7500kN臥式疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制

谷春華，郭玉寶，范曉望，姬戰(zhàn)國，王 偉

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

鋼絲繩、斜拉索、錨固件、焊接球、錨具、鋼絞線、工程用索等均為基礎(chǔ)建設(shè)中常用且非常重要的零件，其可承受的最大破壞載荷及其疲勞壽命指標(biāo)關(guān)系到工程施工安全。準(zhǔn)確地測定其最大破壞載荷及其疲勞壽命，可為安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)，為國家基礎(chǔ)建設(shè)節(jié)省大量資金成本。因此，大噸位疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制成為必然。

本文研發(fā)的7500kN臥式疲勞試驗(yàn)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為液壓能、再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種試驗(yàn)設(shè)備，以伺服閥作為控制核心，與計(jì)算機(jī)、控制器組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。該試驗(yàn)機(jī)采用電液伺服閉環(huán)控制原理，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、頻帶寬、試驗(yàn)波形種類多等特點(diǎn)。

2 主機(jī)結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)備采用兩梁四柱封閉框架結(jié)構(gòu)，通過主伺服油缸進(jìn)行疲勞載荷加載，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.主伺服油缸 2.固定橫梁 3.承載柱 4.夾具5.行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.負(fù)荷傳感器7.移動(dòng)橫梁夾緊結(jié)構(gòu) 8.移動(dòng)橫梁圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)

主伺服油缸1安裝在固定橫梁2上，提供試樣拉伸的原動(dòng)力。夾具4連接試樣，通過負(fù)荷傳感器6測量試樣的受力，負(fù)荷傳感器6安裝在移動(dòng)橫梁8上。移動(dòng)橫梁8通過移動(dòng)橫梁夾緊結(jié)構(gòu)7與承載柱3固定抱緊連接，承載柱3與固定橫梁2固定連接。這樣組成一個(gè)受力的封閉框架，不再借助外部力量即可完成力的加載。

行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5采用倒短的方式驅(qū)動(dòng)移動(dòng)橫梁8，即在移動(dòng)橫梁時(shí)，使用行走機(jī)構(gòu)夾緊缸將夾緊塊鎖緊，將橫梁鎖緊機(jī)構(gòu)打開，液壓油驅(qū)動(dòng)工程缸，從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)橫梁。工程缸行程走完后行走機(jī)構(gòu)夾緊缸松開，橫梁鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，再向工程缸反向通油，完成后再重復(fù)前邊的驅(qū)動(dòng)步驟，如此循環(huán)，將移動(dòng)橫梁移動(dòng)到指定的位置。

設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)力7500kN，最大靜態(tài)試驗(yàn)力10000kN；脈沖頻率0～10Hz可調(diào)；主油缸最大行程600mm；拉伸試驗(yàn)最大空間6000mm；靜態(tài)主工作缸工作速度0～500mm/min；調(diào)整橫梁移動(dòng)速度1.0m/min。

3 液壓原理

為保證7500kN臥式疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)械功能的實(shí)現(xiàn)，采用相應(yīng)的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，其液壓原理如圖2所示。液壓油源為主機(jī)提供液壓動(dòng)力，液壓油從油源出來分兩個(gè)主要支路，一條支路為主機(jī)的主油缸提供液壓動(dòng)力，另一條為各種輔助動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的支路。主油缸采用電液伺服技術(shù)，通過伺服閥控制主油缸的動(dòng)作。主油缸具有位移控制及負(fù)荷控制兩種閉環(huán)控制方式。位移閉環(huán)控制是計(jì)算機(jī)根據(jù)主油缸上安裝的位移傳感器的位移數(shù)據(jù)，與伺服閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行位移閉環(huán)控制。負(fù)荷閉環(huán)控制是計(jì)算機(jī)根據(jù)移動(dòng)橫梁上安裝的負(fù)荷傳感器的負(fù)荷數(shù)據(jù)，與伺服閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行負(fù)荷閉環(huán)控制。輔助支路主要為行走驅(qū)動(dòng)液壓缸、行走驅(qū)動(dòng)夾緊缸、移動(dòng)橫梁夾緊缸等，其分別通過三位四通換向閥、兩位四通換向閥控制，并根據(jù)其功能配置附屬的液壓鎖及節(jié)流閥，從而實(shí)現(xiàn)及相應(yīng)的功能。

圖2 液壓原理圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，固定橫梁、移動(dòng)橫梁均采用高強(qiáng)度鑄鋼，整體鑄造成型。光杠采用高強(qiáng)度材料一體加工，加工后表面鍍硬鉻。移動(dòng)橫梁底部采用空氣彈簧支撐以保證柔性托舉，試驗(yàn)時(shí)可以隨移動(dòng)橫梁的微動(dòng)變形產(chǎn)生隨動(dòng)。行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用工程用液壓缸作為動(dòng)力源，配合夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

圖3 主機(jī)外形圖

4.1 移動(dòng)橫梁的設(shè)計(jì)及分析

移動(dòng)橫梁為本機(jī)的核心部件，其即是力封閉框架的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是試驗(yàn)空間調(diào)整的部件。對橫梁體進(jìn)行有限元分析，分析時(shí)將負(fù)荷傳感器、模擬光杠、銅套共同分析。

(1)固定約束：將負(fù)荷傳感器固定；

(2)部件接觸關(guān)系設(shè)定：負(fù)荷傳感器與橫梁之間為固定連接，橫梁與銅套、銅套與光杠之間采用摩擦連接，摩擦系數(shù)0.1；

(3)載荷施加設(shè)定：將每個(gè)光杠頭施加250t拉力，共1000t拉力；

(4)分析結(jié)果：應(yīng)力最大270MPa，橫梁抱緊處應(yīng)力為135MPa，軸向位移0.9mm，這個(gè)變形為彈性變形，沒有竄動(dòng)發(fā)生，滿足夾緊要求。

移動(dòng)橫梁外形如圖4所示，其約束及受力見圖5，應(yīng)力、變形分布如圖6、圖7所示。

圖4 移動(dòng)橫梁外形圖

圖5 移動(dòng)橫梁約束及受力圖

圖6 應(yīng)力分布圖

圖7 變形分布圖

4.2 橫梁夾緊液壓缸的參數(shù)計(jì)算

由于光杠與橫梁本體之間為摩擦接觸，摩擦力作為反力，通過下式計(jì)算出銅套與光杠之間需要的正壓力。采用本公式計(jì)算需注意摩擦系數(shù)的選擇(一般取值為0.19)，由于光杠表面比較光滑，所以取值需比常規(guī)選擇要小。

N=F·μ

根據(jù)杠桿原理，夾緊缸相對支點(diǎn)的力臂為L1,光杠與橫梁接觸點(diǎn)相對支點(diǎn)的力臂為L2，可計(jì)算出夾緊油缸的整體壓力。

由于光杠與橫梁銅套、立柱之間具有初始間隙，整體壓力需將克服摩擦力所需的壓力N2計(jì)算出來，整體夾緊缸需要的出力為：

N3=N1+N2

根據(jù)液壓計(jì)算公式N3=P*S，選擇夾緊缸活塞所需的實(shí)際面積及所需的系統(tǒng)壓力。由于本機(jī)系統(tǒng)壓力一般均采用國標(biāo)常用壓力，則夾緊缸活塞所需的實(shí)際面積可整理為如下常用計(jì)算式：

4.3 行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算

行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩液壓缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)的形式，兩液壓缸分別在對角的兩個(gè)立柱上，采用交替行走的方式。具體實(shí)現(xiàn)方式：將行走機(jī)構(gòu)抱緊在承載柱上，將橫梁夾緊缸打開，液壓缸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)橫梁；將行走機(jī)構(gòu)夾緊缸松開，橫梁夾緊缸鎖緊，采用油缸進(jìn)行復(fù)位，此時(shí)工程缸的位置發(fā)生移動(dòng)。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)大范圍橫梁移動(dòng)。

根據(jù)該行走原理，選用合適的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工況進(jìn)行各參數(shù)的選擇。移動(dòng)橫梁處于松開狀態(tài)時(shí)，水平移動(dòng)缸只受重力的影響。橫梁重量約為160kN，按200kN考慮，摩擦系數(shù)取0.2，其推力為40kN就可以推動(dòng)橫梁。

推動(dòng)油缸設(shè)計(jì)為行程1.5m，選用活塞桿直徑為65mm、拉力為56kN、推力為150kN的工程缸，可以滿足使用要求。對于夾緊油缸選用，其夾緊力為588.8kN，摩擦系數(shù)取0.1，則摩擦力為58.8kN。兩側(cè)各一個(gè)，完全滿足使用要求。

4.4 主機(jī)固有頻率計(jì)算

7500kN臥式疲勞試驗(yàn)屬于動(dòng)態(tài)設(shè)備，在設(shè)計(jì)過程中必須進(jìn)行固有頻率計(jì)算。若固有頻率處在試驗(yàn)范圍之內(nèi)，則需進(jìn)行合理的修改，防止設(shè)備因共振而損壞。

(1)固定約束。將主油缸下部墊板底部固定；將輔助支撐下部的兩塊墊板固定；將尾部下部的兩塊板固定。

(2)接觸關(guān)系設(shè)定。輔助支撐與其墊板底部為不分離；尾部支撐與其下部兩塊墊板為不分離；其余各部件間為固定約束。

(3)12階模態(tài)計(jì)算結(jié)果，共振頻點(diǎn)如下：10.017Hz、10.112Hz、20.923Hz、21.663Hz、23.539Hz、27.885Hz、28.246Hz、28.808Hz、30.163Hz、30.336Hz、31.624Hz、31.635Hz。共振點(diǎn)在應(yīng)用范圍以外，滿足試驗(yàn)要求。

5 電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，并對整體進(jìn)行了規(guī)范化設(shè)計(jì)，電氣拓?fù)鋱D如圖8所示。設(shè)備采用EDCi20及EDCi50控制器，控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成一套完整的伺服控制系統(tǒng)，具有力、位移閉環(huán)控制功能，對力、位移傳感器采用非線性校正技術(shù)。

圖8 電氣拓?fù)鋱D

6 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)試驗(yàn)方法及設(shè)備原理，基于Windows系統(tǒng)編寫試驗(yàn)軟件，符合Windows的操作習(xí)慣，軟件界面如圖9所示。本試驗(yàn)機(jī)軟件具備試驗(yàn)力、位移、試驗(yàn)頻率實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，以及斷絲監(jiān)控、過載報(bào)警等功能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為EXCEL格式進(jìn)行后續(xù)處理，可以設(shè)定不同樣件理論斷裂閾值的大小，判斷斷裂后能夠進(jìn)行警告顯示。

7 研制成果

通過以上研究設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品試制并完成調(diào)試和校準(zhǔn)標(biāo)定，實(shí)物圖見圖10。

圖9 軟件界面

圖10 實(shí)物圖

8 結(jié)束語

7500kN臥式疲勞試驗(yàn)機(jī)研制完成后，經(jīng)過調(diào)試和校準(zhǔn)，已交付用戶使用，取得了較好的應(yīng)用效果。大噸位臥式疲勞試驗(yàn)機(jī)是工程基礎(chǔ)建設(shè)中材料檢測的重要設(shè)備，該疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制成功，在國內(nèi)是首臺(tái)套，打破了國外對此種設(shè)備的壟斷，具有非常好的市場前景，特別是在鋼絲繩、斜拉索、錨固件等領(lǐng)域，有著極其廣闊的市場前景。