智能式压力试验机课题研究

黄伟

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

0 前言

桥梁混凝土的施工质量是桥梁结构安全和耐久性的重要基础保证，混凝土的轴心抗压强度（以下简称抗压强度）和弹性模量（以下简称弹模）是衡量桥梁混凝土质量的重要指标。

随着信息化和网络技术的发展，施工数据自动化采集和智能化管理已成为现代桥梁及预制混凝土构件的迫切需要，传统试验方式已不能适应现代桥梁快速发展的要求。因此，混凝土弹性模量及抗压强度试验过程的自动化控制，最大程度的减少人为、设备、环境等外界因素影响，是确保混凝土试验数据准确性、真实性和及时性的关键。

1 传统设备弊端

现阶段，国内铁路梁场混凝土弹模试验大多数采用手动加压设备，人工读取压力表示值与百分表变形量、手动操作油泵完成试验。传统设备弊病主要体现在如下方面：

1）试验操作智能化水平低，试验过程连续性差；

2）试验人员配置多，人为因素对试验结果影响程度高；

3）试块对中困难，试验周期长；

4）信息化程度低，数据及图像无法自动采集，试验结果无法自动处理与上传，各级主管单位无法准确及时的对梁体产品质量进行了解与掌握。

2 研发设备成果展示

为解决传统设备在进行弹模试验时存在的弊端，课题组研发出一款智能式压力试验机，该试验机能够实现弹模、抗压试验一键式自动加载控制、试验过程监控、数据自动采集、检测报告自动生成。

2.1 设备主要参数

表1 设备主要参数

2.2 关键技术及研究方法

1）使用三块千分表检测试块变形，将上述数学方程，研究一套快速可实时动态计算的计算机软件算法，研究相关参数的取值，使计算的压心偏移量具有实际的指导意义，确保计算的弹模更加精准。

2）研制配套的测力传感器，多点校正数字变送器，千分表适配器，具有耐候性好，抗环境干扰能力强（如温度，电磁等），根据系统的实际特点做好相应的防护。测力传感器要求结构简单，安装使用方便，有较高的精度。

3）自动对中免拆卸弹模检测仪的研制，设计方便安装，操作简单对中效果好的可行方案，免拆卸方案不应影响弹模的检测数据。试验完毕后，便于存放保管。

4）PLC控制系统为本试验装置的重要组成部分，编制能使工控机通过PLC实时控制变频器的系统软件，同时当工控机和PLC通讯中断后，PLC应有自动保护功能，防止系统失控照成设备损坏等安全隐患。

5）编制具有人工智能功能的PID参数整定软件，通过研究本试验装置控制因素对加载控制效果的影响，建立人工智能数学模型，利用试验数据的累积系统具有自学习能力功能，使系统控制加载过程越使用性能越好。

6）对试块压碎所产生的剧烈震动，从多方面采取措施进行减震，吸收冲击能量装置的研究，通过震动的时程力学分析，研究震动的传导路径，制定有效的隔震方法和装置，使震动的影响在最短的范围内衰减。

2.3 成果的主要创新性

1）研制设备可自动加载、自动采集试验数据，精度符合国家标准，实现了一键式完成混凝土试块弹模及强度试验，自动化程度高，试验人员配置由三人减至一人，单组弹模试验节省60分钟，提高功效1.5倍；

2）研发了混凝土试块快速对中装置，将试块一次性对中率由50%以下提高至85%，单组弹模试块对中时间节省20分钟；

3）优化了传统弹模试验两块千分表的检测方法，首次提出三块千分表检测方法，运用专利《一种基于轴向压力确定柱体承压截面积偏移量的方法》检测试块偏移量及调整，提高了混凝土弹模试验的精度和重现性；

4）研发了加载力与形变量自动采集装置和试验数据处理程序，实现了自动监控，试验参数、图表自动计算分析，试验数据可远程传输至管理平台，实现数据的集成管理和可视化展示；

5）研制设备一次预压-加载试验可达到规范要求三次预压-加载试验精度。

2.4 室内试验验证

为了验证智能式压力试验机的可靠性和适用性，课题组开展了相关室内试验，主要包括智能式压力试验机的设备控制性能试验、荷载准确性能试验、试验重复性能试验。

2.4.1 设备控制性能试验

设备控制性能是衡量系统设备的软件和硬件综合性能的重要指标。本试验通过智能式压力试验机进行自动加载和持荷，持荷时间60s，持荷结束读取荷载力示值，重复试验20次。试验后，分析荷载力的实测示值与软件预设目标值的偏差，评价智能式压力试验机的控制性能。实测结果如图1，数据分析如下。

1）系统设备荷载力的示值与目标值的最大偏差为0.37%，小于1%，满足设计要求。

2）不同荷载力目标值条件下，设备控制性能无明显变化。

图1 设备控制性能试验示值偏差

2.4.2 荷载准确性能试验

为验证智能式压力试验机输出荷载力的名义值与实际值的准确程度，设计了此试验，通过分析智能式压力试验机系统示值与标准传感器的力值偏差，可综合反映智能式压力试验机系统的控制能力和观测传感器的计量性能。

本试验使用标准传感器进行对比试验，通过智能式压力试验机逐级加载，荷载等级按照标定传感器的力值来对观测传感器进行检定，力值分别为100、300、600、900、1200、1500、1800、2000kN。

实测结果如图2，数据分析如下：

1）智能式压力试验机所施加的荷载力与实际值的绝对偏差均小于0.5%，荷载准确度较高；

2）随着试验荷载的增大，设备示值与实际值的偏差略有减小，即荷载准确度有所升高。

图2 载荷准确性试验结果

2.4.3 试验重复性能试验

为验证智能式压力试验机重复性能，设计了此试验。同条件下，共进行10组试验，每组试验重复加载50次，分别计算每组试验的标准差。通过分析试验结果，评价智能式压力试验机的重复性能。

试验重复性能的标准差δ：

qk—第k次的弹模结果；

试验结果如图3，试验结果表明：

智能式压力试验机弹模试验的试验结果平均标准差δ=0.265，标准差最大值为0.292，即智能式压力试验机试验重复性能较为稳定。

图3 重复性能试验标准差分布

2.4.4 室内验证小结

对智能式压力试验机的室内试验结果进行综合分析，结论如下：

1）设备控制性能试验的示值偏差最大值为0.37%，小于1%，设备控制性能精确。

2）荷载准确性能试验，系统荷载力与实际值的相对误差小于0.5%，智能式压力试验机荷载施加准确。

3）试验重复性能试验，弹模重复试验结果的最大标准差为0.292，表明智能式压力试验机的重复试验性能稳定。

2.5 新旧设备对比

现将新旧设备从试验人数、试验时间、资料整理方面三方面进行对比，对比如下：

表2 新旧设备对比

2.6 经济效益分析

2.6.1 直接经济价值方面

1）智能式压力试验机在进行弹模试验时可减少两名试验人员配置；

2）按每天10个小时的有效工作时间计算，传统设备可完成4组弹模试验，智能式压力试验机可完成6-7组，提高工作效率50%。

2.6.2 间接经济价值方面

在提高检测质量，实现产品监控等方面将给使用单位带来巨大间接经济效益。

3 结语

研制的“智能式压力试验机”能够采用先进的技术措施有效的解决传统混凝土抗压及弹模试验存在的控制精度低、操作复杂、人为干预等外界因素对试验数据的影响，不仅提高试验效率、节约人力成本，而且确保了混凝土试验数据的准确性和及时性，对混凝土质量的评价也具有重大的现实意义。

“智能式压力试验机”实现了人员配置精细化、过程控制标准化、数据处理信息化，填补了高速铁路桥梁弹模试验自动化空白。