СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ ДВУХКОЛОННОЙ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ И МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДАМИ
METHOD OF UPGRADE OF TWO-COLUMN UNIVERSAL TEST MACHINE WITH HYDRAULIC AND MECHANICAL DRIVES

Предлагаемое изобретение относится к испытанию колонн промышленных и гражданских сооружений большого габарита. Область применения - испытания строительных конструкции зданий и сооружений. Испытания моделей колонн большого габарита на устойчивость при центральном и внецентренном сжатии, а также элементов решетки ферм.
Испытания моделей колонн на устойчивость удобно выполнять при естественном вертикальном положении их. Управление испытаниями удобно осуществлять с пульта управления [1], [2, с.268, фиг.182].
Известны факты обрушения несущих конструкций из-за потери устойчивости сжатых элементов, например, сжатых элементов ферм системы покрытия сооружений. Известны обрушения конструкций лавиной [3, с.27]. Поэтому разработка способов испытаний моделей колонн на устойчивость актуальна.
Известны способы испытаний моделей колонн испытательными машинами ГРМ-1 [1], [2, с.268, фиг.182], однако, испытательные машины позволяют испытывать только мелкие модели колонн, что является недостатком известных технических решений.
Известен «Способ испытаний рам и конструкций гидропульсационными установками при статических и динамических воздействиях», предложенный Неждановым К.К. и разработанный с аспирантами [4, RU №2418277]. Этот способ испытаний рам и конструкций позволяет испытывать крупные модели колонн, что является положительным свойством. Примем известный «Способ испытаний рам и конструкций гидропульсационными установками при статических и динамических воздействиях» за прототип.
Однако можно модернизировать двухколонную универсальную испытательную машину (ГРМ-1) [1] с гидравлическим и механическим приводами. Такие машины в настоящее время смонтированы во многих университетах и институтах и простаивают, а модели колонн крупного масштаба испытывать негде, и это сдерживает совершенствование реальных конструкций.
Техническая задача изобретения - снижение трудоемкости испытаний моделей колонн крупного масштаба, повышение точности испытаний в действующих лабораториях университетов и институтов, путем модернизации двухколонных универсальных испытательных машин с гидравлическим и механическим приводами и облегчение проведения научно-исследовательских работ, с целью совершенствования реальных конструкций колонн аспирантами, магистрантами и научными работниками.
Техническая задача по снижению трудоемкости испытаний моделей колонн крупного масштаба, повышению точности испытаний в действующих лабораториях университетов и институтов решена следующим образом.
Способ модернизации двухколонной универсальной испытательной машины ГРМ-1 с гидравлическим и механическим червячным приводами, снабженной основанием неподвижно заанкеренным в фундаменте анкерными болтами, на котором жестко закреплена П-образная неподвижная рама, выполняют в следующей технологической последовательности.
Универсальная испытательная машина состоит из пары параллельных друг другу колонн, оголовки которых соединены друг с другом в единое целое траверсой, в которую вмонтирован гидропульсатор.
Машина также имеет подвижную по вертикали раму, собранную из верхней опорной траверсы и подвешенной к ней на паре винтовых тяг нижней траверсы, которую перемещают по вертикали вращением винтовых тяг червячным приводом.
Способ модернизации заключается в том, что гидропульсатор демонтируют, освобождают центральное сквозное отверстие в неподвижной траверсе.
Демонтируют подвижную траверсу подвижной рамы и освобождают свободное пространство для испытываемой колонны, а винтовые тяги подвижной рамы присоединяют фланцевыми гайками к траверсе неподвижной рамы. Корпус гидропульсатора неподвижно монтируют на фундаменте машины по центру и снабжают его плунжер сферическим шарниром.
С пульта управления включают червячный привод, корректируют и фиксируют проектную отметку по высоте верхней опорной траверсы подвижной рамы, расширяют пределы испытаний колонн по высоте до 7…8 м.
Оголовок испытываемой колонны снабжают сферическим шарниром, подтягивают колонну длиной 7…8 м вверх, пропускают ее оголовок сквозь освободившееся отверстие в траверсе неподвижной рамы и упирают сферический шарнир оголовка по центру в верхнюю опорную траверсу.
С пульта управления, в соответствии с программой испытания колонны, включают статическую или циклическую работу гидропульсатора машины.
Управляя с пульта, испытывают колонну на сжатие с проектным фиксированным эксцентриситетом или без него, в статическом или циклическом режиме.
Контролируют с пульта величину сил сжатия колонны манометрами, измеряют величину отклонения колонны от вертикали индикаторами часового типа и устанавливают момент потери колонной устойчивости.
Безопасность испытаний гарантирована тем, что испытываемая колонна пропущена сквозь освободившееся отверстие в траверсе неподвижной рамы и при потере устойчивости выпучивание колонны вбок ограничено контуром отверстия неподвижной траверсы. После контакта боковой кромки колонны с контуром отверстия неподвижной траверсы, несущая способность колонны восстанавливается и колонне возвращается устойчивость!
На фиг.1 показана универсальная испытательная машина (ГРМ-1, ГОСТ 7855-55, Армавир, 1963 г.) до модернизации; на фиг.2 - машина после модернизации; на фиг.3-машина после модернизации с установленной в нее испытываемой колонной.
Универсальная испытательная машина имеет неподвижное основание 1, жестко закрепленное на фундаменте 2 при помощи анкерных болтов 3. На основании 1 установлена пара параллельных друг другу колонн 4, оголовки которых жестко соединены в единое целое верхней траверсой 5 неподвижной рамы, сквозь которую проходят винтовые тяги 6. Гидравлический привод 7 этой машины (статического или динамического действия), помещенный в неподвижной траверсе 5, упирается плунжером 8 в верхнюю траверсу 9 подвижной рамы, в которую установлен червячный привод 10, перемещающий траверсу 11, подвешенную к верхней траверсе 9 подвижной рамы на паре винтовых тяг 6, в проектное положение. Машина ГРМ-1 позволяет испытывать колонны на сжатие мелкого масштаба - не более 1 м, однако высота машины в четыре раза больше (4,3 м).
Модернизация двухколонной универсальной испытательной машины с гидравлическим и механическим приводами.
Демонтируют из траверсы 5 неподвижной рамы машины гидравлический привод 7 с плунжером 8, и освобождают от него центральное сквозное отверстие в траверсе 5 для пропуска сквозь отверстие оголовка испытываемой колонны.
Демонтируют с подвижной в вертикальном направлении рамы нижнюю траверсу 11 (на фиг.2 и фиг.3 траверса 11 демонтирована и не показана) и освобождают пространство для монтажа испытываемой колонны.
Демонтируют фланцевые гайки 12 с траверсы 11 и неподвижно монтируют фланцевые гайки 12, прикрепляя их фланцы болтами снизу к неподвижной траверсе 5, и формируют раздвижную раму, состоящую из нижней неподвижной рамы (колонны 4, соединенные траверсой 5), к которой с помощью винтовых тяг 6 присоединена с возможностью выдвижения вверх подвижная рама (винтовые тяги 6, взаимодействующие с фланцевыми гайками 12). Это обеспечивает возможность регулирования червячным приводом 10 проектной отметки верхней опорной траверсы 9 подвижной рамы, в соответствии с высотой испытываемой колонны.
Снабжают верхнюю опорную траверсу 9 рамы консольным краном 13 для удобства подъема и монтажа в машину испытываемых колонн. Гидравлический привод 7 с плунжером 8 неподвижно монтируют внизу на основании 1 испытательной машины по центру.
Плунжер 8 гидропульсатора уже снабжен сферическим шарниром, а оголовок испытываемой колонны также снабжают стандартным сферическим шарниром 14.
Монтаж всех элементов закончен. С пульта управления (не показан) включают червячный привод 10 и осаживают подвижную раму до упора ее верхней траверсы 9 в неподвижную траверсу 5. Модернизация универсальной испытательной машины закончена.
В результате того, что пару винтовых тяг 6 соединяют фланцевыми гайками 12 с верхней траверсой 5 неподвижной рамы, возникает возможность выдвигать подвижную раму червячным приводом 10 вверх в 2...3 раза выше, чем ранее! Если же удлинить пару винтовых тяг 6, то подвижная рама может быть выдвинута вверх еще выше! Этим обеспечивается возможность испытаний колонн в натуральную величину без уменьшения их масштаба.
Подготовка двухколонной универсальной испытательной машины с гидравлическим и механическим приводами к испытаниям.
С пульта управления (не показан) включают червячный привод 10, корректируют проектную отметку по высоте верхней опорной траверсы 9 подвижной рамы в соответствии с высотой испытываемой колонны 15. Расширяют пределы испытаний колонн до 6…8 м и фиксируют проектную отметку верхней опорной траверсы 9 подвижной рамы.
При помощи консольного крана 13, установленного на верхней траверсе 9, подтягивают колонну 15 вверх, пропускают ее оголовок сквозь освободившееся центральное отверстие в траверсе 5 неподвижной рамы, упирают сферический шарнир 14 оголовка колонны по центру в верхнюю траверсу 9 подвижной рамы.
С пульта управления, в соответствии с программой испытания колонны 15, включают статическую или циклическую работу гидропульсатора испытательной машины, управляя с пульта, испытывают колонну 15 на сжатие с проектным фиксированным эксцентриситетом или без него, в статическом или циклическом режиме, контролируя с пульта управления величину сил сжатия колонны манометрами.
Измеряют величину отклонения колонны от вертикали индикаторами часового типа (не показаны) и устанавливают момент потери колонной устойчивости.
Выпучивание колонны 15 вбок в момент потери ей устойчивости легко измерять индикаторами часового типа или прогибомерами, устанавливая их на неподвижной траверсе 5 машины.
В момент потери устойчивости колонна 15 выпучивается вбок и касается своей внешней поверхностью внутренней поверхности отверстия в неподвижной траверсе 5. Устойчивость колонны 15 резко увеличивается, и потеря устойчивости прекращается. Этим обеспечивается безопасность работ при испытаниях.
Пример конкретной реализации
Проведем расчет трубчатой квадратной в сечении колонны на устойчивость. Параметры квадратной в сечении трубы 160x4 (ГОСТ 30245-2003):
Длина стержня колонны ℓ=2,5 м.
тр
2
A=24,55 см.
x
y
i=i=6,34 см.
m=19,27 кг/м.
Гибкость стержня при длине 2,5 м, коэффициент µ=1,
xef
yef
ℓ=ℓ=µℓ=1-250=250 см.
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ℓ</mi><mrow><mi>x</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>250</mn></mrow><mrow><mn>6,34</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>39,43</mn><mo><</mo><mn>60</mn><mo>⇒</mo><mi>γ</mi><mo>=</mo><mn>0,95</mn></mrow>
min
Коэффициент устойчивости φ находим по приведенной гибкости:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>λ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mi>x</mi></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>y</mi></msub></mrow><mi>E</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>39,43</mn><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>240</mn></mrow><mrow><mn>206000</mn></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>1,346</mn><mo>></mo><mn>4,5</mn></mrow>
,
тогда по формуле [6, с.9]:
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,066</mn><mover accent="true"><mi>λ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mover accent="true"><mi>λ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,066</mn><mo>⋅</mo><mn>1,346</mn><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>1,346</mn></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>0,8969</mn></mrow>
Определяем расчетную разрушающую нагрузку:
разр
y
F=γ·φ·R·A=0,95·0,8969·240·24,55=5020,3 гН=51,175 т.
Проведем также расчет на устойчивость трубчатой квадратной в сечении колонны, заполненной бетоном (класс B20). Параметры квадратной в сечении трубы 160×4 (ГОСТ 30245-2003):
Длина стержня колонны ℓ=2,5 м.
тр
2
A=24,55 см.
х
y
i=i=6,34 см.
m=19,27 кг/м.
Параметры бетонного ядра с размерами 152×152:
б
2
A=231,04 см.
<mrow><msub><mi>J</mi><mi>б</mi></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>b</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>15,2</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>15,2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>4448,29</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>4</mn></msup></mrow>
.
Расчетная несущая способность трубобетонного стержня [7, с.191]:
т.б.
F=(231,04·11,5·1,92+24,55·240)·0,579=6365,16 гН=64,88 т
где φ=0,579 - зависит от приведенной гибкости:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ℓ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mi>б</mi></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>μ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mi>μ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>250</mn></mrow><mrow><mn>4,39</mn></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.092</mn><mo>+</mo><mn>0,1063</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,25</mn><mo>⋅</mo><mn>0,092</mn><mo>+</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mn>0,1063</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>≈</mo><mn>91,89</mn></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mi>б</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>б</mi></msub></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1,92</mn><mo>⋅</mo><mn>11,5</mn></mrow><mrow><mn>240</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,092</mn></mrow>
;
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>А</mi><mi>б</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>24,55</mn></mrow><mrow><mn>231,04</mn></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>0,1063</mn></mrow>
;
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>б</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>J</mi><mi>б</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>А</mi><mi>б</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>4448,29</mn></mrow><mrow><mn>231,04</mn></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>4,39</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
Сопоставление модернизированной двухколонной универсальной испытательной машины с гидравлическим и механическим приводами до модернизации ГРМ-1 и после модернизации позволили выявить следующие ее преимущества:
1. Проведенная модернизация испытательной машины ГРМ-1 позволила увеличить масштаб испытываемых моделей колонн в 4…6 раз, что в свою очередь позволило свести к минимуму отрицательное влияние на результаты эксперимента масштабного фактора.
2. Снижена трудоемкость испытаний моделей колонн крупного масштаба, с одновременным повышением точности испытаний в действующих лабораториях университетов и институтов.
3. Модернизация двухколонных универсальных испытательных машин ГРМ-1 с гидравлическим и механическим приводами облегчила проведения научно-исследовательских работ при испытаниях реальных конструкций колонн в натуральную величину аспирантами, магистрантами и научными работниками.
4. Модернизация испытательной машины ГРМ-1 выполнена с минимальными затратами, так как все основные детали машины остались неизменными.
5. Модернизированная испытательная машины позволяет имитировать действительную работу крупногабаритных испытываемых моделей сжатых колонн длиной 6…8 м, как центрально, так и внецентренно сжатых. Обычно испытательные машины монтируют на нулевой отметке.
6. Для обеспечения возможности выдвижения червячным приводом подвижной по вертикали рамы с опорной траверсой вверх, вращением винтовых тяг, испытательная машина может быть смонтирована в приямке ниже нулевой отметки на глубине 2…3 м, что позволит свободно выдвигать подвижную раму вверх на max величину.
7. Испытания крупногабаритных центрально и внецентренно сжатых, испытываемых колонн производят автоматизировано, управляя испытаниями с пульта машины. Обеспечена высокая производительность управления.
8. Повышена техника безопасности при проведении испытаний, так как в момент потери устойчивости колонны ее выпучивание вбок ограничено размерами отверстия в траверсе неподвижной рамы машины.
9. Монтаж крупногабаритной колонны упрощен, так как испытательная машина оснащена консольным краном для монтажа.
10. Испытания крупногабаритных испытываемых колонн производят автоматизировано, как статическими, так и циклическими воздействиями с контролем амплитуд колебаний силовых воздействий с пульта управления.
11. Модернизация испытательных машин ГРМ-1 может быть выполнена на любом машиностроительном заводе или централизованно на заводе изготовителе (г.Армавир). В результате перечисленных выше положительных качеств возник соответствующий экономический эффект.
Номера элементов
1. основание испытательной машины
2. фундамент
3. анкерные болты
4. колонны
5. верхняя траверса неподвижной рамы
6. винтовые тяги
7. гидравлический привод
8. плунжер гидравлического привода
9. верхняя траверса подвижной рамы
10. червячный привод
11. нижняя траверса подвижной рамы
12. фланцевые гайки
13. консольный кран
14. сферический шарнир
15. испытываемая колонна
Список литературы
1. Универсальная, испытательная машины типа ГРМ-1 на 50 тонн с пульсатором на 25 тонн. Руководство по монтажу и эксплуатации универсальной, испытательной машины ГОСТ 7855-55. РСФСР, Северокавказский совет народного хозяйства. Завод испытательных машин, г.Армавир. 1963 г, с.28. Заводской №687.
2. Серенсен С.В., Гарф М.Э., Козлов Л.А., Машины для испытания на усталость. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1957 г., с.404.
3. Нежданов, К.К. О снижении опасности лавинообразных обрушений покрытия промышленного здания в аварийной ситуации [Текст] / К.К.Нежданов, Н.Я.Кузин // Промышленное строительство - 1991. - №7. - С.27-29.
4. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Куничкин П.В. RU №2418277. Способ испытаний рам и конструкций гидропульсационными установками при статических и динамических воздействиях. G01M 7/02 (2006). Заявка №2008145394, приоритет 17 ноября 2008, зарегистрировано 10 мая 2011. Опубликовано 10.05.2011. Бюл. №13.
5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Куничкин П.В. Усилитель грузоподъемности гидродомкрата. Патент России №2 325 484. Заявка на изобретение №2006128807/03 (013927), 2007.09.10. Решение о выдаче 17 сент. 2007 г. Зарегистрировано 27 мая 2008, Бюл. №15.
6. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. ЦНИИСК им. Кучеренко с участием ЦНРоИпроектстальконструкции Госстроя СССР, МИСИ им. В.В.Куйбышева Минвуза СССР, института «Энергосетьпроект» и СКБ «Мосгидросталь» Минэнерго СССР, Москва, 1990 г.
7. "Металлические конструкции", под общей редакцией Е.И.Беленя, Москва, Стройиздат, 1986 г.