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. Существующие на рынке аналоги не позволяют проводить испытания при давлении в 16 атм. 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 2 параллельных домкрата с редукторами, задающими силу нагружения и закрепленными на общей траверсе. Обратная связь осуществляется через тензодатчик. В систему нагружения должен помещаться цилиндрический объект нагружения с диаметром 200 мм и высотой 280 мм между актуаторами. Использование шаговых двигателей позволит добиться синхронизации движения параллельных актуаторов, исключая перекос конструкции при ее нагружении.

Мы передали Заказчику конструкторскую документацию на систему нагружения и полнофункциональную камеру стабилометра. Сейчас мы изготавливаем систему нагружения. Ждите обновлений.

Мы передали Заказчику изготовленную камеру стабилометра и конструкторскую документацию для системы нагружения. Камера стабилометра не только выдерживает давление до 16 атм, но и обеспечивает быстрое и безопасное проведение испытаний, что делает её эффективным инструментом для анализа грунтов перед проектированием фундаментов.