大型多功能结构试验机资料集.docx

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大型多功能结构试验机资料集

大型电液伺服框架式结构试验系统及设计要点

2013-3-1810:

49:

58  来源：

计测网通讯员

摘要:

文章介绍了近年在我国开始应用的大型电液伺服框架式试验系统的组成和结构形式并介绍了设计的一些要点。

1前言

土木工程大型结构试验系统可分两种类型,一种是以钢反力架或混凝土反力墙作为反作用力承受点,通过液压缸对结构试件施加作用力的方式;其中作用力和反作用力之间没有直接的梁、柱相连（开启式）。

这种方式在我国高校、研究院所的结构试验室已普遍应用,其优点是结构试件的尺寸可以很大,液压缸的个数和加载方向有很大的灵活性,缺点是钢反力架不自我封闭,受力时变形（桡度）较大,造成测量和控制的误差。

另外,做不同类型的试件,必须将钢反力架和液压缸进行吊装,费时又费力。

为了避免上述开启式结构试验系统的缺点,另一种框架式（封闭式）大型结构试验系统近年来开始在我国高校和科研院所相继建成,并得到应用。

框架式试验系统的钢框架形成了一个封闭的自平衡系统,受力后变形小,测量和控制精度高。

此外,升降横梁又可以方便地将垂直和水平液压缸调整在合适试件的高度。

试件通过上料平台,也可方便地将试件定位。

试件和液压缸的安装省时又省力,大大提高了效率,特别适合同一类型,多个试件的试验。

2一般技术要求

土木领域的大型结构试验系统多用于桥梁、建筑的橡胶减震支座,钢、混凝土的梁、柱、节点的试验研究。

一般要求在试件的垂直方向加上一个恒定的静载,模拟桥梁、建筑的自重。

在试件的水平方向加上一个低频率的水平力,模拟试件的受剪。

一般垂直加载力往往在10000~20000kN左右,液压缸的行程应在300~500mm左右。

水平加载力一般选择在2000~3000kN左右,液压缸行程宜在

300~

400mm左右。

垂直加载速度为20~30mm/min,水平加载速度应按试验要求定出,一般需要在试件正弦加载的频率和幅值中算出。

框架内试件的最大空间尺寸取决于试验何类的试件为主,因为设备的投资很大,所以一般可选（2~3）m@（115~2）m@（4~5）m,以适应比较多的试件类型。

更大的试件尺寸空间固然可以试验更大的试件,但机器的框架和升降横梁等为了保持足够的刚度,尺寸和重量将增大,造价也会明显上升。

对试件的加载方式应是垂直和水平方向单独或同时力或位移的加载。

由于加载力和位移都很大,又要实现力和位移模式的精确加载,由电液伺服阀控制的执行器是最佳选择。

3结构简介和设计要点

3.1底座和框架

底座和框架立柱都受到加载液压缸的反力,必须有足够的刚度和很小的变形,为此设计应以刚度控制为基本点。

底座和4个框架立柱一般都为钢结构焊接件,由于尺寸和重量都很大,因此都分件制作,在现场用高强度螺栓拼装,螺栓和孔应有良好的配合。

为了使框架立柱在水平方向有更好的刚度,立柱顶端应有顶梁相连。

3.2升降横梁

升降横梁与底座、框架立柱一样,应有足够的刚度,为此尺寸和重量也很大。

横梁的升降有两种方式,一种是在框架立柱内侧装有4个大型螺纹立柱,在升降横梁上装有由马达或油马达传动,带动同步转动的4个大型螺母来使横梁升降。

另一种是在底座上安装有4个同步升降的工程液压缸,顶升横梁的升降。

无论螺杆-螺母或工程液压缸的方式都要认真解决同步的问题,因为稍有不同步,就会在横梁、螺母、螺纹立柱中形成很大内力,至使横梁卡住,难以升降。

横梁可以用螺杆立柱承受垂直向反力。

水平反力则通过横梁上的锁紧机构锁紧在框架立柱上,由框架立柱承受。

也可以采用大型销子将横梁销在框架立柱上。

框架立柱同时承受垂直和水平反力。

3.3垂直和水平加载执行器

垂直加载执行器一般只是让试件受压,为此活塞可以单活塞杆伸出。

为了尽量降低摩擦力,活塞和缸套的密封圈应采用一种特殊的复合材料密封圈。

由于试件受到较大的水平力,因而试件与垂直液压缸的活塞杆之间都安排了一组滚动滑块,这样,可以消除垂直液压缸活塞杆轴承所受的径向力。

为了能够方便地通过计算机控制并得到很好的力控制和位移控制精度,垂直执行器都采用喷嘴挡板电液伺服阀或比例伺服阀控制。

位移控制一般采用LVDT传感器作检测和反馈,力的控制一般采用垂直液压缸两腔的压力差作为检测和反馈。

不采用力传感器是因为大吨位力传感器成本太高,又占用了垂直试件的几何空间。

水平加载执行器因为要对试件往复加载,必须采用电液伺服阀控制的双作用执行器,采用LVDT传感器作位移的控制和检测,由于力值不算太大,一般用力传感器作控制和检测。

3.4油源和分油器

油源一般采用21MPa压力,流量大小主要取决于水平执行器的位移速度或正弦加载的频率和振幅。

没有特别的需要,300~500L/min的流量可以满足一般的试验要求。

泵源中的阀组、蓄能器、精密过滤器和热交换器是必不可少的。

分油器是用来开启或关闭各执行器油路的。

除要求阀组、蓄能器、过滤器之外,分油器在开启和关闭执行器油路时,应具有逐步升压和减压的功能（软开/停）,以避免对试件的冲击。

3.5控制

控制方式可以是模拟闭环控制或计算机数字闭环控制。

模拟闭环控制是采用模拟电路实现的闭环控制;计算机只是在闭环外作为模拟控制的输入和输出的信号处理,例如:

键入输入力或位移波形的参数（频率、幅值）,在计算机显示器上显示输出力或位移的数值和图形。

计算机的数字闭环控制是计算机直接参与闭环,这样可以省略不少模拟电路的硬件。

为了得到精度高又稳定的控制,两者都要配备PID）（比例-积分-微分）调节。

如果水平加载有两个液压缸的话,对应的同步控制应该加上。

一种APC（幅值相位补偿）的技术用于水平两个液压缸在正弦同步运动时是很有效的。

3.6计算机和软件

PC机是目前计算机的最佳选择,其速度和容量不存在什么问题。

软件应具备一些基本的功能,例如;加载模式进行选择、加载频率和波形以及加载数值的设定、各个作动筒力和位移数值以及曲线的实时显示、PID控制参数的调节、各液压缸和位移保护值的设定等。

另外一些的功能往往会使使用者有很大的方便。

其中包括:

在计算机桌面上控制泵源和分油器的启停、对试件的最佳控制PID）参数可以作为文件存储,以便今后同类试件试验时使用。

传感器在校准时,激励电压和放大倍数可以在桌面上任意设定和方便地调整,同一个传感器可以有多个校准,并以文件形式存放,以便在小加载或大加载时挑选使用。

4结论

大型电液伺服框架结构试验系统是一项数百万至千万的投资,国内也是近年才研制成功,作为投资方在制订技术指标时应进行可行性研究,过高的试验要求往往会使投资增大很多。

作为制造方也应对设计方案进行认真的探讨,在框架刚度、横梁升降同步等难题上精心设计和制造。

作者简介:

方重（1941））,男,江苏宜兴市人,教授,大学本科,主要从事电液伺服结构试验系统的科研和开发工作。