CN101726440B - 模型试验数控加压系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

模型试验数控加压系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种模型试验数控加压系统及其控制方法，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。

背景技术

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缩机组成。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。

发明内容

本发明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，本发明采用下述技术方案：

一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。

本发明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，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1是本发明系统原理图；

图2是分压控制系统结构图；

图3是加压执行系统结构图；

其中1.油箱，2.滤油器，3.液压泵，4.电机，5.单向阀，6.压力表，7.溢流阀，8.三位四通电磁换向阀，9.减压阀，10.高压油管，11.千斤顶，12.实验模型，13.工业计算机，14.压力变送器，15.中央控制单元(可编程控制器plc)，16.继电器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，数字式加压控制系统由分压控制部分，加压执行部分和可视化人机交互界面部分组成。分压控制部分通过电气线路分别与可视化人机交互界面部分和加压执行部分呢相连接。操作人员通过可视化人机交互界面部分呢实现对加压执行系统的控制。

整个数字式加压控制系统的工作原理：随着埋藏深度的增加，地下洞室洞周围岩地应力呈非线性分布。为模拟洞周非均匀分布的地应力，特别是随埋深h不断变化的水平构造应力σ_h，本发明将实验模型分为八个加载区，分别由八个加载通道独立控制加载，以实现非均匀加载。当对模型进行加载时，操作人员通过人机交互界面系统的工业计算机13输入设计荷载值，操作系统下达指令到中央控制单元15，中央控制单元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前进。液压油经滤油器2泵入油路，通过单向阀5，单向阀5防止进油管道回油。液压油通过单向阀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油路，在每一个油路中分别通过减压阀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制平稳，使得加压出力稳定。八个三位四通电磁换向阀8控制八个分油路加载，每一个三位四通电磁阀8控制一个分油路的加载卸载。八个压力变送器14接在每个分油路上，将测得的分油路压力值转换为电信号后，通过电气线路传给中央控制单元15，中央控制单元15将该信号转换为数字信号后在人机交互界面系统上显示。油路压力变化历史由人机交互界面系统13自动记录。三位四通电磁换向阀8中Y型换向阀的采用，使得三位四通电磁换向阀8处于中间状态时进油油路与回油油路完全封闭，从而实现模型试验的长期保压效果。

图2中，分压控制部分由压力检测单元，中央控制单元和控制输出单元组成。压力检测单元为八个压力变送器14，分别接在各分油路减压阀9与液压千斤顶11之间，负责实时量测油路内的压力值，并将其转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元15。中央控制单元15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15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15将可视化人机交互界面系统上输入的压力数值处理转换成电信号后输入到控制输出单元里面，控制输出单元通过继电器16控制液压泵3的启动停止和三位四通电磁换向阀8的加压卸载，以此来实现对加压执行系统的控制。

可视化人机交互界面部分实现模型加载的人机交互操作。操作人员通过人机交互界面系统13下达各种加载指令，通过中央控制单元15实现对电机的启动停止和油路系统的加压、卸载；并将中央控制单元15转换的系统压力值，在交互界面上实时显示，同时将压力曲线存储在存储器中。

图3中，加压执行部分的加压控制台内设有油箱1、滤油器2、液压泵3、电机4、单向阀5、溢流阀7，压力表6，八个减压阀9和八个三位四通电磁换向阀8。油路经三位四通电磁换向阀8通过高压油管10与千斤顶11连接。液压油由油箱1经滤油器2、液压泵3、单向阀5、分流器、减压阀和9三位四通换向阀8进入千斤顶，在单向阀5和分流器之间并联Y型溢流阀7来调节液压泵3供油压力，使多余液压油经溢流阀7流回油箱1。

单向阀5保证加载过程中油路系统的液压油向执行系统单向流动，满足加压所需油量。溢流阀7起定压溢流作用和安全保护作用，溢流阀7用来调节液压泵供油压力，保护系统安全，具体体现在：①定压溢流作用。当系统压力增大时，溢流阀7开启，使多余流量溢回油箱1，保证溢流阀7进口压力和柱塞泵3出口压力恒定；②安全保护作用。系统压力超过设定压力时开启溢流，进行过载保护，降低系统压力，将部分液压油回流，以保护系统。

减压阀9降低出口压力，使得出口压力不因进口压力的波动而变化，维持出口压力及阀后油路系统(主要是加压千斤顶)油压的稳定。因此，它起“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制平稳，使得加压出力稳定。八个三位四通电磁换向阀8控制八个油路加载与卸载，三位四通电磁换向阀8具有三种状态：进油加压状态，回油卸荷状态和中间状态。Y型滑阀的采用使得换向阀在保持中间状态时出油油路和回油油路互不相通，以使千斤顶11处于稳定的保压状态，使实验模型12有效模拟实际工程的地应力状态。

加压控制方法，包括以下步骤：

A.操作人员通过可视化人机交互界面部分的操作系统输入设计荷载值；

B.操作系统下达指令到中央控制单元15，中央控制单元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，液压油经过滤器泵入油路，液压油通过防止回油的单向阀5后进入溢流阀7；

C.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；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8的响应时间小于50mS；八个压力变送器14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。

D.压力变送器14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15，中央控制单元15将该信号转换为数字信号后在可视化人机交互界面部分的操作系统上显示。

Claims (3)

1.一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，操作人员借此能够动态观察模型的加压过程；

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三位四通电磁换向阀的加压卸载，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、Y型溢流阀、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、减压阀和三位四通电磁换向阀进入千斤顶，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Y型溢流阀流回油箱。

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，通过中央控制单元实现对油路系统的加压、卸载，并将中央控制单元转换的系统压力值，在可视化人机交互界面上实时显示，并将压力曲线存储在存储器中。

3.一种采用如权利要求1所述的模型试验数控加压系统的加压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.操作人员通过可视化人机交互界面部分的操作系统输入设计荷载值；

B.操作系统下达指令到中央控制单元，中央控制单元将数字信号转换为电信号，通过继电器控制油泵启动和三位四通电磁换向阀开启，液压油经过滤器泵入油路，液压油通过防止回油的单向阀后进入Y型溢流阀；

C.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与三位四通电磁换向阀；每一个三位四通电磁换向阀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；

D.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，中央控制单元将该信号转换为数字信号后在可视化人机交互界面部分的操作系统上显示。

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