本实用新型涉及橡胶材料与钢之间受同时增大的拉力和压力作用时静摩擦力的测量，尤其涉及一种静摩擦模拟试验装置。
背景技术：
橡胶材料广泛应用于海洋石油装备中，例如密封件、铺管船上的对中器、张紧器、托管架上的滚轮等，橡胶材料相对于钢结构件硬度较低，弹性模量较小，在相互接触配合过程中不会产生塑性损伤，作为易损件便于生产、加工、更换，有效保护了金属部件的稳定长久运行，性能稳定。
橡胶材料在不同装备中的工作形式也有所区别，从摩擦形式角度进行分类，主要有滑动摩擦与静摩擦两种工作形式，半潜式螺杆泵橡胶定子，而在管道铺设中，橡胶材料构成的部件主要承担夹持、限制的作用，通常与其它零件相互接触，无相对位移。例如铺管船上的对中器，其工作原理是在钢制管道吊起塔至铺管塔顶部，多级橡胶圈以两侧夹持管道，依靠橡胶与管道外壁之间的静摩擦力使管道在预设位置固定，无位移变化，等到管段焊接完成，对中器张开，管道由张紧器夹持，匀速下放至水下。
张紧器上橡胶块与钢制管道挤压接触，利用静摩擦力拉住管道，并随着张紧器履带移动，将管道匀速下放过程中，这一接触是一个十分复杂的过程，橡胶材料作为弹性体，在与钢制管道接触过程中受挤压变形，它的实际接触区面积是随载荷变化而变化的，实际接触面积是影响摩擦力大小的主要因素之一，摩擦力随面积增大而增大。然而，随着载荷继续增大，实际接触面积与宏观接触面积相同。此时，继续增加载荷，摩擦力不会继续增加。因此，摩擦力与载荷之间的关系是有适用范围的。
双履带张紧器的橡胶块与管道接触时，压力接触面法向方向，有效载荷即为法向压力载荷。而在大多数四履带张紧器上，无论是十字分布还是大字分布。块与管道间有效载荷与正压力之间存在角度差，接触面存在弹性变形分量。
在常规的张紧器设计过程中，设计人员选取摩擦系数仅仅采用标准试验下静摩擦系数，这与实际工作状态下的接触形态并不一致，相差较大。另外履带之间所夹角度仅仅考虑不同管径通用的范围，来考虑不同夹持角度下，接触面橡胶复合弹性变形情况不同引起的摩擦系数的变化，以致设计的角度缺乏基础，未能发挥出张紧器的最大工作效能，也无法对波浪等突发状况环境工况做出有效保护，这方面的问题亟需解决。
现有摩擦试验机无法模拟不同数量橡胶块，不同夹持角度下与管道接触产生弹性变形对物相对位移变化的静摩擦系数的影响，也无法模拟在压力载荷和拉力载荷同时增加时，静摩擦系数从小到大的变化趋势。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种静摩擦模拟试验装置，以克服现有技术的缺陷。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种静摩擦模拟试验装置，能模拟不同数量橡胶块，不同夹持角度下与管道接触产生弹性变形对静摩擦系数的影响。
本实用新型的另一目的在于提供一种静摩擦模拟试验装置，能模拟在压力载荷和拉力载荷同时增加时，静摩擦系数从小到大的变化趋势。
本实用新型的目的是这样实现的，一种静摩擦模拟试验装置，所述静摩擦模拟试验装置包括：
基座，所述基座上设有竖直向上延伸的立柱；
管道试样组件，所述管道试样组件固定在所述立柱上，管道试样被水平夹持在所述管道试样组件上，所述管道试样组件能使所述管道试样沿轴向滑动；
橡胶试样组件，所述橡胶试样组件位于所述管道试样组件的上方；所述橡胶试样组件滑动设置在所述立柱上，能沿所述立柱上下移动；橡胶试样被夹持在所述橡胶试样组件上，所述橡胶试样沿与所述管道试样外壁一致的圆弧方向排列设置；
压力加载测试组件，所述压力加载测试组件与所述橡胶试样组件连接，用于将所述橡胶试样压紧在所述管道试样的外壁上并测量压力值；
拉力加载测试组件，所述拉力加载测试组件与所述管道试样组件连接，用于对所述管道试样施加轴向拉力并测量拉力值。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述管道试样组件包括管道试样支撑台、直线导轨及管道试样夹具；所述管道试样支撑台固定在所述立柱上；所述直线导轨固定在所述管道试样支撑台上；所述管道试样夹具滑动设置在所述直线导轨上，所述管道试样被夹持在所述管道试样夹具上，且所述直线导轨的延伸方向与所述管道试样的轴向一致。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述管道试样夹具包括两块挡板、两块圆柱状定位块、连接螺栓和滑块；所述滑块滑动设置在所述直线导轨上；所述挡板分别固定在所述滑块的两端；所述管道试样的两端均设有内螺纹；所述圆柱状定位块设有外螺纹，分别螺纹连接在所述管道试样的两端；所述圆柱状定位块的中央设有螺纹孔，所述挡板上设有中心通孔，所述连接螺栓穿过所述中心通孔与所述螺纹孔螺纹连接，所述挡板的两侧分别设有螺母将所述连接螺栓固定在所述中心通孔中；所述管道试样通过所述圆柱状定位块和连接螺栓被固定在两块所述挡板之间。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述橡胶试样组件包括橡胶试样支撑台、橡胶试样安装架及橡胶试样夹具；所述橡胶试样支撑台滑动套设在所述立柱上；所述橡胶试样安装架固定在所述橡胶试样支撑台上；所述橡胶试样安装架具有半圆形装夹部，所述半圆形装夹部横跨在所述管道试样两侧，与所述管道试样外壁的圆弧方向一致；所述橡胶试样夹具安装在所述半圆形装夹部上，所述橡胶试样被夹持在所述橡胶试样夹具上并朝向所述管道试样。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述半圆形装夹部上沿着半圆弧的方向开设有一条通槽，所述橡胶试样夹具固定在所述通槽内；所述半圆形装夹部的两端分别设有水平直线延伸的横臂，所述横臂固定在所述橡胶试样支撑台上。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述橡胶试样夹具设有夹头、连接螺杆和固定螺母；所述夹头的一端设有与所述橡胶试样形状相配的夹持孔，所述橡胶试样被夹持在所述夹持孔中；所述夹头的另一端与所述连接螺杆固定；所述连接螺杆穿过所述通槽且所述夹持孔朝向所述管道试样；所述固定螺母螺纹连接在所述连接螺杆上将所述橡胶试样夹具固定在所述通槽内的任一位置。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述压力加载测试组件包括加载吊架和压力传感器；所述加载吊架固定在所述橡胶试样组件的底部，所述加载吊架上固定有压力加载部，用于向所述橡胶试样组件施加向下的力，使所述橡胶试样压紧在所述管道试样的外壁上；所述压力传感器设置在所述橡胶试样组件上用于测量所述橡胶试样上的压力值。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述拉力加载测试组件包括拉力传感器、拉绳和加载电机组件；所述加载电机组件设置在所述基座上；所述拉力传感器连接在所述管道试样组件上并位于所述管道试样的轴线上；所述拉绳一端连接所述拉力传感器，另一端连接所述加载电机组件；所述加载电机组件通过所述拉绳对所述管道试样施加轴向拉力，所述拉力传感器测量拉力值。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述压力加载测试组件包括加载吊架、第一定滑轮、第二定滑轮和压力传感器；所述加载吊架固定在所述橡胶试样支撑台的底部；所述第一定滑轮支撑在所述加载吊架底部并位于正中的位置；所述第二定滑轮设置在所述第一定滑轮的一侧并支撑在所述加载吊架上；所述压力传感器设置在所述夹持孔的底部与所述橡胶试样之间。
在本实用新型的一较佳实施方式中，所述拉力加载测试组件包括拉力传感器、第三定滑轮、拉绳和加载电机组件；
所述管道试样组件包括管道试样支撑台、直线导轨及管道试样夹具；所述管道试样支撑台固定在所述立柱上；所述直线导轨固定在所述管道试样支撑台上；所述管道试样夹具滑动设置在所述直线导轨上，所述管道试样被夹持在所述管道试样夹具上，且所述直线导轨的延伸方向与所述管道试样的轴向一致；
所述管道试样夹具包括两块挡板、两块圆柱状定位块、连接螺栓和滑块；所述滑块滑动设置在所述直线导轨上；所述挡板分别固定在所述滑块的两端；所述管道试样的两端均设有内螺纹；所述圆柱状定位块设有外螺纹，分别螺纹连接在所述管道试样的两端；所述圆柱状定位块的中央设有螺纹孔，所述挡板上设有中心通孔，所述连接螺栓穿过所述中心通孔与所述螺纹孔螺纹连接，所述挡板的两侧分别设有螺母将所述连接螺栓固定在所述中心通孔中；所述管道试样通过所述圆柱状定位块和连接螺栓被固定在两块所述挡板之间；
所述拉力传感器固定连接在所述管道试样夹具一端的所述连接螺栓上；所述第三定滑轮支撑在所述管道试样支撑台上；所述拉力传感器、所述第三定滑轮与所述第二定滑轮位于同一侧；所述加载电机组件设置在所述基座上；所述拉绳的一端连接所述拉力传感器，所述拉绳沿所述管道试样的轴向向外延伸，依次绕过所述第三定滑轮、所述第二定滑轮后水平延伸到所述第一定滑轮，绕过所述第一定滑轮后竖直向下缠绕连接到所述加载电机组件；所述加载电机组件通过所述拉绳同时向所述加载吊架施加向下的力及向所述管道试样夹具施加轴向拉力。
由上所述，本实用新型的静摩擦模拟试验装置能模拟海上石油作业过程中，橡胶材料垫块夹持硬质刚性管道时，橡胶材料接触面受复杂压力载荷作用下弹性变形对接触面静摩擦力变化的影响，模拟海洋石油装备在铺管作业工程中的真实工况，测量计算摩擦系数在不同条件下的变化规律。模拟不同数量橡胶块，不同夹持角度下与管道接触产生弹性变形对静摩擦系数的影响，以及模拟在压力载荷和拉力载荷同时增加时，静摩擦系数从小到大的变化趋势。
附图说明
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：
图1：为本实用新型静摩擦模拟试验装置的结构示意图。
图2：为本实用新型中管道试样组件的分解示意图。
图3：为本实用新型中橡胶试样组件的分解示意图。
图4：为本实用新型中橡胶试样夹具的分解示意图。
图5：为本实用新型中加载吊架的结构示意图。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。
如图1所示，本实用新型提供了一种静摩擦模拟试验装置100，所述静摩擦模拟试验装置100主要包括基座1、管道试样组件20、橡胶试样组件30、压力加载测试组件40和拉力加载测试组件50。所述基座1设置在该静摩擦模拟试验装置100的底部，所述基座1上设有竖直向上延伸的四根立柱2，四根立柱2分别固定设置在所述基座1的四个角部。所述管道试样组件20固定在所述立柱2上靠上的部位，被四根立柱2支撑固定。管道试样3被水平夹持在所述管道试样组件20上，所述管道试样组件20能使所述管道试样3沿该管道试样3自身的轴向滑动。所述橡胶试样组件30位于所述管道试样组件20的上方；所述橡胶试样组件30滑动设置在所述立柱2上，能沿四根立柱2上下移动并压在所述管道试样组件20上。橡胶试样4被夹持在所述橡胶试样组件30上，橡胶试样4可以根据需要设置有多个，多个所述橡胶试样4沿与所述管道试样3外壁一致的圆弧方向排列设置，且可以排列设置在不同位置，从而多个橡胶试样4压紧在管道试样3外壁的接触点沿着管道试样3外壁的圆弧方向排列，在每个接触点处所产生的压力的法线方向之间形成一定角度即不同夹持角度；当橡胶试样组件30向下滑动压在管道试样组件20上时，沿圆弧方向排列的多个橡胶试样4对管道试样3外壁施加法向的压力。所述压力加载测试组件40与所述橡胶试样组件30连接，对所述橡胶试样组件30施加向下的力使其压在管道试样组件20上，用于将所述橡胶试样4压紧在所述管道试样3的外壁上并测量压力值。所述拉力加载测试组件50与所述管道试样组件20连接，用于对所述管道试样3施加轴向拉力并测量拉力值。对所述管道试样3施加的轴向拉力逐渐增加，使管道试样3产生相对橡胶试样4轴向滑动的趋势，当管道试样3在轴向上产生移动时即为与橡胶试样4之间最大的静摩擦力的值。该静摩擦模拟试验装置100能模拟不同数量橡胶块，不同夹持角度下与管道接触产生弹性变形对静摩擦系数的影响。
进一步，所述压力加载测试组件40包括加载吊架41和压力传感器42。所述加载吊架41固定在所述橡胶试样组件30的底部，如图5所示，本实施例中，加载吊架41包括一个平板，平板的四角分别通过连杆连接橡胶试样组件30。所述加载吊架41上固定有压力加载部，通过该压力加载部对加载吊架41施加向下的力，从而向所述橡胶试样组件30施加向下的力，使所述橡胶试样4压紧在所述管道试样3的外壁上。所述压力传感器42设置在所述橡胶试样组件30上用于测量所述橡胶试样4上的压力值，该压力传感器42可以设置在橡胶试样组件30上传递橡胶试样4与管道试样3之间压力的路径上。所述拉力加载测试组件50包括拉力传感器51、拉绳52和加载电机组件53。所述加载电机组件53设置在所述基座1上，可以为一个加载电机，也可以采用加载电机与减速装置的组合，拉绳52的一端缠绕在该加载电机组件53的输出轴上，加载电机转动时拉紧该拉绳52。所述拉力传感器51连接在所述管道试样组件20上并位于所述管道试样3的轴线上，使拉力传感器51测得的力为施加在管道试样3上的轴向拉力。所述拉绳52一端连接所述拉力传感器51，另一端连接所述加载电机组件53；所述加载电机组件53通过所述拉绳52对所述管道试样3施加轴向拉力，所述拉力传感器51测量拉力值。拉绳52通常采用钢丝绳。
进一步，如图1和图2所示，所述管道试样组件20包括管道试样支撑台21、直线导轨22及管道试样夹具23。所述管道试样支撑台21固定在所述立柱2上，起到支撑作用。所述直线导轨22固定在所述管道试样支撑台21上；所述管道试样夹具23滑动设置在所述直线导轨22上，所述管道试样3被水平夹持在所述管道试样夹具23上，且所述直线导轨22的延伸方向与所述管道试样3的轴向一致。所述管道试样夹具23能夹持着管道试样3沿着直线导轨22滑动。所述管道试样夹具23包括两块挡板231、两块圆柱状定位块232、连接螺栓233和滑块234。所述滑块234滑动设置在所述直线导轨22上；所述挡板231分别通过螺栓固定连接在所述滑块234的两端。所述管道试样3的两端均设有内螺纹；所述圆柱状定位块232设有外螺纹，分别螺纹连接在所述管道试样3的两端；所述圆柱状定位块232的中央设有螺纹孔2321，所述挡板231上设有中心通孔2311，中心通孔2311与螺纹孔2321均位于中心轴线上且与管道试样3同轴，所述连接螺栓233穿过所述中心通孔2311与所述螺纹孔2321螺纹连接，所述挡板231的两侧分别设有螺母将所述连接螺栓233固定在所述中心通孔2311中；所述管道试样3通过所述圆柱状定位块232和连接螺栓233被固定在两块所述挡板231之间，使管道试样3不能相对于两端的挡板231产生轴向和周向的移动。在对一端伸出挡板231的连接螺栓233施加轴向力时，可以带动该管道试样夹具23及管道试样3沿着直线导轨22滑动。
进一步，如图1和图3所示，所述橡胶试样组件30包括橡胶试样支撑台31、橡胶试样安装架32及橡胶试样夹具33。所述橡胶试样支撑台31滑动套设在四根立柱2上，橡胶试样支撑台31位于管道试样支撑台21的上方。所述橡胶试样安装架32固定在所述橡胶试样支撑台31上；所述橡胶试样安装架32具有半圆形装夹部321，所述半圆形装夹部321横跨在所述管道试样3两侧，与所述管道试样3外壁的圆弧方向一致。所述橡胶试样夹具33安装在所述半圆形装夹部321上，所述橡胶试样4被夹持在所述橡胶试样夹具33上并朝向所述管道试样3。所述半圆形装夹部321上沿着半圆弧的方向开设有一条通槽，该通槽从半圆形装夹部321的一端沿着半圆弧的方向延伸到另一端，使所述半圆形装夹部321形成两个相距一定间距的半圆环。所述橡胶试样夹具33固定在所述通槽内；所述半圆形装夹部321的两端分别设有水平直线延伸的横臂322，所述横臂322固定在所述橡胶试样支撑台31上。如图4所示，所述橡胶试样夹具33设有夹头331、连接螺杆332和固定螺母333；所述夹头331的一端设有与所述橡胶试样4形状相配的夹持孔3311，所述橡胶试样4通过过盈配合被夹持在所述夹持孔3311中；所述夹头331的另一端与所述连接螺杆332固定；所述连接螺杆332穿过所述通槽且所述夹持孔3311朝向所述管道试样3；所述固定螺母333螺纹连接在所述连接螺杆332上将所述橡胶试样夹具33固定在所述通槽内的任一位置，两个橡胶试样夹具33之间的装夹角度由于所处的位置不同而不同。
进一步，作为压力加载测试组件40和拉力加载测试组件50的一种具体实施例，所述压力加载测试组件40包括加载吊架41、第一定滑轮43、第二定滑轮44和压力传感器42；所述加载吊架41固定在所述橡胶试样支撑台31的底部；如图5所示，本实施例中，加载吊架41包括一个矩形平板，平板的四角分别通过连杆固定连接在所述橡胶试样支撑台31的底部。管道试样组件20位于橡胶试样组件30和加载吊架41之间。所述第一定滑轮43支撑在所述加载吊架41底部并位于正中的位置，该第一定滑轮43的作用是通过绕在其上的拉绳52对加载吊架41施加向下的力，相当于压力加载部。所述第二定滑轮44设置在所述第一定滑轮43的一侧并支撑在所述加载吊架41上，用来改变拉绳52的方向，同时与第一定滑轮43共同作用，使拉绳52产生向下的合力，对加载吊架41施加向下的力。所述压力传感器42为压片式压力传感器，设置在所述夹持孔3311的底部与所述橡胶试样4之间。所述拉力加载测试组件50包括拉力传感器51、第三定滑轮54、拉绳52和加载电机组件53；拉绳52通常采用钢丝绳。所述拉力传感器51固定连接在所述管道试样夹具23一端的所述连接螺栓233上，用来测量加载在管道试样3上的轴向力。所述第三定滑轮54支撑在所述管道试样支撑台21上，用来改变拉绳52的方向。所述拉力传感器51、所述第三定滑轮54与所述第二定滑轮44位于该静摩擦模拟试验装置100的同一侧。所述加载电机组件53设置在所述基座1上，可以为一个加载电机，也可以采用加载电机与减速装置的组合，拉绳52的一端缠绕在该加载电机组件53的输出轴上，加载电机转动时拉紧该拉绳52。所述拉绳52的一端连接所述拉力传感器51，所述拉绳52沿所述管道试样3的轴向向外延伸，依次绕过所述第三定滑轮54、所述第二定滑轮44后水平延伸到所述第一定滑轮43，绕过所述第一定滑轮43后竖直向下缠绕连接到所述加载电机组件53。绕过所述第一定滑轮43的拉绳52分别为水平方向和竖直向下的方向，该拉绳52上产生的合力为倾斜向下，从而对加载吊架41施加向下的力。拉绳52的拉力作用在拉力传感器51上，对管道试样3施加轴向拉力。所述加载电机组件53通过所述拉绳52同时向所述加载吊架41施加向下的力及向所述管道试样夹具23施加轴向拉力。该静摩擦模拟试验装置100能模拟在压力载荷和拉力载荷同时增加时，静摩擦系数从小到大的变化趋势。
本实用新型静摩擦模拟试验装置100的工作方式为：测量在压力载荷和拉力载荷共同增加的动载荷加载条件下，橡胶试样4与管道试样3之间接触，静摩擦力的变化范围和变化趋势。橡胶试样4数量设定为3个，其中一个设置在管道试样3正上方，其他两个橡胶试样4设置在两侧，分别与中间的橡胶试样4产生的压力法向的夹角为60°。3个橡胶试样4共同固定在橡胶试样安装架32上。管道试样支撑台21固定在立柱2上；启动加载电机组件53，缠绕钢丝绳使钢丝绳上的力不断增加，拉力施加在第一定滑轮43上，带动加载吊架41和橡胶试样支撑台31向下移动，橡胶试样4与管道试样3相接触，压力传感器42测量每个橡胶试样4所承受的压力载荷。同时，钢丝绳拉力作用在拉力传感器51上，管道试样3受到轴向拉力作用，拉力传感器51测量管道试样3所受的拉力载荷。加载电机组件53持续运行，使压力载荷和拉力载荷同时增加，实现动载荷加载。当拉力增大到极限时，管道试样3发生轴向位移，此时试验停止。在整个试验过程中，压力传感器42、拉力传感器51连接入同一采集卡中，全程测量并记录数据变化情况，试验数据记录在计算机中，方便试验后数据处理。
以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。