减振橡胶支座大型压剪试验机结构及液压系统设计

单根立，国家宁

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

0 前言

压剪试验是材料行业常用的检验各种建筑材料力学性能的一种试验方法。大型多功能压剪试验机主要用于公路、铁路，桥梁以及建筑结构用的板式、盆式橡胶支座及球型支座力学性能检测和大型结构件及模型的力学性能试验，可对橡胶材料或成品进行抗压弹性模量、抗剪弹性模量、抗剪黏结性能、摩擦因数、转角等试验，也可进行其他金属或非金属材料的抗压强度试验。随着国内超大型桥梁建设以及大型建筑抗振性能要求，超大型隔振橡胶支座和摩擦摆支座逐渐增加，其性能检测和产品设计需要的超大型压剪试验机的市场需求也增加了。

在国内，某公司为满足自身生产的铁路桥梁支座出厂产品质量检测和产品研发的需求，于2006年引进意大利ALGA公司的52 MN试验机。西南交通大学联合有关企业于2011年开始开展120 MN桥梁支座试验机理论研究。2016年，吉林大学卢建国重点设计了试验机机架结构，但对液压系统以及试验过程中遇到的问题没有详细说明。国内外比较先进的试验机生产厂家生产了许多性能良好的试验机，这些试验机的功能较为单一，且结构载荷较小，大多在50 MN以下。由以上可知，国内外研制的专用于桥梁支座大型压剪多功能试验机较少，基本以30 MN以下的机型为主。

目前，普通压剪试验机在进行试验时尚且存在很多问题:如试验机在进行支座拉伸试验时，由于竖向压力和拉伸力相差很大，且一般力传感器精度下限约为4‰，会造成测量拉伸力不准的问题；在进行剪切试验时，由于压紧装置安装位置不恰当，与变形后橡胶层产生干涉的问题；进行高频或者多次剪切试验后，导卫装置变形，从而引起竖向加载中心发生偏移，竖向液压缸和活塞杆磨损严重的问题；工程橡胶支座上样困难以及上样后定位不准导致竖向加载力时没有作用到橡胶支座中心而造成的试验数据检测不准等问题。

为克服以上问题，本文作者以提高试验数据检测的准确性为主旨，设计具有自动上样及定位装置的新型压剪试验机结构。

1 压剪试验机机械结构设计

1.1 压剪试验机主机结构

桥梁支座检测多功能压剪试验机主机须设计竖向压紧试验系统、水平剪切试验系统和转角试验系统，这三大试验系统可独立或联合开展试验。所研制的试验机以上述三大系统作为基础，按照结构与功能相适应、易安装、易维护、运行稳定等原则进行组合设计。试验机整体以铸钢为主材料搭建，总高度达5 m，通过调整上置油缸控制试样空间。所设计的压剪试验机使用电液伺服系统，其总体结构如图1所示。

图1 试验机主机结构

1.2 自动上样与定位装置

试验机自动上样及定位装置主要包括升降平台定位系统、平台自动上样系统和二次定位油缸自动定位系统。工作人员将工程橡胶支座参数输入触摸屏，二次定位油缸活塞杆根据输入信息伸出设定好的长度后，水平移动油缸活塞杆带动整个升降平台进行移动。将需要检测的工程橡胶支座放置在升降平台上，两个一次定位油缸伸出把橡胶支座推向承压侧板进行一次定位。步进电机启动，通过转角器带动蜗轮丝杠升降机使升降平台上升。升降平台上升到指定位置后，液压马达转动将辅助定位拨片旋转，上样油缸根据橡胶支座尺寸选择伸出一个或者两个油缸活塞杆以将橡胶支座推到下压板上。自动上样及定位装置总体结构如图2所示。

图2 自动上样及定位装置总体结构

1.3 试验机主机关键性问题及解决方法

(1)试验机进行拉伸试验时力检测不准确

工程橡胶支座进行拉压试验时，压力和拉力数值相差很大，尤其是在大吨位压剪试验机上表现得更加明显，出现由于拉压传感器精度问题导致的拉伸力检测不准。本文作者提出新型结构，在原有压力传感器的基础上新增小吨位拉伸传感器，如图3所示。承压板2与上压板1焊接，拉伸传感器固定在上压板1上，连接螺钉4与拉伸力传感器6连接在一起。当进行压剪试验时，传感器连接板3作用于承压板2和上压板1上进行竖向加载，拉伸传感器连接螺钉与传感器连接板未接触，拉伸力传感器不检测力值；当进行橡胶支座拉伸试验时，传感器连接板3上移与承压板2分离，与拉伸传感器连接螺钉接触，拉伸力传感器开始检测拉力。

图3 新型拉伸力检测工装

(2)压紧装置的定位无法满足各种型号支座的需求

橡胶支座在进行大吨位压剪试验时，支座会产生很大的剪切位移，橡胶层和水平面的夹角会变得很小。大量统计结果显示，一般橡胶支座橡胶层和连接板左右距离约为50 mm，压紧装置固定在连接板的4个角位置可防止与橡胶层发生干涉。

一般的压紧装置通过T形槽固定在上压板和下压板上，由于T形槽间距是固定的，无法适应各种型号的橡胶支座进行合理压紧。本文作者设计新型上下压板开槽方式，由4个角向中心开凿，压紧装置固定在丝杠滑块上，通过丝杠直线运动，可以准确定位到矩形和圆形2种橡胶支座连接板的4个角，大大减少上下压板的T形槽数量，如图4所示。

图4 新型下压板

(3)试验机试验时造成导卫装置变形失效

试验机的导卫装置在进行高频或者多次的剪切试验后，易发生变形，导致竖向加载困难，损耗加大及竖向压力中心偏移等问题。此设计新增侧板，连接上横梁和底座，安装高强度滚柱直线导轨，既可以增加反应力架整体的强度，也可以防止导卫装置发生形变，如图5所示。

图5 新型导卫装置

2 液压系统设计

2.1 主机液压系统

主机液压系统最高压力设定为28 MPa，主要由竖向加载油路和横向剪切油路组成。竖向加载过程需要4个加载液压缸保持同步，进行保压时保持压力稳定在国家标准范围之内。进行高频剪切试验时，需要大流量液压油进行系统油液补充。根据主要技术要求实现此压剪试验机功能，设计对应的液压原理图，如图6所示。

图6 主机液压原理

此设计选用恒压变量泵1在进行流量适应性调节时，压力变动十分微小，可视为恒压油源。泵出的压力油通过高压精密滤油器3主油路、通信器4检测滤油器是否发生堵塞。压力油从滤油器流出后经过先导式电磁卸荷溢流阀7进行空载启动，通过先导式卸荷溢流阀先进行卸荷，空载运行一段时间后，先导阀电磁铁断电，作为普通溢流阀使用。然后，压力油经过插装阀分成4路进入工作油路。选择插装阀可实现大功率控制，插装阀为尺寸紧凑的锥阀式结构，通流能力强，切换时控制容积小，而且没有滑阀式液压阀的“正遮盖”概念，可高速切换。系统回油路安装有背压阀，可以改善执行机构的运动平稳性。

2.1.1 竖向加载液压缸油路

压力油通过精密滤油器，伺服阀10右侧电磁铁通电后，经过液控单向阀11进入竖向液压缸无杆腔，4个液压缸进行同步加载，竖向加载油缸进入保压状态时伺服阀断电。此设计选择O形中位机能的伺服阀，以提高换向位置精度，在进行保压时保持压力稳定在一定范围内，液控单向阀关闭可以使油路自锁。竖向加载完成后伺服阀左侧电磁铁通电，竖向加载液压缸活塞杆收回。通过伺服阀控制竖向加载液压缸，再辅助以反应力架结构的导卫装置可以保证竖向加载的4个液压缸保持同步。

2.1.2 剪切液压缸油路

压力油通过2个伺服阀进入剪切液压缸，完成剪切试验。在进行剪切试验时，频率最快要求达到0.47 Hz，在此设计中采用双伺服阀并联的方式来满足横向剪切时大流量的需求。这样液压系统对每个伺服阀的流量需求较低，可以选用高频响、中等流量的伺服阀。对并联的2个伺服阀进行同步控制，可解决阀芯运动不同步所造成的流量减小和液压冲击等问题。为满足大流量需求，开启多个蓄能器组，每个高压蓄能器组出口都安装有通流能力强的插装阀，以及时补液。

2.2 自动上样与定位装置液压系统

为完成橡胶支座自动上样及定位的任务，设计如图7所示的液压系统。此系统主要由3个液压回路构成，包括水平移动油缸液压回路、二次定位油缸液压回路和一次定位油缸，液压马达同上样油缸联动油路。

图7 自动上样装置液压原理

定量泵1输出压力油进入先导式卸荷溢流阀2，先导阀得电，油泵空载启动。压力油通过单向阀进入6组执行机构液压油路，在回油路安装单向阀14可以使各执行机构在执行动作时平稳运行。

2.2.1 水平移动缸油路

压力油进入高速三位四通电磁换向阀4，采用中位机能为O形的电磁换向阀可以保证油缸活塞杆水平移动到达指定位置后不会移动。蓄能器6吸收换向阀阀芯移动产生的液压冲击，同时也可以补偿泄漏，起到保压的作用。在二次定位油缸完成动作后，水平油缸活塞杆通过换向阀更换机能进行左右移动，带动整个升降装置进入指定位置。液压油经过液控单向阀5进入水平移动油缸，安装液控单向阀可使水平移动缸形成自锁油路，保证在上样过程中试样顺利到达下压板中心。

2.2.2 二次定位缸油路

二次定位缸油路在水平缸油路基础上安装了1个分流器9，使位于下压板两侧的3个定位油缸顺利到达指定位置。当位移传感器检测的位移量达到PLC计算二次定位缸所需位移量时，换向阀返回中位。此油路中采用的是高速开关阀，可保证在到达指定位置后二次定位缸活塞杆快速锁死。

2.2.3 一次定位油缸、液压马达同上样油缸联动油路

压力油一路进入液压马达油路，通过减压阀12可以调定马达进出口压力，接着通过换向阀进入液压马达11，同时安装2个节流阀10控制流量。液压马达带动辅助定位拨片旋转90°，保证橡胶支座顺利进入下压板。一路压力油通过减压阀进入一次定位油缸，同上样油缸联动油路，一次定位油缸同上样油缸的系统压力应小于二次定位油缸油路系统压力，这样才能保证支座定位的准确性。一次定位油缸和上样油缸之间安装有单向顺序阀13，当一次定位油缸加载到一定压力时，上样油缸开始送样。

3 结论

本文作者设计了包含自动上样和定位装置的新型压剪试验机结构和便于应用的液压系统，解决了拉伸试验检测拉伸力值不准、进行水平剪切时压紧装置与支座橡胶层产生干涉、导卫装置变形失效、橡胶支座上样困难以及定位不准等问题；设计了新型拉伸力检测工装、上下压板结构、导卫装置以及自动上样及定位装置。结果表明：所设计的大型压剪试验机具有准确可靠、运行平稳、试验方便等特点，提高了工作效率，为减隔振橡胶支座大型压剪试验机结构的设计与优化提供参考。