徐明波

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210963；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051)

50 MN橋梁支座壓剪轉(zhuǎn)多功能試驗(yàn)機(jī)的研制

徐明波1,2,3

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210963；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051)

詳細(xì)介紹了50 MN橋梁支座壓剪轉(zhuǎn)多功能試驗(yàn)機(jī)的研制、應(yīng)用情況及采用的關(guān)鍵技術(shù)。該試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)機(jī)主機(jī)豎向加載系統(tǒng)、水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)、伺服液壓油源系統(tǒng)、工作測控系統(tǒng)五大部分組成。該機(jī)擁有國家發(fā)明專利和多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，為國內(nèi)首創(chuàng)，具有量程大、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于橋梁支座全參數(shù)試驗(yàn)及相關(guān)特殊試驗(yàn)。

試驗(yàn)機(jī)；橋梁支座；多功能；量程；精度

橋梁支座的質(zhì)量合格與否直接影響到橋梁的建設(shè)質(zhì)量與使用壽命。近年來，隨著市政高架橋、高速鐵路及高速公路的大量建設(shè)，各種類型的橋梁支座使用量快速增長，而檢測其質(zhì)量的橋梁支座試驗(yàn)機(jī)卻因制造難度大、造價高、技術(shù)風(fēng)險大等原因，國內(nèi)外超過20 MN以上的大噸位橋梁支座試驗(yàn)機(jī)[1]數(shù)量極少，達(dá)到或超過50 MN的橋梁支座試驗(yàn)機(jī)國內(nèi)僅有株洲時代新材料公司從意大利ALGA公司引進(jìn)的一臺52 MN橋梁支座試驗(yàn)機(jī)[2]，該機(jī)的機(jī)架采用預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑而成，長、寬、高為5.7 m×2.25 m×5.7 m[3]，但其體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且為進(jìn)口產(chǎn)品，國內(nèi)無法生產(chǎn)和推廣使用。因國內(nèi)大噸位橋梁支座試驗(yàn)機(jī)缺乏，一直無法進(jìn)行大承載力的盆式、球型橋梁支座的實(shí)體質(zhì)量檢驗(yàn)，故現(xiàn)行橋梁支座國家標(biāo)準(zhǔn)和公路、鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均采取了變通規(guī)定：“支座的承載力試驗(yàn)應(yīng)采用實(shí)體支座進(jìn)行。如受試驗(yàn)設(shè)備能力限制時，經(jīng)與用戶協(xié)商可選用小支座進(jìn)行試驗(yàn)”[4-8]。實(shí)際上，小支座與大支座在材料性能要求、生產(chǎn)工藝、組裝、質(zhì)量控制等方面均不一致，存在差異較大，而大支座比小支座的質(zhì)量、安全性要求更高。因此，用小支座代表大支座進(jìn)行試驗(yàn)會存在質(zhì)量、安全風(fēng)險，試驗(yàn)結(jié)果的代表性存疑。這嚴(yán)重制約了全國橋梁建設(shè)、支座新產(chǎn)品開發(fā)與現(xiàn)有產(chǎn)品性能改進(jìn)和成品質(zhì)量檢驗(yàn)。為解決上述問題，安徽省公路工程檢測中心聯(lián)合浙江中重公司在國內(nèi)首創(chuàng)研制了50 MN集豎向加壓、水平剪切及轉(zhuǎn)動為一體的YJZ-50 MN橋梁支座壓剪轉(zhuǎn)多功能試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)具有量程大(50 MN)、精度高(0.5級)、數(shù)據(jù)采集與處理自動化等特點(diǎn)，完全符合并超出《液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)》[9]國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求。截止目前，該試驗(yàn)機(jī)整機(jī)已獲國家發(fā)明專利，部分部件獲9項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)。

1 試驗(yàn)機(jī)的主要功能與技術(shù)參數(shù)

1.1 主要功能

該試驗(yàn)機(jī)可完成抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、抗剪粘結(jié)性能、極限抗壓強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、容許轉(zhuǎn)角、豎向承載力、抗剪老化等試驗(yàn)，并留有動態(tài)試驗(yàn)功能擴(kuò)展接口,也可完成常規(guī)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如高強(qiáng)、超強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、建筑結(jié)構(gòu)等常規(guī)或非常規(guī)試驗(yàn)；該試驗(yàn)機(jī)擁有2.0 m×2.3 m的加載試驗(yàn)平臺，可對此尺寸以下的試驗(yàn)樣品進(jìn)行抗壓、抗剪和抗剪彈模、抗壓彈模等試驗(yàn)，可對其他大尺寸樣品進(jìn)行足尺試驗(yàn)，滿足特殊試驗(yàn)需求。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

YJZ-50 MN橋梁支座多功能試驗(yàn)機(jī)采用智能化設(shè)計(jì)，計(jì)量測試系統(tǒng)主要由以下三個部分組成。經(jīng)中國計(jì)量院等檢定后，整機(jī)試驗(yàn)力精度達(dá)到0.5級，其他技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過國標(biāo)相應(yīng)要求。

(1) 豎向主機(jī)加壓部分主要技術(shù)參數(shù)：

最大試驗(yàn)力：50 000 kN；

試驗(yàn)力精度：±0.5%(0.5級)；

位移分辨率：0.001 mm。

(2) 水平向剪切部分主要技術(shù)參數(shù)：

最大剪切試驗(yàn)力：6 000 kN；

試驗(yàn)力精度：±0.5%(0.5級)；

剪切速度：0～90 mm/min；

位移分辨率：0.01 mm。

(3) 轉(zhuǎn)角試驗(yàn)部分主要技術(shù)參數(shù)：

最大轉(zhuǎn)角力：3 000 kN；

試驗(yàn)力精度：±0.5%(0.5級)；

位移分辨率：0.001 mm。

2 試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成及各部件關(guān)鍵技術(shù)

該機(jī)采用四立柱結(jié)構(gòu)，橫梁、底座均采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，并由主機(jī)豎向加載系統(tǒng)、水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)、伺服液壓油源系統(tǒng)、工作測控系統(tǒng)組成。各部件均獲得了1～2項(xiàng)國家實(shí)用新型專利授權(quán)。

2.1 主機(jī)豎向加載系統(tǒng)

2.1.1 主機(jī)豎向加載系統(tǒng)構(gòu)成

主機(jī)豎向加載系統(tǒng)由四根立柱、整體式主油缸、橫梁和底座組成，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 主機(jī)豎向加載系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

針對主機(jī)豎向加載系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)重要，研究者采用SolidWorks Simulation仿真軟件對橫梁、底座和主油缸等部件模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)、油壓計(jì)算與仿真分析，發(fā)現(xiàn)油缸壁與油缸頂蓋結(jié)合部位為應(yīng)力集中區(qū)，所受拉剪應(yīng)力較大，對此采取了加大截面尺寸、缸壁與缸蓋結(jié)合處設(shè)置圓弧過渡等降低應(yīng)力集中的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，從而保證了結(jié)構(gòu)安全(圖2)。

圖2 整體式主油缸受力有限元分析圖

為減少試驗(yàn)機(jī)空間占用、方便操作、保證精度，經(jīng)多方案比選和多位知名專家論證后，最終采用上置式單油缸實(shí)現(xiàn)50 MN的豎向加載力，屬目前國內(nèi)外50 MN級及以上試驗(yàn)機(jī)首創(chuàng)。與國內(nèi)外目前常采用的下置式[1]、多油缸加載的設(shè)計(jì)技術(shù)相比，具有占用空間小、成本低、試樣安裝與操作方便、試驗(yàn)力精度高等優(yōu)點(diǎn)，解決了國內(nèi)外大噸位多油缸試驗(yàn)機(jī)[10-12]存在的試驗(yàn)力同步控制的技術(shù)難題和試驗(yàn)精度不高等問題，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)的大噸位與高精度兩矛盾體的完美結(jié)合，為國內(nèi)外20 MN級及以上同類型試驗(yàn)機(jī)的最高精度。為解決50 MN的整體式主油缸等關(guān)鍵部件的整體鑄造、加工等關(guān)鍵技術(shù)難題，研究者通過技術(shù)攻關(guān)，采用了大型鑄鋼件的過濾凈化技術(shù)、嚴(yán)格設(shè)計(jì)和控制鋼水澆注等工藝參數(shù)和過程，減少金屬材料雜質(zhì)，保證鑄件整體質(zhì)量；通過數(shù)字化加工技術(shù)提升油缸端蓋整體同軸度的精確度，消除油缸端蓋各部件間的裝配誤差；改進(jìn)采用三爪卡盤脹緊內(nèi)孔、靠平端面定位，一次裝夾，一次性完成所有工序，解決了活塞加工的垂直度與同軸度、尺寸偏差等技術(shù)難題。

2.2 水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.1 水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)主要由水平剪切板、水平力加載系統(tǒng)、豎向加載油缸、固定架、導(dǎo)軌、力與位移測量系統(tǒng)等組成。

2.2.2 水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

在水平剪切試驗(yàn)系統(tǒng)中，針對試件在預(yù)壓正壓力和水平剪切力共同作用下會發(fā)生軸向變形, 水平剪切面中心位置會發(fā)生偏移, 使位移采集數(shù)據(jù)失真,研究者提出一種水平剪切面中心位置保持的方法, 該方法由一套同步浮動伺服液壓缸和信號控制與采集共同組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。同步浮動伺服液壓缸垂直安裝在水平剪切加載系統(tǒng)裝置上, 活塞端部安裝球鉸，與剪切液壓缸連接。試樣變形產(chǎn)生的軸向位移使水平剪切力離開試樣中心, 同步浮動伺服液壓缸將檢測到的該變形反饋給同步浮動系統(tǒng), 控制浮動伺服液壓缸使之產(chǎn)生相同位移, 托起水平剪切液壓缸至準(zhǔn)確位置, 從而保證了水平剪切作用力始終與試件水平向中心截面在同一平面內(nèi)。

2.3 轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)

2.3.1 轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)角油缸、轉(zhuǎn)角頂板與連接桿，以及轉(zhuǎn)角與位移測量系統(tǒng)等組成。

2.3.2 轉(zhuǎn)角試驗(yàn)系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

轉(zhuǎn)角試驗(yàn)時, 轉(zhuǎn)角試驗(yàn)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會使載荷傳感器及垂直向加載液壓缸活塞受到外加的扭矩及水平徑向力作用, 引起載荷傳感器測量不準(zhǔn)、垂直向加載液壓缸活塞磨損。對此，研究者采用了一種由導(dǎo)向套筒、圓錐滾子軸承、定位卡箍、滾輪及滾輪架等組成的抗扭裝置。導(dǎo)向套筒套裝在傳動絲杠上并與傳動絲杠同軸,導(dǎo)向套筒的兩端各安裝一副圓錐滾子軸承, 軸承的內(nèi)圈與傳動絲杠過盈配合, 并由上下兩個定位卡箍定位在傳動絲杠上。在承壓板的側(cè)面安裝了傳扭彎板用于傳遞扭矩, 傳扭彎板上安裝了滾輪架及滾輪, 在導(dǎo)向套筒的外緣沿其軸向方向開有導(dǎo)向槽, 使?jié)L輪在X、Y方向均與導(dǎo)向套筒上導(dǎo)向槽的底面接觸, 在導(dǎo)向套筒的導(dǎo)向槽內(nèi)沿軸向滾動。

進(jìn)行轉(zhuǎn)角試驗(yàn)時, 該抗扭裝置將轉(zhuǎn)角試驗(yàn)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過承載壓板上的傳扭彎板等組件, 傳遞到四根傳動絲杠上, 而傳動絲杠的剛度相對于轉(zhuǎn)角試驗(yàn)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是無限大的。因此該裝置能夠有效地防止轉(zhuǎn)角試驗(yàn)力作用下承壓板發(fā)生偏轉(zhuǎn), 從而保證了轉(zhuǎn)角試驗(yàn)時載荷傳感器和垂直向加載液壓缸不受彎矩和徑向力作用。

2.4 伺服液壓油源系統(tǒng)

2.4.1 伺服液壓油源系統(tǒng)構(gòu)成

伺服液壓油源為試驗(yàn)機(jī)提供動力，分為軸壓部分油源、剪切部分油源和轉(zhuǎn)角部分油源三個部分，進(jìn)行獨(dú)立控制供油，互不干擾。

2.4.2 伺服液壓油源系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)中軸壓部分油源作用于試驗(yàn)機(jī)的工作主油缸，該油缸的直徑和容積都非常大，內(nèi)徑達(dá)1 500 mm，為了提高活塞空行程移動速度和降低正常加載時的功耗和噪音，研究者采用了大流量低壓泵和小流量高壓泵結(jié)合的雙泵供油方案，即在活塞空行程時采用大流量泵供油快速升降，當(dāng)試樣受壓后，關(guān)閉大流量泵，開啟小流量高壓泵，開始正式加載。

2.5 工作測控系統(tǒng)

2.5.1 工作測控系統(tǒng)構(gòu)成

工作測控系統(tǒng)采用高性能數(shù)字伺服閥和以32位ARM為主芯片的高性能伺服控制器，具有力閉環(huán)和位移閉環(huán)控制功能，由一臺計(jì)算機(jī)控制，在XP中文操作系統(tǒng)下工作。有多個伺服閥作為控制元件，與位移傳感器、負(fù)荷傳感器(壓力傳感器)、變形傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.5.2 工作測控系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)中載荷和位移均創(chuàng)新采用了“分段式”模糊PID控制算法，解決了大量程試驗(yàn)機(jī)在分段量程范圍內(nèi)的精度問題，保證了整機(jī)測量精度。通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)電子測量、自動完成伺服加載控制、自動計(jì)算測試結(jié)果和打印報告?？筛鶕?jù)需要，對每個獨(dú)立的測量控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，每個作動器可分別或同時進(jìn)行測量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)恒速加載、載荷保持、恒速位移、位移保持等功能，可完成設(shè)定的試驗(yàn)程序，具有控制精度高、可靠性好等特點(diǎn)，完全滿足GB、ISO、TB、JT、CJ等標(biāo)準(zhǔn)對公路、城鎮(zhèn)和鐵路橡膠板式支座、盆式支座、球型支座等的全參數(shù)試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用

該試驗(yàn)機(jī)樣機(jī)已于2015年10月在安徽省公路工程檢測中心安裝完成，并經(jīng)中國計(jì)量院計(jì)量檢定合格，已投入使用近8個月，已完成了安徽、浙江、云南等省施工、業(yè)主等單位委托的約100多組板式、盆式、球型橋梁支座產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)，鑒別出了部分不合格產(chǎn)品，檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，獲得了委托單位和政府質(zhì)量監(jiān)督部門的一致好評，取得了較好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了國內(nèi)首次發(fā)明研制的50 MN級的YJZ-50 MN橋梁支座壓剪轉(zhuǎn)多功能試驗(yàn)機(jī)的性能、構(gòu)成及各部件采用的關(guān)鍵技術(shù)。該機(jī)與國內(nèi)外其他橋梁支座試驗(yàn)機(jī)相比，具有量程大(0～50 MN)、精度高(0.5級)、功能全、穩(wěn)定性好、自動化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、創(chuàng)新多、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn)。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，可在國內(nèi)自主生產(chǎn)制造，終結(jié)了我國大噸位橋梁支座試驗(yàn)機(jī)依賴進(jìn)口的局面，經(jīng)專家鑒定達(dá)國際領(lǐng)先水平。該試驗(yàn)機(jī)推廣使用后，可滿足國內(nèi)外大噸位橋梁支座的質(zhì)量檢測、產(chǎn)品開發(fā)與改進(jìn)、工程質(zhì)量監(jiān)管及有關(guān)特殊試驗(yàn)等工作需要，對于提高我國橋梁支座產(chǎn)品質(zhì)量水平、控制橋梁工程質(zhì)量與安全風(fēng)險、開展大噸位橋梁支座研發(fā)等具有重要的作用和意義。該機(jī)研究、開發(fā)的技術(shù)完全可用于制造50 MN及以下等級的橋梁支座試驗(yàn)機(jī)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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2016-07-25

安徽省2014～2015年度交通科技進(jìn)步計(jì)劃項(xiàng)目(15-437-01)

徐明波(1974-)，男，安徽合肥人，東南大學(xué)碩士生，安徽省公路工程檢測中心高級工程師．

U443.36;U446.1

A

1673-5781(2016)04-0499-04