整缓冲时间来控制液压缓冲缸缓 冲效果的方法，实现超大载荷试验机的缓冲设计与保护，特别涉及超大载荷结构件的力学 性能测试，属于超大载荷力学测试技术与安全领域。
背景技术
[0002] 随着机械工业的迅速发展，传统的小吨位材料试验机已不能满足建筑物、桥梁、仪 器及船舶等结构对于大型零部件性能测试的试验要求。实践证明，通过加载小吨位试件得 到试验数据，进而推算得到零部件在实际大吨位载荷下的性能是不够合理和准确的。因此， 直接进行原尺寸零部件在实际工作状态下的性能测试，得到所需的性能参数，对于科学研 究和工程应用都是十分必要的。超大载荷结构件拉伸试验机是一种通过液压加载，可对试 样施加上千吨拉伸载荷的力学性能测试试验机。在试验过程中，当试样达到强度极限、断裂 的瞬间，夹头会产生一个相当大的冲量。因此，作为安全保护装置的缓冲系统的设计是十分 重要和必需的，它能在夹头的行程终端提供缓冲，吸收并转化冲击载荷的动能，从而尽可能 地减小机械冲击的不良影响。
[0003] 缓冲器作为一种常用的缓冲系统，在许多减振隔声、抗冲击等领域得到了广泛的 应用。根据缓冲器的结构特征和工作原理不同，缓冲器一般有以下几种类型：摩擦式缓冲 器，橡胶式缓冲器，弹簧式缓冲器，气动缓冲器和液压缓冲器和等。摩擦式和橡胶式缓冲器 的特点是结构简单、外形尺寸和重量小、制造成本低，但容量小且性能不稳定。弹簧式缓冲 器具有结构简单、制造方便、可靠性高、降低噪音、能按照要求设计缓冲规律、成本低等优 点，但由于弹簧长期使用之后，往往因缺乏弹性而出现疲软现象，反应不够灵敏；并且缓冲 后有回弹现象，重复数次缓冲才能结束，当冲击动能巨大时，回弹严重，缓冲不够平稳。液压 缓冲器具有容量大、性能稳定、便于调整、反弹速度小等优点，其较好的阻抗特性可以提高 缓冲的平稳性。但是，缓冲系统结构较为复杂，可靠性较低，制造成本较高，控制较为复杂， 缓冲效果受密封效果和密封器件的寿命影响较大。因此，如何提高缓冲过程的平稳性、可靠 性和结构的使用寿命，简化缓冲系统地控制理论和方法，是缓冲器结构设计过程中需要重 点考虑的问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲装置，缓冲装置采用 液压缓冲缸和弹簧两级串联缓冲，提出了通过调整缓冲时间来控制液压缓冲缸缓冲效果的 方法，实现对于结构件在实际超大拉伸载荷工作状态下发生破坏时的缓冲系统的设计与研 究。本发明从缓冲装置和控制理论上进行了创新，建立了超大载荷拉伸试验机的缓冲系统， 增强了超大载荷拉伸试验的安全性，可行性高，操作简单。
[0005] 本发明提供的技术方案如下：
[0006] -种超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲装置，包括夹具2,主夹头3,副夹头4,位 移传感器（诸如引伸计、应变计等）5,缓冲杆6,缓冲挡环（安全限位用）7,加载油缸8,导 轨9,力传感器（电阻应变片传感器、压电传感器、电容式传感器、电感式传感器等）10,液压 缓冲缸座11、液压缓冲缸12,弹簧13,复位缸（气动复位缸、液压复位缸等）14、缓冲缸活塞 15和缓冲缸缸筒16,如图1、图2所示。
[0007] 其中，副夹头4固定连接在试验机上，导轨9的一端固定在副夹头4上，导轨9的 另一端与主夹头3连接，主夹头3位于试验机上，且只能沿着导轨9移动；夹具2固定连接 在主夹头3和副夹头4上；加载油缸8固定连接在主夹头3上，用于驱动主夹头3对试件进 行加载；力传感器10固定连接在副夹头3上，用于测量加载力；四个液压缓冲缸座11分别 固定连接在主夹头3和副夹头4上，液压缓冲缸12与连接在主夹头3上的液压缓冲缸座11 固定连接，缓冲杆6穿过液压缓冲缸座11和液压缓冲缸12,保证缓冲过程只能沿着缓冲杆 6轴线的方向进行；弹簧13 -端与液压缓冲缸12固定连接，另一端与缓冲杆6的一端固定 连接；缓冲杆6靠近副夹头4的一侧上固定连接有缓冲挡环7,可起到安全限位的作用；液 压缓冲缸12由缓冲缸活塞15和缓冲缸缸筒16组成，缓冲缸活塞15与缓冲杆6固定连接； 主夹头3上固定连接有复位缸14,可将加载后主夹头3恢复到加载前的位置。
[0008] -种超大载荷结构件拉伸试验机，所述试验机包含上述的缓冲装置。
[0009] 使用上述超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲装置进行测试的步骤如下：
[0010] 步骤101，将试件1与主夹头3和副夹头4上的夹具2固定连接；
[0011] 步骤102,将位移传感器5固定在试件1上；
[0012] 步骤103,将缓冲杆6上靠近副夹头4 一侧的缓冲挡环7设置完毕，设定缓冲时间；
[0013] 步骤104,通过加载油缸8对试件1沿着导轨9施加拉伸载荷；
[0014] 步骤105,通过位移传感器5和力传感器10将加载过程中的变形和力通过数据采 集系统输入到外部计算机中，得到需要的实验数据和图形；
[0015] 步骤106,继续施加载荷，直到试件发生断裂破坏，固定在主夹头3的液压缓冲缸 座11会与液压缓冲缸12与弹簧13共同作用，缓冲缸12与弹簧13会沿着缓冲杆6移动， 将主夹头3及附属结构的动能吸收，达到缓冲的目的；
[0016] 步骤107,当缓冲结束且主夹头3停止运动后，将断裂的试件1从夹具2上取下，利 用复位缸14和弹簧13分别将主夹头3和缓冲装置复位。
[0017] 本发明实现了结构件在超大拉伸载荷作用下发生破坏时拉伸试验机的缓冲设计， 采用液压缓冲缸和弹簧两级串联缓冲，将夹头夹具的冲击动能大部分转化为液压缸内液体 的热能，并由空气散发掉，小部分转化为弹簧的变形势能，此外，弹簧还具有复位缓冲系统 的作用。调整缓冲时间大于等于临界缓冲时间，以保证液压缓冲缸达到的良好的缓冲效果。 该缓冲系统设计合理、缓冲平稳、便于控制、可靠性高。
附图说明
[0018] 图1为本发明提供的一种超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲方案及装置示意图。
[0019] 图2为本发明提供的一种超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲缸结构原理示意图。
[0020] 图3为本发明提供的一种结构件在超大载荷拉伸试验中断裂破坏后的示意图。
[0021] 图中：卜试件；2-夹具；3-主夹头；4-副夹头；5-位移传感器（诸如引伸计、应变 计等）；6-缓冲杆；7-缓冲挡环；8-加载油缸；9-导轨；10-力传感器（电阻应变片传感器、 压电传感器、电容式传感器、电感式传感器等）；11-液压缓冲缸座；12-液压缓冲缸；13-弹 簧；14-复位缸（气动复位缸、液压复位缸等）；15-缓冲缸活塞；16-缓冲缸缸筒。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：
[0023] 参考图1、图2所示，一种超大载荷结构件拉伸试验机的缓冲装置，包括夹具2,主 夹头3,副夹头4,位移传感器5 (诸如引伸计、应变计等），缓冲杆6,缓冲挡环7,加载油缸 8,导轨9,力传感器10 (电阻应变片传感器、压电传感器、电容式传感器、电感式传感器等）， 液压缓冲缸11，液压缓冲缸12,弹簧13,复位缸14 (气动复位缸、液压复位缸等），缓冲缸活 塞15和缓冲缸缸筒16。
[0024] 其中，副夹头4固定连接在试验机上，导轨9的一端固定在副夹头4上，导轨9的 另一端与主夹头3连接，主夹头3位于试验机上，且只能沿着导轨9移动；夹具2固定连接 在主夹头3和副夹头4上；加载油缸8固定连接在主夹头3上，用于驱动主夹头3对试件进 行加载；力传感器10固定连接在副夹头3上，用于测量加载力；四个液压缓冲缸座11分别 固定连接在主夹头3和副夹头4上，液压缓冲缸12与连接在主夹头3上的液压缓冲缸座11 固定连接，缓冲杆6穿过液压缓冲缸座11和液压缓冲缸12,保证缓冲过程只能沿着缓冲杆 6轴线的方向进行；弹簧13 -端与液压缓冲缸12固定连接，另一端与缓冲杆6的一端固定 连接；缓冲杆6靠近副夹头4的一侧上固定连接有缓冲挡环7,可起到安全限位的作用；液 压缓冲缸12由缓冲缸活塞15和缓冲缸缸筒16组成，缓冲缸活塞15与缓冲杆6固定连接； 主夹头3上固定连接有复位缸14,可将加载后主夹头3恢复到加载前的位置。
[0025] 利用该装置进行测试的步骤如下：
[0026] 步骤101，将试件1与主夹头3和副夹头4上的夹具2固定连接；
[0027] 步骤102,将位移传感器（如引伸计）5固定在试件1上；
[0028] 步骤103,将缓冲杆6上靠近副夹头4 一侧的缓冲挡环7设置完毕，设定缓冲时间；
[0029] 步骤104,通过加载油缸8对试件1沿着导轨9施加拉伸载荷；
[0030] 步骤105,通过位移传感器（如引伸计）5和力传感器（如压电传感器）10将加载 过程中的变形和力通过数据采集系统输入到外部计算机中，得到需要的实验数据和图形；
[0031] 步骤106,继续施加载荷，直到试件发生断裂破坏，固定在主夹头3的液压缓冲缸 座11会与液压缓冲缸12与弹簧13共同作用，缓冲缸12与弹簧13会沿着缓冲杆6移动， 将主夹头3及附属结构的动能吸收，达到缓冲的目的；
[0032] 步骤107,缓冲结束、主夹头3停止运动后，将断裂的试件1从夹具2上取下，利用 复位缸14和弹簧13分别将主夹头3和缓冲装置复位。
[0033] 步骤103中缓冲时间的设定应大于等于临界缓冲时间，临界缓冲时间的计算公式 如下：
[0035] 式中，h为缓冲缸活塞15与缓冲缸缸筒16的间隙；
[0036] D为缓冲缸活塞15的直径；
[0037] m为主夹头3及其附件和试件1的总质量；
[0038] μ为液压缸内液体的动力粘度；
[0039] 1为缓冲缸活塞15的长度；
*为缓冲缸活塞15的有效面积，d为缓冲杆6的直径。
[0041] 从上式可以看出，在缓冲系统结构尺寸和缸内液体成分确定的情况下，临界缓冲 时间仅于主夹头3及其附件和试件1的总质量有关，而主夹头3及其附件的质量可近似认 为恒定。因此，在不同的试验过程中，仅根据测试试件1的质量调节缓冲时间即可达到理想 的缓冲效果。
[0042] 我们将该缓冲系统应用在2000吨宽板拉伸试验机上，并在试验中验证了该缓冲 系统的可行性，得到了试件拉伸断裂破坏后的示意图，如图3所示。
Claims (2)
1. 一种超大载荷结构件拉伸试验机对试件进行测试的方法，其特征是，所述试验机包 含如下缓冲装置，该缓冲装置包括夹具（2)，主夹头（3)，副夹头（4)，位移传感器（5)，缓冲 杆（6)，缓冲挡环（7)，加载油缸（8)，导轨（9)，力传感器（10)，液压缓冲缸座（11)，液压缓 冲缸（12)，弹簧（13)，复位缸（14)，缓冲缸活塞（15)和缓冲缸缸筒（16); 其中，副夹头（4)固定连接在试验机上，导轨（9)的一端固定在副夹头（4)上，导轨（9) 的另一端与主夹头（3)连接，主夹头（3)位于试验机上，且只能沿着导轨（9)移动；夹具（2) 固定连接在主夹头（3)和副夹头（4)上；加载油缸（8)固定连接在主夹头（3)上，用于驱动 主夹头（3)对试件进行加载；力传感器（10)固定连接在副夹头（3)上，用于测量加载力；四 个液压缓冲缸座（11)分别固定连接在主夹头（3)和副夹头（4)上，液压缓冲缸（12)与连 接在主夹头（3)上的液压缓冲缸座（11)固定连接，缓冲杆（6)穿过液压缓冲缸座（11)和 液压缓冲缸（12)，保证缓冲过程只能沿着缓冲杆（6)轴线的方向进行；弹簧（13) -端与液 压缓冲缸（12)固定连接，另一端与缓冲杆（6)的一端固定连接；缓冲杆（6)靠近副夹头（4) 的一侧上固定连接有缓冲挡环（7)，可起到安全限位的作用；液压缓冲缸（12)由缓冲缸活 塞（15)和缓冲缸缸筒（16)组成，缓冲缸活塞（15)与缓冲杆（6)固定连接；主夹头（3)上 固定连接有复位缸（14)，可将加载后主夹头（3)恢复到加载前的位置， 测试具体包括如下步骤： 步骤101，将试件⑴与主夹头（3)和副夹头⑷上的夹具⑵固定连接； 步骤102,将位移传感器（5)固定在试件（1)上； 步骤103,将缓冲杆（6)上靠近副夹头（4) 一侧的缓冲挡环（7)设置完毕，设定缓冲时 间，在不同的试验过程中，仅根据测试试件的质量调节缓冲时间； 步骤104,通过加载油缸（8)对试件（1)沿着导轨（9)施加拉伸载荷； 步骤105,通过位移传感器（5)和力传感器（10)将加载过程中的变形和力通过数据采 集系统输入到外部计算机中，得到需要的实验数据和图形；其中： 步骤103中缓冲时间的设定应大于等于临界缓冲时间，临界缓冲时间的计算公式如 下：
式中，h为缓冲缸活塞（15)与缓冲缸缸筒（16)的间隙； D为缓冲缸活塞（15)的直径；m为主夹头（3)及其附件和试件（1)的总质量； μ为液压缸内液体的动力粘度； 1为缓冲缸活塞（15)的长度；
1为缓冲缸活塞（15)的有效面积，d为缓冲杆（6)的直径。
2. 如权利要求1所述的对试件进行测试的方法，其特征是，进一步包括： 步骤106,继续施加载荷，直到试件发生断裂破坏，固定在主夹头（3)的液压缓冲缸座 (11)会与液压缓冲缸（12)与弹簧（13)共同作用，缓冲缸（12)与弹簧（13)会沿着缓冲杆 (6)移动，将主夹头（3)及附属结构的动能吸收，达到缓冲的目的； 步骤107,当缓冲结束且主夹头（3)停止运动后，将断裂的试件（1)从夹具（2)上取下， 利用复位缸（14)和弹簧（13)分别将主夹头（3)和缓冲装置复位。
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