智能式壓力試驗機課題研究

黃偉

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

0 前言

橋梁混凝土的施工質(zhì)量是橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性的重要基礎(chǔ)保證，混凝土的軸心抗壓強度（以下簡稱抗壓強度）和彈性模量（以下簡稱彈模）是衡量橋梁混凝土質(zhì)量的重要指標。

隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，施工數(shù)據(jù)自動化采集和智能化管理已成為現(xiàn)代橋梁及預(yù)制混凝土構(gòu)件的迫切需要，傳統(tǒng)試驗方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代橋梁快速發(fā)展的要求。因此，混凝土彈性模量及抗壓強度試驗過程的自動化控制，最大程度的減少人為、設(shè)備、環(huán)境等外界因素影響，是確保混凝土試驗數(shù)據(jù)準確性、真實性和及時性的關(guān)鍵。

1 傳統(tǒng)設(shè)備弊端

現(xiàn)階段，國內(nèi)鐵路梁場混凝土彈模試驗大多數(shù)采用手動加壓設(shè)備，人工讀取壓力表示值與百分表變形量、手動操作油泵完成試驗。傳統(tǒng)設(shè)備弊病主要體現(xiàn)在如下方面：

1）試驗操作智能化水平低，試驗過程連續(xù)性差；

2）試驗人員配置多，人為因素對試驗結(jié)果影響程度高；

3）試塊對中困難，試驗周期長；

4）信息化程度低，數(shù)據(jù)及圖像無法自動采集，試驗結(jié)果無法自動處理與上傳，各級主管單位無法準確及時的對梁體產(chǎn)品質(zhì)量進行了解與掌握。

2 研發(fā)設(shè)備成果展示

為解決傳統(tǒng)設(shè)備在進行彈模試驗時存在的弊端，課題組研發(fā)出一款智能式壓力試驗機，該試驗機能夠?qū)崿F(xiàn)彈模、抗壓試驗一鍵式自動加載控制、試驗過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動采集、檢測報告自動生成。

2.1 設(shè)備主要參數(shù)

表1 設(shè)備主要參數(shù)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及研究方法

1）使用三塊千分表檢測試塊變形，將上述數(shù)學(xué)方程，研究一套快速可實時動態(tài)計算的計算機軟件算法，研究相關(guān)參數(shù)的取值，使計算的壓心偏移量具有實際的指導(dǎo)意義，確保計算的彈模更加精準。

2）研制配套的測力傳感器，多點校正數(shù)字變送器，千分表適配器，具有耐候性好，抗環(huán)境干擾能力強（如溫度，電磁等），根據(jù)系統(tǒng)的實際特點做好相應(yīng)的防護。測力傳感器要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便，有較高的精度。

3）自動對中免拆卸彈模檢測儀的研制，設(shè)計方便安裝，操作簡單對中效果好的可行方案，免拆卸方案不應(yīng)影響彈模的檢測數(shù)據(jù)。試驗完畢后，便于存放保管。

4）PLC控制系統(tǒng)為本試驗裝置的重要組成部分，編制能使工控機通過PLC實時控制變頻器的系統(tǒng)軟件，同時當(dāng)工控機和PLC通訊中斷后，PLC應(yīng)有自動保護功能，防止系統(tǒng)失控照成設(shè)備損壞等安全隱患。

5）編制具有人工智能功能的PID參數(shù)整定軟件，通過研究本試驗裝置控制因素對加載控制效果的影響，建立人工智能數(shù)學(xué)模型，利用試驗數(shù)據(jù)的累積系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力功能，使系統(tǒng)控制加載過程越使用性能越好。

6）對試塊壓碎所產(chǎn)生的劇烈震動，從多方面采取措施進行減震，吸收沖擊能量裝置的研究，通過震動的時程力學(xué)分析，研究震動的傳導(dǎo)路徑，制定有效的隔震方法和裝置，使震動的影響在最短的范圍內(nèi)衰減。

2.3 成果的主要創(chuàng)新性

1）研制設(shè)備可自動加載、自動采集試驗數(shù)據(jù)，精度符合國家標準，實現(xiàn)了一鍵式完成混凝土試塊彈模及強度試驗，自動化程度高，試驗人員配置由三人減至一人，單組彈模試驗節(jié)省60分鐘，提高功效1.5倍；

2）研發(fā)了混凝土試塊快速對中裝置，將試塊一次性對中率由50%以下提高至85%，單組彈模試塊對中時間節(jié)省20分鐘；

3）優(yōu)化了傳統(tǒng)彈模試驗兩塊千分表的檢測方法，首次提出三塊千分表檢測方法，運用專利《一種基于軸向壓力確定柱體承壓截面積偏移量的方法》檢測試塊偏移量及調(diào)整，提高了混凝土彈模試驗的精度和重現(xiàn)性；

4）研發(fā)了加載力與形變量自動采集裝置和試驗數(shù)據(jù)處理程序，實現(xiàn)了自動監(jiān)控，試驗參數(shù)、圖表自動計算分析，試驗數(shù)據(jù)可遠程傳輸至管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成管理和可視化展示；

5）研制設(shè)備一次預(yù)壓-加載試驗可達到規(guī)范要求三次預(yù)壓-加載試驗精度。

2.4 室內(nèi)試驗驗證

為了驗證智能式壓力試驗機的可靠性和適用性，課題組開展了相關(guān)室內(nèi)試驗，主要包括智能式壓力試驗機的設(shè)備控制性能試驗、荷載準確性能試驗、試驗重復(fù)性能試驗。

2.4.1 設(shè)備控制性能試驗

設(shè)備控制性能是衡量系統(tǒng)設(shè)備的軟件和硬件綜合性能的重要指標。本試驗通過智能式壓力試驗機進行自動加載和持荷，持荷時間60s，持荷結(jié)束讀取荷載力示值，重復(fù)試驗20次。試驗后，分析荷載力的實測示值與軟件預(yù)設(shè)目標值的偏差，評價智能式壓力試驗機的控制性能。實測結(jié)果如圖1，數(shù)據(jù)分析如下。

1）系統(tǒng)設(shè)備荷載力的示值與目標值的最大偏差為0.37%，小于1%，滿足設(shè)計要求。

2）不同荷載力目標值條件下，設(shè)備控制性能無明顯變化。

圖1 設(shè)備控制性能試驗示值偏差

2.4.2 荷載準確性能試驗

為驗證智能式壓力試驗機輸出荷載力的名義值與實際值的準確程度，設(shè)計了此試驗，通過分析智能式壓力試驗機系統(tǒng)示值與標準傳感器的力值偏差，可綜合反映智能式壓力試驗機系統(tǒng)的控制能力和觀測傳感器的計量性能。

本試驗使用標準傳感器進行對比試驗，通過智能式壓力試驗機逐級加載，荷載等級按照標定傳感器的力值來對觀測傳感器進行檢定，力值分別為100、300、600、900、1200、1500、1800、2000kN。

實測結(jié)果如圖2，數(shù)據(jù)分析如下：

1）智能式壓力試驗機所施加的荷載力與實際值的絕對偏差均小于0.5%，荷載準確度較高；

2）隨著試驗荷載的增大，設(shè)備示值與實際值的偏差略有減小，即荷載準確度有所升高。

圖2 載荷準確性試驗結(jié)果

2.4.3 試驗重復(fù)性能試驗

為驗證智能式壓力試驗機重復(fù)性能，設(shè)計了此試驗。同條件下，共進行10組試驗，每組試驗重復(fù)加載50次，分別計算每組試驗的標準差。通過分析試驗結(jié)果，評價智能式壓力試驗機的重復(fù)性能。

試驗重復(fù)性能的標準差δ：

qk—第k次的彈模結(jié)果；

試驗結(jié)果如圖3，試驗結(jié)果表明：

智能式壓力試驗機彈模試驗的試驗結(jié)果平均標準差δ=0.265，標準差最大值為0.292，即智能式壓力試驗機試驗重復(fù)性能較為穩(wěn)定。

圖3 重復(fù)性能試驗標準差分布

2.4.4 室內(nèi)驗證小結(jié)

對智能式壓力試驗機的室內(nèi)試驗結(jié)果進行綜合分析，結(jié)論如下：

1）設(shè)備控制性能試驗的示值偏差最大值為0.37%，小于1%，設(shè)備控制性能精確。

2）荷載準確性能試驗，系統(tǒng)荷載力與實際值的相對誤差小于0.5%，智能式壓力試驗機荷載施加準確。

3）試驗重復(fù)性能試驗，彈模重復(fù)試驗結(jié)果的最大標準差為0.292，表明智能式壓力試驗機的重復(fù)試驗性能穩(wěn)定。

2.5 新舊設(shè)備對比

現(xiàn)將新舊設(shè)備從試驗人數(shù)、試驗時間、資料整理方面三方面進行對比，對比如下：

表2 新舊設(shè)備對比

2.6 經(jīng)濟效益分析

2.6.1 直接經(jīng)濟價值方面

1）智能式壓力試驗機在進行彈模試驗時可減少兩名試驗人員配置；

2）按每天10個小時的有效工作時間計算，傳統(tǒng)設(shè)備可完成4組彈模試驗，智能式壓力試驗機可完成6-7組，提高工作效率50%。

2.6.2 間接經(jīng)濟價值方面

在提高檢測質(zhì)量，實現(xiàn)產(chǎn)品監(jiān)控等方面將給使用單位帶來巨大間接經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

研制的“智能式壓力試驗機”能夠采用先進的技術(shù)措施有效的解決傳統(tǒng)混凝土抗壓及彈模試驗存在的控制精度低、操作復(fù)雜、人為干預(yù)等外界因素對試驗數(shù)據(jù)的影響，不僅提高試驗效率、節(jié)約人力成本，而且確保了混凝土試驗數(shù)據(jù)的準確性和及時性，對混凝土質(zhì)量的評價也具有重大的現(xiàn)實意義。

“智能式壓力試驗機”實現(xiàn)了人員配置精細化、過程控制標準化、數(shù)據(jù)處理信息化，填補了高速鐵路橋梁彈模試驗自動化空白。