能施加动荷载的土冻融实验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种冻土实验领域的仪器，特别是一种能施加动荷载的土冻融实验系统。该实验系统由液压系统和计算机控制系统组成，液压系统由泵站、液压缸、伺服阀构成，计算机控制系统由数字控制器和检测系统两大部分构成，数字控制器采用的是ＰＣ机搭载数据采集板的构架，包括ＰＣ机、数据采集板、调理电路与人机接口，所述检测系统由位移传感器、力传感器构成；所述液压缸的活塞杆下连接在力传感器上，力传感器下接有圆形压盘，同时在液压缸与圆形压盘间设置位移传感器；同时，将泵站、伺服阀、液压缸、位移传感器、力传感器与试件放入冷柜中。通过本发明专利技术的技术方案可以对冻土试件施加动荷载，以准确模拟列车通过时冻土各项力学指标的变化情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冻土试验领域的仪器，特别是一种能施加动荷载的土冻融实验系统。它通过给土样施加正弦力或方波形式的力来模拟不同条件下高速列车运行情况，测试 在不同温度下土的冻结特性。
技术介绍
随着我国经济的快速发展，既有线铁路的提速和高速铁路新建蓬勃发展。在中国 的西北、华北和东北地区，由于土冻结作用所带来的路基冻胀、融沉等问题已经严重地威胁 了高速列车运行的安全。因此，通过实验研究高速列车动荷载作用下土的冻结特性，从而分 析路基土的冻胀、融沉病害产生的原因，研究冻害的防治措施，对冻土区高速铁路路基的修 建、提速有重要的理论指导意义。 为了达到良好的模拟效果，提高实验的的精度，土冻结实验需要一个性能与可靠 性较高的实验设备。为了能真实模拟出高速列车对路基土施加的压力，要求实验装置能够 对冻土试件施加幅值和频率可调的动态力，并且要有较高的力加载精度与位移采集精度。 由于实验时间持续时间为72小时，实验中室温相对较低，对实验设备的可靠性要求也很 高。可以说，实验设备的性能与可靠性直接影响到土冻结实验的研究价值。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能施加动载荷的土冻融实验系统，以准确模拟并研究在 高速列车运行情况下，土的冻结特性。 本专利技术的技术方案是一种能施加动荷载的土冻融实验系统，其特征在于，所述实 验系统由液压系统和计算机控制系统组成；所述液压系统由泵站、液压缸、伺服阀三部分组 成；计算机控制系统由数字控制器和检测系统两部分构成；所述数字控制器采用的是PC机 搭载数据采集板的构架，包括PC机、数据采集板、调理电路与人机接口 ，考虑到系统的可靠 性，前放电路、功放电路、调理电路及电源均放置在一个控制箱中，PC机与控制箱通过电缆 连接；数据采集板选用ISA总线的采集板，数字控制器负责对采集信号进行处理、通过控制 算法得到控制信号并输出给执行机构；所述检测系统由位移传感器、力传感器构成；所述 液压缸的活塞杆与力传感器相连接，力传感器下连接有圆形压盘，圆形压盘的表面与土样 的表面完全一致并密切接触，位移传感器设置在液压缸与圆形压盘之间；所述计算机控制 系统通过力传感器土样所承受的压力并与给定值比较后输出控制信号来控制伺服阀，液压 系统通过伺服阀控制液压缸活塞杆的位置，以调节土样所承受的压力；位移传感器用来采 集土样的变形量；实验时，将泵站、伺服阀、液压缸、位移传感器、力传感器与土样均放在低 温室中进行。 伺服阀的空载流量为20L/min，泵站输出功率为1KW。 所述泵站由恒压变量泵、电机、控制功能元件和辅助装置构成，电机带动恒压变量 泵及控制元件实现对液压缸的加载，恒压变量泵的最高工作压力是5MPa，正常工作压力是2. 5MPa。 所述恒压变量泵选用叶片泵，其最大流量是20. 16L，所述电机的功率为1. 5KW，转 速是1440r/min。 所述液压缸为非对称缸，该非对称缸活塞直径为40mm，活塞杆直径为28mm，行程 为150mm。 所述力传感器选用SPX-2型力传感器。所述数据采集卡为研华PCL-818数据采集卡，其为ISA总线、16通道、100KHz采样速率。 所述圆形压盘直径为15cm。 该专利技术的有益效果是 (1)通过以上技术方案，可以对土样施加动荷载，以准确模拟高速列车运行过程中 土的冻结特性； (2)将泵站、伺服阀、液压缸、力传感器与土样放入低温室中可模拟大气环境温度， 同时也解决了泵站的散热问题； (3)力传感器下的圆形压盘表面与冻土试件的表面完全一致，可以保证压力均匀 地加载到土样上； (4)液压缸选用非对称缸可以节约空间，并降低制造程本。 附图说明 图1是能施加动荷载的土冻融实验系统框图； 图2是液压系统构成图； 图3是液压泵站结构图； 图4是数字控制系统组成结构图； 图5是软件层次结构图。具体实施例方式能施加动荷载的土冻融实验系统，由液压系统和计算机控制系统组成；液压系统 主要由伺服阀、液压缸、泵站组成。液压系统的设计就是根据系统的技术要求，运用液压系 统动力机构的优化设计方法对液压系统进行设计计算，得到液压系统各组成部分的性能指 标，最终确定液压系统各组成部分的型号。 以能耗最小为指标进行液压动力机构的优化设计。若泵站的供油压力为Ps，泵站 输出流量为Qs，则阀控系统的输出功率为Ns = PSQS。所谓耗能最小即在满足负载需要的前 提下Ns为最小。当Ps固定后，即指Qs最小。如果忽略泵、阀之间的流量损失，则Qs也即是 伺服阀空载时的最大流量QM，简称空载流量。因此以耗能最小为指标的优化设计问题就归 结为寻找满足负载需要的最小的伺服阀空载流量QM。 液压泵站包括恒压变量泵、电机、控制功能元件和辅助装置等部分，恒压变量泵的 最高工作压力是5MPa，正常工作压力是2. 5MPa。伺服阀的空载流量为20L/min。泵站的输 出功率为1KW。这里我们选用叶片泵，其最大流量是20. 16L。电机的功率为1.5KW，转速是 1440r/min。 根据液压动力机构的优化设计，伺服阀的空载流量为20L/min，同时为了防止伺服 阀堵塞，最终选用了航天部生产的SFL222型偏导射流伺服阀。它的标准额定流量是20L/ min，内泄漏小于2L/min，幅频宽大于80Hz，额定电流10mA，线圈电阻为550±50Q 。显然这 样的参数足以满足系统的要求。 非对称缸具有油缸加工、密封比较简单，节约空间，制造成本较低等优点，因此在 本系统中选用非对称缸。根据设计计算，最终确定非对称缸活塞直径为40mm，活塞杆直径为 28mm，行程150mm。 计算机控制系统由数字控制器与检测系统两部分构成。 数字控制器采用的是PC机搭载数据采集板的构架。它主要包括PC机、数据采集 板、调理电路与人机接口。考虑到系统的可靠性，前放电路、功放电路、调理电路及电源均放 置在一个控制箱中，PC机与控制箱通过电缆连接。考虑到成本因素，采用了 PC机而没有用 工控机，因为选用了 ISA总线的采集卡，所以要求PC机主板带有ISA插槽。数字控制器主 要负责对采集信号进行处理、通过控制算法得到控制信号并输出给执行机构。检测系统包 括位移传感器与力传感器。检测系统主要用于采集位置信号与力信号。 数字控制器主要由以下几部分组成 >主控器带有ISA插槽的普通PC机。(Pin800Hz/256M/20G); >数据采集卡研华PCL-818数据采集卡(ISA总线，16通道，lOOKHz采样速率)； >偏置电路由于PCL-818的输出电压范围为0 5V，但控制伺服阀的电流需要-10mA 10mA，即需要给功率放大电路输入_2. 5V 2. 5V电压，这样就要通过偏置电路将采集卡输入的0 5V的电压转换为-2. 5V 2. 5V电压； >前置放大电路实现电压信号的放大； >功率放大电路把电压信号转换成电流信号来控制伺服阀； >交流变直流稳压电源将220V交流电转换为+5V、 +12V、 -12V直流电，为电路板及传感器供电。 对于工业控制与采集系统来说，ISA (Industry Standard Architecture)总线是 一个非常经济实用的实现方案，ISA总线的8MHz主频也能满足大部分机电控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能施加动荷载的土冻融实验系统，其特征在于，所述实验系统由液压系统和计算机控制系统组成；　　　　所述液压系统由泵站、液压缸、伺服阀三部分组成；　　　　计算机控制系统由数字控制器和检测系统两部分构成；　　　　所述数字控制器采用的是ＰＣ机搭载数据采集板的构架，包括ＰＣ机、数据采集板、调理电路与人机接口，考虑到系统的可靠性，前放电路、功放电路、调理电路及电源均放置在一个控制箱中，ＰＣ机与控制箱通过电缆连接；数据采集板选用ＩＳＡ总线的采集板，数字控制器负责对采集信号进行处理、通过控制算法得到控制信号并输出给执行机构；　　　　所述检测系统由位移传感器、力传感器构成；所述液压缸的活塞杆与力传感器相连接，力传感器下连接有圆形压盘，圆形压盘的表面与土样的表面完全一致并密切接触，位移传感器设置在液压缸与圆形压盘之间；　　　　所述计算机控制系统通过力传感器土样所承受的压力并与给定值比较后输出控制信号来控制伺服阀，液压系统通过伺服阀控制液压缸活塞杆的位置，以调节土样所承受的压力；位移传感器用来采集土样的变形量；　　　　实验时，将泵站、伺服阀、液压缸、位移传感器、力传感器与土样均放在低温室中进行。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建坤，田亚护，李长春，彭丽云，钱春香，
申请(专利权)人：刘建坤，田亚护，李长春，彭丽云，钱春香，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]