CN111879634A - 一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，包括竖向撞击装置、轴向加载装置、夹持装置和高温试验炉或腐蚀箱；所述竖向撞击装置包括固定于地面的钢架（1），所述钢架（1）的顶部横梁设有提升机（3），所述提升机（3）通过吊索及脱钩机构连接落锤，落锤由锤体（4）和可拆卸的锤头（5）组成，所述钢架（1）内两侧对称布置有两根轨道（2），所述锤体（4）位于两根轨道（2）之间。本系统可改变撞击高度、落锤质量、边界条件、撞击位置等条件，可满足撞击和火灾、撞击和腐蚀等多种灾害耦合工况要求。

Description

一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统
技术领域
本发明属于构件灾害模拟装置技术领域，具体为一种对构件在不同灾害耦合工况下的MDHR2018撞击试验系统。
背景技术
工程结构在服役寿命周期内不可避免地面临火灾、腐蚀或撞击等灾害作用的威胁，而不同灾害的发生存在一定关联性，如建筑结构受力导致结构构件失效，下层结构受到上层结构构件的冲击作用；桥墩在服役期间遭受不同程度的腐蚀并遭受车辆或船舶的意外撞击。尤其是近年来，火灾、撞击和腐蚀多灾害耦合作用下使得建筑结构发生损伤、失效甚至倒塌的事故时有发生，如何确保建筑结构在多灾害耦合作用下的结构安全，已经逐渐成为结构工程领域的研究热点。因此需要开展相关试验研究结构构件在多灾害耦合作用下的力学性能，为进一步进行结构安全设计提供参考。
目前，自重式落锤冲击试验机由于操作简便以及良好的模拟效果，较为广泛应用于撞击试验中。但现有试验装置加载能力小、边界条件单一、难以施加轴力以及无法实现撞击与火灾以及腐蚀等多灾害工况的耦合，因此对自重式落锤冲击试验装置的改良对构件在多灾害耦合作用下的力学性能研究有着重要的意义。
发明内容
本发明目的是提供一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，该系统适用性强、方便组装、构件更换方便且能够实现构件在多灾害耦合作用下的模拟，可用于测试机械工程、航空航天和各种材料的结构元件，以及用于土木工程领域中结构构件的抗撞击性能研究等，可较为准确模拟出实际工程工况。
为了实现模拟结构构件多灾害耦合的情况，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，包括竖向撞击装置、轴向加载装置、夹持装置和高温试验炉或腐蚀箱。
所述竖向撞击装置包括固定于地面的钢架，所述钢架的顶部横梁设有提升机，所述提升机通过吊索及脱钩机构连接落锤，落锤由锤体和可拆卸的锤头组成，所述钢架内两侧对称布置有两根轨道，所述锤体位于两根轨道之间。
所述高温试验炉或腐蚀箱沿其中线拆分后通过卡扣连接，所述高温试验炉或腐蚀箱两端设有供试件穿过的试件穿口，所述高温试验炉或腐蚀箱顶部设有供落锤穿过的落锤穿口，所述高温试验炉或腐蚀箱底部安装有万向轮。
所述试件穿过高温试验炉或腐蚀箱后两端分别位于夹持装置中；所述夹持装置包括上压梁和下压梁，所述上压梁和下压梁的内侧均设有滚轴，所述上压梁和下压梁通过螺杆及螺母将试件夹紧。
所述夹持装置固定于铰接支座或者固接支座上。
所述试件的一端通过垫块抵靠位于一侧的反力架，所述试件的另一端通过轴向加载装置抵靠位于另一侧的反力架。
优选的，所述轴向加载装置包括液压千斤顶和碟形弹簧，所述液压千斤顶的缸体安装于另一侧反力架的卡槽中，所述液压千斤顶的活塞杆通过碟形弹簧向试件的另一端提供轴向力。
优选的，所述碟形弹簧和试件的另一端之间安装轴力传感器。
优选的，所述锤体和锤头之间安装冲击力传感器。
使用时，先根据试件长度与撞击位置确定支座位置，根据试验所需要的边界条件选择支座类型（铰接支座或者固接支座），通过螺栓将支座锚于地面；将下压梁与支座连接，通过四个六角螺栓旋紧，根据需求选择压梁内侧是否放置滚轴，将试件放置在下压梁上，上压梁贴紧试件上表面并且将上、下压梁的螺栓孔对齐，插入螺杆，旋紧螺母，将试件夹紧。在试件施加轴力一端依次安装反力架、液压千斤顶、碟形弹簧，另一端安装垫块和反力架，确定好反力架位置后将其锚于地面，根据试验条件选择高温试验炉或腐蚀箱，将试件穿过两端预留的试件穿口，通过锁扣将试验炉或者腐蚀箱合体后锁好，中线对齐后将万向轮锁住；控制液压千斤顶施加轴力，通过轴力传感器控制轴力大小，根据试验要求设置温度或腐蚀程度以及作用时间，达到试验要求后选择落锤配重、落锤提升高度以及锤头形状，检查确认后释放落锤，落锤撞击试件，撞击力通过冲击力传感器传入计算机。
本发明设计合理，系统可改变撞击高度、落锤质量、边界条件、撞击位置等条件，可满足撞击和火灾、撞击和腐蚀等多种灾害耦合工况要求。
附图说明
图1表示本发明的主体结构立面图。
图2表示本发明的主体结构俯视图。
图3表示本发明的轴力加载装置、夹持装置与支座示意图。
图4表示本发明的主体结构A-A截面示意图。
图5表示本发明的主体结构B-B截面示意图。
图6a表示本发明的高温试验炉或腐蚀箱的正视图。
图6b表示本发明的高温试验炉或腐蚀箱的侧视图。
图6c表示本发明的高温试验炉或腐蚀箱的俯视图。
图7a表示本发明的竖向撞击装置中的落锤与轨道配合示意图。
图7b表示本发明的竖向撞击装置中的落锤示意图。
图中：1-（格构式）钢架，2-导轨，3-提升机，4-锤体，5-锤头， 6-反力架，7-反力架支座，8-液压千斤顶，9-碟形弹簧，10-上压梁，11-下压梁，12-螺杆，13-螺母，14-滚轴，15-铰接支座，16-固接支座，17-轴力传感器，18-冲击力传感器，19-垫块，20-试件，21-高温试验炉或腐蚀箱，211-观察窗口，212-显示器，213-万向轮，214-万向轮锁扣，215-卡扣，216-试件穿口，217-落锤穿口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，包括竖向撞击装置、轴向加载装置、夹持装置、支座和高温试验炉或腐蚀箱。
竖向撞击装置包括固定于地面的钢架1，如图5所示，钢架1为对称结构，竖向为格构式立柱，横向为格构式刚梁。钢架1的顶部横梁设有提升机3，提升机3使用电葫芦吊机或者电磁铁，最大冲击高度可达10m。提升机3通过吊索及脱钩机构连接落锤，落锤由锤体4和可拆卸的锤头5组成，落锤质量范围为100kg~2000kg，锤体可更改配重，以满足不同试验要求，锤体4的材料为45#锻钢，锤头5可根据实际工况进行更换，锤头形状可为矩形、半球形、楔形、锥形，锤头的材料采用硬度为64HRC的铬，如图7b所示，锤体4和锤头5之间安装冲击力传感器18，冲击力传感器18外接计算机。如图5所示，钢架1内两侧对称布置有两根轨道2，轨道为楔形，顶部与横梁焊接，底部通过支撑与格构式立柱焊接，如图7a所示，锤体4位于两根轨道2之间。
如图6a、6b、6c所示，高温试验炉或腐蚀箱21沿其中线拆分后通过卡扣215连接，便于拆卸和安装，高温试验炉或腐蚀箱21两端设有供试件20穿过的试件穿口216，顶部设有供落锤穿过的落锤穿口217，正面设有玻璃观察窗口211用于观察试件，底部安装有八个万向轮213及锁扣214；高温试验炉内部加热元件为电阻丝，均匀布置，炉内布置耐高温岩棉，可设置施加温度以及温度作用时间；腐蚀箱可设置腐蚀程度与腐蚀时间。
如图1所示，方形试件20穿过高温试验炉或腐蚀箱21后两端分别位于夹持装置中。如图3、4所示，夹持装置包括上压梁10和下压梁11，压梁采用箱梁，上压梁10和下压梁11之间每侧穿过两根螺杆，即上压梁10和下压梁11之间通过四根螺杆12和八个螺母13来控制试件20的夹紧程度，将试件20夹紧。上压梁10和下压梁11的内侧在接触试件段均设有可拆卸的滚轴14，可便于轴力施加，下压梁11底部设有螺栓孔，用于与支座连接。
支座分为铰接支座和固接支座，夹持装置固定于铰接支座15或者固接支座16上。可根据实际工况进行更换；铰接支座15分为上部夹板与底座两部分，夹板与底座之间设有转动轴承，通过轴承实现单方向的转动；夹板通过螺栓与下压梁连接，底座通过六角螺栓地锚于地面；地面设有地槽，支座和反力架底座均地锚于地槽中，可更换锚固位置，用以改变撞击位置。如图1所示，试件20一端位于铰接支座15上、另一端位于固接支座16上，也可以试件20两端均位于铰接支座或者固接支座上，具体根据试验所需要的边界条件选择支座类型。
如图1所示，试件20的一端通过垫块19抵靠位于一侧的反力架6，试件20的另一端通过轴向加载装置抵靠位于另一侧的反力架6。轴向加载装置包括液压千斤顶8和碟形弹簧9，液压千斤顶8的缸体安装于另一侧反力架6的卡槽中，液压千斤顶8的活塞杆通过碟形弹簧9向试件20的另一端提供轴向力。碟形弹簧9具有较高的缓冲吸振能力，能以小变形承受较大的荷载，液压千斤顶8提供的轴向力通过碟形弹簧9施加于试件20上；碟形弹簧9和试件20的另一端之间安装轴力传感器17，轴力传感器可以提取构件实时轴力，上传至计算机。
如图2所示，反力架6呈闭环布置，固定于反力架支座7上，反力架支座7通过六角螺栓锚固于地面，并且可进行移动，用于不同位置撞击。反力架6为工字钢梁焊接而成的方框，梁中设有加劲肋，可实现节点多方向力的施加。
使用本系统时，先根据试件长度与撞击位置确定支座位置，根据试验所需要的边界条件选择支座类型（铰接支座15或者固接支座16），通过螺栓将支座锚于地面；将下压梁11与支座连接，通过四个六角螺栓旋紧，根据需求选择压梁内侧是否放置滚轴14，将试件20放置在下压梁11上，上压梁10贴紧试件20上表面并且将上、下压梁的螺栓孔对齐，插入螺杆12，旋紧螺母13，将试件20夹紧。在试件20施加轴力一端依次安装反力架6、液压千斤顶8、碟形弹簧9，另一端安装垫块19和反力架6，确定好反力架位置后将其锚于地面，根据试验条件选择高温试验炉或腐蚀箱21，将试件穿过两端预留的试件穿口216，通过锁扣215将试验炉或者腐蚀箱51合体后锁好，中线对齐后将万向轮213锁住；控制液压千斤顶8施加轴力，通过轴力传感器17控制轴力大小，根据试验要求设置温度或腐蚀程度以及作用时间，达到试验要求后选择落锤配重、落锤提升高度以及锤头形状，检查确认后释放落锤，落锤撞击试件，撞击力通过冲击力传感器18传入计算机。
用本系统进行撞击试验时，由液压千斤顶8将轴力通过碟形弹簧9、轴力传感器17传递至试件20中，通过轴力传感器可精准施加轴力，为保证轴力传递时不发生偏转，液压千斤顶8、碟形弹簧9、轴力传感器17的轴线应在同一条直线上。
用本系统进行撞击试验时，高温试验炉和腐蚀箱21可分别模拟火灾与腐蚀作用。
用本系统进行撞击试验时，撞击荷载通过落锤自由落体运动施加，可根据实际工况更改落锤配重以及锤头形状。撞击过程中撞击力通过锤头4与锤体5之间的冲击力传感器18测出，传入计算机中。
用本系统进行撞击试验时，试件边界条件通过支座形式与滚轴设置，支座分为可转动的铰接支座15与完全固定的固接支座16，安装滚轴14可使支座形式成为滑动支座。
在本系统在轴力加载装置一端放置垫块19，用于控制试件20轴向滑动，便于轴力施加。为防止轴力在冲击过程中卸载过多，千斤顶提供的轴向力通过碟形弹簧施加于试件上。
以上所述表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，其特征在于：包括竖向撞击装置、轴向加载装置、夹持装置和高温试验炉或腐蚀箱；
所述竖向撞击装置包括固定于地面的钢架（1），所述钢架（1）的顶部横梁设有提升机（3），所述提升机（3）通过吊索及脱钩机构连接落锤，落锤由锤体（4）和可拆卸的锤头（5）组成，所述钢架（1）内两侧对称布置有两根轨道（2），所述锤体（4）位于两根轨道（2）之间；
所述高温试验炉或腐蚀箱（21）沿其中线拆分后通过卡扣（215）连接，所述高温试验炉或腐蚀箱（21）两端设有供试件（20）穿过的试件穿口（216），所述高温试验炉或腐蚀箱（21）顶部设有供落锤穿过的落锤穿口（217），所述高温试验炉或腐蚀箱（21）底部安装有万向轮（213）；
所述试件（20）穿过高温试验炉或腐蚀箱（21）后两端分别位于夹持装置中；所述夹持装置包括上压梁（10）和下压梁（11），所述上压梁（10）和下压梁（11）的内侧均设有滚轴（14），所述上压梁（10）和下压梁（11）通过螺杆（12）及螺母（13）将试件（20）夹紧；
所述夹持装置固定于铰接支座（15）或者固接支座（16）上；
所述试件（20）的一端通过垫块（19）抵靠位于一侧的反力架（6），所述试件（20）的另一端通过轴向加载装置抵靠位于另一侧的反力架（6）。
2.根据权利要求1所述的一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，其特征在于：所述轴向加载装置包括液压千斤顶（8）和碟形弹簧（9），所述液压千斤顶（8）的缸体安装于另一侧反力架（6）的卡槽中，所述液压千斤顶（8）的活塞杆通过碟形弹簧（9）向试件（20）的另一端提供轴向力。
3.根据权利要求2所述的一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，其特征在于：所述碟形弹簧（9）和试件（20）的另一端之间安装轴力传感器（17）。
4.根据权利要求1所述的一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，其特征在于：所述锤体（4）和锤头（5）之间安装冲击力传感器（18）。
5.根据权利要求1所述的一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，其特征在于：所述反力架（6）呈闭环布置，固定于反力架支座（7）上，所述反力架支座（7）锚固于地面。
6.根据权利要求1所述的一种可实现多灾害耦合工况的撞击系统，其特征在于：所述锤体（4）的材料为45#锻钢，所述锤头（5）的材料采用硬度为64HRC的铬。
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