一种对顶缸的承载实验方法及实验台

技术领域

本发明涉及液压缸的承载能力测试领域，尤其涉及一种对顶缸的承载实验方法及实验台。

背景技术

液压缸作为机械设备中常见的执行元件，广泛应用于各个工程领域，如机械制造、建筑工程、冶金、船舶、航空航天等。它们主要用于将液压能转换为机械能，实现直线运动，推动或拉动负载。

在许多工程应用中，液压缸需要承受较大的轴向压力和负载。然而，特别是对于行程较长的液压缸，在承受过大的轴向压力时，可能会发生失稳现象，从而导致构件失效和突发性坍塌，甚至造成严重事故和人员伤害。因此，对液压缸的最大许用力和极限载荷进行准确的测试和评估成为了重要课题。

目前，测试液压缸稳定性的方法包括传统的静态试验和动态试验。传统的静态试验主要通过施加一定的静态负载并监测变形来评估液压缸的稳定性。然而，这种方法的主要局限在于无法准确模拟实际工作条件中的动态荷载和振动环境，可能导致测试结果与实际应用中的性能存在差异。而另一种测试方法是采用对顶缸实验台进行动态试验。这种试验方法通过动态荷载和振动条件，更接近于实际工作环境，能够更全面地评估液压缸的稳定性。然而，目前市面上存在的对顶缸实验台存在一些技术问题，例如：实验台结构复杂、适用范围小、测试装置价格昂贵，测试不够全面，承载能力的评估不够准确。这些问题不仅限制了对液压缸承载能力评估的准确性和效率，同时也增加了实验过程中的风险和成本。

因此，针对现有液压缸测试方法的局限性和对顶缸实验台的技术问题，有必要提供一种准确、高效且经济的测试液压缸承载能力的对顶缸实验台及测试方法。该专利旨在克服现有技术的缺陷，提供一种简单结构、方便操作、经济实惠、高度准确且安全可靠的液压缸承载能力测试方法，以满足工程设计和实际应用中对液压缸承载能力评估的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有对顶缸实验台存在的一系列问题，例如：测试装置价格昂贵，测试不够全面，承载能力的评估不够准确，实验台结构复杂、局限性高，提供一种准确、高效且经济的测试液压缸承载能力的对顶缸的承载实验方法及实验台。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种对顶缸的承载实验方法，该方法包括以下步骤；

（1）将加载液压缸和测试液压缸回转中心对称安装，加载液压缸施加轴向力给测试液压缸；

（2）通过力传感器测量测试液压缸的活塞杆所受轴向力的大小；

（3）通过应变计测量测试液压缸的活塞杆的应力大小；

（4）通过角度编码器测量测试液压缸的活塞杆变形时相对位移大小；

（5）通过步骤（4）得到的位移结果初步判别液压缸活塞杆处于弹性变形阶段或塑形变形阶段，之后通过步骤（3）得到的应力结果确定液压缸活塞杆内部最大应力达到材料屈服应力的时间，即弹性变形阶段到塑形变形阶段的转折点，之后通过步骤（2）得到的轴向力结果确定转折点的轴向力大小，即最大许用力；

（6）通过步骤（4）得到的位移结果初步判别液压缸活塞杆处于塑形变形阶段或屈曲阶段，之后通过步骤（2）得到的轴向力结果确定液压缸活塞杆达到屈曲阶段时的极限载荷；

（7）根据步骤（5）和步骤（6）得到的最大许用力和极限载荷全面评估测试液压缸的承载能力。

进一步地，所述角度编码器上安装有扭簧和探针，通过扭簧使探针与测试液压缸的活塞杆接触，当测试液压缸的活塞杆受轴向力发生变形时，受扭簧作用探针随测试液压缸活塞杆移动，角度编码器轴随之旋转产生脉冲信号，通过检测旋转后发出脉冲信号来判断编码器转动角度，从而计算得出活塞杆变形时相对位移大小。

进一步地，以水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向建立坐标系，确定液压缸活塞杆的初始位置、液压缸活塞杆由于变形产生位移之后的位置、角度编码器的安装位置点、初始探针位置和变形后探针位置；计算坐标原点到角度编码器的安装位置点与水平线的夹角，计算坐标原点到角度编码器的安装位置点与角度编码器的安装位置点到初始探针位置的夹角，获取液压缸活塞杆由于变形引起的角度编码器探针的摆动角，进而计算得到液压缸活塞杆的初始位置到液压缸活塞杆由于变形产生位移之后的位置之间的距离，即相对位移大小。

进一步地，所述应变计贴在测试液压缸的活塞杆表面，用于获取测试液压缸的活塞杆的应力大小。

进一步地，所述力传感器固定安装在加载液压缸的活塞杆末端，用于获取测试液压缸所受轴向力的大小。

进一步地，所述加载液压缸和测试液压缸均通过固定板安装在台架上，固定板上穿过圆柱轴，所述圆柱轴上连接有滑块，测试液压缸的活塞杆末端固定安装在滑块上，力传感器与滑块紧密接触。

另一方面，本发明还提供了一种对顶缸的承载实验台，该实验台包括液压系统、力传感器、应变计和角度编码器；

所述液压系统包括加载液压缸和测试液压缸，所述加载液压缸和测试液压缸回转中心对称安装，加载液压缸施加轴向力给测试液压缸；

所述力传感器、应变计和角度编码器均与测试液压缸的活塞杆连接，测量测试液压缸的活塞杆所受轴向力的大小、应力大小以及活塞杆变形时相对位移大小；根据得到的三种数据之间的关系来评估测试液压缸的承载能力。

进一步地，所述液压系统还包括电机、泵、溢流阀、压力表、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀和截止阀；

所述电机和泵用于给加载液压缸和测试液压缸提供压力油；

所述溢流阀和压力表分别用于调整和观察液压系统压力大小；

所述第一电磁换向阀和第二电磁换向阀分别用于加载液压缸和测试液压缸的加压和泄压；

所述截止阀用于保持测试液压缸无杆腔的压力，保证在实验过程中测试液压缸的活塞杆处于完全伸出状态。

进一步地，所述液压系统的工作过程为：启动电机，让第二电磁换向阀处于右位，截止阀处于开启状态，调节溢流阀，观察压力表，设置系统压力，此时测试液压缸的活塞杆会慢慢伸出至极限，然后关闭截止阀，调节溢流阀，观察压力表，使得系统压力为0，然后让第一电磁换向阀处于左位，此时压力油通过电磁换向阀进入加载液压缸的无杆腔，然后逐渐调节溢流阀使加载液压缸的无杆腔压力不断升高，直至测试液压缸的活塞杆不断弯曲至屈曲而无法承受压力

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了一种准确且全面的液压缸承载能力测试方法，通过测试液压缸的变形、应力和受力情况，综合评估液压缸的承载能力，克服了以往对顶缸实验台测试单一且评估不准确的缺陷，提高了评估的准确性。

（2）本发明巧妙的利用角度编码器结合扭簧和探针的方式，通过几何关系来测量液压缸活塞杆的变形情况，这不仅大大降低了测试成本，还避免了普通位移传感器测量的缺陷，不仅更加经济实惠并且适用性更好。

（3）本发明实验台结构简洁。消除了传统实验台复杂部件连接，降低了制造成本，并采用滑块保证了加载液压缸输出力的线性度，提高了实验的精度与可靠性。

（4）本发明可通过更换测试液压缸缸筒底端安装块和活塞杆末端安装块，对不同安装形式的液压缸的承载能力进行评估，应用广泛。

（5）本发明提供了一种简单适用的液压系统，加载液压缸与测试液压缸共用一套油源，减少了实验用具，降低了实验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明的实验台结构示意图；

图2是本发明的角度编码器安装测试示意图；

图3是本发明的液压系统原理图；

图4是本发明的角度编码器的测试原理图；

图5是本发明的液压缸的变形曲线图；

图6是本发明的液压缸的载荷曲线图；

图7是本发明的液压缸的变形与载荷的关系曲线图；

图8是本发明的液压缸的应力曲线图。

其中的附图标记为，加载液压缸1、滑块2、活塞杆末端安装块3、角度编码器4、角度编码器安装板5、应变计6、测试液压缸7、缸筒底端安装块8、圆柱轴9、固定板10、台架11、力传感器12、扭簧13、探针14、电机15、泵16、溢流阀17、压力表18、第一电磁换向阀19、第二电磁换向阀20、截止阀21。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提出的测试方法通过测试液压缸的变形、应力和受力综合评估液压缸的承载能力，该方法具有更好的准确性，通过液压缸的变形曲线观察液压缸形变量的变化趋势，识别液压缸活塞杆从弹性变形到塑形变形的变化规律，通过液压缸受载的载荷曲线观察液压缸达到极限载荷的时间以获取液压缸的极限载荷大小，通过液压缸活塞杆的应力大小变化曲线结合液压缸的变形曲线即可判断液压缸达到塑性变形的时间，并可以结合载荷曲线可绘制出液压缸应力大小与载荷的关系曲线图，以获取液压缸活塞杆应力大小达到屈服应力时的最大许用力大小，通过以上方法得到了液压缸的极限载荷和最大许用力，即可评估液压缸的承载能力。

如图1-图2所示，本发明提供的一种对顶缸的承载实验台，包括加载液压缸1、角度编码器4、角度编码器安装板5、应变计6、测试液压缸7、台架11、力传感器12、扭簧13和探针14；

所述角度编码器4通过角度编码器安装板5固定安装在台架11上，数量和位置可自由决定；

所述扭簧13和探针14安装在角度编码器4上，通过扭簧13使探针14与测试液压缸7活塞杆接触，当测试液压缸7活塞杆受轴向力发生变形时，受扭簧13作用探针14随测试液压缸7活塞杆移动，角度编码器4轴随之旋转产生脉冲信号，通过检测旋转后发出脉冲信号来判断编码器4转动角度，从而计算得出活塞杆变形时相对位移大小。

所述应变计6张贴在测试液压缸7活塞杆表面上，数量和位置可以自由决定，用于获取测试液压缸7活塞杆的应力大小；

所述力传感器12固定安装在加载液压缸1活塞杆末端，并与滑块2紧密接触，用于获取测试液压缸7所受轴向力的大小；

所述加载液压缸1固定在固定板10上，固定板10固定在台架11上；所述测试液压缸7缸筒通过缸筒底端安装块8固定安装在固定板10上，测试液压缸7活塞杆末端通过活塞杆末端安装块3固定安装在滑块2上，圆柱轴9穿过固定板10和滑块2，且滑块2可在圆柱轴9上滑动；加载液压缸1和测试液压缸7回转中心对称安装，加载液压缸1用于施加轴向力给测试液压缸7；

所述角度编码器4、应变计6和力传感器12三者都用于测试变量，通过三者所获取数据之间的关系来评估测试液压缸7的承载能力。

本发明提供的一种对顶缸的承载实验方法，通过角度编码器得到的位移结果初步判别液压缸活塞杆处于弹性变形阶段或塑形变形阶段，之后通过应变计得到的应力结果确定液压缸活塞杆内部最大应力达到材料屈服应力的时间，即弹性变形阶段到塑形变形阶段的转折点，之后通过力传感器得到的轴向力结果确定转折点的轴向力大小，即最大许用力，确定液压缸活塞杆达到屈曲阶段时的极限载荷，根据得到的最大许用力和极限载荷全面评估测试液压缸的承载能力。

如图3所示，本发明还提供了一种简单适用的液压系统，包括电机15、泵16、溢流阀17、压力表18、第一电磁换向阀19、第二电磁换向阀20、截止阀21、加载液压缸1、测试液压缸7；

所述电机15和泵16用于给加载液压缸1和测试液压缸7提供压力油；

所述溢流阀17和压力表18分别用于调整和观察系统压力大小；

所述第一电磁换向阀19和第二电磁换向阀20分别用于加载液压缸1和测试液压缸7的加压和泄压；

所述截止阀21用于保持测试液压缸7无杆腔的压力，保证在实验过程中测试液压缸7的活塞杆处于完全伸出状态。

在实验过程中，主要步骤为：启动电机15，让第二电磁换向阀20处于右位，截止阀21处于开启状态，调节溢流阀17，观察压力表18，使得系统压力达到21MPa，此时测试液压缸7的活塞杆会慢慢伸出至极限，然后关闭截止阀21，调节溢流阀17，观察压力表18，使得系统压力为0，然后让第一电磁换向阀19处于左位，此时压力油通过第一电磁换向阀19进入加载液压缸1的无杆腔，然后逐渐调节溢流阀17使加载液压缸1的无杆腔压力不断升高，直至测试液压缸7的活塞杆不断弯曲至屈曲而无法承受压力。在加压过程中，通过传感器测量实验结果。

以上评估方法已通过实验进行了验证，实验结果在本发明中给出，以证明该方法的有效性，可参考图5至图8。通过液压缸的变形曲线图可以看出，载荷在40kN以下时变形量较小，载荷小于45kN时，活塞杆处于弯曲阶段还未塌陷。通过液压缸的载荷曲线图可以看到载荷随时间的增大而增大，在达到极限载荷的那一瞬间，测试液压缸失稳，此时载荷瞬间降低而加载液压缸活塞杆仍在继续伸出，测试液压缸的极限载荷为46.59kN。通过液压缸的应力曲线图可以看出，活塞杆塌陷前的最大应力值为360MPa，该值对应于材料的屈服应力。结合液压缸的变形曲线图和载荷曲线图绘制出液压缸的变形与载荷的关系曲线图，可以看出液压缸活塞杆在40kN前的静位移量很小，此时处于弹性变形阶段，而在40kN之后的某一刻进入塑性变形阶段，结合液压缸的应力曲线图，在43.07kN时液压缸活塞杆的最大应力达到了屈服应力，此时液压缸活塞杆进入塑性变形阶段，因此液压缸的最大许用力为43.07kN。通过以上的综合判据，即可得到液压缸的极限载荷为46.59kN，液压缸的最大许用力为43.07kN，对液压缸的承载能力进行了综合评估，该方法评估结果准确性更高，更有说服力，测试更加全面。

本发明巧妙的利用角度编码器结合扭簧和探针的方式，通过几何关系来测量液压缸活塞杆的变形情况。如图4所示，以O点为圆心OF为半径r的圆表示液压缸活塞杆的初始位置，以C点为圆心CD为半径r的圆表示液压缸活塞杆由于变形产生位移之后的位置，点A和点B分别是角度编码器的安装位置点，直线AF为初始探针位置，直线AD为变形后探针位置。以O点位坐标原点，水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向建立坐标系。通过以下公式，即可求出液压缸活塞杆由于变形产生的位移L的大小。A点的位置已知，具体参数关系可以参考图4。通过这种方法不仅大大降低了测试成本，还避免了普通通过位移传感器测量时由于液压缸变形方位带来的局限性，提高了测试的拓展性。

其中，

其中，

其中，

其中，L为液压缸活塞杆由于变形产生的位移，即直线OC的长度。

本发明实验台结构简洁，消除了传统实验台复杂部件连接，降低了制造成本，采用滑块保证了加载液压缸输出力的线性度，提高了实验的精度与可靠性，液压系统简单且适用，减少了液压元件，降低了实验成本。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。