模型试验数控加压系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种模型试验数控加压系统及其控制方法，包括分压控制部分，加压执行部分和可视化人机交互界面部分。分压控制部分包括压力检测单元，中央控制单元和控制输出单元。加压执行部分包括各种控制阀门和加压千斤顶。可视化人机交互界面部分包括加载软件系统和工业计算机系统。数字式加压控制部分通过可视化人机交互界面输入加压指令，分压控制部分将获得的压力信息处理转换成电信号后输入加压执行部分，进行荷载的输出。同时分压控制系统对输出荷载进行动态监测并反馈到可视化人机交互界面系统进行实时显示、存储和调整。模型试验数控加压系统及其控制方法可在水电、交通、能源、资源和国防工程领域的地下工程模型试验中实现模型加载的数字化、可视化和智能化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，尤其是一种可在水电、交通、能源、资源和国防工程领域的地下工程模型试验中实现模型加载的数字化、可视化和智 能化的数字式加压控制系统及其控制方法。
技术介绍
目前在水电、交通、能源、资源和国防工程领域的地下工程中，随着埋藏深度的增 加，深部洞室岩体在高地应力条件下，洞室围岩的结构、力学特性和工程响应出现了分区破 裂、大变形、冲击破坏等一系列新的特征科学现象，针对这些特征科学现象，一方面要借助 理论研究，另一方面，更多地要借助模型试验手段进行研究。要进行模型试验，就必须具备 高效、安全、稳定、方便的模型加载系统，目前国内相关模型试验加载控制系统的研究现状 如下 (1)《武汉水力电力大学学报》1992年第5期介绍了一种平面应力液压加载控制 系统，由压力盒，气压泵、管路、压力表组成，试验时由气泵控制压力逐级加载或卸载。其加 载系统采用人工手动控制，无法进行数字式控压加载，也不能提供系统加载的人机交互式 操作。 (2)《岩石力学与工程学报》2004年第3期介绍了一种岩土工程多功能模拟实验 装置，该装置在模型相对两边分别施加垂直和水平地应力，其加载采用人工手动控制，无法 进行数字式控压加载，也不能提供系统加载的人机交互式操作。 (3)《水利学报》2002第5期介绍了一种离散化三维多主应力面加载试验系统，主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶加荷器和空气压縮机组成。其加载采用人工手动控制，无法进行数字式控压加载，也不能提供系统加载的人机交互式操作。 (4)《岩石力学与工程学报》2004年第21期介绍了一种平面应变巷道模型加载控制系统，其加载采用机械控制，无法进行数字式控压加载，也不能提供系统加载的人机交互式操作。 (5)《地下空间》2004第4期介绍了一种公路隧道结构与围岩综合实验加载系统， 该系统采用液压千斤顶在模型试件外部加载以模拟上覆岩土层自重应力，用内置千斤顶及 位移计模拟开挖体应力响应及位移变化。其加载采用机械控制，无法进行数字式控压加载， 也不能提供系统加载的人机交互式操作。 (6)《土木工程学报》2005年第12期，以及申请号为200510045291. 7的中国专利 介绍了一种新型岩土地质力学模型试验系统，其加载采用液压机械控制，无法进行数字式 控压加载，也不能提供系统加载的人机交互式操作。 (7)申请号为200810016641. 0的中国专利公开了一种高地应力真三维加载模型试验系统，其包括液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统。该液压控制系统为人工手动操作，无法进行数字式控压加载，也不能进行系统加载的人机交互式操作。 (8)申请号为200910020538. 8的中国专利公开了一种三维梯度非均匀加载结构模型试验装置，包括台形梯度非均匀加载装置和加载反力装置，加载反力装置与设于其内 部的台形梯度非均匀加载装置连接，台形梯度非均匀加载装置的台形梯度加载模块紧贴于 试验模型的表面，其没有介绍具体的加压控制方式。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种实现模型试验加载的数字化、可视化和智能化的加压控制系统及其控制方法。 为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案 —种模型试验数控加压系统，其包括分压控制部分，加压执行部分和可视化人机 交互界面部分，所述三部分通过线路依次连接。通过可视化人机交互界面部分输入加载指 令，分压控制部分将获得的加载指令处理转换成电信号后输入加压执行部分，并将动态监 测到的系统压力值反馈给可视化人机交互界面部分实时显示并记录存储，操作人员借此可 动态观察模型的加压状况。 所述分压控制部分由压力检测单元、中央控制单元和压力输出单元组成。压力检 测单元和压力输出单元分别与中央控制单元连接，压力检测单元为八个并联的压力变送 器，压力变送器分别接在加压执行系统的各分油路减压阀与千斤顶之间。压力变送器负责 实时量测油路内的压力值，并将压力值转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元，中央 控制单元将这些压力值转化为数字信号后在可视化人机交互界面系统上实时显示和存储。 中央控制单元将预先编制好的程序存储在中央控制单元的内存中，通过中央控制单元下达 系统加载的各种指令。中央控制单元将在可视化人机交互界面系统上输入的压力值转化处 理成电信号后输入到压力输出单元。压力输出单元包括继电器和三位四通电磁换向阀，压 力输出单元通过继电器控制加压执行系统的液压泵的启动停止和电磁阀的加压卸载，以此 来实现对加压执行系统的控制。 所述加压执行部分包括设置于加压控制台内的通过油路依次连接的油箱、滤油 器、液压泵、单向阀、分流器、溢流阀、减压阀和三位四通电磁换向阀，油路经三位四通电磁 换向阀通过高压油管与千斤顶连接。液压油由油箱经滤油器、液压泵、单向阀、分流器、减压 阀和三位四通换向阀进入千斤顶，在单向阀和分流器之间并联Y型溢流阀来调节液压泵供 油压力，使多余液压油经溢流阀流回油箱。 所述可视化人机交互界面部分实现系统加载的人机交互操作。操作人员通过可视 化人机交互界面系统下达各种指令，并通过中央控制单元实现对油路系统的加压、卸载。中 央控制单元转换的系统压力值将在可视化人机交互界面上实时显示，同时将压力曲线存储 在存储器中。 模型试验数控加压系统的控制方法如下 操作人员通过人机界面交互操作系统13输入设计荷载值，操作系统下达指令到 中央控制单元(可编程控制器plc) 15，中央控制单元(可编程控制器plc) 15将数字信号 转换为电信号，通过继电器控制油泵启动和电磁换向阀开启，此时液压油经过滤器2泵入 油路，液压油通过防止回油的单向阀5后进入溢流阀7。溢流阀7起定压溢流作用和安全 保护作用。液压油分流后进入八个分油路。在每一个分油路中进入减压阀9与三位四通 电磁换向阀8。减压阀9起削峰填谷的作用，它将加载过程中油路中不稳定的出油量控4制平稳，使得加压出力稳定。每一个三位四通电磁换向阀8实现对一个油路压力的控制与 调节，三位四通电磁换向阀的响应时间小于50mS。八个压力变送器(精度0.5%，量程 0-40MPa)接在八个分油路上，实时动态监测各分油路压力值变化，压力变化时的系统响应 时间为100mS。压力变送器将压力值转换为电信号后通过电气线路传给中央控制单元(可 编程控制器plc) 15，中央控制单元(可编程控制器plc) 15将该信号转换为数字信号后在人 机交互界面操作系统13上显示。数字信号的采集精度为12位。压力变动历史由工业计算 机13自动记录。通过这一整套控制系统，将实现8个油路的独立加载，从而实现对实验模 型的三维梯度非均匀加载。 本专利技术与国内外同类型的加载控制系统相比具有如下显著的技术优势 (1)通过数字控压加载，克服了以往完全靠人工手动或液压机械进行模型加载的缺点，提高了加压的精准度，实现了模型试验加载的数字化、可视化和智能化。(2)通过分压控制，实现模型试验的非均匀加载。(3)有效保证加压过程中油路的长期稳压，实现模型体受力的长期稳定。(4)通过程序控制的人机交互界面系统，方便操作人员实时动态观察和调整系统压力，达到简单、方便、直观、高效进行模型加压、卸载的目的。 (5)该系统可广泛应用于水电、交通、能源、资源、国防等工程领域的结构模型试验 研究，应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模型试验数控加压系统，其特征在于：包括分压控制部分、加压执行部分和可视化人机交互界面部分，所述三个部分通过线路依次连接；通过可视化人机交互界面部分输入加载指令，分压控制部分将获得的加载指令处理转换成电信号后输入加压执行部分，分压控制部分动态监测系统压力变化并反馈给可视化人机交互界面部分实时显示并记录存储，操作人员借此可动态观察模型的加压过程。

【技术特征摘要】
一种模型试验数控加压系统，其特征在于包括分压控制部分、加压执行部分和可视化人机交互界面部分，所述三个部分通过线路依次连接；通过可视化人机交互界面部分输入加载指令，分压控制部分将获得的加载指令处理转换成电信号后输入加压执行部分，分压控制部分动态监测系统压力变化并反馈给可视化人机交互界面部分实时显示并记录存储，操作人员借此可动态观察模型的加压过程。2. 根据权利要求1所述的模型试验数控加压系统，其特征在于所述分压控制部分由 压力检测单元、中央控制单元和压力输出单元组成，压力检测单元和压力输出单元分别与 中央控制单元连接；压力检测单元为八个并联的压力变送器，压力变送器分别接在加压执 行部分的各分油路减压阀与千斤顶之间；压力变送器负责实时量测油路内的压力值，并将 压力值转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元，中央控制单元将这些压力值转化为数 字信号后在可视化人机交互界面部分上实时显示和存储；中央控制单元将预先编制好的程 序存储在中央控制单元的内存中，通过中央控制单元下达系统加载的各种指令；中央控制 单元将在可视化人机交互界面部分上输入的压力值转化处理成电信号后输入到压力输出 单元；压力输出单元包括继电器和三位四通电磁换向阀；压力输出单元通过继电器控制加 压执行系统液压泵的启动停止和电磁阀的加压卸载，以此来实现对加压执行系统的控制。3. 根据权利要求1所述的模型试验数控加压系统，其特征在于所述加压执行部分包 括设置于加压控制台内的通过油路依次连接的油箱、滤油器、液压泵、单向阀、分流器、溢流 阀、减压...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强勇，李术才，贾超，陈旭光，刘健，张宁，刘德军，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]