大型臥式拉力試驗機(jī)的研制探討

李周選，潛力群，陳玲，周凌，徐建強(qiáng)，黃星

（1.浙江華電器材檢測研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.深圳萬測試驗設(shè)備有限公司，廣東 深圳 5181073)

1 背景

當(dāng)前，我國特高壓輸電技術(shù)已經(jīng)走在世界前列。在特高壓輸電建設(shè)過程中，金具、大截面電工圓鋁線、施工機(jī)具、絕緣子、大噸位吊裝帶等國網(wǎng)電力器材的力學(xué)性能檢測和安全性能檢測項目都需要用到大載荷、長行程、大試驗空間的檢測設(shè)備。為了應(yīng)對國內(nèi)的特高壓建設(shè)力學(xué)性能檢測需要，滿足多種尺寸、結(jié)構(gòu)及載荷的被測試樣的檢測需求，節(jié)約設(shè)備投資和設(shè)備占地面積，本文提出了用于電力行業(yè)的大型臥式拉力機(jī)的研制計劃。

該試驗機(jī)設(shè)計了一種跟隨橫梁移動的伸縮式插銷，該插銷有足夠的強(qiáng)度承載最大載荷，橫梁移動到相應(yīng)的銷孔位置時可以通過控制油缸讓插銷從上下兩端同步伸出，插入至框架上的銷孔中。該結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，操作便捷，完美解決了大載荷下長行程調(diào)節(jié)的需求。

2 試驗機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

該試驗機(jī)采用橫臥框體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，移動端采用全自動分段式插銷，可根據(jù)不同試樣長度實現(xiàn)自動鎖止定位，布置如圖1 所示。試驗機(jī)采用伺服閥驅(qū)動油缸加載，載荷傳感器測力，計算機(jī)控制試驗進(jìn)程并顯示試驗力及試驗曲線，亦可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲及打印。該機(jī)采用的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，操作簡單方便，試驗數(shù)據(jù)可靠。

圖1 試驗機(jī)布置圖

該試驗機(jī)的主機(jī)部分，如圖2 所示，主要由動力加載部分、框架部分、前后橫梁、行程保護(hù)裝置等部分組成。前移動橫梁和導(dǎo)向軸形成施力結(jié)構(gòu)，后橫梁和框架部分形成受力結(jié)構(gòu)，通過施力和受力機(jī)構(gòu)的相對運(yùn)動對試樣進(jìn)行拉伸試驗。傳感器安裝在橫梁上，并與配套的附具連接，將實時測得的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理。

圖2 試驗機(jī)主機(jī)實物圖

3 主要技術(shù)參數(shù)

試驗機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

力分辨率 1/500000FS位移測量準(zhǔn)確度 0.01mm位移分辨率 0.003mm加載速度范圍 1~50mm/min橫梁最大行程 20m有效試驗空間（長度x寬度） 21.5m x 2m外形尺寸（長x 寬x 高） 29.1m x 3.2m x 2.5m

4 研制難點及解決方案

大型臥式拉力機(jī)的研制難點主要有以下幾點。

（1）在現(xiàn)有的臥式拉力試驗機(jī)中，為了應(yīng)對不同試樣的測試，必須采用高準(zhǔn)確度載荷傳感器來實現(xiàn)大載荷、大測力范圍的測試需求。該傳感器用于拉伸測試，但大載荷校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器都只能壓向應(yīng)用。因此，對此類設(shè)備的校準(zhǔn)，普遍是該類型設(shè)備待解決的難題。

目前，常用的方式之一是對傳感器本身進(jìn)行壓向校準(zhǔn)，拉向使用。由于拉向和壓向存在著一定的校準(zhǔn)誤差，只能在準(zhǔn)確度要求不高的場合使用。另一種方式則是安裝校準(zhǔn)反向架。但臨時安裝大載荷的校準(zhǔn)反向架，重量大、安裝困難、操作非常不便且有安全隱患。為解決這個問題，本設(shè)備采用試驗加載框架設(shè)計，力傳感器與加載框架采用自動調(diào)心萬向球頭連接，避免油缸活塞桿受側(cè)向力而漏油。力校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)主要由高度調(diào)整手柄、支架、校準(zhǔn)安裝板等組成，校準(zhǔn)壓板刻有回形圓，方便傳感器壓于中心，通過高度調(diào)整手柄調(diào)整支架的高度，來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的校準(zhǔn)，如圖3 所示。與傳統(tǒng)的傳感器校準(zhǔn)方法相比，本設(shè)備的力校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)計操作簡便，檢定時用到的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器受力方向與本機(jī)自帶的力傳感器受力方向完全相同，校準(zhǔn)誤差更小。

圖3 加載框架和力校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖

（2）在現(xiàn)有的臥式拉力試驗機(jī)中，主機(jī)是直接影響試驗機(jī)工作的執(zhí)行單元，在大的載荷下，某些試樣會在最大力附近突然破斷，此時，機(jī)架本身在拉伸過程中因為自身剛度的原因，蓄積的能量會在此時突然釋放，對設(shè)備自身以及地基形成巨大的沖擊力。過大的沖擊載荷對設(shè)備自身、地基和廠房以及周邊的設(shè)備是有害的。所以，有必要對試驗機(jī)的主機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

該試驗機(jī)主機(jī)框架設(shè)計如圖4 所示，根據(jù)力傳遞路線確定參與結(jié)構(gòu)分析的主要零部件進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。臥式拉力試驗機(jī)主要進(jìn)行拉力試驗，利用有限元分析時，將試驗力通過面載荷加載到移動橫梁、油缸固定橫梁和導(dǎo)軌上。

圖4 主機(jī)框架圖

在最大載荷下，主要受力橫梁類部件靜力學(xué)分析如圖5 所示。由分析結(jié)果可見，4000kN 的施力條件下移動橫梁的最大部分應(yīng)力部分集中在與夾具連接桿連接孔的位置，且最大應(yīng)力為231.442MPa ＜235MPa(材料的屈服應(yīng)力），位移變形最大的地方集中插銷孔位置的兩側(cè)邊緣，最大變形量為1.59mm，因為最大應(yīng)力很接近材料的屈服強(qiáng)度，為了提高其強(qiáng)度，需要對應(yīng)力集中的地方進(jìn)行強(qiáng)化處理。油缸固定橫梁、反力橫梁1 和反力橫梁2 在最大載荷條件下，所受的最大屈服應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，位移變形很小，可以滿足設(shè)計要求。

圖5 主要受力橫梁類部件靜力學(xué)分析圖

對導(dǎo)軌進(jìn)行成有限元分析時，取單側(cè)導(dǎo)軌進(jìn)行分析，故載荷的大小取最大載荷的一半。由于主機(jī)框架比較長，導(dǎo)軌采用分段式，取其中一段導(dǎo)軌進(jìn)行分析。當(dāng)插銷位于第一個插銷孔時，受力面只有插銷孔的一半。對導(dǎo)軌進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖6 所示，由結(jié)果可知，最大應(yīng)力主要集中銷孔位置，位移變形主要集中在插銷所在的插孔位置，所以導(dǎo)軌設(shè)計時，需要考慮銷孔處的應(yīng)力集中的影響，以提高導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖6 導(dǎo)軌靜力學(xué)分析圖

為避免過大沖擊載荷對設(shè)備的損害，此設(shè)計框架采用鋼板焊接，合理布筋，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛性大。設(shè)備具備足夠的剛度，減小了機(jī)架自身蓄積能量，從而控制試樣破斷時機(jī)架蓄積能量突然釋放引起的振動。

（3）常規(guī)的臥式拉力試驗機(jī)行程調(diào)整，通常采用梯形絲桿的傳動方式調(diào)節(jié)橫梁的位置。本機(jī)行程需求20m，采用長絲杠的方式，剛度極低、造價極高，不適合在此場合應(yīng)用。為此，我們設(shè)計了采用高精度伺服電機(jī)驅(qū)動輪子機(jī)構(gòu)自走的橫梁，如圖7 所示，以框架作為軌道，實現(xiàn)大行程的移動。

圖7 移動橫梁結(jié)構(gòu)

常規(guī)的臥式拉力試驗機(jī)中，移動橫梁在導(dǎo)軌上定位插銷通常是一根光軸，從移動橫梁的定位孔插入導(dǎo)軌的定位孔，從而將移動橫梁與導(dǎo)軌固定，如圖8 所示。能夠承受4000kN 大載荷的插銷，其自身的重量超過50kg，通過人工插拔操作極為不便；通過其他吊裝設(shè)備插拔，效率低下、成本高昂。

圖8 傳統(tǒng)插銷機(jī)構(gòu)示意圖

為了能夠方便快捷地將插銷插入孔內(nèi)，本試驗機(jī)設(shè)計了一種液壓插銷機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)安裝于臥式拉力試驗機(jī)的移動橫梁上，主要由同軸固定安裝在移動橫梁的定位孔上的導(dǎo)向筒、安裝在導(dǎo)向筒頂部的油缸以及連接油缸活塞端的插銷組成，油缸的活塞端向下伸入導(dǎo)向筒內(nèi)部，油缸能夠帶動插銷軸向滑動插入導(dǎo)軌的定位孔，使移動橫梁相對導(dǎo)軌達(dá)到鎖止?fàn)顟B(tài)，如圖9 所示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該設(shè)計的優(yōu)點是：通過作動器，即液壓油缸驅(qū)動的方式將插銷插入定位孔，以達(dá)到鎖止?fàn)顟B(tài)；插銷與油缸活塞之間為軸連接，用以保護(hù)油缸活塞不受側(cè)向力而損壞。

圖9 液壓插銷機(jī)構(gòu)插入前后示意圖

5 結(jié)語

本文主要介紹了大型臥式拉力試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)描述了研制難點和對應(yīng)的解決方案。依據(jù)該方案制造的設(shè)備實現(xiàn)了所有預(yù)期功能和技術(shù)指標(biāo)。本試驗機(jī)主要用在電力建設(shè)領(lǐng)域，特高壓建設(shè)過程的電力金具檢測、大截面導(dǎo)線檢測、施工機(jī)具檢測、絕緣子檢測、大截面鋼絲繩檢測、大噸位吊裝帶檢測等。力校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)操作簡便快捷準(zhǔn)確，通用性和適用性強(qiáng)；框架采用鋼板焊接，布筋合理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、整體剛性大，同時可減少過大的沖擊載荷對設(shè)備自身、地基和廠房以及周邊設(shè)備的損害；伺服電機(jī)高精度驅(qū)動輪子自走的橫梁，根據(jù)試樣長度進(jìn)行移動，調(diào)整到合適的位置后，通過液壓插銷機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定裝置，能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地將插銷插入孔內(nèi)，解決了常規(guī)的臥式拉力試驗機(jī)人工插拔插銷固定橫梁的操作不便的問題。

本次大型臥式拉力試驗機(jī)的研發(fā)解決了常規(guī)臥式拉力機(jī)載荷低、距離短、寬度窄、無法對特高壓建設(shè)過程中的產(chǎn)品進(jìn)行檢測的難題，實現(xiàn)了各類特高壓、超高壓電力金具破壞試驗，以及電廠各類大型起吊器具的力學(xué)破壞試驗，海洋各類船舶拖纜力學(xué)性試驗。