CN105588699A - 一种液压冲击试验机 - Google Patents

Abstract

一种由加载主机、液压系统和控制系统组成的液压冲击试验机，加载主机机架由下梁、上梁和导柱构成，导柱上有可滑动的中梁，加载液压缸和中梁移动油缸固定安装在上梁上，中梁和立卧变幅油缸铰接；加载液压缸的活塞杆为双出杆对称结构，中间有供细长试件穿过的通孔，两端有用于安装试件夹具或力传感器的螺纹孔，加载液压缸的活塞设有防冲击的缓冲结构；液压系统在控制系统控制下进行冲击试验。该试验机可对试件进行静态加载、快速冲击加载和静动复合冲击加载，并可采取立式、卧式和倾斜使用方式，能够充分满足冲击矿井防冲支护装备研发与试验要求的技术条件。

Description

一种液压冲击试验机

技术领域

本发明涉及煤矿支护设备抗冲击性能检测，特别是一种能够对支护设备进行静态加载、冲击加载和静动复合加载，且可采取立式、卧式和倾斜方式使用的大吨位高能级液压冲击试验机。

背景技术

煤矿冲击地压发生时间短暂且释放能量巨大，煤矿防冲支护设备在承受围岩静载的同时遭受突发的冲击载荷作用，易造成严重的安全事故和经济损失。对于冲击地压矿井而言，单纯高刚度支护不再适用，急需研发刚柔耦合一体式防冲支护装备，以改善支护体系。在研究、设计以及使用防冲支护设备时，需对支护设备进行相应的抗冲击性能检测与试验，包括特型支护构件的静动复合冲击压缩试验；防冲锚杆、锚索快速拉伸试验及静动复合加载试验；对防冲支架进行整体静载实验、冲击试验及静动复合加载试验等。

现有的冲击试验设备，有金属摆锤试验机，落锤式冲击试验机，霍普金森压杆冲击试验机和高速电液伺服冲击试验机等。其中，金属摆锤试验机专用于测试金属抗剪断韧性，不能进行拉压试验；落锤式冲击试验机是靠提升重物来实现垂直方向的冲击，不能进行静动复合加载；霍普金森压杆冲击试验机可实现高速冲击试验，但只限于对小尺寸试件进行低能级冲击试验；高速电液伺服冲击试验机只能用于材料的冲击性能检测，不能进行大型设备的冲击试验。而且，这些冲击试验机的加载方式仅限于动态加载，不能进行静动复合加载。另外，对细长类零件(长度从2米到10多米)，如防冲锚杆、防冲锚索等零件的复合冲击试验，要求试验设备卧式使用；对位于倾斜巷道中使用的支护设备进行复合冲击试验要求倾斜使用(模拟重力分量对防冲支护设备的冲击)；对水平巷道支护设备进行复合冲击试验要求立式使用，这些冲击试验机均不能同时满足立式、卧式和倾斜使用的要求。

发明内容

针对上述现有冲击试验机存在不足，本发明的目的是提供一种能够对支护设备进行静态加载、冲击加载和静动复合加载，且可立式、卧式和倾斜使用的大吨位高能级液压冲击试验机，以满足冲击地压矿井防冲支护装备研发与试验的要求。

为实现这一目的，本发明提供的液压冲击试验机，包括加载主机、液压系统和控制系统；

所述加载主机由机架、冲击加载液压缸、中梁移动油缸和立卧变幅油缸组成；机架由下梁、上梁和两端分别与下梁和上梁固定连接的四根导柱组成，导柱上有可沿导柱轴向滑动的中梁；中梁与所述立卧变幅油缸的活塞杆一端铰接，立卧变幅油缸的活塞杆另一端通过销轴与地基铰接；所述冲击加载液压缸的缸体固定安装在上梁的中心；所述中梁移动油缸的活塞杆与中梁固定连接，中梁移动油缸的缸体固定安装在上梁上；所述冲击加载液压缸包括缸体、缸盖和活塞杆，活塞杆采用双出杆对称结构，活塞杆中间加工有供细长类试件从中穿过的通孔，两端加工有用于安装试件夹具或力传感器的螺纹孔；

所述液压系统包括液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站；液压动力泵站和液压控制泵站与回油收集箱之间分别由连接管路连通，使回油收集箱中的回液通过连接管路导入液压控制泵站和液压动力泵站中；蓄能器站通过大流量快放阀a和进液高压胶管组与所述冲击加载液压缸用于进油的进回液口相接；回油收集箱通过大流量快放阀b和回液高压胶管组与所述冲击加载液压缸用于回油的进回液口相接；

所述控制系统控制所述液压系统对试件进行冲击试验。

所述加载液压缸设有防止活塞高速冲击缸盖的缓冲结构；该缓冲结构包括在缸盖的内部两端分别加工出的与活塞杆之间形成环形腔的端盖缓冲结构和在加载液压缸的活塞杆的活塞两侧分别加工出的其直径比活塞直径小、比端盖缓冲结构内径略小的活塞杆缓冲结构。

为适应加载主机卧式使用，在地基上有加载主机卧式使用时支承其下梁和上梁、使加载主机处于水平状态的两个凸台。

为使高压胶管组能随加载主机使用状态的变化而移动，以便使高压胶管的长度尽量缩短，可在地基上铺设有与所述加载主机卧式时的轴向平行的导轨，所述液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站置于该导轨上，在液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站底部安装有与该导轨配合的滚轮，液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站利用其滚轮置于导轨上，可随加载主机使用状态的变化一起沿导轨移动。

为保证试验过程中的安全，可在加载主机的外围安装安全防护罩。

本发明液压冲击试验机具有以下优点：

1、采用液压加载方式提供冲击加载力，加载力可达上千吨，最高冲击速度可达20m/s，单次冲击能量可从500KJ到5000KJ，能够满足大吨位高能级冲击试验要求。

2、能对试件进行静态加载、快速冲击加载和静动复合冲击加载，满足不同加载试验要求。

3、能实现冲击压缩试验和冲击拉伸实验，满足不同支护设备和支护构件试验要求。

4、加载主机可采取立式、卧式和倾斜多种使用方式，满足不同支护设备和支护构件的试验需要。

附图说明

附图为本发明实施例的结构和使用示意图，其中：

图1为冲击试验机的加载主机处于卧式状态的示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1中冲击加载液压缸、中梁移动油缸、上梁和中梁的组装图；

图4为图1中冲击加载液压缸的结构示意图(轴向剖视图)；

图5为沿图4中A-A剖视图；

图6为液压冲击试验机整体布置示意图；

图7为液压冲击试验机的液压系统原理图；

图8为加载主机卧式进行拉伸加载试验的示意图；

图9为加载主机立式进行压缩冲击加载试验的示意图；

图10(a)为加载主机处于卧式状态的示意图；

图10(b)为加载主机由卧式转为立式过程中倾斜状态的示意图；

图10(c)为加载主机处于立式状态的示意图。

图中符号说明：基础底座1、销轴2、下梁3、导柱4、中梁5、上梁6、冲击加载液压缸7、缸体7-1、缸盖7-2、活塞杆7-3、螺栓孔7-4、缸盖缓冲结构7-5、进回液口7-6、安装法兰7-7、活塞杆缓冲结构7-8、通孔7-9、缓冲缝隙7-10、安装法兰孔7-11、中梁移动油缸8、安装法兰8-1、安装法兰8-2、紧固螺栓9、凸台10、立卧变幅油缸11、液压动力泵站12、液压控制泵站13、回油收集箱14、蓄能器站15、大流量快放阀a16、大流量快放阀b17、进液高压胶管组18、回液高压胶管组19、轨道20、控制及数据处理系统21、安全防护罩22、连接管路23、静载液压泵24、静载调压比例阀25、控制液压泵26、蓄能器液压泵27、中梁移动和立卧液压泵28、静载蓄能器29、蓄能器调压比例阀30、液控单向阀a31、液控单向阀b32、蓄能器压力传感器33、单向阀34、细长试件35、力传感器36、高度调整垫块37、试件38、CJ1～CJn为n个蓄能器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

结合图6，本实施例液压冲击试验机由加载主机、液压系统和控制系统组成。

如图1、图2和图3所示，加载主机包括机架、冲击加载液压缸7、中梁移动油缸8和立卧变幅油缸11。所述机架由下梁3、上梁6和两端分别与下梁和上梁通过紧固螺栓9固定连接的四根导柱4构成，四根导柱呈方形布置；下梁通过销轴2与基础底座1铰接，基础底座固定在地基上；导柱上有可沿导柱轴向滑动的中梁5；中梁的一侧通过销轴与立卧变幅油缸的活塞杆一端铰接，立卧变幅油缸的活塞杆另一端通过销轴与地基铰接，加载主机卧式或立式使用时，与中梁相接的销轴卸掉；冲击加载液压缸的缸体通过安装法兰7-7固定安装在上梁的中心，使冲击加载油缸的缸体在上梁上固定不动，冲击加载时由冲击加载油缸的活塞杆对试件施加力载荷；中梁移动油缸有两个，分别通过安装法兰8-1对称固定安装在上梁冲击加载液压缸的两侧，两个中梁移动油缸的活塞杆分别通过安装法兰8-2与中梁固定连接，使中梁由中梁移动油缸的活塞杆带动可沿导柱移动其位置；在地基上构筑前后两个凸台10，分别与加载主机卧式使用时的下梁和上梁相对应，对卧式加载主机起支撑作用，并使加载主机处于水平状态。

如图4和图5所示，冲击加载液压缸7包括缸体7-1、缸盖7-2和活塞杆7-3；为保证冲击强度，缸体和活塞杆采用整体锻造后加工制成；活塞杆采用双出杆对称结构，活塞杆中间加工有供细长试件从中穿过的通孔7-9，两端加工有用于安装试件夹具或力传感器的螺纹孔7-4；缸体加工有安装法兰7-7，在安装法兰圆周方向加工若干安装法兰孔7-11，通过强力螺栓将加载液压缸固定安装在上梁的中心处；在缸体的前部和后部沿圆周方向开设均匀间隔分布的六个径向大口径进回油口7-6(进回油口的口径尺寸根据要求的冲击能量和速度确定)，用以增大进回液流道过流断面面积，以保证足够的冲击速度所需的大流量高压液体能快速通过，并使活塞杆在径向受力平衡；进行冲击拉伸和冲击压缩不同试验，只需改变进回液口的进液和回液方向即可。在冲击加载液压缸中设有防止活塞高速冲击缸盖的缓冲结构，该缓冲结构包括在冲击加载液压缸的缸盖7-2的内部两端分别加工出与活塞杆7-3之间形成环形腔的端盖缓冲结构7-5和在冲击加载液压缸的活塞杆的活塞两侧分别加工出其直径比活塞直径小、比端盖缓冲结构内径略小的活塞杆缓冲结构7-8；当冲击加载液压缸的活塞杆运动到两端时，活塞杆缓冲结构进入环形腔内，环形腔内的液体由端盖缓冲结构的内圆与活塞杆缓冲结构的外圆所形成的环形缓冲缝隙7-10中流出，形成对活塞杆的阻力，将活塞杆的速度逐渐降低，起到端部缓冲作用，防止活塞高速冲击到两端时与缸盖形成刚性冲击损伤部件。

如图6所示，液压系统包括液压动力泵站12、液压控制泵站13、回油收集箱14、和蓄能器站15。蓄能器站通过大流量快放阀a16和进液高压胶管组18与加载主机的冲击加载液压缸用于进油的进回液口相接，回油收集箱14通过大流量快放阀b17和回液高压胶管组19与加载主机的冲击加载液压缸用于回油的进回液口相接；液压动力泵站和液压控制泵站与回油收集箱之间由连接管路23连通，使回油收集箱中的回液通过连接管路导入液压控制泵站和液压动力泵站中，供下次加载试验使用；当加载主机由卧式变为立式或倾斜状态使用时，为方便进液高压胶管组和回液高压胶管组能跟随加载主机移动，以尽量缩短高压胶管的长度，在地基上铺设与加载主机卧式时的轴向平行的导轨20，在液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站的底部安装与导轨配合的滚轮(未图示)，将液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站置于导轨上，利用滚轮使液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站一起随加载主机使用状态的变化沿导轨移动。为保证试验过程中的安全，在加载主机的外围安装安全防护罩22。

结合图7，所述液压动力泵站12包括蓄能器液压泵27、蓄能器调压比例阀30、蓄能器压力传感器33及与其相连的单向阀、过滤器、压力表、压力释放阀10DT等，由液压动力泵站向指定蓄能器站提供设定压力的高压液体；蓄能器泵站包括n个蓄能器CJ1～CJn及与其相连的2位4通电磁阀16DT～nDT，大流量快放阀a16安装在蓄能器站15上；大流量快放阀b17安装在回油收集箱上；除液压动力泵站、蓄能器泵站、大流量快放阀a和大流量快放阀b以外的其他控制阀组(包括静载液压泵24、静载调压比例阀25、控制液压泵26、蓄能器液压泵27、中梁移动和立卧液压泵28、静载蓄能器29、液控单向阀a31、液控单向阀b32、单向阀34)都安装在液压控制泵站中。控制系统21对液压系统进行控制。

液压系统的工作原理是：通过控制系统预先设定加载方式(静态加载、快速冲击加载、静动复合冲击加载)、蓄能器压力及其个数；然后通过控制系统控制液压动力泵站对蓄能器站按照设定对蓄能器进行充液；控制系统根据控制指令及采集的试验数据分析后对液压控制泵站相关阀组进行控制，由液压控制泵站输出控制信号控制蓄能器站的蓄能器，对试件进行相应的加载试验。

静态加载、快速冲击加载和静动复合冲击加载的工作过程如下：

(1)静态加载

进行静态加载试验前，启动控制液压泵26，只将控制电磁铁2DT通电，控制与其相接的大流量快放阀b17阀芯向右移动，使其处于接通状态，此时冲击加载液压缸的左腔(冲击加载液压缸的“左腔”和“右腔”按图4所示)与油箱相通，保证在加载过程中冲击加载液压缸的左腔压力始终为0，通过冲击加载液压缸的活塞杆左端对试件施加静态力，活塞杆左端安装压力传感器进行压力测量，该压力测量值做为静态加载过程的力反馈信号输入控制系统21；开启静载液压泵24，由控制系统21控制静载调压比例阀25的电压值控制静载液压泵24进入冲击加载液压缸右腔的压力，使油缸输出力按设定加载速率慢速增至目标压力值，完成对试件的静态加载。

(2)快速冲击加载

进行快速冲击加载试验前，启动控制液压泵26，将控制电磁铁2DT通电，控制与其相接的大流量快放阀b17阀芯向右移动，使其处于接通状态，此时冲击加载液压缸的左腔与油箱相通，保证在加载过程中冲击加载液压缸的左腔压力始终为0；再通过控制系统21根据设定的目标压力值和蓄能器站15中使用蓄能器的数量，将对应蓄能器下面的控制进液电磁铁(对应16DT～nDT)通电，使压力液体能够通过位于蓄能器下方的2位4通电磁阀向蓄能器充液；给电磁铁6DT通电，控制与蓄能器站15相接的大流量快放阀a16处于关闭状态；启动蓄能器液压泵27，控制系统21通过控制蓄能器调压比例阀30的电压值控制蓄能器站中选中的蓄能器，使其充液到设定的压力值，蓄能器压力传感器33检测压力值达到加载目标压力值后完成充液过程，关闭蓄能器液压泵27；给电磁铁5DT通电，打开液控单向阀a31，使大流量快放阀a16的左腔液体与油箱接通；给电磁铁7DT通电，打开液控单向阀b32，将蓄能器的高压油快速通过液控单向阀b32、单向阀34引入大流量快放阀a16右端，驱动大流量快放阀a16阀芯快速左移，使大流量快放阀a开启，此时蓄能器站内的高压液体通过大流量快放阀a迅速进入冲击加载液压缸的右腔，推动活塞杆向左快速运动，实现快速冲击加载实验，其冲击力的大小与速度由控制及数据处理系统21进行控制。

(3)静-动复合冲击加载

先按上述静态加载方法对试件施加静态载荷，当达到设定的静态载荷并稳定到设定时间后，再按预定的冲击载荷通过上述快速冲击加载方式对试件施加冲击载荷，即可完成静-动复合冲击加载试验。

压缩加载和拉伸加载试验的实现方法：

上述三种加载方式都是采取冲击加载液压缸的右腔进油，左腔回油，试件与冲击加载液压缸活塞杆左端接触施加压缩加载实验，力传感器安装在冲击加载液压缸活塞杆的左端。若将冲击加载油缸进油口和回油口对调，就可实现拉伸加载实验，此时只需将力传感器安装在冲击加载液压缸活塞杆的右端，将细长试件从活塞杆中间的通孔内穿过，一端固定在加载主机的底梁上，另一端通过固定连接件与安装在冲击加载液压缸右端的力传感器相连即可。冲击压缩和冲击拉伸两种加载试验的位移量通过位移传感器测量。

结合图10(a)、图10(b)、图10(c)和图7，冲击试验机加载主机由卧式变为立式的过程通过立卧变幅油缸11和中梁移动油缸8联合驱动来实现。首先给电磁铁13DT通电，驱动立卧变幅油缸活塞杆伸出，使活塞杆端部由图10(b)中A点运动到B点，此时加载主机如图10(b)所示倾斜状态；给电磁铁13DT断电，给电磁铁11DT通电，驱动中梁移动油缸活塞杆伸出，驱动中梁位置下移，使加载主机沿圆弧B到C，到达图10(c)所示直立状态。如需倾斜使用，当到达预定倾角后，锁紧中梁移动油缸和立卧变幅油缸即可。由立式变为卧式与上述过程相反，先给电磁铁12DT通电，驱动中梁移动油缸收缩，使加载主机由直立状态变为倾斜，到达B点后，电磁铁12DT断电，电磁铁14DT供电，立卧变幅油缸收缩，使加载主机继续沿B到A后，到达图10(a)所示卧式状态。

加载主机立式、卧式和倾斜使用方法如下：

(1)卧式使用方法：

卧式使用主要用于锚杆、锚索等细长类零件的拉伸加载试验。如图8所示,将细长试件35一端固定在加载主机的下梁上，另一端穿过冲击加载液压缸的活塞杆中间的通孔后，与安装在冲击加载液压缸右端的力传感器36固定在一起。拉伸加载试验时，冲击加载液压缸的左腔进入高压高速液体，驱动液压缸活塞杆向右移动，对细长类零件进行拉伸加载实验。

(2)立式使用方法：

立式使用主要用于模拟水平巷道防冲支护设备的冲击压缩试验。如图9所示,首先根据试件大小通过中梁移动油缸调整中梁到适当位置后，在中梁和下梁之间安装高度调整垫块37，再通过中梁移动油缸驱动中梁压紧高度调整垫块，并将中梁移动油缸锁紧。将试件38安装在中梁上，即可对其进行压缩加载实验，此时冲击加载液压缸上方的进回液口为进液口，下方的进回液口为回液口。

(3)倾斜使用方法与立式使用方法相同。

Claims (5)

1.一种冲击试验机，包括加载主机、液压系统和控制系统；其特征在于：

所述加载主机由机架、冲击加载液压缸(7)、中梁移动油缸(8)和立卧变幅油缸(11)组成；机架由下梁(3)、上梁(6)和两端分别与下梁和上梁固定连接的四根导柱(4)组成，导柱上有可沿导柱轴向滑动的中梁(5)；中梁与所述立卧变幅油缸的活塞杆一端铰接，立卧变幅油缸的活塞杆另一端通过销轴与地基铰接；所述冲击加载液压缸的缸体固定安装在上梁的中心；所述中梁移动油缸的活塞杆与中梁固定连接，中梁移动油缸的缸体固定安装在上梁上；所述冲击加载液压缸包括缸体(7-1)、缸盖(7-2)和活塞杆(7-3)，活塞杆采用双出杆对称结构，活塞杆中间加工有供细长类试件从中穿过的通孔(7-9)，两端加工有用于安装试件夹具或力传感器(36)的螺纹孔(7-4)；

所述液压系统包括液压动力泵站(12)、液压控制泵站(13)、回油收集箱(14)和蓄能器站(15)；液压动力泵站和液压控制泵站与回油收集箱之间分别由连接管路(23)连通，使回油收集箱中的回液通过连接管路导入液压控制泵站和液压动力泵站中；蓄能器站通过大流量快放阀a(16)和进液高压胶管组(18)与所述冲击加载液压缸用于进油的进回液口(7-6)相接；回油收集箱通过大流量快放阀b(17)和回液高压胶管组(19)与所述冲击加载液压缸用于回油的进回液口(7-6)相接；

所述控制系统控制所述液压系统对试件进行冲击试验。

2.根据权利要求1所述的液压冲击试验机，其特征在于：

所述加载液压缸(7)设有防止活塞高速冲击缸盖的缓冲结构；该缓冲结构包括在缸盖(7-2)的内部两端分别加工出的与活塞杆(7-3)之间形成环形腔的端盖缓冲结构(7-5)和在加载液压缸的活塞杆的活塞两侧分别加工出的其直径比活塞直径小、比端盖缓冲结构内径略小的活塞杆缓冲结构(7-8)。

3.根据权利要求1所述的液压冲击试验机，其特征在于：

在地基上有加载主机卧式使用时支承其下梁和上梁、使加载主机处于水平状态的两个凸台(10)。

4.根据权利要求1所述的液压冲击试验机，其特征在于：

在地基上铺设有与所述加载主机卧式时的轴向平行的导轨(20)，所述液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站置于该导轨上，在液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站底部安装有与该导轨配合的滚轮，液压动力泵站、液压控制泵站、回油收集箱和蓄能器站利用其滚轮置于导轨上，可随加载主机使用状态的变化一起沿导轨移动。

5.根据权利要求1所述的液压冲击试验机，其特征在于：

在加载主机的外围安装有安全防护罩(22)。