大型臥式拉力試驗機的研制探討

李周選，潛力群，陳玲，周凌，徐建強，黃星

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

1 背景

當前，我國特高壓輸電技術已經走在世界前列。在特高壓輸電建設過程中，金具、大截面電工圓鋁線、施工機具、絕緣子、大噸位吊裝帶等國網電力器材的力學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備。為了應對國內的特高壓建設力學性能檢測需要，滿足多種尺寸、結構及載荷的被測試樣的檢測需求，節約設備投資和設備占地面積，本文提出了用于電力行業的大型臥式拉力機的研制計劃。

該試驗機設計了一種跟隨橫梁移動的伸縮式插銷，該插銷有足夠的強度承載最大載荷，橫梁移動到相應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。該結構設計巧妙，操作便捷，完美解決了大載荷下長行程調節的需求。

2 試驗機結構和工作原理

該試驗機采用橫臥框體式結構設計，移動端采用全自動分段式插銷，可根據不同試樣長度實現自動鎖止定位，布置如圖1 所示。試驗機采用伺服閥驅動油缸加載，載荷傳感器測力，計算機控制試驗進程并顯示試驗力及試驗曲線，亦可進行數據處理、存儲及打印。該機采用的數據采集和處理系統，操作簡單方便，試驗數據可靠。

圖1 試驗機布置圖

該試驗機的主機部分，如圖2 所示，主要由動力加載部分、框架部分、前后橫梁、行程保護裝置等部分組成。前移動橫梁和導向軸形成施力結構，后橫梁和框架部分形成受力結構，通過施力和受力機構的相對運動對試樣進行拉伸試驗。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據進行采集和分析處理。

圖2 試驗機主機實物圖

3 主要技術參數

試驗機的主要技術指標如表1 所示。

表1 主要技術指標

力分辨率 1/500000FS位移測量準確度 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

大型臥式拉力機的研制難點主要有以下幾點。

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

目前，常用的方式之一是對傳感器本身進行壓向校準，拉向使用。由于拉向和壓向存在著一定的校準誤差，只能在準確度要求不高的場合使用。另一種方式則是安裝校準反向架。但臨時安裝大載荷的校準反向架，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，本設備采用試驗加載框架設計，力傳感器與加載框架采用自動調心萬向球頭連接，避免油缸活塞桿受側向力而漏油。力校準機構主要由高度調整手柄、支架、校準安裝板等組成，校準壓板刻有回形圓，方便傳感器壓于中心，通過高度調整手柄調整支架的高度，來實現標準力傳感器的校準，如圖3 所示。與傳統的傳感器校準方法相比，本設備的力校準機構設計操作簡便，檢定時用到的標準力傳感器受力方向與本機自帶的力傳感器受力方向完全相同，校準誤差更小。

圖3 加載框架和力校準結構圖

（2）在現有的臥式拉力試驗機中，主機是直接影響試驗機工作的執行單元，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，對設備自身以及地基形成巨大的沖擊力。過大的沖擊載荷對設備自身、地基和廠房以及周邊的設備是有害的。所以，有必要對試驗機的主機機架進行有限元分析，并在此基礎上進行優化設計。

該試驗機主機框架設計如圖4 所示，根據力傳遞路線確定參與結構分析的主要零部件進行靜力學有限元分析。臥式拉力試驗機主要進行拉力試驗，利用有限元分析時，將試驗力通過面載荷加載到移動橫梁、油缸固定橫梁和導軌上。

圖4 主機框架圖

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

圖5 主要受力橫梁類部件靜力學分析圖

對導軌進行成有限元分析時，取單側導軌進行分析，故載荷的大小取最大載荷的一半。由于主機框架比較長，導軌采用分段式，取其中一段導軌進行分析。當插銷位于第一個插銷孔時，受力面只有插銷孔的一半。對導軌進行靜力學分析，結果如圖6 所示，由結果可知，最大應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，所以導軌設計時，需要考慮銷孔處的應力集中的影響，以提高導軌結構強度。

圖6 導軌靜力學分析圖

為避免過大沖擊載荷對設備的損害，此設計框架采用鋼板焊接，合理布筋，結構強度高、剛性大。設備具備足夠的剛度，減小了機架自身蓄積能量，從而控制試樣破斷時機架蓄積能量突然釋放引起的振動。

（3）常規的臥式拉力試驗機行程調整，通常采用梯形絲桿的傳動方式調節橫梁的位置。本機行程需求20m，采用長絲杠的方式，剛度極低、造價極高，不適合在此場合應用。為此，我們設計了采用高精度伺服電機驅動輪子機構自走的橫梁，如圖7 所示，以框架作為軌道，實現大行程的移動。

圖7 移動橫梁結構

常規的臥式拉力試驗機中，移動橫梁在導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軌的定位孔，從而將移動橫梁與導軌固定，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；通過其他吊裝設備插拔，效率低下、成本高昂。

圖8 傳統插銷機構示意圖

為了能夠方便快捷地將插銷插入孔內，本試驗機設計了一種液壓插銷機構。此機構安裝于臥式拉力試驗機的移動橫梁上，主要由同軸固定安裝在移動橫梁的定位孔上的導向筒、安裝在導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向筒內部，油缸能夠帶動插銷軸向滑動插入導軌的定位孔，使移動橫梁相對導軌達到鎖止狀態，如圖9 所示。與現有技術相比，該設計的優點是：通過作動器，即液壓油缸驅動的方式將插銷插入定位孔，以達到鎖止狀態；插銷與油缸活塞之間為軸連接，用以保護油缸活塞不受側向力而損壞。

圖9 液壓插銷機構插入前后示意圖

5 結語

本文主要介紹了大型臥式拉力試驗機的結構和工作原理，詳細描述了研制難點和對應的解決方案。依據該方案制造的設備實現了所有預期功能和技術指標。本試驗機主要用在電力建設領域，特高壓建設過程的電力金具檢測、大截面導線檢測、施工機具檢測、絕緣子檢測、大截面鋼絲繩檢測、大噸位吊裝帶檢測等。力校準機構操作簡便快捷準確，通用性和適用性強；框架采用鋼板焊接，布筋合理、結構強度高、整體剛性大，同時可減少過大的沖擊載荷對設備自身、地基和廠房以及周邊設備的損害；伺服電機高精度驅動輪子自走的橫梁，根據試樣長度進行移動，調整到合適的位置后，通過液壓插銷機構進行固定裝置，能夠方便、快捷、準確地將插銷插入孔內，解決了常規的臥式拉力試驗機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的研發解決了常規臥式拉力機載荷低、距離短、寬度窄、無法對特高壓建設過程中的產品進行檢測的難題，實現了各類特高壓、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破壞試驗，海洋各類船舶拖纜力學性試驗。