CN103499487B - 一种复杂荷载试验机 - Google Patents

Abstract

一种复杂荷载试验机，其属于管道试验技术领域。这种试验机的主机包括轴向力加载装置、弯矩加载装置、内压加载装置、液压系统和测量控制系统。可以对钢管试样单独施加轴向载荷、弯矩以及内压等，也可以同时施加两种或两种以上联合载荷，模拟油气输送钢管真实受力环境。可以进行静态加载，也可以进行低频率往复加载。该机采用电液伺服闭环测量控制系统，可以进行等速试验力、等速位移控制，在试验过程中控制方式可以平稳切换。试验过程中载荷、内压、位移、变形等数据自动采集，并自动完成试验数据的记录等。该试验机结构、功能、性能等符合有关国家标准和行业标准。具有集成性能好、控制精度高、模拟效果好、可靠性好、以及操作较简单等优点。

Description

一种复杂荷载试验机

技术领域

本发明涉及一种复杂荷载试验机，其属于管道试验技术领域。

背景技术

为了研究油气输送管道在复杂荷载作用下的承载能力及失效机理，准确评估管道的极限承载力，需要对钢管进行全尺寸模拟试验。管道在运行状态下不仅受到内压作用，还受到自身重力和周围土体的支撑作用、输送介质的温度引起的轴向力、地质塌陷、滑坡、地震波动效应、断层错动引起的轴向力和弯矩、重物作用引起的冲击荷载、海底悬跨管道在波浪和海流作用下产生的拖曳力和升力等。复杂环境荷载作用下管道的受力模型都可以描述为受到内压、轴向力和弯矩三种荷载中的一种或多种组合作用的情况。受试验条件的影响，目前这种全尺寸模拟试验主要由相应的试验机进行单独加载完成，尚无一个可以联合多工况加载的试验系统，制约了冻土区埋地管道或深水海底管道等在复杂荷载作用下的失效模式和破坏机理的研究。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种复杂荷载试验机，该试验机应具有集成性能好、控制精度高、模拟效果好、可靠性好、以及操作较简单等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复杂荷载试验机，包括设置在地坑内的主机和组合液压源、电控计算机、试样运送小车、内压加载装置和测量控制系统，所述主机采用一个由四个反力架分别连接顶部固定梁和底座形成的框架结构、一个轴向力加载装置和一个弯矩加载装置，所述轴向力加载装置设置在所述框架结构内，活动横梁采用液压马达通过四个丝杠驱动依靠滚轮14沿反力架升降，活动横梁下方依次连接6000KN传感器、上球铰和上弯曲梁，所述底座上方设置四个丝杠和液压马达的安装座，在安装座上依次连接6000KN液压缸、导向装置、下端铰支座和下弯曲梁；所述弯矩加载装置设置在上弯曲梁与下弯曲梁的悬臂端之间, 从上弯曲梁至下弯曲梁依次连接1000KN传感器、1000KN弯曲油缸和连接杆；在试验时，导轨上的试样运送小车把试样运送到上弯曲梁与下弯曲梁之间，用液压马达依次通过传动链、链轮、四个丝杠驱动活动横梁升降，压紧或松开试样，通过6000KN液压缸对试样进行轴向加载、通过弯曲油缸对试样进行弯矩加载或通过内压加载装置对试样进行内压加载，采用测量控制系统对各加载工况进行测量。

所述6000KN液压缸设有液压缸LVDT传感器, 所述试样设有水平挠度传感器。

所述弯曲油缸 设有弯曲油缸LVDT传感器。

所述上弯曲梁的悬臂端设有上弯曲梁倾角传感器, 所述下弯曲梁的悬臂端设有下弯曲梁倾角传感器。

所述下弯曲梁悬臂端的下方设有下弯曲梁顶升装置。

本发明的有益效果是：这种复杂荷载试验机的主机包括轴向力加载装置、弯矩加载装置、内压加载装置、液压系统和测量控制系统等。可以对钢管试样单独施加轴向（压缩/拉伸）载荷、弯矩、以及内压等，也可以同时施加两种或两种以上联合载荷，模拟油气输送钢管真实受力环境。可以进行静态加载，也可以进行低频率往复加载。该机采用电液伺服闭环测量控制系统，可以进行等速试验力（应力）、等速位移控制，在试验过程中控制方式可以平稳切换。试验过程中载荷、内压、位移、变形等数据自动采集，计算机实时显示试验曲线并自动完成试验数据的记录、存储，可按有关标准打印试验报表。该试验机结构、功能、性能等符合有关国家标准和行业标准。具有集成性能好、控制精度高、模拟效果好、可靠性好、以及操作较简单等优点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1是复杂荷载试验机总体布置图。

图2是复杂荷载试验机主机的结构主视图。

图3是复杂荷载试验机主机的结构俯视图。

图中：1、主机，2、电控计算机，3、试样运送小车，4、试样，5、导轨，6、组合液压源，7、内压加载装置，8、地坑，9、反力架，10、丝杠，11、横梁锁紧装置，12、顶部固定梁，13、活动横梁，14、滚轮，15、提升工程油缸，16、6000KN传感器，17、上球铰，18、上弯曲梁提拉装置，19、上弯曲梁倾角传感器，20、上弯曲梁，21、1000KN传感器，22、1000KN弯曲油缸，23、弯曲油缸LVDT传感器，24、连接杆，25、下弯曲梁倾角传感器，26、下弯曲梁，27、6000KN液压缸，27a、安装座，28、下弯曲梁顶升装置，29、底座，30、地脚螺栓，31、液压缸LVDT传感器，32、导向装置，33、下端铰支座，34、水平挠度传感器，35、液压马达，36、传动链、37、链轮。

具体实施方式

图1、2示出了一种复杂荷载试验机的结构图。图中，复杂荷载试验机包括设置在地坑8内的主机1和组合液压源6、电控计算机2、试样运送小车3、内压加载装置7和测量控制系统。主机采用一个由四个反力架9分别连接顶部固定梁12和底座29形成的框架结构、一个轴向力加载装置和一个弯矩加载装置。

轴向力加载装置设置在所述框架结构内，活动横梁13采用液压马达35通过四个丝杠10驱动依靠滚轮14沿反力架9升降，活动横梁13下方依次连接6000KN传感器16、上球铰17和上弯曲梁20。底座29上方设置四个丝杠10和液压马达35的安装座，在安装座上依次连接6000KN液压缸27、导向装置32、下端铰支座33和下弯曲梁26。6000KN液压缸27设有液压缸LVDT传感器31, 试样4 设有水平挠度传感器34。

弯矩加载装置设置在上弯曲梁20与下弯曲梁26的悬臂端之间, 从上弯曲梁20至下弯曲梁26依次连接1000KN传感器21、1000KN弯曲油缸22和连接杆24。1000KN弯曲油缸22 设有弯曲油缸LVDT传感器23。上弯曲梁20的悬臂端设有上弯曲梁倾角传感器19, 所述下弯曲梁26 的悬臂端设有下弯曲梁倾角传感器25。下弯曲梁26悬臂端的下方设有下弯曲梁顶升装置28。

在试验时，导轨5上的试样运送小车3把试样4运送到上弯曲梁20与下弯曲梁26之间，用液压马达35依次通过传动链36、链轮37、四个丝杠10驱动活动横梁13升降，压紧或松开试样4，通过6000KN液压缸27对试样4进行轴向加载、通过弯曲油缸22对试样4进行弯矩加载或通过内压加载装置7对试样4进行内压加载，采用测量控制系统对各加载工况进行测量。

采用上述的技术方案，用十孔按钮排控制横梁升降马达驱动活动横梁13的上下移动，用提升工程油缸15经上弯曲梁提拉装置18控制上弯曲梁20水平，并同时用五孔按钮排驱动下弯曲梁顶升装置28调整下弯曲梁26水平。

内压加载装置7包括钢管注水、排水装置和增压装置。其增压装置为一套由伺服油缸驱动的不锈钢增压缸，采用美国MOOG公司D634伺服阀进行控制。

液压系统包括组合液压源6、油分配器及管路，以及冷却系统等。其液压源设计为60L/min ＋ 90L/min 组合结构，两台油泵共用一个油箱，共用一套调压装置，但可以独立启动和停止。同时液压源安装了高效率水冷式油冷却器，采用循环水冷却。实验室内建造一座蓄水池或水箱，通过循环水泵实现蓄水池和热交换器之间水流交换。为进一步强化冷却效果，实验室外安装了一套冷却塔。

测量控制系统包括试验力、位移、变形测量装置、数据采集处理单元和三通道全数字电液伺服控制协调加载系统。两套弯矩油缸公用一套伺服控制通道，不同时使用，通过更换油管和更换传感器插头的方法实现切换。4套油缸选用LVDT位移传感器和力传感器，均可以进行位移控制和载荷压力控制，控制方式之间可以平滑切换。除上述传感器之外，试验机上还准备了变形测量传感器，包括钢管水平挠度传感器34、上弯曲梁倾角传感器19和下弯曲梁倾角传感器25。传感器信号传输到数据采集单元，经过放大、转换后传送到电控计算机2中，计算机屏幕实时显示试验参数和各种曲线。

辅助装置包括试样运送小车3、导轨5、横梁升降机构、横梁锁紧装置11、上弯曲梁提拉装置18、下弯曲梁顶升装置28，以及安全防护装置等。试样运送小车3采用减速电机驱动，由十孔按钮排控制沿导轨5前后移动，将试样4移动到试验区。为保证试样稳定性和操作安全，在试样运送小车3上设有试样夹持定位装置。为便于装卸试样，以及试验机维护保养等，随试验机配备了两台液压式升降台。

该试验机整机具有很高的强度和刚性，在试验过程中变形小，能精确完成管道在单一荷载或者复杂荷载联合作用下的极限承载力试验，保证了复杂荷载条件下，试验精度达到设计要求。具有集成性能好、控制精度高、模拟效果好、可靠性好、以及操作较简单等优点。

该复杂荷载动静试验机的主要技术指标如下：

1、轴向加载系统

最大试验力：压向6000kN,拉向2000kN

试验力测量控制范围：1～100%

试验力测量控制精度：优于 ±1%

测力方式：载荷传感器测力

试验空间：0～3000mm（高）

活塞有效行程：±150mm

工作活塞上升速度：0～100mm/min

位移测量范围：0～±150mm

位移测量精度：优于±1%

2、弯矩加载系统

最大弯矩：2000kN.m

弯矩测量方式：载荷传感器力值×弯曲梁长度

弯曲梁有效长度： 2000mm

弯曲梁最大转动角度：±15°

弯曲梁转角测量：倾角传感器

最大试验力：推向1000kN，拉向700kN

试验力测量控制范围： 1～100%

试验力测量控制精度：优于±1%

测力方式：载荷传感器测力

活塞行程：0～800mm

位移测量范围：0～800mm

位移测量精度：优于 ±1%

3、内压加载系统

最大内压：50MPa

内压测量控制范围：1～100%

内压测量控制精度：优于 ±1%

内压测量方式：高精度应变式压力传感器

增压缸活塞行程：600mm

位移测量范围：0～600mm

位移测量精度：优于 ±1%。

Claims (5)

1.一种复杂荷载试验机，包括设置在地坑(8)内的主机(1)和组合液压源(6)、电控计算机(2)、试样运送小车(3)、内压加载装置(7)和测量控制系统，其特征在于：所述主机采用一个由四个反力架(9)分别连接顶部固定梁(12)和底座(29)形成的框架结构、一个轴向力加载装置和一个弯矩加载装置，所述轴向力加载装置设置在所述框架结构内，活动横梁(13)采用液压马达(35)通过四个丝杠(10)驱动依靠滚轮（14）沿反力架(9)升降，活动横梁(13)下方依次连接6000KN传感器(16)、上球铰(17)和上弯曲梁(20)，所述底座(29)上方设置四个丝杠(10)和液压马达(35)的安装座(27a)，在安装座(27a)上依次连接6000KN液压缸(27)、导向装置(32)、下端铰支座(33)和下弯曲梁(26)；所述弯矩加载装置设置在上弯曲梁(20)与下弯曲梁(26)的悬臂端之间, 从上弯曲梁(20)至下弯曲梁(26)依次连接1000KN传感器(21)、1000KN弯曲油缸(22)和连接杆(24)；在试验时，导轨(5)上的试样运送小车(3)把试样(4)运送到上弯曲梁(20)与下弯曲梁(26)之间，用液压马达(35)依次通过传动链（36）、链轮（37）、四个丝杠(10)驱动活动横梁(13)升降，压紧或松开试样(4)，通过6000KN液压缸(27)对试样(4)进行轴向加载、通过1000KN弯曲油缸(22)对试样(4)进行弯矩加载或通过内压加载装置(7)对试样(4)进行内压加载，采用测量控制系统对各加载工况进行测量。

2.根据权利要求1所述的一种复杂荷载试验机，其特征在于：所述6000KN液压缸（27）设有液压缸LVDT传感器（31）,所述试样（4）设有水平挠度传感器（34）。

3.根据权利要求1所述的一种复杂荷载试验机，其特征在于：所述1000KN弯曲油缸（22） 设有弯曲油缸LVDT传感器（23）。

4.根据权利要求1所述的一种复杂荷载试验机，其特征在于：所述上弯曲梁（20）的悬臂端设有上弯曲梁倾角传感器（19）, 所述下弯曲梁（26）的悬臂端设有下弯曲梁倾角传感器(25)。

5.根据权利要求1所述的一种复杂荷载试验机，其特征在于：所述下弯曲梁（26）悬臂端的下方设有下弯曲梁顶升装置（28）。