橡胶支座力学性能指标自动测试系统的研究

究

橡胶支座力学性能指标自动测试系统的研究 刁传苏

(安徽省公路工程检测中心,安徽合肥230022)

摘要:橡胶支座力学性能指标自动测试系统的研究,填补了国内在大吨位桥用橡胶支座综合力学性能检测手段中的一项空白.

该系统具有压力大,功能强,精度高,双机联动检测范围广,自动化程度高,操作简便,安全可靠及结构紧凑等优点,克服了传统的

测试方法精度低,人工劳动强度大及劳动效率不高的缺点,为大吨位桥梁橡胶支座的产品质量检验及桥梁建设安全起到了积极的 作用,具有较好的经济及社会效益. 关键词:橡胶支座;力学性能指标;自动测试

中图分类号:U441.5文献标识码:A文章编号:1671-4857(2005)02-0142-03 1橡胶支座测试系统现状

支座是桥梁结构中的重要部件,其主要功能是将 上部结构的各种荷载传递给墩台,并能适应上部结构 的荷载,温度变化及混凝土收缩等各种因素所产生的 变形,使上部结构的实际受力情况符合规范和设计要 求.国内桥梁橡胶支座厂家及有关试验检测机构,仅 能进行5000kN压力以下橡胶支座部分指标的检测, 且均采用传统的检测手段(千斤顶及机械百分表), 精度低及劳动强度大,劳动效率也不高,对大于 5000kN压力的支座检测尚属空白.因此,有必要研 究大吨位桥梁橡胶支座自动测试系统. 2设计思路

本研究主要目的是解决桥梁橡胶支座力学性能

指标的检测,其主要检测指标有:①抗压弹性模量 检验E.②极限抗压强度检验.③抗剪弹性模量 检验G.④容许剪切角检验Ot.⑤摩擦系数检验. ⑥允许转角检验0-43.⑦千斤顶标定.

根据交通部行业标准的有关规定要求,当支座极 限抗压强度为70MPa(圆形为75MPa)的最大值时,相 应的被测支座成品尺寸不得超过400ITIITI,250mm× 550inlYl,300n'wflx450n'wfl及350mm)<400mm等. 本系统由两部分组成.硬件部分主要包括组合 式多功能干吨液压试验机(ZDYE.10000),液压控制, 电气控制及输出设备等;软件部分主要包括数据采 集,分析处理及图表输出等.

加载设备设计由2台5000kN立柱式压力机组 成,分别为固定及移动2种.拆分后,每台可独立进 行5000kN以下的力学试验,在其上,下座体之间加 装上下横梁及附件,组成10000kN的大吨位压力 机.被检桥梁支座放置上下横梁中心部位,由液压工 作站,通过2台5000kN液压缸给下横梁两端施加 正压力,从而作用于被检工件,进行极限压强等指标 的试验检测.

垂直动作的液压缸活塞与下横梁连接处,设有球 形支座,使主动力的传递合理,活塞受力均匀.该设 备选用压力传感器,位移传感器及相应的微机控制显 示记录仪表,与机械部分构成机电一体化结构形式, 从而保证测试结果准确,快速及直观. 3主要结构校核计算 3.1横梁校核

上,下横梁为主要受力部件,受力状况相同,结构 尺寸如图1所示.

收稿日期:2004-一u一02;修改日期:2005—02—22

作者简介:刁传苏(1965一),男,安徽霍山人,安徽省公路工程检测中心工程师 1422005年第19卷第2期《工程建设与档案》 5000kN5000kN l,Ir l!

图1横梁结构尺寸

材料:铸钢件ZG45(GB5767—85),热处理:正火

处理.查设计手册得力学指标标准:.>t310MPa, h

>1570MPa,E.:2×10Pa[.试件在橡胶支座为 0400内均布载荷,可按集中载荷受力计算. A点拉应力为O\"A=(1) A点挠度为fm=PL/48EJ(2)

其中,为危险截面弯矩;Y/2为离中性轴距离;J为 截面惯性矩,J=J.+. 2[+lb(b— l一一 b27540 cm 4

.,2:2×:18522cm4

由(1)式得O\"A=141.7MPa,安

全系数K=一4,满足设计要求.由(2)式得: fJA 0.41mm.

对轴许用挠度,[Y]=(0.O0O3～0.0005)f-4., Z=1250mm.因该梁仅用于加荷,梁变形不影响装

配,取中间值0.0004,故[Y]=0.5mm>fm,挠度满 足要求. 3.2铰链轴校核 材料为40Cr,100× 600,热处理尺≥38.铰链轴 受力分布,如图2所示. 查设计手册得:[]= 1200MPa;承压力P= 50O0kN;承压面积S= 50ookN 几丁玎 t±土iiiii 50ookN

图2铰链轴受力分布 60000mm.应力和安全系数为 =

号=一83MPa ==.5 0'6j

铰链轴设计满足安全要求. 3.3丝杠立柱校核

主要承受拉应力部件,如图3所示. IJII Illl\"NIlI 3300

图3丝杠立柱外形尺寸示意

材料采用d=150inln的40Cr钢(GB3077.88), 热处理为调质,R=28～32.查设计手册得:≥ 1000MPa,≥800MPa.采用梯形螺纹,牙高￡=

积小为15614.5mm.

(1)拉应力校核.拉应力=一80MPa,考虑 ^)小

淬透f生影响,取较小值为800MPa.工程上一般构 件取安全系数叼=1.2～2.0,材料许用应力[]= ./.,取=1.5,则[]=530MPa,因实际拉应力 远小于[],因此强度满足要求.

(2)螺杆强度校核.当螺杆停止转动处于静态 加荷时,承受最大拉应力,根据立柱工作图纸,该立柱 危险断面发生在螺杆部分,因此以螺杆小径进行强度 校核.

当量应力d=4p/(d,),其中,P为工作载荷; d3为螺纹小径.当P=1250kN,d=141mm时, d=80MPa.

螺杆螺母材料均为40Cr调质处理,材料屈服应 力=440～500MPa.查得材料许用拉应力[]= (0.2～0.33),取安全系数为0.25,则[]=0.25×

(3)计算切应力r.螺杆r=p/(bn),螺母 r=p(Dbn).其中,P为工作载荷;d,为螺纹小径; D为外螺纹大径;b为螺牙根部宽度,梯形b= 0.55P,P为螺距;n为螺母旋合圈数,n=螺母长度/ 螺距=L/P.

代人相关参数,得:螺杆r=34.2MPa;螺母r= 32.1MPa.

[r]>r,螺牙剪切强度满足要求. (4)计算螺牙弯曲应力.螺杆=3pH./ (3bn);螺母=3pH1/(,rrD4bn).其中,P为工

作载荷;为螺纹小径;D为外螺纹大径;b为螺牙 根部宽度,梯形b=0.55P,P为螺距;n为螺母旋合圈 数,n=螺母长度/螺距;H为螺纹工作高度,梯形螺 纹Hl=0.5P.

根据前面分析,代人参数P=1250kN,d= 141mm,D4:.

150mm,b=0.55×8=4.4mm,1=

4mm,得:螺杆=93.3MPa;螺母=87.8MPa. 查得许用弯曲应力,[]=(1.0～1.2)[]= 足要求.

2005年第19卷第2期《m程建设与档案》l43

3.4螺母校核

主要承受轴向力P=5000/4=1250kN,螺母外 径D=220mm,内螺纹为M50×8,材料为40Cr,调质 R=28～32.则端面抗压强度为 0.,

将参数代人(3)式,得 :— 61.4MPu一

0.25丌f220一150)～.\" ::16.4 01.4

满足设计安全要求. 4数据采集与分析处理软件

为了提高系统的自动化操作程度,第二阶段的主 要工作是开发自动化操作系统软件.系统软件主要 包括数据采集,控制,分析处理及图表输出等,由操作

控制,数据采集处理及检验标定3个模块组成,可控 制主机加载,卸载及补载(保压),并具有传感器自校 功能.

要求能程序化自动进行机械操作,并完成桥梁橡 胶支座各项力学性能指标的测试,数据采集,输出及 分析处理.

由于每个试验的输入,输出参数有较大区别,因 此决定每个试验采用自己独立的界面,这样可排除试 验界面混乱的缺点.

考虑整个软件为一台机器服务,因此增加了一个 总的启动界面,在启动界面中设置一个试验方法选择 菜单,选中需要的试验程序后,原试验界面隐藏,新试 验界面显示.

试验力,变形等参数采用组态仪表方式显示,具 有醒目的特点,便于操作人员随时掌握试验进度,具 体数据及读数标定.

为对试验整个过程进行监控,每个界面均用较大 位置显示力一应变,应力一时间等各种曲线.为便于 试样性能分析,曲线操作应具有曲线切换,实时数据 曲线再现及曲线放大等必要功能.

在数据采集方面,充分发挥C语言操控硬件的 能力,采用多线程技术增加控制安全性和实时性,对 数据进行滤波处理,有效去除粗大误差对结果的影 响.数据管理采用数据库方式,便于数据保存与交 换.报表功能采用模板方式,一次性生成模板,每次 1442005年第19卷第2期《工程建设与档案》 新的试验数据采用填表方式,一方面方便了用户,另 一

方面降低用户更改报表格式时软件工作量.

为增加软件维护性,采用自行开发的中间件,整 个软件模块化,便于升级改进.

(1)本软件利用微机及数据处理技术,电子传感 器技术与单片机控制技术,可实现10000kN以下桥 梁支座各个指标的自动测试,并能标定10000kN以 下千斤顶.

软件设计为菜单形式,可根据操作需要选择测试 项目,数据输出图文并茂.

(2)整个系统软件是一个闭环控制系统,有良好 的电器控制及软件控制,克服了液压保压困难,加载 速率控制及加载瞬间的过冲现象.

(3)本系统软件克服静摩擦与滑动摩擦力的区 别困难,能采集瞬时最大的静摩擦力. (4)本系统软件具有传感器自我校正功能. (5)本系统软件具有安全自锁功能,确保运行安 全可靠. 5结束语

本系统满足文献[1]要求,适用于桥梁橡胶支座 综合力学性能的自动检测,特别是大吨位极限指标的 检测;同时,本系统还适用于千斤顶的标定工作.已 进行310多组橡胶支座及80多台千斤顶的检测和标 定工作,证明检测精度高,自动化程度好,且安全可 靠,工作稳定,不易损坏.

本系统解决了大吨位橡胶支座力学性能指标无法 检测的问题,尤其是大吨位橡胶支座的极限抗压指标, 应用范围广,测量准确,系统精度较高,检测参数齐全, 功能多样,可以对桥梁橡胶支座力学性能指标进行全 面的质量检测控制,还可以应用在铁路,市政建设及质 量技术监督等领域专业试验检测机构以及橡胶支座专

业生产厂,具有良好的经济效益和社会效益. [参考文献]

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