钢丝绳隔振器静力测试台研制

2016年11月04日

钢丝绳隔振器静力测试台研制

摘要 为测试钢丝绳隔振器的承载力、容许位移量和静刚度等静力特性,研制了钢丝绳隔振器静力测试台。该测试台采用3套独立的液压系统分别对可沿垂直向导向柱滑动的垂直导向板和可作水平横向、水平纵向滑动的3层叠合结构加载,通过测力传感器和数显标尺测试加载力和隔震器位移。该测试台既可对隔振器进行单向加载,又可进行二向或三向不同力值的加载,结构简单,设计合理,稳定可靠,为钢丝绳隔振器的研制和检测提供了手段。

引言

钢丝绳隔振器是一种新型隔振元件,具有非线性软特性、大阻尼和多向隔振性,且耐腐蚀、耐高低温、结构紧凑、重量轻,已广泛应用于航空航天、军事、交通、建筑、机械等领域的隔振、缓冲和降噪。目前,国内已有数十家单位研制和生产钢丝绳隔振器。钢丝绳隔振器承载力、容许位移量、静刚度是隔振器的基本性能指标,必须准确测定,但目前尚未见有钢丝绳隔振器静力试验专用设备的文献报道。华中理工大学熊世树、海军工程大学黄映云、军事医学科学院祁建城等利用材料试验机进行静力试验。西安光兴机电和西安凯兴光电利用利用MT S材料疲劳试验机进行试验。哈尔滨工业大学陈维民等利用电子拉力试验机测试减振器静态力学性能。这些设备结构复杂、通用性差,试验成本相对较高,且一般只能进行单向静力加载。总参工程兵科研三所从1987年开始,分别研制了GX钢丝绳隔振器和GXN鼓形钢丝绳隔振器2个系列产品 ,并配套研制了钢丝绳隔振器静力测试台,为钢丝绳隔振器的研制和检测提供了手段。

1 总体方案

     钢丝绳隔振器静力测试台由主体结构(机械系统)、液压系统及测量系统3部分组成。

在类似的静力加载试验设备中,试件一般都采用底端固定方式,其固定装置不要求移动。由于钢丝绳为柔性材料,钢丝绳隔振器受力时,可以产生沿垂直向、水平横向、水平纵向的线位移及角位移。测试钢丝绳隔振器轴向静力指标时,要求限制侧向位移和角位移。测试隔振器承受工作负荷下的侧向静力指标时,要求施加于隔振器的轴向荷载保持恒定。为了模拟隔振器的实际受力状况,有时又要求在垂直向、水平横向、水平纵向同时施加不同的力。为满足以上要求,在隔振器静力测试台主体结构设计时,将隔振器上端固定在沿4根导向柱可垂直滑动的垂直导向板上,下端固定在可作水平纵向滑动的水平纵向导向板上,水平纵向导向板可与水平横向导向板一起在水平横向导轨上作横向滑动,这种3层叠合式结构可使隔振器底部作双向移动。

      液压系统配置了3套相对独立的加载油缸,通过调整压力调节控制装置,既可对隔振器垂直向、水平横向及水平纵向3个方向分别进行加载,又能对隔振器2个或3个方向同时进行不同力值加载。

     测量系统配备测力传感器及数字显示标尺。通过传感器面板上的液晶显示屏可直接读取油缸的加载力值,通过竖式及横式数字显示标尺可直接读取垂直向、水平横向及纵向的位移值。

 

2 主体结构

    隔振器静力测试台主体结构如图1所示,由上台面、垂直导向板、导向柱、水平纵向导向板、水平横向导向板和导轨、工作台面、支腿等部件组成。静力测试台由4根支腿支撑,并通过4根导向柱将上台面和工作台面连接。为了保证4根导向柱之间有足够的工作空间,导向柱尽可能远离台面中心。

 

 

隔振器静力测试台主体结构

 

1 隔振器静力测试台主体结构

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 1 垂直向滑动机构

 

垂直向滑动机构由垂直导向板和导向柱组成。为了使机构紧凑,导向柱两端采用受力形式较好的梯形螺纹,中间套装垂直导向板,这样4根导向柱既起固定上台面的作用,又可起到导向作用。通过调节导向柱下端的梯形螺纹长度,可调节上台面与工作台面之间的距离。

      垂直导向板中心钻孔与垂直向加载油缸活塞杆相连,并由中心呈放射状均匀开设4个条形台阶孔,以适应不同型号隔振器的安装尺寸。隔振器的上夹板可直接与垂直导向板连接,使垂直导向板又起到隔振器上联板的作用。垂直导向板的四角都焊接有两倍于导向孔直径的半圆形滑动套,既可防止垂直导向板水平向转动,又能防止垂直导向板与导向柱卡死。

    为了尽可能减少4根立柱之间的平行度误差,降低垂直导向板与导向柱之间的滑动摩擦阻力,上台面、工作台面的固定孔与垂直导向板上的滑动套均采用配钻方法,固定孔与梯形螺纹之间采用小间隙配合。为减轻垂直导向板的重量,将其4边均铣去一梯形缺口。在垂直向加载油缸活塞杆作用下,垂直导向板只能沿导向柱作垂直向滑动,从而带动隔振器上夹板作垂直向直线运动,实现对隔振器垂直向加载的目的。

2. 2 水平向滑动机构

    水平向滑动机构如图2所示,由水平横向导轨、水平横向导向板、水平纵向导轨、水平纵向导向板、隔振器下联板组成。其中,水平横向导向板与水平纵向导轨做成一体。横向和纵向导轨均采用燕尾式结构。隔振器下端与下联板固定,下联板与双层导轨的水平纵向导向板连接。在水平向加载油缸作用下,隔振器下端只能沿双层导轨产生水平横向或水平纵向直线运动,而不会产生倾翻及水平转动。

静力测试台水平向滑动机构

1为水平横向导轨; 2为水平横向导向板及纵向导轨; 3为水平纵向导向板; 4为隔振器下联板; 5为水平横向加载油缸; 6为水平纵向加载油缸   2 静力测试台水平向滑动机构

2. 3 限位机构

     为了保证水平向双层导轨在规定行程范围内运动,在水平横向和纵向油缸运动的初始点和行程极限点均设置了限位块,使油缸能准确复位,同时又可避免损坏数显标尺。

3 液压系统

     液压系统由油箱、滤油器、手动油泵、压力表、换向阀、截止阀和加载油缸等部分组成,其系统原理图如图3所示。垂直向和水平横向、水平纵向的加载各用一个液压油缸。垂直向加载油缸固定在上台面上,水平向加载油缸分别固定在双层导轨的下层滑动板上和工作台面上。由于钢丝绳隔振器主要承受垂直向冲击力,其垂直向刚度大,水平向刚度相对较小,因此垂直向加载油缸相对较大,两个水平向加载油缸相对较小。当2个或3个方向同时加载时,改变水平向力值,由双层导轨的滑移带动隔振器下端沿水平向平移,隔振器上端在垂直向加载油缸的作用下产生垂直向位移,此时垂直向力值会自动减小,通过垂直向手动油泵补偿垂直向力值使其保持恒定。

静力测试台液压系统图

1为油箱; 2为滤油器; 3为手动油泵; 4为压力表;5为换向阀; 6为截止阀; 7为精密压力表; 8为水平向加载油缸; 9为垂直向加载油缸  3 静力测试台液压系统图

由于隔振器静力测试加载要求均匀缓慢,采用两台流量较小的SYB-B型手动油泵加载。其中,垂直向加载油泵独立使用,水平向加载油泵配以换向阀和截止阀可同时用于水平横向和水平纵向加载。

4 测量系统

      测量系统包括压力测量和位移测量。当采用压力表测量加载力时,油缸的摩擦阻力也包含在压力表的示值中,影响隔振器恢复力真值的测量。为了提高测量精度, 3个方向的力值测试均采用自行设计的应变式测力传感器,传感器为圆筒式结构,两端的连接螺纹分别与油缸活塞轴和导轨相连,中间为弹性体,沿圆周外壁贴4片应变片, 2片为工作片, 2片为补偿片, 4个应变片共同组成桥路,测试结果在液晶屏上直接显示。3个方向的传感器独立示值,均设有电源开关和量程调节、电桥调零旋钮。传感器的外径分别与垂直向和水平向油缸外径相同。经标定测试, 3个方向的测力传感器的测量不确定度均小于1%

    隔振器的位移测量采用长行程数字显示标尺。该尺具有两套读数系统: 数字读数和游标读数,使用纽扣电池,带有电源开关, 可以在任意位置清零,在任意位置可以进行公英制转换,并具有数据保持功能。

      水平横向和纵向各采用一把0200 mm的横式数字显示标尺,分别安装在工作台面和水平纵向导轨上;垂直向采用两把0300 mm的竖式数字显示标尺固定在导向柱上,测量导向板两个对角点的位移,取平均值作为隔振器的垂直向位移。

5 主要技术指标及设计参数

5. 1 主要技术指标

  最大空间距: 700× 700× 1 000 mm;

液压系统压力: 025 MPa;

垂直向加载力: 0100 kN;

垂直向位移量: 0300 mm;

水平向加载力: 050 kN;

水平向位移量: 0200 mm

5. 2 设计参数

5. 2. 1 台面

    上台面采用40 mmA3钢板,并在上部增设4条由中心向四角辐射的20 mm厚钢板作加强筋;工作台面采用40 mmA3钢板,并在台面下部加设田字形20 mm厚钢板作为加强筋。当台面中心承受100 kN垂直向集中力时,e< [e]; 台面中心挠度仅为1. 2 mm

5. 2. 2 导向柱

   导向柱由4根直径为60 mm40 Cr 圆钢制成,当承受100 kN垂直向加载力和50 kN 水平向加载力时,e< [e] ,柱中水平挠度不大于2 mm, 保证了导向柱具有足够的强度和刚度。

5. 2. 3 导向板

  垂直导向板采用30 mmA3钢板制成,水平纵向、水平横向导向板分别采用40 mm60 mm钢板制成。

5. 2. 4 加载油缸

    加载油缸选用单活塞杆双作用液压缸,根据性能指标要求计算获得的参数为: 垂直向、水平向加载油缸活塞杆直径分别为45 mm36 mm,均由40Cr制成。垂直向、水平向加载油缸缸体的外径分别为100 mm, 70 mm,内径分别为80 mm, 60 mm,由油缸专用高精度钢管制成。

6 隔振器恢复力修正

    测试系统中采用的应变式测力传感器消除了油缸中缸体与活塞的摩擦阻力、油液管路阻力的影响,因此,导轨与导向板之间的摩擦力是引起受测试隔振器恢复力误差的主要原因,需要进行修正。

6. 1 隔振器垂直向恢复力修正

隔振器进行垂直向静力试验时,其受力、位移约束计算简图如图4所示。

 

垂直向试验隔振器受力、位移约束计算简图

4 垂直向试验隔振器受力、位移约束计算简图

隔振器作压缩运动时

Pz + Wz - f z - Fz = 0 ( 1)

  隔振器作拉伸运动时

Pz + Wz + f z - Fz = 0 ( 2)

  综合式( 1)和式( 2) ,得隔振器垂直向恢复力修正公式

Fz = Pz + Wz ± f z ( 3)

其中: Fz 为隔振器垂直向恢复力; Pz 为垂直向加载油缸施加力,以压力为正,拉力为负; Wz 为垂直导向板重量; f z 为垂直导向板与导向柱之间的摩擦力,隔振器作压缩运动时取“ - ”号,作拉伸运动时取“+ ”号。通过垂直向加载油缸提升垂直导向板施加的力与垂直导向板重量之差测定f z = 82 N,由于摩擦力很小,因此垂直向单向加载试验时可忽略不考虑。

6. 2 隔振器水平向恢复力修正

隔振器进行水平向静力试验时,其受力、位移约束计算简图如图5所示。

隔振器底板向右运动时Ph - Fh - f h = 0 ( 4)

隔振器底板向左运动时


5 水平向试验隔振器受力、位移约束计算简图

Ph - Fh + f h = 0 ( 5)

  由此可得隔振器水平向恢复力修正公式

Fh = Ph ± f h ( 6)

f h = _ h Nh ( 7)

Nh = Pz ± f z + Wd ( 8)

f z = _ z Fh ( 9)

  由式( 6)-( 9)可得

 Fh = [Ph ± _ h ( Pz + Wd ) ] / ( 1 - _ h_z ) ( 10)

其中: Fh 为隔振器水平向恢复力; Ph 为水平向加载油缸施加力,以压力为正,拉力为负; f h 为水平向导向板与导轨之间的摩擦力,当隔振器底板向右运动时,取“ - ”号,向左运动时,取“+ ”号; Nh 为水平向导向板对导轨的正压力; Wd 为水平导轨之上物体重量之和。用水平纵向加载油载加载时: Wd 为垂直导向板、钢丝绳隔振器、下联板、水平纵向导向板、连

接件重量之和; 用水平横向加载油缸加载时,还需再加上水平纵向加载油缸、水平纵向导轨、水平横向导向板之重量; _ z 为垂直导向板与导向柱之间的静摩擦系数; _h 为水平向导向板与导轨之间的静摩擦系数。

摩擦系数的大小直接关系到隔振器恢复力的修正量,较大的摩擦系数将造成相对较大的计算误差。为减小导轨之间的摩擦,试验了多种措施,包括在导轨上贴聚四氟乙烯、刮研和使用润滑剂,最终选定导轨油润滑, 由试验测得使用润滑油时, _ z = 0. 11,_h= 0. 14

为检验此修正方法的可靠性,将静力测试台水平向导向板和导轨拆除,用水平向油缸对隔振器的下端板直接加载,使隔振器下端板作自由横向运动,获取的试验数据与修正后的结果进行对比。由YGG-8000N, YGG-16000N, YGG-20000N3种型号隔振器的对比结果表明,两者相差不大于8%。且隔振器水平位移越大,相差越大。误差来自两方面: 一是隔振器下端板作无约束横向运动时,难以保证端板呈水平状态,所测数据也非纯水平向恢复力; 二是本文采用的近似修正方法忽略了隔振器下端板产生水平位移后正压力的变化。但总体而言,该修正方法可以满足工程实际需要。

7 结 论

( 1) 钢丝绳隔振器静力测试台主体结构采用隔振器上端固定在可作垂直向滑动的垂直导向板上、下端固定在可作水平纵向和横向滑动的导向板上的设计方案,既满足了上、下夹板之间不仅有垂直向位移、而且还有水平向位移的要求,同时又限制了上、下夹板之间水平向相对转动和垂直向相对翻转,设计合理; 采用上、下两个台面,导向柱兼作垂直向导轨,简化了机构; 具有足够的强度、刚度和良好的稳定性,实用性强,操作方便。

( 2) 垂直向、水平横向及纵向分别使用独立的加载油缸和滑动机构,既可实现单向加载,又可实现2向或3向不同力值的加载,2个或3个方向同时加载时,改变水平横向(或纵向)力值,会使隔振器一端产生水平位移,而另一端产生垂直位移,垂直向力值会自动减小,此时系统又能补偿垂直向力值,使其始终保持恒定加载。

(3) 力值测量采用圆筒应变式传感器直接示值,位移测量采用长行程数字显示标尺,测量精度高且数据获取直观。

( 4) 由于垂直导向板与导向柱之间以及水平导向板与导轨之间均采用滑动导轨,因此摩擦系数较大,试验时将消耗相当一部分加载油缸所施加的力。下一步拟将导向板与导向柱(导轨)之间改进为滚动导轨,以便大幅度降低摩擦系数,并提高试验精度

8 作者介绍

孙莹莹 西安光兴机电 专业从事隔振器的的研发生产销售,18066719759


来源:西安光兴机电有限公司

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