Испытательный стенд для анализа грунтов

Задачей проекта было разработать лабораторный испытательный стенд для трёхосного сжатия грунтов с давлением до 16 атм, включающий камеру стабилометра и электромеханическую систему нагружения.

Заказчик обратился к нам с запросом на разработку испытательного стенда для трёхосного сжатия грунтов. Задача состояла в разработке камеры стабилометра и системы нагружения. Цель разработки – получить преимущества перед конкурентами. При этом прибор должен соответствовать международному стандарту на этот тип испытаний – ISO 3601-2. Также продуктовая команда нашего заказчика поставила задачу учесть в конструкции негативные отзывы пользователей конкурирующих решений. Они жаловались на неудобный и долгий процесс загрузки пробы грунта в приборы. Наличие на рынке конкурентов требовало от наших инженеров учитывать при разработке ограничения по стоимости производства и логистике, чтобы обеспечить работу бизнес-модели нашего Заказчика.

Камера стабилометра состоит из основания, корпуса, штока, верхнего и нижнего штампов, магистралей системы дренирования и давления, а также индикатора.

При разработке корпуса нужно было подобрать прозрачный материал, способный выдерживать нагрузку в 16 атм. Для проверки прочности материалов мы провели компьютерные симуляции, результаты которых помогли не только выбрать необходимый вариант материала, но и правильно расположить механизм фиксации. По итогам выбрали трубу из минерального стекла, так как оно оказалась прочнее других материалов, например, оргстекла.

Механизм фиксации корпуса камеры в существующих на рынке решениях обычно предполагает откручивание болтов, закрепляющих металлическую крышку на корпусе. Это делает использование устройства неудобным, так как процесс заправки камеры грунтом занимает 4–5 минут. Мы разработали и предложили использовать иное решение фиксации корпуса. Вместо стандартного болтового соединения был применён вариант, не требующий ручного инструмента, с сохранением надёжности и герметичности. После серии симуляций мы определили оптимальную геометрию и расположение запорного механизма. Наше решение позволило сократить длительность подготовки эксперимента в 2 раза. Обычная практика использования гаечных ключей при подготовке эксперимента таким образом оказалась исключена.

Одной из ключевых задач было обеспечение герметичного соединения между нижним фланцем и основанием камеры. Оно должно быть надёжным и не должно увеличивать стоимость изготовления. Разработка и апробирование нового варианта соединения решили эту задачу. Для соединения основания и фланца мы использовали схему герметизации, основанную на работе эластичного элемента в контролируемом зазоре. Такой подход надёжен при сжимающей нагрузке и не требует сложной обработки поверхностей.

Для уплотнения штока в подвижном соединении мы использовали резиновые манжеты вместо колец круглого сечения.

Ещё одной важной задачей стало надёжное крепление латексной трубки для нагружения грунта. Традиционно для подобных камер используются резиновые кольца, однако заказчик настоял на применении хомутов с защёлками. Наша команда разработала специальный хомут, так как стандартные решения не обеспечивали равномерного прилегания к трубке, что могло бы вызвать локальные деформации и нарушение герметичности.

Конструкция камеры также предусматривает возможность подключения температурного датчика через специальную гильзу.

Чтобы проверить работоспособность наших решений, мы изготовили прототип камеры стабилометра.

Как только мы завершили разработку камеры стабилометра, мы приступили к проектированию системы нагружения на базе электропривода. Устройство представляет собой два параллельных домкрата с редукторами, закрепленных на общей траверсе и создающих силу нагружения. Контроль силового воздействия осуществляется через тензодатчик. В систему нагружения должна помещаться камера трехосного сжатия не более 200 мм по диаметру и 280 мм по высоте. Использование шагового двигателя позволяет синхронизировать движение параллельных актуаторов, что позволяет не допускать перекос конструкции при ее нагружении.

Для проверки работоспособности системы мы собрали тестовый стенд и провели нагрузочные испытания до двух тонн. Силовые характеристики контролировались через тензодатчик, показания которого считывались микроконтроллером Arduino с использованием модуля оцифровки аналоговых сигналов. В процессе испытаний была выполнена калибровка датчика с использованием эталонных гирь для достижения необходимой точности измерений. Данные выводились в цифровом виде и дополнительно отображались в виде графика нагрузки во времени.

Первоначально рассматривался вариант управления шаговым двигателем напрямую через Arduino, однако на этапе тестирования мы применили генератор импульсов. Такой выбор обеспечил стабильность и предсказуемость работы системы в условиях испытаний и позволил сосредоточиться на проверке механики и силовых характеристик.

Система нагружения изготовлена как цельная сварная конструкция: после сварки мы провели механическую обработку на фрезерном станке, обеспечив точные габариты. Домкраты трапецеидальные с суммарной нагрузкой 4 тонны (по 2 тонны на каждый), что создаёт запас сверх требований Заказчика; выбор согласован и уложился в бюджет, открыв возможности для повышенных нагрузок.

Мы передали Заказчику изготовленную камеру стабилометра и систему нагружения. Испытательный стенд не только выдерживает давление до 16 атм, но и обеспечивает быстрое и безопасное проведение испытаний, что делает его эффективным инструментом для анализа грунтов перед проектированием фундаментов.