冷軋帶肋鋼筋應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)的研制

莫 玲，陳光明，王志虎，張韶輝，母宇淵，張 竹，彭建兵

（1.國(guó)家日用金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（成都），四川 成都 610031；2.深圳高品檢測(cè)設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518112）

0 引 言

冷軋帶肋鋼筋作為一種高效鋼材，具有強(qiáng)度高、塑性好、與砼的錨固性好等特點(diǎn)。大量試驗(yàn)表明，鋼筋在高應(yīng)力（高于松弛下限）作用下會(huì)產(chǎn)生流變，應(yīng)力將隨時(shí)間而衰減，即出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外有關(guān)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，都對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛值給出了具體規(guī)定[1-3]。該應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)在充分考慮承力結(jié)構(gòu)剛度、加載裝置及樣品夾持狀況、斷電或停電等非正常工作因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工作中的需要。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及輔助軟件

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

該應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)使用0.5級(jí)試驗(yàn)機(jī)，變形檢測(cè)控制采用GSI MercuryⅡTM1600高精度、高分辨率光柵尺傳感器。結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)應(yīng)力鋼材應(yīng)力松弛試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)展需要，具有以下特點(diǎn)：

（1）保證負(fù)荷誤差；

（2）保證試驗(yàn)時(shí)試樣長(zhǎng)度恒定；

（3）試驗(yàn)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集；

（4）通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析，建立回歸曲線；

（5）防止樣品滑移的三爪式夾具；

（6）通過(guò)更換夾具可對(duì)多種產(chǎn)品（預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼棒、鋼絞線等）進(jìn)行松弛試驗(yàn)。

試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)控制及工作原理

試樣由兩端三爪式夾具夾持，通過(guò)高精度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪減速機(jī)，同步帶輪傳動(dòng)使高精度滾珠絲桿帶動(dòng)兩端三爪式夾具往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使試樣受力拉伸。在施力過(guò)程中通過(guò)光柵尺結(jié)合伺服系統(tǒng)對(duì)試樣的變形及試驗(yàn)力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和微控，并適時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至按標(biāo)準(zhǔn)要求完成試驗(yàn)。

微機(jī)控制伺服系統(tǒng)中，負(fù)荷放大器、光碼器、伺服控制信號(hào)由傳感器傳送，由采樣器將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)對(duì)話。下位機(jī)可傳送控制參數(shù)、數(shù)據(jù)處理、曲線繪制參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)字閉環(huán)伺服控制、接收命令向上位移傳送控制數(shù)據(jù)等。電腦控制伺服系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 電腦控制伺服系統(tǒng)原理圖

1.3 輔助軟件

在軟件方面，采用MaxTest標(biāo)準(zhǔn)化模塊，該軟件通過(guò)安插于PC機(jī)的PCI插槽中的數(shù)據(jù)處理芯片與力值、變形、位移傳感器連接，對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力閉環(huán)、變形閉環(huán)、位移閉環(huán)的自動(dòng)控制。同時(shí)該軟件結(jié)合檢測(cè)設(shè)備，采用變頻方式對(duì)試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行適時(shí)采集。具體為：試驗(yàn)的前300 s按10點(diǎn)/s記錄，300 s至試驗(yàn)結(jié)束按1點(diǎn)/20 s記錄。這樣既保證了曲線的真實(shí)完整，又減小了曲線記錄的容量。

通過(guò)輔助軟件的程序設(shè)定，在試樣裝夾完成后，只需按“程控”便可按照標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。若其他產(chǎn)品試樣需設(shè)置不同的操作步驟，只需按“編輯”便可自由設(shè)置需要的程序或操作步驟，使用方便快捷。

1.3.1 工作原理

在室溫下，對(duì)試樣施加試驗(yàn)力，保持初始應(yīng)變、變形或位移恒定，測(cè)定應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系[4]?？刂葡到y(tǒng)有多個(gè)可同時(shí)工作的并行通道，每個(gè)獨(dú)立通道包括：負(fù)荷傳感器前置放大器、位移傳感器信號(hào)處理、傳感器供橋電路、濾波/陷波電路、自動(dòng)調(diào)零電路、自動(dòng)分檔電路、高速高精A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、誤差比較電路、PID調(diào)節(jié)器、控制通道切換電路、邏輯控制單元等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高精度A/D轉(zhuǎn)換器、多路采樣保持電路構(gòu)成。多路采樣保持電路構(gòu)成圖見圖3。

圖3 多路采樣保持電路構(gòu)成圖

1.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程

（1）預(yù)采樣濾波器為滿足采樣定理的要求而濾除高頻干擾；

（2）采樣器按預(yù)定的時(shí)間間隔將模擬信號(hào)離散化，再把離散子樣進(jìn)行量化與編碼變成數(shù)字信號(hào)；

（3）計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字進(jìn)行處理；

（4）處理結(jié)果由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量；

（5）經(jīng)平滑濾波器將模擬信號(hào)輸出。

試驗(yàn)時(shí)，指令信號(hào)進(jìn)入放大器，控制伺服驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)運(yùn)動(dòng)，拉伸試樣。力傳感器（或位移傳感器）測(cè)出負(fù)載力（或位移），將信號(hào)反饋給放大器和指令信號(hào)比較，形成閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制（見圖4）。反饋信號(hào)和給定信號(hào)相比較，得到誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器輸出，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)激振器。

圖4 閉環(huán)控制圖

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間的松弛率R按下式計(jì)算[5]

式中：F0——初始試驗(yàn)力；

Fr——剩余試驗(yàn)力。

（2）為了比較材料的相對(duì)松弛率，可繪制松弛率與對(duì)數(shù)時(shí)間的關(guān)系曲線。松弛率-對(duì)數(shù)時(shí)間曲線見圖5。

圖5 松弛率-對(duì)數(shù)時(shí)間曲線圖

（3）可繪制剩余試驗(yàn)力與時(shí)間（或?qū)?shù)時(shí)間）關(guān)系曲線、松弛力與時(shí)間（或?qū)?shù)時(shí)間）關(guān)系曲線。

（4）采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性回歸，推算1 000 h的應(yīng)力松弛性能。

2 設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 完善的負(fù)荷精度控制

（1）設(shè)備采用了高精度傳感器結(jié)合伺服系統(tǒng)控制齒輪減速機(jī)加載方式，減少試驗(yàn)力施加過(guò)程中力值的波動(dòng)，施力平穩(wěn)均勻。

（2）試樣的夾持上也充分考慮冷軋帶肋鋼筋樣品外形的不規(guī)則性，采用三爪夾具三面夾持，斜面收緊的方式，有效防止試樣打滑對(duì)加載過(guò)程精度的影響。三爪夾具結(jié)構(gòu)示意圖見圖6，夾具剖面示意圖見圖7。

圖6 夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 夾具剖面示意圖

2.2 有效的同軸度控制設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為防止長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不足對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響[6]，試驗(yàn)機(jī)采用四橫梁、短行程的機(jī)架設(shè)計(jì)方式。試驗(yàn)機(jī)機(jī)架圖見圖8。

圖8 試驗(yàn)機(jī)機(jī)架圖

2.2.2 試樣裝夾

為避免樣品外形不規(guī)則導(dǎo)致裝夾后軸線偏離，試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)成穿孔式裝夾方式。試樣夾具座示意圖見圖9，標(biāo)距夾頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖10。

2.2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)

三爪夾具往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于加載過(guò)程中的微小沖擊或振動(dòng)可能引起試驗(yàn)機(jī)的微量變形，產(chǎn)生同軸度偏差，從而使試驗(yàn)過(guò)程中位移形變控制出現(xiàn)偏離，因此該試驗(yàn)機(jī)在設(shè)計(jì)上充分考慮了承載能力。從圖1可以看出，在試驗(yàn)過(guò)程中，主要的受力部件由機(jī)座、橫梁和橫梁支板及夾持工裝4個(gè)部分組成。試驗(yàn)機(jī)剛度用橫梁和橫梁支板的承載能力和變形量加以衡量。

圖9 試樣夾具座示意圖

圖10 標(biāo)距夾頭結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)表1、表2的測(cè)試結(jié)果可以看出，試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)能充分保證其剛度。

表1 橫梁和橫梁支板承載能力1）

表2 不同載荷下橫梁和橫梁支板的變形量1）

2.3 精確的應(yīng)變控制配置

該試驗(yàn)機(jī)采用分辨率為0.5 μm的進(jìn)口反射式光柵尺，可以有效保證光柵尺移動(dòng)方向與試樣受力方向平行。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用量規(guī)對(duì)試樣標(biāo)定長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)將數(shù)據(jù)處理分析，再結(jié)合伺服系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)力進(jìn)行微控，確保試驗(yàn)期間試樣的應(yīng)變波動(dòng)控制在GB/T 10120《金屬應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》所規(guī)定的±5×10-6mm/mm以內(nèi)。

2.4 試驗(yàn)過(guò)程全閉環(huán)控制

該試驗(yàn)機(jī)可以適時(shí)繪制松馳力和試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線，并能反映任一時(shí)刻的松弛力與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系。放大器放大后，驅(qū)動(dòng)激振器，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)力、位移、變形的三閉環(huán)控制。

2.5 安全保護(hù)措施

為防止意外斷電或停電導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，試驗(yàn)機(jī)配置了UPS附加電源，以及相關(guān)安全防護(hù)罩等保護(hù)措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

本次研制的電子式應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)，較目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的其他應(yīng)力松弛試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，最大的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：能滿足適時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；具有防止打滑的三爪夾具、精確的負(fù)荷控制和同軸度控制；通過(guò)線性回歸分析方法，建立回歸曲線，準(zhǔn)確推算出試樣1000h松弛率值[7]，有效提高了檢測(cè)效率；同時(shí)配置了UPS電源，并在冷軋帶肋鋼筋松弛應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上拓展了檢測(cè)產(chǎn)品范圍，覆蓋了主要預(yù)應(yīng)力建筑鋼材產(chǎn)品應(yīng)力松弛試驗(yàn)[8]的檢測(cè)。

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