專利名稱：變頻變幅動(dòng)態(tài)加載巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
變頻變幅動(dòng)態(tài)加載巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備領(lǐng)域背景技術(shù)當(dāng)前巖石力學(xué)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要分為高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與中等應(yīng)變率動(dòng) 態(tài)試驗(yàn)，高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法與設(shè)備目前較為成熟，而中等應(yīng)變率動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)試驗(yàn)較 難實(shí)現(xiàn)，對(duì)于可變頻變幅進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載的巖石力學(xué)試驗(yàn)更是困難，主要在于以下三個(gè)方面 的問題難以解決高剛度的高頻響全閉環(huán)伺服測(cè)控問題；大流量高壓油源的高效經(jīng)濟(jì)冷卻 問題；試驗(yàn)過程高速高分辨物理量測(cè)量問題。這三個(gè)問題導(dǎo)致現(xiàn)存的中等應(yīng)變率動(dòng)態(tài)巖石 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)無法進(jìn)行變頻變幅動(dòng)態(tài)加載。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)中等應(yīng)變率條件下變頻變幅動(dòng)態(tài)加載的巖 石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。其特征是采用高剛度反力框架、高剛度雙向作動(dòng)器、高頻響全數(shù)字閉環(huán)伺 服控制器、動(dòng)態(tài)電液伺服閥的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)變頻變幅動(dòng)態(tài)控制問題；采用數(shù)控氟利昂油冷 機(jī)解決大流量高壓油源高效經(jīng)濟(jì)的冷卻問題；采用高速線性激光CCD變形傳感器、差動(dòng)變 壓位移測(cè)量、高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)、高精度負(fù)荷傳感器來解決試驗(yàn)過程高速高分辨物理量 測(cè)量問題。變頻變幅動(dòng)態(tài)加載巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，由主機(jī)加載框架部分，動(dòng)態(tài)加載控制部分， 高壓油源及冷卻部分，動(dòng)態(tài)測(cè)量部分構(gòu)成，所述主機(jī)加載框架部分由剛性立柱1，上橫梁2， 下橫梁3，底座4，壓墊6和壓頭7組成；所述動(dòng)態(tài)加載控制部分由作動(dòng)器上腔9，雙向高剛 度作動(dòng)器10，作動(dòng)器下腔11，液壓油管12，動(dòng)態(tài)電液伺服閥13，全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器 19，數(shù)據(jù)導(dǎo)線20和計(jì)算機(jī)21組成；所述高壓油源及冷卻部分由濾油器14，油泵15，溢流閥 16，耐磨液壓油17和數(shù)控氟利昂油冷機(jī)18組成；所述動(dòng)態(tài)測(cè)量部分由上負(fù)荷傳感器22，下 負(fù)荷傳感器23，差動(dòng)變壓位移傳感器M，高速線性激光CCD變形傳感器25和高速防爆數(shù)字 攝影機(jī)沈組成?；驹砼c技術(shù)根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)對(duì)主機(jī)高剛度的需求，主機(jī)反力框架采用四 立柱式高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，作動(dòng)器采用大直徑高剛度油缸；針對(duì)變頻變幅動(dòng)態(tài)加載高精度控制的 需求，對(duì)試件要進(jìn)行波動(dòng)拉壓加載，采用雙向動(dòng)態(tài)作動(dòng)器，巖樣端面高強(qiáng)粘結(jié)劑，可實(shí)現(xiàn)巖 樣的拉壓加載，采用高頻響全數(shù)字閉環(huán)伺服控制器與動(dòng)態(tài)電液伺服閥配合雙向作動(dòng)器，實(shí) 現(xiàn)變頻變幅加載的高精度控制；針對(duì)動(dòng)態(tài)加載大流量高壓油源需要高效經(jīng)濟(jì)的冷卻，采用 數(shù)控氟利昂油冷機(jī)對(duì)高溫油進(jìn)行可控冷卻，保證油源系統(tǒng)正常工作；針對(duì)動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)試 驗(yàn)巖樣在試驗(yàn)過程短，易爆裂片落的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的接觸式變形傳感器不能使用，采用非接觸 的高速線性激光CCD變形傳感器進(jìn)行巖樣徑向變形高頻測(cè)量，差動(dòng)變壓位移傳感器進(jìn)行軸 向變形動(dòng)態(tài)測(cè)量，高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)進(jìn)行巖樣破裂過程形貌觀測(cè)，解決巖樣加載物理量 高速高分辨測(cè)量問題。變頻變幅動(dòng)態(tài)加載巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，由主機(jī)加載框架部分，動(dòng)態(tài)加載控制部分， 高壓油源及冷卻部分，動(dòng)態(tài)測(cè)量部分構(gòu)成。主機(jī)加載框架部分由剛性立柱1，上橫梁2，下橫梁3，底座4，壓墊6和壓頭7組成。 剛性立柱1為高強(qiáng)高硬鋼，與上橫梁2，下橫梁3，底座4組成四立柱式反力結(jié)構(gòu)，框架整體 剛度大于5GN/m ；壓墊6與壓頭7為硬化處理鋼，壓頭7為球形墊結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)巖樣5平行度差。動(dòng)態(tài)加載控制部分由作動(dòng)器上腔9，雙向高剛度作動(dòng)器10，作動(dòng)器下腔11，液壓油 管12，動(dòng)態(tài)電液伺服閥13，全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器19，數(shù)據(jù)導(dǎo)線20和計(jì)算機(jī)21組成。 計(jì)算機(jī)21通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線20與全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器19進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通信和控制，全 數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器19接收動(dòng)態(tài)測(cè)量部分信號(hào)與計(jì)算機(jī)21發(fā)出的試驗(yàn)過程信號(hào)進(jìn)行 伺服運(yùn)算，通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線20調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電液伺服閥13，動(dòng)態(tài)電液伺服閥13通過液壓油管12 向雙向高剛度作動(dòng)器10加壓，調(diào)節(jié)作動(dòng)器上腔9與作動(dòng)器下腔11的壓力輸入來實(shí)現(xiàn)作動(dòng) 器的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖樣5的變頻變幅拉壓動(dòng)態(tài)加載。全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器19的 閉環(huán)控制頻響為5kHz，負(fù)荷通道分辨率為士 100000級(jí)；動(dòng)態(tài)電液伺服閥13頻響為70Hz， 滯后小于< 0. 20%，瞬態(tài)響應(yīng)12ms ；液壓油管12最大極限壓力IOOMPa ；雙向高剛度作動(dòng)器 10最大負(fù)荷-300kN-1000kN，直徑340mm，最大剛度大于5GN/m。高壓油源及冷卻部分由濾油器14，油泵15，溢流閥16，耐磨液壓油17和數(shù)控氟利 昂油冷機(jī)18組成。油泵15通過溢流閥16輸出恒定壓力，通過濾油器14使過濾耐磨液壓 油17，進(jìn)入動(dòng)態(tài)電液伺服閥13 ；耐磨液壓油17進(jìn)入數(shù)控氟利昂油冷機(jī)18循環(huán)，將耐磨液壓 油17的溫度控制在5-30°C。油泵15流量為631/min，最大壓力31MPa ；數(shù)控氟利昂油冷機(jī) 18 制冷量為 15000Kcal/h。動(dòng)態(tài)測(cè)量部分由上負(fù)荷傳感器22，下負(fù)荷傳感器23，差動(dòng)變壓位移傳感器24，高 速線性激光CCD變形傳感器25和高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)沈組成。上負(fù)荷傳感器22測(cè)量巖 樣5頂部所受壓力，并作為閉環(huán)力伺服控制量控制力變頻變幅動(dòng)態(tài)加載；下負(fù)荷傳感器23 測(cè)量巖樣5底部所受壓力；差動(dòng)變壓位移傳感器M測(cè)量巖樣5軸向變形，并作為閉環(huán)變形 伺服控制量控制位移變頻變幅動(dòng)態(tài)加載；高速線性激光CCD變形傳感器25測(cè)量巖樣5徑向 變形；高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)26觀測(cè)巖樣5破裂形貌；上負(fù)荷傳感器22，下負(fù)荷傳感器23， 差動(dòng)變壓位移傳感器M和高速線性激光CXD變形傳感器25通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線20將信號(hào)傳輸 至全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器19，高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)沈通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線20將信號(hào)傳輸至 計(jì)算機(jī)21。


附圖是變頻變幅動(dòng)態(tài)加載巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中1:剛性 立柱；2 上橫梁；3 下橫梁；4 底座；5 巖樣；6 壓墊；7 承壓頭；8 高強(qiáng)粘結(jié)劑；9 作動(dòng) 器上腔；10 雙向高剛度作動(dòng)器；11 作動(dòng)器下腔；12 液壓油管；13 動(dòng)態(tài)電液伺服閥；14 濾油器；15 油泵；16 溢流閥；17 耐磨液壓油；18 數(shù)控油冷機(jī)；19 全數(shù)字閉環(huán)伺服控制 器；20 數(shù)據(jù)導(dǎo)線；21 計(jì)算機(jī)；22 上負(fù)荷傳感器；23 下負(fù)荷傳感器；24 差動(dòng)變壓位移傳 感器；25 高速線性激光CCD變形傳感器；26 高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)具體實(shí)施方式
1.打開計(jì)算機(jī)21，打開全數(shù)字閉環(huán)伺服控制器19，聯(lián)結(jié)計(jì)算機(jī)21 與全數(shù)字閉環(huán)伺服控制器19的通訊。2.在壓墊6與巖樣5接觸面均勻涂抹高強(qiáng)粘結(jié)劑8，將巖樣5放入到壓墊6中，待 高強(qiáng)粘結(jié)劑8固化后，打開油泵15電源。3.在計(jì)算機(jī)21上設(shè)置好動(dòng)態(tài)測(cè)量部分各個(gè)傳感器采樣參數(shù)，設(shè)置好試驗(yàn)過程變 頻變幅的力加載或位移加載參數(shù)波形，控制雙向高剛度作動(dòng)器10向上位移，使巖樣5上部 上負(fù)荷傳感器22達(dá)到0. 5kN,開始進(jìn)行變頻變幅動(dòng)態(tài)加載巖石力學(xué)試驗(yàn)。4.完成試驗(yàn)過程后，在計(jì)算機(jī)21上保存試驗(yàn)過程動(dòng)態(tài)測(cè)量部分各傳感器數(shù)值，將 雙向高剛度作動(dòng)器10向上位移，卸下巖樣5，完成試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1. 一種能夠?qū)崿F(xiàn)中等應(yīng)變率條件下變頻變幅動(dòng)態(tài)加載的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，由主機(jī)加 載框架部分，動(dòng)態(tài)加載控制部分，高壓油源及冷卻部分，動(dòng)態(tài)測(cè)量部分構(gòu)成，所述主機(jī)加載 框架部分由剛性立柱(1)，上橫梁0)，下橫梁(3)，底座，壓墊(6)和壓頭(7)組成，剛 性立柱(1)為高強(qiáng)高硬鋼，與上橫梁0)，下橫梁(3)，底座(4)組成四立柱式反力結(jié)構(gòu)，壓 墊(6)與壓頭(7)為硬化處理鋼，壓頭(7)為球形墊結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)巖樣(5)平行度誤差；所 述動(dòng)態(tài)加載控制部分由作動(dòng)器上腔(9)，雙向高剛度作動(dòng)器(10)，作動(dòng)器下腔(11)，液壓油 管(12)，動(dòng)態(tài)電液伺服閥(13)，全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器(19)，數(shù)據(jù)導(dǎo)線OO)和計(jì)算機(jī) (21)組成，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線OO)與全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器(19)進(jìn)行數(shù)字 信號(hào)通信和控制，全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器(19)接收動(dòng)態(tài)測(cè)量部分信號(hào)與計(jì)算機(jī) 發(fā)出的試驗(yàn)過程信號(hào)進(jìn)行伺服運(yùn)算，通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線OO)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電液伺服閥(13)，動(dòng)態(tài)電 液伺服閥(13)通過液壓油管(12)向雙向高剛度作動(dòng)器(10)加壓，調(diào)節(jié)作動(dòng)器上腔(9)與 作動(dòng)器下腔(U)的壓力輸入來實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖樣(5)的變頻變幅拉壓 動(dòng)態(tài)加載；所述高壓油源及冷卻部分由濾油器(14)，油泵(15)，溢流閥(16)，耐磨液壓油 (17)和數(shù)控氟利昂油冷機(jī)(18)組成，油泵(1 通過溢流閥(16)輸出恒定壓力，通過濾油 器(14)使過濾耐磨液壓油(17)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)電液伺服閥(13)，耐磨液壓油(17)進(jìn)入數(shù)控氟 利昂油冷機(jī)(18)循環(huán)；所述動(dòng)態(tài)測(cè)量部分由上負(fù)荷傳感器(22)，下負(fù)荷傳感器(23)，差動(dòng) 變壓位移傳感器(M)，高速線性激光CCD變形傳感器0 和高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)06)組 成，上負(fù)荷傳感器0 測(cè)量巖樣( 頂部所受壓力，并作為閉環(huán)力伺服控制量控制力變頻 變幅動(dòng)態(tài)加載，下負(fù)荷傳感器測(cè)量巖樣( 底部所受壓力，差動(dòng)變壓位移傳感器04) 測(cè)量巖樣(5)軸向變形，并作為閉環(huán)變形伺服控制量控制位移變頻變幅動(dòng)態(tài)加載，高速線 性激光CCD變形傳感器0 測(cè)量巖樣( 徑向變形，高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)06)觀測(cè)巖樣 (5)破裂形貌，上負(fù)荷傳感器(22)，下負(fù)荷傳感器(23)，差動(dòng)變壓位移傳感器04)和高速線 性激光C⑶變形傳感器0 通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線00)將信號(hào)傳輸至全數(shù)字動(dòng)態(tài)閉環(huán)伺服控制器 (19)，高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)06)通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線00)將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)01)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)中等應(yīng)變率條件下變頻變幅動(dòng)態(tài)加載的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。其特征是采用高剛度反力框架、高剛度雙向作動(dòng)器、高頻響全數(shù)字閉環(huán)伺服控制器、動(dòng)態(tài)電液伺服閥的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)變頻變幅動(dòng)態(tài)控制問題；采用數(shù)控氟利昂油冷機(jī)解決大流量高壓油源高效經(jīng)濟(jì)的冷卻問題；采用高速線性激光CCD變形傳感器、差動(dòng)變壓位移測(cè)量、高速防爆數(shù)字?jǐn)z影機(jī)、高精度負(fù)荷傳感器來解決試驗(yàn)過程高速高分辨物理量測(cè)量問題。
文檔編號(hào)G01N3/36GK102116720SQ20101000001
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月4日
發(fā)明者劉艷輝, 李守定, 李曉, 赫建明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所