加载试验范文

2024-06-10

加载试验范文(精选10篇)

加载试验 第1篇

同时改变加载速率和荷载增量法进行单试件逐级增量加载试验的案例很少,它与普通的单轴和三轴蠕变试验相比,可以揭示更多的力学现象和岩石微观破裂现象。刘传孝等以相邻级别应力差值各不相同为条件,对泥岩进行峰前4级和峰后1级的单轴加/卸载蠕变试验,得到了差异性较强的蠕变特性试验曲线[3]。吴创周等对多试件分别进行不同增量、不同数量级别加载,获得了脆性层状岩石材料各向异性蠕变规律[4]。灰岩属于脆性岩石,其蠕变特性很大程度上取决于微裂纹临界开裂过程,岩石断裂现象将继加速蠕变阶段出现之后发生,而加速蠕变之后的断裂与损伤有关。徐卫亚等在加速蠕变阶段引入 损伤,建立了绿 片岩的蠕 变损伤本 构关系[5]。

分三个阶段对试件进行逐级增量加载,并在高应力水平时降低加载速率是本文试验的方法; 蠕变试验数据处理和岩石破坏理论分析是本文确立灰岩蠕变规律的基础。引用经典的Nishihara模型,在L. Chen等[6]研究成果的基础上,融合损伤演化过程,建立了能同时体现瞬时蠕变、稳态蠕变和与损伤演化过程有关的加速蠕变三阶段的蠕变本构模型。

1无侧限蠕变试验

1.1试验设备和岩样

蠕变试验在成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室进行,试验设备采用岩石三轴蠕变( 徐变) 试验机( 图1) 。其采用的恒压施加方式为伺服式试验机,可以自动地调节控制荷载、 位移等多个自变量,并能在试验过程中转换变量,能很好满足试验应变或应力速率控制要求。蠕变试验设备、应变测量仪器稳定性好,精度高,能保持一定误差范围内的载荷稳定,应力在长时间内保持恒定不变,并且有自动采样记录功能,通过控制台或计算机控制加载速率,机械式千分表测试试件变形。试样取自贵州省凯里市龙场崩塌现场,在室内制成 ф50 mm × 100 mm的圆柱形标准试件,图2展示了试件试验前和断裂后的图片,可以看出宏观裂隙近乎平行于轴向应力方向。对LC1在试验机上进行单轴抗压强度试验,测得灰岩峰值强度为91. 60 MPa,将该值作为蠕变实验加载依据。

1.2试验方法及结果

采用逐级加载法对试样LC2进行室温下的无侧限加载,每级加载持续时间为5 d,温度保持恒定, 受力条件和加载速率如图3所示,加载过程分三个阶段,前5个荷载级别( 各级荷载差为20 k N) 均以5 k N / min进行瞬时加载,设定为第一阶段; 后4个荷载级别( 各级荷载差为10 k N) 均以1 k N/min进行瞬时加载,设其为第二阶段; 以1 k N/min的加载速率从100 k N加载到120 k N为过渡阶段。

历经50 d的蠕变试验,获得了试样的全过程蠕变曲线( 图4) 。从图4可以看出,分级增量加载压缩蠕变试验中,试件的轴向应变―时间曲线显示为非线性台阶状曲线,蠕变曲线后续段在开始变载处有硬化。第一阶段的瞬时变形量明显大于第二阶段,且试验机刚接触到试件也就是第一阶段的初级荷载水平下产生的瞬时应变量达到了0. 026,比之后任一级荷载水平产生的瞬时应变增量要大两个数量级。第二阶段的最后一级蠕变过程仅仅维持了将近0. 45 h,除产生瞬时应变外,还出现了应变率随时间递减的初始蠕变、曲线段近似呈直线的等速蠕变和蠕变速率随时间增大的加速蠕变三个阶段,最后, 试验以试件突然破坏而结束,这一阶段,随着变形的积累和岩石内部较脆弱单元的不断破坏,弱化作用将最终超越强化作用,使得岩石内部受力单元急剧破坏并贯通形成宏观破裂面。

对每级瞬时加载阶段得到的试验数据进行整理后发现,随着轴向荷载的持续施加,瞬时弹性变形会随着时间呈规律性地递增( 图5) ,对每级数据点分别进行最小二乘法拟合,拟合结果显示,应变与时间具有线性关系,曲线函数为Y = AnX + Bn( n = 2,3, …,10) ,显然,An表示每级瞬时加载过程中岩样的轴向应变速率,40 k N的轴向应变速率为A2,…,160 k N的轴向应变速率为A10。由图5( a) 可知,A5< A4< A3< A2,表现出各级的轴向应变速率随荷载级别的增加而降低的特点; 图5( b) 中各级的轴向应变速率明显小于图5( a) 中所有级的轴向应变速率。A6是过渡阶段的轴向应变速率,其比第二阶段所有级别下的轴向应变速率都大,而比第一阶段所有级别下的轴向应变速率都小。第二阶段每级瞬时加载阶段的轴向应变速率基本持平,而瞬时应变的时间则随着荷载的增高而减小。对于整个试验过程中试件中微裂纹的变化可以用B. K. Atkinson[7]的理论来解释,即岩石在某一级荷载下进入蠕变应变阶段之后, 微裂纹始终是稳定扩展,裂纹继续扩展就需要增大荷载,一旦裂纹启裂以后,只要有足够的能量或者等价的有效应力强度,断裂就继续下去。

1.3岩石微观破裂分析

岩石内部矿物颗粒的分布具有随机性,颗粒之间的裂纹造就了岩石材料的非均质性和裂隙性,在力的传递和分配过程中,一些刚度大的颗粒起着主要受力作用,组成了岩石的受力骨架,随着受力骨架中某些最薄弱环节( 强度最低的单元) 首先发生破裂,岩石内的应力将重新发生分布。

( 1) 岩石蠕变过程中瞬时产生的弹性应变是由岩石颗粒间挤压产生的相对位移而得[8]。前六级( 20 k N至120 k N) 的单位应力增量为20 k N,后五级( 120 k N至160 k N) 的单位应力增量为10 k N。随着荷载的增加,前六级应力水平加载过程中各自产生的轴向瞬时变形量呈先减后增的趋势; 而后五级在加载过程中则表现为单调递减的变形趋势; 最明显的是,当试件受到20 k N的初级应力加载时,其产生的瞬时变形量达到了25. 9‰,要比以后各级产生的瞬时变形量大两个数量级。因瞬时变形剪切集中在某些滑移平面束,由应变导致的硬化机制占主导地位,而蠕变则或多或少均匀遍布于颗粒的全体积。

( 2) 前五级的蠕变应变基本持平,第六级由于加载速率减小至1 k N/min,使得该级荷载岩石蠕变值大于前几级,虽然第七级仍保持1 k N/min的加载速率,但由于应力增量降低为10 k N,导致该级蠕变值骤然减小; 在大于130 k N应力水平荷载作用下, 后面几级由于具有相同的应力增量和加载速率,岩石试样在各级蠕变应变逐渐增大。

( 3) 各级的瞬时应变持续时间与荷载水平关系曲线经历了两个波峰和一个波谷。由于岩石在蠕变初期经历的瞬时变形,其应变导致的硬化机制占主导地位。前三级施加的荷载水平较低,岩石在压应力作用下,随应力的增大岩石中随机分布的微裂纹增多, 骨架中最薄弱环节在不断破裂过程中,破裂单元的应力集中程度逐渐增高,某些受裂纹阻隔的矿物颗粒并未受到很大应力,从而承担起抵抗外力和变形作用的能力,于是就出现了曲线中两个单调递减的区间。

若将每级荷载下的瞬时应力增量与瞬时应变增量的比值定义为该级荷载的瞬时变形模量,则灰岩试件的瞬时变形模量随荷载水平的提高大致呈增涨的趋势( 图7) 。第一阶段除最后一级荷载水平下的变形模量减小外,前四级荷载对应的变形模量呈单调递增趋势,这是由于长时间低应力条件下的蠕变变形使初始微裂纹逐渐闭合,试件抵抗外部荷载的能力随着荷载水平的增加逐渐发挥出来,在80 k N时达到极限,从而100 k N对应的瞬时变形模量减小。过渡阶段由于其加载速率低于第一阶段,颗粒具有较长的时间进行受力调整,重新组成岩石的受力骨架,岩石内的应力将重新发生分布,于是在高应力条件下的第三阶段曲线出现上凹的递增趋势。

图7所示的瞬时变形模量随施加荷载的变化趋势可以用一元四次应力函数进行拟合,拟合得到的回归曲线函数式为:

式( 1) 中E为瞬时变形模量; p为每级所施加的荷载水平。

2灰岩蠕变规律

2.1长期强度的确定

采用等时曲线法确定岩石长期强度具有理论上的可靠性和试验上的可操作性,已被岩石力学试验规范广泛采纳。等时曲线是指在一组不同应力水平的蠕变曲线中,相等时间所对应的蠕变变形与应力的关系的曲线[9]。从图8的试样等时曲线图可以看出,5条等时曲线基本重合,且每条等时曲线的拐点所对应的荷载均为50. 95 MPa( 100 k N) ,拐点之前及之后的曲线簇密度均较拐点处疏松,因此可以确定岩样的长期强度为50. 95 MPa。由于屈服极限和长期强度具有等价性,从而屈服极限为50. 95 MPa。

2.2灰岩蠕变的本构关系

前面已经讨论过,除试验加载的最后一级外,各级的蠕变试验曲线均呈台阶状。Nishihara模型能描述多种蠕变变形特征,由于其灵活性,已被广泛用于工程实践中。然而,经典的Nishihara模型只能够体现瞬时蠕变和稳态蠕变,加速蠕变阶段的出现主要与损伤演化过程有关[6,10]。而只有当施加的轴向应力达到或超过某一阈值,损伤效应才会产生,这一阈值可以用屈服极限 σs来表示,也就是当轴向应力超过屈服极限时,岩样内部的微观破裂就会加速产生,累进性破坏和裂纹的扩展由随机的分散分布向最终破坏面集中。于是,在考虑时间效应的同时,建立本构模型的基本思想就是对经典的Nishihara模型加以改进,融合损伤演化过程,并参考L. Chen等[6]建立的考虑温度效应的损伤机制蠕变模型。

研究表明,蠕变试验的损伤演化可以用一个负指数函数来评价[11]:

式( 2) 中D是从0到1变化的损伤变量,无损伤时值为0,完全损伤时值为1; α 和时间是控制损伤演化过程的参数。引进该简化的损伤准则来描述试样的时效破裂过程。

本构模型由Hooke元件、黏弹性元件和粘塑性损伤元件组成( 图9) ,分别对应的应变为 εe、εve、 εvp,则总的应变为

Hooke体的瞬时蠕变本构关系为

式( 4) 中E0为Hooke体中弹簧的弹性模量。

对于黏弹性元件,考虑到当t = 0时,εve这一初始条件,则应力应变关系为

式( 5) 中E1和η1分别为黏弹性元件的弹性模量和黏滞系数。

考虑到在某一持续应力水平下,当t = 0时,εvp= 0这一初始条件,则黏塑性损伤元件的本构关系为:

式( 6) 中 η2为黏塑性损伤元件的黏滞系数,σs为屈服强度。

综合看来,总的蠕变模型本构方程可以表示为

式( 7) 对第二个方程的第三项取极限:

于是得到忽略损伤对蠕变变形影响的本构关系:

式( 9) 就是经典的Nishihara模型的蠕变本构关系, 可以看出,Nishihara模型是本文提出的蠕变本构模型的一个特例。

3结论

改变加载速率和荷载增量法对试件进行逐级增量加载是蠕变试验的一大创新。对试样进行了分三个阶段的多级加载单轴压缩蠕变试验,得到以下几点认识:

( 1) 试样在三个阶段的瞬时加载过程中的轴向应变速率有明显差异。第一阶段中,各级的轴向应变速率随荷载级别的增加而降低,且明显大于第二阶段所有级的轴向应变速率; 过渡阶段的轴向应变速率比第二阶段所有级别下的轴向应变速率都大, 而比第一阶段所有级别下的轴向应变速率都小。

( 2) 岩样在进行蠕变试验过程中,微观裂纹的扩展受到矿物颗粒受力结构的控制。由于瞬时应变以硬化机制占主导地位,而蠕变过程是缓慢而长期的,颗粒骨架可以均匀受力,且每级瞬时加载的加载速率越低,颗粒进行受力调整的时间越充分,进而可以重新组成岩石的受力骨架。

加载试验 第2篇

飞机结构件复合加载振动环境试验技术研究

从总体思路、夹具设计、载荷耦合影响消除等方面阐述了振动分别与疲劳载荷及多点静载的复合加载技术,并分别应用于两个型号结构件的`振动环境试验.试验曲线表明提出的方法是简便可行的.

作 者:曹琦 邵闯 姚起杭 Cao Qi Shao Chuang Yao Qihang  作者单位:飞机强度研究所,五室,西安,710065 刊 名:航空学报  ISTIC EI PKU英文刊名:ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年,卷(期): 19(4) 分类号:V216.2 关键词:飞机   复合加载   振动环境   试验技术  

加载试验 第3篇

(哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

引 言

拟动力试验是进行结构抗震性能研究的重要手段。现代工程结构趋向于大型化和复杂化,大尺度或足尺模型试验日益受到重视。但是该类结构模型通常刚度很大位移反应很小,由于试验加载设备的位移控制分辨率有限,采用传统位移控制加载的方式来进行大刚度小位移反应的拟动力试验难以进行。Wu等人提出了一种等效力控制方法[1],该方法采用反馈控制原理来求解非线性方程,避免了数值迭代的困难,满足了拟动力试验数值计算的要求。但是这种方法是基于试验加载设备采用位移控制情况下提出的。当试验结构的刚度很大时,试验依然采用位移控制加载通常难以进行或者得到的试验结果不准确。这是因为,大刚度结构的位移通常比较小,当位移加载命令小于加载设备的位移控制分辨率时,将无法完成该位移命令的精确加载,试验失效。但是,该位移对应的力命令通常大于加载设备的力控制分辨率,试验采用力控制加载则容易实现。因此,研究力控制加载的拟动力试验是很有必要的。

对于等效力控制方法的研究,文献[1~5]采用了比例-微分(PD)控制器,并设计一个消除稳态误差的前馈增益,从数值和试验角度验证了这种方法是有效的。李妍把能量法与等效力控制方法相结合,提出了基于能量法的等效力控制方法[3,4],并成功应用于防屈曲支撑子结构试验中。许国山等设计了比例-积分(PI)控制器[6,7],并验证了对于非线性结构试验,PI控制要优于PD控制。周大睿等人也采用同样的思路把等效力控制方法应用到连梁阻尼器拟动力子结构试验中[8]。上述等效力控制方法研究仅考虑了加载设备按照位移控制模式加载,而均未考虑力控制模式加载。对于力控制加载的拟动力试验研究,刘季等人把地震作用增量和结构惯性力增量之和作为试验加载的力命令[9],并通过识别当前步结构的等效剪切刚度以求解下一步的力命令。李暄等通过测得的结构位移增量和反力增量来识别结构的剪切刚度用以求解下一步的力命令[10]。王凤来等也采用了同样的思路完成了足尺配筋砌体结构拟动力试验[11]。Pan等人采用了OS法对隔震结构进行了拟动力试验[12],在力控制加载段采用了结构的初始刚度与预测位移的乘积作为加载的力命令。Kim等人通过识别结构的切线刚度或者Krylov子空间法把位移命令转换为力命令[13]。可以看出,对于力控制加载试验,比较常用的方法就是识别结构的刚度,从而把位移命令转换为相应的力命令来完成加载。但是,结构的刚度识别通常是件比较复杂和困难的事情。

本文对等效力控制方法作了一点修改,通过设计一个反力分配系数代替了原方法中的力与位移转换系数,这样不需要识别结构的刚度就能很好地完成力控制加载的拟动力试验。

1 基于力控制加载的等效力控制方法原理

下面以平均加速度法为例介绍等效力控制方法的原理,拟动力子结构试验中混合体系在离散时间上的运动方程以及平均加速度法的加速度、速度假定分别为

式中 下标N表示数值子结构,E表示试验子结构;d,v,a分别为位移、速度和加速度向量;M,C分别为质量阻尼矩阵;R为恢复力向量;F为外荷载向量;Δt为积分时间步长;i为时间步数。

将式(2),(3)带入式(1)得到

其中

式(4)可以理解为施加在混合体系上的力平衡方程,RN(di+1),KPDdi+1分别为数值子结构的静反力和拟动力反力,RE(di+1)为试验子结构的反力,FEQ,i+1为施加在混合体系上的等效外力。由于式(4)存在di+1的隐式表达,它的求解需要复杂耗时的迭代过程,这对于路径敏感性的非线性结构是不太合适的。为了避免迭代,可以采用反馈控制的方法来解决这个问题。

等效力控制方法就是采用反馈控制的思路,它以等效力FEQ,i+1为控制目标,通过设计合理的等效力控制 器,使 得 等 效 力 反 馈 量F′EQ,i+1(RN(di+1),KPDdi+1和RE(di+1)三者之和)平稳渐进地趋向控制目标,即式(4)成立,而此时试验子结构的位移响应也平稳地达到了稳态值,该值就是式(4)的解。基于力控制加载的等效力控制方法的思路如图1所示,其中CF为反力分配系数,而在基于位移加载控制的等效力控制方法中CF为力与位移转换系数。此外,文献[1~8,14,15]指出:由于存在控制误差,需要把等效力控制系统达到稳态时测得的试验子结构反力RE(di+1)带入式(4)以重新计算di+1作为结构反应的准确值。

2 反力分配系数与等效力控制器设计

以往的等效力控制方法研究仅考虑了作动器采用位移控制加载[1~8,14,15],为此设计了一个力 -位移转换系数CF,通过这个系数把力命令转换为位移命令,文献[3]详细推导了这个系数的取值,为CF=1/(KPD+KE+KN)。为了让作动器采用力控制模式工作,本文采用的CF为反力分配系数为

图1 基于力控制加载的等效力控制方法原理图Fig.1 Block diagram of the equivalent force control method based on force-loading control strategy

CF作用相当于把等效力按照试验子结构的反力在3个反力中所占的比例分配给作动器来进行加载。当结构处于线性时,CF可依据试验子结构的初始刚度来计算,当结构进入非线性时,CF仍可依据试验子结构的初始刚度来计算。这是因为KE远小于KPD,内环试验子结构的反力相对于外环的等效力来说非常小,内环试验子结构的非线性因素对外环等效力控制效果所造成的影响非常小。因此即使试验子结构进入非线性,通过合理地设计外环等效力控制器,仍可以实现很好的等效力控制效果,并且还能保护内环试验子结构[7,15]。等效力控制器是实现反馈控制的关键环节,它的控制品质直接影响到试验能否顺利进行。因此,需要设计一个合理的控制器以消-控制系统的稳态误差。常用的控制器有:PID控制、自适应控制、滑动模态控制等。文献[1~5]采用的是PD控制器,并通过增加开环增益KF=(1+KP)/KP的方法消除系统的稳态误差。这种方法对于线性结构的试验非常有效,但当结构进入非线性状态时,需要识别结构的刚度以重新计算CF才能保证系统不会出现稳态误差,这通常是非常困难和耗时的。文献[6,7]采用PI控制器,系统无稳态误差产生,本文也采用PI控制。

反馈控制系统的闭环传递函数可以写成如下形式KPD=10 164kN/mm,KN=5kN/mm,KE=5kN/mm,CF=KE/(KPD+KN+KE),积分步长为0.01 s,作动器模型ωA=341.16,ξA=0.8,采样频率为1 000Hz。等效力单步阶跃响应如图2所示,其中,KP=0.05。从图中可以看出,随着KI的增大,等效力响应速度加快,稳态误差逐渐减小。当KI=20/s时,稳态误差为零,等效力响应能很好地跟踪其命令,并且此时结构的位移响应也能达到其目标位移。而当KI=150/s时,等效力响应出现超调现象,KI取值不合适,但小于稳定界限KImax=528.03/s。因此,当选取合适的PI控制参数,控制系统是可以消除稳态误差的。

图2 等效力单步阶跃响应Fig.2 Single step response of equivalent force

对于PI控制器,由劳斯判据可得到其控制参数的稳定界限为

对于PI控制器的控制效果,可以采用单自由度体系等效力单步阶跃响应来验证。体系的参数选为

3 数值模拟

3.1 单自由度结构自由振动

采用单自由度结构的自由振动反应来验证该方法的有效性。结构的参数为:M=253.3×103kg,KN=0,KE=10kN/mm,阻尼比ξ=5%,结构的自振周期为1s。PI控制器参数取值为KP=0.05,KI=20/s。结构的初始位移为10mm,初始速度为0,结构的位移反应如图3所示。可以看出该试验方法计算的结果与解析解吻合得非常好,说明该方法是有效的。

3.2 单自由度结构地震反应

为了进一步验证该方法的有效性,将上述单自由度结构中的试验子结构改为双线型恢复力模型,第一刚度仍保持不变,第二刚度的衰减系数为0.7,屈服位移设为8mm。采用El-Centro(NS,1940)加速度记录作为外部地震动激励,峰值加速度调整为0.3g。结构在地震激励下的位移反应如图4所示。可以看出,结构的等效力反应与其命令仍然吻合得很好。这说明即使结构进入非线性状态,只要设好的合理的等效力控制器,该方法仍然能够很好地完成试验加载。

图3 单自由度体系自由振动反应Fig.3 Free-vibration response of the SDOF

图4 单自由度结构地震作用反应Fig.4 Seismic response of the SDOF

3.3 三自由度结构地震反应

为了验证该方法在多自由度结构中的应用,设计了一个三层剪切型框架结构作为试验子结构进行数值模拟,模拟中不考虑数值子结构。试验子结构每层质量均为253.3×103kg,刚度均为10kN/mm。数值模拟仍采用El-Centro(NS,1940)加速度记录作为外部地震动激励,峰值加速度调整为0.01g。结构的位移反应如图5所示。可以看出结构每一步的等效力反应仍能很好地跟踪其命令,该方法可以应用到多自由度结构试验中。

图5 三自由度结构地震作用反应Fig.5 Seismic response of the 3DOF

4 试验验证

大刚度结构试验加载,其位移反应通常比较小,因此小位移的精确加载及测量直接影响了试验结果的准确度。本文设计了一个带防屈曲支撑的钢筋混凝土框架,模拟一个单自由度结构在地震作用下的反应,该试验在哈尔滨工业大学力学与结构试验中心完成。控制和加载设备采用MTS公司的Flex Test GT控制器和Schenck作动器,作动器的位移与力量程分别为±250和±630kN。设置了两个外接高精度位移传感器来测量结构的位移反应,其量程分别为±5和±20mm。其中,数值子结构MN=65.041×103kg,KN=0,CN=0;试验子结构为图6的带支撑框架,阻尼比取为5%。通过经验试凑法得到等效力控制器参数为KP=3.0,KI=50.0/s。地震动激励选为El Centro(NS,1940)加速度记录,峰值加速度调整为10gal,数值积分时间步长为0.01s,每个时间步长加载持续0.5s,试验中作动器分别采用力控制加载和位移控制加载,试验结果如图7所示。

图6 带防屈曲支撑阻尼器(BRB)的钢筋混凝土框架拟动力试验装置Fig.6 Test setup of the frame with BRB in PSD tests

从图7(a)和(b)中可以看出,结构在小幅地震动作用下的位移反应比较小,采用力控制加载得到的位移反应峰值要大于采用位移控制加载得到的结果,并且前者与数值模拟结果比较接近。同时,结构位移反应的准确度与等效力的控制效果有很大关系。当等效力的响应能很好地跟踪其命令时,则结构的位移反应也就能达到真实值。当等效力的响应与命令存在稳态误差时,这种误差会导致结构的位移反应偏离真实值。从等效力控制效果来看,采用力控制加载模式下的控制效果要好于采用位移加载控制模式下的控制效果,前者的等效力每一步响应均能很好地跟踪其命令,而后者的等效力控制始终存在稳态误差(如图7(c)和(d)所示),那么后者得到的结构位移反应也就存在误差。等效力的控制效果通常仅与其控制器参数的选取有关,而与作动器的加载控制模式无关。但是,当等效力控制器参数确定后,作动器从一种加载控制模式变换成另一种加载控制模式时,如果作动器的控制存在误差,那么将会导致等效力的控制也存在误差。通常作动器在试验中能很好地实现自身的反馈控制,但当其测量精度低于其控制精度时,将无法完成小位移的精确加载,此时采用位移控制加载就会存在控制误差。因此,试验中作动器需要视精度要求选择合适的加载控制模式。从图7(e)和(f)中可以看出,对于小位移命令加载,作动器采用力控制加载的控制效果要比采用位移控制加载的控制效果好,前者每一步的响应均能很好地跟踪其命令,而后者始终存在稳态误差。对于该试验中的作动器而言,结构的反力最大值约为作动器力量程的1/52,而其位移最大值约为作动器位移量程的1/625,可见其力的测量精度要高于位移的测量精度,并且也高于其控制精度,作动器采用力控制加载无稳态误差产生。同时从结构的滞回曲线可以看出,由前者得到的滞回曲线更平滑,而后者存在毛刺现象,这也说明了前者的控制效果要好于后者(见图7(g)和(h))。

对于大刚度结构拟动力试验,可以通过把小位移命令转换为力命令采用力控制模式来实现其精确加载,而结构的位移反应则可以采用外接高精度位移传感器来测量。

5 结 论

通过对采用力控制加载的等效力控制方法进行理论分析、数值模拟和试验验证,得到如下结论:

1.采用力控制加载的等效力控制方法是一种不需要迭代求解的混合试验方法,可以很好地应用到大刚度结构拟动力试验中。

2.对于大刚度结构拟动力试验,采用力控制加载要比采用位移控制加载得到的试验结果准确。

值得指出的是,上述PI控制器参数的选取均由经验试凑法得到,因此需要依据更为合理的方法以便快捷、准确地确定控制器参数值,这是下一步要进行的工作。

图7 两种不同控制加载模式下的试验结果Fig.7 Test results obtained by two different loading-control strategies in PSD tests

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采煤机扭矩轴加载试验研究 第4篇

关键词:扭矩轴,扭矩,扭转角

0 引言

采煤机扭矩轴作为截割扭矩轴[1]传动系统的弹性缓冲装置, 安装在截割电机空心轴内两端, 在传动系统中的作用以及结构应具备以下几个方面的性能:弹性缓冲, 过载保护, 传递动力。其合理设计对采煤机截割部传动件强度保护有很大意义。

1 试验概述

测试对象:采煤机截割部扭矩轴如图1;测试项目:静扭试验;试验工况:对被试件均匀缓慢加载扭矩, 测试及记录屈服扭矩Ms和断裂时的最大扭矩Mb, 断裂时的相对扭转角准。试验仪器: (1) 扭矩倾角传感器:测量加载扭矩; (2) 倾角传感器:扭转角测量; (3) 计算机及采集卡:记录实验数据; (4) 无限接收器:测量应变; (5) 数码相机:图像采集; (6) 加载直流电机:控制输入转速; (7) 减速机:降低输入转速、转矩。

2 试验方法

采用直流电机 (355Kw) 输出转速 (100r/min) 用以被试件单位时间转角的方法控制进行加载, 通过无限接收器及扭矩传感器记录输入转矩, 通过倾角传感器记录扭转角度。动力传动路线为:直流电机—万向节联轴器—扭矩传感器—万向节联轴器—直齿减速机 (速比80) —扭矩轴—固定板, 通过减速机串联用以降低被试件单位时间扭转角度。扭矩传感器安装在两减速机之间, 用以降低扭矩传感器量程。应变片无限接收器及倾角传感器安装在被试件上, 用以直接采集出被试件应变扭矩值及扭转角度。通过试验如图2, 测试被试件屈服扭矩Ms和断裂时的最大扭矩Mb、及断裂时的相对扭转角准。

3 试验状况

采煤机截割部扭矩轴如图3静扭试验时, 两端花键固定, 逐步加载扭断扭矩轴如图4。

4 采集结果分析

分析结果, 采煤机扭矩轴断裂曲线如图5所示。

分析表, 如表1所示。

5 结论

综合上述试验结果分析, 可得出如下结论:

(1) 扭矩轴[2]安全系数在设计上与试验结果相符, 误差率满足设计要求 (±5%) 。

(2) 经试验证明, 改进后的扭矩轴安全系数比改进前的提高11%, 对实际井下使用有很大的指导意义。

(3) 采煤机扭矩轴使用过程中, 考虑到传动件的整体性能, 设计上扭矩轴安全系数偏低。

(4) 对设计的扭矩轴抽样进行加载试验, 检验断裂面硬度等机械性能。

(5) 跟踪矿上其它扭矩轴的使用情况, 根据实际情况, 适当改进扭矩轴安全系数。

参考文献

[1]武文虎.采煤机摇臂扭矩轴设计[J].煤矿机械, 2012/11.

[2]伊茂森.进口采煤机扭矩轴的国产化研制[J].中国煤炭, 2003 (04) .

加载试验 第5篇

Lru(Least Recently Used)近期最少使用算法,即是在一定条件下LRU缓存是把最近最少使用的数据移除,让给最新读取的数据。而往往最常读取的,也是读取次数最多的,所以,利用LRU缓存,我们能够提高应用的效率及用户体验度。Andorid本身提供了LruCache类来实现这个缓存算法 。

在ImageLoader中利用LruCache缓存:

public class ImageLoader {

private LruCachemCaches;// 创建LruCache对象

private ImageView mImageView;

private ListView listView;

private SetmTask;

@SuppressLint(NewApi)

public ImageLoader(ListView listView) {

this.listView = listView;

mTask = new HashSet();

int maxMemory = (int) Runtime.getRuntime().maxMemory();// 获取最大可用内存

int cacheSize = maxMemory / 8;// 设置缓存数据的最大占用内存量为最大值1/8

mCaches = new LruCache(cacheSize) {

@Override

protected int sizeOf(String key, Bitmap value) {

return value.getByteCount();// 每次存入缓存的时候调用,返回bitmap的大小

}

};

}

@SuppressLint(NewApi)

/**

* 增加缓存数据,增加前判断数据是否存在

* @description:

* @author ldm

* @date 2015-8-11 下午7:51:04

*/

public void setLruCaches(String url, Bitmap bitmap) {

if (getLruCaches(url) == null) {// 如果缓存中不存在url对应的Bitmap,则把bitmap加入mCaches

mCaches.put(url, bitmap);

}

}

/**

* 从缓存中获取数据

* @description:

* @author ldm

* @date 2015-8-11 下午7:51:22

*/

@SuppressLint(NewApi)

public Bitmap getLruCaches(String url) {

return mCaches.get(url);// 通过url获取缓存中对应的bitmap

}

/**

*从url中获取到Bitmap

* @description:

* @author ldm

* @date 2015-8-11 下午1:55:12

*/

public Bitmap getBitmapByUrl(String urlStr) {

Bitmap bitmap = null;

InputStream is = null;

try {

URL url = new URL(urlStr);

HttpURLConnection con = (HttpURLConnection) url.openConnection();

is = new BufferedInputStream(con.getInputStream());

bitmap = BitmapFactory.decodeStream(is);

con.disconnect();

return bitmap;

}

catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

finally {

try {

is.close();

}

catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

return null;

}

public void loadImgByAsyncTask(ImageView img, String url) {

mImageView = img;

// 从缓存中取出图片

Bitmap bitmap = getLruCaches(url);

if (bitmap == null) {// 如果能在中无图片,则就从网络下载

mImageView.setImageResource(R.drawable.ic_launcher);//设置默认图片

new ImageAsyncTask(url).execute(url);

}

else {// 缓存中有图片,则直接显示出来

mImageView.setImageBitmap(bitmap);

}

}

private class ImageAsyncTask extends AsyncTask{

private ImageView imageView;

private String mUrl;

public ImageAsyncTask(String mUrl) {

this.mUrl = mUrl;

}

@Override

protected Bitmap doInBackground(String... params) {

Bitmap bitmap = getBitmapByUrl(params[0]);// 获取图片

if (bitmap != null) {

setLruCaches(params[0], bitmap);

}

return getBitmapByUrl(params[0]);

}

@Override

protected void onPostExecute(Bitmap result) {

ImageView img = (ImageView) listView.findViewWithTag(mUrl);

if (img != null && result != null) {

imageView.setImageBitmap(result);

}

mTask.remove(this);

}

}

public void setImageView(int start, int end) {

for (int i = start; i < end; i++) {

String url = DataAdapter.URLS[i];

Bitmap bitmap = getLruCaches(url);

if (bitmap == null) {// 如果能在中无图片,则就从网络下载

ImageAsyncTask task = new ImageAsyncTask(url);

task.execute(url);

mTask.add(task);

}

else {// 缓存中有图片,则直接显示出来

ImageView img = (ImageView) listView.findViewWithTag(url);

img.setImageBitmap(bitmap);

}

}

}

public void stopAllTask(){

if(mTask.size()>0){

for (ImageAsyncTask task : mTask) {

task.cancel(false);

}

}

}

}

对应ListView的数据适配器DataAdapter:

public class DataAdapter extends BaseAdapter implements OnScrollListener {

private Context mContext;

private Listlist;

private ImageLoader mImageLoader;

private int mSart;

private int mEnd;

public static String[] URLS;

private ListView listView;

private boolean isFirst;//是否是第一次进入

public DataAdapter(Context mContext, Listlist, ListView listView) {

this.listView = listView;

this.mContext = mContext;

this.list = list;

mImageLoader = new ImageLoader(listView);

URLS = new String[list.size()];

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {

URLS[i] = list.get(i).getImgUrl();

}

isFirst=true;

listView.setOnScrollListener(this);

}

@Override

public int getCount() {

// TODO Auto-generated method stub

return list.size();

}

@Override

public Object getItem(int arg0) {

// TODO Auto-generated method stub

return list.get(arg0);

}

@Override

public long getItemId(int arg0) {

// TODO Auto-generated method stub

return arg0;

}

@Override

public View getView(int arg0, View view, ViewGroup arg2) {

ViewHolder holder = null;

if (view == null) {

holder = new ViewHolder();

view = LayoutInflater.from(mContext).inflate(R.layout.item_layout, null);

holder.iv = (ImageView) view.findViewById(R.id.item_iv);

holder.titleTv = (TextView) view.findViewById(R.id.item_title);

holder.contentTv = (TextView) view.findViewById(R.id.item_content);

view.setTag(holder);

}

else {

holder = (ViewHolder) view.getTag();

}

holder.titleTv.setText(list.get(arg0).getTitle());

holder.contentTv.setText(list.get(arg0).getContent());

holder.iv.setTag(list.get(arg0).getImgUrl());// 为ImageView设置tag

// new ImageLoader().loaderImageThread(holder.iv, list.get(arg0).getImgUrl());//用线程加载图片

mImageLoader.loadImgByAsyncTask(holder.iv, list.get(arg0).getImgUrl());

return view;

}

/***

* ListView在流动过程中调用

*/

@Override

public void onScroll(AbsListView view, int firstVisibleItem, int visibleItemCount, int totalItemCount) {

mSart = firstVisibleItem;// 可见第一个item

mEnd = firstVisibleItem + visibleItemCount;// 可见的最后一个item

if(isFirst&&visibleItemCount>0){//第一次加载数据时数据处理

mImageLoader.setImageView(mSart, mEnd);

isFirst=false;

}

}

/***

* ListView在流动状态变化时调用

*/

@Overridewww.2cto.com

public void onScrollStateChanged(AbsListView view, int scrollState) {

if (scrollState == SCROLL_STATE_IDLE) {// 流动停止,此时加载可见项数据

mImageLoader.setImageView(mSart, mEnd);

}

else {// 停止加载数据

mImageLoader.stopAllTask();

}

}

class ViewHolder {

TextView titleTv;

TextView contentTv;

ImageView iv;

}

减速器加载试验台 第6篇

煤矿刮板输送机、皮带机的作用是运送煤和物料, 它是现代化矿井生产不可缺少的主要设备。作为传递动力的减速机的生产和检验尤为重要, 按照减速器检验的有关标准要求, 减速器必须进行加载试验, 减速器的加载是通过一套专用的加载试验台完成的。根据我们公司的生产需要, 设计制造了一套JS40减速器的加载试验台。

2 加载试验台的试验原理

JS40减速器加载试验台是采用磁粉制动器用作力矩测量的加载器, 实现模拟加载、完成加载试验的, 如图1所示。

1.平台2.CZ500磁粉制动器3, 6.棒销联轴器4.ZJ5000转矩转速传感器5.减速器弯板7.试验减速器8.皮带轮9.皮带10.电机

电动机通过皮带传动带动减速器运转, 减速器在运转过程中, 由磁粉制动器通过联轴器对减速器进行加载, 通过智能控制器可以调节对减速器所加负载的大小, 最后由转矩转速传感器测试出转矩、转速及效率。

3 系统组成

试验装置包括测试设备 (减速器、电机) 、加载设备 (磁粉制动器) 、测试系统 (ZJ5000型转矩转速传感器) 、控制系统 (WLK智能控制器、TR-1B转矩转速测量仪) 、加载设备制动器供水冷却系统 (水箱、泵、冷却塔) 等。

4 部件的选型

根据JS40减速机 (40T) 输出轴扭矩选用CZ500磁粉制动器、ZJ5000型转矩转速传感器, 额定扭矩为5000N·m。

根据所需减速器传递的最大转矩对磁粉制动器型号进行选定, 保证实际滑差功率小于磁粉制动器的允许滑差功率。实际滑差功率为2×3.14×M×n/60, 其中:M-实际工作扭矩, 即减速器输出扭矩=9550×40/1470×24.5×0.9×0.9=5157N;n-滑差转速, 减速器输出轴转速为1470/24.5=60r/min, 实际滑差功率为2×3.14×5157×60/60=32386W。

考虑其适用性、可行性、经济性, 选择允许滑差功率40000W、激磁电流3A、额定扭矩5000N·m的CZ500磁粉制动器。转矩转速传感器选用ZJ5000型, 它与转矩转速仪配套使用, 能直接测量各种动力机械的转矩与转速 (即机械功率) 。传感器本身只传递和测量转矩而不吸收功率。联轴器选用内孔花键的棒销联轴器。

智能电控箱包括:WLK智能控制器、TR-1B转矩转速测量仪、电源开关等。WLK系列程控电源为开关型稳流电源, 主要用于提供磁粉制动器电流。TR-1B转矩转速测量仪转矩测量范围:0~50000N·m。

5 结论

分级加载真空预压室内模型试验研究 第7篇

由于国家土地资源的紧缺, 围海造地工程日益增多, 吹填淤泥的承载力低、孔隙比大、含水率高、压缩性高、透水性差等物理特性使得真空预压法成为处理滩涂淤泥广泛使用的方法, 压缩性高、孔隙比大致使其在荷载作用下会产生很大的沉降效果, 在真空预压的过程中, 土体的总应力不发生改变, 土体产生固结, 随之超静孔隙水压力得到消散, 土体的有效应力相应提高, 土体强度快速增加继而满足相应的建设工程需要[1,2,3]。为减少真空度传递时的损失及更好的加固深层土体而采取的密闭式真空预压技术也取得了很好的处理效果[4], 由于密闭式真空预压抽真空前期土体会发生很大的压缩变形迅速沉降导致排水板存在一定程度上的弯曲, 从而致使真空度不能更有效的传递到深层土体以及造成排水通道受阻影响土体的固结[5,6,7,8], 苑晓青提出了分级真空预压即逐级施加真空荷载的加固方案并进行了室内模拟试验[9], 武亚军深入探讨了加载方式对软土地基固结影响的细观机理, 提出加载方式的快慢对土体的加固有很大的影响并认为慢速加载更有利于土体的加固[10], 但并没有涉及具体的加载数值等级以及寻找加固吹填淤泥最佳加载等级, 针对以上问题本次试验即采取真空预压技术按照1级~4级不同加载方式对温州瓯飞一期围垦水闸工程滩涂原淤泥土进行加固对比试验, 通过试验评价不同加载方式对土体的加固效果, 得到最优加载方式, 以改善和提高真空预压法加固软土地基效果。

1 试验布置方案

模型试验装置由模型桶、排水体系、真空泵和量测系统组成。该试验采用的是防淤堵板, 该真空预压法的排水体系由塑料排水板、手型密封接头和无孔真空管组成;量测系统由安装在模型箱内土样表面的沉降标以及真空表组成。本次试验土样取自瓯飞一期围垦水闸工程滩涂区, 土样装填高度均为0.85 m, 淤泥土样装入模型桶后, 在土样表面铺设一层土工编织布, 然后插设塑料排水板;在膜下以及土体20 cm, 60 cm深度处安装真空度探头, 用来测量加固过程中土体不同位置的真空度;采用单手板接头将塑料排水板与无孔真空管连接, 连接完成后, 利用塑料泡沫薄板在土体表面布置一块沉降标, 以供试验过程中实时量测土体表面沉降量。最后在横向排水体系表面铺设一层土工布并铺设两层塑料薄膜密封。每个模型桶的排水主管通过气水分离瓶连接于流通总接头, 四个气水分离瓶引出的排水软管通过一个六通总接头连接至同一个真空泵。六通总接头每通上都装有真空荷载控制阀门。试验安装完成后, 开启真空泵抽真空, 检查塑料薄膜密封是否严密, 如有漏气现象则采取补漏措施。试验连续抽真空时间预设为14 d。抽真空结束后对土体进行含水率和十字板剪切强度检测。

2 试验结果与分析

2.1 沉降监测结果

试验中均在每个模型桶的土体表层中心位置布置1个沉降标进行沉降监测。经过沉降监测可以得出, 经过了380 h的真空抽气, 二级加载 (30 k Pa~80 k Pa) 真空预压工法总沉降量最大为73 mm, 四级加载 (10 k Pa→30 k Pa→60 k Pa→80 k Pa) 真空预压工法总沉降量最小为54 mm;真空预压开始抽气后的前2天, 全载和二级加载两种工法均有相对较高的沉降速率19.5 mm/d、平均沉降速率16 mm/d, 相比之下三级和四级加载方法的沉降速度要缓慢一些, 可见在开始抽真空的前2天全载的加载方式土体的沉降效果最明显。在之后的330 h中, 全载真空预压工法的沉降速率均趋于稳定且低于48 h内的速率, 二级加载方式的沉降速率呈阶梯状并于抽真空100 h后逐渐趋于稳定且低于48 h内的速率, 可见二级加载 (30 k Pa~80 k Pa) 真空预压工法在减少排水板弯曲的前提下总体沉降稳定且总沉降大于其余真空预压加载方式。

2.2 真空度监测结果

通过监测模型桶膜下及土体以下20 cm, 60 cm深度的真空度得到四种不同分级真空加载方式, 对比试验过程中膜下及排水板内不同深度真空度可以得出, 四种加载方式的真空预压工法处理过程中每一级加载板内真空度都会明显随着加载等级的变化而变化。在同一个加载等级下, 距离土体表面20 cm深度处板内真空度都要高于土体表面以下60 cm深度处板内真空度, 四级加载在开启真空泵采取第一级10 k Pa加载阶段板中基本上没有真空度, 其余三种加载方式在采取第一级加载阶段板中真空度都达到了相应的加载值, 相比之下加载第一阶段采用30 k Pa二级加载方式板内的真空度达到最大值的时间是四种加载方式中最少的, 在抽真空200 h加载到80 k Pa, 板内沿土体深度20 cm和60 cm处的真空度也迅速地达到80 k Pa左右并在随后的时间里真空度都相对稳定, 且两个深度处的真空度相差很小, 说明二级加载方式能减少排水板内真空度沿深度的损失, 能使深层的土体得到有效的加固。

2.3 加固后含水率测试结果

试验结束后, 对每个模型桶塑料排水板所在位置的垂直方向一侧取土测试含水率, 检测点的沿深度分布为:根据真空预压后的土体工后实际深度, 检测点位于土体表面、土体中部及土体底部, 共3个检测点。四种不同分级真空加载方式对比试验的工后平均含水率沿土体深度的变化规律:二级加载 (30 k Pa~80 k Pa) 真空预压工法处理后土体沿深度的含水率由表层的最小41.61%增加到深层的最大49.25%, 比土体初始含水率降低了43%之多, 采用全载 (80 k Pa) 处理后土体沿深度的含水率由表层的最小43.75%增加到深层的最大51.68%, 三级加载和四级加载处理后土体沿深度的含水率分别为45.25%~53.67%, 48%~53.12%, 四级加载真空预压工法处理后的地基土含水率均随深度增加呈先减小后增大的趋势, 在表层至30 cm之间的含水率减小速率很小, 基本保持不变, 而沿着30 cm处往下土体的平均含水率逐渐增大。其余三种加载方式的真空预压工法处理后的地基土含水率均随深度增加而增大, 且基本呈线性增长。在相同深度处, 二级加载的土样含水率都要低于其余三种加载方式的土样含水率, 因此说明采用二级加载方式可以更有效地排出土体里的水分, 更有助于提高土体的加固效果。

2.4 十字板剪切强度测试结果

利用十字板剪切仪分别于四个模型箱土体表层以及距表层40 cm, 80 cm深度处进行十字板剪切强度测试, 得到四种不同分级真空加载方式, 对比试验的工后十字板剪切强度测试结果可以得出, 四种加载方式下的土体十字板抗剪强度均沿深度呈逐渐减小的趋势, 二级加载处理后从表层到深层土体抗剪强度都要高于其余三种加载方式, 且在土体表层体现的尤为明显, 要比其余三种加载方式高出2 k Pa~5 k Pa, 深层土体抗剪强度二级加载方式也要比其余三种高出1 k Pa~4 k Pa, 因为二级加载能使真空度更有效地传递到土体中从而促使孔隙水压力的消散使土体密实固结, 由十字板抗剪强度沿深度的变化规律可知, 二级加载 (30 k Pa~80 k Pa) 真空预压处理后的土体固结效果最好。

3 结语

通过不同真空加载方式下真空预压试验的对比, 探究分析分级加载密闭式真空预压对土体的加固机理, 得出以下结论:

1) 二级加载过程中土体的沉降速率最为均匀且最终的沉降量最大, 能更有效的避免加固前期造成的排水板弯折及排水板的拥堵现象。

2) 二级加载方式下真空度能更有效的传递到深层土体, 使土体加固效果最优。

3) 二级加载真空预压能更均匀有效的降低淤泥土中的含水率, 减少了因前期排水速率过快致使淤泥残留排水体而引起的少许淤堵现象。

4) 采用二级加载 (30 k Pa~80 k Pa) 方式能更好的提高土体的十字板抗剪强度, 处理效果要明显优于其余三种真空预压加载方式, 更适合于温州瓯飞一期围垦水闸工程滩涂区淤泥土地基的加固。

参考文献

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三轴重复加载永久变形试验研究 第8篇

1 试验原理与方法及试件成型

1.1 试验原理

蠕变试验采用沥青混合料基本性能试验仪SPT, IPC SPT专门用于做美国公路研究计划NCHRP9-19所开发出来的三个候选试验:静态蠕变 (Flow time流变时间) , 重复荷载 (Flow number流变次数) 和动态模量 (E*) 试验, 用于精确地评估和预测沥青混合料路面的路用性能。

SPT沥青混合料基本性能仪, 如图1所示。重复加载永久变形试验是在规定的试验温度下对试件施加一个重复的每1.0 s为一个加载周期、加载0.1s、间歇0.9 s的轴向半正弦压缩荷载脉冲。试验在有围压或无围压条件下测定相应时间的永久轴向应变, 如图2所示。流变次数Fn是指其变化率再次开始增大时的加载次数, 永久轴向应变最小变化率所对应的加载次数, 如图3所示。重复加载永久变形试验可较为贴切地模拟沥青路面的实际荷载的影响作用, 并且也可以模拟车辙的形成过程。

本次的蠕变试验设定的循环次数为10000次, 相邻两次加载之间有一个模拟路面相邻两次行车荷载之间的0.9s的间歇期的回复时间[1]。实际上, 这可以充分地体现改性沥青的延迟弹性在抗高温车辙过程中的作用。该实验在较为全面地考虑材料的抗高温变形的情况下, 也较为合适地模拟了路面在荷载反复作用下发生流动变形的过程, 所以从该试验中得到的评价指标可以较好地评测沥青混合料的高温性能。

经过先前研究人员大量研究, 沥青混合料在荷载作用下的变形大致可以分为三个阶段, 他们分别是迁移期、稳定期、破坏期。

(1) 第一个阶段是迁移期, 在荷载作用下, 应变会迅速增大, 但是同时应变速率随时间增加而逐渐减小。

(2) 第二个阶段是稳定期, 在荷载作用下, 应变在保持速率基本不变的情况下稳定增长。

(3) 第三个阶段是破坏期, 在荷载作用下, 应变、应变速率随时间的增加而迅速增大, 最后会被破坏[2]。

NCHRP报告建议把第三阶段开始点对应的荷载作用次数定义为流变次数Fn。永久应变率降低到最小时, 会保持稳定一定的时间, 随后便开始增大, 开始增大的点对应的荷载作用即定义为流动次数Fn。

1.2 试验方法与试件成型

本文进行三轴重复加载永久变形试验所采用的主要仪器是IPC SPT沥青混合料基本性能仪, 其目的是模拟实际路面材料受力状态和行车荷载特性。对四种不同级配沥青混合料 (GAC-13、GAC-20、GAC-25和ATB-25) 在四个高温水平进行性能试验。

试验参数如下:

预加载:以5%的轴心应力预压1min;

应力:标准轴载0.7 MPa;

温度水平:30℃、40℃、50℃、60℃;

荷载波形:半正弦波间歇荷载加载时间为0.1s, 间歇时间为0.9s。

试件成型方式采取旋转压实成型, 试件尺寸为Φ100 mm×H100 mm。每组试验平行试件为2个。试验前试件在规定的温度保温3h, 试验中在试件上下两个端面各垫一张A4纸, 其目的是为了减弱试件两端约束效应对试验结果和精度的影响。

2 三轴重复加载永久变形试验结果及数据分析

2.1 三轴重复加载永久变形试验结果

对GAC-13、GAC-20、GAC-25和ATB-25四种不同级配沥青混合料在四个温度条件下 (30℃、40℃、50℃、60℃) 进行试验, 试验数据如表1。

为模拟路面的实际受力状态, 主要针对沥青混合料的影响因素中的温度进行研究, 对四种级配沥青混合料 (GAC-13、GAC-20、GAC-25和ATB-25) 进行三轴重复加载永久变形试验, 试验结果整理得到的重复蠕变曲线如图4~图7所示。

我们可以从图4~图7的重复蠕变曲线中看出, 在荷载作用下, 可以根据荷载作用次数将四种不同沥青混合料的变形分为三个阶段:

(1) 第一阶段是迁移期, 在荷载作用下的沥青混合料的变形迅速增大, 然而应变速率随时间增加逐渐减小;

(2) 第二个阶段是稳定期, 在荷载作用下, 应变会在应变速率基本保持不变的情况下稳定增长;

(3) 第三个阶段是破坏期, 在荷载作用下, 应变、应变速率随时间增加迅速增大且最终达到破坏[3]。

由图4~图7可以看出, 当荷载作用下的沥青混合料的温度增加时, 沥青混合料的变形量发展相应也较快, 破坏期会提前到来, 这说明温度的升高会加速路面车辙的产生。

2.2 车辙试验

在40℃、50℃、60℃下对GAC-13、GAC-20两种级配沥青混合料进行车辙试验, 试验结果如表2。

由试验数据可知:沥青混合料的动稳定度随温度的增加表现出减小的趋势, 但此趋势变化的幅度随着温度的不断升高变化的不明显。随着温度的上升, 车辙深度表现出不断上升的趋势, 而且上升的趋势越来越明显。在后面将其与三轴试验的结果进行比较。

2.3 温度对各参数的影响

沥青混合料作为一种典型的温度敏感性材料, 当温度变化时, 其力学特性和路用性能也会显著变化。温度也影响车辙的产生与发展, 而路面最常见的破坏形式之一便是车辙[4]。实践表明, 在路面温度较高的情况下, 一般路面都会产生车辙损坏。在路面温度较低时, 沥青混合料粘性流动性较高温时都比较差, 所以造成的永久变形也是非常微小的, 基本可以忽略不计。因此, 本研究在30℃、40℃、50℃和60℃四种温度下, 对四种级配沥青混合料 (GAC-13、GAC-20、GAC-25和ATB-25) 进行重复加载蠕变试验。流动次数Fn、永久轴向微应变和第二阶段的斜率b2三个参数随温度的变化规律如图8, 图9和图10所示。

由图8可以看出, 相同的级配, 当温度升高时, 流变次数增大减小都会发生, 与温度无明显的联系, 没有什么规律可以找出, 所以流变次数Fn不合适作为评价沥青高温稳定性的指标。

由图9与图10可以看出, 当荷载一定时, 永久轴向微应变随着温度的升高而逐渐增加, 这是因为混合料内摩擦力减小的缘故, 其原因是温度的升高使沥青混合料中的胶结料沥青软化, 因而这也会润滑集料, 降低混凝土的强度, 所以会出现当温度升高时永久轴向微应变逐渐增加的现象。这与车辙试验车辙深度随温度变化的规律一致, 也与沥青路面实际使用性能基本吻合, 所以永久轴向微应变作为评价沥青混合料高温稳定性的指标是比较合适的[5]。

从图11~图12中可以看到, 斜率b2随着温度的增加而增大, 温度从30℃增加到40℃时斜率b2增大的幅度相对较小, 而从40℃增加到60℃时其增大的幅度较为明显, 说明温度越高斜率增加的幅度越大[6]。这与动稳定度指标随温度变化的规律一致, 也与沥青路面实际使用性能相吻合, 所以斜率b2作为评价沥青混合料高温稳定性的指标是合适的。

从图9、图10、图11、图12可以看到, 在加载应力为0.7MPa、温度60℃的情况下, 对于四种不同的混合料的永久轴向微应变和斜率b2的区分度都达到最大, 所以, 重复加载蠕变试验的标准条件设为0.7 MPa、60℃比较合适。

3 结论

(1) 重复加载蠕变试验可以较为接近地模拟路面实际荷载-变形的情况, 能够充分考虑影响高温性能的因素中改性沥青延迟弹性恢复性能的作用, 是一种比较科学的试验方法。

(2) 流动次数Fn与温度的关系没有明显的规律性, 所以, 不推荐将它作为评价沥青混合料高温变形性能的指标。

(3) 从重复蠕变曲线图中我们可以看出, 根据荷载作用次数和荷载作用下的沥青混合料的变形, 将沥青混合料的变形分为三个阶段:

(1) 第一阶段是迁移期, 在荷载作用下的沥青混合料的变形迅速增大, 然而应变速率随时间增加逐渐减小;

(2) 第二个阶段是稳定期, 在荷载作用下, 应变会在应变速率基本保持不变的情况下稳定增长;

(3) 第三个阶段是破坏期, 在荷载作用下, 应变、应变速率随时间增加迅速增大并且最终达到破坏。

(4) 当荷载应力一定时, 温度升高, 沥青混合料变形加快, 永久轴向微应变会有规律的增加。温度升高, 斜率b2增大, 破坏会提前到来, 说明温度的升高会使车辙更加快速的产生。

(5) 对比三轴重复加载永久变形试验和车辙试验, 我们可以发现, 永久轴向微应变与动稳定度DS有较好的相关性, 蠕变第二阶段斜率b2和车辙深度也有较好的相关性, 都可以作为沥青混合料的高温稳定性的评价指标。

参考文献

[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[2]毕玉峰.沥青混合料抗剪试验方法及抗剪参数研究[D].上海:同济大学, 2004.

[3]傅志勇.沥青混合料高温性能试验方法研究[D].长沙:长沙理工大学, 200.

[4]郑向雷.沥青混合料高温特性研究[D].西安:长安大学, 2006.

[5]王昌衡, 陈建民.沥青混合料车辙试验研究[J].中外公路, 2003 (12) .

采煤机电涡流加载试验测试系统研制 第9篇

随着采掘机械化的发展, 技术装备的功率和复杂性日益增加, 设备的自动化程度的逐步提高有利于矿井安全生产, 增产增效, 减轻职工劳动强度等。但是由于煤矿生产工作面接替较快, 设备使用流动循环性大, 工作使用环境极为恶劣, 操作及维护空间受限, 采煤机故障频发, 维修成本急剧增加。直接导致生产效率低下, 和企业生产成本增加, 而且不利于煤矿安全生产。

在一些煤矿综采工作面, 现场生产实际调研统计, 采煤机摇臂截割部故障的率较高, 主要表现为电机烧毁、漏油、轴承损坏、断轴、严重的造成壳体损害报废。目前, 采煤机等设备均在采煤工作面结束以后成套设备进行升井到地面维修车间进行维修。在修复过程中, 修复各种影响因素的限制, 采煤机截割臂等关键部件加载试验几乎不做, 一般只是通电空载运行实验。这样维修后的采煤机在入井, 采煤机切割部, 电机, 减速机等部件往往产生新的故障, 这样导致综采工作面的生产效率低下, 增加了安全隐患, 也大大增高了设备的维修成本。因此, 近年来, 国内开始切割采煤机负载的一部分进行了研究。电涡流测功机加载方式的加载平台, 有利于提高生产效率, 降低维修成本, 避免一些安全事故, 提高了煤矿生产的经济效益和社会效益。[1]

2 采煤机加载试验的分类

2.1 摩擦加载测试试验台。

这种试验台的缺点比较多:加载测试能力不足、浪费能源、产生很多的热量污染环境、试验测试数据不稳定;优点是投入资金比较少、安装调试方便等。

2.2 直流发电逆变加载测试。

这种测试可以对较大功率采煤机进行加载实验, 比如采煤机截割部、行走部等, 这种方式能够回收一部分能源。但是这种加载测试方式结构复杂, 日常管理和测试技术严谨, 测试过程, 被测试电动机一旦过载, 就会出现故障, 导致无法测量。

2.3 异步电动机反馈加载测试。

其缺点是测试的种类较少, 同时在测试过程中被测电动机不能过载。其优点是能够回收能源。

2.4 采煤机电涡流测功加载实验台主要采用机械闭环的加载方式。

其主要组成部分为:电涡流测功机、控制器及测力装置组成测功装置, 可以测取被测机械的输出转矩和转速、从而得出输出功率。电涡流测功机利用涡流损耗的原理来吸收功率。逐渐取代磁粉离合器、水力测功机、直流发电机组等。电涡流测功机在中小功率、低速的加载测试技术上, 易于实现计算机技术的广泛应用, 实现智能控制。具有测试范围宽广、测量精度高、转动惯量小、结构简单、对突变负荷响应为0.2s、可以双向测试的特点, 实现远距离自动化操纵及数显、打印测量的水平较高。同时, 为适应某些特殊机械, 将设备的垂直转动变换成水平传动方式。[2]

3 电涡流加载测试技术及测试标准

3.1 电涡流加载测试系统简介

电涡流检测系统装载煤炭的最大特点是所有的测试数据的采集和处理, 并由计算机自动完成, 方便可靠, 避免了各种人为因素的影响。在测试过程中, 从相应的传感器信号, 首先发送到仪器展示柜二次仪表, 二次仪表的传感器信号被放大, 过滤, 转换, 数字显示, 并通过相应的接口电路传输给计算机, 通过测试软件进行数据处理, 如存储, 显示, 打印等在。第二次仪表输出信号有两种形式, 一种为模拟油的温度, 电压, 电流, 有功功率, 功率信号;一个是数字转矩, 转速, 功率信号。这两种检测信号分别通过A/D转换和RS232等接口电路送至工控计算机, 由工控计算机进行处理。[3]

3.2 电涡流测试系统主要部件组成及结构

电涡流测试系统的主要设备包括:4块平台、1台转矩转速传感器、2台增速器、1台电涡流测功加载器、1台加载控制仪、1个20立方下水池、1套水泵电机组, 1台1140V电量测试柜、1台3300V电量测试柜、1个红外测温仪、1台噪声测试仪、1套水压传感器、1套水温传感器、6套电流传感器、6套电压传感器、4套功率传感器、数显仪表18套等。加载测试系统原理框图如图1。

4 系统关键技术的实现

4.1 系统硬件设计

以PCI总线为主的采煤机加载试验测试系统。系统的原理框图如图2所示。研华PCI总线具有抗干扰能力强、同时连接的设备多、传输距离远等特点, 为了实现系统闭环智能控制, 实时性能好, 系统采用1条RS232总线, 通过专用双端屏蔽电缆将扭矩测试仅和加载器控制器到工控机的一个串口上。对实时性要求不高的, 如电压表、电流表、温度等测试连接到PCL813B, 经过数据处理送到工控机PCI总线, 系统用计算机具备通过网线连接到交换机上, 随时了解现场情况或查询历史数据。IPC通过2个串行接口, 该电压表, 电流表, 温度测试仪, 扭力测试仪和实时控制器发送命令, 每个点的温度, 并从电压表, 电流表, 电压和温度的测试只扭矩测试只检索的值在网格中, 电流值, 采煤机切割单元值, 转矩, 速度和功率等。利用加载、减载等命令控制加载器, 工控机总线传输回来数值以数据表格或曲线等方式显示再显示器上, 同时, 工控机启动存储程序, 将上传数据进行存储, 以便后期技术人员进行查询、分析和打印。[4]

由于现场距离较远, 为了减少现场环境等对测试系统干扰, 温度传感器选用热电阻传感器。温度测试仪为电流型, 测试电流范围为:4-20m A。增加变送器中的热电阻, 发射器将指示温度的电阻值转换成4-20m A的电流值被传递到温度测量仪。温度测定仪连续周

4.2 通讯协议的处理

将电流表、电压表、温度测试仪、扭矩测试仪等部件通讯协议统一安排在PCI总线上有效的解决了相互之间的干扰, 系统稳定性较好。

4.3 软件编译

工控系统软件的主要功能有:参数的设置、数据采集处理、试验的自动测试、试验报表和特性曲线的自动生成及历史数据的查询和打印。系统采用模块化、结构化、层次化程序设计技术。系统中模块化程序主要有:数字量输入板卡子程序、数字量输出板卡子程序、模拟量输入板卡子程序、模拟输出板卡子程序、启动电机调速子程序、电压调整子程序、电流调整子程序、滤波子程序和保护子程序等等。

4.4 数据采集及处理的实现[5]

系统软件部分主要通过调用DRV_AIVoltage In (Driver Handle, (LPT_AIVoltage In) &pt AIVoltage In) 函数, 来采集数据。

4.5 软件的运行

计算机辅助测试软件的中文Windows XP操作系统下, Visual Basic6.0为编程环境, 开发界面友好, 提示和帮助所有的中国, 易于学习, 易于使用的操作, 系统的稳定性和容错性是好的。维修方便, 采用模块化结构和层次关系菜单时, 软件的设计与开发, 采用容错技术。VB程序的结构如图3所示。

测试软件先经编译后, 建立桌面快捷图标, 在测试时, 双击桌面上测试软件“采煤机、减速器加载试验台”, 即可启动主控模块。

在主控模块中, 菜单的设计主要包涵试验项目及其扩展功能, 性能测试主菜单内容包括:

采煤机切割性能试验, 减速性能测试, 炮头缓速测试等。对应于每个测试模块, 根据所述第一系统提示选择对象的设备, 输入设备编号, 然后实现以下功能:数据采集, 数据存储, 报表打印。所有的功能都在菜单上, 单击鼠标右键, 会出现浮动菜单上的上述功能。

采煤机截割部性能试验、减速器性能试验、掘进机炮头减速器试验等。对应于每一个测试模块, 首先要根据系统提示选择被试设备型号, 输入设备编号, 然后实现的功能有:数据采集、数据存盘、报表打印等。各项功能均采用菜单驱动, 单击鼠标右键即可出现关于以上功能的浮动菜单。

5 结束语

本文对电涡流加载系统进行阐述和技术分析, 并在这个基础上研发采煤机加载试验系统, 包括硬件部分、计算机数据自动采集与数据处理系统等部分。测试软件进行数据处理, 如存盘、显示、打印功能等。目前, 投入使用的采煤机电涡流加载试验台, 能够满足所有维修各类采煤机、减速机等设备的性能检测, 全面提升了综采设备的维修水平。

参考文献

[1]王宏权, 付文清.采煤机整机加载试验的构想[J].煤矿机械, 2011, 32 (9) :61-62.

[2]刘礼志, 黄良沛.面向维修的采煤机截割部加载试验台的研制[J].煤炭技术, 2007, 25 (5) :14-16.

[3]孙忠义.电牵引采煤机的研制、使用及发展前景[A].中国煤矿综采机械化发展30周年学术研讨论文专集[C].2000.

[4]张福起.采煤机整机加载试验方案[J].煤矿机械, 2011, 32 (2) :151-153.

道路坚实冰雪三轴加载破坏特性试验 第10篇

我国北方大部分地区冬季降雪期每年长达3~5个月, 一些高寒地区降雪期可持续5~6个月左右, 降雪周期长、雪量大、范围广。由于浮雪清除不及时, 路面积雪形成了高密度、高硬度的坚实冰雪。目前, 冰雪清除机具种类较多, 其中清除浮雪的机械以铲式、螺旋抛雪及清扫器为主, 清除坚实冰雪的机械按除雪关键部件的结构及工作原理分为铲式、滚压式、锤式、振动式、铲剁式等。浮雪清除技术源自国外, 相对成熟。但坚实冰雪清除技术存在机器笨重、粗糙、作业速度及技术水平低、避障功能不理想、对机具及路面保护能力差等缺点。究其原因, 主要是除雪机具研发过程中对冰雪特性研究不足, 因而对冰雪破坏特性的研究对除雪机具的合理研发具有重要的参考意义。

坚实冰雪形成过程

冬季路面积雪经过车辆和行人的碾压、温度变化导致的反复融冻, 密度小的积雪形成了密度大、硬度大、表面结冰、内部含杂、质地坚硬且与路面粘结牢固的坚实冰雪, 一般密度大于450kg/m3的冰雪定义为坚实冰雪, 如图1所示。在相同的时间历程作用下, 自然融冻、行人踩踏和车辆碾压的坚实冰雪所体现的状态与特性不同, 其宏观与微观形态也不同。

坚实冰雪宏观特性

宏观角度分析认为, 坚实冰雪的形成行人及车辆碾压、汽车尾气、温度的综合作用下, 冰雪融化为含杂液体, 经低温再冻结的过程。由于冰雪颗粒经车辆、行人反复碾压及外界温度升高后产生融化现象, 使坚实冰雪内部最初含有少量的过冷水, 因而未完全冻实的坚实冰雪由过冷水、杂质、气泡、冰雪颗粒组成。当外界温度继续下降, 这部分过冷水会在杂质与冰雪晶体间缓慢流动, 经过互溶及冷热交换, 流动的过冷水逐层冻结, 最终与杂质、冰雪冻结成为一体。

坚实冰雪微观特性

微观角度观察认为, 坚实冰雪的形成随温度降低过冷水中出现大于临界尺寸的冰核, 且冰核在过冷水中慢慢长大的过程。坚实冰雪在车辆、行人压实功能作用下, 克服粒子间的阻力, 产生位移, 粒子重新排列组合, 冰雪粒子间、冰雪与杂质粒子间的孔隙体积减小、密度增加。当温度下降至过冷水结冰时, 互融的过冷水中部分原子自发的按一定规律排列聚集起来形成晶核, 使未冻结的过冷水原子以此晶核为依附基体继续聚集排列, 同时流动的过冷水遇到冰雪颗粒也循此规律蔓延、冻结, 最终生长成冰雪晶粒。在晶粒缝隙间过冷水的作用下, 循此规律, 若干含冰雪晶粒和含杂质的晶粒聚集、粘结到一起形成了宏观的坚实冰雪。

图2所示为坚实冰雪微融状态下通过Ste REO Discovery.V12体视显微镜放大200倍后观察到的结果。图2观察发现, 在微融状态下, 坚实冰雪试样中含有大量气泡及少量流动的过冷水。在对试样进行降温处理后, 流动的过冷水可再次冻结, 有大量的气泡被困在雪粒中, 气泡聚集处强度较弱, 易破坏。

坚实冰雪三轴加载破坏试验

为研究坚实冰雪破坏特性, 对坚实冰雪进行三轴加载试验。通过冰雪加载试验可近似模拟冰雪路面承载时冰雪性能变化情况, 分析冰雪承载时应力-应变特性, 有助于探索冰雪清除机理, 为建立冰雪清除理论提供参考。试验采用不固结不排水法。

试验设备

试验选用YYW—Ⅱ型应变控制式无侧限压力仪, 该仪器由压力室、周围压力系统、轴向加压系统等组成, 如图3所示。

试样制备

在实测气温-25℃、湿度40%的条件下, 选取吉林大学南岭校区校园内的道路冰雪, 分为自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压三种类型冰雪进行取样, 测得冰雪的平均密度分别为375kg/m3、637kg/m3、839kg/m3。根据土工试验规程取冰雪试样直径为39.1mm, 因而制样工具采用内径为40mm钻头的手持水钻, 如图4所示。试样选自不同路段、不同坚实度的冰雪, 为满足试验要求将试样修整为两端整齐、高度80 mm, 获得试验试样如图5所示。

试验结果及分析

将自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压的坚实冰雪制备多组, 选取试验所测得的10组数据, 如表1所示。

利用式 (1) ~ (3) 计算出三种试样的轴向应变、试样校正面积、主应力差。其中主应力差∆σ为剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力。

式中, ∆h——试件高度变化, mm h0——试样原高度, mm

ε1——轴向应变, % A0——试件原始面积, cm2

Aa——试件校正面积, cm2C——测力计率定系数, 取2.7

R——量力环读数, 1/100mm σ1——最大主应力, kgf/cm3

σ3——最小主应力, kgf/cm3

将试验数据代入式 (1) ~ (3) 整理后, 以轴向应变为横坐标, 主应力差为纵坐标, 利用Origin 6.0软件得到围压150KPa、速度3mm/min时轴向应变与主应力差的关系曲线, 如图6所示。

图6中曲线1表示为车辆行人共同碾压后的坚实冰雪试样曲线;曲线2表示为行人碾压后坚实冰雪试样曲线;曲线3表示为自然融冻后的坚实冰雪试验曲线。三条曲线的轴向应变与主应力差的初始阶段均出现了反弯, 这种反弯现象在传统静三轴仪中较为常见, 多为传力轴和试样不良接触造成。赖勇建议反向延长应力应变关系的直线段至横坐标轴, 去掉反弯段应变来进行修正。图6曲线分析发现, 随轴向应变的增加, 主应力差呈先增大后减小, 后趋于平稳的趋势, 这种变化趋势使轴向应变逐渐增大的过程中存在主应力差最大值, 即临界破坏值。分析得到了如表2所示的自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压的三种雪样轴向应变值与主应力差值。

表2所示的结果表明, 车辆行人共同碾压的雪样的主应力差高于另外两种雪样。主要原因为两方面:第一是由于冰雪坚实过程不同, 三种雪样的孔隙度各不相同, 孔隙度大小关系为:自然融冻>行人踩踏>车辆行人共同碾压;第二孔隙度越大, 雪样受外界温度影响就越大, 冰雪越易融化。试验中压力室的温度高于雪样自身温度, 从而导致自然融冻与行人踩踏过的雪样融化速度加快, 使得轴向应变增加, 主应力差减小。

结语

(1) 分析了道路坚实冰雪的特性, 从宏观及微观角度分析了坚实冰雪的形成过程。分析发现, 冰雪破坏过程为微观冰雪颗粒受到拉伸、压缩、剪切等载荷作用, 发生轴向应变、剪应变、颗粒间滑动、沿颗粒边界滑动, 最终表现为宏观的断裂破坏。

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