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伺服試驗(yàn)機(jī)加載及控制測試
為了驗(yàn)證各個(gè)加載系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等的能力和精度,首先對伺服試驗(yàn)機(jī)的軸向、扭轉(zhuǎn)分別單獨(dú)進(jìn)行測試,再選擇復(fù)雜加載路徑,考察伺服試驗(yàn)機(jī)各個(gè)方向聯(lián)合加載的能力和控制精度。測試所使用的試樣均是由粗粒土分層擊實(shí)制成。
1.軸向加載
測試過程中保持扭矩T=0、內(nèi)圍壓Pi=1 010 kPa、外圍壓Po=991.7 kPa、孔壓u=500 kPa。在力控的條件下,軸向力以Fz=8.86 kN為平衡位置,進(jìn)行振幅2 kN、頻率f=0.005 Hz(準(zhǔn)靜態(tài))的正弦變化。這相當(dāng)于試樣的三個(gè)主應(yīng)力分別為θθ=900 kPa、σr=1 000 kPa、σz=(900±204) kPa。
觀察軸向力的實(shí)測值與目標(biāo)值之間的關(guān)系(圖5)。從圖5(a)中可以看到,在軸向力控條件下,軸向力的實(shí)測值與目標(biāo)值非常接近,二者幾乎重合在一起。從圖5(b)中可以看到,軸向力實(shí)測值偏離目標(biāo)值的大波動(dòng)不超過30 N,軸向力的控制精度能夠滿足試驗(yàn)要求。
同樣在保持扭矩、內(nèi)外圍壓以及孔壓與之前相同的條件下,采用軸向變形控制模式,軸向變形s以0為平衡位置,做振幅為2 mm、頻率f=0.005 Hz的正弦變化,得到軸向變形的實(shí)測值與目標(biāo)值之間的關(guān)系。從圖6(a)中看到,軸向變形控制的精度非常高,在準(zhǔn)靜態(tài)條件下實(shí)測值與目標(biāo)值幾乎完全一致;圖6(b)也表明,試驗(yàn)過程中軸向變形的實(shí)測值和目標(biāo)值之間的誤差不超過0.006 mm,這樣的精度足夠滿足試驗(yàn)要求。
2.扭矩加載
保持軸向力Fz=8.86 kN,內(nèi)圍壓Pi=1 010 kPa、外圍壓Po=991.7 kPa、孔壓u=500 kPa,扭矩在力控的條件下,以T=-0.2 kN·m為平衡位置,0.1 kN·m為振幅,做頻率f=0.005 Hz的正弦變化。在準(zhǔn)靜態(tài)測試中得到扭矩實(shí)測值與目標(biāo)值之間的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7(a)中可以看到二者幾乎完全重合。從圖7(b)中可以看到在扭矩控制條件下,實(shí)測值與目標(biāo)值之間的偏差不超過±3 N·m,這表明扭矩控制的精度能夠滿足試驗(yàn)要求。
同樣在上述試驗(yàn)條件下,使用扭轉(zhuǎn)方向角度控制模式,讓扭轉(zhuǎn)角度以0°為平衡位置,2°為振幅,進(jìn)行頻率f=0.005 Hz的正弦運(yùn)動(dòng)。得到如圖8所示
的扭轉(zhuǎn)角度實(shí)測值與目標(biāo)值的對比曲線。從圖8(a)中可以看到,這二者基本完全重合。而圖8(b)表明,扭轉(zhuǎn)角度實(shí)測值與目標(biāo)值之間的控制偏差大只有0.001 5°,這說明本伺服試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)角度控制精度很高,完全達(dá)到試驗(yàn)要求。
3.聯(lián)合加載
為了檢驗(yàn)伺服試驗(yàn)機(jī)各個(gè)方向聯(lián)合加載能力以及整體伺服控制精度,進(jìn)行了純應(yīng)力主軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中始終保持土體單元的主應(yīng)力分別為σ1=1 500 kPa、σ2=1 200 kPa、σ3=900 kPa,孔壓u=500 kPa,此時(shí)有效主應(yīng)力σ1'=1 000 kPa、σ2'=700 kPa、σ3'=400 kPa。然后讓大主應(yīng)力和小主應(yīng)力在二者所在平面內(nèi),以初始位置為中心,±60°為幅值進(jìn)行往返循環(huán)旋轉(zhuǎn),而中主應(yīng)力方向始終保持不變。試驗(yàn)通過控制程序中預(yù)先編好的應(yīng)力主軸往返旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行。在該模塊中,扭轉(zhuǎn)方向采用角度控制,軸向力和內(nèi)外圍壓的控制目標(biāo)值根據(jù)實(shí)時(shí)采集的扭矩值計(jì)算得到,而孔壓始終保持不變。
試驗(yàn)得到的扭矩、軸向力、內(nèi)外圍壓以及孔壓的時(shí)程曲線如圖9(a)、(b)所示。從圖中看出,各個(gè)物理量的試驗(yàn)曲線都很平滑,波動(dòng)非常小,在試驗(yàn)要求范圍內(nèi)。另外,由于應(yīng)力主軸在一定角度范圍內(nèi)往返旋轉(zhuǎn),故扭矩、軸力和內(nèi)外圍壓也在加載達(dá)到某個(gè)值之后開始折返,且折返出現(xiàn)的時(shí)刻都完全一致。由于應(yīng)力主軸往返旋轉(zhuǎn)角度幅值超過了45°,故一個(gè)周期內(nèi)扭矩出現(xiàn)了多次折返。圖9(c)給出了該試驗(yàn)在偏應(yīng)力平面上的應(yīng)力路徑,表現(xiàn)為一個(gè)半徑為300 kPa、角度為240°,且關(guān)于水平坐標(biāo)軸對稱的圓弧。可以看到,在每次扭轉(zhuǎn)反向時(shí),應(yīng)力路徑略微地偏離了圓弧,這主要是由土體本身的變形性質(zhì)所引起的。而在應(yīng)力路徑圓弧的某些位置也出現(xiàn)了一些細(xì)微的波動(dòng),但這些波動(dòng)均在試驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)。所以綜合上述試驗(yàn)和測試結(jié)果可以認(rèn)為,該伺服試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)功能都達(dá)到了預(yù)期,完全能夠滿足試驗(yàn)要求。
3 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)和研制成功了一臺大型多自由度智能控制空心圓柱扭剪儀。該空心圓柱扭剪儀具有以下功能和特點(diǎn):
(1) 試樣尺寸大,高度可達(dá)600 mm,且可根據(jù)試驗(yàn)需求更換不同大小的試樣及相匹配的傳感器;
(2) 加載自由度多,可獨(dú)立施加軸力、扭矩、內(nèi)壓、外壓、孔壓及相應(yīng)的位移,實(shí)現(xiàn)了共五個(gè)自由度的自由控制,從而拓寬了可施加的應(yīng)力路徑的范圍;
(3) 控制智能化,可先將擬進(jìn)行的應(yīng)力路徑或應(yīng)變路徑寫入程序,試驗(yàn)過程中由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。
測試結(jié)果表明,該伺服試驗(yàn)機(jī)的控制精度能夠滿足土工材料試驗(yàn)的要求。