CN109506872A - 一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置及试验方法，包括加压装置、固定试件的底座和落锤，加压装置包括固定连接的第一挡板和第二挡板，第一挡板内侧与千斤顶底座固定连接，千斤顶顶部与第一球铰一端固定连接，第二挡板内侧设置有第一力传感器，第一力传感器与第二球铰一端固定连接，第一球铰和第二球铰的另一端用于与试件固定连接，通过增加轴向的加压装置，通过在轴向压力下进行施加冲击荷载，可同时测得在轴向加压的情况下落锤的冲击力的时程曲线和支座反力时程曲线，进而对构件进行分析，提高了试验数据的准确性，更符合实际工程概况。

Description

一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于冲击试验技术领域，具体涉及一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置及试验方法。

背景技术

建筑物在使用过程中除了要承受静荷载外，还要承受动荷载。其中冲击荷载影响尤为重要，通常采用落锤冲击试验装置进行结构构件冲击荷载试验。然而，现有的用于冲击试验的装置大多只是单纯的考虑冲击荷载，而在实际工程中构件基本都是在承受轴压状态下存在的，这样严重影响了实际的试验结果的准确性。目前市场上的落锤冲击试验装置，常常受尺寸限制，因此试验构件也按一定比例缩小，这样也给试验结果造成了一定的误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置及试验方法，本发明设计合理，通过设置加压装置向试件施加轴压，在轴压条件下进行冲击试验。

为达到上述目的，一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置包括加压装置和用于向试件施加冲击力的落锤，加压装置包括固定连接的第一挡板和第二挡板，第一挡板内侧与千斤顶的底座固定连接，千斤顶顶部与第一球铰一端固定连接，第二挡板内侧设置有第一力传感器，第一力传感器与第二球铰一端固定连接，第一球铰和第二球铰的另一端用于与试件固定连接。

进一步的，还包括提升装置，提升装置包括固定梁、可移动梁、卷扬机和两根立柱，两根立柱顶端固定有固定梁，立柱上沿竖直方向均匀设置有若干螺栓孔，可移动梁两端通过螺杆和螺栓孔固定在立柱上，固定梁一端和中部分别固定有第一轴轮和第二轴轮，卷扬机的钢绞线依次绕在第一轴轮和第二轴轮上，钢绞线的自由端与可移动梁固定连接。

进一步的，还包括夹具控制系统，夹具控制系统包括挂钩和卡栓，挂钩包括第一弧形挂钩和第二弧形挂钩，第一弧形挂钩为S形，第一弧形挂钩顶部设置有第一凹槽；第二弧形挂钩固定在移动钢梁上，第二弧形挂钩中部开设有第二凹槽，第二凹槽和第一凹槽通过卡栓连接，第一弧形挂钩和第二弧形挂钩中部通过销柱铰接，落锤挂在第一弧形挂钩和第二弧形挂钩下部的连接处，当卡栓位于第一和第二凹槽中时，第一弧形挂钩和第二弧形挂钩锁定，没有相对位移，且第一弧形挂钩和第二弧形挂钩下端闭合；当拔出卡栓时，第一弧形挂钩和第二弧形挂钩下端分开。

进一步的，卡栓拉绳一端与卡栓固定连接，卡栓拉绳另一端与拉绳转把固定连接，拉绳转把设置在立柱上。

进一步的，第二弧形挂钩的横截面为U形槽，第一弧形挂钩位于第二弧形挂钩的U形槽中。

进一步的，还包括用于固定试件的底座，底座包括槽钢钢板、圆柱体底座和第二力传感器，槽钢钢板上设置有两个圆柱体底座，两个圆柱体底座与槽钢钢板之间均设置有一个第二力学传感器，圆柱体底座上端固定有第一夹具，第一夹具的上端面和试件的形状相适配，第一夹具与第二夹具两端通过螺栓连接。

进一步的，还包括设置在试件外的防护限位装置，防护限位装置包括由钢杆焊接而成的横截面为矩形的防护框架和固定在防护框架内的限位装置；限位装置包括固定为井字形的第一记忆金属，第二记忆金属，第三记忆金属和第四记忆金属，第一至第四记忆金属的连接处设置有电磁铁。

进一步的，第一至第四记忆金属外均缠绕有硅橡胶管道加热带。

进一步的，第一挡板和第二挡板通过螺栓固定连接。

一种冲击试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定试件的安装位置，并固定试件；

步骤2、向试件施加轴力，直到达到需要的轴力数值，停止施加轴力；

步骤3、将落锤吊起至所需高度，并将可移动梁与立柱上固定；

步骤4、落锤静止后，使落锤落下，击中试件，完成一次冲击试验；

步骤5、每完成一次冲击试验，观察试件的表面，记录落锤在不同高度时，试件出现的状态，并对试验中的第二力传感器的数据进行采集和整理，得出落锤的冲击力的时程曲线和支座反力时程曲线，同时观察试件破坏现象。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明通过增加轴向的加压装置，通过在轴向压力下进行施加冲击荷载，可同时测得在轴向加压的情况下落锤的冲击力的时程曲线和支座反力时程曲线，进而对构件进行分析，提高了试验数据的准确性，更符合实际工程概况。

进一步的，由于本装置中的可移动梁的位置可根据需要调整，故可适用于大多数原型结构构件，避免了构件的缩放，使得试验结果更加准确。

进一步的，通过两个挂钩以及卡栓的配合，可轻松完成落锤的下放工作。

进一步的，第二弧形挂钩的横截面为U形槽，第一弧形挂钩位于第二弧形挂钩的U形槽中，第二弧形挂钩可在水平方向上限制第一弧形挂钩的位置，提高了装置的稳定性。

进一步的，底座包括槽钢钢板，圆柱体底座和第二力传感器，槽钢钢板上设置有两个圆柱体底座，两个圆柱体底座与槽钢钢板之间均设置有一个第二力学传感器，圆柱体底座上端固定有第一夹具，第一夹具的上端面和试件的形状相适配，第一夹具与第二夹具两端通过螺栓连接，圆柱体底座可在槽钢钢板中根据试件的大小移动，方便调节。

进一步的，还包括设置在试件外的防护限位装置，防护限位装置包括由钢杆焊接而成的横截面为矩形的防护框架和固定在框架内的限位装置；限位装置包括固定为井字形的第一记忆金属，第二记忆金属，第三记忆金属和第四记忆金属，第一至第四记忆金属的连接处设置有电磁铁，避免落锤对试件进行二次或多次冲击，提高试验的准确度。

进一步的，第一至第四记忆金属外缠绕有硅橡胶管道加热带，方便对第一至第四记忆金属加热，使其恢复至初始形态。

进一步的，第一挡板和第二挡板通过螺栓固定连接，方便拆卸，并根据试件的大小选择不同长度的螺栓。

附图说明

图1是实施例1的整体结构示意图；

图2是挂钩的结构示意图；

图3是第一弧形挂钩示意图；

图4是第二弧形挂钩示意图；

图5是卡栓示意图；

图6是底座整体的结构示意图；

图7是圆柱体底座22的结构示意图；

图8是槽钢钢板2的俯视图；

图9是第一半圆底座5和第二半圆底座6俯视图；

图10是实施例2整体结构示意图；

图11是实施例2的防护限位装置示意图；

图12是实施例2限位装置示意图。

其中：1-试件，2-槽钢钢板，3-千斤顶，4-第一力传感器，5-第一半圆底座，6-第二半圆底座，71-第一球铰，72-第二球铰，81-第一挡板，82-第二挡板，91-第一轴轮，92-第二轴轮，10-可移动梁，11-立柱，12-螺杆，13-第一弧形挂钩，14-第二弧形挂钩，15-落锤，16-固定梁，17-卡栓拉绳，18-卷扬机，19-拉绳转把，20-第二力传感器，21-上盖，22-圆柱体底座，23-卡栓，24-钢绞线，25-螺栓孔，26-销柱，27-第一夹具，28-防护限位装置，30-钢杆，31-第一记忆金属，32-第二记忆金属，33-第三记忆金属，34-第四记忆金属，35-电磁铁，36-硅橡胶管道加热带，37-温控器，38-钢立柱，39-横杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

遵从上述技术方案，参照图1至图10，本实施例给出一种用于冲击试验的轴压加载装置及方法，用于在轴压状态下对冲击荷载的研究。

参照图1，一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置包括提升装置、夹具控制系统、加压装置，底座和落锤15。

其中，提升装置包括立柱11、可移动梁10、第一轴轮91、第二轴轮92、钢绞线24、卷扬机18和螺杆12。

两根立柱11竖直设置，两根立柱11顶端固定有固定梁16，立柱11为工字型。立柱11上沿竖直方向均匀设置有若干螺栓孔25，可移动梁10两端均通过螺杆12固定在立柱11上，可移动梁10在立柱11的内部可上下移动，通过螺杆12将可移动梁10固定在相应高度的位置。两组轴轮分别固定在固定梁16的中部和右端上部，卷扬机18在立柱11的右侧下部，卷扬机18上缠绕的钢绞线依次绕在第一轴轮91和第二轴轮92上，钢绞线24的自由端通过两个高强螺栓连接可移动梁10，两个高强度螺栓之间有间距。通过遥控控制卷扬机18，钢绞线24拉动可移动梁10上升至所需高度，然后将螺杆12固定到相对应的螺栓孔25中，使可移动梁10两端位于两个螺杆12上，从而使落锤15达到所需高度。

参照图2至图5，夹具控制系统由挂钩、卡栓拉绳17、拉绳转把19和卡栓23组成。挂钩包括第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14，第一弧形挂钩13为S形，第一弧形挂钩顶部设置有第一凹槽131；第二弧形挂钩14上部有3个螺栓孔，第二弧形挂钩14通过这三个通过螺栓孔和三个螺栓固定在移动钢梁10上。第二弧形挂钩14中部开设有第二凹槽141，第二凹槽141的形状和大小和第一凹槽131相同，第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14中部通过销柱26铰接，落锤15通过钢丝绳挂在第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14下部的连接处，当卡栓23位于第一和第二凹槽中时，第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14锁定，没有相对位移，且第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14下端闭合；当拔出卡栓23时，第一弧形挂钩13在重力和销柱26的作用下绕销柱26转动，第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14分开，落锤15落下。落锤15由质量块和锤头螺纹连接组成。

卡栓23由两块板厚为10mm的小钢板通过两个固定螺栓固定连接而成，卡栓23的下部卡在第一挂钩13上部的卡槽里面，卡栓拉绳17一端紧紧绑在卡栓23上部的固定螺栓上，另一端与拉绳转把19固定连接，拉绳转把19设置在立柱11上。

优选的，第二弧形挂钩14的横截面为U形槽，第一弧形挂钩13位于第二弧形挂钩14的U形槽中。

转动拉绳转把19，拉动卡栓拉绳17，卡栓23脱离第二弧形挂钩14的卡槽，从而可以使第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14分开，致使落锤15落下。

参照图1，加压装置包括千斤顶3，第一力传感器4，第一球铰71，第二球铰72、第一挡板811和第二挡板82。试件1的右侧连接有第一球铰71，左侧连接有第二球铰72,第一球铰71的右侧为千斤顶3，第二球铰72左侧为第一力传感器4，千斤顶3和第一力传感器4外侧分别设置有第一挡板8和第二挡板82，第一挡板81和第二挡板82通过4个螺栓连为一个整体，按动千斤顶3的操作杆施加轴力，向试件1施力，第一力传感器4获得轴力数值，其中千斤顶3位液压千斤顶，其中第一球铰和第二球铰的中心在试件1水平方向中心轴的延长线上。

参照图6至图10，底座由槽钢钢板2，第一半圆底座5，第二半圆底座6，上盖21，圆柱体底座22和第二力传感器20组成。槽钢钢板2由槽钢和钢板焊接而成，槽钢钢板2通过地脚螺栓固定在试验室地槽内槽钢开口朝上，槽钢内置有两个用于测定圆柱体底座22反力的第二力学传感器20，两个第二力学传感器20上分别放置有一个圆柱形底座22，两个圆柱形底座22下部外侧套有第一半圆底座5和第二半圆底座6，第一半圆底座5和第二半圆底座6通过螺栓连接，第一半圆底座5和第二半圆底座6连接后与套在圆柱体底座22间隙配合，并固定在槽钢钢板2上。圆柱体底座22根据试件的形状与尺寸自由确定。本实施例中，试件1为圆柱形，第二力传感器20为环形力传感器。

参照图6和图7，两个圆柱形底座22上端固定有第一夹具，第一夹具27的上端面和试件1的形状相适配，例如：若试件为圆柱形，第一夹具上端面为弧形面，且弧形面和弧度和试件1下端的弧度相同；若试件1为六面体，则第一夹具27上端面平面，第一夹具27与第二夹具21两端通过螺栓连接，第一夹具27与第二夹具21用于固定试件1。

优选的，立柱11、固定梁16以及可移动梁10均由钢板制成。

一种用于冲击试验方法，包括以下步骤：

步骤1、确定试件1的安装位置，检查整个装置能否正常运行，将试件1置于圆柱体底座22上，上盖21放在试件1上面，用4个螺栓固定上盖21和圆柱体底座22，进而固定试件1。

步骤2、按动千斤顶3的操作杆施加轴力，使球铰7自行调整位置，球铰7固定后，按动千斤顶3的操作杆，直到第一力传感器4的显示器达到需要的轴力数值，停止向千斤顶3加压。

步骤3、用夹具控制系统将落锤15吊起，按动卷扬机18的操作器，按动上升键，将落锤15上升至所需高度，将螺杆12固定到立柱11的相对应螺栓孔。

步骤4、待落锤15静止后，向上拉动卡栓拉绳17，卡栓23脱离第二弧形挂钩14的卡槽，第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14分开，致使落锤15落下，击中试件1，完成一次冲击试验。

步骤5、每完成一次冲击试验，试验人员观察试件1的表面，记录落锤15在不同高度时，试件1出现的状态，并利用信号采集器DH5922动态信号测试分析系统和DHDAS动态信号采集分析系统对试验中的第二力传感器20到采集的数据进行整理，得出落锤的冲击力的时程曲线和支座反力时程曲线，同时观察试件破坏现象。

步骤6、试验结束，将各部件恢复至试验前状态。

实施例2

参照图10，本实施例与实施例1的不同之处在于，在试件外设置有防护限位装置28，参照图11，防护限位装置28包括由钢杆焊接而成的横截面为矩形的防护框架和固定在框架内的限位装置，防护框架上部由四根横杆39和钢立柱38焊接而成。防护框架下部左右两侧倾斜焊接有交叉的钢杆30与钢立柱38焊接。

下部固定有倾斜设置的钢杆30，用于提高框架的稳定性，框架下部的钢杆向外倾斜，提高整个框架的稳定性。

参照图12，限位装置包括第一记忆金属31，第二记忆金属32，第三记忆金属33，第四记忆金属34和电磁铁35，其中，第一记忆金属31和第三记忆金属33相对设置，第二记忆金属32和第四记忆金属34相对设置，第一记忆金属31和第三记忆金属33一端均与第二记忆金属32，另一端均与第四记忆金属34焊接，第一至第四记忆金属的连接处设置有电磁铁35，电磁铁35位圆形吸盘电磁铁，第一至第四记忆金属均采用镍钛合金制成，第二记忆金属32和第四记忆金属34的两端与防护框架内壁采用可拆卸的方式固定连接。镍钛合金为一种能将自身的塑性变形在温控器达到50度时自动恢复为原始形状的特种合金。将硅橡胶管道加热带7缠绕在第一至第四记忆金属上面，四个电磁铁6位于四个记忆金属焊接位置的下端面。

落锤15落在试件1上后，控制电磁铁6通电吸合面产生磁场，磁场吸合落锤15，让第一至第四记忆金属与落锤15之间产生磁路回路，将落锤紧紧地吸在记忆金属上面。试验完毕后，将硅橡胶管道加热带36通电，温控器37达到50度时，第一至第四记忆金属恢复到原来形状。

利用本实施例进行冲击试验的方法包括以下步骤：

步骤1、确定试件安装位置，将试件1放在支座21上面，左右放置，将防护限位装置左右放置套在试件1的上面，将插头插入插排，启动圆形吸盘电磁铁系统。

步骤2、用夹具控制系统将落锤吊起，按动卷扬机18的操作器，按动上升键，将落锤上升至所需高度，将螺杆12固定到工字型钢立柱11的相对应栓孔。

步骤3、待落锤15稳定后，制动卡栓拉绳17，卡栓23脱离第二弧形挂钩14的卡槽，从而可以使第一弧形挂钩13和第二弧形挂钩14分开，使落锤15落下，击中试件。

步骤4、击中试件1的同时，由于圆形吸盘电磁铁6电磁的作用，使质量块紧紧的吸在一块。

步骤5、按动温控器8，预设温50，硅橡胶管道加热带7开始加热，镍钛合金在50度左右的温度下自动恢复至试验前的形状。

步骤6、试验结束，恢复至试验前状态。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，包括加压装置和用于向试件施加冲击力的落锤(15)，加压装置包括固定连接的第一挡板(81)和第二挡板(82)，第一挡板(81)内侧与千斤顶(3)的底座固定连接，千斤顶(3)顶部与第一球铰(71)一端固定连接，第二挡板(82)内侧设置有第一力传感器(4)，第一力传感器(4)与第二球铰(72)一端固定连接，第一球铰(71)和第二球铰(72)的另一端用于与试件(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，还包括提升装置，提升装置包括固定梁(16)、可移动梁(10)、卷扬机(18)和两根立柱(11)，两根立柱(11)顶端固定有固定梁(16)，立柱(11)上沿竖直方向均匀设置有若干螺栓孔(25)，可移动梁(10)两端通过螺杆(12)和螺栓孔(25)固定在立柱(11)上，固定梁一端(16)和中部分别固定有第一轴轮(91)和第二轴轮(92)，卷扬机(18)的钢绞线(24)依次绕在第一轴轮(91)和第二轴轮(92)上，钢绞线(24)的自由端与可移动梁(10)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，还包括夹具控制系统，夹具控制系统包括挂钩和卡栓(23)，挂钩包括第一弧形挂钩(13)和第二弧形挂钩(14)，第一弧形挂钩(13)为S形，第一弧形挂钩顶部设置有第一凹槽(131)；第二弧形挂钩(14)固定在移动钢梁(10)上，第二弧形挂钩(14)中部开设有第二凹槽(141)，第二凹槽(141)和第一凹槽(131)通过卡栓(23)连接，第一弧形挂钩(13)和第二弧形挂钩(14)中部通过销柱(26)铰接，落锤(15)挂在第一弧形挂钩(13)和第二弧形挂钩(14)下部的连接处，当卡栓(23)位于第一和第二凹槽中时，第一弧形挂钩(13)和第二弧形挂钩(14)锁定，没有相对位移，且第一弧形挂钩(13)和第二弧形挂钩(14)下端闭合；当拔出卡栓(23)时，第一弧形挂钩(13)和第二弧形挂钩(14)下端分开。

4.根据权利要求3所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，卡栓拉绳(17)一端与卡栓(23)固定连接，卡栓拉绳(17)另一端与拉绳转把(19)固定连接，拉绳转把(19)设置在立柱(11)上。

5.根据权利要求3所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，第二弧形挂钩(14)的横截面为U形槽，第一弧形挂钩(13)位于第二弧形挂钩(14)的U形槽中。

6.根据权利要求1所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，还包括用于固定试件(1)的底座，底座包括槽钢钢板(2)、圆柱体底座(22)和第二力传感器(20)，槽钢钢板(2)上设置有两个圆柱体底座(22)，两个圆柱体底座(22)与槽钢钢板(2)之间均设置有一个第二力学传感器(20)，圆柱体底座(22)上端固定有第一夹具，第一夹具(27)的上端面和试件(1)的形状相适配，第一夹具(27)与第二夹具(21)两端通过螺栓连接。

7.根据权利要求1所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，还包括设置在试件(1)外的防护限位装置(28)，防护限位装置(28)包括由钢杆焊接而成的横截面为矩形的防护框架和固定在防护框架内的限位装置；限位装置包括固定为井字形的第一记忆金属(31)，第二记忆金属(32)，第三记忆金属(33)和第四记忆金属(34)，第一至第四记忆金属的连接处设置有电磁铁(35)。

8.根据权利要求7所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，第一至第四记忆金属外均缠绕有硅橡胶管道加热带(7)。

9.根据权利要求1所述的一种具有自平衡轴压加载功能的冲击试验装置，其特征在于，第一挡板(81)和第二挡板(82)通过螺栓固定连接。

10.一种基于权利要求1所述装置进行冲击试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定试件(1)的安装位置，并固定试件(1)；

步骤2、向试件(1)施加轴力，直到达到需要的轴力数值，停止施加轴力；

步骤3、将落锤(15)吊起至所需高度，并将可移动梁(10)与立柱(11)上固定；

步骤4、落锤(15)静止后，使落锤(15)落下，击中试件(1)，完成一次冲击试验；

步骤5、每完成一次冲击试验，观察试件(1)的表面，记录落锤(15)在不同高度时，试件(1)出现的状态，并对试验中的第二力传感器(20)的数据进行采集和整理，得出落锤的冲击力的时程曲线和支座反力时程曲线。