大行程壓力試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)研制與應(yīng)用

牛 君

（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081）

壓力試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)用于建筑材料、市政工程供排水管道及檢查井、包裝箱等的質(zhì)量檢測(cè)及研究上.近年來，隨著非金屬材料應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，各種大型特種材料、管道的應(yīng)用與研究發(fā)展迅速，這就對(duì)壓力試驗(yàn)機(jī)提出了新的要求.傳統(tǒng)壓力試驗(yàn)機(jī)存在如下弊端：（1）試驗(yàn)空間不夠.傳統(tǒng)的壓力試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)空間高度大多小于1.5m，跨度小于0.8m.受這樣空間的限制，試樣不能做得太大.如市政排水用塑料檢查井在檢測(cè)軸向壓力時(shí)，檢查井高度在0.8m～3.5m 之間，個(gè)別的大于3.5m，直徑達(dá)1.5m以上，使用現(xiàn)有的壓力試驗(yàn)機(jī)不能整體完成相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)大體積試樣要切割成較小的樣塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后對(duì)結(jié)果進(jìn)行推算，才能得出整體的試驗(yàn)結(jié)果.這樣所得的數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)誤差很大，不能準(zhǔn)確反映檢查井的實(shí)際性能和質(zhì)量.（2）試驗(yàn)空間高度調(diào)整速度慢，效率低.由于試樣的高度范圍很大，如果不能快速地調(diào)整試驗(yàn)高度，將會(huì)影響試驗(yàn)的效率.現(xiàn)有的壓力試驗(yàn)機(jī)大都采用絲杠傳動(dòng)調(diào)整高度，速度慢，效率低，它對(duì)于市政排水用塑料檢查井動(dòng)輒3m的試驗(yàn)高度的調(diào)整幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的.（3）抗偏置能力較差，大試樣測(cè)量誤差偏大.現(xiàn)有的壓力試驗(yàn)機(jī)大多在上壓板和橫梁之間安裝測(cè)力傳感器，在試驗(yàn)中對(duì)于試樣的制備和放置要求很高，往往可能由于試樣偏置和不規(guī)則造成壓力測(cè)量誤差，且誤差偏大，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度.

基于上述傳統(tǒng)設(shè)備的弊端和市場(chǎng)對(duì)壓力試驗(yàn)機(jī)的新要求，我們研制了大行程壓力試驗(yàn)機(jī).它的試驗(yàn)空間跨度為1.6m×1.6m，試驗(yàn)高度大于3.5m；試驗(yàn)空間調(diào)整采用鋼絲繩纏繞和電磁鐵銷釘自動(dòng)定位結(jié)構(gòu)；壓力加載部分采用絲杠傳動(dòng)，速度控制精度高；壓力測(cè)量系統(tǒng)采用三傳感器結(jié)構(gòu)，能有效地避免試樣偏置和不規(guī)則造成的測(cè)量誤差.

1 大行程壓力試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

大行程壓力試驗(yàn)機(jī)由剛性框架結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)空間高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、加載機(jī)構(gòu)、測(cè)量控制系統(tǒng)等組成，見圖1.

1.1 剛性框架結(jié)構(gòu)

兩根帶有等間距均勻分布銷釘孔的高強(qiáng)度立柱通過螺栓連接到底座上，和上梁共同組成剛性框架.這一剛性框架可以保證在整個(gè)機(jī)身承受10t以上的載荷時(shí)產(chǎn)生的變形在測(cè)試允許的變形誤差范圍內(nèi)（小于1%），從而保證整機(jī)的測(cè)量精度.

圖1 大行程壓力試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)空間高度調(diào)節(jié)和定位系統(tǒng)

試驗(yàn)空間高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括上梁上的升降電機(jī)、絞輪和鋼絲繩.定位機(jī)構(gòu)由定位開關(guān)、插銷機(jī)構(gòu)和銷釘組成.安裝在上梁上的升降電機(jī)通過絞輪與兩根升降鋼絲繩連接，兩根升降鋼絲繩的另外一端分別連接到中橫梁上.進(jìn)行試驗(yàn)空間高度調(diào)節(jié)和定位時(shí)，通過按鈕控制升降電機(jī)卷動(dòng)繞在絞輪上的兩根鋼絲繩來移動(dòng)橫梁，進(jìn)而調(diào)節(jié)試驗(yàn)空間的高度.當(dāng)移動(dòng)橫梁達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，定位開關(guān)檢測(cè)到銷釘孔的位置，控制插銷機(jī)構(gòu)自動(dòng)插上銷釘，使中橫梁固定到兩根立柱上.這種設(shè)計(jì)可以使橫梁實(shí)現(xiàn)較快移動(dòng)，大大縮短試驗(yàn)空間的調(diào)整時(shí)間.

1.3 加載機(jī)構(gòu)

加載機(jī)構(gòu)安裝在中橫梁上，由加壓電機(jī)、齒形帶、絲杠母、絲杠、壓板等組成.加壓電機(jī)通過齒形帶與絲杠母、絲杠、壓板連接［1］.進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，中橫梁上的加壓電機(jī)帶動(dòng)齒形帶，齒形帶帶動(dòng)兩個(gè)絲杠母同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩根絲杠同時(shí)帶動(dòng)壓板向下運(yùn)動(dòng)加載壓力或向上運(yùn)動(dòng)卸載壓力，從而實(shí)現(xiàn)加載測(cè)試.

1.4 測(cè)量控制系統(tǒng)

測(cè)量控制系統(tǒng)由測(cè)力傳感器、儀表放大器、采樣保持器、多路開關(guān)及A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成.

測(cè)力傳感器采用的是高精度輪輻傳感器組成的三點(diǎn)測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu).輪輻式測(cè)力傳感器具有抗扭性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以有效抵消試樣受力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)扭力.因?yàn)椤叭c(diǎn)決定一個(gè)平面”，試樣中心只要在三個(gè)傳感器構(gòu)成的圓的范圍內(nèi)，就不會(huì)產(chǎn)生單點(diǎn)偏置，這樣就消除了偏置誤差.

底座通過三個(gè)高精度輪輻測(cè)力傳感器與承重板連接，放置在承重板上的試樣將其承受的加載壓力通過承重板傳遞給測(cè)力傳感器，把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給控制系統(tǒng).測(cè)力系統(tǒng)對(duì)三個(gè)測(cè)力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、保持和A／D轉(zhuǎn)換，經(jīng)CPU傳送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ).測(cè)力系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2 壓力測(cè)量系統(tǒng)原理圖

在測(cè)試開始時(shí)，三個(gè)測(cè)力傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過同步采樣控制和A／D變換，其數(shù)字量由CPU作為零點(diǎn)值處理.變頻控制器調(diào)節(jié)加壓電機(jī)以設(shè)定加載速度向下移動(dòng)壓板，當(dāng)壓板接觸到被測(cè)試樣后，將其受力前的力值清零，同時(shí)開始對(duì)三個(gè)測(cè)力傳感器測(cè)得的力值累加，并將結(jié)果作為實(shí)時(shí)測(cè)量力值.壓力測(cè)量系統(tǒng)的軟件部分包括A／D轉(zhuǎn)換服務(wù)程序和測(cè)定過程數(shù)據(jù)處理程序.其軟件框圖見圖3.

圖3 壓力測(cè)量軟件流程圖

2 大行程壓力試驗(yàn)機(jī)在塑料檢查井性能檢測(cè)中的應(yīng)用

依據(jù)文獻(xiàn)［2］對(duì)剪切試驗(yàn)的要求及文獻(xiàn)［3］有關(guān)荷載試驗(yàn)的規(guī)定，大行程壓力試驗(yàn)機(jī)主要用于檢測(cè)塑料檢查井的側(cè)向壓力性能和進(jìn)行荷載試驗(yàn).

2.1 荷載試驗(yàn)

按照塑料檢查井荷載試驗(yàn)規(guī)定，選取測(cè)試井座時(shí)，要按“荷載試驗(yàn)井筒要求”配置井筒，井筒上邊緣應(yīng)齊平且垂直于筒中心.在調(diào)整壓力試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)空間使之適合測(cè)試樣品高度時(shí)：首先，啟動(dòng)插銷釘機(jī)構(gòu)，自動(dòng)拔出銷釘；其次，操作升降電機(jī)使中橫梁移動(dòng)，當(dāng)中橫梁到達(dá)需要的高度時(shí)，定位開關(guān)檢測(cè)到銷釘孔位置，控制插銷機(jī)構(gòu)自動(dòng)插上銷釘，使移動(dòng)橫梁固定到兩根立柱上；再次，控制加壓電機(jī)調(diào)節(jié)壓板到適當(dāng)位置，給試樣留出安裝空間，然后將試樣水平放置在承重板上，使試樣的中心和承重板即壓板中心對(duì)齊.試樣安裝完畢后，按控制箱操作界面提示輸入試驗(yàn)參數(shù)，啟動(dòng)試驗(yàn)，以10±2mm／min的速度對(duì)試樣施加規(guī)定載荷，到達(dá)設(shè)定時(shí)間或試樣破裂時(shí)自動(dòng)停止加載.測(cè)試結(jié)束后，升起加載機(jī)構(gòu)，移走試樣，準(zhǔn)備再次試驗(yàn).

2.2 剪切試驗(yàn)

塑料檢查井剪切試驗(yàn)的原理是，在連接管件上施加規(guī)定的壓力，維持規(guī)定的時(shí)間，撤銷壓力后觀察試樣是否裂縫、破裂及產(chǎn)生永久變形，并根據(jù)結(jié)果判定其抗剪承載能力.

剪切試驗(yàn)試樣按照文獻(xiàn)［2］附錄D.4的要求選取.參照荷載試驗(yàn)的方法調(diào)整好壓力試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)空間，將選取的試樣豎直放在壓力試驗(yàn)機(jī)的承重板上，用壓管螺釘將壓管裝在壓板上，把兩個(gè)索具旋轉(zhuǎn)扣用螺栓安裝在承壓板上，將試樣施壓橫梁放在試樣上并與索具旋轉(zhuǎn)扣相對(duì)，調(diào)整好拉桿長(zhǎng)度，插上銷釘，將圓柱銷插在拉桿的最上端并掛在施壓橫梁上，下端和索具旋轉(zhuǎn)扣相連，插上插銷，兩邊同時(shí)旋轉(zhuǎn)索具旋轉(zhuǎn)扣將試樣固定.

試樣安裝完畢，操作加壓電機(jī)使壓板和試樣接近，按照試驗(yàn)機(jī)控制箱操作界面提示設(shè)置剪切試驗(yàn)參數(shù)，并啟動(dòng)試驗(yàn)，使上壓板以低于10±2mm／min的速度緩慢對(duì)試樣施加壓力，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定壓力后，壓力持續(xù)15min，自動(dòng)撤銷壓力，觀察試樣的裂縫、破裂或變形程度.

大行程壓力試驗(yàn)機(jī)除了具備上述塑料檢查井的荷載試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)的測(cè)試功能外，還可以進(jìn)行針對(duì)井筒的環(huán)剛度試驗(yàn).

3 結(jié)語

大行程壓力試驗(yàn)機(jī)的研制和應(yīng)用，有效地解決了傳統(tǒng)壓力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)空間小、調(diào)整慢，試驗(yàn)效率低，對(duì)大試樣壓力測(cè)量抗偏置能力差、誤差大的問題，滿足了大型管道類試樣，尤其是塑料檢查井壓力性能的試驗(yàn)要求.隨著產(chǎn)品的進(jìn)一步完善，成本將逐漸降低，和一些動(dòng)輒上百萬的國(guó)內(nèi)外類似設(shè)備相比，可以大大減輕用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).

［1］劉乘.交流伺服電機(jī)為動(dòng)力的包裝壓力試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì) ［J］.輕工機(jī)械，2010，（2）：67－69.

［2］CJ／T326—2010，市政排水用塑料檢查井 ［S］.

［3］CJ／T233—2006，建筑小區(qū)排水用塑料檢查井 ［S］.