大型多功能結(jié)構(gòu)試驗機(jī)_資料集

1、大型電液伺服框架式結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)及設(shè)計要點2013-3-18 10:49:58來源：計測網(wǎng)通訊員摘 要:文章介紹了近年在我國開始應(yīng)用的大型電液伺服框架式試驗系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)形式并介紹了設(shè)計的一些要點。1 前言土木工程大型結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)可分兩種類型,一種是以鋼反力架或混凝土反力墻作為反作用力承受點,通過液壓缸對結(jié)構(gòu)試件施加作用力的方式;其中作用力和反作用力之間沒有直接的梁、柱相連(開啟式)。這種方式在我國高校、研究院所的結(jié)構(gòu)試驗室已普遍應(yīng)用,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)試件的尺寸可以很大,液壓缸的個數(shù)和加載方向有很大的靈活性,缺點是鋼反力架不自我封閉,受力時變形(橈度)較大,造成測量和控制的誤差。另外,做不同類型的

2、試件,必須將鋼反力架和液壓缸進(jìn)行吊裝,費時又費力。為了避免上述開啟式結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的缺點,另一種框架式(封閉式)大型結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)近年來開始在我國高校和科研院所相繼建成,并得到應(yīng)用?？蚣苁皆囼炏到y(tǒng)的鋼框架形成了一個封閉的自平衡系統(tǒng),受力后變形小,測量和控制精度高。此外,升降橫梁又可以方便地將垂直和水平液壓缸調(diào)整在合適試件的高度。試件通過上料平臺,也可方便地將試件定位。試件和液壓缸的安裝省時又省力,大大提高了效率,特別適合同一類型,多個試件的試驗。2 一般技術(shù)要求土木領(lǐng)域的大型結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)多用于橋梁、建筑的橡膠減震支座,鋼、混凝土的梁、柱、節(jié)點的試驗研究。一般要求在試件的垂直方向加上一個恒定的靜載,

3、模擬橋梁、建筑的自重。在試件的水平方向加上一個低頻率的水平力,模擬試件的受剪。一般垂直加載力往往在1000020000 kN左右,液壓缸的行程應(yīng)在300500 mm左右。水平加載力一般選擇在20003000 kN左右,液壓缸行程宜在300400 mm左右。垂直加載速度為2030 mm/min,水平加載速度應(yīng)按試驗要求定出,一般需要在試件正弦加載的頻率和幅值中算出。框架內(nèi)試件的最大空間尺寸取決于試驗何類的試件為主,因為設(shè)備的投資很大,所以一般可選(23)m(1152)m(45)m,以適應(yīng)比較多的試件類型。更大的試件尺寸空間固然可以試驗更大的試件,但機(jī)器的框架和升降橫梁等為了保持足夠的剛度,尺寸和

4、重量將增大,造價也會明顯上升。對試件的加載方式應(yīng)是垂直和水平方向單獨或同時力或位移的加載。由于加載力和位移都很大,又要實現(xiàn)力和位移模式的精確加載,由電液伺服閥控制的執(zhí)行器是最佳選擇。3 結(jié)構(gòu)簡介和設(shè)計要點3.1 底座和框架底座和框架立柱都受到加載液壓缸的反力,必須有足夠的剛度和很小的變形,為此設(shè)計應(yīng)以剛度控制為基本點。底座和4個框架立柱一般都為鋼結(jié)構(gòu)焊接件,由于尺寸和重量都很大,因此都分件制作,在現(xiàn)場用高強(qiáng)度螺栓拼裝,螺栓和孔應(yīng)有良好的配合。為了使框架立柱在水平方向有更好的剛度,立柱頂端應(yīng)有頂梁相連。3.2 升降橫梁升降橫梁與底座、框架立柱一樣,應(yīng)有足夠的剛度,為此尺寸和重量也很大。橫梁的升降

5、有兩種方式,一種是在框架立柱內(nèi)側(cè)裝有4個大型螺紋立柱,在升降橫梁上裝有由馬達(dá)或油馬達(dá)傳動,帶動同步轉(zhuǎn)動的4個大型螺母來使橫梁升降。另一種是在底座上安裝有4個同步升降的工程液壓缸,頂升橫梁的升降。無論螺桿-螺母或工程液壓缸的方式都要認(rèn)真解決同步的問題,因為稍有不同步,就會在橫梁、螺母、螺紋立柱中形成很大內(nèi)力,至使橫梁卡住,難以升降。橫梁可以用螺桿立柱承受垂直向反力。水平反力則通過橫梁上的鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊在框架立柱上,由框架立柱承受。也可以采用大型銷子將橫梁銷在框架立柱上?？蚣芰⒅瑫r承受垂直和水平反力。3.3 垂直和水平加載執(zhí)行器垂直加載執(zhí)行器一般只是讓試件受壓,為此活塞可以單活塞桿伸出。為了盡量降

6、低摩擦力,活塞和缸套的密封圈應(yīng)采用一種特殊的復(fù)合材料密封圈。由于試件受到較大的水平力,因而試件與垂直液壓缸的活塞桿之間都安排了一組滾動滑塊,這樣,可以消除垂直液壓缸活塞桿軸承所受的徑向力。為了能夠方便地通過計算機(jī)控制并得到很好的力控制和位移控制精度,垂直執(zhí)行器都采用噴嘴擋板電液伺服閥或比例伺服閥控制。位移控制一般采用LVDT傳感器作檢測和反饋,力的控制一般采用垂直液壓缸兩腔的壓力差作為檢測和反饋。不采用力傳感器是因為大噸位力傳感器成本太高,又占用了垂直試件的幾何空間。水平加載執(zhí)行器因為要對試件往復(fù)加載,必須采用電液伺服閥控制的雙作用執(zhí)行器,采用LVDT傳感器作位移的控制和檢測,由于力值不算太大

7、,一般用力傳感器作控制和檢測。3.4 油源和分油器油源一般采用21 MPa壓力,流量大小主要取決于水平執(zhí)行器的位移速度或正弦加載的頻率和振幅。沒有特別的需要,300500L/min的流量可以滿足一般的試驗要求。泵源中的閥組、蓄能器、精密過濾器和熱交換器是必不可少的。分油器是用來開啟或關(guān)閉各執(zhí)行器油路的。除要求閥組、蓄能器、過濾器之外,分油器在開啟和關(guān)閉執(zhí)行器油路時,應(yīng)具有逐步升壓和減壓的功能(軟開/停),以避免對試件的沖擊。3.5 控制控制方式可以是模擬閉環(huán)控制或計算機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制。模擬閉環(huán)控制是采用模擬電路實現(xiàn)的閉環(huán)控制;計算機(jī)只是在閉環(huán)外作為模擬控制的輸入和輸出的信號處理,例如:鍵入輸入力

8、或位移波形的參數(shù)(頻率、幅值),在計算機(jī)顯示器上顯示輸出力或位移的數(shù)值和圖形。計算機(jī)的數(shù)字閉環(huán)控制是計算機(jī)直接參與閉環(huán),這樣可以省略不少模擬電路的硬件。為了得到精度高又穩(wěn)定的控制,兩者都要配備PID)(比例-積分-微分)調(diào)節(jié)。如果水平加載有兩個液壓缸的話,對應(yīng)的同步控制應(yīng)該加上。一種APC(幅值相位補償)的技術(shù)用于水平兩個液壓缸在正弦同步運動時是很有效的。3.6 計算機(jī)和軟件PC機(jī)是目前計算機(jī)的最佳選擇,其速度和容量不存在什么問題。軟件應(yīng)具備一些基本的功能,例如;加載模式進(jìn)行選擇、加載頻率和波形以及加載數(shù)值的設(shè)定、各個作動筒力和位移數(shù)值以及曲線的實時顯示、PID控制參數(shù)的調(diào)節(jié)、各液壓缸和位移保護(hù)值的設(shè)定等。另外一些的功能往往會使使用者有很大的方便。其中包括:在計算機(jī)桌面上控制泵源和分油器的啟停、對試件的最佳控制PID)參數(shù)可以作為文件存儲,以便今后同類試件試驗時使用。傳感器在校準(zhǔn)時,激勵電壓和放大倍數(shù)可以在桌面上任意設(shè)定和方便地調(diào)整,同一個傳感器可以有多個校準(zhǔn),并以文件形式存放,以便在小加載或大加載時挑選使用。4 結(jié)論大型電液伺服框架結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)是一項數(shù)百萬至千萬的投資,國內(nèi)也是近年才研制成功,作