СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ОСЕВОМ И ВНЕЦЕНТРЕННОМ ПРИЛОЖЕНИИ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO TEST STRUCTURES AT AXIAL AND ECCENTRIC APPLICATION OF SIGN ALTERNATING LOADS AND TEST BENCH FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области строительства и машиностроения, а именно к определению физико-механических свойств изделий, и может быть использовано для исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения осевых и внецентренных растягивающих и сжимающих статических знакопеременных нагрузок без перестановки образца на испытательном стенде.
Промышленность производит для испытательных лабораторий установки одностороннего действия, работающие либо на растяжение, либо на сжатие.
Так, например, известен способ испытания бетонов и других пористых материалов на растяжение по авторскому свидетельству СССР №473929, кл. G01N 3/08, 1975 г., по которому испытуемый образец подвергают предварительному обжатию, сохраняемому в процессе всего испытания.
После предварительного обжатия на расчетную единицу подготовленный к испытаниям образец цилиндрической формы свободно устанавливают в напорную камеру. Размеры образца с обжимающим устройством должны быть такими, чтобы между стенкой камеры и боковой поверхностью образца оставался минимальный зазор. Чем меньше будет величина зазора, тем быстрее может быть снято или восстановлено давление в камере и тем однороднее будет напряженное состояние по всему объему образца (не будет успевать проявляться проницаемость материала).
Испытание образцов производят ступенями, изменяя давление сжатого воздуха (газа) на определенную величину. На первой ступени нагружения величину давления принимают равной 0,1 R, где R - временное сопротивление материала сжатию (марка). Под этим давлением образец выдерживают в камере до установления равнозначного давления в порах материала. Затем сбрасывают давление в камере. Отсутствие акустического сигнала (щелчка) в камере показывает, что образец выдержал испытание без разрушения и можно перейти к следующей ступени его загружения. Для исключения влияния режима сброса давления на деструкцию материала необходимо устанавливать в камеру на каждой ступени загружения новый образец той же серии. Следующую ступень загружения проводят при давлении воздуха (газа), равном 0,12 R. Если при этих условиях образец разрушится, то тем самым будут найдены нижняя (0,1 R) и верхняя (0,12 R) границы так называемой «прочностной вилки». Дальнейшее загружение образцов производят в пределах этой «вилки» ступенями, величину которых можно принимать с любой степенью точности, например, 0,1; 0,5 или 1 кг/кв.см. Наименьшее по величине давление в пределах «прочностной вилки», при котором образец разрушается, будет соответствовать временному сопротивлению материала в условиях трехосного сжатия с растяжением.
Таким образом, способ при минимальной трудоемкости обеспечивает проведение испытаний на прочность в условиях трехосного неравномерного сжатия с растяжением в широком диапазоне возможных соотношений между ними. При этом отпадает необходимость использования для этих целей дорогостоящего, громоздкого и сложного оборудования.
Испытания образцов с использованием данного способа предназначены только для испытания образцов на растяжение, одновременное проведение испытаний на растяжение и сжатие данным способом невозможно.
Известен способ определения прочности бетона на сжатие по авторскому свидетельству СССР №358644, кл. G01N 3/08, 1973 г., принятый заявителем за прототип. По этому способу с целью создания условий нагружения бетонного образца, близких к условиям работы бетона на сжатие в конструкциях, а также повышения достоверности результатов испытания, сжимающую нагрузку на бетонный образец передают через бетонные образцы, аналогичные исследуемому. Бетонные кубы готовятся в формах на три образца, при испытании образцы устанавливаются под плиту пресса в той же последовательности, как они были уложены в формах, это обеспечивает хороший контакт по граням образцов.
Между плитами пресса устанавливают испытуемый образец и два куба, обжимающие его.
Характер разрушения образца аналогичен разрушению бетонных образцов при устранении трения по граням - разрушение происходит с образованием вертикальных трещин. Пирамиды, характерные для испытания кубов обычным способом, при разрушении образца не формируются.
Однако использовать данный способ возможно только для испытаний образцов на классическое сжатие. На растяжение такой процесс испытания использовать нельзя, тем более использовать его как универсальный: для испытания на растяжение и сжатие.
Известны гидравлические универсальные испытательные машины для статических испытаний образцов материалов на растяжение и сжатие (Испытательная техника. Справочник под ред. Клюева В.В., книга 1. М.:«Машиностроение», 1982. С.30-33, 57-59, 89-90. Универсальные испытательные машины УММ. Испытательные машины и стенды. Сводный каталог. М., ЮНТИПРИБОР, 1967. С.78-79), имеющие отдельные рабочие зоны для испытаний на растяжение и сжатие, так называемые двухзонные испытательные машины, представляющие собой, по сути дела, две машины (растяжения и сжатия), работающие от одного силового гидроцилиндра.
Они имеют сложную конструкцию, определяемую необходимостью использования реверса с собственной траверсой и колоннами.
Известны также однозонные сервогидравлические универсальные испытательные машины для статических испытаний образцов материалов на растяжение и сжатие (Универсальные сервогидравлические машины Instron. Материалы международной выставки AEROSPACE TESTING RUSSIA 2006, М., Сайт фирмы Instron: www.instron.com., Статические сервогидравлические испытательные машины серий: LF, LFSV, LF-TTM, LF-UTM. Материалы международной выставки AEROSPACE TESTING RUSSIA 2006, М., Сайт фирмы MELYTEC: www.melvtec.ru.), в которых испытания на растяжение и сжатие обеспечивают за счет использования сервоклапана (называемого также «электродроссельным усилителем» и «электрогидравлическим усилителем») (Тябликов Ю.Е. Гидравлические испытательные машины. М., «Машиностроение», 1982. С.61-64), управляющего силовым гидроцилиндром.
К недостаткам универсальных испытательных машин с сервогидравлическим приводом для статических испытаний следует отнести их чрезмерную сложность, определяемую следующими факторами.
Во-первых, использование для управления силовым гидроцилиндром сервоклапана, сложного по конструкции и технологии изготовления устройства, требует высокой степени очистки рабочей жидкости (индустриальное масло, питающее через сервоклапан силовой гидроцилиндр испытательной машины, должно иметь класс чистоты не ниже 11-го, при котором допускается не более 50 частиц размером от 100 до 200 мкм в объеме рабочей жидкости, равном 100 куб.см).
Во-вторых, испытательные машины с сервогидравлическим приводом требуют обязательного охлаждения рабочей жидкости в связи с ее разогревом в результате дросселирования на кромках золотника выходного каскада сервоклапана. Для охлаждения рабочей жидкости используются, как правило, водяные охладители (радиаторы), через которые пропускается охлажденная, например, с помощью градирни техническая вода.
В-третьих, использование сервоклапана требует наличия, кроме высокого рабочего давления (20 МПа и более), управляющего перемещением плунжера силового гидроцилиндра испытательной машины, также наличия низкого давления (6,3 МПа), управляющего входным каскадом сервоклапана, так называемой «сопло-заслонкой». Это означает, что в насосной установке кроме насоса высокого давления 20 МПа должен быть насос, обеспечивающий давление управления 6,3 МПа, и, соответственно двигатель, вращающий вал насоса.
Таким образом, использование сервоклапана значительно усложняет испытательную машину.
Наиболее близким аналогом, принятым заявителем за прототип, является гидравлическая машина для механических испытаний материалов по патенту Российской Федерации №48066, кл. G01N 3/02, 2005 г., в которой создание нагрузки растяжения или сжатия обеспечивается за счет изменения давления рабочей жидкости, поступающей в рабочую полость силового гидроцилиндра от насоса высокого рабочего давления, управляемого асинхронным двигателем, который в свою очередь управляется частотным регулятором (Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления приводов. М.: ACADEMA, 2005. С.159-204.; Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: ACADEMA, 2004.-256 с.; Бармин А., Ташлинский А. Современные технологии автоматизации. 2000. №4, С.6-19), охваченным отрицательной обратной связью по нагрузке.
Основным недостатком аналога является отсутствие универсальности, т.е. такая машина может обеспечить проведение испытаний образцов материалов только на растяжение или только на сжатие.
Технической задачей изобретения является создание универсального технологического процесса испытаний строительных и других конструкций и расширения функциональных возможностей испытательной установки, имеющих возможность проводить испытания образцов и на растяжение, и на сжатие на одном стенде без перестановки образца.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении испытание образца строительной конструкции на сжатие и растяжение проводят без перестановки образца на испытательном стенде, для чего изменяют направление действия нагрузки на обратное и создают знакопеременное нагружение, причем изменение направления нагрузок создают реверсным устройством, а величину и скорость нагружения - приводом одностороннего действия.
Кроме того, при смене знака направления нагрузки испытываемый образец конструкции разгружают до нуля.
Кроме того, стенд дополнительно снабжен, по меньшей мере, двумя подвижными силовыми платформами, а привод выполнен в виде устройства одностороннего действия, причем на стенде выполнены реверсное устройство, силовое устройство и регулировочный механизм.
Кроме того, устройство одностороннего действия выполнено в виде гидравлического домкрата одностороннего действия.
Кроме того, реверсное устройство предназначено для изменения направления действия нагрузок на испытываемый образец и выполнено в виде подвижных силовых платформ и направляющих штанг, на которых установлены подвижные силовые платформы с возможностью перемещения.
Кроме того, силовое устройство предназначено для создания нагрузки заданной величины и заданной скорости нагружения и выполнено в виде подвижной силовой платформы, которая установлена на направляющих штангах с возможностью перемещения и гидравлического домкрата одностороннего действия, который установлен с возможностью контактного взаимодействия с подвижной силовой платформой.
Кроме того, регулировочный механизм предназначен для регулирования величины перемещений подвижных силовых платформ, изменения направления действия нагрузки и выполнен в виде направляющих штанг и упоров, которые установлены на направляющих штангах и образуют с ними винтовые пары.
Технический результат от использования предлагаемого решения заключается в том, что при пропорциональном увеличении нагрузки достигается равенство продольных деформаций на четырех гранях образца в пределах одного деления индикаторов - при центральном нагружении, и текущие их значения при внецентренном нагружении; причем нагружение возможно производить с любым значением эксцентриситета в пределах сечения образца.
На фиг.1 изображен стенд для испытаний строительных конструкций при осевом и внецентренном приложении знакопеременных нагрузок в положении испытания на растяжение.
На фиг.2 изображен стенд для испытаний строительных конструкций при осевом и внецентренном приложении знакопеременных нагрузок в положении испытания на сжатие.
Стенд для испытания строительных конструкций при осевом и внецентренном приложении знакопеременных нагрузок содержит основание 1, подвижные силовые платформы: нижнюю платформу 2, среднюю платформу 3 и верхнюю платформу 4. На основании 1 закреплены наружные направляющие штанги 5 и 6, а внутренние направляющие штанги 7 и 8 соединяют подвижные платформы 2, 3 и 4. Испытываемый образец 9 строительной конструкции размещают между средней подвижной силовой платформой 3 и верхней подвижной силовой платформой 4 и жестко закрепляют его на них.
На основании 1 установлен в вертикальном положении гидравлический домкрат 10 одностороннего действия, который при нагружении входит в контакт с подвижной силовой платформой 2.
На стенде выполнено реверсное устройство, которое предназначено для изменения направления действия нагрузок на испытываемый образец 9 и выполнено в виде подвижных силовых платформ 2, 3 и 4 и направляющих штанг наружных 5 и 6 и внутренних 7 и 8, на которых установлены подвижные силовые платформы 2, 3 и 4 с возможностью перемещения.
Кроме того, на стенде есть силовое устройство, которое предназначено для создания нагрузки заданной величины и заданной скорости нагружения и выполнено в виде гидравлического домкрата 10 одностороннего действия и нижней подвижной силовой платформы 2, которая установлена на направляющих штангах 5 и 6, 7 и 8 с возможностью перемещения. А гидравлический домкрат 10 одностороннего действия установлен с возможностью контактного взаимодействия с подвижной силовой платформой
А также стенд снабжен регулировочным механизмом, который предназначен для регулирования величины перемещений подвижных силовых платформ 2, 3, 4, изменения направления действия нагрузки и выполнен в виде направляющих штанг и упоров. Упоры попарно установлены на наружных 5 и 6 и внутренних 7 и 8 направляющих штангах и образуют с ними несколько винтовых пар. Под нижней подвижной силовой платформой 2 на наружных направляющих штангах 5 и 6 установлены упоры 11 и 12, а над ней на внутренних направляющих штангах 7 и 8 установлены упоры 13 и 14.
Под средней подвижной силовой платформой 3 на внутренних направляющих штангах 7 и 8 установлены упоры 15 и 16. Над средней подвижной силовой платформой 3 на наружных направляющих штангах 5 и 6 установлены упоры 17 и 18.
Под верхней подвижной силовой платформой 4 на внутренних направляющих штангах 7 и 8 установлены упоры 19 и 20, а над ней на наружных направляющих штангах 5 и 6 установлены упоры 21 и 22.
Стенд для испытаний строительных конструкций при осевом и внецентренном приложении знакопеременных нагрузок работает следующим образом.
Независимо от направления приложения нагрузки нижний торец испытываемого образца 9 закрепляют на средней подвижной силовой платформе 3, а верхний его торец - на верхней подвижной силовой платформе 4.
1. Например, проводят испытание образца 9 на растяжение, фиг 1.
В исходном положении упоры: 11 и 12, 13 и 14, 17 и 18, 19 и 20 выставлены без зазоров с соответствующими подвижными силовыми платформами 2, 3 и 4, а упоры 15 и 16, 21 и 22 выставлены с зазором с соответствующими подвижными силовыми платформами 3 и 4. Указанные зазоры имеют заданную регулируемую величину, на которую имеют возможность перемещения подвижные силовые платформы 3 и 4.
При включении привода - гидравлического домкрата 10 в действие он поднимает нижнюю подвижную силовую платформу 2, которая через упоры 13 и 14 передает это воздействие внутренним направляющим штангам 7 и 8, которые в свою очередь посредством упоров 19 и 20 передают его на подвижную силовую платформу 4. Подвижная силовая платформа 4 начинает движение вверх и растягивает испытываемый образец 9, который жестко закреплен между подвижной силовой платформой 4 и «неподвижной» в данном случае силовой платформой 3. Упорами 15 и 16 регулируют величину перемещения силовой платформы 2, а упорами 21 и 22 величину перемещения подвижной силовой платформы 4.
2. Например, проводят испытания образца 9 на сжатие.
В исходном положении упоры: 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 21 и 22 выставлены без зазоров с соответствующими подвижными силовыми платформами 2, 3 и 4, а упоры 17 и 18, 19 и 20 выставлены с зазором с соответствующими подвижными силовыми платформами 3 и 4. Указанные зазоры имеют заданную регулируемую величину, на которую имеет возможность перемещения подвижная силовая платформа 3.
При включении привода - гидравлического домкрата 10 в действие он поднимает нижнюю подвижную силовую платформу 2, которая через упоры 13 и 14 передает это воздействие внутренним направляющим штангам 7 и 8, которые в свою очередь посредством упоров 15 и 16 передают его на подвижную силовую платформу 3. Подвижная силовая платформа 3 начинает движение вверх и сжимает испытываемый образец 9, который жестко закреплен между подвижной силовой платформой 3 и «неподвижной» в данном случае силовой платформой 4. Упорами 17, 18, 19 и 20 регулируют величину перемещения подвижной силовой платформы 3.
Таким образом, благодаря использованию реверсного устройства изменяют направление действия нагрузки на обратное и создают знакопеременное нагружение. Причем при смене знака направления нагрузки испытываемый образец строительной конструкции разгружают до нуля. При этом испытываемый образец 9 не снимают со стенда. Испытание проводят за одну установку образца 9 как на растяжение, так и на сжатие.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать универсальный технологический процесс испытаний строительных конструкций и расширить функциональные возможности испытательного стенда, позволяющего проводить испытания образцов и на растяжение, и на сжатие на одном стенде без перестановки образца. Испытательный стенд является универсальным, он обеспечивает испытания на растяжение и сжатие образца без перестановки образца на испытательном стенде.