50 MN橋梁支座壓剪轉多功能試驗機的研制

徐明波

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210963；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051)

50 MN橋梁支座壓剪轉多功能試驗機的研制

徐明波1,2,3

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210963；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051)

詳細介紹了50 MN橋梁支座壓剪轉多功能試驗機的研制、應用情況及采用的關鍵技術。該試驗機由試驗機主機豎向加載系統、水平剪切試驗系統、轉角試驗系統、伺服液壓油源系統、工作測控系統五大部分組成。該機擁有國家發明專利和多項技術創新，為國內首創，具有量程大、精度高、穩定性好等優點，可用于橋梁支座全參數試驗及相關特殊試驗。

試驗機；橋梁支座；多功能；量程；精度

橋梁支座的質量合格與否直接影響到橋梁的建設質量與使用壽命。近年來，隨著市政高架橋、高速鐵路及高速公路的大量建設，各種類型的橋梁支座使用量快速增長，而檢測其質量的橋梁支座試驗機卻因制造難度大、造價高、技術風險大等原因，國內外超過20 MN以上的大噸位橋梁支座試驗機[1]數量極少，達到或超過50 MN的橋梁支座試驗機國內僅有株洲時代新材料公司從意大利ALGA公司引進的一臺52 MN橋梁支座試驗機[2]，該機的機架采用預應力混凝土澆筑而成，長、寬、高為5.7 m×2.25 m×5.7 m[3]，但其體積龐大，結構復雜，且為進口產品，國內無法生產和推廣使用。因國內大噸位橋梁支座試驗機缺乏，一直無法進行大承載力的盆式、球型橋梁支座的實體質量檢驗，故現行橋梁支座國家標準和公路、鐵路行業標準均采取了變通規定：“支座的承載力試驗應采用實體支座進行。如受試驗設備能力限制時，經與用戶協商可選用小支座進行試驗”[4-8]。實際上，小支座與大支座在材料性能要求、生產工藝、組裝、質量控制等方面均不一致，存在差異較大，而大支座比小支座的質量、安全性要求更高。因此，用小支座代表大支座進行試驗會存在質量、安全風險，試驗結果的代表性存疑。這嚴重制約了全國橋梁建設、支座新產品開發與現有產品性能改進和成品質量檢驗。為解決上述問題，安徽省公路工程檢測中心聯合浙江中重公司在國內首創研制了50 MN集豎向加壓、水平剪切及轉動為一體的YJZ-50 MN橋梁支座壓剪轉多功能試驗機。該機具有量程大(50 MN)、精度高(0.5級)、數據采集與處理自動化等特點，完全符合并超出《液壓式萬能試驗機》[9]國家標準有關要求。截止目前，該試驗機整機已獲國家發明專利，部分部件獲9項實用新型專利授權。

1 試驗機的主要功能與技術參數

1.1 主要功能

該試驗機可完成抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、抗剪粘結性能、極限抗壓強度、摩擦系數、容許轉角、豎向承載力、抗剪老化等試驗，并留有動態試驗功能擴展接口,也可完成常規的抗壓強度試驗，如高強、超強混凝土的抗壓強度、建筑結構等常規或非常規試驗；該試驗機擁有2.0 m×2.3 m的加載試驗平臺，可對此尺寸以下的試驗樣品進行抗壓、抗剪和抗剪彈模、抗壓彈模等試驗，可對其他大尺寸樣品進行足尺試驗，滿足特殊試驗需求。

1.2 主要技術參數

YJZ-50 MN橋梁支座多功能試驗機采用智能化設計，計量測試系統主要由以下三個部分組成。經中國計量院等檢定后，整機試驗力精度達到0.5級，其他技術指標均達到或超過國標相應要求。

(1) 豎向主機加壓部分主要技術參數：

最大試驗力：50 000 kN；

試驗力精度：±0.5%(0.5級)；

位移分辨率：0.001 mm。

(2) 水平向剪切部分主要技術參數：

最大剪切試驗力：6 000 kN；

試驗力精度：±0.5%(0.5級)；

剪切速度：0～90 mm/min；

位移分辨率：0.01 mm。

(3) 轉角試驗部分主要技術參數：

最大轉角力：3 000 kN；

試驗力精度：±0.5%(0.5級)；

位移分辨率：0.001 mm。

2 試驗機構成及各部件關鍵技術

該機采用四立柱結構，橫梁、底座均采用整體鑄造結構，并由主機豎向加載系統、水平剪切試驗系統、轉角試驗系統、伺服液壓油源系統、工作測控系統組成。各部件均獲得了1～2項國家實用新型專利授權。

2.1 主機豎向加載系統

2.1.1 主機豎向加載系統構成

主機豎向加載系統由四根立柱、整體式主油缸、橫梁和底座組成，主體結構如圖1所示。

圖1 主機結構示意圖

2.1.2 主機豎向加載系統采用的關鍵技術

針對主機豎向加載系統技術復雜、結構重要，研究者采用SolidWorks Simulation仿真軟件對橫梁、底座和主油缸等部件模型進行了結構力學、油壓計算與仿真分析，發現油缸壁與油缸頂蓋結合部位為應力集中區，所受拉剪應力較大，對此采取了加大截面尺寸、缸壁與缸蓋結合處設置圓弧過渡等降低應力集中的優化設計措施，從而保證了結構安全(圖2)。

圖2 整體式主油缸受力有限元分析圖

為減少試驗機空間占用、方便操作、保證精度，經多方案比選和多位知名專家論證后，最終采用上置式單油缸實現50 MN的豎向加載力，屬目前國內外50 MN級及以上試驗機首創。與國內外目前常采用的下置式[1]、多油缸加載的設計技術相比，具有占用空間小、成本低、試樣安裝與操作方便、試驗力精度高等優點，解決了國內外大噸位多油缸試驗機[10-12]存在的試驗力同步控制的技術難題和試驗精度不高等問題，實現了試驗機的大噸位與高精度兩矛盾體的完美結合，為國內外20 MN級及以上同類型試驗機的最高精度。為解決50 MN的整體式主油缸等關鍵部件的整體鑄造、加工等關鍵技術難題，研究者通過技術攻關，采用了大型鑄鋼件的過濾凈化技術、嚴格設計和控制鋼水澆注等工藝參數和過程，減少金屬材料雜質，保證鑄件整體質量；通過數字化加工技術提升油缸端蓋整體同軸度的精確度，消除油缸端蓋各部件間的裝配誤差；改進采用三爪卡盤脹緊內孔、靠平端面定位，一次裝夾，一次性完成所有工序，解決了活塞加工的垂直度與同軸度、尺寸偏差等技術難題。

2.2 水平剪切試驗系統

2.2.1 水平剪切試驗系統構成

水平剪切試驗系統主要由水平剪切板、水平力加載系統、豎向加載油缸、固定架、導軌、力與位移測量系統等組成。

2.2.2 水平剪切試驗系統采用的關鍵技術

在水平剪切試驗系統中，針對試件在預壓正壓力和水平剪切力共同作用下會發生軸向變形, 水平剪切面中心位置會發生偏移, 使位移采集數據失真,研究者提出一種水平剪切面中心位置保持的方法, 該方法由一套同步浮動伺服液壓缸和信號控制與采集共同組成的閉環控制系統來實現的。同步浮動伺服液壓缸垂直安裝在水平剪切加載系統裝置上, 活塞端部安裝球鉸，與剪切液壓缸連接。試樣變形產生的軸向位移使水平剪切力離開試樣中心, 同步浮動伺服液壓缸將檢測到的該變形反饋給同步浮動系統, 控制浮動伺服液壓缸使之產生相同位移, 托起水平剪切液壓缸至準確位置, 從而保證了水平剪切作用力始終與試件水平向中心截面在同一平面內。

2.3 轉角試驗系統

2.3.1 轉角試驗系統構成

轉角試驗系統主要由轉角油缸、轉角頂板與連接桿，以及轉角與位移測量系統等組成。

2.3.2 轉角試驗系統采用的關鍵技術

轉角試驗時, 轉角試驗力產生的轉矩會使載荷傳感器及垂直向加載液壓缸活塞受到外加的扭矩及水平徑向力作用, 引起載荷傳感器測量不準、垂直向加載液壓缸活塞磨損。對此，研究者采用了一種由導向套筒、圓錐滾子軸承、定位卡箍、滾輪及滾輪架等組成的抗扭裝置。導向套筒套裝在傳動絲杠上并與傳動絲杠同軸,導向套筒的兩端各安裝一副圓錐滾子軸承, 軸承的內圈與傳動絲杠過盈配合, 并由上下兩個定位卡箍定位在傳動絲杠上。在承壓板的側面安裝了傳扭彎板用于傳遞扭矩, 傳扭彎板上安裝了滾輪架及滾輪, 在導向套筒的外緣沿其軸向方向開有導向槽, 使滾輪在X、Y方向均與導向套筒上導向槽的底面接觸, 在導向套筒的導向槽內沿軸向滾動。

進行轉角試驗時, 該抗扭裝置將轉角試驗力產生的轉矩通過承載壓板上的傳扭彎板等組件, 傳遞到四根傳動絲杠上, 而傳動絲杠的剛度相對于轉角試驗力產生的轉矩是無限大的。因此該裝置能夠有效地防止轉角試驗力作用下承壓板發生偏轉, 從而保證了轉角試驗時載荷傳感器和垂直向加載液壓缸不受彎矩和徑向力作用。

2.4 伺服液壓油源系統

2.4.1 伺服液壓油源系統構成

伺服液壓油源為試驗機提供動力，分為軸壓部分油源、剪切部分油源和轉角部分油源三個部分，進行獨立控制供油，互不干擾。

2.4.2 伺服液壓油源系統采用的關鍵技術

該系統中軸壓部分油源作用于試驗機的工作主油缸，該油缸的直徑和容積都非常大，內徑達1 500 mm，為了提高活塞空行程移動速度和降低正常加載時的功耗和噪音，研究者采用了大流量低壓泵和小流量高壓泵結合的雙泵供油方案，即在活塞空行程時采用大流量泵供油快速升降，當試樣受壓后，關閉大流量泵，開啟小流量高壓泵，開始正式加載。

2.5 工作測控系統

2.5.1 工作測控系統構成

工作測控系統采用高性能數字伺服閥和以32位ARM為主芯片的高性能伺服控制器，具有力閉環和位移閉環控制功能，由一臺計算機控制，在XP中文操作系統下工作。有多個伺服閥作為控制元件，與位移傳感器、負荷傳感器(壓力傳感器)、變形傳感器等組成閉環控制系統。

2.5.2 工作測控系統采用的關鍵技術

該系統中載荷和位移均創新采用了“分段式”模糊PID控制算法，解決了大量程試驗機在分段量程范圍內的精度問題，保證了整機測量精度。通過微機實現電子測量、自動完成伺服加載控制、自動計算測試結果和打印報告。可根據需要，對每個獨立的測量控制系統進行參數設置，每個作動器可分別或同時進行測量控制，能夠實現恒速加載、載荷保持、恒速位移、位移保持等功能，可完成設定的試驗程序，具有控制精度高、可靠性好等特點，完全滿足GB、ISO、TB、JT、CJ等標準對公路、城鎮和鐵路橡膠板式支座、盆式支座、球型支座等的全參數試驗要求。

3 試驗機的應用

該試驗機樣機已于2015年10月在安徽省公路工程檢測中心安裝完成，并經中國計量院計量檢定合格，已投入使用近8個月，已完成了安徽、浙江、云南等省施工、業主等單位委托的約100多組板式、盆式、球型橋梁支座產品質量檢驗，鑒別出了部分不合格產品，檢驗結果準確，獲得了委托單位和政府質量監督部門的一致好評，取得了較好的社會、經濟效益。

4 結束語

本文詳細介紹了國內首次發明研制的50 MN級的YJZ-50 MN橋梁支座壓剪轉多功能試驗機的性能、構成及各部件采用的關鍵技術。該機與國內外其他橋梁支座試驗機相比，具有量程大(0～50 MN)、精度高(0.5級)、功能全、穩定性好、自動化程度高、結構緊湊、創新多、技術先進等特點。擁有自主知識產權，可在國內自主生產制造，終結了我國大噸位橋梁支座試驗機依賴進口的局面，經專家鑒定達國際領先水平。該試驗機推廣使用后，可滿足國內外大噸位橋梁支座的質量檢測、產品開發與改進、工程質量監管及有關特殊試驗等工作需要，對于提高我國橋梁支座產品質量水平、控制橋梁工程質量與安全風險、開展大噸位橋梁支座研發等具有重要的作用和意義。該機研究、開發的技術完全可用于制造50 MN及以下等級的橋梁支座試驗機，具有良好的推廣應用前景。

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2016-07-25

安徽省2014～2015年度交通科技進步計劃項目(15-437-01)

徐明波(1974-)，男，安徽合肥人，東南大學碩士生，安徽省公路工程檢測中心高級工程師．

U443.36;U446.1

A

1673-5781(2016)04-0499-04