大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统技术方案

本发明专利技术涉及大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，属于模拟岩土结构工程的外部荷载施加技术领域；该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一个多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。本系统可满足实际科研、工程中对具有保载稳压功能、精确施加长期荷载的自动化岩土结构模型试验伺服加载系统的迫切需求。

【技术实现步骤摘要】
大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统
本专利技术属于模拟岩土结构工程的外部荷载施加
；特别涉及大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统。
技术介绍
在岩石工程中，物理模型试验既有模拟工程实际结构受力变形特点，又能近似模拟岩体内部的断层、错动带等复杂地质缺陷对工程稳定性的影响，克服了数值模拟难以逾越的非连续、非线性、非均质难题，因此其在水利、采矿、隧道等工程中有着极其重要的作用并得到了广泛的应用，例如我国的大中型拱坝基本都做过物理模型试验。在岩石工程的物理模型试验中，如何准确模拟结构受到的外荷载一直是物理模型试验的难点，这直接关系到模型试验模拟的准确性，传统的模型试验简单的使用多个千斤顶模拟外荷载的施加过程，下面以高拱坝模型试验中给上游坝面施加水荷载为例说明这种情况。坝面水荷载为三角形分布的面荷载，国内外科研机构普遍采用的坝面水荷载模拟方法是将上游坝面分为数十块区域，根据区域的模拟水深、坝面面力作用面积等计算出每块区域的水荷载大小、荷载作用中心，每块区域使用一个千斤顶模拟水荷载，区域的水荷载作用中心为千斤顶的作用中心，模拟的水荷载合力为千斤顶的作用合力；试验中，千斤顶与上游坝面尽量紧密接触，千斤顶按照出力大小的不同近似分为5-7组出力值，每组千斤顶均与相应的多路分油器连接，用精密压力表来监测多路分油器内部油压，手动或自动控制油压的增大或减少以控制千斤顶的出力荷载。综上，国内外的传统施加面荷载方法比较粗糙，不能实时监控物理模型实际受到的荷载情况并实现伺服加载；而且由于管壁摩擦等的作用，千斤顶的实际出力普遍小于设计值。同时，近年来岩土材料流变模拟在岩石工程中扮演着愈加重要的角色，未来会有更多需要长期(1-3个月)持续施加稳定荷载的物理模型试验以模拟岩石工程长期运行稳定性，而传统的千斤顶加载在长时间施加荷载时可能会出现荷载松弛的情况，这些都一定程度上制约着岩石工程物理模型试验的发展，不能满足实际工程与科研迫切需求。综上，实际工程与科研中对研制一种具有保载稳压功能、精确施加荷载的大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统有着迫切的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服传统加载方法存在的缺陷，提出一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，本系统可满足实际科研、工程中对具有保载稳压功能、精确施加长期荷载的自动化岩土结构模型试验伺服加载系统的迫切需求。本专利技术提出的一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，其特征在于，该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一路多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。本专利技术系统的特点及有益效果：本系统在施加荷载过程具有多点加载(最多有106个加载点)，加载过程实时可控，长期持续加载稳定，加载变化迅速、精度高等的特点，可显著降低模型实验中的人力物力消耗，提高实验的精确度：(1)本系统由106个双作用油缸组成(可进一步扩展)，通过控制程序对各双作用油缸出力/位移进行自动控制，出力变化范围较大；配有油缸缸壁摩擦消除功能，使加载力的精度较高，误差小于1％。(2)本系统具有良好的交互操作界面，实现实验全过程自动控制，避免手动加载操作引起的失误或误差，且可以对交互操作界面进行二次开发。(3)本系统采用双作用油缸，每组油缸可以实现加载、卸载伺服控制，且考虑了缸壁摩擦力对实际荷载出力的影响，使实际荷载量值更准确。(4)本系统采用双路恒压泵站等措施保证设备节能环保，且工作过程噪音较小。(5)本系统持续工作时间长，可以保证荷载持续稳定施加3个月以上(实验过程中压力损失最大幅度小于1％)，方便岩土结构模型的长期稳定性试验使用。(6)本系统的每个加载通道都可以独立工作，各通道间也可以按设定模式协同工作。(7)本系统具有良好的安全保护装置与液压泵冷却系统，且可有效降低突然停电或自动控制失效等意外情况下对试验过程的影响。本系统不只局限于岩石工程的模型试验领域，且可在航空航天、土木、机械等需要施加面荷载的物理模型试验中使用。特别适用于物理模型实验中需要施加长期稳定荷载的流变试验。附图说明图1为本专利技术系统总体组成示意图；图2为本专利技术系统的液压系统连接示意图；图3为本专利技术系统的多路分油器结构示意图；图4为本专利技术的伺服控制系统连接示意图；图5为本专利技术系统的泵站控制箱的连接关系框图；图6为本专利技术系统的泵站控制箱的工作流程示意图；图7为本专利技术系统的油路控制箱的连接关系框图；图8为本专利技术系统的油路控制箱的工作流程框图。具体实施方式本专利技术提出的大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统结合附图及实施例详细说明：本系统包括由双作用油缸、加载动力源、多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统。如图1所示，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连。本系统的上述各部分的实施例组成及功能详细说明如下：1、液压系统由加载动力源、15组双作用油缸、15组多路分油器组成，每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一组多路分油器，如图2所示，各部分的连接关系为：加载动力源通过多路通道与各组多路分油器串联，一个多路分油器与本组的所有双作用油缸串联；各组多路分油器之间为并联，每组多路分油器对应的所有双作用油缸之间为并联。液压系统各组成部分组成详细说明如下：1.1、双作用油缸：本系统选用双作用油缸以满足自动加载和卸载的使用要求。系统合计共有106个双作用油缸；各双作用油缸分15组，每组双作用油缸组成一个通道，即15个通道。组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。每个双作用油缸内带有外置式位移传感器；外置式位移传感器为电子尺(niiko)品牌，KTC-550型号。同组内的双作用油缸共安装一个电液伺服阀以对组内的所有双作用油缸进行控制；电液伺服阀采用美国MOOG公司生产的D633R16KD1M1VSS2型号，额定流量63L/min，工作压力20MPa，该电液伺服阀采用直动式电液伺服技术，用来控制液流的开启、停止和方向。伺服控制系统通过外置式位移传感器收到位移反馈结果，进而通过控制电液伺服阀而控制双作用油缸的位移。在完成静荷载加载的同时，也可以通过外置式位移传感器和电液伺服阀共同作用模拟震动荷载。双作用油缸行程在200mm～300mm之间，具体双作用油缸特性与数量见表1。根据双作用油缸的出力要求和标准的缸径，由公式P＝F/S(P、F、S分别为双作用油缸加载时缸内的油压、表面加载压力，双作用油缸缸内的受压面积)计算出加载时缸内的油压；双作用油缸数量及相应的出力与行程参数见表2。双作用油缸的尺寸及密封采用国际标准制作，以避免双作用油缸的密封配件采购及使用的麻烦。表1双作用油缸最大行程和数量统计表表2双作用油缸的加载通道数量及相应的出力与尺寸参数表本专利技术提出了基于最小二乘法的双作用油缸摩擦力消除控制方法，并实现了对缸壁摩擦力的自动“消除”。传统的加载设备忽略了双作用油缸或千斤顶与其内壁之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，其特征在于，该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一路多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。

【技术特征摘要】
1.一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，其特征在于，该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一路多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置；所述加载动力源由主动力源、手动补压系统两部分构成，主动力源与手动补压系统为并联连接；所述主动力源采用双路恒压泵站，双路恒压泵站主要包括低压泵组、高压泵组、油箱加热器、管式单向阀、板式连接高压比例溢流阀、板式连接低压比例溢流阀、设有旁通阀和压差发讯装置的高/低压油滤模块、油压传感器、耐震压力表、双金属温度计；其中：油箱加热器安装在低压泵组和高压泵组的液压油箱上；双金属温度计测量段置于油箱内；管式单向阀安装在双路恒压泵站的低压泵组和高压泵组的出口管路中；板式连接高压/低压比例溢流阀分别安装在高压泵组与低压泵组的出口处；高/低压油滤模块分别安装在高压泵组与低压泵组的高压输出端的不同等级压力管路中，在输出端的压力管路，高/低压油滤模块还设有旁通阀和压差发讯装置；每个泵组有2只油压传感器，其中一只位于板式连接高压/低压比例溢流阀后，监测板式连接高压/低压比例溢流阀出口的压力；另一只在多路分油器上，监测主油路模块的压力；耐震压力表安装在板式连接高压/低压比例溢流阀的出口处；所述手动补压系统由与每组多路分油器相连的通道中安装的快关阀门与手动补压泵组成，以满足临时停电或伺服控制系统失效情况下不间断试验的需要。2.如权利要求1所述的伺服加载系统，其特征在于，每个所述双作用油缸带有外置式位移传感器；同组内的双作用油缸共安装一个电液伺服阀以对组内的所有双作用油缸进行控制。3.如权利要求1所述的伺服加载系统，其特征在于，所述多路分油器包括主油路模块、伺服比例减压阀、三位四通电磁换向阀、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表、电液伺服阀、液压锁；主油路模块为一个安装模块，用于安装伺服比例减压阀、三位四通电磁换向阀、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表的位置，并实现液压控制的功能，各部件的具体连接关系为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘耀儒，杨强，程立，潘元炜，吕庆超，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11