多功能三軸試驗(yàn)機(jī)的研制與試驗(yàn)*

付敬寵，高雪梅，吳 博，楊 威

(天水紅山試驗(yàn)機(jī)有限公司，甘肅天水 741001)

多功能三軸試驗(yàn)機(jī)的研制與試驗(yàn)*

付敬寵，高雪梅，吳 博，楊 威

(天水紅山試驗(yàn)機(jī)有限公司，甘肅天水 741001)

針對細(xì)粒土的復(fù)雜應(yīng)力路徑的試驗(yàn)，研制了1臺智能化控制的液壓伺服多功能三軸試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)包括主機(jī)、數(shù)字化控制系統(tǒng)、動力供給系統(tǒng)三個組成部分;其軸壓和圍壓可實(shí)現(xiàn)電液伺服的閉環(huán)控制;在靜力試驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力路徑的任意控制和加載;在動力試驗(yàn)中可同時施加軸向和側(cè)向的雙向振動荷載，且可進(jìn)行等應(yīng)變增量比的試驗(yàn)。初步試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，重復(fù)性好。

三軸試驗(yàn)機(jī);復(fù)雜應(yīng)力路徑;多功能;雙軸振動三軸試驗(yàn)

1 引言

當(dāng)前土石壩在我國有著極其廣闊的應(yīng)用前景，已成為最重要的壩型之一。一系列受到世界矚目的200米級高面板壩和其他類型的土石壩正在修建或已投入計劃之中。在開發(fā)我國中西部的過程中，許多機(jī)場、高速公路等也修建在堆石體上。上述工程涉及的應(yīng)力路徑復(fù)雜，目前的試驗(yàn)技術(shù)不能很好再現(xiàn)或模擬復(fù)雜的應(yīng)力路徑，比如等應(yīng)變增量比試驗(yàn)。

智能化多功能三軸試驗(yàn)機(jī)采用了先進(jìn)的兩套電液伺服閉環(huán)驅(qū)動的耦聯(lián)控制技術(shù)，可以很好地解決上述難點(diǎn)。且其幅頻特性好，頻率響應(yīng)快，可對試樣做靜、動三軸試驗(yàn)，單獨(dú)激振或雙向激振，是進(jìn)行土靜力學(xué)和土動力學(xué)的必要研究手段之一，用于研究細(xì)粒料的靜動力變形特性和強(qiáng)度特性，為豐富和推動土的靜、動本構(gòu)科學(xué)問題的研究提供了必要的支撐。

2 試驗(yàn)機(jī)及主要技術(shù)參數(shù)

20 kN微機(jī)控制動三軸試驗(yàn)機(jī)，能對所要求的濕度、密度、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)制備的試樣施加不同形式和不同強(qiáng)度的振動荷載，測量出振動作用下試樣的應(yīng)力和應(yīng)變，從而對土性和有關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律作出定性和定量的判斷。同時也適用于測量細(xì)粒土、沙土、黃土的剪切強(qiáng)度和有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)，根據(jù)試樣的排水條件的不同，可做不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪三種類型試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)、液壓源、電控系統(tǒng)、計算機(jī)4大部分組成。其試驗(yàn)機(jī)主機(jī)實(shí)物如圖1所示。

圖1 動/靜三軸試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)軸向最大負(fù)荷:±20 kN;

(2)三軸壓力室最大壓力:3 MPa;

(3)試樣尺寸:Φ39.1×80 mm，Φ50×100 mm，Φ79.8×160 mm;

(4)軸向激振器行程:±40 mm;

(5)軸向、側(cè)向激振頻率均為0～2 Hz，控制精度2%;

(6)波形:正弦波、三角波、鋸齒波;

(7)加載速率無級可調(diào);

(8)能做軸向、側(cè)向分別激振和復(fù)合激振，能進(jìn)行0°～360°的相位控制;

(9)計算機(jī)能實(shí)現(xiàn)被測量數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)時動態(tài)顯示和打印。

3 試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)

試驗(yàn)主機(jī)由上基座1、壓力室2、支撐臺3、軸向加載油缸4、下底座5、軸向伺服閥6、下加載頭7、側(cè)向加載油缸8、側(cè)向伺服閥9、上加載頭10以及荷載傳感器11組成，其機(jī)械原理圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械原理圖

軸向激振裝置，安裝在支撐臺3的下方，它由軸向加載油缸4、軸向伺服閥6、蓄能器、位移傳感器組成。液壓缸為雙向作用油缸，采用積木式結(jié)構(gòu)，缸內(nèi)采用組合密封，非金屬噴涂支承，活塞桿支承長，可承受大的側(cè)向力。側(cè)向激振裝置，安裝在支撐臺3工作臺的后面，它由側(cè)向加載油缸8串聯(lián)一個柱塞水缸組成，在液壓缸的上面安裝有電液伺服閥9、蓄能器、位移傳感器組成。

壓力室是承放試樣的壓力容器，它由壓力傳感器11、底盤、壓力室筒、壓力室蓋、活塞桿、負(fù)荷傳感器頂桿、密封圈組成。壓力室蓋之螺塞用以排氣，底盤上有6個接頭孔，分別與氣壓、反壓、進(jìn)出水控制部分，串聯(lián)水缸接頭相聯(lián)，用于測量三軸室圍壓、孔壓。試件的周圍充滿水，液壓源出來的壓力油分二路，一路油通過側(cè)向力液壓缸上的伺服閥，進(jìn)入液壓缸，進(jìn)而通過串聯(lián)水缸來控制壓力室的水壓，使試件受二維力的作用。另一路油通過軸向力液壓缸上的伺服閥，進(jìn)入液壓缸，這樣試件方向的力由下面的軸向力液壓缸控制。

4 試驗(yàn)機(jī)液壓動力供給系統(tǒng)

液壓源由油箱、電機(jī)、柱塞泵、閥組四部分組成。本液壓源為63 L/min的液壓源，液壓泵站由一個功率為40 kW電機(jī)和油泵及油箱等組成。油箱主體上分別安裝有1個電接點(diǎn)壓力表和1個電接點(diǎn)溫度計，以及1個溢流閥，其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 液壓源

因油泵電機(jī)起動電流較大，所以采用“星－三角”降壓起動方式來起動，用來減少起動過程對線路電壓的影響，其中采用DZ型斷路器實(shí)現(xiàn)整個控制電路的短路和過載保護(hù)，采用熱繼電器作為熱過載保護(hù)。另外有指示燈指示各種狀態(tài)，如:高壓、低壓、運(yùn)行等狀態(tài)，超溫、超壓時報警裝置電鈴用鈴聲報警，報警的同時卸掉系統(tǒng)的高壓，使系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)。且液壓源電控箱附在油箱上，其內(nèi)部安裝有一拖動控制板，主要的控制電器元件都在此板上;整個系統(tǒng)安全、可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。

液壓源的電控箱操作步驟主要包括:電控箱內(nèi)部拖動控制板上有2個斷路器，電源線接好之后，在進(jìn)行其他操作前先將此裝置手柄扳到上部。電控箱頂部有指示燈和控制操作鈕。各個指示燈和按鈕下方均有標(biāo)牌指示，主要是“啟動”和“停止”按鈕，整個操作步驟方便，緊急情況下可按停高壓按鈕或關(guān)電鑰匙開關(guān)。

5 試驗(yàn)機(jī)硬件控制系統(tǒng)

硬件控制系統(tǒng)是整個試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它主要對輸出控制信號進(jìn)行給定，對輸入反饋信號進(jìn)行控制和量測，其中包括信號的傳遞、放大、濾波等;硬件反饋控制是液壓伺服控制系統(tǒng)的核心，其主要包括:CPU板的型號是STD5055，完成對各板的控制與計算機(jī)通訊;D/A板的型號是STD5446，對各放大板調(diào)零;I/O板的型號是STD5313，提供放大板分檔和控制方式轉(zhuǎn)換等輸入輸出信號。該部分所有的通信方式都是STD板插在STD總線上，其邏輯框圖如圖4所示。

首先根據(jù)試驗(yàn)要求向試樣施加負(fù)荷，試驗(yàn)的負(fù)荷通過力傳感器、位移傳感器，壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)過電氣放大后輸出，一路作為閉環(huán)控制的輸出信號，另一路輸出到計算機(jī)D/A板，用于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制。

D/A板產(chǎn)生輸出試驗(yàn)要求的給定信號，該給定信號與反饋信號在伺服控制器中進(jìn)行比較，其差值即為誤差信號。此誤差信號經(jīng)過功率放大器放大后用來驅(qū)動電液伺服閥，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖4 硬件控制原理框圖

其次，對控制過程的信號，需要進(jìn)行調(diào)理，所以信號調(diào)理板的作用是將來自各傳感器的信號進(jìn)行濾波放大，而后送到軸向和側(cè)向控制器去完成閉環(huán)比較。每一個傳感器對應(yīng)一塊放大板，若要更換傳感器須相應(yīng)更換放大板或重新對放大板進(jìn)行標(biāo)定，以滿足主控制器對信號的要求。

最后，介紹軸向和側(cè)向控制器。它是將來自放大器和D/A板所產(chǎn)生的給定波形進(jìn)行比較，并進(jìn)行PI控制后去驅(qū)動電液伺服閥工作。

6 試驗(yàn)機(jī)計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和模擬伺服控制的硬件控制系統(tǒng)看成一個整體的話，那么數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)包括:①接受用戶的要求;②控制試驗(yàn)機(jī);③根據(jù)伺服作動系統(tǒng)的傳遞特性及所處的力學(xué)環(huán)境，控制伺服作動系統(tǒng)，得到用戶要求的驅(qū)動;④用所得到的驅(qū)動信號驅(qū)動作動系統(tǒng)使用戶的最終試樣獲得要求的振動和動作;⑤給出最終結(jié)果的不同表達(dá)，其實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字化控制系統(tǒng)操作界面

數(shù)字化三軸控制系統(tǒng)的主窗口是程序的控制中心，它負(fù)責(zé)管理各個功能窗口和系統(tǒng)模式的切換，并顯示試樣的基本信息和試驗(yàn)控制狀態(tài)信息和各個功能的控制，這個窗口始終位于屏幕最上面。

7 初步試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)、動三軸試驗(yàn)、圍壓剪切試驗(yàn)、復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)、雙軸振動試驗(yàn)以及等應(yīng)變增量比試驗(yàn)。

將試樣套在橡膠膜內(nèi)，放在密封的壓力室中，然后向壓力室內(nèi)壓入水，使試件在各個方向受到周圍壓力，并使液壓在整個試驗(yàn)過程中保持不變，這時試件內(nèi)各向的3個主應(yīng)力都相等，因此不發(fā)生剪應(yīng)力。然后再通過傳力桿對試件施加豎向壓力，這樣，豎向主應(yīng)力就大于水平向主應(yīng)力，當(dāng)水平向主應(yīng)力保持不變，而豎向主應(yīng)力逐漸增大時，試件終于受剪而破壞。

動三軸試驗(yàn)屬于土的動態(tài)測試內(nèi)容，是室內(nèi)進(jìn)行土的動態(tài)特性時較普遍采用的一種方法。試驗(yàn)內(nèi)容包括兩方面:①確定土的動強(qiáng)度，用以分析在大變形條件下地基和結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，特別是沙土的振動液化問題;②確定剪切模量和阻尼比，用以計算在小變形條件下土體在一定范圍內(nèi)所引起的位移、速度、加速度或應(yīng)力隨時間的變化。

圍壓剪切試驗(yàn)，將試樣套在橡膠膜內(nèi)，放在密封的壓力室中，然后向壓力室內(nèi)壓入水，使試件在各個方向受到周圍壓力，并使液壓在整個試驗(yàn)過程中保持不變，這時試件內(nèi)各向的3個主應(yīng)力都相等，穩(wěn)定后，然后開始減小圍壓，這樣就可進(jìn)行圍壓剪切試驗(yàn)。

雙軸振動試驗(yàn)在軸向和側(cè)向同時進(jìn)行雙向振動試驗(yàn)。同時改變軸力和圍壓進(jìn)行周期性的變化，以獲得該狀態(tài)下的砂土的力學(xué)響應(yīng)。

復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)主要包括等P試驗(yàn)、等Q試驗(yàn)以及等邊增量比試驗(yàn)。等邊增量比試驗(yàn)研究砂土在沿著應(yīng)變增量比(側(cè)向應(yīng)變增量與軸向應(yīng)變增量的比值)為常數(shù)的路徑加載時的力學(xué)響應(yīng)具有十分重要的意義。通過改變圍壓的大小來控制試樣加載過程中的應(yīng)變增量比，使其保持為常數(shù)，且針對砂土進(jìn)行了初步的等應(yīng)變增量比三軸試驗(yàn)。

圖6為應(yīng)變增量比為－0.3時的試驗(yàn)結(jié)果，分別表示的是在應(yīng)變增量比保持為－0.3時，軸向應(yīng)力σa'和側(cè)向應(yīng)力σr'隨軸向應(yīng)變的變化發(fā)展，側(cè)向應(yīng)力隨軸向應(yīng)力的變化發(fā)展以及應(yīng)力比(σ3'/σ1'=σr'/σa')與歸一化軸向有效應(yīng)力之間的關(guān)系。其中歸一化軸向有效應(yīng)力是指試驗(yàn)中每一點(diǎn)的軸向有軟應(yīng)力與達(dá)到的最大軸向有效應(yīng)力的比值［1］。

圖7中側(cè)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力保持為線性變化的關(guān)系，從而可知一個等應(yīng)變增量比的對應(yīng)著一個漸近狀態(tài)應(yīng)力比，二者是一一對應(yīng)的關(guān)系。

圖6 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖7 軸向應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力之間的關(guān)系

從圖8可看出，當(dāng)試驗(yàn)中的應(yīng)變增量比控制為一個常數(shù)時，最終的應(yīng)力比也保持為一個常數(shù)，Gudehus、Chu等［2］將這種砂土沿著等應(yīng)變增量比的路徑加載時，最終的應(yīng)力比逼近于一個常數(shù)的力學(xué)響應(yīng)定義為漸近力學(xué)行為，將最終的穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)稱之為漸近狀態(tài)，并將此常應(yīng)力比稱之為漸近狀態(tài)應(yīng)力比。

上述試驗(yàn)結(jié)果與Chu等的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論是一致的［3－5］。從而驗(yàn)證了設(shè)備的有效性與精度。

8 結(jié)語

為研究砂土的復(fù)雜應(yīng)力路徑的力學(xué)響應(yīng)以及雙向振動荷載三軸試驗(yàn)，成功研制了多功能靜動三軸試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)成功解決了液壓伺服控制的驅(qū)動系統(tǒng)，且可進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)、動三軸試驗(yàn)、圍壓剪切試驗(yàn)、復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)、雙軸振動試驗(yàn)以及等應(yīng)變增量比試驗(yàn)等多種復(fù)雜試驗(yàn)。使用情況表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，人機(jī)用戶界面友好，定義清晰，使用方便。從初步試驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)備的控制精度滿足高，量測重復(fù)性較好，可進(jìn)行多種復(fù)雜的三軸試驗(yàn)。

圖8 軸向有效應(yīng)力和應(yīng)力比之間的關(guān)系

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Development of Multifunction Triaxial Apparatus and Preliminary Tests

FU Jing－chong，GAO Xue－mei，WU Bo，YANG Wei
(Tianshui Hongshan Testing Machine Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741001，China)

Aiming at the fine－grained soil complex stress path test research，an intelligent multifunction triaxial test apparatus is developed which is drived by the hydraulic servo.The testing machine comprises a host，digital control system，hydraulic power supply system.The axial and confining pressure are electro－h(huán)ydraulic servo closed－loop controlled.It can conduct the conventional triaxial test，dynamics triaxial test，confining pressure shear triaxial test，complex stress path triaxial test，biaxial vibration triaxial test and constant strain increment ratio test.The system is demonstrated for its simplicity and stability during initial experiment.

triaxial apparatus;complex stress path;multifunction;biaxial vibration triaxial test

TH12

A

1007－4414(2013)05－0122－04

2013－09－03

付敬寵(1983－)，男，甘肅天水人，助理工程師，主要從事試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)方面的工作。