加载装置与试验设备.doc

第二章 加载装置与试验设备在这一章里主要介绍下面三方面的内容：1静载加载装置，在静载加载装置中包括重物加载、机械式加载、气压加载和液压加载。2动载加载装置，动载加载装置也称为激震装置。它包括惯性力加载、激震器加载，其中包括震动台。3试验设备，包括荷载支撑装置、荷载传递装置、试件支撑装置。一、静载加载装置（一）重物加载1重物加载的优点和缺点：重物加载是最古老的一种加载方式，但是它也可以做到很精确，比如最精密的天秤，实际上就采用了重物加载，就是用法码。同样，在我们结构试验当中，用重物加载也可以做到很精确，而且它的重物有时候取得很方便。但是它有一个最大的缺点，就是当你荷载很大的时候，加载的劳动强度很大。2重物加载的作用：通过重物加载这种方式可以实现均布荷载的加载，也可以实现集中荷载的加载。假如说要加集中合载，就需要用料盘来加载，一般把料盘也称为加荷篮。假如说荷载再大，就可以通过杠杆来加载。3重物加载实现均布荷载教材图2-1，表示的就是用重物加载实现的一个简图。大家在这里首先可以看到这是要做的一个梁，这个梁是简支的，它通过一个活动支座、一个固定支座实现这个简支梁，那么这个活动支座和固定支座这部分实际就属于试件的支撑装置，这讲义上会介绍。底下这部分是为了使这个试件，架设到一定的高度，所以它有一个一般叫支墩或者叫做台座。上面就是加的荷重，那么加这种荷重的时候，不能够把荷重都是连续的加进来，必须分成区域，使每个区域之间有一定的间隙。这个间隙一般都在50毫米以上。它的目的就是为了当这个荷载加上以后，这个梁，要产生挠度，向下弯曲。它一弯曲就使得这个荷载之间就要接近。那么这个缝隙就要保证这个荷载之间不能搭接起来。假如说荷载一搭接那么就形成拱的作用了。那它这个荷载加的就不是均布的了，实际就传到两端去了。在正规实验室里一般要准备好些荷重块，要用铸铁或者铸钢，把这个铸成适合于人搬动的一些小的加荷块，一般用它的质量来衡量，所以可以铸成1公斤的、5公斤的、10公斤的、20公斤的等等。事先把它称量准确。如果你事先也可以把它加工的很准确，当然这样试验时很方便，但是制造成本就高了，假如说你不加工准确，但是你要把它称量准确，把它标在加荷块上，试验的时候就适当的组合，也可以把它组合的很准确。如果在现场，或者是你的加荷块不够了，也可以临时取用些沙子、石头等做成沙袋或者碎石的袋。把每一袋的重量都称量准确，也可以用来加荷。所以说重物加荷是一种很方便的加荷方式，它对于施加均布荷载是很方便的。教材图2-4，这个图表示的也是重物加荷，但是它用的是水，比如说做双向板或者做网架，一个很大面积的均布荷载的时候，可以用一个水槽，这个水槽不要底，就光要四周，把它圈起来。给个底面试件来加荷，然后用一个防水的胶布做成一个水槽，里面加水，用水的重量作为荷载。但是用水加荷的时候，当加荷的面积很大的时候，就有一个什么问题呢？就是当面积很大，底下试件有一定的挠度，它向下变形，所以水深，实际上中间深，边上浅。使得均布荷载不是很均布的，中间可能荷载要大，边上可能荷载要小。这也是一种重物加荷。前两种方法都是均布荷载的加载方法。4重物加载实现集中荷载教材图2-2，这张图表示的是用重物加荷来施加集中荷载，也是一根梁要加两个集中荷载，那么这时候我们就用两个荷载料斗，或者把它叫做吊篮，那么在吊篮里可以施加各种重物，来实现集中荷载的加荷。当荷载很大，直接用吊篮加荷，达不到它的荷载值的要求的时候，可以通过杠杆来使这个荷载值增大。教材图2-3，上面小的横梁，实际是一个杠杆，后面这个是一个拉杆，这个要把它锚固到试验台上，这是支点。画断面线的杠杆的位置上面要加上一个刀形的支座，保证这个杠杆的加荷点是一个线接触，就是垂直杠杆的一个线接触。右端是加荷篮的位置，这是施力点，形成这两个杠杆臂，就使这个荷载值放大了。杠杆加载的放大率，即杠杆总长与加荷点到施力点长度之比，常用放大率为3至5倍。过大的放大率就保证不了这个荷载比的准确。在用这个杠杆加合的时候要注意两个问题：一个问题是你事先必须把这个杠杆让它是水平的，如果它要是不水平了，那么就会对这个试件有一个水平力的作用，所以就失去稳定，容易发生危险。另外一个就是说试件变形比较大的时候，假如说做一个屋架它的变形很大，那么随着变形，刚开始你把杠杆调平了，随着变形那么就可能倾斜了，那么它又会产生一个水平的推力，因此，就要求后面这个拉杆应该是可以调节的，就是说可以通过螺旋来调节长度，随着这个试件变形下来以后，要把这个拉杆调短，随时的保持这个杠杆的水平，否则的话在试验过程中容易出现危险。（二）机械式加载在机械式加载当中，实际上在文字教材中介绍了好些种，比如说可以通过卷扬机，可以通过螺旋千斤顶等等，在这里只介绍一种，就是弹簧加载，因为那两种大家都是平时容易见到的。1弹簧加载的主要用途弹簧加载用于长期荷载，比如说要做梁的长期刚度，或者是观察它的裂缝的时候，那么就要加几个月，甚至几年的荷载。那么做长期荷载的时候可以通过弹簧来保持经常的荷载值，因为你把弹簧压缩好以后，那么它的荷载值就基本上不变了，那么它可以维持很长时间，但是，梁要变形以后，这荷载值也会有所变化，因此在做试验的时候经过一段时间，比如说一个礼拜，开始的时候可能每天都要去看看这荷载值有没有变化，假如说有变化，再重新加到原来的值。总的来讲，通过弹簧它主要可以维持荷载。 （三）液压加载在用液压加载的装置当中，它必须要有一个承力的装置，把它叫做承载架，或者叫做加荷架。它要承受加载器的反力，这个加载器一方面给这个试件加上力，同时它这个反力由加载架来承受，最后来传递到试验台上去。1液压加载的分类液压加载可以通过这么几种方式来进行，一共有四种：一种叫液压千斤顶，一种叫单向作用液压加载器，一种叫双向作用液压加载器，还有一种是比较现代化的叫电液伺服加载器。（1）液压千斤顶在这里就不做介绍了，因为液压千斤顶实际上就是一般的起重工具，就是手动的千斤顶来用作加载。（2）单向液压加载器教材图2-10，主要是掌握它们这么几点内容：1）它的主要加载的作用是通过这个外面这一部分，这个是一个油缸，里面这一部分是活塞，这个长的杆，就是活塞杆了，它的作用就是通过，你把油通过进油口打进去以后，由这个油的压力推动活塞向前移动，那么这就产生力了，那么由这个活塞杆把这个力施加给试件。那么它的作用就是通过活塞来推动活塞杆移动来施加力。这是液压加载的一个主要的作用。它就这么来起作用的。2）为什么把它叫单作用呢，就是它只能从这边进油，那么它会产生很大的力来施加力，那么它反向，反向虽然也可以进油来推动活塞往回走，但反向活塞面积也很小，所以它反向的时候实际上不起加力的作用，而仅仅是当你卸荷的时候，可以加速的卸掉荷载。所以它只能施加压力，所以把它叫做单作用加载器。3）另外注意的就是这一部分，这一部分它实际要做成一个铰，做成铰的目的，就是使当你外界试件发生变形的时候它这个铰可以有一个转动，使这个整个加载器施加的是一个单向的压力，就是说它不会产生弯曲。这种加载器虽然它是为静载试验加载专门做的，但是它的技术基本上是采用的分体式千斤顶的技术。所以它这个活塞和油缸密封是采用的橡胶的密封件，所以它的摩擦力比较大。（3）双作用液压加载器教材图2-11它这个图就是这样子，外面还是油缸，里面的活塞做的比较大，活塞杆相对来讲做的比较细，这样在这个活塞的两面受压面积就近似了，所以它可以在后面这个12号油孔进油的时候它就产生一个使活塞杆向前的推力，那么就施加压力。如果从3号进油孔来进油，它就使活塞向后，那么就产生一个拉力，因此这种加载器，可以施加压力，也可以施加拉力，因此把它叫做双作用加载器。它的右端，油缸的一端做成是一个孔，所以可以铰接在这个加荷架上，那么形成一个铰，它的前面通过螺旋可以接一个测力器，也可以接上一个带铰的接头，可以使加载器两边都铰接，整个这个加载器就相当一个二力杆了，所以，它只是一个推拉的作用，使加载更方便的进行。这种加载器它的密封同样也是用橡胶来密封的，所以摩擦阻力相对还是比较大的。（4）电液伺服加载器教材图2-12。这个加载器相对来讲就是比较现代化的了。从它的构造原理来讲与一个双作用的加载器没有太大区别。它也是中间一个活塞，带了一个活塞杆。标号12是油缸的底部。所以这个活塞杆是通过它的前部，也通过它的底部，所以在这个活塞上两面的压力的作用面积是相等的。当它推这个活塞的时候，或者向后推，或者向前推这个活塞的时候，两面的压力是一样的。所以它的拉力和压力两面是完全相等的。另外一个它的最大的区别就是电液伺服加载器有一个叫电液伺服阀。当然要详细讲这个电液伺服阀，因为它的构造很复杂，也没有必要那么细去掌握，但是对它的功能要知道，所谓电液伺服阀，就是它通过一个簧片，通过电信号来控制这个簧片的来回摆动，使得这个流量可以很精确的控制，比如说进油还是回油，它控制的很精确，那么电流的变化实际上就改变了它的供油量的变化，这是这个阀的功能，下面会介绍通过这个系统可以使它能够很准确的来控制它的加荷，可以通过位移来控制，也可以通过荷载来控制。它的最大特点就是用一个电液伺服阀来控制供油，所以可以供的很精确，另外一个就是它本身也直接接上一个荷载传感器来测力，它的两端都做成铰，这端是个铰，这端也是个铰，那么这个整个加载器实际上是个二力杆，所以这个加载器本身总是在受拉或者受压。液压加载器咱们介绍了四种，一个就是普通的液压千斤顶，再一个就是单作用的加载器，一个双向作用加载器和一个电液伺服的作动器。电液伺服的作动器，为什么它不叫加载器呢？因为，这个电液伺服作动器，这个作动器是起自动控制作用的，自动控制里的执行元件一般叫做作动器。但是光有一个加载器实际上还不能实现加载，还要形成一个液压加载系统，这个液压加载系统就像开头咱们讲到的它要有油管，有泵等等。2液压加载系统（1）液压试验机，在这讲的液压试验机是液压的结构试验机。（2）普通的液压加载系统。所谓普通液压加载系统，就是用前面介绍过的单作用的加载器和双向作用加载器，再配上油管，配上油泵一些控制阀等等构成液压系统。（3）电液伺服加载系统。二、动载加载方法所谓动载加载方法，实际上就是使结构产生震动，产生震动有两种，一种是使结构或者是构架产生自由震动，另外一种是使构架或者结构产生持续的各种震动。1惯性力加载方法就是使结构产生自由震动的加载方法，这里头有两种，一种初始位置加载法，二是初始速度加载法，这部分内容大家请看文字教材，在这就不做介绍。2激震器加载法这是使结构或者是构件产生持续震动的方法，这里面一共有三种方法，第一是机械式激震器，第二电磁式激震器，第三是电液伺服激震器，在这节里我们只介绍电磁式激震器和电液伺服激震器。（1）电磁式激震器教材图223，是电磁式激震器的一个原理图，它的基本原理是和大家经常用的音响设备喇叭发声原理基本上是一样的，它的基本部分是这样，就是说它这一个外壳和里面一个芯，形成一个磁钢，这是由软磁铁做成的这么一个磁钢，当然它是个圆形的了，在这个磁钢中间芯的外面是缠绕着线圈，就是画叉这个和这边这个，是一个线圈，这个线圈要通过一个恒流的电流，就是说电流不变的一个电流，这样就会在这个磁钢上产生一个磁场。这个磁场这面这个铁芯都是封密的，只在这有一个磁路，所以在这个位置上它有很强的磁通，那么这个芯是一极，这个外壳是一极，中间这一部分和图上标着5这一部分也是个线圈，一般把它叫做动圈，它是可以运动的，那么在这个线圈里要通一个交变的电流，那么在一个磁场中间有一个通电的线圈，当然这个通电线圈就要运动了，因为这个磁场是个恒定的，但是线圈里面的电流是个变化的，所以线圈里的运动规律就取决于这个电流的运动规律，而这个线圈和中间这个作用杆是通过一个圆盘连在一起的，所以线圈运动就带动触杆也运动，就是这个6，为了保持这个杆能够平行移动，所以两边用这个碟形的弹簧来支撑，就像个碟子一样的弹簧来支撑，这样只要在这个动圈里头通上这么一个交变的电流，那么这个杆，就要作震动了，这个电流的变化规律是什么样，这个推杆的运动规律就是什么样，如果把这个推杆顶到这个构件上，那当然就使得构件起震了，因为它是靠电流来控制震动的规律，所以电流这个信号可以是各种各样的，比如说它可以是一个简谐波，也可以是一个三角波的，也可以是个矩形波的。假如说，你是个随机信号，它也可以做随机震动，所以这个电磁震动器可以做各种各样的震动，而且它的震动频率当然就取决于电信号的频率。教材图224，这个图是表示，把这个电磁激震器，做成一个完整的系统，这么一个图，前面这一部分，就是一个电磁激震器，把这个电磁激震器，通过一个台座，通过一个铰把它固定上了，因为固定在角上，所以激震器的方向可以是各种方向的，把这个作用头顶到这边就是试件，7表示就是做的试件，可能是结构也可能是个构件，上面那个是个恒流的电源，它是供给电磁铁的，产生一个恒定磁场的，下面那个是个信号的放大器，它的信号怎么产生呢？信号在这里表示是用计算机里面的一个记录。这个信号的记录，当然可以是各种各样的，刚才我们说了，可以是个简谐波，最简单的，也可以是其它的矩齿形波、矩形波，或者是随机波，那么把这个随机波的信号给功率放大器，经过它功率放大器的放大，放大以后来去推动动圈，这个信号接到动圈里，那么这个动圈就会产生随着你什么样信号它会产生什么样的震动，最后推动结构也产生相同的震动，这是一个完整的电磁激震器用的系统图。（2）电液伺服震动台电液伺服震动台，所谓震动台就是它有这么一个台面，它这个台面可以上下震动，也可以水平方向震动，水平方向当然可以是X轴震动，也可以是Y轴震动，所以把这