快速液壓沖擊試驗臺研究

王 潔， 張建卓， 安站東， 王 慧， 王愛文

(1.遼寧工程技術大學(阜新) 機械工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.陽煤集團 機電動力部， 山西 陽泉 045000；3.遼寧工程技術大學(阜新) 力學工程學院，遼寧 阜新 123000)

在動力沖擊載荷的作用下結構會表現出與靜態載荷不相同的力學行為[1-3]。工程領域中常遇到靜態載荷和沖擊載荷疊加的結構動力學問題，例如巖體力學研究中，需要在圍巖應力的作用下考慮其沖擊特性[4-5]；在礦用吸能錨桿(錨索)、防沖構件等支護構件承載能力的研究中，支護設備初始狀態就承受較大初撐力[6-7]，當沖擊地壓等動力災害發生時，這些支護件會在靜、動載荷疊加作用下發生突然失穩[8-11]。針對此類問題的研究主要基于理論計算和數值模擬，試驗研究需要大噸位沖擊試驗設備。

現有試驗用沖擊設備主要采用重力落錘沖擊加載方式[12-14]。金屬落錘沖擊試驗機或擺錘沖擊試驗機的沖擊載荷大小由錘體質量和高度決定，文獻介紹的試驗機最快沖擊速度可達19.8 m/s，錘體質量最大為490 kg，能夠實現大噸位及快速沖擊試驗，但是不能實現靜-動復合加載。2006年姜超等[15]針對緩沖力與沖擊速度近似成正比的被試件設計了一種工作性能測試試驗臺，該試驗臺沖擊速度0.5 m/s時緩沖力為21 kN，采用液壓驅動方式，可實現快速連續沖擊；2009年王貢獻等[16]提出一套全液壓驅動的重載艦船設備抗沖擊試驗系統模型，該系統的被試件質量可達5 000 kg，最大沖擊速度可達5 m/s；2010年謝騰飛等[17]針對液壓支架大流量安全閥動態性能試驗，分析對比了現有沖擊試驗臺的特點，指出以蓄能器為動力源的快速加載系統能夠達到5～25 ms內增加到沖擊壓力以上的試驗要求，該方法適合推廣；2013年徐昆鵬等[18]針對300 L/min以上的安全閥設計了一種以蓄能器為動力源的高壓大流量安全閥試驗裝置，該裝置對500 L/min、額定壓力50 MPa的被試閥試驗時，6 ms即達到閥開啟壓力。上述沖擊試驗系統均采用液壓加載方式，充分證明了液壓加載在沖擊試驗方面的優勢，但限于被試件的要求，均存在加載方式單一，無法完成靜-動復合加載的問題。為了模擬實際礦井支護構件或者巖體實際破壞時的受力工況，研發一套接近實際工況的試驗裝置是非常必要的。本研究針對低應變率下的礦用錨桿、錨索的沖擊拉伸試驗和礦用支護件縮比例模型、煤巖體的沖擊壓縮試驗提出一種快速液壓沖擊試驗臺，試驗臺應當滿足500 kN沖擊力和6 m/s沖擊速度的性能指標。該試驗臺采用液壓加載方式，能夠完成靜態加載、沖擊動態加載和靜-動復合加載三種加載方式，根據被試件實際工作狀態，可實現沖擊拉伸、沖擊壓縮等動態試驗。為了驗證該試驗臺的加載效果，進行了樣機試制和試驗研究。

1 試驗臺設計

快速液壓沖擊試驗臺屬于低應變率(0.1～500 s-1)加載試驗臺，可以對錨桿、錨索等細長類構件進行沖擊拉伸試驗(后面簡稱沖拉試驗)，也可以對煤巖體、支柱縮比例模型等進行沖擊壓縮試驗(后面簡稱沖壓試驗)。試驗臺由加載系統、試驗臺架、測控系統三個部分組成。

加載系統是試驗臺的核心部分，為試驗系統提供動力。為了模擬被試件實際工況，加載系統可以實現靜態加載、沖擊動態加載和靜-動復合加載。加載系統主要包括主供油泵站、控制油泵站、乳化液泵站、靜壓泵站、控制閥、管路、蓄能器、增壓器、油水轉換器、沖擊缸，其中沖擊缸是試驗臺的執行元件，為被試件提供靜加載力或沖擊力。

試驗臺架主要為被試元件、相關液壓元件提供固定聯接和支撐。設計時考慮到錨桿、錨索等沖拉被試件同立柱、煤巖體等沖壓被試件試驗要求的差異，設計了工裝調整機構。

計算機控制系統包括PC機、PLC、傳感器、數據采集卡等?？刂葡到y主要完成整個系統的狀態監測、連續量、開關量的控制和試驗數據采集等。為了方便操作，應用Labview軟件開發操作界面，實現試驗數據的實時顯示和數據存儲。

下面分別對三個系統進行討論。

2 加載系統

2.1 加載系統結構

加載系統完成被試件的靜態加載、沖擊動態加載或者靜動復合加載。加載系統采用液壓加載方式，其原理如圖1所示。

圖1 試驗臺加載系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of test loading system

試驗時，被試件的沖擊壓縮或沖擊拉伸由沖擊缸完成。沖擊缸的工作介質選擇乳化液，這主要考慮到乳化液的黏度低、阻力小，有利于實現高速沖擊。為了減小試驗中的沖擊阻力，沖擊缸的B腔與大氣相通，沖擊完成后活塞組件的回程由另外的氣動系統(此處未畫出)完成。沖擊缸的活塞桿中空，實現支柱等剛性被試件的沖擊和錨索等柔性被試件的沖拉。

靜態加載系統由靜壓泵站、乳化液泵站、油水壓力轉換器、靜壓加載閥、壓力傳感器、液壓管路等組成。靜壓泵站的主泵為高壓柱塞泵，保證靜載系統有較大的壓力輸出范圍，輸出壓力由比例溢流閥4控制。乳化液泵站的主泵為齒輪泵，為增壓器(動載系統)和油水壓力轉換器提供乳化液，輸出壓力由比例溢流閥3控制。油水壓力轉換器的主要作用是為沖擊缸A腔增壓，為被試件施加靜載荷，其左右兩腔工作介質不同，同靜壓泵站連接的C腔工作介質為液壓油，同乳化液泵站連接的D腔工作介質為乳化液。靜壓加載閥的作用是控制靜壓加載的啟動和停止。壓力傳感器反饋壓力信號，進行閉環控制。

沖擊動態加載系統由主供油泵站、控制油泵站、蓄能器組(圖中簡化為一組蓄能器)、增壓器、蓄能器控制閥、增壓器復位控制閥、增壓控制閥、卸荷閥、壓力傳感器、位移傳感器、液壓管路等組成。主供油泵站的主泵為高壓柱塞泵，為蓄能器組提供壓力油，輸出壓力由比例溢流閥1控制?？刂朴捅谜镜闹鞅脼辇X輪泵，為蓄能器控制閥、增壓器復位控制閥、增壓控制閥提供控制油，輸出壓力由比例溢流閥2控制。蓄能器組是儲能單元，為沖擊加載積蓄液壓能。增壓器是提高系統輸出壓力的壓力放大裝置，其E腔、F腔工作介質為液壓油，G腔工作介質為乳化液(乳化液由靜態加載系統的乳化液泵站提供)。蓄能器控制閥控制蓄能器的充液。增壓器復位控制閥可使油液充入F腔，使增壓器活塞向E腔運動，即增大F腔容積，控制增壓器復位。增壓控制閥可使F腔油液與油箱連通，使增壓器活塞向G腔運動，減小F腔容積，使增壓器增壓。蓄能器控制閥、增壓器復位控制閥、增壓控制閥聯合控制，能夠為沖擊缸提供高壓大流量壓力液體，完成快速沖擊準備工作。如果蓄能器蓄能完畢，但是需要取消沖擊試驗，可控制電磁溢流閥使蓄能器卸荷。

2.2 加載系統工作原理

試驗系統可以實現對被試件的靜態加載、沖擊動態加載和靜-動復合加載，液壓系統沖擊壓力最大可達60 MPa。

進行靜態加載試驗時，先通過控制系統設定靜載目標壓力值和加載速率。設置完成后，開啟乳化液泵站，使油水壓力轉換器的D腔和沖擊液壓缸A腔充滿乳化液。開啟靜壓泵站，通過靜壓加載閥控制向油水壓力轉換器的C腔充入壓力油。此時沖擊缸A腔壓力會按照系統設定的加載速率逐漸增至目標壓力值，完成對試件的靜態加載。

進行沖擊動態加載試驗前需要進行初始準備工作。首先開啟乳化液泵站和增壓器復位控制閥，將增壓器調整復位，使得增壓器回到上限位置，增壓器G腔充滿乳化液，復位完成后關閉增壓器復位控制閥。根據被試件的靜態力學特性確定所需沖擊力幅值，根據該值確定液壓系統所需加載壓力，然后通過控制系統手動輸入該值。接著進入加載準備階段，開啟主供油泵站和蓄能器控制閥，向蓄能器輸入壓力油，蓄能器儲存的高壓液體同增壓器的E腔連通。打開增壓控制閥，將增壓器的F腔與油箱連通，增壓器活塞在液壓力作用下向G腔移動，直至G腔液體壓力升高至設定值，此時增壓器活塞位移數值不再變化。準備完成后，打開沖擊控制閥，增壓器G腔的高壓液體迅速進入沖擊油缸的活塞腔A，推動活塞桿運動，實現對被試件的快速動態加載。

進行靜-動復合加載試驗時，靜、動加載過程需要分兩步實現。首先，按上述靜態加載方法對被試件施加靜態載荷。當系統達到設定的靜態載荷并穩定后，按動態加載方式對被試件施加沖擊載荷，完成靜-動復合加載試驗。

2.3 加載系統仿真分析

為了驗證試驗臺加載系統的響應特性，應用多學科領域復雜系統建模與仿真平臺AMEsim對沖擊動態加載系統進行了仿真分析。在建立系統仿真模型時進行了簡化，舍去了不影響實際沖擊性能的控制系統(控制油泵站、增壓器復位控制閥、增壓控制閥、卸荷閥等)；增壓器模型由參數類似的液壓缸模型代替；蓄能器控制閥和沖擊控制閥由可實現相同功能的二位二通閥代替。仿真模型如圖2所示。仿真結果見圖3、圖4。

圖2 加載系統AMEsim仿真模型Fig.2 AMEsim simulation model of test loading system

圖3為沖擊動態加載系統的沖擊力仿真曲線，圖中曲線1為沖擊閥開啟后，試驗質量塊的理論力曲線，曲線2為實際仿真力曲線，點3為力曲線的峰值。圖4為沖擊動態加載系統的沖擊速度仿真曲線，圖中曲線1為沖擊控制閥開啟后試驗質量塊的速度曲線，點2為速度曲線峰值，由圖可知，該系統的最大沖擊速度可達6.381 2 m/s。由圖可知，沖擊力可達516.06 kN。仿真結果表明，沖擊動態加載系統完全可以滿足設計要求。

圖3 沖擊力仿真曲線Fig.3 Simulation curve of force in impact test

圖4 沖擊速度仿真曲線Fig.4 Simulation curve of velocity in impact test

3 試驗臺架

3.1 試驗臺架結構

試驗臺架完成被試件的安裝和固定。為了滿足不同尺寸被試件的安裝要求，試驗臺架設計了可調式結構，結構簡圖如圖5所示。由圖5可知，試驗臺架主要由后支撐梁1、導向桿2、移動梁4、前支撐梁5等組成。沖擊油缸通過法蘭固定在前支撐梁5上。調整移動梁4的位置可以滿足不同尺寸被試件的安裝要求。移動梁的位置確定后，由卡環3鎖緊固定。

(a)

(b)

圖5(a)為進行錨桿、錨索等沖擊拉伸試驗時的臺架結構示意圖。被試件兩端通過鎖緊組件6分別固定在沖擊缸活塞桿的左端和移動梁4的右端。此時沖擊缸B腔進液，推動活塞向左運動，完成對試件的沖拉試驗。圖5(b)為進行防沖支柱等沖擊壓縮試驗時的臺架結構示意圖。被試件安裝在沖擊平臺7上，由鎖緊組件6固定。此時沖擊缸A腔進液，推動活塞向右運動，完成被試件的沖擊試驗。

3.2 試驗臺有限元分析

本試驗系統輸出沖擊力最大為500 kN。為保證試驗過程中試驗臺架自身的應變不影響被試件應變的測量，需要對試驗臺架進一步分析。圖6為試驗時臺架的受力簡圖。圖6(a)為試驗臺架在沖拉試驗極限工作位置時的受力簡圖，圖6(b)為試驗臺架在沖擊試驗極限工作位置時的受力簡圖。在這兩種工況下，應用大型有限元計算軟件ABAQU對試驗臺架進行沖擊載荷特性分析，檢驗其在承載范圍內能否安全有效的工作。針對沖擊試驗臺的工作特性，選擇適合模擬高速動力學問題的ABAQUS/Explicit單元中的實體單元模擬臺架，分析時根據沖擊試驗臺的材料選用Mises屈服準則，具體設置參數如下：彈性模量E為209 GPa，泊松比v為0.3，屈服σs為600 MPa。仿真分析結果如圖7、圖8所示。

(a)

(b)圖6 試驗臺架極限工作位置受力簡圖Fig.6 The stress diagram of test bench in limit position

(a)

(b)圖7 沖拉試驗極限位置臺架應力、應變圖Fig.7 Stress and strain diagram of impact tensile test for test bench in limit position

圖7為沖拉試驗極限位置臺架應力、應變圖，圖8為沖擊試驗極限位置臺架應力、應變圖。由圖可知，在500 kN極限載荷下，試驗臺架的最大的應力大小分別為37.61 MPa和32.45 MPa，最大應變分別為2.255×10-4和1.400×10-4。試驗時，試驗臺架在極限位置處最大載荷下的應力、應變能夠滿足應用要求。

(a)

(b)圖8 沖擊試驗極限位置臺架應力、應變圖Fig.8 Stress and strain diagram of impact compression test for test bench in limit position

4 測控系統

試驗臺的測控系統主要完成系統狀態監測、試驗數據采集和系統的控制等功能，由任務管理單元(上位機)、數據采集單元、控制單元PLC(下位機)組成[19]。測控系統組成和原理如圖9所示。

圖9 控制及采集系統原理圖Fig.9 Schematic diagram of control and acquisition system

考慮到數據處理速度和顯示界面的豐富性，任務管理單元(上位機)選擇臺式計算機。采用Labview軟件制作人機交互界面，界面可對蓄能器的個數、沖擊加載壓力值、靜載加壓速率以及充液時間等參數進行設定，同時完成實測力和位移數據的存儲。

數據采集單元主要負責沖擊力和試件變形位移數據的采集，并將數據發送至任務管理單元進行實時顯示和存儲。其中力傳感器采用HCHL-202輪輻式傳感器，測量精度可達0.05% F.S。位移傳感器采用LWH-0360拉桿式直線位移傳感器，分辨率可達0.01 mm。高速采集卡采用NI公司的高速采集DAQ板卡，采集速率250 k/s。

控制單元采用西門子S7-200PLC，通過TCP/IP以太網與工控計算機進行通訊。PLC完成試驗臺動載壓力、靜載壓力的閉環控制和不同試驗方式下閥組動作、蓄能器選擇等控制，同時對加載系統的壓力值和溫度進行數值采集并反饋給上位機進行實時顯示和監測。

5 試驗研究

試驗臺樣機試制成功后，對不同被試件進行了試驗。沖擊試驗臺如圖10所示。

圖10 高速液壓沖擊試驗臺Fig.10 High-speed hydraulic impact test bench

5.1 沖擊拉伸試驗

圖11為錨桿沖拉試驗。以錨桿為試驗對象進行靜態拉伸破壞試驗和動態加載沖擊拉伸破壞試驗，實測靜載、動載錨桿斷裂破壞力-位移曲線如圖12所示。

圖11 錨桿沖擊拉伸試驗Fig.11 Impact tensile test for bolt

圖12中曲線1、曲線2分別為錨桿在靜載荷下斷裂破壞的力-位移曲線和沖擊動載荷下斷裂破壞的力-位移曲線。由圖中曲線1、曲線2可知，錨桿在靜載荷下斷裂破壞的位移變化(170 mm)小于動載荷下斷裂破壞的位移變化(220 mm)；破壞極限靜載應力(195 kN)也小于破壞極限動載應力(220 kN)；錨桿在開始加載至斷裂破壞過程中，動載破壞的力-位移曲線出現瞬間的超調，而靜載破壞則沒有。試驗結果表明，被試件在承受靜載和動載時表現不同，在礦用吸能構件研究方面進行動態加載試驗很有必要。

圖12 錨桿靜載、動載斷裂破壞力-位移曲線Fig.12 Load-displacement curves of bolt fracture failure in static load and dynamic load

圖13為錨桿靜-動復合加載沖擊拉伸試驗的力-時間曲線。圖中0～240 s為靜態加載時間段，靜載系統按設定速率給試件施加靜載荷，由圖可知，加載力到220 s時達到設定值65 kN，然后保持穩定至240 s；在240 s時打開動載釋放閥進行動態沖擊加載，實現靜-動復合加載試驗(該試驗中錨桿未斷裂)。由圖13中曲線可以看出，試驗系統靜加載階段，錨桿受力緩慢上升；動載釋放閥開啟進行沖擊加載瞬間，錨桿受力先急速上升，在短暫回落后繼續上升。被試錨桿沒有達到斷裂破壞，所以沖擊后600 ms左右，系統和錨桿形成新的平衡狀態。這一過程模擬了礦井支護構件支撐后受到沖擊載荷過程中的受力變化過程。

圖13 錨桿靜-動載荷沖擊拉伸試驗力曲線Fig.13 Force curve of static-dynamic composite load in impact tensile test for bolt

5.2 沖擊壓縮試驗

為了研究試驗臺沖擊壓縮試驗性能，對立柱模型進行了動載試驗。圖14為立柱模型動載沖擊壓縮試驗測得的力-時間曲線。圖15為2008年波蘭學者Nierobisz[20]進行礦井沖擊試驗實測的立柱載荷曲線。該試驗在距礦井支柱160 m處釋放9×107J的沖擊能量，通過傳感器實際測得三根礦井支柱的實際荷載。通過圖14和圖15的對比可知，試驗臺的沖擊力波形和實測支柱在沖擊載荷下實際受力的波形具有相似性。

圖14 立柱模型動載試驗力曲線Fig.14 Force curve of dynamic loading test for mine pillar model

圖15 實測立柱荷載曲線Fig.15 The measured load curve of mine pillar

為了驗證試驗臺性能，對受力桿進行了滿載沖擊試驗。圖16為受力桿沖擊試驗的位移-時間曲線。圖17為受力桿沖擊試驗的力-時間曲線。圖18為受力桿沖擊試驗的速度-時間曲線。由圖可知，試驗臺的最大沖擊力為513.2 kN，最大沖擊速度為6.244 m/s。實測數據和仿真分析基本一致，仿真分析正確，試驗臺能夠滿足設計要求。

圖16 實測受力桿位移-時間曲線Fig.16 The measured displacement-time curve for stress bar

通過上述試驗可以看出，本試驗臺能夠完成靜態加載、動態加載、靜-動復合加載三種試驗，加載系統能夠較真實的模擬被試件的實際受力工況，為研究礦井防沖支護構件提供了重要的復合動力加載試驗研究平臺。

圖17 實測受力桿力-時間曲線Fig.17 The measured force-time curve for stress bar

圖18 實測受力桿速度-時間曲線Fig.18 The measured velocity-time curve for stress bar

6 結 論

本文提出一種液壓加載的高壓快速沖擊試驗臺，介紹了試驗臺的結構及工作原理，運用仿真軟件對加載系統進行了特性分析，對試驗臺架進行了有限元分析，完成了功能測試試驗研究，得出以下結論：

(1) 針對不同被試件，該高壓快速沖擊試驗臺能夠實現靜態加載、動態加載、靜-動復合加載的沖擊拉伸、沖擊壓縮試驗。

(2) 試驗臺設計合理，能夠滿足沖擊試驗設計要求，試驗過程中試驗臺架的應力應變對被試件的影響在允許范圍內，測控系統能夠完成試驗數據的采集、實時顯示和存儲功能。

(3) 試驗數據表明，該試驗臺能夠較真實的模擬支護構件的實際受力情況，試驗臺滿足性能指標要求。

(4) 本研究為研發更高能級的沖擊試驗臺奠定了基礎。