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user: 4. 多功能千斤顶试验系统 4.1. 多功能千斤顶试验系统简介 本试验系统基本的框架参考通用型千斤顶试验机，在此基础上，有针对性的进行功能的改进提升，解决通用型千斤顶所存在的缺点。 4.2. 硬件组成 多功能千斤顶试验系统结构主要由机架机构、手柄加载机构、油源机构、控制机构等组成力；整体外形结构如图2所示。 4.2.1. 机架机构 机架机构由：传感器、加载油缸、立柱、移动块、6˚斜垫块、底座等组成，如图3所示。 作为整套试验系统的基体，机架机构承载着千斤顶试验过程中全部力学的输出，所以在进行框架力学性能计算和结构设计 [ 1 ] 时，应根据该试验系统所需的最大载荷 ，并相应地增加2倍安全系数；在设计过程中，可以利用专业的软件，比如Ansys或Solidworks进行受力分析，将结构进行优化，使机架机构既能满足力学性能，又能最大限度地减轻试验机的重量，便于后期的安装与运输。 1) 6˚斜垫块 进行千斤顶的倾斜加载试验时，需用到6˚斜垫块，其它试验时，可将6˚斜垫块连接螺丝松掉后，卸下6˚斜垫块即可； 由于在倾斜加载试验时，斜垫块所受的力是偏心力，为保证斜垫块受力过程不产生大的变形量，所以必须选用刚性较好或经过热处理的金属材料，也可以采用增加斜垫块的厚度等方式。 在斜垫块的受力是中心位置，车有不同直径的同心圆，方便试验时将千斤顶放置于设备的受力中间点。斜垫块的外观结构如图4所示。 图2. 多功能千斤顶试验系统结构图 图3. 机架机构结构图 图4. 6˚斜垫块结构图 2) 底座 底座的板材厚度，跟试验系统另外受力部件一样，需要经过严格的应力计算，确保最大载荷下不产生变形。 底座的中间受力处位置，有不同直径的同心圆，目的是为了方便试验时将千斤顶快速地放置在受力中心处。 如图5所示，底座上有6˚斜垫块的安装螺纹孔，在选择螺栓直径时，应充分考虑螺栓在受到偏心力时的剪切力；假如试验系统的最大试验力为100 T，计算该螺栓承受的剪切力时，应先对6˚斜垫块的进行受力分析，受力图如图6所示，图中F1为所求的剪力，已知F = 100 T = 1000 kN，F与F2的夹角为6˚，所以F1 = Fsin6˚ = 1000 × 0.1045 = 104.5 kN，标准GB3098.1中规定的M16/8.8螺栓级的最小拉断力为125.0 kN，根据经验公式，所能承受的最小剪力为125.0 × 0.5 = 62.5 kN，这是单个螺栓所能承受的剪力，试验系统中，采用了3个螺栓连接，所以能承受的最大剪力为62.5 × 3 = 187.5 kN，符合试验系统的受力要求。 4.2.2. 手柄加载机构 手柄加载机构由：加载杆、推杆力传感器、电动推杆、滑块机构等组成。 进行千斤顶的手柄操作力试验、动载试验以及连续工作次数试验时，需要预加载一定的试验力，再利用手柄加载机构对千斤顶进行提升，同时测定手柄操作力。 如图7所示，图中的加载杆的长度根据标准规定，分为800 mm、1200 mm、1500 mm。 1) 滑块机构 滑块机构主要由导轨、滑块、转向机构、转销轴等组成，如图8所示。 采用该结构形式，一是为了适应不同长度的加载杆快速调节的功能，二是为了在手柄操作机构工作过程中，保证整个机构不出现卡阻，滑块与转向机构组成的移动和转动机构，组成一个随动系统，实现了加载杆加载过程中相对于加载点的圆弧运动。 2) 万向机构 万向机构主要由转向机构、转销轴、推杆力传感器、加载杆夹持机构等组成，如图9所示。 转向机构、推杆力传感器和加载杆夹持机构通过连接形成一个整体，这三个部件没有相对运动，目的在于，在电动推杆上下运动时确保了推杆力传感器所采集到的加载力值始终垂直与加载杆，保证试验系统所测量到的力值更加准确稳定可靠。 图5. 底座结构图 图6. 6˚斜垫块受力分析 图7. 手柄加载机构结构图 图8. 滑块机构结构图 图9. 万向机构结构图 4.3. 工作原理 4.3.1. 基本工作过程 将千斤顶放置在底座平台上，通过观察千斤顶与同心圆的相对位置确定是否已放置于试验机的受力中心，并在计算机上设置测试项目与测试压力 [ 2 ] 。开启液压系统，将移动端移动到千斤顶的顶端，然后施加一定的初始力。这时可以摇动千斤顶的手柄，在千斤顶不同的行程下，液压系统会自动保持恒定的设定压力，直到测试结束。计算机将自动记录千斤顶在整个升高过程中压力和行程的变化。 4.3.2. 系统控制原理 试验机控制回路由：计算机、控制器、力传感器、回路控制器、位移传感器等组成；如图10所示，从流程图中的箭头方向可以确定控制和反馈方向。 由液压回路控制、液压油缸和位移传感器组成了千斤顶主加载部分的控制，整个液压回路与液压油缸的参数尺寸，可以参考液压传动 [ 3 ] 等相关资料，位移传感器在系统中起到位移反馈的作用，实现试验系统的位移PID控制。 由伺服控制器、电动伺服推杆和位置反馈组成加载杆加载部份的控制，可以满足千斤顶动态加载的需求。 4.3.3. 液压回路工作原理 液压回路主要由油箱、过滤器、油泵、单向阀、溢流阀、伺服阀、液压缸等组成，如图11所示。 1) 主要元件功能介绍 液压泵是液压系统的动力元件，其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能； 溢流阀在液压回路起到保护系统压力的作用，当系统压力超过溢流阀设置的压力时，液压回路的液压油从溢流阀的阀口流回到油缸； 节流阀主要作用是控制试验系统在试验前油缸的快进与快退的速度，以及系统在试验时油缸的最大移动速度； 伺服阀的作用是可以达到精确PID [ 4 ] 控制，因为伺服阀为线性电压信号控制方式，可以根据控制器输出电压信号的大小，来改变伺服阀阀口的大小，结合压力传感器的压力反馈，实现系统的PID控制，使系统达到试验时压力加载平稳，还具有随动跟随的功能。 图10. 控制流程图 图11. 系统液压回路图 2) 基本工作过程 液压泵将油箱的液压油通过过滤器从低压转化成高压，输出接到单向阀入口，单向阀的出口接到压力表、溢流阀和节流阀，压力表用于显示系统的实际压力，节流阀的出口接到伺服阀，伺服阀的输出用于控制液压缸的移动速度。 4.4. 系统工作方式 1) 静载试验：选择静载试验试验方案，该试验方案比较简单，只需设定与被测千斤顶对应的压力值，点击开始测试，试验系统开始测试，以平稳的速率加载到设定值，如有保载时间要求，则开始进行相应时间的保载。 2) 动载试验：选择动载试验试验方案设定好试验压力值，将液压缸移动头移动到与千斤顶顶重头碰到的位置并预加载力，然后点击开始试验，手柄加载机构开始工作，将千斤顶顶重头升起，直至千斤顶的最高位置，试验过程考核千斤顶整个行程受到试验载荷的能力。随着千斤顶的升高，压力势必有升高的趋势，系统的PID算法功能 [ 5 ] 会根据实际的压力值，实时调节液压缸移动头往上移动，以实现系统的试验力恒定在一定值范围之内。 3) 倾斜加载试验：选择倾斜加载试验试验方案，设定与被测千斤顶对应的压力值，将千斤顶升至最高状态，置于6˚斜垫块中心圆的中心位置，然后将液压缸移动头往下移动与千斤顶顶重头碰到，点击控制软件件开始测试，系统按照设置压力值加载千斤顶，并进行相应时间的保载。 4) 手柄操作力测试：选择手柄操作力测试试验方案，设定与被测千斤顶对应的额定载荷，将液压缸移动头往下移动与千斤顶顶重头碰到的位置，按标准要求将配套手柄安装在千斤顶与手柄加载机构上，然后点击开始测试，试验系统同时控制液压回路与手柄加载机构，并记录千斤顶的载荷与手柄操作力。 5) 连续工作试验：选择连续工作试验试验方案，该试验方案与动载试验基本相似，但该试验方案主要测定在额定载荷下，全行程连续工作标准所要求的次数后，千斤顶的各零部件不得损坏，整体性能不能失效；具体操作方式参考动载试验。