桥梁钢结构疲劳试验系统研制.pdf

第14卷第2期
中国工程机械学报
Vo].14No.2
2016年4月
CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
Apr.2016
桥梁钢结构疲劳试验系统研制
徐新明,卞永明,侯震霞,宁晓贤
(同济大学机械与能源工程学院,上海201804)
摘要:疲劳是影响钢结构耐久性的主要因素之一,为了避免钢结构桥梁发生疲劳破坏,必须在设计阶段就对疲
劳问题进行细致研究.针对桥梁钢结构疲劳试验系统进行研究,介绍了伺服振动疲劳试验系统的基本组成(机械
结构组成液压系统组成)电控系统组成及工作原理,并建立数学模型进行分析.同时应用 AMESIM软件对系统
进行仿真,得出系统的PID( Proportion Integration Differentiation)调节方法,最后对系统进行试验,验证伺服控
制在钢结构疲劳试验系统中的应用
关键词:压力控制;PID控制;伺服控制; AMIESIM仿真;疲劳试验
中图分类号:TP271.4
文献标志码:A
文章编号:1672-5581(2016)02-0174-07
Fatigue testing on steel bridge structures
XU Xin-ming, BLAN Yomg-ming, HOU Zhen-aia, NING Xia0-aian
(School of Mechanical Engineering, Tong i University, Shanghai 201804, China)
Abstract Due that the fatigue is one of the major impact factors on steel structure durability, the detailed
investigation should be conducted on fatigue testing system during design stage to avoid fatigue breakage
the servo vibration fatigue testing system comprises the mechanical, hydraulic and electrical control
components. By establishing the mathematical models and applying the AMESIMTM for system simulation
a system PID adjustment method is postulated. Therefore, it is verified from system testing that the servo
con trol can be effectively employed for fatigue testing on steel structures
Key words: pressure control; PID control; servo control; AMESIM simulation; fatigue testing
本试验装置主要用于桥梁钢结构的疲劳测
试.疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下,在1系统组成与工作原理
某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定
循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完1.1机械结构
全断裂的现象.无论是机械结构还是建筑结构,
本系统主要由3部分组成:机械结构,电控系
疲劳损伤都会带来或大或小的经济损失,轻则只统以及液压系统.其中机械结构主要包括振动执行
需要更换特定部件,重则会给人身财产安全带来机构以及外围框架组成
成胁
外围框架主要由钢结构焊接而成,对整个系统
目前疲芳试验机虽然已经有了广泛的应用,但起固定支承作用,振动执行结构主要是工作油缸,
是对于大吨位大行程的试验机的研制却很少?,本油缸为双出杆,其中一端活塞杆用来加载,另一端
文主要针对大吨位大行程的桥梁钢结构疲劳试验安装行程传感器,其结构如图1所示
机进行研制,为大吨位大行程的疲劳试验机研制提
安装完成后,疲劳试验系统试验装置照片如图
供一定的试验和理论依据
2所示.
作者简介:徐新明(1982-),男,博土生.E-mail:Fengping14@163.com
万方数据
第2期
徐新明,等:桥梁钢结枃疲劳试验系统硏制
变,从而实现油缸活塞杆的往复运动;7为振动液压
缸,是实现钢结构的疲劳测试执行机构
系统工作原理:①首先在程序中设定两个载荷
极限值压力值,一个为最低载荷目标值,一个为最
高载荷目标值.②同时油缸两腔都装有油压传感
器,程序设定为:传感器将采集到的油压信号送入
主控制器PLC( Programmable Logic Comtroller),
PLC将两腔压力进行差值计算,如果差值达到设定
图1加载油缸模型
Fig 1 Model of load cylinder
最高载荷目标值,则PLC会发出伺服阀换向信号
改变油液流向,使活塞换向,此时高压腔压力降低,
当压力差降低到设定最低载荷目标值时,PLC会再
次发出伺服阀换向信号,改变油液流向,使得活塞
杆运动方向改变,跟初始运动方向一致,完成一个
工作循环.之后程序自动按照这种方式运行,使油
缸往复运动,形成振动
1.3电控部分
电控系统是实现系统动作的至关重要的环节,
本系统中采用了派芬控制器PEC2023作为控制
图2疲劳试验系统试验装置照片
系统的主控单元,其控制思路如图4所示
Pig. 2 Picture of fatigue test system experiment devi
阀芯位移反馈
1.2液压部分
PL?伺服放大器
ー伺服阅油缸
位移/压力反馈
图4控制系统示意图
Fig 4 Schematic diagram of control system
试
试
样
样
电控系统主要包括24V开关电源、派芬PLC
执行油缸
控制器EPEC2O23、伺服放大器、油压传感器、行程
传感器等.系统采用PILC发出PWM( Pulse- Width
6何服
Modulation)信号,转换为电压信号发送给伺服放大
器,控制伺服的阀芯位置,即伺服阀的开口大小;
4精滤器令
同时通过油压传感器采集油缸两腔的压力信号,通
过行程传感器检测活塞杆位移
の3泵5滥流阅
2粗滤器
2系统数学模型
1油箱
2.1系统各环节的数学模型
图3液压系统原理图
系统各环节的数学模型如下4-
Fig 3 Schematic diagram of hydraulic system
(1)偏差电压信号为
本系统液压原理图如图3所示?图中,1为油式中:U。为偏差电压信号;U,为期望输出电压信
箱,用于储存油液;2为粗滤油器,滤去油液中较大号;U1为压力传感器电压信号.
颗粒的杂质;3为定量液压泵,为系统源源不断地提
(2)压力传感器方程为
供油液;4为精滤器,进一步过滤液压油;5为系统
Ui= KPPL
安全溢流阀;6为伺服阀,是整个系统的控制核心