CN103512740A - 一种对支座进行静动力多功能测试的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对支座进行静动力多功能测试的装置，包括主机机械部分、水平剪切部分、垂向加载部分、转角加载部分、运送小车、直线导轨装置、环境箱、测控部分和液压部分，水平剪切部分水平伺服作动器水平悬挂，与主机机械部分自平衡立柱内侧滑槽铰接，对待测试支座提供水平向加载；垂向加载部分垂向伺服作动器上端固定于主机机械部分上横梁，下端连接移动横梁，对待测试支座提供垂向加载；转角加载部分平行于垂向加载部分，固定在主机机械部分上横梁外侧，用于完成转角试验；运送小车安装在主机机械部分的运送轨道上，直线导轨装置安装在主机机械部分承载立柱内侧；测控部分和液压部分均分别与水平剪切部分、垂向加载部分和转角加载部分相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种对支座进行静动力多功能测试的装置，主要涉及公路桥梁、铁路桥梁、房屋建筑等建设中减隔震支座和普通支座力学性能测试，可完成压缩试验、转角试验、剪切试验、剪切性能相关性试验、摩擦系数试验以及一些小型构件的力学试验等。
背景技术
近二十年来，用于桥梁减振的结构保护系统有了很大的发展，在国际上迅速发展并被广泛接受的结构保护系统包括液体粘滞阻尼器、金属摩擦摆和铅芯橡胶支座等。我国已完成或者正在建设的大型桥梁，为了达到减少桥梁各种振动的影响，也纷纷采用减隔震支座设计，如苏通大桥引桥、港珠澳大桥等。但由于国内单位的支座检测设备仅能满足支座静态力学性能测试，无法进行动态力学性能测试，在一定程度上忽视了减隔震支座在地震作用下发挥功效的动态力学特性。由于国内支座测试技术的滞后，这已严重阻碍了减隔震支座的发展与工程应用。
为了保证支座产品质量，对此类产品提出严格的产品性能测试要求很有必要，这是检验产品是否达到设计要求，确保产品质量及耐久性的重要手段，是消能减震工程最为重要的环节之一。
目前，欧美国家的规范和指南中建议减隔震支座性能测试除了需要进行竖向承载力、水平位移量、转动能力、摩擦特性等静力测试外，尚需要进行不同设计地震位移下的动态性能试验、竖向隔震动态性能试验等。但我国现有的支座试验机还不能全面、系统地满足测试要求。
国内支座性能测试系统存在以下几个主要方面困境或缺陷：第一，目前只能进行支座的静态压剪试验，无法进行动态加载试验。水平伺服作动器进行动态加载时，需要垂向伺服作动器也处于伺服随动的控制状态。第二，支座性能测试系统自身刚度不高或者侧向承载机构摩擦力较大时，在大吨位伺服作动器作用下导致机身受力变形或者移动横梁受力较大，产生附加荷载；另外，水平伺服作动器进行剪切试验时有摩擦力过大影响试验精度的现象，造成了误差影响检测结果。第三，国内的支座性能测试系统皆未设置环境控制功能，无法真实模拟实际工程所处环境条件下的支座静动力性能，难以保证支座工作性能、耐久性及安全性。第四，垂向大吨位作动器上下运动时由于密封结构的特性，会导致导向装置以及作动器发生旋转，增加试件扭矩；另外，竖向加载时会产生的横向侧向力过大会使得设备发生偏摆，影响试验精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服上述现行技术存在的缺陷以及根据目前桥梁建设的需要，本发明提出了一种对支座进行静动力多功能测试的装置。模拟实际工程环境条件下进行大吨位水平向动态快速加载试验，可进行单剪、双剪、转角、极限抗压以及动态性能等试验，实现大吨位高精度动态加载支座力学性能检测，保证支座静动力测试的精度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对支座进行静动力多功能测试的装置，该装置包括主机机械部分1、水平剪切部分2、垂向加载部分3、转角加载部分4、运送小车5、直线导轨装置6、环境箱、测控部分和液压部分，其中：水平剪切部分2、垂向加载部分3、转角加载部分4安装在主机机械部分1，构成加载主体；水平伺服作动器201水平悬挂，与主机机械部分1自平衡立柱103内侧滑槽铰接，对待测试支座7提供水平向加载；垂向加载部分3垂向伺服作动器301上端固定于主机机械部分1上横梁102，下端连接移动横梁303，对待测试支座7提供垂向加载；转角加载部分4平行于垂向加载部分3，并固定在主机机械部分1上横梁102外侧，用于完成转角试验；运送小车5安装在主机机械部分1的运送轨道上，直线导轨装置6安装在主机机械部分1承载立柱101内侧；环境箱为单独配置，模拟待测试支座7所处的真实环境；测控部分和液压部分均分别与水平剪切部分2、垂向加载部分3和转角加载部分4相连。
上述方案中，所述主机机械部分1包括承载立柱101、上横梁102、自平衡立柱103、连接横梁104以及底座105，其中，底座105固定于地面；承载立柱101底部固定在底座105，上部与上横梁102固定；自平衡立柱103底部安装在底座105；连接横梁104与底座105平行，分别与自平衡立柱103和承载立柱101连接。所述承载立柱101、上横梁102、自平衡立柱103、连接横梁104以及底座105构成自反力平衡系统，垂向加载部分3垂向伺服作动器301和转角加载部分4三角托架402安装于上横梁102，垂向伺服作动器301与上横梁102之间的连接较强，不允许垂向伺服作动器301发生位移；水平伺服作动器201安装在承载立柱101和自平衡立柱103中间，通过两个竖向油缸202实现水平伺服作动器201的升降。
上述方案中，所述水平剪切部分2包括水平伺服作动器201、竖向油缸202、剪切板203和下垫板204，其中，水平伺服作动器201安装在自平衡立柱103滑槽内，上方设置两个竖向油缸202，并通过竖向油缸202举升调整水平伺服作动器201高度，两个竖向油缸202下端与水平伺服作动器201通过螺栓锚固，上端安装在连接横梁104上，剪切板203和下垫板204安置在运送小车上；剪切板203通过作动器端头与作动器螺栓固定。
上述方案中，所述垂向加载部分3包括垂向伺服作动器301、作动器同步机构302和移动横梁303，其中，作动器同步机构302安装在垂向伺服作动器301，垂向伺服作动器301上端与上横梁102连接，下端与移动横梁303连接。所述垂向加载部分3采用多缸并联技术，通过控制多个电液伺服阀的同步性来保证加载时每个作动器都保持同步。
上述方案中，所述转角加载部分4包括转角伺服作动器401和三角托架402，其中，三角托架402安装在主机机械部分1上横梁102外侧，转角伺服作动器401上端固定在三角托架402上，下端通过作动器端头与剪切板203连接形成转角加载部分。
上述方案中，所述运送小车5包括设置在底座105上的轨道，驱动小车运动的电机以及四个升降油缸，通过驱动电机将运送小车拉进和推出加载区域，利用升降油缸便于待测试支座7的安装，提高试验效率和精度，节省安装时间。
上述方案中，所述直线导轨装置6包括带有凹槽的导轨以及可实现滚动摩擦的滑块，滑块内部的滚珠回路保证平台的运动平稳性及其刚性。所述直线导轨装置6通过法兰连接在承载立柱101内侧，移动横梁303侧向安装在直线导轨滑槽上内。
上述方案中，所述环境箱通过外置加热器、制冷器、喷雾器或喷水器，模拟夏天高温、冬季低温或雨雪环境，在环境箱内设置温度传感器、湿度传感器、雨雪传感器，通过计算机控制系统对环境箱内的温度、湿度、雨雪量进行控制和记录。
上述方案中，所述测控部分包括控制微机、伺服控制器、转换板、电液伺服控制柜和测量仪器，通过控制微机实现加载指令设定、数据采集、数据处理、报告生成的全自动控制，通过控制微机中的测控软件向伺服控制器发出加/卸载指令控制整个实验，通过测量仪器及时反馈力/位移信号到伺服控制器，保证实验的精确完成。
上述方案中，所述液压部分包括高低压蓄能器、分油器以及管路系统，为加载部分提供油压产生动力。所述液压部分是通过管路系统将高低压蓄能器和分油器连通并与水平伺服作动器201、垂向伺服作动器301及转角伺服作动器401连接以提供加载动力。
(三)有益效果
本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置，与现有的支座性能试验机相比较，除具有普通支座试验机的功能外，还具有突出的结构特点和显著的技术进步，主要表现在：
1、高速动态加载试验。本发明不仅能进行常规的支座静态加载试验，还能够正确、全面地检测支座的动态性能，为我国支座尤其是减隔震支座的研发、生产和检测提供重要支撑。
2、模拟实际的工程环境。本发明装置配备了环境箱，可以较为准确模拟支座实际工作环境，如夏天高温、冬季低温、雨雪等不利环境。开展实际环境条件下支座静动力性能试验，并获得与工程环境条件匹配的支座力学性能综合指标，有利于建立基于全寿命的支座性能评价体系。
3、多台电液伺服作动器并联加载技术。本发明能满足作动器动态高速加载的大流量需求，降低了加工、装配与维修难度，极大地减少了泄漏的风险；另外导向装置采用棍棒滚动结构设计方法，可以保证检测出的试验曲线不需修正也可满足实验精度要求。
附图说明
图1为本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置的主视图；
图2为本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置的俯视图；
图3为本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置的左视图；
图4为本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置的主机机械部分的示意图；
图5为本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置的三个加载部分的示意图；
图6为依照本发明实施例的单剪试验加载的示意图；
图7为依照本发明实施例的双剪试验加载的示意图；
图8为依照本发明实施例的转角试验加载的示意图；
图9为依照本发明实施例的对测试装置进行控制的示意图。
图中：1-主机机械部分；2-水平剪切部分；3-垂向加载部分；4-转角加载部分；5-运送小车；6-直线导轨装置；7-待测试支座；101-承载立柱；102-上横梁；103-自平衡立柱；104-连接横梁；105-底座；201-水平伺服作动器；202-竖向油缸；203-剪切板；204-下垫板；301-垂向伺服作动器；302-作动器同步机构；303-移动横梁；401-转角伺服作动器；402-三角托架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1～图3所示，本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置包括主机机械部分1、水平剪切部分2、垂向加载部分3、转角加载部分4、运送小车5、直线导轨装置6、环境箱、测控部分和液压部分。水平剪切部分2、垂向加载部分3、转角加载部分4安装在主机机械部分1构成加载主体。水平伺服作动器201水平悬挂，与主机机械部分1自平衡立柱103内侧滑槽铰接，对待测试支座7提供水平向加载；垂向加载部分3垂向伺服作动器301上端固定于主机机械部分1上横梁102，下端连接移动横梁303，对待测试支座7提供垂向加载；转角加载部分4平行于垂向加载部分3，并固定在主机机械部分1上横梁102外侧，用于完成转角试验；运送小车5安装在主机机械部分1的运送轨道上，直线导轨装置6安装在主机机械部分1承载立柱101内侧；环境箱为单独配置，模拟待测试支座7所处的真实环境；测控部分和液压部分均分别与水平剪切部分2、垂向加载部分3和转角加载部分4相连。
如图4所示，主机机械部分1包括承载立柱101、上横梁102、自平衡立柱103、连接横梁104以及底座105，且承载立柱101、上横梁102、自平衡立柱103、连接横梁104以及底座105构成自反力平衡系统。底座105固定于地面；承载立柱101底部固定在底座105，上部与上横梁102连接；自平衡立柱103底部固定于底座105；连接横梁104与底座105平行，分别与承载立柱101和自平衡立柱103连接。
图5示出了本发明提供的对支座进行静动力多功能测试的装置的三个加载部分的示意图，其中：
水平剪切部分2包括水平伺服作动器201、竖向油缸202、剪切板203和下垫板204。水平伺服作动器201安装在自平衡立柱103滑槽内，上方设置两个竖向油缸202，通过竖向油缸202举升调整水平伺服作动器201高度，两个竖向油缸202下端与水平伺服作动器201通过螺栓锚固，上端安装在连接横梁104上，剪切板203和下垫板204安置在运送小车上。
垂向加载部分3包括垂向伺服作动器301、作动器同步机构302和移动横梁303。垂向加载部分3采用多缸并联技术，通过控制多个电液伺服阀的同步性来保证加载时每个作动器都保持同步。作动器同步机构302安装在垂向伺服作动器301上，垂向伺服作动器301上端与上横梁102固定连接，下端与移动横梁303螺栓连接。
转角加载部分4包括转角伺服作动器401和三角托架402。三角托架402安装在主机机械部分1上横梁102外端，转角伺服作动器401上端固定在三角托架402上，下端通过作动器端头与剪切板203连接形成转角加载部分。
水平剪切部分2、垂向加载部分3和转角加载部分4三个加载部分配合使用能够进行支座试验以及一些小型构件的加载试验。水平伺服作动器201安装在承载立柱101和自平衡立柱103中间，通过两个竖向油缸202实现水平伺服作动器201的升降。垂向伺服作动器301安装在上横梁102上，要求垂向伺服作动器301与上横梁102之间的连接较强，防止垂向伺服作动器301发生位移。
运送小车5包括设置在底座105上的轨道，驱动小车运动的电机以及四个升降油缸等。通过驱动电机将运送小车拉进和推出加载区域，利用升降油缸便于待测试支座7的安装，提高试验效率和精度，节省安装时间。
直线导轨装置6包括带有凹槽的导轨以及可实现滚动摩擦的滑块，滑块内部的滚珠回路保证了平台的运动平稳性及其刚性，使其具有极低的摩擦力、较好的导向性。直线导轨装置6通过法兰连接在承载立柱101内侧，移动横梁303侧向安装在直线导轨装置6滑槽内。
环境箱通过外置加热器、制冷器、喷雾器、喷水器等，模拟夏天高温、冬季低温、雨雪等环境，在环境箱内设置温度传感器、湿度传感器、雨雪传感器，通过计算机控制系统对环境箱内的温度、湿度、雨雪量等进行控制和记录。在支座达到实际工作环境一定时间后，将其放置在静动力多功能测试系统上进行实际环境下的静动力测试。
测控部分包括控制微机、伺服控制器、转换板、电液伺服控制柜和测量仪器等。通过控制微机可实现加载指令设定、数据采集、数据处理、报告生成等全自动控制。通过控制微机中的测控软件向伺服控制器发出加/卸载指令控制整个实验，通过测量仪器及时反馈力/位移信号到伺服控制器，保证实验的精确完成。
液压部分包括高低压蓄能器、分油器以及管路系统等，主要是为加载系统提供油压产生动力。通过管路系统将高低压蓄能器和分油器连通并与水平伺服作动器201、垂向伺服作动器301及转角伺服作动器401连接以提供加载动力。
图6为依照本发明实施例的单剪试验加载的示意图，上料过程说明如下：
a.用电机将运送小车推出，在下垫板204上安装试件，用运送小车将其拉至至限位块。
b.通过升举作动器将运送小车落在水平滚动装置上并固定，将下垫板204与水平伺服作动器201端头连接。
c.通过竖向作动器以及滑槽将水平伺服作动器201升到对应高度后再与水平伺服作动器201端头连接。
图7为依照本发明实施例的双剪试验加载的示意图，上料过程说明如下：
a.用电机将运送小车推出，在下垫板204上安装试件，并将试件上方与剪切板203连接；
b.将第二个试件下部与剪切板203连接，用运送小车将其移动至限位块，将水平滚动装置固定。
c.通过升举作动器将运送小车落在水平滚动装置上并固定，将剪切板203与水平伺服作动器201端头连接。
d.通过竖向油缸202将水平伺服作动器201调整到特定高度后再与剪切板203端头连接。
图8为依照本发明实施例的转角试验加载的示意图，按照一定的速率将预压力P加到一定值后，用转角加载作动器提升剪切板203至指定的力F，保持一定时间后通过传感器得出数据。
图9为依照本发明实施例的对测试装置进行控制的示意图，来自信号源发出信号给伺服控制器，通过D/A转换模块进行信号转换后经过放大器进行信号功率放大，并通过作动器驱动作动器实现加载，通过力传感器或者位移传感器将加载情况通过A/D转换模块转换为反馈信号给伺服控制器，伺服控制器将来自信号与反馈信号进行处理后重新发出信号来控制整个加载系统。本发明转角加载部分与水平加载部分共用电液伺服控制输出通道，系统设置了两路控制通道。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，该装置包括主机机械部分(1)、水平剪切部分(2)、垂向加载部分(3)、转角加载部分(4)、运送小车(5)、直线导轨装置(6)、环境箱、测控部分和液压部分，其中：
水平剪切部分(2)、垂向加载部分(3)、转角加载部分(4)安装在主机机械部分(1)构成加载主体；水平剪切部分(2)水平伺服作动器(201)水平悬挂，与主机机械部分(1)自平衡立柱(103)内侧滑槽铰接，对待测试支座(7)提供水平向加载；垂向加载部分(3)垂向伺服作动器(301)上端固定于主机机械部分(1)上横梁(102)，下端连接移动横梁(303)，对待测试支座(7)提供垂向加载；转角加载部分(4)与垂向加载部分(3)平行，三角托架(402)固定在主机机械部分(1)上横梁(102)外侧，用于完成转角试验；
运送小车(5)安装在主机机械部分(1)的运送轨道上，直线导轨装置(6)安装在主机机械部分(1)承载立柱(101)内侧；环境箱为单独配置，模拟待测试支座(7)所处的实际工程环境；测控部分和液压部分均分别与水平剪切部分(2)、垂向加载部分(3)和转角加载部分(4)相连。
2.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述主机机械部分(1)包括承载立柱(101)、上横梁(102)、自平衡立柱(103)、连接横梁(104)以及底座(105)，其中，底座(105)固定于地面；承载立柱(101)底部固定在底座(105)，上部与上横梁(102)固定；自平衡立柱(103)底部安装在底座(105)右端；连接横梁(104)与底座(105)平行，分别与自平衡立柱(103)和承载立柱(101)连接。
3.根据权利要求2所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述承载立柱(101)、上横梁(102)、自平衡立柱(103)、连接横梁(104)以及底座(105)构成自反力平衡系统，垂向加载部分(3)垂向伺服作动器(301)和转角加载部分(4)的三角托架(402)安装于上横梁(102)，垂向伺服作动器(301)与上横梁(102)之间的连接较强，不允许垂向伺服作动器(301)发生位移；水平伺服作动器(201)安装在承载立柱(101)和自平衡立柱(103)中间，通过两个竖向油缸(202)实现水平伺服作动器(201)的升降。
4.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述水平剪切部分(2)包括水平伺服作动器(201)、竖向油缸(202)、剪切板(203)和下垫板(204)，其中，水平伺服作动器(201)安装在自平衡立柱(103)滑槽内，上方设置两个竖向油缸(202)，并通过竖向油缸(202)举升调整水平伺服作动器(201)高度，两个竖向油缸(202)下端与水平伺服作动器(201)通过螺栓锚固，上端安装在连接横梁(104)上；剪切板(203)和下垫板(204)安置在运送小车上，剪切板(203)通过作动器端头与作动器螺栓固定。
5.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述垂向加载部分(3)包括垂向伺服作动器(301)、作动器同步机构(302)和移动横梁(303)，其中，作动器同步机构(302)安装在垂向伺服作动器(301)上，垂向伺服作动器(301)上端与上横梁(102)固定连接，下端与移动横梁(303)螺栓连接。
6.根据权利要求5所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述垂向加载部分(3)采用多缸并联技术，通过控制多个电液伺服阀的同步性来保证加载时每个作动器都保持同步。
7.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述转角加载部分(4)包括转角伺服作动器(401)和三角托架(402)，其中，三角托架(402)安装在主机机械部分(1)上横梁(102)外侧，转角伺服作动器(401)上端固定于三角托架(402)，下端通过作动器端头与剪切板(203)连接形成转角加载部分。
8.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述运送小车(5)包括设置在底座(105)上的轨道，驱动小车运动的电机以及四个升降油缸，通过驱动电机将运送小车拉进和推出加载区域，利用升降油缸便于待测试支座(7)的安装，提高试验效率和精度，节省安装时间。
9.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述直线导轨装置(6)包括带有凹槽的导轨以及可实现滚动摩擦的滑块，滑块内部的滚珠回路保证平台的运动平稳性及其刚性。
10.根据权利要求9所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述直线导轨装置(6)通过法兰连接在承载立柱(101)内侧，移动横梁(303)侧向安装在直线导轨装置(6)滑槽内。
11.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述环境箱通过外置加热器、制冷器、喷雾器或喷水器，模拟夏天高温、冬季低温或雨雪环境，在环境箱内设置温度传感器、湿度传感器、雨雪传感器，通过计算机控制系统对环境箱内的温度、湿度、雨雪量进行控制和记录。
12.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述测控部分包括控制微机、伺服控制器、转换板、电液伺服控制柜和测量仪器，通过控制微机实现加载指令设定、数据采集、数据处理、报告生成的全自动控制，通过控制微机中的测控软件向伺服控制器发出加/卸载指令控制整个实验，通过测量仪器及时反馈力/位移信号到伺服控制器，保证实验的精确完成。
13.根据权利要求1所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述液压部分包括高低压蓄能器、分油器以及管路系统，为加载部分提供油压产生动力。
14.根据权利要求13所述的对支座进行静动力多功能测试的装置，其特征在于，所述液压部分是通过管路系统将高低压蓄能器和分油器连通并与水平伺服作动器(201)、垂向伺服作动器(301)及转角伺服作动器(401)连接以提供加载动力。
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