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伺服試驗機加載及控制測試
為了驗證各個加載系統以及控制系統等的能力和精度,首先對伺服試驗機的軸向、扭轉分別單獨進行測試,再選擇復雜加載路徑,考察伺服試驗機各個方向聯合加載的能力和控制精度。測試所使用的試樣均是由粗粒土分層擊實制成。
1.軸向加載
測試過程中保持扭矩T=0、內圍壓Pi=1 010 kPa、外圍壓Po=991.7 kPa、孔壓u=500 kPa。在力控的條件下,軸向力以Fz=8.86 kN為平衡位置,進行振幅2 kN、頻率f=0.005 Hz(準靜態)的正弦變化。這相當于試樣的三個主應力分別為θθ=900 kPa、σr=1 000 kPa、σz=(900±204) kPa。
觀察軸向力的實測值與目標值之間的關系(圖5)。從圖5(a)中可以看到,在軸向力控條件下,軸向力的實測值與目標值非常接近,二者幾乎重合在一起。從圖5(b)中可以看到,軸向力實測值偏離目標值的大波動不超過30 N,軸向力的控制精度能夠滿足試驗要求。
同樣在保持扭矩、內外圍壓以及孔壓與之前相同的條件下,采用軸向變形控制模式,軸向變形s以0為平衡位置,做振幅為2 mm、頻率f=0.005 Hz的正弦變化,得到軸向變形的實測值與目標值之間的關系。從圖6(a)中看到,軸向變形控制的精度非常高,在準靜態條件下實測值與目標值幾乎完全一致;圖6(b)也表明,試驗過程中軸向變形的實測值和目標值之間的誤差不超過0.006 mm,這樣的精度足夠滿足試驗要求。
2.扭矩加載
保持軸向力Fz=8.86 kN,內圍壓Pi=1 010 kPa、外圍壓Po=991.7 kPa、孔壓u=500 kPa,扭矩在力控的條件下,以T=-0.2 kN·m為平衡位置,0.1 kN·m為振幅,做頻率f=0.005 Hz的正弦變化。在準靜態測試中得到扭矩實測值與目標值之間的關系曲線如圖7所示。從圖7(a)中可以看到二者幾乎完全重合。從圖7(b)中可以看到在扭矩控制條件下,實測值與目標值之間的偏差不超過±3 N·m,這表明扭矩控制的精度能夠滿足試驗要求。
同樣在上述試驗條件下,使用扭轉方向角度控制模式,讓扭轉角度以0°為平衡位置,2°為振幅,進行頻率f=0.005 Hz的正弦運動。得到如圖8所示
的扭轉角度實測值與目標值的對比曲線。從圖8(a)中可以看到,這二者基本完全重合。而圖8(b)表明,扭轉角度實測值與目標值之間的控制偏差大只有0.001 5°,這說明本伺服試驗機扭轉角度控制精度很高,完全達到試驗要求。
3.聯合加載
為了檢驗伺服試驗機各個方向聯合加載能力以及整體伺服控制精度,進行了純應力主軸往返循環旋轉試驗。在試驗過程中始終保持土體單元的主應力分別為σ1=1 500 kPa、σ2=1 200 kPa、σ3=900 kPa,孔壓u=500 kPa,此時有效主應力σ1'=1 000 kPa、σ2'=700 kPa、σ3'=400 kPa。然后讓大主應力和小主應力在二者所在平面內,以初始位置為中心,±60°為幅值進行往返循環旋轉,而中主應力方向始終保持不變。試驗通過控制程序中預先編好的應力主軸往返旋轉試驗模塊進行。在該模塊中,扭轉方向采用角度控制,軸向力和內外圍壓的控制目標值根據實時采集的扭矩值計算得到,而孔壓始終保持不變。
試驗得到的扭矩、軸向力、內外圍壓以及孔壓的時程曲線如圖9(a)、(b)所示。從圖中看出,各個物理量的試驗曲線都很平滑,波動非常小,在試驗要求范圍內。另外,由于應力主軸在一定角度范圍內往返旋轉,故扭矩、軸力和內外圍壓也在加載達到某個值之后開始折返,且折返出現的時刻都完全一致。由于應力主軸往返旋轉角度幅值超過了45°,故一個周期內扭矩出現了多次折返。圖9(c)給出了該試驗在偏應力平面上的應力路徑,表現為一個半徑為300 kPa、角度為240°,且關于水平坐標軸對稱的圓弧。可以看到,在每次扭轉反向時,應力路徑略微地偏離了圓弧,這主要是由土體本身的變形性質所引起的。而在應力路徑圓弧的某些位置也出現了一些細微的波動,但這些波動均在試驗允許的誤差范圍內。所以綜合上述試驗和測試結果可以認為,該伺服試驗機的各項功能都達到了預期,完全能夠滿足試驗要求。
3 結論
本文設計和研制成功了一臺大型多自由度智能控制空心圓柱扭剪儀。該空心圓柱扭剪儀具有以下功能和特點:
(1) 試樣尺寸大,高度可達600 mm,且可根據試驗需求更換不同大小的試樣及相匹配的傳感器;
(2) 加載自由度多,可獨立施加軸力、扭矩、內壓、外壓、孔壓及相應的位移,實現了共五個自由度的自由控制,從而拓寬了可施加的應力路徑的范圍;
(3) 控制智能化,可先將擬進行的應力路徑或應變路徑寫入程序,試驗過程中由計算機自動控制。
測試結果表明,該伺服試驗機的控制精度能夠滿足土工材料試驗的要求。
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