CN106596289A - 一种金属管纯弯曲变形试验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管纯弯曲变形试验装置及其实验方法，其试验装置包括反力架、机架、液压式双作用千斤顶、加载组件、液压站、数据采集组件和计算机终端七个部分，其关键技术点在于，加载组件的传动轮组件中的链轮与平衡轮的连接轴上均分别装配有一U型槽轴承，U型槽轴承的槽沟圆弧曲率半径与待纯弯曲试验的金属管壁面的曲率半径一致，实验中，金属管的两端被U型槽轴承的沟槽圆弧面以360度贴合的形式“握持”，金属管所受非径向外力小，弯曲变形趋近纯弯曲状态，因而，系统误差小；并且，实验过程中弯曲变形环节全自动化进行，避免了偶然误差的产生；本发明整体结构简单、紧凑，实验操作简便。

Description

一种金属管纯弯曲变形试验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种金属管弯曲试验装置及其实验方法，尤其涉及一种金属管纯弯曲变形试验装置及其实验方法。

背景技术

管道的抗弯性能是衡量其使用寿命和可靠性的最为关键的性能指标，是管道设计和制造的重要依据。

现有技术中，尚无成熟的、专用于管道纯弯曲变形试验装置。实验人员在测试管道弯曲性能的实验过程中，通常借用适用于实腹式截面构件的三点或四点弯曲实验方法开展，此类实验通过一个或两个刚性加载装置缓慢施压于管道壁面，并在加载过程中记录其弯矩-曲率关系。

然而，这种实验方法通常会引起加载端与管道的接触部位产生一定量的局部塑性变形，对于薄壁管道，这种局部塑性变形将超出一定限度，进而导致管道整体弯曲破坏前引起结构局部失效，无法准确反映该类管道的整体弯曲性能。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种金属管纯弯曲变形试验装置，其结构简单、紧凑，在金属管弯曲变形实验过程中，金属管弯曲变形受力合理，所产生的弯曲变形趋近较为理想的“纯弯曲变形”状态，具有较小的“系统误差”。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，包括反力架、机架、液压式双作用千斤顶、加载组件、液压站、数据采集组件和计算机终端七个部分，其中，所述反力架为一墩柱，所述机架呈双杠式结构，包括四根支腿与两根横梁，其中，横梁为条形板；

所述反力架与机架分立，一左一右布置；

所述液压式双作用千斤顶包括两个缸体，两个缸体的底座一上一下分别固定在所述反力架上；

所述加载组件包括两组传动轮组件，每组传动轮组件均分别包括一链轮和一平衡轮，其中，链轮为主动轮、平衡轮为被动轮，链轮与平衡轮的外径相等，链轮与平衡轮上均分别设置有五个轴孔，其中一个为中心轴孔，另外四个轴孔分上下两排、每排两个；位置靠下的那一排的两个轴孔的中心点对称分布在上述中心轴孔圆心的两侧；四个轴孔的中心点的连线构成一等腰梯形；

上述每组传动轮组件中的链轮与平衡轮，均分别通过五根轴装配成一体，五根轴中，一根为中心轴，中心轴的两端分别与固定在两侧横梁上的带座轴承成可转动连接，另外四根连接轴上均分别装配有一U型槽轴承，该U型槽轴承位于链轮与平衡轮之间；位置靠上那排U型槽轴承下表面的圆弧顶点与位置靠下的那排U型槽轴承上表面的圆弧顶点之间的距离，等于待进行纯弯曲试验的金属管的外径；

上述U型槽轴承的槽沟圆弧曲率半径与待纯弯曲试验的金属管壁面的曲率半径一致；

在上述两个链轮之间设置有并列布置并相互间隔一定距离的两个定滑轮组，每个定滑轮组上的两个定滑轮一上一下分别装配在同一根安装轴上，定滑轮组的安装轴上设置有一安装座，安装座固定在上述横梁上；

上述两个链轮分别由两根链条传动，这两根链条均为非封闭式结构，每根链条的两端均分别设置有一吊扣；左右两根链条各自位置在上方的那端的吊扣上分别栓有一根钢丝绳，这两根钢丝绳的另一端经由对应的定滑轮上绕过，并分别通过连接件固定在液压式双作用千斤顶的位置靠上的那个活塞杆端；

左右两根链条各自位置在下方的那端的吊扣上分别栓有一根钢丝绳，这两根钢丝绳的另一端经由对应的定滑轮上绕过，并分别通过连接件固定在液压式双作用千斤顶的位置靠下的那个活塞杆端；

所述液压式双作用千斤顶由液压站供油；

所述数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪、转角传感器和拉力传感器，所述非接触式应变位移测量仪布置在机架旁，远离墩柱的一侧；

所述拉力传感器用于监测与液压式双作用千斤顶的位置靠上的那个活塞杆端连接的钢丝绳的拉力；

所述转角传感器数量为两个，一个平衡轮上安装一个；

上述非接触式应变位移测量仪、转角传感器和拉力传感器，分别通过数据线与计算机终端通讯连接；

液压站的供油油泵由所述计算机终端控制与调节。

上述技术方案直接带来的技术效果是，在金属管纯弯曲变形实验过程中，与待测金属管壁面直接接触的是两组、每组各4个U型槽轴承，由于U型槽轴承的槽沟圆弧曲率半径与待纯弯曲试验的金属管壁面的曲率半径一致。这样，被U型槽轴承的沟槽圆弧面将以360度贴合的形式“握持”住金属管的左右两端，对金属管施加弯曲变形所需的扭力，彻底消除了现有技术的金属管加载部位受力不匀的问题，进而彻底避免了因受力部位集中导致金属管局部失效现象的发生。

上述技术方案中，与待测金属管壁面直接接触的是两组、每组各4个U型槽轴承，弯曲变形实验过程中，金属管产生水平方向的运动(或运动趋势)时，所受的摩擦阻力将大幅减小。这样，将最大可能性的减小金属管的非径向方向上的外力作用，降低实验误差。

简言之，上述技术方案的金属管纯弯曲变形试验装置，在进行金属管纯弯曲实验过程中，金属管的非径向方向上的外力几乎接近零。换言之，在金属管弯曲变形实验过程中，金属管弯曲变形受力合理，所产生的弯曲变形趋近较为理想的“纯弯曲变形”状态，具有较小的“系统误差”。

此外，上述技术方案的金属管纯弯曲变形试验装置，其整体结构简单、紧凑。

优选为，上述非接触式应变位移测量仪的视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，选择视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域的非接触式应变位移测量仪，可以避免实验过程中进行视场的“追踪”调节，在实验开始之前即可“一步到位”，完成调节校准工作，带来使用上的简便。

进一步优选，上述机架的四根支腿分别固定在基座上，基座通过若干数量的地锚固定在地面上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，可以进一步提高机架安装的牢固性与稳定性，便于拆卸。

进一步优选，上述连接件包括吊钩、张紧器和固定板，所述固定板焊接在活塞杆端，固定板上设置有吊耳，吊钩挂在吊耳上；

所述张紧器用于钢丝绳的涨紧与调节。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，适于手动调节钢丝绳的涨紧程度，并便于安装与拆卸。

进一步优选，上述传动轮组件设计为系列成套件，以用于不同外径金属管的纯弯曲试验。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，通过简单的传动轮组件替换，即可“一物多用、一物通用”地用于不同外径金属管的纯弯曲试验。这利于设备使用上的便利与制造成本的降低。

进一步优选，上述横梁上用于带座轴承固定的螺栓孔均为长条状，以用于调节两个链轮的相对距离，适用于不同长度的金属管的纯弯曲试验。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，便于调节链轮之间的相对距离，以适于不同长度金属管的纯弯曲试验。

进一步优选，上述链轮为双排齿结构，所述链条为双排滚子链条。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，双排滚子链条在承受较大的拉力时，其长度变形量小；这有利于进一步地减小实验装置的系统误差。

本发明的目的之二是，提供一种上述的金属管纯弯曲变形试验装置的实验方法，其具有操作简便、实验过程中的核心环节/关键步骤“全自动化地”进行，人为介入少，实验结果的偶然误差小等特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种上述的金属管纯弯曲变形试验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，手动操作，启动供油油泵，驱动液压式双作用千斤顶进行活塞杆伸出/回缩长度调节，直至从外向内看，每个平衡轮外侧的横梁上的指针均分别与对应的平衡轮上的基准指示线重合后，停供油油泵；

第二步，手动调节非接触式应变位移测量仪，以使其视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域；

第三步，手动操作，将待纯弯曲试验金属管从位置靠上那排U型槽轴承下表面与位置靠下的那排U型槽轴承上表面之间插入，并调整到位；

第四步，按所需试验要求，在计算机终端上设定包括供油油泵出口压力在内的参数，点击回车，由计算机终端启动供油油泵，液压式双作用千斤顶位置靠上的那个活塞杆端收缩、位置靠下的那个活塞杆端同步伸出，带动一个链轮逆时针转动，另一个链轮顺时针转动；与此同时，金属管在弯曲扭矩的作用下连续弯曲变形，直至金属管纯弯曲试验自动完成；

然后，手动操作，停供油油泵，打印输出试验数据。

上述技术方案直接带来的技术效果是，实验操作简便，实验过程中的核心环节/关键步骤“全自动化地”进行，既带来了操作上的便利，又避免了人为因素所造成的“偶然误差”。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、试验装置结构简单紧凑、操作简便。

2、实验结果真实性、准确性与可靠性高：

实验过程中金属管的弯曲变形十分趋近“纯弯曲变形”状态，因而，试验装置的系统误差小；

实验过程中的核心环节/关键步骤“全自动化地”进行，操作便利，且实验结果的偶然误差小。

附图说明

图1为本发明的轴测结构示意图；

图2为本发明的传动轮组件的分解轴测结构示意图；

图3为本发明的传动轮组件轴测装配结构示意图；

图4为本发明的实验过程中金属管起始状态结构示意图；

图5为本发明的实验过程中金属管弯曲变形的状态结构示意图。

附图标记说明：

1、基座；2、地锚；3、机架；4、定滑轮组；5、钢丝绳；6、张紧器；7、拉力传感器；8、液压式双作用千斤顶；9、液压站；10、计算机终端；11、反力架；13、金属管；14、连接轴；15、平衡轮；16、中心轴；17、链条；18、U型槽轴承；19、卡簧；20、吊扣；22、带座轴承；24、转角传感器；25、链轮；26、数据线；28、非接触式应变位移测量仪。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1至3所示，本发明的金属管纯弯曲变形试验装置，其包括反力架11、机架3、液压式双作用千斤顶8、加载组件、液压站9、数据采集组件和计算机终端10七个部分，其中，上述反力架为一墩柱，上述机架呈双杠式结构，包括四根支腿与两根横梁，其中，横梁为条形板；

上述反力架与机架分立，一左一右布置；

上述液压式双作用千斤顶包括两个缸体，两个缸体的底座一上一下分别固定在上述反力架上；

上述加载组件包括两组传动轮组件，每组传动轮组件均分别包括一链轮25和一平衡轮15，其中，链轮为主动轮、平衡轮为被动轮，链轮与平衡轮的外径相等，链轮与平衡轮上均分别设置有五个轴孔，其中一个为中心轴孔，另外四个轴孔分上下两排、每排两个；位置靠下的那一排的两个轴孔的中心点对称分布在上述中心轴孔圆心的两侧；四个轴孔的中心点的连线构成一等腰梯形；

上述每组传动轮组件中的链轮与平衡轮，均分别通过五根轴装配成一体，五根轴中，一根为中心轴16，中心轴的两端分别与固定在两侧横梁上的带座轴承22成可转动连接，另外四根为连接轴14，连接轴上均分别装配有一U型槽轴承18，该U型槽轴承位于链轮与平衡轮之间；位置靠上那排U型槽轴承下表面的圆弧顶点与位置靠下的那排U型槽轴承上表面的圆弧顶点之间的距离，等于待进行纯弯曲试验的金属管13的外径；

上述U型槽轴承的槽沟圆弧曲率半径与待纯弯曲试验的金属管壁面的曲率半径一致；

U型槽轴承的两端位置处，可以根据安装需要，加装卡簧19，以使其在连接轴轴向方向上被限位。

在上述两个链轮之间设置有并列布置并相互间隔一定距离的两个定滑轮组4，每个定滑轮组上的两个定滑轮一上一下分别装配在同一根安装轴上，定滑轮组的安装轴上设置有一安装座，安装座固定在上述横梁上；

上述两个链轮分别由两根链条17传动，这两根链条均为非封闭式结构，每根链条的两端均分别设置有一吊扣20；左右两根链条各自位置在上方的那端的吊扣上分别栓有一根钢丝绳5，这两根钢丝绳的另一端经由对应的定滑轮上绕过，并分别通过连接件固定在液压式双作用千斤顶的位置靠上的那个活塞杆端；

左右两根链条各自位置在下方的那端的吊扣上分别栓有一根钢丝绳，这两根钢丝绳的另一端经由对应的定滑轮上绕过，并分别通过连接件固定在液压式双作用千斤顶的位置靠下的那个活塞杆端；

上述液压式双作用千斤顶由液压站供油；

上述数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪、转角传感器24和拉力传感器，上述非接触式应变位移测量仪布置在机架旁，远离墩柱的一侧；

上述拉力传感器用于监测与液压式双作用千斤顶的位置靠上的那个活塞杆端连接的钢丝绳的拉力；

上述转角传感器数量为两个，一个平衡轮上安装一个；

上述在非接触式应变位移测量仪28、转角传感器24和拉力传感器7分别通过数据线26与计算机终端通讯连接；

液压站的供油油泵由上述计算机终端控制与调节。

上述非接触式应变位移测量仪的视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域。

上述机架的四根支腿分别固定在基座1上，基座通过若干数量的地锚2固定在地面上。

上述连接件包括吊钩、张紧器6和固定板，上述固定板焊接在活塞杆端，固定板上设置有吊耳，吊钩挂在吊耳上；

上述张紧器用于钢丝绳的涨紧与调节。

上述传动轮组件设计为系列成套件，以用于不同外径金属管的纯弯曲试验。

上述横梁上用于带座轴承固定的螺栓孔均为长条状，以用于调节两个链轮的相对距离，适用于不同长度的金属管的纯弯曲试验。

上述链轮为双排齿结构，上述链条为双排滚子链条。

为更好理解本发明的技术特点，下面简要叙述上述的金属管纯弯曲变形试验装置的实验方法。

上述的金属管纯弯曲变形试验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，手动操作，启动供油油泵，驱动液压式双作用千斤顶进行活塞杆伸出/回缩长度调节，直至从外向内看，每个平衡轮外侧的横梁上的指针均分别与对应的平衡轮上的基准指示线重合后，停供油油泵；

第二步，手动调节非接触式应变位移测量仪，以使其视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域；

第三步，手动操作，将待纯弯曲试验金属管从位置靠上那排U型槽轴承下表面与位置靠下的那排U型槽轴承上表面之间插入，并调整到位；

第四步，按所需试验要求，在计算机终端上设定包括供油油泵出口压力在内的参数，点击回车，由计算机终端启动供油油泵，液压式双作用千斤顶位置靠上的那个活塞杆端收缩、位置靠下的那个活塞杆端同步伸出，带动一个链轮逆时针转动，另一个链轮顺时针转动；与此同时，金属管在弯曲扭矩的作用下连续弯曲变形，直至金属管纯弯曲试验自动完成；

然后，手动操作，停供油油泵，打印输出试验数据。

为进一步地理解本发明的技术特点，下面结合附图，作进一步的分析与说明。

如图4和图5所示，定义待进行弯曲试验的金属管13端部受到的弯矩值为M，整体弯曲曲率为κ，链轮的半径为R，拉力传感器测得的拉力值为F，转角传感器测得的试验金属管端部转角值为θ(角度制)，试验金属管纯弯段长度为2a，非接触式应变位移测量仪测得的试验金属管中心点的竖向位移为h。

则，可根据下式(1)计算出金属管弯曲破坏过程中对应的弯矩-曲率关系：

Claims (8)

1.一种金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，包括反力架、机架、液压式双作用千斤顶、加载组件、液压站、数据采集组件和计算机终端七个部分，其中，所述反力架为一墩柱，所述机架呈双杠式结构，包括四根支腿与两根横梁，其中，横梁为条形板；

所述反力架与机架分立，一左一右布置；

所述液压式双作用千斤顶包括两个缸体，两个缸体的底座一上一下分别固定在所述反力架上；

所述加载组件包括两组传动轮组件，每组传动轮组件均分别包括一链轮和一平衡轮，其中，链轮为主动轮、平衡轮为被动轮，链轮与平衡轮的外径相等，链轮与平衡轮上均分别设置有五个轴孔，其中一个为中心轴孔，另外四个轴孔分上下两排、每排两个；位置靠下的那一排的两个轴孔的中心点对称分布在上述中心轴孔圆心的两侧；四个轴孔的中心点的连线构成一等腰梯形；

上述每组传动轮组件中的链轮与平衡轮，均分别通过五根轴装配成一体，五根轴中，一根为中心轴，中心轴的两端分别与固定在两侧横梁上的带座轴承成可转动连接，另外四根连接轴上均分别装配有一U型槽轴承，该U型槽轴承位于链轮与平衡轮之间；位置靠上那排U型槽轴承下表面的圆弧顶点与位置靠下的那排U型槽轴承上表面的圆弧顶点之间的距离，等于待进行纯弯曲试验的金属管的外径；

上述U型槽轴承的槽沟圆弧曲率半径与待纯弯曲试验的金属管壁面的曲率半径一致；

在上述两个链轮之间设置有并列布置并相互间隔一定距离的两个定滑轮组，每个定滑轮组上的两个定滑轮一上一下分别装配在同一根安装轴上，定滑轮组的安装轴上设置有一安装座，安装座固定在上述横梁上；

上述两个链轮分别由两根链条传动，这两根链条均为非封闭式结构，每根链条的两端均分别设置有一吊扣；左右两根链条各自位置在上方的那端的吊扣上分别栓有一根钢丝绳，这两根钢丝绳的另一端经由对应的定滑轮上绕过，并分别通过连接件固定在液压式双作用千斤顶的位置靠上的那个活塞杆端；

左右两根链条各自位置在下方的那端的吊扣上分别栓有一根钢丝绳，这两根钢丝绳的另一端经由对应的定滑轮上绕过，并分别通过连接件固定在液压式双作用千斤顶的位置靠下的那个活塞杆端；

所述液压式双作用千斤顶由液压站供油；

所述数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪、转角传感器和拉力传感器，所述非接触式应变位移测量仪布置在机架旁，远离墩柱的一侧；

所述拉力传感器用于监测与液压式双作用千斤顶的位置靠上的那个活塞杆端连接的钢丝绳的拉力；

所述转角传感器数量为两个，一个平衡轮上安装一个；

上述非接触式应变位移测量仪、转角传感器和拉力传感器，分别通过数据线与计算机终端通讯连接；

液压站的供油油泵由所述计算机终端控制与调节。

2.根据权利要求1所述的金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，所述非接触式应变位移测量仪的视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域。

3.根据权利要求1所述的金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，所述机架的四根支腿分别固定在基座上，基座通过若干数量的地锚固定在地面上。

4.根据权利要求1所述的金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，所述连接件包括吊钩、张紧器和固定板，所述固定板焊接在活塞杆端，固定板上设置有吊耳，吊钩挂在吊耳上；

所述张紧器用于钢丝绳的涨紧与调节。

5.根据权利要求1所述的金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，上述传动轮组件设计为系列成套件，以用于不同外径金属管的纯弯曲试验。

6.根据权利要求1所述的金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，上述横梁上用于带座轴承固定的螺栓孔均为长条状，以用于调节两个链轮的相对距离，适用于不同长度的金属管的纯弯曲试验。

7.根据权利要求1-7任一所述的金属管纯弯曲变形试验装置，其特征在于，所述链轮为双排齿结构，所述链条为双排滚子链条。

8.如权利要求1所述的金属管纯弯曲变形试验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，手动操作，启动供油油泵，驱动液压式双作用千斤顶进行活塞杆伸出/回缩长度调节，直至从外向内看，每个平衡轮外侧的横梁上的指针均分别与对应的平衡轮上的基准指示线重合后，停供油油泵；

第二步，手动调节非接触式应变位移测量仪，以使其视场可以全部覆盖到待纯弯曲试验金属管长度方向的中心点从初始状态直至可能产生最大量竖向位移时的区域；

第三步，手动操作，将待纯弯曲试验金属管从位置靠上那排U型槽轴承下表面与位置靠下的那排U型槽轴承上表面之间插入，并调整到位；

第四步，按所需试验要求，在计算机终端上设定包括供油油泵出口压力在内的参数，点击回车，由计算机终端启动供油油泵，液压式双作用千斤顶位置靠上的那个活塞杆端收缩、位置靠下的那个活塞杆端同步伸出，带动一个链轮逆时针转动，另一个链轮顺时针转动；与此同时，金属管在弯曲扭矩的作用下连续弯曲变形，直至金属管纯弯曲试验自动完成；

然后，手动操作，停供油油泵，打印输出试验数据。