CN117420019A - 管道内压加弯矩复合载荷试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道内压加弯矩复合载荷试验装置，包括试验台，在试验台上还安装有：对实验管道提供弯矩的加载装置，对实验管道进行支撑的支撑装置，对实验管道内部进行充压的加压装置，以及控制整个实验过程并记录相关实验参数的控制系统。本发明可以在弯矩实验过中，对实验管道内部施加不同的压力，以得到不同压力下管道的弯矩受力情况，从而得到更贴合实际的精确结果。整个实验过程可通过控制系统进行控制，减少手动误差。

Description

管道内压加弯矩复合载荷试验装置及方法

技术领域

本发明涉及力学领域，特别是涉及一种能够在对实验管道内部施加压力的同时对外部进行弯矩加载的试验装置，以及该装置的使用方法。

背景技术

弯曲试验是测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。弯曲试验主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具钢等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度。目前的弯曲试验一般在万能材料机上进行，主要有三点弯曲和四点弯曲两种加载荷方式，都是对试验材料的中部位置进行外部加压变形测试。

如公布号为CN115508227A的专利公开一种油气管道弯曲试验机，其利用两端的滑块支架来支撑实验管道，然后在水平方向上对实验管道的中部进行施压，通过系统采集加压过程中的数据，进而得到实验管道的变形量。该方式虽然能够得到实验管道外部受压时的弯曲数据，但是这种方式仅能得到实验管道内部无压力情况下的数据，并不能得到实验管道内部有一定压力时外部受压后的弯曲数据。

目前还没有在试验管道内部加压的情况下同时进行外部加压测试的装置及方法。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种能够在对实验管道内部施加压力的同时对外部进行弯矩加载的试验装置。

本发明的第二个目的是提供一种前述实验装置的使用方法。

本发明提供的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，包括一个框架结构的试验台，布置在试验台内且一端封闭的实验管道，在试验台上还安装有：

加载装置，包括水平移动装置，连接在水平移动装置上的弯矩加载装置，与弯矩加载装置连接并套在实验管道外表面的加载块；

支撑装置，包括与水平移动装置平行的并行移动装置，连接在并行移动装置上的移动架，与移动架连接并夹持实验管道的滑动支撑器；

加压装置，与实验管道的开口端连接以注入指定液体压力；

控制系统，控制加载装置和支撑装置的工作位置，同时控制加压装置的加压数据，并通过安装在实验管道上的传感器收集实验管道在弯曲变形过程中的数据。

在本发明的一个实施方式中，所述水平移动装置包括两根平行的加载丝杆，驱动加载丝杆转动的加载电机，以及分别安装在两根加载丝杆上的加载螺母，两个加载螺母分别与弯矩加载装置连接。

在本发明的一个实施方式中，所述并行移动装置包括两根相互平行的移动丝杆，驱动移动丝杆转动的移动电机，以分别安装在两根移动丝杆上的移动螺母，两个移动螺母分别与移动架连接。

在本发明的一个实施方式中，所述弯矩加载装置包括通过通孔分别与两个所述加载螺母连接的加载支架，安装在加载支架上由施力电机控制的驱动杆，以及垂直安装且带有外螺纹的升降杆，升降杆上螺接有被动齿轮，驱动杆上固定有主动齿轮，主动齿轮与被动齿轮啮合，升降杆的底部与所述加载块铰接。

在本发明的一个实施方式中，在所述加载支架上设置有分别供两根所述移动丝杆滑动穿过的通孔，所述加载支架的两端设置有与所述试验台连接的加载槽，所述加载支架的中部设置有带通孔的固定座，所述升降杆穿过通孔，所述主动齿轮和被动齿轮安装在固定座的上表面。

在本发明的一个实施方式中，所述加载块为带有中空通道的整体结构，在所述加载块的一侧固定有两块间隔的吊板，吊板与所述升降杆的底端铰接。

在本发明的一个实施方式中，所述并行移动装置包括一个移动架，在移动架上设置有安装所述移动螺母并固定的通孔，供所述加载丝杆滑动穿过的通孔，以及设置在两端与所述实验台连接的移动槽，在所述移动架的中部安装有垂直伸出的连接架，所述滑动支撑器安装在连接架上。

在本发明的一个实施方式中，所述滑动支撑器包括两个连接板和两个滑轮，两个滑轮并列夹在两个连接板之间并通过穿过两个连接板的螺栓固定，在连接板上设置有调节两个滑轮之间距离的调节槽，所述实验管道夹在两个滑轮之间。

在本发明的一个实施方式中，所述加压装置包括与所述实验管道连通的加压管道，用于向加压管道输送液体的加压泵，测量加压管道内部压力的压力传感器。

在本发明的一个实施方式中，公开一种采用前述管道内压加弯矩复合载荷试验装置的使用方法，其使用步骤为：

步骤100，根据管径选择固定实验管道的加载块和滑动支撑器，然后利用卡箍将实验管道固定在实验台的框架内，再将固定后的实验管道与加压管道连通；

步骤200，控制系统控制加载电机驱动加载丝杆转动，调整加载支架到预定加压位置，控制移动电机驱动移动丝杆转动，调整移动架带动滑动支撑器移动到指定的支撑位置；

步骤300，利用加载块和滑动支撑器对实验管道进行固定；在实验管道上布置与控制系统连接的测量用应变片和力传感器；

步骤400，控制系统控制加压泵工作，向实验管道内输送液体，并达到指定压力，控制施力电机使驱动杆带动主动齿轮旋转，进而通过被动齿轮带动升降杆移动，加载块将相应的压力传递至实验管道后变成向上或向下的弯矩；

步骤500，控制系统根据应变片、力传感器和压力传感器的数据获取当前实验管道内外的压力变化，并以此对各设备进行压力或位置调整，获取实验管道在不同压力下的数据，直至达到试验目的；

步骤600，完成试验后，首先控制加压泵泄压，再依次将加载块、滑动支撑器进行卸载，取下实验管道，通过控制系统将弯矩加载装置和移动架移动至初始位置，完成整个试验。

本发明的加载装置和支撑装置都是可以独立移动的，能够对实验管道的不同位置施加弯矩和支撑，且两者之间可以独立移动不会相互影响，在弯矩实验过中，可通过加压装置对实验管道内部施加不同的压力，以得到不同内压下实验管道的弯矩受力情况，从而获取更贴合实际的测量结果。

本发明的整个实验过程可通过控制系统进行控制，减少手动误差。采用丝杆结构可以无级调整加载块的施力位置及支撑装置的支撑位置，从而可模拟实验管道在不同支撑位置下的弯矩效果。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的加载装置结构示意图；

图3是本发明的升降杆驱动示意图；

图4是本发明的支撑装置结构示意图；

图5是本发明的滑动支撑器结构示意图；

图6是本发明的加压装置结构示意图；

图7是本发明的卡箍结构示意图；

图8是本发明的使用方法的操作过程流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

如图1所示，本发明的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，包括一个由多根金属管焊接而成的试验台1，整个试验台1呈长方形框架结构，在相应的连接处焊接有加固用肋板11，试验台1内部空间用于放置实验管道2并对实验管道2进行操作，实验管道2的一端需要封闭，另一端为与下述加压泵连接的开口端，封闭方式可采用焊接或螺纹帽封堵的方式。

在试验台1上安装有用于对实验管道2进行施压和加压的设备，具体包括：

加载装置3：用于对实验管道施加弯矩的设备，如图2所示，包括水平移动装置31，连接在水平移动装置31上的弯矩加载装置32，与弯矩加载装置32连接并套在实验管道2外表面的加载块33；弯矩加载装置32用于对实验管道2施加压力，并可在水平移动装置31的带动下调整相对实验管道2的水平位置，加载块33用于和实验管道2夹持连接，以保证压力的精确传导。

具体的水平移动装置31包括两根相互平行的加载丝杆311，加载丝杆311的两端与实验台1上部长度方向的两端框架固定，两根加载丝杆31一根为主动丝杆3111，另一根为被动丝杆3112，主动丝杆3111与安装在试验台1上的加载电机32连接。在两根加载丝杆311上分别套有加载螺母312，两个加载螺母312分别与弯矩加载装置32连接，并可在主动丝杆3111转动时带动弯矩加载装置32沿加载丝杆311水平移动。

如图3所示，具体的弯矩加载装置32可以包括通过通孔322分别与两个加载螺母312连接的加载支架321，加载支架321为长条形结构，横跨地同时连接两根加载丝杆311，通孔322与加载螺母312之间为固定连接，在加载支架321上安装有带输出轴的施力电机34，以及垂直安装且带有外螺纹的升降杆325；在升降杆325上螺接有被动齿轮327，施力电机34的输出轴上安装有主动齿轮326，主动齿轮326与被动齿轮327啮合，当施力电机34工作时，主动齿轮326会带动啮合的被动齿轮327转动，被动齿轮327通过与升降杆325连接的螺纹，驱动升降杆327实现垂直方向上的升降。加载块33通过铰接的方式连接在升降杆325的底端，以向连接的实验管道2传递升降杆325的拉力或压力。

为方便安装，在加载支架32上设置有分别供下述两根移动丝杆411滑动穿过的通孔323，即移动丝杆411的转动并不会影响加载支架32，而加载支架32的移动同样不会对移动丝杆411造成影响，但加载支架32可以对移动丝杆411进行支撑和径向移动限定。此外，在加载支架32的两端设置有与试验台1宽度方向框架连接的加载槽324，使得加载支架32可以在加载丝杆311的带动下沿试验台的长度方向移动，并被实验台1支撑和限制宽度方向的移动。

为方便安装升降杆325，在加载支架32的中部设置有带通孔351的固定座35，升降杆325滑动穿过通孔351并被通孔351限制不能径向移动，施力电机34、主动齿轮326和被动齿轮327可安装在固定座35上，其中主动齿轮326和被动齿轮327可安装在固定座35的上表面，提高升降杆325施力后的稳定性和牢固性，也使升降杆325受到的反作用力更均匀的传递到整个水平移动装置31上。

本实施方式中的加载块33是一个带有中空通道331的整体结构，其中的中空通道331可以根据不同管径或形状的实验管道2进行调整，或是更换与实验管道2截面形状、尺寸相同中空通道331的加载块33。采用整体结构可以减少施力后加载块33上的分力影响。在夹载块33的一侧固定有两块间隔的吊板332，吊板332上设置有螺栓孔,，两块吊板332将升降杆325的底端夹在中间后，通过同时穿过两块吊板332和升降杆325的螺栓实现铰接。

支撑装置4：用于调整实验管道2受力时的支撑点，如图4所示，包括与水平移动装置31平行的并行移动装置41，连接在并行移动装置41上的移动架42，与移动架42连接并夹持实验管道2的滑动支撑器43；移动架42在并行移动装置41的控制下，可在试验台1上实现长度方向上的水平移动，即沿实验管道2的长度方向移动，使滑动支撑器43能够在实验管道2上移动至任意位置，以改变或调整支撑点。

具体的并行移动装置41包括两根相互平行的移动丝杆411，具体的安装方式和工作方式与前述加载丝杆311的方式相同，由移动电机412驱动其中的主动丝杆4111转动，使与移动螺母413连接的移动架42能够沿实验台1的长度方向上水平移动。

移动架42上设置有固定移动螺母413的通孔414，和供加载丝杆311滑动穿过的通孔415，效果同样是限制加载丝杆311径向移动的同时，不影响加载丝杆311的转动；在移动架42的两端同样设置有与实验台1宽度方向上框架连接的移动槽416，移动槽的结构只要是能够将实验台的框架卡住且不影响滑动即可。

为方便安装滑动支撑器43，在移动架42的中部安装有向下方垂直的连接架44，滑动支撑器43安装在连接架44的下端上。如图5所示，具体的滑动支撑器43包括两个连接板432和两个滑轮431，两个滑轮431并列夹在两个连接板432之间并通过穿过两个连接板432的螺栓固定，实验管道2由两个滑轮431之间穿过并可滑动移动。为方便适应不同直径或形状的实验管道2，在连接板432上设置有调节两个滑轮431之间距离的调节槽(图中未示出)，通过抬升或降低固定上方滑轮431的螺杆在调节槽中的高度，即可调整两个滑轮431之间的距离。

加压装置5：用于向实验管道2内注入油或水一类液体，如图6所示，包括与实验管道2开口端连通的加压管道51，用于向加压管道51输送液体的加压泵52，测量加压管道(也为实验管道内的压力)内部压力的压力传感器(图中未示出)。加压装置5可以安装在实验台1内，也可以布置在实验台1的一侧，其通过数据线与控制系统连接，并受控制系统控制整个加压过程。本实施方式中的加压装置5还可以实现动态加压。

实验管道2在施加弯矩前先要与加压泵52连接，以注入相应的内压，如图7所示，此时实验管道2可通过卡箍6一类结构固定在实验台1内，再与加压管道51连通，以防止实验管道2移动。具体的卡箍6结构可以是两片中间带有相对半弧63的扣片61，扣片61的两端设置有螺栓孔62，两个扣片61利用中间的半弧63将实验管道2夹持住后，利用螺栓穿过两个扣片61扣合后的螺栓孔62，将其与实验台1固定，进而将实验管道2稳定的固定在实验台1上。

控制系统，用于操作整个实验过程中的设备及实验过程，包括加载装置3的位置及施力大小，支撑装置4的位置，加压泵52的压力大小等。控制系统通过与各设备连接的数据线，控制相应的电机、加压泵动作，同时通过安装在实验管道2处的应变片、力传感器及压力传感器获取实验管道2在弯矩过程中的变化数据。并根据各设备的反馈，调整相应设备的位置及施力大小，最终得到当前实验管道2具备内压时，其弯矩变化数据。

具体的控制系统可以采用已有的测量系统，只需要能够同时记录实验管道的弯矩及内压即可。

本实施方式的工作过程简单说明如下：

先将实验管道2通过卡箍6固定在实验台1内，再将加压泵52的加压管道51与实验管道2的开口端连接，然后将加载装置3的加载块33套在实验管道2上，同时将滑动支撑器43夹持在实验管道2上。通过控制系统调整加载块33和滑动支撑器43的位置，然后安装各种传感器，开始实验。

实验时，控制系统先控制加压泵52向实验管道2内注入指定压力，然后再控制加载装置3通过升降杆325带动加载块33，对实验管道2施加弯矩，这里的弯矩包括拉力或推力，通过各传感器收集的数据，即可得到弯矩过程中实验管道2在具备一定内压时，不同弯矩下的实验数据。整个实验过程可通过控制系统调整加载块33的位置及施力大小，滑动支撑器43的支撑位置，加压泵52的输出压力大小等，直至完成实验目的。

本发明的加载装置3和支撑装置4都是可以独立移动的，能够对实验管道2的不同位置施加弯矩和支撑，且两者之间可以独立移动不会相互影响，在弯矩实验过中，可通过加压装置5对实验管道2内部施加不同的压力，以得到不同内压下实验管道的弯矩受力情况，从而获取更贴合实际的测量结果。

本发明的整个实验过程可通过控制系统进行控制，减少手动误差。采用丝杆结构可以无级调整加载块的施力位置及支撑装置的支撑位置，从而可模拟实验管道在不同支撑位置下的弯矩效果。

在本发明的另一个实施方式中，公开一种具体的前述管道内压加弯矩复合载荷试验装置的使用方法，如图8所示，其使用步骤为：

步骤100，根据管径选择固定实验管道的加载块和滑动支撑器，然后利用卡箍将实验管道固定在实验台的框架内，再将固定后的实验管道与加压管道连通；

这里的加载块需要选择中空通道与实验管道直径相同的结构。移动支撑器需要调整两个滑轮之间的距离，以稳定地夹持住实验管道为准。固定后的实验管道以水平状态位于实验台内。

步骤200，控制系统控制加载电机驱动加载丝杆转动，调整加载支架到预定加压位置，控制移动电机驱动移动丝杆转动，调整移动架带动滑动支撑器移动到指定的支撑位置；

步骤300，利用加载块和滑动支撑器对实验管道进行固定；在实验管道上布置与控制系统连接的测量用应变片和力传感器；

这里的固定可以是手动固定。各种传感器可以根据实验要求布置相应的数量和位置。

步骤400，控制系统控制加压泵工作，向实验管道内输送液体，并达到指定压力，控制施力电机使驱动杆带动主动齿轮旋转，进而通过被动齿轮带动升降杆移动，加载块将相应的压力传递至实验管道后变成向上或向下的弯矩；

这里加压泵可以实现实验过程中的动态加压，由控制系统控制具体的加压参数。

步骤500，控制系统根据应变片、力传感器和压力传感器的数据获取当前实验管道内外的压力变化，并以此对各设备进行压力或位置调整，获取实验管道在不同压力下的数据，直至达到试验目的；

此外，收集的数据还包括升降杆的升降距离，主动齿轮和被动齿轮的转动圈数，加载块和滑动支撑器的移动距离等，通过控制系统能够全面收集实验过程中各设备的运动状态参数。

步骤600，完成试验后，首先控制加压泵泄压，再依次将加载块、滑动支撑器进行卸载，取下实验管道，通过控制系统将弯矩加载装置和移动架移动至初始位置，完成整个试验。

通过上述方法，可以在弯矩实验过中，对实验管道内部施加不同的压力，得到不同压力下管道的弯矩受力情况，获取更贴合实际状况的精确结果。整个实验过程通过控制系统进行控制，减少手动误差，进而得到更精准的测量结果。加载块和滑动支撑架可以在控制系统的控制下布置在实验管道的任意位置，得到实验管道在不同支撑位置下的弯矩效果。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.管道内压加弯矩复合载荷试验装置，包括一个框架结构的试验台，布置在试验台内且一端封闭的实验管道，其特征在于，在试验台上还安装有：

加载装置，包括水平移动装置，连接在水平移动装置上的弯矩加载装置，与弯矩加载装置连接并套在实验管道外表面的加载块；

支撑装置，包括与水平移动装置平行的并行移动装置，连接在并行移动装置上的移动架，与移动架连接并夹持实验管道的滑动支撑器；

加压装置，与实验管道的开口端连接以注入指定液体压力；

控制系统，控制加载装置和支撑装置的工作位置，同时控制加压装置的加压数据，并通过安装在实验管道上的传感器收集实验管道在弯曲变形过程中的数据。

2.根据权利要求1所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述水平移动装置包括两根平行的加载丝杆，驱动加载丝杆转动的加载电机，以及分别安装在两根加载丝杆上的加载螺母，两个加载螺母分别与弯矩加载装置连接。

3.根据权利要求1所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述并行移动装置包括两根相互平行的移动丝杆，驱动移动丝杆转动的移动电机，以分别安装在两根移动丝杆上的移动螺母，两个移动螺母分别与移动架连接。

4.根据权利要求1或2所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述弯矩加载装置包括通过通孔分别与两个所述加载螺母连接的加载支架，安装在加载支架上由施力电机控制的驱动杆，以及垂直安装且带有外螺纹的升降杆，升降杆上螺接有被动齿轮，驱动杆上固定有主动齿轮，主动齿轮与被动齿轮啮合，升降杆的底部与所述加载块铰接。

5.根据权利要求4所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

在所述加载支架上设置有分别供两根所述移动丝杆滑动穿过的通孔，所述加载支架的两端设置有与所述试验台连接的加载槽，所述加载支架的中部设置有带通孔的固定座，所述升降杆穿过通孔，所述主动齿轮和被动齿轮安装在固定座的上表面。

6.根据权利要求4所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述加载块为带有中空通道的整体结构，在所述加载块的一侧固定有两块间隔的吊板，吊板与所述升降杆的底端铰接。

7.根据权利要求2所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述并行移动装置包括一个移动架，在移动架上设置有安装所述移动螺母并固定的通孔，供所述加载丝杆滑动穿过的通孔，以及设置在两端与所述实验台连接的移动槽，在所述移动架的中部安装有垂直伸出的连接架，所述滑动支撑器安装在连接架上。

8.根据权利要求1所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述滑动支撑器包括两个连接板和两个滑轮，两个滑轮并列夹在两个连接板之间并通过穿过两个连接板的螺栓固定，在连接板上设置有调节两个滑轮之间距离的调节槽，所述实验管道夹在两个滑轮之间。

9.根据权利要求1所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置，其特征在于，

所述加压装置包括与所述实验管道连通的加压管道，用于向加压管道输送液体的加压泵，测量加压管道内部压力的压力传感器。

10.采用权利要求1至9任一所述的管道内压加弯矩复合载荷试验装置的使用方法，其特征在于，使用步骤为：

步骤100，根据管径选择固定实验管道的加载块和滑动支撑器，然后利用卡箍将实验管道固定在实验台的框架内，再将固定后的实验管道与加压管道连通；

步骤200，控制系统控制加载电机驱动加载丝杆转动，调整加载支架到预定加压位置，控制移动电机驱动移动丝杆转动，调整移动架带动滑动支撑器移动到指定的支撑位置；

步骤300，利用加载块和滑动支撑器对实验管道进行固定；在实验管道上布置与控制系统连接的测量用应变片和力传感器；

步骤400，控制系统控制加压泵工作，向实验管道内输送液体，并达到指定压力，控制施力电机使驱动杆带动主动齿轮旋转，进而通过被动齿轮带动升降杆移动，加载块将相应的压力传递至实验管道后变成向上或向下的弯矩；

步骤500，控制系统根据应变片、力传感器和压力传感器的数据获取当前实验管道内外的压力变化，并以此对各设备进行压力或位置调整，获取实验管道在不同压力下的数据，直至达到试验目的；

步骤600，完成试验后，首先控制加压泵泄压，再依次将加载块、滑动支撑器进行卸载，取下实验管道，通过控制系统将弯矩加载装置和移动架移动至初始位置，完成整个试验。