中交二航局方案评审报告20150331

目录

1. 系统介绍 ........................................................................................................................... 3 1.1 系统功能、组成和用途 ................................................................................................... 3 1.2 系统主要技术指标 ........................................................................................................... 3 2. 加载框架及附件 ............................................................................................................... 4 2.1 主机组成 ........................................................................................................................... 4 2.2 主机主要技术参数 ........................................................................................................... 4 2.3 结构功能特点 ................................................................................................................... 5 2.3.1 主机与地基连接 ............................................................................................................... 6 2.3.2 水平加载作动器连接 ....................................................................................................... 6 2.3.3 主动跟动伺服加载系统 ................................................................................................... 8 2.3.4 横梁高度调整系统 ......................................................................................................... 11 2.3.5 运送试样小车 ................................................................................................................. 14 2.3.6 弯曲辅具 ......................................................................................................................... 15 2.3.7 节点辅具 ......................................................................................................................... 16 2.3.8 水平辅具 ......................................................................................................................... 17 2.4 静力分析 ......................................................................................................................... 18 2.5 材料属性 ......................................................................................................................... 18 2.6 极限受荷状况静力分析 ................................................................................................. 19 2.6.1 加载框架垂直方向受力情况 ......................................................................................... 20 2.6.2 加载框架水平方向受力情况 ......................................................................................... 21 2.6.3 底座受力情况 ................................................................................................................. 22 2.6.3.1 垂向试验力为5000kN的工况分析 ........................................................................... 22 2.6.3.2 垂向试验力为4000kN的工况分析 ........................................................................... 23 2.6.3.3 垂向试验力为3000kN的工况分析 ........................................................................... 24 2.6.3.4 垂向试验力为2000kN的工况分析 ........................................................................... 25 2.6.3.5 垂向试验力为1000kN的工况分析 ........................................................................... 26 2.6.4 斜支撑受力情况 ............................................................................................................. 27 2.6.5 上横梁受力情况 ............................................................................................................. 28 2.6.6 油缸座受力情况 ............................................................................................................. 29 2.6.7 立柱受力情况 ................................................................................................................. 30 2.6.8 吊钩撞击横梁情况 ......................................................................................................... 31 3. 电液伺服作动器 ............................................................................................................. 32 3.1 结构组成 ......................................................................................................................... 32 3.1.1 磁致伸缩位移传感器 ..................................................................................................... 33 3.1.2 负荷传感器 ..................................................................................................................... 36 3.2 技术参数 ......................................................................................................................... 38 3.2.1 5000kN垂向加载作动器 ................................................................................................ 38 3.2.2 500kN水平向拟动力作动器 .......................................................................................... 38 3.2.3 1000kN水平加载作动器 ................................................................................................ 38 4. 电液伺服油源系统 ......................................................................................................... 39 4.1 电液伺服油源 ................................................................................................................. 39

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4.2 4.3 5. 5.1 5.2 5.3 5.4 6. 6.1 7. 8.

液压分油器及管路 ......................................................................................................... 41 封闭冷却系统 ................................................................................................................. 43 计算机控制系统及软件 ................................................................................................. 45 组成与功能简介 ............................................................................................................. 46 计算机控制系统与软件的只要技术指标 ..................................................................... 47 本方案控制器与原有控制器的整合 ............................................................................. 48 拟动力软件简介 ............................................................................................................. 48 设备安装说明 ................................................................................................................. 53 设备主要安装流程： ..................................................................................................... 53 设备布局 ......................................................................................................................... 60 主要零件图纸 ................................................................................................................. 63

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1. 系统介绍

1.1 系统功能、组成和用途

多通道电液伺服结构加载系统由一套带两侧斜支撑及主动伺服跟动装置的大型结构加载框架，一套500吨主加载电液伺服作动器、一套500kN主动水平跟动拟动力作动器，两套100吨水平加载电液伺服作动器；一套200L/min电液伺服油源及一套四通道电液伺服控制器组成，最大垂向力500吨、最大水平力100吨，用于柱、梁、板、墙、框架、节点等典型结构试验。 设计方案如图1.

预应力拉杆与锁紧螺母 500吨垂向作动器底座 空间调整垫主承载横梁 100吨水平加载作动器 500吨垂向作动器 斜支撑组主动跟动加载微动探测器 空间调整油缸 带有试样固定锚栓孔的底座

图1 多通道电液伺服结构加载系统设计方案图

1.2 系统主要技术指标

 垂向加载能力：压力：5000kN，拉力：2000kN，活塞行程：600mm；  水平方向的加载能力均为：推拉力：1000kN，活塞行程：500mm；

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 液压系统：额定流量，200L/min，系统压力：23MPa，电机功率：100kW,

带有封闭式冷却系统。包含1个4通道分油器及油源到分油器的硬管及分油器到作动器的软管；

 控制系统：4通道协调加载，能够进行静态试验力和试验位移的闭环

加载控制，满足试验要求。

2. 加载框架及附件

2.1 主机组成

主机采用高度可调的预应力框架结构，由带有锚栓孔的结构试验用底座、分段组成并由预应力拉杆连成一体的立柱、带有主动跟动导轨的作动器底座与横梁以及用于水平加载的斜支撑框架组成。其中，带有直线导轨的作动器底座板是实现500吨主加载作动器的主动跟动加载控制的主要机构。

2.2 主机主要技术参数

(1).最大试验空间:工作台长度5500mm，宽度3000mm，工作台增加辅助底板后的长度：13000mm。试验空间高度：4500mm（不包含微动装置），可以完成的节点试验高度是4500，增加微动装置后，可以完成柱、墙、框架的高度是4000mm；

(2).工作台长度5500mm，宽度3000mm；

(3).主机垂向最大承载能力为5000kN，水平方向最大承载能力为1000kN； (4).主承载框架在最大负荷下，：横梁中点垂直方向的变形不大于5mm，水平方向的变形不大于4mm；

(5).空间调整：带有四个调整分段，2段高度为1米，2段高度为0.5米，共分为五级；

(6).试验空间可分级调整，保证调整后拉压无间隙。

(7).底座有间距500*500的M36锚栓孔，试验中不需要的锚栓孔有锚栓盖覆盖，锚栓盖与底座表面齐平，保护螺纹不被破坏和损伤。如下图：

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锚栓盖

2.3 结构功能特点

主机如下图所示：

横梁 500吨垂向作动器底座 水平横梁 预应力拉杆和锁紧螺母 分段立柱 水平方向斜支撑 加长底座 承载底座

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2.3.1 主机与地基连接

本系统主机设计为自反力结构，主机安装时需要调整工作台下方的垫铁使其水平，地脚锚栓上端与工作台或斜支撑的底座连接，下端放置于基础的锚栓坑内，整机安装完成后，采用二次浇注的方法将锚栓固定。连接方式如图.

主机调平垫铁 二次浇注地脚锚栓孔 地脚固定锚栓

2.3.2 水平加载作动器连接

水平加载作动器的用途是给结构试件施加水平力。水平作动器采用负荷传感器测力，因为带有前后球铰，可以保证负荷传感器不受侧向力的影响。但是，平面加载的情况下，垂向加载作动器施加的垂向负荷，会导致试样沿垂向变形，垂向变形会导致水平作动器沿后球铰偏转，偏转后的水平力不再是纯粹的水平载荷，而是偏转后载荷的水平分力，本方案用解析法实时消除因为偏转导致的水平载荷对垂向载荷和水平载荷的影响。

当试件受到垂向载荷导致试件出现变形时的受力分析图如图。

垂向加载导致的水平载荷偏转示意图

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误差消除的解析算法： Fh=Fh′*cosα; Fv=Fv+ Fh*sinα sinα=ΔLv /(Lh+ΔLh)

其中，Fh: 施加在试件上的真实水平力 Fh′水平作动器的实际输出力 Fv: 施加在试件上的真实垂向力 Fv′：垂向作动器的实际输出力 α：水平作动器的偏转角 ΔLv：垂向作动器的垂向位移 ΔLh：水平作动器的输出位移

Lh ：水平作动器的原始长度（从后球铰中心到试件几何中心的长度） 说明：无论是拉伸还是压缩试验， Fv的方向与Fh′垂向分力的方向均相同。

水平作动器与主机加载框架之斜支撑的连接方式如图：

′

′

水平伺服作动器

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水平作动器在垂直方向上的位置调整可以通过垂向调整辅具来实现。如下图：

垂直升降承载梁 吊环及提升装置 吊带 水平横梁 固定拉杆和螺母

水平作动器和横梁的提升方式：

（1） 首先将吊环拧到垂直升降承载梁的下部螺纹孔处，将手拉葫芦挂到吊环

上；

（2） 用手拉葫芦和吊装带拉起水平作动器至水平，将水平横梁用吊装带挂到行

车吊钩上；

（3） 启动行车使吊装带拉直并微微受力，将水平横梁固定拉杆全部拆下；

（4） 缓慢提升或下降行车，同时手拉葫芦进行同步操作，使作动器和水平横梁

保持水平，并且在垂直方向升降，当水平横梁到达指定位置时，用拉杆和螺母将水平横梁重新固定并且预紧。

2.3.3 主动跟动伺服加载系统

主动伺服跟动加载系统是本方案的灵魂（专利技术）。该技术的原理如下所示：

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500吨主加载作动器通过主动跟动机构与主机加载框架我的横梁座板连接。本方案的主动跟动机构由带有直线导轨的作动器底座、主动跟动控制作动器和500吨主加载作动器前端安装的微动探测器三个主要部分组成，配上相应的传感器和伺服阀，控制系统就可以根据微动探测器上检测到的试样在水平加载作动器作用下水平变形的大小从而由主动跟动伺服作动器推动500吨主加载作动器完成伺服跟动。本部分的设计方案如下图：

作动器底座 伺服跟动作动器 直线导轨与滑块 直线导轨与滑块 主作动器横梁 微动探测器 9

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本项目中的直线导轨采用日本THK公司型号为SHS型直线导轨，单根导轨多滑块配置。水平滑动装置的直线导向技术是由导轨来实现的，导轨的主要作用是支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动，这是工件台实现直线轨迹运动的基础。如下图： 滑 块 导 轨

由于直线导轨移动时摩擦力非常小，只需较小动力便能让加载头运行，尤其是在负载工作方式为经常性往返运行时，更能明显降低机台的损耗量。且因其摩擦产生的热较小，可适用于高速运行。

两个做相对运动的部件构成一对导轨，其中不动部件称为固定导轨或静导轨，运动部件称为运动导轨（导向支撑）。运动轨迹为直线的称为直线运动导轨，直线导轨的导向原理从定位原理可知，一个刚体要在空间完全定位，必须其自由度，即沿x，y方向的移动和绕x, y方向的转动。对于直线运动导轨，为使运动件沿给定的方向移动，就必须其他方向自由度。

本方案采用直线导轨为SHS系列，摩擦系数可以达到0.002-0.003。 主动跟动加载系统的运动过程具体如下：

（1） 水平100吨作动器产生移动，由于活塞前端与试样连接，带动试样水平移

动，试样顶端受到垂向力，并且与垂向球铰接触，两者之间的接触摩擦力远远大于直线导轨的摩擦力，于是试样的移动带动连接球铰的滑块移动； （2） 此时测微探头检测到出现相对移动，并且将数据反馈到控制器，控制器将

位移数据信息经过处理后控制跟动油路伺服阀，从而控制主动跟动油缸产

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生水平移动；

（3） 水平主动跟动作动器推动垂向500吨作动器水平移动，并且将移动位移数

据反馈回控制器，控制器将反馈的位移与测微探测器的位移进行比较，若测微探测器相对位移回复到原始值（相对0位）则垂向500吨作动器轴线与试样轴线重合，从而实现主动跟动功能。

伺服跟动的关键部件是可以自由滑动的主作动器底座以及试样与主作动器器之间的微动探测器，如果没有上述两层的可滑动环节，仅仅依靠闭环控制，是无法解决垂向主作动器与水平加载作动器位移同步问题的，一旦出现不同步现象，将极大的影响水平加载负荷的准确性和测量过程的稳定性。

2.3.4 横梁高度调整系统

预应力框架的立柱是分段式的，通过改变分段立柱在横梁上、下的位置，进而改变试验空间，提高设备的使用范围。在调整横梁高度时候采用油缸等步升降方式。

需要调整空间高度时候具体步骤如下：

（1）首先用拉拔器将预应力杆上的预应力螺母反向松掉，直到将螺母拧到与横梁有一定的间隙（大约100mm以上）,然后启动升降油缸将横梁抬起，用行车将调节高度垫块取下（所需高度需要取下的垫块），

（2）然后将升降油缸下降，横梁跟随一起下降，直到横梁接触调高垫块后，再将取下的垫块放到横梁和预应力螺母之间；

（3）将预应力螺母拧到接触调节垫块，不能再拧位置，然后再加上拉拔器，将预应力拉杆重新拉拔。

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预应力螺母 调节垫块 升降油缸 油缸固定座

拉拔器是一种主要用于螺栓拉伸的装置，有本单位自己设计生产。

设备原理图如下，将设备安装到需要拉伸的螺栓处，要求设备底部接触面水平，套筒上紧，胶管一端接到手动泵，一端接到缸体接头，要求接口密封性好。

拉拔器

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手动泵

拉拔器使用方法如下：

启动手动油泵，随着压力增加活塞慢慢伸出缸体，套筒拉伸预应力杆，然后通过扳手上紧螺母，当看到活塞露出红线时（如继续加压伸出，活塞可能直接脱出缸体，造成拉拔器无法使用），停止动作，并且将手动泵卸压，顺时针向下拧紧套筒，将活塞重新退回缸体内，直到活塞和缸体在一水平面上，此时完成一个循环；再次重复这一循环进一步拉伸，直到拉伸到需要的压力，如下图：

手动泵加压 ↓ 套筒拉伸螺栓，扳手上紧螺母 ↓ 手动泵卸压 ↓ 上紧套筒，一个循环结束

本项目每根立柱拉预拉力为1400kN，根据拉拔器工作原理计算：拉拔器需要提供的压力为：P=1400000*4/π/(活塞缸半径的平方-活塞杆半径的平方)=1400000*4/π/(380*380-230*230)=19.5MPa

所以供油泵需要提供给拉拔器油缸的压力为19.5MPa。

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2.3.5 运送试样小车

本方案中配有方便试样放入工作台的运输小车，小车的布局如下图：

小车布局图

运料小车采用钢板焊接而成，电机经过减速机后得出合理的转速，将动力传递给电机轴端的主动轮，主动轮通过齿轮带传递给带有连接轴的从动轮，然后连接轴的转动带动轮子的转动，从而使小车沿着铁轨运动，当小车带着试样运动到达指定位置后，通过垂向作动器和吊装带将试样提起，小车反向运动退出试验区域，然后控制作动器将试样落下，并且固定在底座上面。小车结构如下：

车轮

导轨 台面 连接轴 传动齿轮带 电机 14

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小车主要参数：

(1) 小车工作台面板尺寸为2500mm*1800mm，板的表面有M24的螺纹孔，

用作运输过程试样固定使用；

(2) 小车运动速度在19mm/S左右，小车最大承重为7.5吨 (3) 导轨为分段结构，总长度为9000mm。

2.3.6 弯曲辅具

弯曲辅具主要包括弯曲支座、压头、支滚、连接锚栓等相关零件，主要是

用来进行梁实验的辅具，结构如下图：

分配梁 弯曲支点 试样梁 弯曲支座

弯曲支座通过底座的锚栓孔用锚栓连接在试验台底座上，并且可以根据需要调节弯曲支座之间的距离，分配梁通过螺栓连接在垂向油缸的球铰上，根据试验要求在试样横梁的上面和下面放置弯曲支点，通过垂向作动器施加垂向力来完成弯曲试验。

其中分配梁采用分体式结构以满足不同试样的需求，分配梁分为2根1米，1根3米，这样可以根据试样的长短采用合适的分配梁进行试验，方便使用。以

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混凝土梁的弯曲试验为例，不同加载点间距的分配梁承载力如下表： 序号 1 2 3 4 5 支点距离（m） 最大压力（kN) 1 5000 2 3500 3 2000 4 1100 5 600 2.3.7 节点辅具

节点辅具主要包括底部铰接座、臂部连接板、顶部固定拉杆等相关部件，主

要是用来进行十字节点试验，结构如下图：

试样 顶部固定组件 壁部连接板 壁部作动器 底部连接板 底部铰接座

节点辅具中底部铰接部件是用来承载试样的垂向载荷，并且通过锚栓固定在底座上，壁部连接板将试样固定在壁部作动器上，作动器通过底部连接板固定在工作台底座上，提供竖向拉力和推力，垂向作动器通过顶部压头对试样施加垂向力。

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另外我们此次配置的节点辅具，不仅可以使用100吨作动器，还可以使用原购买的2个50吨作动器，辅具的通用性好。

2.3.8 水平辅具

水平辅具主要包括斜支撑、固定锚栓、拉杆、锁紧螺母等相关零件，主要用来进行墙、柱试验，结构如下图： 斜支撑 水平试样连接板 拉杆及锁紧螺母 固定锚栓和螺母

水平辅具中水平作动器固定在斜支撑上，提供水平反力，并且水平作动器的前球铰通过试样连接夹板和高强度拉杆与试样连接在一起，垂向作动器通过分配梁将垂向试验力均布在试样上表面，并且使试样始终受到垂直向下的试验力，试样底部通过固定锚栓和螺母固定在工作台底座上，提供约束力。

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2.4 静力分析

2.5 材料属性

 根据《设计手册》弹性模量E=206GPa=2.06×10^5 MPa，切变模量

G=79GPa=7.9×10^4 MPa，泊松比μ=0.3。

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 根据《设计手册》钢结构选用Q235-B，板厚均在16~40mm之内，

故 屈服强度σs=225MPa，取抗拉强度σb=400MPa。

 其中立柱所用材料为45号钢，经过调制处理，屈服强度大于355MPa，

抗拉强度大于600MPa。

2.6 极限受荷状况静力分析

根据主加载框架要求，建立三维有限元分析模型，主加载框架主要是由油缸固定座、上横梁、斜支撑、固定支撑、可调节支撑、立柱、底座等组成。上横梁跟底座通过立柱固定在一起，横梁上表面和底座下表面有经过调制处理的直径265mm的螺母，并且每根立柱都通过拉拔器，对立柱施加了140吨的预紧力，消除试验过程中横梁和底座之间连接处的间隙，连接的上横梁与底座之间有固定支承和可调节支撑，可以调节上横梁的高度；横梁和油缸座通过56个M30的高强度螺栓连接在一起；斜支撑的底座通过8个M30的高强度螺栓连接在一起，斜支

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撑上横梁通过一个转接块与横梁连接在一起，连接方式为10个M30的高强度螺栓加预紧力连接。

主加载框架两个主横梁上的油缸座通过直线导轨承受5000kN的均布载荷，受力面积为4*2200mm*63mm（4根直线导轨的接触面积）。两根斜支撑通过一个油缸固定横梁连接在一起，固定横梁放置在斜支撑中心位置，并且在油缸固定横梁的中部施加1000kN的均布载荷，受力面积为360mm*360mm（油缸后部接触面积），同时对底座上表面800*800的范围进行约束，利用Simulate对主加载框架进行有限元模型分析。

2.6.1 加载框架垂直方向受力情况

图1主加载框架垂直方向应力图

图1显示为垂直方向所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，加载框架的垂直方向最大应力为115MPa。

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图2 主加载框架垂直方向变形图 图2显示为垂直方向变形情况，垂直方向的最大变形为3.2mm。

2.6.2 加载框架水平方向受力情况

图3 主加载框架水平方向应力图

图3显示为水平方向所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，加载框架的最大应力为120MPa。

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图4 主加载框架水平方向变形图 图4显示为水平方向变形情况，水平方向的最大变形为2.5mm。

2.6.3 底座受力情况

针对不同吨位试验力对应的底座进行最小受力面积分析：

2.6.3.1 垂向试验力为5000kN的工况分析

放置在底座上的试样面积为800mm*800mm

图5 底座应力图

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图5显示为底座所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，底座的最大应力为105MPa。

图6 底座变形图

图6显示为底座变形情况，底座变形最大值为0.17mm。 2.6.3.2

垂向试验力为4000kN的工况分析

放置在底座上的试样面积为600mm*600mm

图7 底座应力图

图7显示为底座所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，底座的最大应力为95MPa。

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图8 底座变形图

图8显示为底座变形情况，底座变形最大值为0.1mm。 2.6.3.3

垂向试验力为3000kN的工况分析

放置在底座上的试样面积为600mm*600mm

图9 底座应力图

图9显示为底座所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，底座的最大应力为86MPa。

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图10 底座变形图

图10显示为底座变形情况，底座变形最大值为0.1mm。 2.6.3.4

垂向试验力为2000kN的工况分析

放置在底座上的试样面积为400mm*400mm

图11 底座应力图

图11显示为底座所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，底座的最大应力为96MPa。

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图12 底座变形图

图12显示为底座变形情况，底座变形最大值为0.1mm。 2.6.3.5

垂向试验力为1000kN的工况分析

放置在底座上的试样面积为150mm*150mm

图13 底座应力图

图13显示为底座所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，底座的最大应力为50MPa。

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图14 底座变形图

图14显示为底座变形情况，底座变形最大值为0.03mm。

2.6.4 斜支撑受力情况

图15 斜支撑应力图

图15显示为斜支撑所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，斜支撑的最大应力为78MPa。

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图16 斜支撑变形图

图16显示为斜支撑变形情况，斜支撑的最大变形为1.2mm。

2.6.5 上横梁受力情况

图17 上横梁应力图

图17显示为上横梁所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，上横梁的最大应力为115MPa。

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图18 上横梁变形图

图18显示为上横梁变形情况，上横梁的最大变形为1.2mm。

2.6.6 油缸座受力情况

图19 油缸座应力图

图19显示为油缸座所受应力情况，不考虑应力集中点的影响，油缸座的最大应力为122MPa。

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图20 油缸座变形图

图20显示为油缸座变形情况，油缸座的最大变形为0.33mm。

2.6.7 立柱受力情况

当设备整机受到5000kN的试验力时候，立柱每根受力为1250kN，具体分析如下：

图21 立柱应力图

图21显示为立柱所受应力情况，立柱采用45号钢调质制作而成，不考虑应

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力集中点的影响，立柱的最大应力为55MPa。

图22 立柱变形图

图22显示为立柱变形情况，立柱的最大变形为1.79mm。

2.6.8 吊钩撞击横梁情况

在调整横梁高度时候，吊钩撞击横梁，对立柱产生侧向力，假定撞击力最大为2吨，具体分析如下：

图23立柱应力图

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图23显示为立柱所受应力情况，立柱采用45号钢调质制作而成，不考虑应力集中点的影响，立柱的最大应力为50MPa。

3. 电液伺服作动器

3.1 结构组成

本系统配备一套最大推力为5000kN的垂向主加载作动器，一套用于实现主动水平跟动的500kN水平向拟动力作动器以及2台1000kN水平向加载电液伺服作动器。

500吨垂向主加载作动器配有油压传感器和美国MTS产内置式磁致伸缩位移传感器，并带有前微动探测器与球铰、后滑动直线导轨机构。

500吨作动器及球铰和滑动装置

100吨水平向加载电液伺服作动器配有美国世铨产轮辐式负荷传感器和美国产内置式磁致伸缩位移传感器，负荷传感器连接在加载端球铰和作动器活塞杆之间，并带有锁相环装置消除连接间隙。作动器尾端和加载端均配有易安装和拆卸的高精度球铰，用于和加载框架及试样的连接

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后球铰 位移传感器 负荷传感器

100吨作动器组件

前球铰

3.1.1 磁致伸缩位移传感器

此次测量作动器位移的传感器采用美国MTS公司出产的RH型耐高压紧凑型传感器，这种新式紧凑型不锈钢位移传感器专为液压缸的内置安装而设计，特别适合带耳环油缸或任何空间受限的应用。RH型传感器是各种标准液压缸系列的理想选择。理想驱动系统中有磁致伸缩位移传感器、高品质以及高精度控制阀，这能很好的符合机械行业中对技术的高要求。

内置式磁致伸缩位移传感器主要由三部分组成： 1. 传感器头，内置电子电路的坚固外壳；

2. 带有螺纹法兰的传感器耐压外管（最高值为450巴），保护着内部感应元

件-波导管系统。外导安装于钻孔的活塞杆内。

3. 位置磁铁是传感器中位移的运动部件，安装于活塞顶部；

传感器工作原理：永磁磁铁沿着传感器的固定外管，无磨损，非接触地移动。磁场通过传感器外管，开始信号的测量。Temposonics-RH系列传感器提供电流电压的模拟输出。输出信号与处于传感器有效行程的磁铁位置成正比。测量范围经出差设定，无需重新校准。由于输出是直接的，因此，在于控制或显示表连接时，无需信号调理单元。外形如下图：

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磁致伸缩位移传感器

技术数据

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3.1.2 负荷传感器

本次项目作动器的力值部件采用美国世铨出产的高精度轮辐式传感器。轮辐传感器的低截面设计更适合在安全因素对高度有严格要求的条件安装。在通常工作条件下不可避免地会出现侧向力，而轮辐式传感器设计仍会提供卓越的性能，本体为合金钢结构采用化学镀方式防护等级达到IP67，有效的防止水和潮气的侵蚀，可以满足不同精度试验的要求，同时也可以采用各种力量测量，具有以下特性：

（1） 低截面的紧凑设计 （2） 高输出小变形

（3） 合金钢无电解镀镍 （4） 偏心加载补偿 规格 参数 额定量程 推荐激励电压 最大激励电压 额定输出 非线性 迟滞性 非重复性 蠕变（20分钟） 零点回复 零点温度补偿 输出温度补偿 值 100t 10VAC/DC 15VAC/DC 3mV/V±0.25％ 0.10% 0.10% 0.02% 0.03% 0.03% 0.0015 0.0026 单位 Vdc orVac rms Vdc orVac rms mV/V ±％of rated output ±％of rated output ±％of rated output ±％of rated output ±％of rated output ±％of rated output/℃ ±％of rated output/℃ 36

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温度补偿范围 工作温度范围 零点平衡 输入阻抗 输出阻抗 绝缘阻抗 安全过载 极限过载 外形尺寸

-10℃to+40℃ -20℃to+60℃ ±1％ 385±5Ω 350±3Ω ＞5000MΩ 150％ 300% ℃ ℃ ±％of rated output Ohms Ohms Mega-Ohms ％ of R.C. ％ of R.C.

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3.2 技术参数

3.2.1 5000kN垂向加载作动器

（1）作动器数量：1台；

（2）采用计算机-电液伺服控制方式控制作动器工作； （3）加载能力：压5000kN，拉2000kN；

（4）负荷测量范围与精度：4%--100%FS，±1%示值； （5）行程：600mm； （6）位移分辨力：0.01mm； （7）采用Moog公司伺服阀控制； （8）配有MTS公司内置式位移传感器； （9）配有高精度油压传感器。

3.2.2 500kN水平向拟动力作动器

1） 作动器数量： 1台；

2） 采用计算机-电液伺服控制方式控制作动器工作； 3） 加载能力：±500kN； 4） 行程：800mm； 5） 位移分辨率：0.01mm； 6） 采用Moog公司伺服阀控制； 7） 配有MTS公司内置式位移传感器；

3.2.3 1000kN水平加载作动器

1） 作动器数量：2台；

2） 采用计算机-电液伺服控制方式控制作动器工作； 3） 加载能力：推1000kN,拉1000kN；

4） 负荷测量范围与精度：4%--100%FS，±1%示值； 5） 行程：500mm； 6） 位移分辨力：0.01mm； 7） 采用Moog公司伺服阀控制；

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8） 配有MTS公司内置式位移传感器； 9） 配有美国世铨高精度负荷传感器； 10） 带有前后无间隙关节铰。

4. 电液伺服油源系统

4.1 电液伺服油源

本系统配备电液伺服油源一套，额定工作压力23MPa，额定流量200L/min，带有封闭式冷却系统，保证油源可以长时间连续工作。带有PLC智能油源控制器，可以远程监控油源的运行状况。

另外，从老试验室搬迁过来的100L/min流量的伺服油源，将与新的油源整合在一起，在新的结构试验室的油源室内，统一控制，统一布管，在500吨结构试验系统工作时，可以提供300L/min的液压流量供试验室的其它系统（如MTS疲劳试验系统或邦威多通道结构试验系统）使用。

同济大学300L/min智能电液伺服油源照片

智能油源电控柜以PLC控制器为核心，与控制室中的主控计算机通过网线连接，既可以本地控制又可以远程监控和操作。

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1） 液额定流量：200L/min

2） 额定工作压力：23Mpa；0—23MPa连续可调；压力脉动：小于0.2MPa； 3） 带有循环过滤器和出油口的高压过滤器，低压过滤精度：10um，高压过

滤精度：3um；

4） 油源流量为200L/min的泵组的输出既可以供给本试验系统使用，也可以

供给MTS疲劳试验系统使用（非同时）。

5） 采用德国力士乐恒压变量泵A10VSO140，带有循环过滤与冷却系统，

可以长时间稳定工作，连续工作时间不低于10天。

6） 泵组均带有吸油滤油器、出油单向阀和的调压与保护模块，可以单

独启动，工作，也可以同时启动，同时工作；

7） 液压油源由一台带有液晶显示屏的PLC进行智能集中控制与管理。 采用PLC管理液压泵站，减少了电气连线和强电按钮，提高了可靠性，可以把油源的所有参数数字化显示在液晶屏幕上。更重要的是，PLC控制器把液压泵站的数字化信息通过网络传给布置在控制室的主控计算机，用户可以方便的监控液压泵站的工作。

PLC控制面板显示如图

图7 PLC控制面板照片

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1） 带有液压源强电启动柜，既可以本地启动，又可以远程启动，泵源控制

具备完善的系统互锁功能。

2） 带有油温、液位、压力报警和保护装置 3） 配有油源到设备的所有软硬管

4） 带有给额定流量为200L/min、为其他设备供油的分油阀块，阀块上每根

输出都带有截止阀或堵头

4.2 液压分油器及管路

液压系统配备一台单路输入四路输出分油器和相应的管路为加载器提供电液伺服液压油，类似的液压分油器图片如图.

液压分油器可以对每一个通道的加载器或作动器提供的对其它通道没有影响的稳定、清洁的液压控制油输出、流量控制和保护，每一个控制油路都带有压力控制阀组和必要的蓄能器、高压滤油器等相关元件，基本参数如下：  阀台的总输出流量不少于200LPM；  单路输出流量不小于50LPM；  带有高压滤油器和进回油口蓄能器。

液压分油器照片

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液压系统的关键元件：恒压变量泵

本液压油源采用德国力士乐公司A10VSO恒压变量泵，该泵带有机械伺服变量机构，可以在设定的工作压力下，只输出系统需要的流量，具有最好的能源利用率。同时，该泵的机械变量机构具有高达60Hz的响应频率，加上液压油源在分油器上配备了蓄能器，因此，可以满足结构疲劳试验系统对液压系统的快速响应要求。德国力士乐A10VSO恒压变量泵的外观照片和恒压变量曲线如图。

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A10VSO恒压变量泵照片与原理

4.3 封闭冷却系统

1） 工作原理：

本产品利用两级冷却方式即：一级冷却采用风冷，依靠风对冷却器盘管进行冷却；二级冷却采用风冷和喷淋，，在环境温度比较高时使用二级冷却，在冷却的同时喷淋系统将水淋到冷却器表面上，在水蒸发时能够带走盘管的热量，通过顶部的风机把湿热空气经脱水器回收后排出机外，从而达到冷却效果。环境温度比较低时，采用一级冷却。喷淋水的消耗量也仅为单位流量0.1%-0.2%。

封闭式冷却系统工作原理

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2） 适用范围：

作为热处理行业的主要辅助设备，运用于热处理淬火介质、可控气氛多用炉、感应加热炉、真空炉等； 空调、锻造、铸造、化工、食品、注塑、印刷、发电机组、电厂、自来水厂、大型排灌站水泵机组、疲劳试验机、玻璃熔窑等诸多领域。

3） 结构组成

结构组成

4） 系统结构框图与相关参数

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系统参数

5） 选型计算书

根据液压系统发热功率经验估算法：一般取系统总功率的1/3~1/2作为冷却器的散热功率，此处取1/2。200L/min油源电机功率：90kW，原100L/min油源电机功率：45kW,总功率为135kW。

135kW电机发热量≤(135/2)=67.5kW/h=58117.5kcal/h 根据选型手册：

选用型号为ZBL-05型，冷却能力为150000kcal/h＞发热量58117.5kcal/h，制冷能力为发热量的2.5倍。

5. 计算机控制系统及软件

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5.1 组成与功能简介

本系统采用杭州邦威公司POP-M型工控PC多通道电液伺服控制器，配有4个控制通道，并预留扩展至8个通道的能力，可以完成4通道所有作动器的同步、异步加载闭环控制，每个通道都有1kHz的采样频率和500Hz的闭环控制频率，既可以同时控制4个作动器动作，也可以单独控制某一个或几个作动器工作，具有扩展为8个闭环控制通道的能力。

POP-M型工控PC控制器的外观照片如图

POP-MF控制器照片

POP-M控制器带有POPWARE-M应用软件，软件工作在Windows环境下，具有良好的人机界面和使用稳定性。浙江大学岩土所高铁路基动力试验系统采用POP－M控制器和POPWARE－M应用软件，控制８个作动器模拟高铁列车对路基的连续作用，多次成功的完成了超过100万次的高铁路基动力试验，验证了该控制器的可靠性。

POPWARE-MF应用软件的界面如图.

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POPWARE-M应用软件界面

5.2 计算机控制系统与软件的只要技术指标

 POP-M控制器以最新一代研华P4工控计算机为核心，全数字控制，包括计算机、测控卡、电源、连接电缆等相关的硬件和正版Windows操作系统；

 单通道采样频率：1kHz；  多通道动态控制方式与最高频率：

 分为位移闭环控制和试验力闭环控制两种，两种方式可以相互互换。  带有阶梯加、卸载以及程控加载能力

 可以实现垂向加载作动器的计算机主动伺服跟动控制  可控制作动器数：4个

 软件采用Windows操作平台，具有人机交互控制模式设置功能，用户可以根据需要设计复合型控制模式。

 具有实时的数据采集功能，在完成数据采集后具有数据编辑、波形显示、图形输出、数据存储、打印等功能。用户可以修改数据记录的格式、时间间隔和数量等，处理结果与常用的文档处理软件如MS word、MS excel 等有方便的接口。

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 带有控制参数模拟输出装置。

 测控软件预留接口，方便用户与应变应力测量分析仪表（如多通道应变仪）等采集仪器连接，实现载荷、应变等信号同步采集。  系统具有完善的保护功能，包括但不限于如紧急停机、油缸行程限位保护、液压系统最大压力保护、试验力过载保护以及紧急停止工作(断电)、安全防护网等安全防护功能。所有软件和参数设置要有备份，保证在重装系统时能及时恢复。

 初次调试时，可根据用户要求对软件进行免费修改，三年内免费升级。

5.3 本方案控制器与原有控制器的整合

 本方案采用邦威公司最新一代的POP-M控制器，该控制器自身具有可扩展能力，在未来可以根据需要扩展为8通道控制器。

 新一代POP-M控制器具有控制器网络服务器功能，可以与老一代POP-M控制器通过联线组成控制器网络，充分发挥原有控制器的性能，在不采购新控制器的情况下，将原有的加载通道数和新增加的加载通道数加在一起使用，极大的拓宽了控制器的使用范围。

 组成控制器网络后，可以互换控制通道与作动器，并可以将所有通道的数据传输给数采系统。

 具有与最新的邦威集中式数采系统联网的能力，可以充分发挥不同时期采购的数采系统的能力，提高设备利用率。

5.4 拟动力软件简介

一、概述

NetSLab（Networked Structural Laboratories）是网络化结构实验室的简称，它将异地分布的单一结构实验室通过互联网连接在一起，形成功能强大的网络化结构实验室以进行结构远程协同拟动力试验，从而提高综合试验能力，并达到资源共享的目的。

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在国家自然科学基金重点项目（项目批准号：50338020）资助下，湖南大学研究人员协同远景网络公司开发了用于结构远程协同试验的网络通讯平台。利用网络通讯平台，湖南大学研究人员开发了数个结构远程协同拟动力试验平台，共同构成了NetSLab试验系统。这些试验系统可以连接MTS电液伺服系统、杭州邦威机电控制工程有限公司的作动器、Parker作动器进行子结构拟动力试验，既可以进行远程异地实验室的协同试验，也可在单一实验室内部进行试验。试验系统已经在湖南大学、哈尔滨工业大学、清华大学和美国南加州大学的实验室之间进行测试，进行了单层框架结构试验、多层框架结构试验、多跨桥试验、桥梁桩基础试验。

二、试验平台简介

1．单层结构拟动力试验平台

单层结构拟动力试验平台的构架如图所示，它包括控制中心、真实试验机、虚拟试验机和远程观察器四个模块。控制中心负责组织、控制整个试验进程，进行结构整体分析，计算出一个试验步结构的位移，然后将需要进行拟动力试验的构件位移作为位移指令发送给各个实验室的试验机。试验机程序接收到控制中心发来的位移指令后，发送给实验室的设备控制程序，控制作动器动作，然后将恢复力反馈回控制中心程序。试验机程序有两类，一类是真实试验机,它利用试验设备获取试件的恢复力；另一类是虚拟试验机，它利用计算机模拟来获取构件的恢复力，一般用于真实试验之前进行虚拟试验测试。控制中心在接收到所有试验机发回的构件恢复力后，再进行整体结构计算，产生下一个试验步的位移指令发给各个试验机。用户可以利用远程观察器程序了解试验进程，但是不能干预试验。如果在单一实验室进行一般的试验，则不需要远程观察器程序接入试验系统，也不需要虚拟试验机程序参与试验。

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结构远程协同拟动力试验框架

利用单层结构拟动力试验平台可以进行桥梁结构和单层剪切型框架结构的远程拟动力试验。适用的结构体系描述如下： （1）单自由度结构体系（单柱墩桥的横桥向振动）

对于如图a所示的单柱墩桥的横桥向振动，当可以简化取一个桥跨进行地震反应模拟时，结构可以理想化为单质点体系，如图b所示。结构体系的质量取桥墩左右桥跨上部结构的一半质量和桥墩的质量。这种理想化的单质点结构体系试验加载如图c所示，试验柱就是该单柱桥墩。

单柱墩桥横桥向振动

（2）框架结构体系（单柱墩桥顺桥向振动或排柱墩桥横桥向振动）

对于多跨单柱墩桥梁的顺桥向振动和排柱墩桥的横桥向振动，可以取单层框架结构体系进行地震反应模拟。在目前的试验平台中，假设框架横梁的刚度无穷大，所以整体结构的振动模型仍然是单自由度结构体系，但是结构可以是等高或不等高多柱框架，如下图a所示。结构体系的质量根据原结构情况确定，如顺桥向振动，取实际跨数上部结构质量和相关桥墩质量，对于横桥向振动，则取排柱墩左右跨上部结构一半质量及桥墩质量。试验柱可以考虑两种情况，若整体结构的各个柱子完全相同，则一个试验柱乘以柱子总数就可以模拟全部结构；否则，每个柱子需要单独考虑，或用试验模拟，或用计算机进行数值。试验加载方式可

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以有如下三种方式，若桥墩与上部结构之间只传递剪力，不传递弯矩，试验加载方式如下图c所示，试件长度取桥墩高度；若桥墩与上部结构固接及桥墩上部是盖梁，则试件高度取墩底到反弯点之间的高度，一般为桥墩高度的一半，如下图b所示；当桥墩长细比较小，桥墩以剪切变形为主时，可以采用如下图c所示的加载方式，此时试件高度取桥墩全高，试件顶部和底部都不能发生转动。

图3 框架结构体系

2．多层结构拟动力试验平台

多层结构拟动力试验平台的与单层结构相同，也由控制中心、真实试验机、虚拟试验机和远程观察器四个模块组成。该试验平台可以进行多层剪切型框架结构的远程协同拟动力试验和数值模拟，如下图所示，试验时可以取任何一层或多层结构作为试验子结构进行试验，其余部分作数值模拟。

计算子结构试验子结构计算子结构

多层剪切型结构试验模型

3．多跨桥梁结构拟动力试验平台

多跨桥梁结构拟动力试验平台采用下图所示的桥梁模型进行子结构拟动力试验。整体结构采用平面二维分析模型，上部结构梁体采用无限刚体模拟，桥梁地震惯性力主要集中在上部结构梁体，墩底固接，不考虑基础对地震反应的影响。支座采用水平非线性弹簧单元来模拟沿顺桥向的恢复力特性，水平非线性弹簧单元的滞回恢复力采用双线性模式。采用塑性铰模型来模拟桥墩底部的塑性区域。

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M1K1K2K2m1K3K4m2m3M2K5m4m5K6K3m6K7M3K8..Xg

梁式桥结构拟动力试验模型

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6. 设备安装说明

6.1 设备主要安装流程：

1. 底座的就位

2. 预应力杆的安装

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3. 立柱的安装

4.斜支撑的安装

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5. 升降缸的安装

6. 横梁和横梁连接的安装

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7. 跟动油缸的安装

8. 底座延伸板和支撑的安装

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9.水平作动器固定梁和升降固定梁的安装

10.水平作动器和升降葫芦的安装

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11.油缸座和上滑动板以及跟动滑动装置的安装

12. 500吨作动器的安装

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13. 下滑动装置和球头的安装

14.垂向作动器装置的反转和的安装

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15.运料小车的安装

7. 设备布局

此次项目根据新建实验室结构情况，将统筹布局所有设备，管路走线位置尽量布满试验室试验区域。原购买的100L/min电液伺服油源与本项目采购的200L/min电液伺服油源统一布管，并且组成最大输出为300L/min的大流量油源，可以为设备提供最大输出为300L/min的流量，满足日常试验的需求。

本项目油源采用封闭式冷却循环系统，封闭式冷却系统放置在油源房内，冷却水可以循环利用，冷却效果更好。原先购置的200吨多通道电液伺服加载系统中的冷却装置，需要经过现场通电测试，根据冷却塔实际工作情况判断其继续使用的可行性，若工作情况正常，用户可以自行给天水红山试验机使用。

新组成的油源放置后，根据位置进行现场布管，管路直接进入管道槽内，并且用管架固定，管道槽上部加盖板，管路整齐，不影响试验室空间使用。

将原100L/min的四通道分油器放置在200吨控制室外面，原先购置的200吨组合加载系统，可以直接接软管使用，控制线路随管路一起放置在管道槽内。

现制作200L/min的四通道分油器放置在500吨电液伺服加载系统附近，主要供给500吨电液伺服加载试验系统使用。

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此次管路分别在反力墙附近和土工试验区附近放置2个分油块，以提供给MTS作动器和其他设备使用，使用时候，用户只需将要使用的设备相应软管通过接头接到分油块处就可以使用。

在土工试验区放置的分油块管路处预留高压球阀，如需以后管路加长可以继续连接，保证管路将来的可扩展性需求。

具体设备布局如图15所示。

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8. 主要零件图纸

多通道电液伺服加载装置

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底座

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预应力杆

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斜支撑

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油缸座

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横梁

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