Разработка и исследование электрогидравлического следящего привода для испытаний арматуры железобетонных конструкций и их элементов

В настоящее время, несмотря на значительные успехи в области методов расчета конструкций на прочность и определения механических свойств материалов, важной проблемой является проведения экспериментальных исследований, с помощью которых можно было бы определить несущую способность конструкций с учетом всего многообразия комплексного воздействия эксплутационных факторов. Основные данные о прочности материалов, полученные по результатам экспериментальных исследований в условиях, близких к эксплутационным, вносятся в расчеты элементов конструкций, которые затем проходят стадию экспериментальной проверки.

В связи с этим основная задача испытательной техники состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств, функций и характеристик материалов и конструкций. При моделировании внешних воздействий как в процессе создания новых материалов конструкций, так и при оценке качества готовой продукции необходимо четко представлять основные факторы, воздействующие на элементы конструкции в процессе эксплуатации.

Виды воздействующих факторов и их значения в зависимости от условий эксплуатации материалов и изделий устанавливаются в стандартах и технических условиях, а для вновь создаваемых конструкций — в технических заданиях на их разработку. В общем случае основными воздействующими факторами являются механические, климатические, биологические, специальные среды, ионизирующие и электромагнитные излучения.

Испытательная техника охватывает обширный круг вопросов в различных областях науки и техники [15]. Особое место испытательной техники уделяется в авиационной, космической, автомобильной промышленности, в строительстве и других областях.

Строительство подразделяется на такие отрасли как промышленное, жилищное, транспортное строительство. Основным материалом для перечисленных отраслей является железобетон. Основным недостатком железобетона является низкая прочность при растяжении. Поэтому при разработке железобетонных конструкций важную роль занимает их расчет и процесс испытаний.

На протяжении многих лет во всем мире накапливался опыт испытаний и эксплуатации железобетонных конструкций. Было найдено, что при металлической арматуре бетон хоть и не разрушается при растяжении, но трескается. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций и сооружений. Однако важнейшим достижением, в результате накопленного опыта, является получение технологии так называемого преднапряженного железобетона. Суть этой технологии заключается в создании на стадии изготовления или строительства железобетонной конструкции напряженного состояния в ней, при котором предварительный знак напряжения в бетоне противоположен знаку напряжения от эксплуатационной нагрузки. Такая технология позволяет наиболее эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.

С развитием технологии преднапряженного железобетона она стала завоевывать все большие области в строительстве. На сегодняшний день эта технология во всем мире используется при сооружении зданий, пролетных строений и опор мостов, железобетонных свай, труб, опор ЛЭП, мачт освещения, телебашен, различных морских сооружений и многого другого.

В России технология преднапряженного железобетона получила наиболее широкое применение в мостостроении. При строительстве мостов, по такой технологии, напрягаемой арматурой являются прядевые пучки высокопрочных канатов марки К7 [11], которые изготавливаются и поставляются канатными заводами. В настоящее время, как поставщик, так и заказчик проводят испытания канатов на растяжение до разрыва [10, 13, 66]. Поставщику эти испытания необходимы для текущего контроля и составления сертификата на готовые пряди, а заказчику, — с одной стороны, для проверки соответствия действительных характеристик их величинам, установленными техническими условиями или ГОСТом на пряди, и, с другой стороны, — для технологических целей, связанных с процессом изготовления и испытания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако такие испытания не удовлетворяют реальным режимам работы каната при эксплуатации моста. Так как в реальных условиях канат испытывает сложный закон нагружения, который условно можно разбить на две составляющие: статическое и динамическое нагружение. Статическое нагружение возникает от действия постоянных нагрузок — предварительного натяжения каната, восприятия им массы моста и т. п. Динамическое нагружение возникает от действия знакопеременных нагрузок — движения транспорта, порывов ветра и т. п. Российские испытательные машины, позволяющие проводить испытания образцов при динамических нагружениях, не способны моделировать работу каната в реальных условиях. За рубежом существуют испытательные машины, позволяющие проводить испытания канатов при учете динамической составляющей нагрузки, максимально приближенной к реальной. Такие стенды разработаны фирмами ЗсИепск, МТ8, ¡-тйгоп и др. На основе таких испытаний были получены европейские стандарты характеристик канатов при динамических испытаниях [72]. Сравнение испытательных машин показывает, что зарубежные аналоги значительно дороже российских при этом они не позволяют проводить испытания в широком спектре законов нагружения.

Поэтому появилась необходимость в создании испытательной машины, параметры которой удовлетворяли бы реальным условиям работы каната.

Основываясь на опытных данных строительства и эксплуатации мостов, закон нагружения каната можно представить графиком, показанном на рисунке В.

Рн, кН.

160 150 140 t, с.

Рис. В. График закона нагружения испытуемого каната:

Р — усилие, нагружающее канатt — времяТ — период колебаний- / -н частота колебаний в Гц.

В этом случае статическая нагрузка составляет 150 кН, при такой нагрузке канат подвергается динамическому воздействию с амплитудой по усилию 10 кН и частотой 0−100 Гц. Диапазон частот обеспечивает варьирование режимов динамического нагружения каната, а также сокращение времени испытаний.

Кроме того, испытательная машина должна создавать широкий спектр законов нагружения на выходном звене, например синусоидальный, пилообразный, случайный закон. и.

Указанные требования можно удовлетворить с помощью электрогидравлического следящего привода. Его основные преимущества перед механическим, электрическим и пневматическим приводами — это большая энергоемкость, высокое быстродействие и способность регулировать выходную величину по желаемому закону.

Однако при создании такого гидропривода испытательной машины заводские лаборатории сталкиваются со значительными техническими трудностями. Режимы работы гидропривода на базе промышленных гидроагрегатов осуществить достаточно сложно, а обеспечить режим динамического нагружения по требуемым законам практически невозможно.

Разработка гидропривода с точным воспроизведением реального закона нагружения каната требует исследования всех процессов, протекающих как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе в целом.

Одним из основных факторов, ограничивающих точность динамического закона нагружения, а также частоту колебаний, являются контактные уплотнения гидроцилиндра. При сложной форме моделируемого закона нагружения, силы сухого трения на контактных уплотнениях существенно искажают форму процесса. В тоже время контактное давление уплотнения на зеркало цилиндра при большой скорости относительного перемещения пар трения приводит к высокотемпературному режиму работы материала уплотнений, что сокращает ресурс работы установки.

Для преодоления указанного недостатка контактных уплотнений, непосредственно в гидроприводах испытательной машины, передовые фирмы применяют гидростатические опоры, методы расчета и проектирования которых не приводят.

В связи с перечисленными выше особенностями применения гидропривода в испытательных машинах, необходимо: разработать методику расчета гидростатических опор гидроцилиндра;

— исследовать режимы работы гидропривода испытательной машины, имитирующей динамические воздействия на канат, и создать математическую модель такой гидромеханической системы;

— подтвердить адекватность математической модели реальной системе.

Диссертация посвящена решению этих задач.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Ниже представлены основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. Разработан и апробирован метод решения пространственной задачи для течения жидкости в зазоре гидростатической опоры, определяющий поле давления в слое смазки и ее основных характеристик. Новизна метода заключается в следующем: а) впервые уравнения гидродинамики для тонкого слоя смазки в гидростатической опоре решались в полной постановке с применением программного комплекса STAR CDб) впервые задача гидродинамики для течения жидкости в зазоре гидроопоры решалась с учетом перекоса штока в цапфе гидроопоры под действием внешней радиальной нагрузки, что приводило к клиновидной форме зазора.

2. Рассчитаны и представлены интегральные характеристики гидростатической опоры (несущая способность и расход жидкости).

3. Составлена и апробирована математическая модель гидропривода для динамических испытаний канатов, учитывающая влияние гидродинамических процессов в гидроопорах на динамику гидропривода.

4. Рассчитаны и представлены динамические характеристики гидропривода для всего диапазона рабочих частот.

5. Создан экспериментальный стенд для испытания гидропривода и проведены испытания, подтвердившие основные теоретические положения диссертации. Результаты испытаний следующие: а) получены значения несущей способности и расхода жидкости через гидростатическую опору. Расхождение расчета с экспериментом для концентрического положения штока в цапфе гидроопоры не более 6%, для случая с перекосом штока не более 14%- б) получена логарифмическая амплитудная характеристика для всего гидропривода. Выявлена частота пропускания входного сигнала без существенного искажения выходного сигнала, которая составляет 70 Гц. При этом логарифмическая амплитудная характеристика падает на 2,5 дБ, что составляет 3% падения амплитуды выходного сигнала.

6. Основываясь на международных нормах для динамических испытаний канатов, которые накладывают условия испытаний до 2 млн. циклов, можно сделать вывод, что при 70 Гц время испытания канатов будет составлять около 8 часов непрерывной работы, что значительно меньше времени, при котором необходимо проводить испытания на существующих отечественных установках.

7. Результаты диссертационной работы применены при проведении динамических испытаний в лаборатории при ООО «Фирма «Следящие тест-системы». Кроме того, ведется подготовка результатов экспериментов и методики проведения испытаний для сертификации стенда.