试验加载

试验加载（精选8篇）

试验加载 篇1

1 工程概述

季华大桥主桥为110+190+115米共415m的预应力混凝土变截面连续刚构, 单箱单室, 直腹板, 梁高为3.5米到10米。根据现场情况, 主桥中跨过河, 水深达7~8米, 边跨下地质条件复杂, 决定采用挂篮悬浇施工。两墩作为两个单“T”结构悬臂浇筑, 最后进行两次体系转换, 浇筑合拢段, 组成连续刚构体系。中跨和边跨分别划分为25块悬浇段, 长度为6×3+12×3.5+7×4米, 共88米, 箱梁最大块件重量为308t。8#和9#墩上共有四个0#块, 0#块施工完后, 开始进行挂篮拼装, 挂篮拼装后进行加载试验提取弹性变形值, 根据加载试验结果, 挂篮安全性储备满足要求后才能开始挂篮悬浇施工。

根据箱梁最大块重量确定挂篮最大承重能力为308t, 挂篮分为主桁承重系统和底篮模板系统两大部分。主桁承重系统由主梁、斜拉带、立柱、上前横梁、上中横梁 (含立柱平联) 以及主梁平联组成空间桁架, 在前后横梁上方设置分配梁, 通过吊带连接底篮、内滑梁、外滑, 挂篮的前支腿置于已浇箱梁段端部, 尾部与箱梁竖向预应力锚固, 挂篮在前支点下设置支腿, 后支点设行走小车反扣在工字钢轨道上, 由手拉葫芦在轨道上纵移。 (见图1)

2 挂篮加载试验测试内容

由于采用“水箱法”加载、砂袋堆载的加载试验方法存在操作复杂、安全度低、费工费时等, 季华大桥采用千斤顶模拟荷载进行加载试验, 对挂篮的焊接质量进行最后的验证, 同时针对挂篮施工时前端挠度主要是由于主桁件的变形引起的, 试验时要测出力与位移的关系曲线, 作为施工时调整底模板的依据。

挂篮测试是在静态荷载下, 对其主桁进行挠度观测, 挠度采用精密水平仪配标尺进行观测。观测项目分为后锚上挠值、前支点沉降值、主桁前端销子处下挠值、主桁上前横梁各个吊点下挠值。

挂篮主桁分级加载重量, 千斤顶压力表读数, 持荷时间, 分级说明见表1。

挂篮主桁最大试验荷载 (不计挂篮自重) 经计算为1936KN, 利用穿心式千斤顶模拟此荷载对主桁悬臂施工加外力。

3 加载程序与方法

3.1 加载方法

由于挂篮底篮、模板系统的受力结构形式比较简单, 设计计算相对精度比较高, 所以为了便于实际试验, 故挂篮只对主桁这一复杂的空间承载桁架结构进行等载法测试, 进而达到试验测试目的。测试前将挂篮主桁架在8#桥墩已浇筑的0#块箱梁上, 根据实际工作状态, 按照等载原理进行组合, 其两侧主梁的前支点通过支腿放在预先安放的工字钢支承轨道上。两侧主梁的尾端通过分配梁, 分别锚固在已浇箱梁的8根竖向预应力筋上;主桁前横梁分别放置十个穿心式油压千斤顶 (60t) 。每个千斤顶的中心穿一根精轧螺纹钢筋, 其上端通过压板, 螺母压在千斤顶的上端面, 其下端分别锚固在箱梁顶板底部, 通过千斤顶对主桁前横梁施加模拟荷载, 此模拟荷载加载系统 (见图2) , 按照荷载等级分级施加张拉力, 并做好各阶段的观测数据。

3.2 加载程序:

a.安装挂篮, 并做好加载试验前的其他准备工作。

b.根据加载布置方案在箱梁顶板预留孔洞, 并复核预留孔与后锚固钢筋的位置。

c.在各个吊点箱梁顶板底部设分配梁, 锚固φ32精轧螺纹钢。

d.在前横梁上安装穿心式千斤顶, 按照各级荷载分级对称施加张拉力, 张拉时, 先张拉靠近桥轴线两根竖向筋至第一级荷载完毕, 然后拉远离桥轴线两根竖向筋至第一级荷载完毕, 如此直至各级荷载张拉完毕。

e.记录各阶段的观测数据。

各阶段加载数值最大荷载 (1#梁重加悬吊模板支架重量) 按照1.25倍安全系数考虑, 每次加载后, 只进行变形观测, 观测项目见测点布设。

f.加载试验完成后, 对挂篮主桁销结处的销子和主桁架焊缝进行观测, 发现问题及时处理, 确保挂篮施工安全可靠。

3.3 测点布置

根据主梁的受力状态, 在大桥箱梁浇注过程中, 挂篮主桁前横梁各承载力的挠度 (竖向位移) , 主桁纵梁3米处、3.5米处、4米处的挠度直接影响挂篮的竖向标高, 从而影响箱梁各段浇注后的标高和空间造型, 是施工中的重要控制参数。而主梁后锚固点的竖向位移也影响主桁前横梁的竖向位移。因此在主桁前横梁各吊杆承力点和两侧主梁的后锚固点都设置竖向位移测点。

a.每片主桁的后锚处设置一个观测点, 即测点Lh, rh。

b.每片主桁的前横梁10个吊点及跨中位置设置观测点, 即1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, m。

c.主桁纵梁前端左右各一点即L5、r5。

d.主桁纵梁从立柱起设L0、r0点, 2米设L2、r2点, 3米设L3、r3点, 3.5米设L3.5、r3.5点, 4米设L4、r4点。

3.4 变形观测方法及仪器

变形观测应采用国家二等水准测量或工程测量变形三等水准测量的精度等级要求和观测方法进行施测。按此要求进行能测量到变形量±1mm/km级的挠度值。

配备一台精密水准仪和配套设备进行变形观测, 精度可达到±0.7mm/km。

4 测试结果

通过加载测试检验了三角型挂篮各杆件的变形值以及其前端的挠度, 验证挂篮的实际承载力及其安全可靠性, 同时通过测试分别得出挂篮在分级加载1#梁段实体荷载作用下和各种载荷下主桁的弹性和非弹性变形参数, 为箱梁施工控制提供数据。具体的测试结果见表2。

结束语

加载测试试验得出的结论与设计值较为吻合, 利用其实测值有效地指导施工, 季华大桥主桥箱梁采用三角斜拉挂篮悬臂浇筑施工已全部完成, 一个对称段悬臂浇筑平均周期为8d, 每个对称段标高实测值与控制值对比均小于10mm, 中跨实现高精度合拢, 两端全断面高程差在-5~+8mm, 满足设计要求的±15mm, 整个主桥混凝土连续箱梁达到了外形美观、接缝平顺的要求。

摘要：大跨径连续T型钢构桥悬臂浇筑施工时, 挂篮的强度、刚度和安全性是施工过程中考虑的重点。本文结合广东季华大桥主桥悬臂浇筑的施工状况, 重点阐述了三角斜拉挂篮采用千斤顶模拟加载试验, 不仅为了确保挂篮安全使用的需要, 而且通过模拟压重检验结构, 消除拼装非弹性变形, 为悬臂浇筑施工高程控制提供可靠依据。

关键词：三角斜拉,挂篮,加载试验

试验加载 篇2

协调加载系统在直升机飞控试验系统中的应用

分析新型协调加载系统(加载系统)在某型直升机飞控(操纵)系统地面闭环仿真试验(飞控试验)中新设计及应用问题的解决方法,探讨了用模拟气动载荷,去仿真操纵量信号给接收方的途径.

作 者：黄剑飞 史吉洪 HUANG Jian-fei SHI Ji-hong  作者单位：中国直升机设计研究所,景德镇,333001 刊 名：直升机技术 英文刊名：HELICOPTER TECHNIQUE 年，卷(期)： “”(4) 分类号：V249 关键词：飞控试验   协调加载系统   操纵量信号  

丝杠式油缸加载试验台设计 篇3

1 丝杠式油缸加载试验台架机械系统

当前我厂生产的油缸行程在0-2000 mm, 通过调整加载油缸的活塞杆伸出量, 使被试油缸活塞杆位于工作位置, 进行保压试验, 来检测被试油缸的内泄漏, 机械结构如图1所示。本丝杠式油缸加载试验台架, 包括底座、固定支座1、用于安装被试油缸的固定支座2、丝杠机构和滑动支座。固定支座1和固定支座2固定安装在底座两端, 丝杠机构安装固定在固定支座1上, 滑动支座与丝杠机构端部连接在一起。固定支座1和固定支座2的两侧分别设有一拉杆, 拉杆一端与固定支座1连接, 另一端与固定支座2连接。固定支座1、固定支座2和拉杆组成一封闭框架, 拉杆用来承受油缸加载试验产生的作用力。工作时通过改变电机的正反转, 带动滑动支座在底座上表面前后运动;被试油缸一端安装固定在固定支座1上, 另一端与滑动支座连接在一起。当丝杠机构将滑动支座调整至所需位置后, 通过外接液压泵站, 向被试油缸的试验腔通入压力油并达到试验的压力, 活塞杆产生外伸或回缩运动趋势, 所产生的拉压力通过滑动支座, 传递到丝杠机构及固定支座1与固定支座2上, 进行加载试验。在进行内泄漏试验时, 将被试油缸另一腔油管拆除, 测量从高压腔泄漏至低压腔的泄漏油量即可。由于丝杠机构是刚性机构, 一旦受力, 就不会产生让劲, 不像现有技术中采用油缸对顶, 受油缸泄漏的误差, 从而能够更准确的测量被测油缸的内泄漏量。

1.底座;2.固定支座1;3.丝杠机构;4.滑动支座;5.拉杆;6.被试油缸;7.固定支座2

2 丝杠式油缸加载试验台架控制系统

本控制系统的硬件主要包括上位机和下位机两部分, 计算机作为上位机, 下位机采用PLC控制, 上位机和下位机之间采用RS232通信, 硬件系统框图如图2所示。

2.1 上位机设计

在上位机设计中, 采用力控软件Force Control V7.0进行界面设计和数据组态。力控软件Force Control V7.0的动态画面可以全面支持GDI+图形画刷, 同时支持2D、3D图形模拟技术, 用户通过力控脚本系统可以方便的控制图形对象的动态效果, 使整个生产画面更加形象。Force Control V7.0增加了设备状态和通道状态的系统监控变量, 用户可方便的得到各种设备的通讯状态, 同时, 把一些原本未开放的通讯参数开放给用户, 使工程应用更加符合现场应用场合。主界面设计如图3所示。在主界面中, 能够显示试验缸进口、出口和被测油缸实时压力, 并通过曲线形式实时显示被测油缸压力。另外, 当系统产生故障, 或者压力过高过低时, 可以产生语音报警, 并且可随时查看历史报警信息。

2.2 下位机设计

综合本试验台实际情况, 下位机采用西门子PLC CPU222, 继电器输出, 并扩展了模拟量模块EM235。该PLC具有14个I/O点, 其中8个输入点, 6个输出点。丝杠式油缸加载试验台控制系统I/O分配表如表1所示。

由于采用的压力传感器输出信号为0-5V的标准电压信号, 因此, 在使用中, EM235模块的拨码开关配置如表2所示。在设计过程中, 系统硬件接线图如图4所示。

3 结论

本文通过对丝杠式油缸加载试验台架机械系统和控制系统进行研究, 在此基础上, 对所需硬件进行了选型并设计了软件, 通过实际实验表明, 该系统能够简捷、方便的实现内泄露的测量, 而且结果可靠。

摘要：液压缸在长期的使用中经常出现内、外泄漏、密封性能差, 引起系统控制特性恶化, 达不到正常控制精度与运行速度, 影响了系统的安全性和可靠性。本文开发了一种丝杠式油缸加载试验台架, 该试验台采用PLC和组态软件实现被测油缸的测试, 实验表明该系统测量过程简捷、快速, 测量结果可靠性高。

关键词：丝杠式油缸,加载试验台,ForceControl V7.0,PLC

参考文献

[1]周静红.基于PLC控制的液压缸试验台的研究[J], 电子技术, 2013, 54-56.

[2]郭俊英.油缸加载试验台控制系统方案设计[J], 机械管理开发, 2008, 23 (4) , 160-161.

[3]曹祥.液压缸简易加载试验台设计[J], 液压与气动, 2012, 4, 68-70.

滚珠丝杠副加载测试试验台设计 篇4

随着电动伺服技术的发展，滚珠丝杠副因其优越的直线传动特性，在航天器电动伺服控制系统中的应用越来越广泛。由于滚珠丝杠副在伺服控制系统中受载情况比较复杂，因此，开展滚珠丝杠副性能测试的研究非常必要。本课题设计了一套滚珠丝杠副伺服加载测试系统，集伺服加载和测试功能为一体，能够模拟航天工况的加载环境，测试滚珠丝杠的效率和刚度等性能。

1 系统总体方案

基于国内外加载测试系统的研究现状，国内加载测试系统的功能还是比较单一，特别是滚珠丝杠副的综合性加载测试系统[1,2]，本课题研发了一套集加载和测试为一体，能实现自动化控制的滚珠丝杠副伺服加载测试系统。

1.1 系统功能

1)伺服模拟加载。实现连续、稳定、可调的对伺服机构进行模拟加载，以考核机构在实际工作情况下的工作性能及工作可靠性。

2)滚珠丝杠副的精度测量。可测量传动误差和间隙误差。

3)滚珠丝杠副力学特性试验。可进行轴向接触刚度和扭转刚度试验，启动力矩试验，摩擦、磨损和效率试验以及动态特性试验。

4)滚珠丝杠副的极限承载能力、失效及可靠性试验。

1.2 系统工作原理

滚珠丝杠副加载测试系统是集加载和测试一体的综合性测试系统。加载系统的原理是通过压力值为控制量实现对加载对象不同载荷的加载。伺服系统由压力传感器测得的压力值为反馈量来控制加载电机的输出，完成闭环回路控制[3]。上位机为系统终端，实现电机的往返运动和载荷大小的调节。测试系统的原理是通过多路采集卡完成对测试对象性能参数的采集，配合Lab VIEW软件进行运算分析，并在工控机中显示。加载测试系统总原理图如图1所示。

系统加载控制的具体工作原理:

1)通过上位机设定加载力大小，发出信号给控制器，控制器发送控制信号给驱动器驱动电机加载。

2)经压力传感器获取压力值对应的电压信号给控制器与驱动信号比较得到调节误差来实现闭环控制。

3)对比误差，采用数字PID运算，获得理想控制信号。

4)数字信号经D/A转换得到模拟量来得到控制信号。

5)模拟量由前置放大、功率放大给加载电机控制信号。

6)加载电机运动带动传动机构实现对加载对象的不同载荷的加载。

2 试验台结构设计

如图2所示，测试台采用卧式水平放置的方式，对测试对象4进行轴向力的加载。测试对象4由驱动电机1带动，经套筒5固定连接线性导轨9，实现滚珠丝杠的支撑和限转作用，右侧加载电机10通过传动部件9，由旋转运动变成直线运动，产生轴向力作用在测试对象连接的套筒5上，实现加载过程。中间压力传感器6分别与测试对象的套筒和加载部件的套筒固连，实时显示载荷大小。

1—伺服电机;2—转速转矩传感器;3—角度编码器;4—被测对象;5—套筒;6—压力传感器;7—传动丝杠;8—被测丝杠;9—直线导轨;10—加载电机;11—铸铁平台

3 系统软硬件设计

3.1 系统硬件总体结构

因传感器信号种类比较多，所以要求试验台的数据测量采集系统能够同步采集多种类型的数据信号。为此设计出基于Lab VIEW的多路信号同步采集系统。由一个加载台和控制柜构成，用于滚珠丝杠副加载并监测加载情况。系统的组成框图如图3所示。

本试验台主要由交流伺服电机及其驱动器、压力传感器、转速转矩传感器、角度编码器、位移传感器和被测滚珠丝杠副等部件组成。电气部分由显示器、工控机、打印机、数据采集卡、计数卡、PLC及各个开关按钮等组成，能够完成对各部件供电和对交流伺服电机的控制，同时，上位机软件进行参数的采集、显示和分析等。

3.2 硬件功能实现

加载测试系统的设计分为2大类:加载部分的电机控制及驱动部分电机控制[4]。自动控制设计:选择合适的PLC模块以及外围接口硬件，设计最优闭环控制流程，选择合适的压力传感器、位移传感器和数据采集卡等硬件设备。通过采集到的实际压力值作为载荷反馈传给控制器。同时在Lab VIEW编程的采集面板中把采集所得的数据按照曲线或数字的形式显示。通过闭环控制程序，把载荷保持在设定的范围内，对整套系统进行自动控制。

系统应用PLC为主控制器，计算机作为上位机，实现实时控制和参数观测的功能和实验对象的模拟加载。硬件接线图如图4所示。

基于系统要求的可靠性和加载控制的特殊性，运用PLC的对被测对象实际载荷进行信号输入，模拟量信号输出对驱动器进行控制，工控机软件监控外围设备对异常信息发出警报、现场监控测试对象的性能参数，以及完成数据的处理、报表的输出等功能。

控制硬件实现方法:为了保证加载过程中的加载精度，需要不断地检测测试对象的收到的压力并进行协调控制。利用压力传感器可以进行压力的检测，它的主要作用是将压力值转换成模拟电压信号，然后传递到模拟量扩展模块，将模拟信号转成数字信号并用于PLC计算分析，通过计算输入的模拟电压值的大小，就能获得当前压力值。利用PID算法进行运算调节控制输出值，得到理想载荷。

驱动器选择扭矩控制(T):是通过PLC程序发送模拟信号给驱动器，通过压力传感器实际测量值反馈，实现闭环控制，最终控制伺服电机按照设定要求来运转。PLC控制的伺服电机力矩模式接线是通过模拟量扩展模块EM235接入驱动器模拟量输入口A12+、A12-。扭矩模式时伺服驱动器，模拟量扩展模块EM235输出选择信号范围-10 V～+10 V的电压输出方式。

4 系统软件设计

4.1 数据采集程序

针对测试对象滚珠丝杠副的性能，测试其启动力矩、刚度、效率，运用数据采集卡对转速、转矩、角度、位移和压力等参数进行采集。上位机显示部分由软件编写的程序来完成，通过传感器和采集卡将数据信号进行传递到计算机并实时显示。综合考虑系统要求，软件操作界面主要实现数据采集和显示，同时包括系统登录，系统设置，数据分析等功能。

操作界面由下面2部分组成:

1)采集操作模块:此部分主要包括对采集的相关操作，包含采集开始、采集停止和保存等功能选项。

2)采集数据的呈现模块:通过数字显示和图像显示2种方式为主，能够同步显示多个传感器采集到的数据信息。

图5是Lab VIEW软件的操作界面。

采集的子程序如图6所示。

4.2 控制软件设计

a)Lab VIEW软件设计

软件编程时，可以通过前面板输入信息到VI，或者调用其他子程序VI完成功能要求。Lab VIEW的子程序可以作为一个单独的程序运作，但是也可以把前面板当作用户界面，作为一个节点放到另一个VI程序框图中，通过连接器进行搭配[5]。

前面板设置不同操作按钮，完成对系统的采集功能，其中包含的功能操作有参数设置、开始采集、停止采集、历史数据检索、帮助、退出等。点击前面板不同的功能选项，便可以跳转到对应的执行程序进行查看，程序方便灵活。采集操作面板如图7所示。

b)PLC控制软件设计

1)主要参数设置:要指定回路编号(LOOP)及参数表(TBL)首地址，并设定好采样时间、增益、积分时间和微分时间。

2)程序编写:通过程序编写，把模拟量输入的真实值转换为PID对应的测量值(PV)及设定输出值转换为PID对应的设定值(SV)，然后传送到对应参数表的地址中，为PID运算做好前处理。

3)程序调用:为PID程序的执行指定输入信号，调用PID程序。通过编写定时中断的程序，在中断程序中调用PID程序。

4)程序处理:通过编写程序，把PID运算得到的输出值进行格式转化，并传输到指定模拟量输出模块的对应地址中，实现信号输出控制。

c)PID指令运行步骤:

1)上电后进入主程序，扫描第一个周期，调用子程序。

2)进入子程序，设定PID参数。

3)进入中断程序功能，将模拟输入量转为双字整数，将双子整数转换为实数，使PV处于0～1之间，将PV存于TBL首字，使用I0.0调用PID指令，M乘系数后已送累加器，四舍五入转换为双字整数，将双字整数转换为整数，将AC0写入模拟量输出[6]。

5 结语

滚珠丝杠副伺服加载测试系统，能够模拟航天工况的加载环境，完成滚珠丝杠的效率和刚度等性能测试。试验台结构设计合理，性能可靠，装卸方便。选择Lab VIEW软件及采集卡和PLC硬件进行信号采集和运动控制，实现了传感器信号的采集、处理和运算，及加载运动中载荷的PID精确控制，较好地实现了滚珠丝杠副模拟加载和性能测试。试验软件操作简单、方便快捷，极大地减轻了劳动强度，提高了工作效率。

摘要：针对航天飞行器伺服控制系统中滚珠丝杠副受载情况的特殊性,开展对滚珠丝杠副的模拟加载和性能测试的研究,设计出一套伺服加载测试试验台,利用该试验台可测试精密滚珠丝杠副的多变载荷承载能力、轴向刚度、传动效率和启动力矩等性能,为用户提供准确可靠的检测报告。阐述了此加载测试系统的主要功能和工作原理、结构组成、电气硬件控制和系统软件的设计。

关键词：滚珠丝杠副,伺服加载,数据采集

参考文献

[1]黄祖尧.21世纪初海外滚动功能部件发展动态[J].世界制造技术与装备市场,2003(1):20-23.

[2]孙震,陶卫军,冯虎田.精密滚珠丝杠副精度损失模型及其试验研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(3):1-4.

[3]崔铁铮.直线舵机加载系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[4]刘宇翔.基于ds PIC的舵机负载加载实验台设计[D].南京:南京理工大学,2011.

[5]俎文凯,张庆.踏面制动单元测试系统试验台设计[J].机械制造与自动化,2015,44(6):1-2.

试验加载 篇5

随着我国高速铁路建设的发展,高速铁路速度的不断提高对于铁路机车以及路轨技术提出了更高的性能要求。轨枕和扣件是轨道重要组成部件,轨枕主要用于承载钢轨和在钢轨上运行的机车,钢轨与轨枕是通过扣件联结在一起的。扣件的作用是将钢轨固定在轨枕正确的位置上,并阻止钢轨在机车运行过程中发生纵向和横向位移以及防止钢轨倾翻,同时扣件还要能提供必要的弹性、绝缘性能,对钢轨的轨距具有一定的调整能力[1]。轨枕和扣件对于保证轨道的稳定性和可靠性起到了十分重要的作用,对于轨道交通运输的安全性和舒适性等性能指标具有十分重要的意义[2]。针对我国高速铁路发展对轨枕和扣件的性能提出了更高的技术要求,介绍研制出的一种用于对高速铁路轨枕和扣件进行静力和疲劳加载的实验系统,该试验系统可用于轨枕疲劳性能、扣压力和抗拔力等扣件组装性能、扣件部件疲劳性能、垫板动静刚度的检验,也可兼做钢轨、道岔、轨距杆、锚具、轨枕、橡胶支座线磨耗率的检测。本文主要研究了液压驱动作动器对高速铁路轨枕及扣件进行加载试验的测试系统组成,加载系统的精度分析以及提高加载精度的控制方法,为研制可靠的高速铁路扣件以及轨枕系统提供精确的试验条件。

1 系统原理介绍

轨枕及扣件加载系统如图1所示,主要由基础、加载横梁、加载作动器、控制系统、油源等部分组成。基础为铸铁平台,主要用来固定轨枕及扣件等被试件。加载作动器为伺服阀控制的低摩擦液压伺服油缸。加载作动器上端固定在加载框架上,由加载框架承受加载反作用力。控制系统采用两级实时控制,人机交互界面为非实时部分,加载伺服闭环采用实时控制系统。油源用于为加载作动器提供高压油。

加载系统的工作原理为:首先将被试件牢固安装至基础上。启动油源为系统提供高压油,通过控制系统控制液压作动器向被试件施加给定的加载力。在试验过程中可根据试验需要,控制一个或多个作动器对试验件进行加载,每个通道均可独立控制进行加载,也可以多个通道进行协调加载。

加载作动器具备力控制、位移控制功能,试验操作者可通过计算机控制选择加载设备的控制模式力或位置控制,以完成相应的加载试验。

2 加载系统数学模型

轨枕扣件加载系统采用的是对称阀控制对称缸形式的液压伺服作动器对被试件进行加载,此伺服加载系统属于典型的液压力控制系统。加载液压缸的简化模型示意图如图2-1所示。图中Q1、Q2分别为进入和流出液压缸的流量;p1、p2为液压缸两腔压力;y为活塞杆位移;m为负载质量;xv为伺服阀阀芯位移;Bc为液压缸活塞与缸筒之间的阻尼系数;ps、p0分别为供源和回油压力。

对于液压伺服加载系统的数学模型,可以由以下三个方程来描述:

(1)阀的流量方程

对于电液伺服阀,其动态特性通常可简化为二阶环节,即有下式:

式中Q0——伺服阀的理论流量(m3/s);

Kv——伺服阀的流量增益(m3/s/A);

ωv——伺服阀的固有频率(rad/s);

ζv——伺服阀的阻尼比(无量纲)

(2)液压缸的流量连续性方程

流量连续性方程的推导中,假设V1=V2=Vt/2,在该位置液压动力机构的固有频率最低,同时系统的阻尼最小,因此系统稳定性最差。故基于此假设出发所得的结论,对任何活塞工作位置都是偏于安全的[4]。在此假设下,可得到:

式中A——液压缸活塞面积(m2);

Ctc——液压缸总的泄露系数(m3/s/Pa);

Vt——液压缸左右两腔的总容积(m3);

βe——等效体积弹性模数(Pa)

(3)液压缸与负载的力平衡方程

忽略库仑摩擦等非线性因素和油液质量的影响,若忽略力传感器的柔度即认为力传感器的刚度无限大,并忽略加载液压缸活塞及活塞杆组件的质量,只考虑加载液压缸的粘性阻尼系数,则力传感器输出可以看成是加载液压缸的驱动力。根据牛顿第二定律可得加载液压缸的力平衡方程为

式中m——负载的质量(kg);

Bc——粘性阻尼系数(N/(m/s));

K——负载弹簧刚度(N/m);

y——负载的位移(m)

联立上述三个方程,可以得到液压加载作动器输出力的传递函数为

根据单通道液压加载作动器的数学模型,加载作动器方块图如图2-2所示:

3 加载系统仿真分析

利用所建立的液压加载作动器的传递函数模型,按照实际参数进行特性分析,分析加载系统的特性,确定加载系统控制器的参数。分析负载质量和弹簧刚度的变化对加载系统的影响。在此基础上,分析影响加载系统加载精度的主要因素,为进一步提高加载系统的精度和性能提供依据。表3-1是液压加载作动器主要的实际参数表。图3-1为加载系统的开环频率特性图。

由系统的传递函数式(2-4)可知,影响此主动加载系统性能的参数有很多,其中负载弹簧刚度K和负载质量m是主要的影响因素。当负载弹簧刚度K增大时,惯性环节的转折频率增大,系统的穿越频率增大;反谐振频率和第一个综合谐振频率之间的间距减小,有利于系统的稳定。弹簧刚度K的变化对第一个综合谐振频率的影响较小,对第二个综合谐振频率没有影响。当负载质量m增大时,对低频段几乎没有影响,惯性环节的转折频率和系统的穿越频率几乎不变。高频段反谐振频率和第一个综合谐振频率减小,但是两者之间的间距几乎保持不变,这样对系统的稳定性不利;

由于加载被试件的刚度和质量都会随着不同的试件存在较大的变化,为了保证系统的稳定性以及消除系统的稳态误差,需要按照最小试件的刚度分析系统的稳定性来进行加载系统的设计。根据被试件的特性调节系统的增益,同时可以采用滞后校正控制器,抬高系统低频段的增益以提高系统的响应速度。

4 试验验证

为了对上两节进行的系统建模和仿真分析的结果进行验证,对负载质量确定而不同负载刚度情况下的加载系统特性进行频率特性测试,刚度变化时系统的频率特性测试结果如图4-1(a)所示。在负载基本刚度不变,负载质量变化时系统频率特性测试结果如图4-1(b)所示。

通过负载刚度及负载质量的变化测得的系统频率特性的试验曲线可以看出在负载质量m一定的前提下,提高负载弹簧刚度K可以提高加载系统的频宽,并且有利于系统的稳定性。在负载弹簧刚度K一定的前提下,降低负载质量m可以提高加载系统的反谐振频率,对系统的稳定性有利。

为了提高系统加载的稳态精度,采用滞后校正控制器抬高低频段的增益,同时不影响高频的相频特性。采用滞后校正控制器前加载系统对某型轨枕进行预载为108KN周期为1.5Hz幅值为72KN正弦加载时的试验曲线如图4-2所示。采用滞后校正控制之后的试验曲线如图4-3所示。

通过实验曲线对比可以看出,在加载条件不变的情况下,采用滞后校正控制器可以有效提高加载系统的稳态精度。

5 结语

采用液压驱动作动器的加载试验系统能够满足高速铁路轨枕及扣件等部件的加载试验要求。加载系统的特性主要受到被试件刚度和被试件质量的影响,被试件刚度过小或者被试件质量过大均会影响到加载系统的稳定性。在根据被试件最小刚度设计好的加载系统后,为了适应不同试件需要对系统参数进行调节。采用之后校正控制器可以显著提高加载系统的稳态加载精度。

摘要：介绍了一种运用液压驱动作动器对高速铁路轨枕及扣件进行半物理仿真及加载试验的测试系统,此系统用于对高速铁路运行过程中轨道和枕木连接扣件相互作用进行模拟和测试,以验证扣件和轨枕系统对高铁运行过程中产生的动态力的耐受情况。文中阐述了此加载系统的原理及组成结构,分析了加载系统的稳态加载精度,并设计了滞后控制器用以提高系统的加载控制精度。

关键词：扣件,加载试验系统,疲劳试验,高速铁路

参考文献

[1]于春华.铁路钢轨扣件发展综述.铁道标准设计,2006.188-191

[2]盛伟,付传锋.高速铁路扣件类型与应用.金属加工,2010年第7期.31-35

[3]冯树琴,李瑞,高速铁路扣件对钢轨横向变形影响分析.山西建筑,2007年11月第33卷第31期.267-269

[4]李洪人.液压控制系统.国防工业出版社,1990,8

[5]于春华.漫话铁路钢轨扣件.铁道知识,2005(1)

[6]朱胜利,张宏亮,孙京等.建轨道扣件及减振综合试验平台的研究与设计.都市快轨交通,2011年6月.第24卷第3期.26-29

试验加载 篇6

近年来, 随着伺服传动系统性能的不断提高, 对精密滚珠丝杠副的多变载荷承载能力、动态响应特性、传动精度等性能提出了更高的要求。目前国内精密滚珠丝杠副的发展水平和国外相比还有一定的差距, 除了原材料和加工设备的精度等因素外, 没有完善的试验检测手段也是制约其发展的一个重要原因。由于传统的滚珠丝杠副试验平台的加载装置大多使用配重摩擦或者弹簧牵引等被动加载方式, 试验时不能实时显示和控制负载, 这样的加载方式已不能满足试验台对多变载荷模拟的要求。为了检测精密丝杠副在多变载荷条件下的各项性能参数, 设计研制开发了基于FCS多通道协调加载系统的精密滚珠丝杠副伺服加载试验台。

1 FCS多通道协调加载系统

FCS多通道协调加载系统, 能够实现疲劳、静力、拟动力和随机波等多种试验, 可以满足航空、航天、船舶、汽车、 铁道车辆等多行业多种加载试验的需要, 并可为各种数采系统提供通信接口。

FCS控制系统采用3级分布式控制结构, 分别是管理级 ( PC机) 、协调修正级 ( PC/104模块) 和实时控制级 ( 通道机及伺服控制器等模块) 。系统的总体结构如图1所示。

FCS多通道协调加载装置如图2所示。该系统主要由一台F2226 - 0电液伺服作动器提供负载, 作动器末端有一个球铰固定的连接座, 因此只需设计专用夹具即可将丝杠螺母固定在活塞杆上, 可实现对螺母的伺服加载。

图3是系统控制面板, 试验时通过该控制软件实现实时监控和调节。控制命令可以是载荷, 也可以是位移, 并可以实现不同控制方式之间的平滑转换; 控制方法有动静踏步法、幅值修正法和常规控制法, PID参数可以进行自适应调节, 并可实现参量控制。

通过FCS多通道协调加载系统对丝杠螺母施加可实时调节控制的多变负载, 满足了试验台对多变载荷的性能要求, 很好地解决了负载系统的设计难题。

2试验台总体设计

2. 1试验内容设计

根据伺服传动系统对精密滚珠丝杠副的高刚度、高精度、高效率的性能要求, 制定了四项试验项目, 分别是交变载荷承载试验、轴向接触刚度试验、传动效率试验和启动力矩试验, 试验依据及相关待测参数如表1所示。

2. 2试验台总体设计

根据试验内容, 待测量包括: 输入转速n, 输入转矩T, 螺母移速V, 轴向负载F, 微小变形量 δ, 通过各类相应的测试仪器和传感器测得, 并通过PXI数据采集系统记录和存储, 系统原理图如图4所示。

根据原理图, 试验台的关键部件包括FCS协调加载系统、PXI数采系统、电动机驱动控制模块以及试验台结构。试验时, 试验人员根据试验方案要求, 通过试验工控机控制FCS多通道协调加载系统调节丝杠螺母所受的轴向负载大小, 并进行实时调节; 与此同时通过电动机驱动控制模块中的变频器调节丝杠的转速, 完成对实验条件的控制。

试验台结构组成如图5所示, 因为伺服作动器是垂直悬挂在门架上的 ( 如图2) , 因此, 整个试验台采用至上而下的立式结构, 作动器通过套筒夹具与丝杠螺母连接, 为螺母提供伺服负载; 位于试验台最底端的驱动电动机经过转速转矩仪驱动丝杠杆转动, 从而带动螺母上下平动, 位于螺母上下极限位置的行程开关通过电动机驱动控制模块控制电动机的正反转, 实现对螺母行程的控制。

2. 3数据测量采集系统设计

根据设计要求, 试验台数据测量采集系统主要由PXI计算机、调理适配器和各路传感器组成。

PXI计算机包括两块A / D板卡 ( PXI6133和PXI6250) 和一块高速数字I / O板卡 ( PXI6552 ) 。PXI6133是一块8路动态信号采集板卡, 具有8路A/ D, 能够真正实现同时采集信号, 可以同时测量模拟信号和数字信号。 PXI6250的采样模式是轮询式, 这样采集到的信号会有一定的时间延迟。这两种信号同时都存在时, 可以使这两块A / D板卡同时工作。这里选用不同的两块即能够满足测试要求, 又可以减少成本。PXI6552是用来采集高速的数字信号, 最高采样率能够达到100 MS/s, 这完全可以满足对高速数字信号的采集要求。

调理适配器由SCXI调理机箱和调理板组成。SCXI调理机箱中有5块NI1125模块, 可以先把模拟信号进行信号调理和隔离放大后再输入到PXI机箱, 这样提高模拟信号采集的可靠性。

试验时, 各路传感器所测得的数据通过BNC - 2110接线盒汇总到SCXI调理适配器, 然后再输入到PXI计算机内, 通过使用LABVIEW编辑的数据采集系统面板显示。测试系统总体结构如图6所示。

2. 4电动机驱动控制模块设计

根据试验台设计要求, 由于丝杠杆长度有限, 驱动电机需要频繁的正反转来增加试验的持续时间; 同时还需要实多级调速, 所以电动机需要能够实现调速功能。

现有的滚珠丝杠副试验台中都是采用伺服电动机作为丝杠副的驱动电动机, 通过软件编写相应程序来控制电动机的正反转和转速, 虽然这样电动机控制元件少, 电路简单, 但设计周期长, 成本非常高昂。

本实验台的驱动电动机采用的是普通的三相异步电动机, 为了能够实现电动机正反转和多级转速, 设计了一种带变频调速功能的电动机正反转控制电路, 行程长短由行程开关控制, 电路图如图7所示。

按图7所示电路图接线, 合上断路器QF, 将主电路接通。按下开关SB1, 当丝杠螺母碰到行程开关SQ1, SQ1 - 1断开, SQ1 - 2闭合, 继电器KM2线圈得电, 触头闭合, SD与STF接通, 电动机反转, 螺母远离行程开关SQ1, SQ1 - 1, SQ1 - 2复位。当丝杠螺母碰到行程开关SQ2, SQ2 - 1断开, SQ2 - 2闭合, 继电器KM2线圈失电, 触头断开, SD与STF断开。继电器KM1线圈得电, 触头闭合, SD与STT接通, 电动机正转, 螺母远离SQ2, SQ2 - 1, SQ2 - 2复位。通过电动机正反转, 实现螺母在行程开关SQ1和SQ2之间做往复运动。断开开关SB1, 控制回路失电, 两个继电器KM1、KM2失电, 变频器上正反转接线端STF、STR与SD断开, 电动机停止运行。

试验台的电动机驱动模块完全采用廉价的普通电器元件组成, 极大的降低了试验台成本, 较好地实现了试验台对电动机驱动控制的设计要求。

3. 3试验台结构设计

如图8所示, 试验台结构布局采用立式结构, 作动器是悬挂在门架上的, 整个缸体可以自由摆动, 因此在快速运行过程中可能会歪斜、震动, 从而对螺母造成侧向力, 导致丝杠受载不均, 严重的会折断丝杠, 造成试验事故。因此试验台结构设计的难点在于螺母限转机构、螺母夹具及作动器限位机构的结构设计。

针对这些难点, 设计出如图9所示的螺母夹具及周边结构。其结构优点有以下几点:

1) 螺母夹具呈圆筒状, 可使轴向载荷均布在螺母上。

2) 在螺母夹具上设计了导向平键, 限转支座内孔有键槽, 这样通过导向平键限制螺母的转动。

3) 限转支座内孔与螺母夹具间隙配合, 这样可以限制运转过程中螺母的歪斜, 保证轴向载荷的对中性。

4) 限转支座上法兰还设计有电涡流传感器探头安装孔, 简化了位移传感器的安装结构设计。

5) 限制支座上端装有两个导向杆, 并穿过连接板, 使作动器能严格沿着导向杆上下运动, 有效提高了试验运行稳定性, 保护螺母不受作动器的径向偏移作用。

整个夹具结构紧凑合理, 一举多得, 在有限的空间中较好的解决了结构设计难点, 并且保证了结构件足够的强度和刚度, 较好地实现了试验台对结构的设计要求。

3结语

利用FCS多通道协调加载系统实现在立式滚珠丝杠试验台上进行滚珠丝杠四项性能的测试, 通过FCS多通道协调加载系统实现多变载荷的工况模拟, 并实时对加载状况进行控制; 通过转速转矩仪等传感器可测得滚珠丝杠副的轴向载荷、螺母移速、输入转速、输入转矩及微小变形量; 通过PCI数据采集系统可实现多路数据的采集和存储; 利用普通的三相异步电动机、行程开关、变频器和电器元件代替伺服电动机实现对电动机正反转及调速控制, 大大节约了试验成本; 同时整个试验台结构设计紧凑合理, 特别是螺母夹具及周边结构设计, 在有限的空间内最优化地达到了结构设计要求。整个试验台的设计对我国独立自主研制滚珠丝杠副的试验装置的工作具有一定的指导意义。

参考文献

[1]肖正义.滚珠丝杠副的发展趋势[J].制造技术与机床, 2000 (4) :12-14.

[2]陈晶晶.滚珠丝杠副性能测试平台及轴向静刚度的研究[J].东南大学学报, 2010.

[3]李东君.滚珠丝杠副轴向静刚度测试方案研究[J].机床与液压, 2011, 39 (10) .

[4]陈荣军.基于LabVIEW高速滚珠丝杠综合性能动态测试系统设计与分析[J].南京理工大学学报, 2008.

[5]罗容.重载滚珠丝杠副接触应力分析与实验台设计[J].南京理工大学学报, 2008.

试验加载 篇7

1 长期性能研究是我国沥青路面技术升级的必然选择

高等级公路的早期破坏日益受到人们广泛关注,为了解决这一难题,提高路面使用寿命和服务水平,开展路面长期性能研究势在必行。过去,路面性能尤其长期性能研究是一基础性科研项目,具有长期性、复杂性和艰巨性。限于设备和认识的局限,路面长期使用性能的研究在我国一直没有受到足够的重视,没有具有可操作性的创新成果。在这种背景下,我国及时进行加速加载试验,就显得十分迫切。

从长远观点来看,路面长期性能研究也蕴含着巨大的经济效益和社会效益,通过指导设计、施工、养护、维修,改善道路结构性能和使用性能,不仅可以节约大量的维修和重建费用,避免资金浪费,减轻财政负担,还可以提高行车的舒适性、经济性、畅通性。

路面长期使用性能的研究在国外很受重视。例如英国自1949年以后进行了6次大规模的路面结构性能与设计方法的试验验证工作,其1987年制定的路面设计方法,就是建立在对400多个试验路段长期观测的路用性能数据基础上。

在路面长期性能研究方面最为系统的应属美国。为提高本国高速公路网的服务水平,通过科技手段增强公路运输系统的有效性,美国联邦公路局(FHWA )于1982年委托美国国家研究院(NCR)的运输研究委员会开展了一项“战略运输研究调查”。在该调查所提出建议的基础上,FHWA和NCR于1987年正式投资5 000万美元,启动国家战略公路研究计划(SHRP),目标是为“提高路面性能和服务寿命,在不过分增加投资的前提下使道路更好地为客货运输服务”提供手段和帮助。

纵观世界范围内道路工程技术的发展趋势,结合我国当前情况可以判定,在我国高等级公路建设方兴未艾的今天,开展关于路面长期性能的研究,避免重复发达国家在公路网建设中出现的问题,为我国今后的路面设计、施工、养护、维修、营运等各方面提供全方位的技术支持,是道路工作者必然的选择。而明确路面长期性能研究的意义,结合我国国情,制订我国路面长期性能研究的计划和策略,进而全面推进关于路面长期性能的研究工作,显得尤为迫切和必要。

2 路面加速加载研究的主要设备系统类型

2.1 加速加载设备分类

1)按照可移动特性分类。

按照可移动特性,可以分为固定式和可移动式,固定式设备只能进行室内足尺试验,由于室内成型较大尺寸的模型较为困难,材料特性、施工工艺和试验时的力学边界条件可能与实际有差别,但其优点是可以灵活控制试验时的环境参数。可移动式设备可以同时实现室内和现场的加速加载,在现场进行试验符合实际情况,但对水、电、交通管制等配套设施要求较高。

2)按照加载段几何特性分类。

按照加载段几何特性,可以分为直线式、圆形环岛式和椭圆形环道式3种模式。直线式有施工方便、加载载荷调整自由和力学状态真实的特点,但该方式最大的问题就是速度提高空间有限;圆形环岛式加载效率高,但加载段路面施工困难,与实际道路受力相差较远,加载量有限;椭圆形环道式与真实路面接近,但需要无人驾驶模拟车不间断运行,成本较高。

3)按照加载模式分类。

按照加载模式,可将加速加载设备分为循环加载和水平往复加载。循环加载过程中,加载轮绕固定轨道做单一方向运动,速度不变,能量损失较小,没有加减速段,轮胎与路面接触过程可能存在较大变异;水平往复加载过程中,可以实现双向加载和单向加载,但在加载中加载轮需要加减速段,且每次加载速度都从零开始,能量损失较大,但加载轮与路面接触稳定。

2.2 加速加载设备的主要类型

目前国际上能够进行加速加载试验研究的设备共有三大流派:ALF(Accelerated Loading Facility),MLS(Mobile Loading Simulator)和HVS(Heavy Vehicle Simulator)。

ALF一般外形尺寸为30 m×4.2 m×6.8 m(长×宽×高),轮压荷载80 kN～200 kN(单轴双轮),轮胎压力0.7 MPa～1.1 MPa,轮速5 km/h～30 km/h。

HVS系列一般外形尺寸为30 m×4.9 m×4.3 m(长×宽×高),轮压荷载32 kN～205 kN,总重50 t,轮速13 km/h,加载次数29 000 次/24 h(双向),14 000 次/24 h(单向),配备温控系统。具有可宽幅调节轴载(0 kN～200 kN),可动态加载,可模拟荷载横向分布,可单向或双向加载,直道加载等特点,自动化程度高,控制精确,移动灵活,可以进行室内和现场加载试验。

MLS10一般外形尺寸为10.7 m×2.4 m×3.4 m(长×宽×高),轮压荷载40 kN～60 kN(单轴双轮),轮胎压力0.5 MPa～1 MPa,轮速26 km/h,每小时循环量7 200。

3 加速加载试验研究现状及发展趋势

2004年路面加速加载测试技术国际大会上定义路面加速加载测试Accelerated Pavement Testing(APT):在短时间内通过控制轮压荷载在路面结构层的作用,确定可控加速累计当量轴次作用下路面的响应与运营状况。

如今全世界分布着28个APT技术项目,其中美国有15个项目。这些测试项目多是以某一固定地点开展,但也有部分项目聚焦于移动式的野外实地研究,便于更好的发现车—路—环境间的相互作用。目前APT方面的最新发展已经可以实现飞机降落时起落架对路面的足尺剪切模拟、在路面测试中环境条件的模拟控制以及APT测试设备的远程控制。

到目前为止,利用APT所进行过或所能进行的研究项目非常多,归纳起来有以下6个方面:1)可以通过采用与现场相同的路基路面结构、材料和施工工艺等,在室内利用较短的时间完成道路设计期限内的交通量,将设计寿命内的交通量压缩到较短时间内完成,也即路面结构与材料的长期使用性能。2)过去的室内试验与野外生产路的关系并不明确,利用这个设备,可以进行路基路面结构与材料参数室内外关系的建立研究;还可以评价试验方法和评价标准的可行性。3)还可以研究新型路面材料与结构的长期路用性能,或横向比较可控制条件下不同结构和材料的性能。4)可以在加速加载设备上增加一些控制温度、降雨、辐射的设备,模拟野外真实环境中的降雨过程和气温变化,实现对路基路面结构与材料的高温、低温和水稳定性研究。5)加速加载设备中可以改变加载设备轮压、轴载重量或轴载类型(单轴、双轴或其他形式)在超重载情况下的路面结构与材料研究。6)当我们有新材料、新结构、新技术和新工艺研究,为了避免铺筑试验路的浪费和对生产运营造成不良影响,该设备还可用以对新开发的结构、材料和工艺进行足尺试验研究。

综合起来,加速加载研究正逐渐受到人们的重视,成为路面力学研究的基本工具。

4 我国开展路面加速加载研究的合理策略

加速加载设备的引进将可以明显缩短项目研究周期,提高研究水平,为我国公路建设服务。但在应用过程中应注意:1)大小匹配。2)环直结合。3)理论与试验综合阐述。

路面长期性能研究是一项复杂的、长期的系统工程,为此,我国对此进行研究,应坚持科学的策略。

1)充分考虑我国高速公路沥青路面现状和发展趋势,总结十几年来我国高等级公路建设的经验和教训,运用不同路面结构类型、组合和层厚的实体试验段,采用埋设传感器和无损检测等方法,进行现场加速加载试验。2)采用加速加载试验结合理论分析、室内试验和试验路长期观测相结合的方法,突出重点,分阶段、分目标进行实施。3)针对我国地域广阔,区域性气候差异明显等特点,选择我国有代表性的气候特征地区修筑试验工程,进行研究。4)修筑可长期跟踪观测的试验路段,制订试验与观测规程,启动试验观测计划,通过逐年观测,积累数据,开展数据分析建立路面性能数据库和信息管理系统。5)在数据积累和数据库建设的基础上,建立适合目前我国国情的沥青路面破坏状态、破坏准则及控制指标,经综合分析形成基于长期使用性能、面向不同需求、材料与结构一体化考虑的路面设计方法;按照不同使用要求,推荐路面典型结构。

摘要：对国际上目前路面长期性能研究的现状进行了总结,介绍了加速加载试验设备的主要类型及发展趋势,分析了我国开展长期性能研究的必要性和紧迫性,对我国应用加速加载设备进行长期性能研究的策略进行了深入探讨。

关键词：路面,长期使用性能,加速加载试验

参考文献

[1]郝大力,王秉纲.我国路面长期性能研究对策分析[J].重庆交通学院学报,2001(4):96-97.

[2]郝大力,王秉纲.路面长期性能研究综述[J].国外公路,1999(1):40.

[3]王鹏,王复明,曾凡奇.DataPave路面长期使用性能数据管理系统[J].国外公路,2000(5):104.

试验加载 篇8

国内外对沥青路面典型结构的研究并不鲜见, 我国于八十年代末期开始半刚性基层沥青路面典型结构研究, 从九十年代开始, 各省市相继开展了适合于本省的路面典型结构研究, 包括江苏省、湖北省、安徽省、甘肃省等。这些研究多是以现行规范为理论依据, 结合本地区的实际情况提出的, 且多为半刚性结构, 以实际工程经验和力学分析作为参考[3]。

国内外对典型结构实际路用性能的验证, 多采用铺筑试验路进行长期观测的方法, 费时费力。相对而言, 足尺加速加载试验可以较为真实地模拟路面所处的自然环境和实际结构受力状态, 在短时间内得到路面使用性能衰变规律和路面结构力行为[4,5]。采用足尺加速加载试验手段可以更好地对路面典型结构进行分析比较。为此, 本实验应用MLS66加速加载试验系统, 对两种高速公路典型路面结构—半刚性基层路面和柔性基层路面进行了试验, 对比分析两种典型结构在抗车辙和抗疲劳性能方面的差异, 为优化高速公路典型路面结构设计、确定合理的结构层组合、检验和修正拟定沥青路面结构奠定基础和提供依据。

1 路面结构与试验

1.1 路面结构与试验目的

本文选择辽宁省常用的高速公路半刚性基层沥青路面结构为研究对象, 以柔性基层沥青路面为对比结构, 研究重复荷载作用下, 高速公路半刚性基层沥青路面典型结构在车辙变形、力学响应等方面与柔性基层沥青路面的差异, 进而总结加速加载试验条件下, 高速公路半刚性基层沥青路面性能衰变规律特点, 试验中的两种高速公路沥青路面结构型式如图1所示。

1.2 试验条件

本试验以足尺路面加速加载试验设备MLS66对路面加载, 加载速率为6000次/h, 模拟实际行车荷载超载150%的情况, 即MLS66加载轮轴载为75k N (半轴) 。

试验分为抗车辙能力测试和抗疲劳测试两个阶段, 每个测试阶段各在试验车道上各选择一段加载段完成。抗车辙能力测试阶段, 一方面利用设备附带的加热系统对路面加热和控温, 另一方面利用设备附带的横向移动装置, 按正态分布规律模拟实际行车的横向轮迹分布规律。抗车辙能力测试, 路面控温代表温度分别为45℃和55℃。

在开始试验前, 根据现行的沥青路面设计规范标准轴载 (BZZ) 转换关系确定抗疲劳测试阶段对路面的累计加载次数应不低于220万次, 近似于累计标准轴载作用次数为1700万次, 相当于重交通等级。

在抗疲劳测试阶段, 加载位置固定, 路面各结构层关键位置埋设应力应变传感器以监测不同加载阶段路面各结构层关键位置的力学响应, 同时在抗疲劳测试阶段, 利用埋设于加载带路表以下2cm的温度传感器监测了加载期间路面温度的变化, 检测了不同加载阶段的路面车辙断面并计算其车辙深度, 以温度低于40℃时的车辙段面测量结果作为路面中温条件下的车辙试验结果。

除了上述对路面加热和控温与抗疲劳测试过程中对路面温度的监测, 在环境模拟方面, 还将在抗疲劳测试过程中向加载带内洒水以模拟自然降水对路面的作用, 参照沈阳地区年平均降水量, 认为应在1/4计划累计加载次数施载过程中洒水。

2 试验结果

2.1 抗车辙能力测试

对加载期间车辙断面变化情况观察发现, 在45℃条件下, 两种结构车辙断面呈明显的中间低、两边高的“V”型, 属于结构性车辙;在55℃条件下, 车辙断面两侧有拥起现象, 呈“W”型, 属于流动性车辙, 继续加载, 车辙深度不再增加。高温条件下两种结构的车辙发展情况如图2、图3所示。

对45℃条件下半刚性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:

式中:NSRR—高温条件下半刚性结构累计加载次数/万次;

RSRR—高温条件下半刚性结构车辙深度, mm。

同理, 对柔性基层对半刚性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:

式中:NFRR—高温条件下, 柔性结构累计加载次数, 万次;

RFRR—高温条件下, 柔性结构车辙深度, mm。

两种结构的车辙深度随加载次数增加的发展情况如图4、图5所示:

由两种结构车辙深度发展趋势图可以看出, 两种路面结构在高温和模拟轮迹横向分布的同时作用下, 在加载初始阶段, 车辙深度增幅较大, 半刚性结构在加载9万次后, 车辙深度增加8.8mm, 柔性结构在加载10万次后车辙深度增加了12.8mm。随后两种结构车辙深度进入线性发展阶段, 两种结构车辙深度增幅开始减小, 直至车辙深度不再增加。在两个阶段, 柔性结构的车辙深度发展速率比半刚性结构快。

2.2 抗疲劳测试

(1) 车辙监测结果

加载同时由埋设在路表下2cm处的热电偶测量路面温度, 整个加载期内路面温度变化范围为21~37℃。由车辙断面仪采集到的车辙深度发展情况如图6、图7所示。

对半刚性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:

式中:NSRF—中温条件下半刚性结构累计加载次数, 万次;

RSRF—中温条件下半刚性结构车辙深度, mm。

同理, 对柔性基层车辙深度和加载次数进行非线性回归, 结果如下:

式中:NFRF—中温条件下柔性结构累计加载次数, 万次;

RFRF—中温条件下柔性结构车辙深度, mm。

两种结构车辙深度随加载次数的发展情况如图8、图9所示。

由两种结构车辙深度发展趋势图可以看出, 在中温条件下 (20~40℃) , 加载初期, 车辙深度增大趋势明显, 其中柔性结构车辙深度增幅较大, 累计加载60万次时, 半刚性结构车辙深度为5.2mm, 而柔性结构的车辙深度为10.8mm;随着加载次数的增加, 两种结构车辙深度呈线性增长趋势, 柔性结构车辙增幅仍较半刚性结构大, 当累计加载120万次后, 柔性结构的车辙深度基本不再增加, 而半刚性结构的车辙深度仍然小幅度增加, 至累计加载超过180万次后, 车辙深度的增幅才减弱。与柔性基层结构相比, 中温度条件下, 相同轴次作用下, 半刚性结构的车辙深度明显较小。

(2) 力学响应检测结果

本次试验以路面疲劳裂缝和重复荷载作用下路面结构的力学响应监测结果评价两种路面结构的抗疲劳性能。试验每10万~20万次采集一次路面结构内部的传感器信号。图10~图14分别表示两种结构沥青层和基层底部动力响应情况。

由两种结构力学响应数据可以看出, 对于两种路面结构面层底和基层底的竖向压应变, 二者随加载次数增加的变化趋势具有十分相似的规律, 即:随着加载次数的增加, 应变先增大后减小, 最后稳定在某一范围。对于面层底部压应变, 累计50万次后, 半刚性结构达到最大值300με, 随后逐渐下降;柔性结构在累计加载120万次后达到最大值320με, 应变值逐渐下降。对于基层底竖向压应变, 两种结构均在累计加载100万次时, 应变分别达到最大值4.6με和9.2με, 然后逐渐下降。相同路面温度、轴载和累计轴次的作用下, 柔性基层沥青路面的应变较大, 这一点在沥青层底竖向压应变上表现明显。其他结构层位的力学响应情况如图12~图14所示。

对于两种路面结构基层的水平拉应变 (横、纵向) , 二者随加载次数增加的变化趋势不明显, 且应变水平相当, 当累计加载超过150万次后, 柔性基层的水平拉应变水平略有降低。在150k N轴载作用下, 整个加载期内, 两种沥青路面在相似层位的应变变化范围如表1所示。

3 讨论

抗车辙能力测试中, 无论在中温还是高温条件下, 两种路面结构车辙深度增加趋势较为明显, 在相同荷载次数作用下, 半刚性结构车辙深度明显小于柔性结构。两种结构车辙断面形式相似, 沥青层厚度相同, 而由力学响应结果可知, 柔性结构面层底和基层底部竖向应变较大, 柔性结构基层受到较大的压应力, 由此推断柔性基层结构车辙深度大的原因是柔性结构基层出现了变形所致, 美国各州公路工作者协会 (AASHO) 通过环道试验调查了路面车辙破坏情况, 调查结果表明, 路面结构的永久变形为路面各组成部分的永久变形总和, 车辙深度的32%发生在面层, 14%~45%发生在基层, 45%发生在底基层, 9%发生在路基。本次试验中, 半刚性结构和柔性结构在中温条件下最大车辙深度分别为12.2mm和20.7mm, 在高温条件下的最大车辙深度分别为13.7mm和21mm, 若假定两种结构除基层外各层变形量相同, 忽略半刚性基层的变形, 则柔性结构中基层的变形量占整个路面结构永久变形的比例为41%和34.7%。

结构内部的力学响应监测结果表明, 两种结构应变变化趋势相似, 柔性结构面层底和基层底部竖向应变较半刚性结构大, 基层底的水平应变水平相当。半刚性结构面层底和基层底竖向应变较小, 说明半刚性结构可以有效地降低基层和土基的竖向应力, 避免出现较大的变形, 因而具有较高的承载能力。加载前后应变未出现明显变化, 由此初步判定两种结构均未出现疲劳现象。

4 结论

(1) 相同试验条件下, 柔性基层沥青路面的抗车辙性能较半刚性基层沥青路面差, 半刚性基层在高温条件下车辙变形明显小于半刚性基层。

(2) 重复荷载作用下, 两种路面结构各结构层的力学响应随加载次数呈相似的变化规律, 且相同加载阶段柔性基层沥青面层和基层底部竖向应变均大于半刚性基层, 基层底的水平应变水平相当。

(3) 通过研究认为, 高速公路半刚性基层沥青路面具有较好的抵抗变形能力和抗疲劳能力, 承载能力较高, 与多数研究文献所获得的高速公路半刚性基层沥青路面性能特性的结论相近。

摘要：对两种高速公路沥青路面典型结构, 即高速公路半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面, 进行了加速加载试验, 分析比较了两种结构在抗车辙和抗疲劳性能方面的衰变规律与差异。试验结果表明, 两种路面结构在疲劳特性方面并无明显差异, 在抗车辙性能方面, 半刚性基层结构优于柔性基层结构。通过路面加速加载试验及其结论, 为优化高速公路路面结构设计、确定合理的结构组合提供有力的参考。

关键词：高速公路,典型结构,加速加载,车辙,疲劳

参考文献

[1]DONG Zhong-hong, , XU Quan-liang, LU Peng-min.Dynamic Response of Semi-rigid Base Asphalt Pavement Based on Accelerated Pavement Test[J].China Journal of Highway and Transport, Vol.24 No.2 Mar.2011

[2]Jiang Hou-quan.Analysis and Maintenance Plan of Wheel Rut on Asphalt Pavement of Highway[D].Tianjin:Tianjin University, 2008.

[3]黄仰贤.路面分析与设计[M].北京:人民交通出版社, 1994:14-19.

[4]邓绍玉.辽宁省沥青路面典型结构研究[D].西安:长安大学, 2004.