專利名稱：適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在礦山、能源、水電、交通、國防等巖土工程技術領域，尤其涉及巖土工程相似模型試驗中實現(xiàn)對模型高精度加卸載伺服控制的一種適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)。
背景技術：
目前在水電、交通、能源、資源和國防工程領域的地下工程中，隨著埋藏深度的增加，深部洞室?guī)r體在高地應力條件下，洞室圍巖的結構、力學特性和工程響應出現(xiàn)了分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的特征科學現(xiàn)象，針對這些特征科學現(xiàn)象，一方面要借助理論研究，另一方面，更多地要借助模型試驗手段進行研究。要進行模型試驗，就必須具備高效、安全、穩(wěn)定、方便的模型加載系統(tǒng)，目前國內(nèi)相關模型試驗加載控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下(I)《武漢水力電力大學學報》1992年第5期介紹了一種平面應力液壓加載控制系統(tǒng)，由壓力盒，氣壓泵、管路、壓力表組成，試驗時由氣泵控制壓力逐級加載或卸載。其加載系統(tǒng)采用人工手動控制，無法進行數(shù)字式控壓加載，也不能提供系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(2)《巖石力學與工程學報》2004年第3期介紹了一種巖土工程多功能模擬實驗裝置，該裝置在模型相對兩邊分別施加垂直和水平地應力，其加載采用人工手動控制，無法進行數(shù)字式控壓加載，也不能提供系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(3)《水利學報》2002第5期介紹了一種離散化三維多主應力面加載試驗系統(tǒng)，主要由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂加荷器和空氣壓縮機組成。其加載采用人工手動控制，無法進行數(shù)字式控壓加載，也不能提供系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(4)《巖石力學與工程學報》2004年第21期介紹了一種平面應變巷道模型加載控制系統(tǒng)，其加載采用機械控制，無法進行數(shù)字式控壓加載，也不能提供系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(5)《地下空間》2004第4期介紹了一種公路隧道結構與圍巖綜合實驗加載系統(tǒng)， 該系統(tǒng)采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重應力，用內(nèi)置千斤頂及位移計模擬開挖體應力響應及位移變化。其加載采用機械控制，無法進行數(shù)字式控壓加載， 也不能提供系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(6)《土木工程學報》2005年第12期，以及申請?zhí)枮?00510045291. 7的中國專利介紹了一種新型巖土地質力學模型試驗系統(tǒng)，其加載采用液壓機械控制，無法進行數(shù)字式控壓加載，也不能提供系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(7)申請?zhí)枮?00810016641. 0的中國專利公開了一種高地應力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，其包括液壓控制系統(tǒng)、高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)。該液壓控制系統(tǒng)為人工手動操作，無法進行數(shù)字式控壓加載，也不能進行系統(tǒng)加載的人機交互式操作。(8)申請?zhí)枮?00910020538. 8的中國專利公開了一種三維梯度非均勻加載結構模型試驗裝置，包括臺形梯度非均勻加載裝置和加載反力裝置，加載反力裝置與設于其內(nèi)部的臺形梯度非均勻加載裝置連接，臺形梯度非均勻加載裝置的臺形梯度加載模塊緊貼于試驗模型的表面，其沒有介紹具體的加壓控制方式。(9)申請?zhí)枮?00910256022. 3的中國專利公開了一種模型試驗數(shù)控加壓系統(tǒng)及其控制方法，控制方法包括分壓控制部分，加壓執(zhí)行部分和可視化人機交互界面部分。分壓控制部分包括壓力檢測單元，中央控制單元和控制輸出單元。加壓執(zhí)行部分包括各種控制閥門和加壓千斤頂?？梢暬藱C交互界面部分包括加載軟件系統(tǒng)和工業(yè)計算機系統(tǒng)。在地下工程模型試驗中實現(xiàn)模型加載的數(shù)字化、可視化和智能化。但不能實現(xiàn)逐級卸載，同時加載精度和長時保壓效果不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術存在的地下工程模型試驗中不能實現(xiàn)逐級卸載，加卸載精度和長時保壓效果不理想的問題；提供一種適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)；采用模塊化分油路設計，總油路采用電液比例溢流閥控制壓力， 各分油路采用可控電磁單向閥和三位四通電磁閥實現(xiàn)與總油路的聯(lián)通與斷開，實現(xiàn)各分油路的設定壓力，實現(xiàn)了模型試驗加載和卸載的計算機伺服智能高精度控制。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案一種適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，包括液壓站，加卸載控制系統(tǒng)，總油路，至少一路分油路，液壓站與總油路連接，總油路和各分油路之間采用連接管路連接，每一路分油路與分流閥和雙作用油缸連接，加卸載控制系統(tǒng)分別與控制液壓站、總油路和各分油路連接，加卸載控制系統(tǒng)通過操作計算機軟件，對液壓站、總油路和各分油路進行高精度液壓加卸載伺服控制。所述液壓站包括油箱、濾油器、電機、柱塞泵。加卸載控制系統(tǒng)通過控制電機的啟?？刂埔簤赫镜墓ぷ?。所述加卸載控制系統(tǒng)是人機交互窗口，包括相連接的計算機、中央控制單元PLC、 系統(tǒng)控制操作軟件和中間繼電器。所述中央控制單元PLC采集總路和各分路壓力變送器信號并傳遞給計算機以供顯示和存儲，同時根據(jù)系統(tǒng)控制操作軟件的操作設定接受計算機的指令，驅動中間繼電器動作,控制電機、電-液比例溢流閥、可控電磁單向閥或三位四通電磁閥產(chǎn)生相應動作。所述總油路包括連接的電-液比例溢流閥、總路蓄能器、總路壓力變送器，總路壓力變送器將檢測到的總路壓力信號傳遞給中央控制單元PLC。電-液比例溢流閥能精確控制總油路的壓力；總路蓄能器能存儲系統(tǒng)總路壓力，保證壓力平穩(wěn)。所述分油路包括連接的可控電磁單向閥、三位四通電磁閥、分路蓄能器和分路壓力變送器，分路壓力變送器負責將檢測到的分路壓力信號傳遞給中央控制單元PLC。可控電磁單向閥可實現(xiàn)電控開閉，當閉合時僅允許向分路進油，當打開時允許分路向總路回油；三位四通電磁閥控制分油路聯(lián)通方式，實現(xiàn)換向操作；分路蓄能器負責儲存分油路壓力，保證分油路壓力平穩(wěn)。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明的總油路上依次安裝有油箱、濾油器、電機、柱塞泵、 電-液比例溢流閥、總路蓄能器和總路壓力變送器。電-液比例溢流閥負責精確控制總油路壓力；總路蓄能器負責儲存總油路壓力；總路壓力變送器負責監(jiān)測總油路壓力。分路采用模塊化設計，每一分油路上依次安裝有可控電磁單向閥、三位四通電磁閥、分路蓄能器、 分路壓力變送器?？煽仉姶艈蜗蜷y可實現(xiàn)電控開閉，允許回油；三位四通電磁閥控制分油路聯(lián)通方式，實現(xiàn)換向操作；分路蓄能器負責儲存分油路壓力；分路壓力變送器負責監(jiān)測分油路壓力。計算機、中央控制單元PLC、系統(tǒng)控制操作軟件和中間繼電器組成人機交互控制操作單元。系統(tǒng)控制操作軟件實現(xiàn)各分路壓力設定、顯示和壓力加卸載時程曲線實時顯示及存儲等功能；中央控制單元PLC通過監(jiān)測總路和各分路壓力控制中間繼電器動作，從而精確控制電機、電-液比例溢流閥、可控電磁單向閥和三位四通電磁閥等動作，直到達到各分路設定壓力。工作過程中，當對采用本發(fā)明的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)對試驗模型進行加載時，操作人員通過系統(tǒng)控制操作軟件輸入各個分路的加載壓力值，系統(tǒng)控制操作軟件將操作信號由計算機傳遞給中央控制單元PLC，中央控制單元PLC將數(shù)字信號轉換為電信號，通過中間繼電器控制電機啟動和電-液比例溢流閥的行為，精確控制總油路內(nèi)的壓力依次達到每一分路設定的壓力值，同時依次控制每一分路的可控電磁單向閥閉合和三位四通電磁閥打開，使某一分路與總路聯(lián)通，當分路壓力變送器和總路壓力變送器監(jiān)測到的壓力值相同并穩(wěn)定后，三位四通電磁閥關閉，使該分路與總路斷開。每一分路重復上述加載步驟，直到所有分路均達到設定壓力值，進入保壓狀態(tài)，電機停止。保壓時，各分路蓄能器11起到壓力補充的作用，大大延長了保壓時間。當采用本發(fā)明的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)對試驗模型進行逐級卸載時，操作人員通過系統(tǒng)控制操作軟件輸入需要卸載分路的卸載后壓力值，系統(tǒng)控制操作軟件將操作信號由計算機傳遞給中央控制單元PLC，中央控制單元PLC將數(shù)字信號轉換為電信號，通過中間繼電器控制電機啟動和電-液比例溢流閥的行為，精確控制總油路內(nèi)的壓力依次達到卸載分路設定的卸載后壓力值，此時控制該卸載分路的可控電磁單向閥打開和三位四通電磁閥打開，使該分路與總路聯(lián)通，此時，分路的壓力大于總路壓力，分路內(nèi)的液壓油將會通過三位四通電磁閥和可控電磁單向閥倒流向總路，當分路壓力變送器和總路壓力變送器監(jiān)測到的壓力值相同并穩(wěn)定后，可控電磁單向閥和三位四通電磁閥關閉，使該分路與總路斷開，此時該分路就成功卸載到設定壓力值并保壓。因此，發(fā)明的適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)了計算機自動控制的高精度逐級加載和卸載， 能實時顯示并保存試驗加卸載全過程時程曲線,大大簡化了試驗加載過程,提高了加載精度，延長了保壓時間。本發(fā)明的有益效果(I)采用計算機和控制操作軟件作為人機交互界面，通過操作軟件設定各分油路液壓系統(tǒng)壓力參數(shù)值，中央控制單元PLC根據(jù)計算機指令控制總油路和各分油路的液壓加載和卸載，實現(xiàn)逐級超載和逐級卸載全過程試驗。(2)控制操作軟件界面友好，實現(xiàn)了模型試驗加載和卸載過程的智能自動伺服控制，實時顯示并保存各分油路加卸載壓力時程曲線。(3)該系統(tǒng)采用模塊化設計，采用總油路精確伺服壓力控制，可控電磁單向閥、三位四通電磁閥控制各分油路依次與總油路聯(lián)通，分油路壓力與總油路壓力一致時斷開；實現(xiàn)通過總油路壓力精確控制達到各分油路壓力精確控制的目的。(4)該系統(tǒng)操作簡單方便、直觀高效，通過分油路壓力控制，實現(xiàn)對試驗模型的非均勻加卸載和長時間穩(wěn)定保壓，總路和分路蓄能器的采用增加了保壓時間，降低了保壓能耗。(5)該系統(tǒng)僅在總油路上采用電液伺服溢流閥，大大降低了造價，節(jié)省了資金。(6)該系統(tǒng)可廣泛應用于礦山、能源、水電、交通、國防等巖土工程領域的相似模型試驗中，實現(xiàn)對模型高精度加卸載伺服控制，應用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。


圖I是本發(fā)明多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)原理示意圖圖中，I.油箱，2.濾油器，3.電機，4.柱塞泵，5.電-液比例溢流閥，6.總路蓄能器，7.總路壓力變送器，8.連接管路，9.可控電磁單向閥，10.三位四通電磁閥，11.分路蓄能器，12.分路壓力變送器，13.分流閥，14.雙作用液壓油缸，15.第I油路，16.第II油路， 17.計算機，18.中央控制單元PLC，19.系統(tǒng)控制操作軟件，20中間繼電器。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。一種適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，包括液壓站，加卸載控制系統(tǒng)，總油路，分油路，分油路包括第I油路15，第II油路16，液壓站與總油路連接， 總油路和第I油路15，第II油路16之間采用連接管路8連接，第I油路15，第II油路16 與分流閥13和雙作用油缸14連接，加卸載控制系統(tǒng)分別與控制液壓站、總油路和第I油路 15，第II油路16連接，加卸載控制系統(tǒng)通過操作計算機軟件，對液壓站、總油路和第I油路 15，第II油路16進行高精度液壓加卸載伺服控制。所述液壓站包括油箱I、濾油器2、電機3、柱塞泵4。加卸載控制系統(tǒng)通過控制電機3的啟停控制液壓站的工作。所述加卸載控制系統(tǒng)是人機交互窗口，包括相連接的計算機17、中央控制單元PLC18、系統(tǒng)控制操作軟件 19和中間繼電器20。所述中央控制單元PLC18采集總路和各分路壓力變送器信號并傳遞給計算機以供顯示和存儲，同時根據(jù)系統(tǒng)控制操作軟件19的操作設定接受計算機17的指令，驅動中間繼電器20動作，控制電機2、電-液比例溢流閥5、可控電磁單向閥9或三位四通電磁閥10產(chǎn)生相應動作。所述總油路包括連接的電-液比例溢流閥5、總路蓄能器6、總路壓力變送器7，總路壓力變送器7將檢測到的總路壓力信號傳遞給中央控制單元PLC18。 電-液比例溢流閥5能精確控制總油路的壓力；總路蓄能器6能存儲系統(tǒng)總路壓力，保證壓力平穩(wěn)。所述分油路包括連接的可控電磁單向閥9、三位四通電磁閥10、分路蓄能器11和分路壓力變送器12，分路壓力變送器12負責將檢測到的分路壓力信號傳遞給中央控制單元 PLClS0可控電磁單向閥9可實現(xiàn)電控開閉，當閉合時僅允許向分路進油，當打開時允許分路向總路回油；三位四通電磁閥10控制分油路聯(lián)通方式，實現(xiàn)換向操作；分路蓄能器11負責儲存分油路壓力，保證分油路壓力平穩(wěn)。每一路分油路根據(jù)試驗加載需要增減油缸、保證同一分路上每個油缸的出力相同?？刂葡到y(tǒng)是人機交互窗口，通過操作計算機軟件，控制液壓站、總油路和各分油路實現(xiàn)高精度液壓加卸載伺服控制的目的。本發(fā)明采用模塊化設計， 可根據(jù)實際試驗需要增加多個分路。各分路的壓力可進行單獨控制，設定為不同的數(shù)值，也可選擇開啟或關閉某分路。上述雖然結合附圖對發(fā)明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權利要求
1.一種適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，包括液壓站，加卸載控制系統(tǒng)，其特征是，還包括總油路，至少一路分油路，液壓站與總油路連接，總油路和各分油路之間采用連接管路連接，每一路分油路與分流閥和雙作用油缸連接，加卸載控制系統(tǒng)分別與控制液壓站、總油路和各分油路連接，加卸載控制系統(tǒng)通過操作計算機軟件，對液壓站、總油路和各分油路進行高精度液壓加卸載伺服控制。
2.如權利要求I所述的用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，其特征是，所述加卸載控制系統(tǒng)是人機交互窗口，包括相連接的計算機、中央控制單元PLC、系統(tǒng)控制操作軟件和中間繼電器。
3.如權利要求2所述的用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，其特征是，所述中央控制單元PLC采集總路和各分路壓力變送器信號并傳遞給計算機以供顯示和存儲，同時根據(jù)系統(tǒng)控制操作軟件的操作設定接受計算機的指令，驅動中間繼電器動作，控制電機、電-液比例溢流閥、可控電磁單向閥或三位四通電磁閥產(chǎn)生相應動作。
4.如權利要求I所述的用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，其特征是，所述總油路包括連接的電-液比例溢流閥、總路蓄能器、總路壓力變送器，總路壓力變送器將檢測到的總路壓力信號傳遞給中央控制單元PLC。
5.如權利要求I所述的用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，其特征是，所述分油路包括連接的可控電磁單向閥、三位四通電磁閥、分路蓄能器和分路壓力變送器，分路壓力變送器負責將檢測到的分路壓力信號傳遞給中央控制單元PLC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于模型試驗的多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，包括液壓站，加卸載控制系統(tǒng)，總油路，至少一路分油路，液壓站與總油路連接，總油路和各分油路之間采用連接管路連接，每一路分油路與分流閥和雙作用油缸連接，加卸載控制系統(tǒng)分別與控制液壓站、總油路和各分油路連接，加卸載控制系統(tǒng)通過操作計算機軟件，對液壓站、總油路和各分油路進行高精度液壓加卸載伺服控制；該系統(tǒng)采用模塊化分油路設計，總油路采用電液比例溢流閥控制壓力，各分油路采用可控電磁單向閥和三位四通電磁閥實現(xiàn)與總油路的聯(lián)通與斷開，實現(xiàn)各分油路的設定壓力，實現(xiàn)了模型試驗加載和卸載的計算機伺服智能高精度控制。
文檔編號G01M99/00GK102607876SQ201210108738
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者張慶松, 李為騰, 李建明, 李智, 李術才, 李海燕, 王漢鵬 申請人:山東大學