CC BY
111
82
Техника и технологии
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 539.3
А. В. Бенин
Петербургский государственный университет путей сообщения
МОДЕРНИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИН (ПРЕССОВ)
ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Описано техническое решение по модернизации пресса МИС-2000 К до уровня современной испытательной машины, предназначенной для испытаний на сжатие с возможностью автоматического построения диаграммы деформирования образца и проведения дополнительных видов испытаний - на изгиб и трещиностойкость.
испытательная машина на сжатие, бетон, диаграмма деформирования при сжатии, испытания на трещиностойкость.
Введение
Как известно, основными показателями качества бетона являются его проектные классы по прочности на сжатие B, по прочности на осевое растяжение B,, а также марки по морозостойкости F и водонепроницаемости W. При этом главнейшей из характеристик качества бетона является предел его прочности на сжатие, определяемый для обычных тяжелых бетонов в соответствии с требованиями [1]. Данный стандарт устанавливает методы определения предела прочности бетонов на сжатие, а также на осевое растяжение, растяжение при раскалывании и растяжение при изгибе путем разрушающих кратковременных статических испытаний специально изготовленных контрольных образцов (кубов или цилиндров) бетона. При этом, по сути, контролируется только один показатель - разрушающая нагрузка. Что касается деформационных характеристик бетона, то в соответствии с требованиями [2] относительную продольную и относительную поперечные деформации определяют для расчета модуля упругости и коэффициента
Пуассона бетона. Для измерения деформаций в этом случае применяют тензометры по
[3] или другие приборы, обеспечивающие измерение относительных деформаций с точностью не ниже 1 -10-5. Другими словами, от испытательной машины требуется только контроль силового воздействия на образец, а контроль деформационных характеристик обеспечивается за счет навесных или наклеиваемых на образец датчиков (тензометров).
Что касается норм на проектирование, то даже в своде правил [4] прочностные характеристики бетона определяются в соответствии с классами бетона, а деформационные характеристики принимаются или постоянными (при непродолжительном действии нагрузок) или по соответствующим таблицам (при продолжительном действии нагрузок). В качестве диаграмм состояния бетона, определяющих связь между напряжениями и относительными деформациями, свод правил рекомендует принимать не реальные, а упрощенные двух- или трехлинейные диаграммы, при этом значение коэффициента поперечной деформации бетона допускается принимать vbp = 0,2.
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
83
Следствием вышеназванных требований как для испытаний, так и для проектирования явились упрощенные требования к испытательному оборудованию для испытаний на сжатие (прессов), которое имеет возможность контроля только разрушающей нагрузки, контроль деформационных параметров не предусматривается.
Таким образом, возникла необходимость создания испытательной машины для испытаний на сжатие с возможностью автоматического построения диаграммы деформирования образца с точностью измерения относительных деформаций не ниже 1 -10-5.
1 Задачи модернизации испытательной машины для механических испытаний строительных материалов
В 2001 г. в Механической лаборатории им. проф. Н. А. Белелюбского (ПГУПС) была введена в эксплуатацию испытательная машина МИС-2000 К, выпущенная в г Армавире ООО «НИКЦИМ “Точмашрибор”» (заводской № 2). Данная испытательная машина предназначена для статических испытаний на сжатие стандартных образцов бетонов по ГОСТ 10180-90 и других видов материалов по соответствующим нормам или методикам. Следует отметить, что, в отличие от отечественных испытательных прессов предыдущих поколений, испытательный пресс МИС-2000 К оснащен системой компьютерного управления, обеспечивающей автоматическое управление процессом испытания, и, как следствие, - требования ГОСТов в части поддержания с заданной точностью скорости нагружения. Пакет прикладных программ испытательного пресса позволяет автоматически определять следующие характеристики механических свойств строительных материалов по ГОСТ 10180-90:
- предел прочности при сжатии, R;
- предел прочности на растяжение при раскалывании, R;
- предел прочности на растяжение при изгибе, R .
Однако средств контроля деформаций в данной машине не предусмотрено, для этих целей необходимо использование дополнительных (навесных или наклеенных) датчиков. При этом использование дополнительных датчиков (тензометров), например для получения полных диаграмм состояния бетона при сжатии (диаграмм с ниспадающей ветвью), сопряжено со следующими трудностями:
- система управления испытательной машиной автоматически останавливает процесс нагружения при фиксации момента разрушения образца, в качестве которого воспринимает сброс (снижение) нагрузки на 10 %;
- с невозможностью использования электрических тензодатчиков до момента разрушения образца из-за интенсивного трещинообразования и дилатации образцов и, как следствие, разрыва датчиков или их отслоения вместе с поверхностным слоем образцов;
- с невозможностью интегрирования современных автоматических датчиков деформаций (перемещений) в систему измерения испытательной машины, вследствие чего возникает необходимость ручной синхронизации сигналов нагрузки и перемещения, что ведет к снижению точности измерений и значительному усложнению процессов обработки результатов экспериментов.
Для устранения этих недостатков было принято решение о модернизации испытательной машины МИС-2000 К за счет включения в систему управления машиной дополнительного блока высокоточного контроля перемещений, синхронизации перемещений с текущей нагрузкой, автоматической обработки результатов испытаний и их представления как в табличном, так и в графическом виде.
2 Многоканальная цифровая система
автоматического управления eXpert
Для решения поставленной задачи испытательная машина МИС-2000 К была оснащена новой многоканальной цифровой системой
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/3
84
Техника и технологии
автоматического управления eXpert и установлен индуктивный датчик перемещения трансформаторного типа (разработка ООО «Лаборатория Шилова»). Было установлено также новое расширенное программное обеспечение, предназначенное для автоматического проведения испытаний, регистрации данных по каналам измерения и представления их как в тестовой форме (протоколы) так и в виде графических диаграмм.
Основой новой системы управления (СУ) служит блок управления eXpert, который включается в СУ МИС-2000 К по штатной схеме электрических соединений.
Принцип действия СУ заключается в следующем: нормализованные аналоговые сигналы с первичных датчиков переводятся в цифровой формат (АЦП) и поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор (ЦСП, DSP).
Со стороны ПЭВМ в ЦСП поступают заданные параметры работы. ЦСП производит необходимые вычисления и формирует аналоговый сигнал (ЦАП) управления, который далее нормализуется и усиливается. Кроме этого, ЦСП выполняет фильтрацию и масштабирование сигналов, а также их линеаризацию.
Блок управления состоит из функционально законченных модулей. Все модули электрически связаны единой сквозной шиной.
Функциональное назначение модулей:
- МСП (модуль сервопривода) обеспечивает управление сервоприводом в соответствии с заданием;
- МСК (модуль системного контроллера) обеспечивает взаимодействие всех модулей, выполняет и отслеживает общий алгоритм работы, содержит элементы для оперативного и постоянного сохранения данных, логически поддерживает работу передней панели блока управления, обеспечивает связь с ПЭВМ;
- МРК (модуль регулятора каналов) осуществляет основное преобразование сигналов, реализует функции гибкой обратной связи в числовом представлении, формирует управляющий сигнал для модуля сервопривода;
- МИП (модуль измерения перемещений) обеспечивает работу трансформаторного датчика перемещения;
- МВС (модуль входных сигналов) нормализует сигнал датчика давления;
- МКД (модуль концевых датчиков) обеспечивает работу концевого датчика положения плунжера.
На рис. 1 приведена схема функционального блока управления, а в таблице - его основные характеристики.
Применение модульного принципа построения имеет следующие преимущества:
- простота адаптации;
- простота при наладке и ремонте;
- возможность функционального масштабирования;
- простота и невысокая стоимость дальнейшей модернизации, что важно при эксплуатации оборудования в научных целях.
Гибкость адаптации аналитических алгоритмов к поставленным задачам позволила создать множество условий, при выполнении которых СУ принимает решение о завершении испытания и приведении плунжера в исходное положение:
- при проведении испытаний на определение прочности это скачкообразный провал нагрузки на величину более 3 %;
- при проведении испытаний на трещиностойкость это снижение нагрузки на величину более 90 % от достигнутого максимума, но не менее 10 кН;
- при проведении любых испытаний это перемещение плунжера более 100 мм и скачкообразное изменение нагрузки на величину более ±20 %, что обеспечивает условия безопасной эксплуатации оборудования.
В качестве первичного преобразователя в канале измерения нагрузки использован датчик избыточного давления. Принцип измерения нагрузки косвенный. СУ автоматически выполняет компенсацию стороннего веса и сил трения в начале каждого испытания.
В качестве первичного преобразователя в канале измерения перемещения использован индуктивный датчик трансформаторного типа. Линеаризация сигнала датчика выполняется дважды: в аналоговом виде
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
85
Рис. 1. Схема функциональная блока управления eXpert
ТАБЛИЦА. Основные характеристики системы управления eXpert
Характеристика Величина
Входной диапазон каналов измерения ±10 В
Количество каналов измерения, в том числе по типам датчиков: 5
датчик силы тензометрический (2 мВ/В) и/или датчик давления (0-5 мА) 2
датчик перемещения трансформаторный (питание SIN 5 В, F = 5 кГц) 2
датчик деформации тензометрический (2 мВ/В) 1
Разрядность АЦП измерения 16
Разрядность ЦАП управления 16
Частота измерения и управления, кГц 2
Количество сигналов в обратной связи до 4
Количество каналов управления до 4
Цена наименьшего достоверного разряда при измерении 10 е-4 от шкалы
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/3
86
Техника и технологии
модулем измерения перемещения, в цифровом виде - ЦСП. Программное обеспечение блока управления самостоятельно формирует канал измерения деформации, а именно: D = L - L где L0 - значение перемещения в момент обжатия образца, когда значения люфтов становятся пренебрежимо малы. Такой подход возможен благодаря простой конструкции силовой рамы машины и ее большой жесткости, составляющей не менее 10 МН/мм. Для большей достоверности показаний введена программная коррекция, основанная на данных реальной жесткости машины, которые были получены при обжатии жестких образцов из металла.
3 Модернизация испытательной
машины МИС-2000 К
Основной сложностью при модернизации машины стало обеспечение микронной скорости перемещения плунжера во всем диапазоне нагрузки. Установленный на машине сервопривод был рассчитан на обеспечение скоростей нагрузки от 1 до 100 кН/с при значительных утечках масла в цилиндре. Его применение для управления на малых нагрузках приводило к значительным погрешностям скорости и возникновению автоколебательных процессов. С учетом того, что расход масла прямо зависит от диаметра золотника (d), было принято решение о замене золотника сервопривода. Вместо золотника с d = 6 мм был установлен золотник диаметром 4 мм. Это позволило, не снижая рабочее давление, получить меньший коэффициент усиления сервопривода и обеспечить более точное управление расходом, а значит, и движение плунжера. Модернизированный сервопривод обеспечивает скорость движения плунжера от 10 до 500 мкм/с в диапазоне нагрузок от 0 до 2000 кН, а при управлении по нагрузке обеспечивает поддержание скорости от 0,1 до 100 кН/с. Погрешность поддержания скорости при управлении по каналам, сила и перемещение составляют менее 2 %.
Для обеспечения условий безопасности было модифицировано электрооборудова-
ние насосной станции. Были введены цепи и элементы, позволяющие использовать дистанционное выключение двигателя привода насоса. Программное обеспечение блока управления и ПЭВМ автоматически формируют команду на выключение насоса при наступлении следующих событий:
- текущая нагрузка на 5 % превысила значение переменной «автоматический останов», которую задал пользователь;
- текущая нагрузка превысила значение 2200 кН.
В интересах безопасности в программе ПЭВМ предусмотрена также возможность одновременного выключения насоса и сброса нагрузки по команде пользователя «функция аварийной кнопки “красный гриб”».
Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей испытательной машины и более рационального использования ее новых возможностей по контролю деформаций в машине была размещена дополнительная (новая) опорная плита, жестко установленная на нижней подвижной плите нагружающего устройства. Дополнительная опорная плита, имеющая дельтовидную форму, снабжена шарнирно подвижной и шарнирно неподвижной опорами. Стало возможно прикрепить к верхней неподвижной плите нагружающего устройства съемный нож. Данное устройство (рис. 2) позволяет производить испытания бетонных образцов на трещиностойкость в соответствии с требованиями [5].
Новая опорная плита спроектирована с учетом минимальных деформаций и минимального веса. Особое внимание было уде -лено дельтовидной форме дополнительной плиты, геометрические размеры которой были рассчитаны при помощи математического моделирования и метода конечных элементов. Это позволило при снижении веса конструкции обеспечить заданную жесткость. Благодаря малой толщине дополнительной плиты, конструкции опор и легкосъёмности ножа, можно проводить испытания как на сжатие, так и на трещиностойкость без демонтажа приспособления.
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
87
6
Рис. 2. Общий вид опорной плиты с установленным образцом:
1 - верхняя неподвижная плита пресса; 2 - навесной нож; 3 - нижняя подвижная плита пресса; 4 - шарнирно подвижная опора; 5 - шарнирно неподвижная опора; 6 - дополнительная плита;
7 - образец-призма
Такое решение позволяет осуществлять переход от одного вида испытания к другому за короткое время, сохранить в полном объеме оригинальную функциональность машины МИС-2000 К, включая использование приспособлений из комплекта поставки машины. На рис. 3 приведены фотографии модернизированной испытательной машины с приспособлением для испытаний на трещино стойко сть.
Заключение
Результатом предложенного технического решения [6] была модернизация серийно выпускаемой испытательной машины МИС-2000 К. Модернизированная машина по своим техническим параметрам полно -стью соответствует иностранным аналогам, но выгодно отличается от них, во-первых, стоимостными параметрами, а во-вторых,
а)
б)
Рис. 3. Модернизированная испытательная машина МИС-2000 К с приспособлением для испытаний на трещиностойкость и индуктивным датчиком перемещений: а - общий вид; б - испытание на трехточечный изгиб
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/3
88
Техника и технологии
наличием русскоязычного программного обеспечения, ориентированного на действующие в России нормы на испытания строительных материалов.
Библиографический список
1. ГОСТ 10180-90. «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». -М., 1990.
2. ГОСТ 24452-80. «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона». - М., 1980.
3. ГОСТ 18957-73. Тензометры для измерения линейных деформаций строительных ма-
териалов и конструкций. Общие технические условия. - М., 1973.
4. СП 52-101-2003. «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры». - М., 2003.
5. ГОСТ 29167-91. «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». - М., 1991.
6. Пат. на полезную модель №» 61421 Российская Федерация, МПК G01N 3/08. Машина испытательная для механических испытаний строительных материалов / А. В. Бенин, О. А. Шилов ; заявитель и патентообладатель Петербург. гос. ун-т путей сообщения. № 2006136694/22 ; заявл. 16.10.2006 ; опубл. 27.02.2007, Бюл. № 6.
УДК 536.14
В. П. Афанасьев, А. Л. Емельянов
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АККУМУЛЯТОРНОГО БОКСА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА
Эффективная работа аккумуляторных батарей в зимний период зависит от поддерживаемого в аккумуляторном боксе теплового режима. Рассмотрен расчет теплового режима аккумуляторного бокса. Представлены варианты подогрева аккумуляторных батарей: путем подогрева поступающего в бокс воздуха, использования дополнительных обогревателей. Предложены варианты изменения конструкции аккумуляторного бокса для снижения тепловых потерь.
аккумуляторный бокс, тепловой режим, приточный воздух, теплоизоляция.
Введение
В современных пассажирских вагонах используется система электроснабжения, состоящая из высоковольтного источника, дизель-генератора и аккумуляторных батарей. Высоковольтное напряжение используется во время движения поезда. Аккумуляторные батареи обеспечивают электроэнергией вагон во время движения поезда со скоростью менее 35 км/ч и во время стоянок.
Аккумуляторные батареи располагаются в специальном аккумуляторном боксе. Акку-
муляторный бокс производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод» состоит из трех секций, каждая их которых содержит 15 аккумуляторных банок. Аккумуляторные банки размещаются в пластмассовых кожухах, которые открыты для наружного воздуха. Поэтому во всех режимах работы банки сохраняют температуру, которая практически совпадает с температурой наружного воздуха. В зимний период из-за низкой температуры аккумуляторы заметно снижают свою емкость и не обеспечивают необходимого запаса электроэнергии.
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
