CN101846593B

CN101846593B - 数控气压柔性加载实验装置

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Publication number: CN101846593B
Application number: CN2010102013046A
Authority: CN
Inventors: 张强勇; 陈旭光; 李术才; 贾超; 刘健; 张宁
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: CN101846593A

Abstract

本发明涉及一种数控气压柔性加载实验装置，其包括气压加卸载装置、可视化人机交互界面和气压数控系统，气压加卸载装置作用于实验模型内、外部，气压加卸载装置通过线路与气压数控系统连接，气压数控系统通过线路与可视化人机交互界面连接。本发明使用时，操作人员通过可视化人机交互界面输入设计气压值或气压变化曲线，气压数控系统读取压力指令后自动控制实验模型内、外边界的气压加载，并对气压变化进行动态监测与实时显示和存储。气压柔性加载装置有效实现结构模型气压加载的数字化、可视化和自动化。本发明具有边界应力分布均匀、无环境污染、精度高、控制准确、方便、快捷、数字化、可视化、自动化、应用范围广等优点。

Description

数控气压柔性加载实验装置

技术领域

本发明涉及一种加载实验装置，尤其是一种数控气压柔性加载实验装置。

背景技术

随着交通基础建设的快速发展和地下资源开发的大力发展，地下洞室作为一种主要的地下结构型式在水电、交通、资源、能源领域得到广泛应用，同时地下洞室工程的施工安全也受到越来越多关注和重视。随着地下工程埋深的加大和工程规模的提高，拟建地下工程区域岩体的工程地质条件和水文地质条件也日益复杂，为有效评价大型地下工程施工开挖围岩稳定性，除采用理论研究和数值计算方法外，还需要更多地依靠模型实验进行地下洞室开挖围岩稳定性的分析与评价，以有效揭示深埋地下洞室围岩的力学特征与变形破坏规律。要进行模型实验，就需要高精度的模型实验加载系统。

目前国内外模型实验加载系统通常采用千斤顶液压刚性加载。液压刚性加载比较适合于软岩模型材料加载。对于硬岩模型材料，使用气压柔性加载比较合适。同时气压加载可有效避免液压加载因漏油造成的环境污染。另外，由于地下洞室本身的结构及功能要求，往往需要在洞腔内施加内应力，如地下引水隧洞的内水压力、地下油气储库洞腔内部的油气压力等。传统的千斤顶刚性加载无法有效在洞室内部施加柔性内压，而要模拟洞腔内压的变化，则需要研制与气压柔性加载相配套的数控系统，这对更合理地研究有压地下洞室的围岩稳定与安全状况具有十分重要的意义。

目前国内相关模型实验装置和实验系统的研究现状如下：

（1）《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均匀分布的垂直和水平地应力，其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（2）《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实验系统，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。其加载虽然采用气压形式，但不能进行数控气压加载。

（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，其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（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。其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（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实验系统，其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（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实验系统，其包括液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统。其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种边界应力分布均匀、无环境污染、精度高、控制准确、方便、快捷、数字化、可视化、自动化、应用范围广的数控气压柔性加载实验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种数控气压柔性加载实验装置，其包括气压加卸载装置、可视化人机交互界面和气压数控系统，气压加卸载装置作用于实验模型内、外部，气压加卸载装置通过线路与气压数控系统连接，气压数控系统通过线路与可视化人机交互界面连接。

所述气压加卸载装置包括气站，气站通过气管连接气流分配阀，气流分配阀通过气管分别连接设置于实验模型内、外部的加压气囊。

所述外部加压气囊置于实验模型和模型反力架之间，内部加压气囊置于实验模型洞腔内。

所述气站包括设置于箱体内的气源、气压表和与气源相连的气动元件组，所述气动元件组包括相连接充气气动元件组和排气气动元件组，所述充气气动元件组包括依次连接的球阀、过滤调压阀、充气电磁阀、充气节流阀Ⅰ、充气单向阀、充气节流阀Ⅱ、气容Ⅰ、充气节流阀Ⅲ和充气节流阀Ⅳ，其中，依次串联的充气电磁阀、充气节流阀Ⅰ和充气单向阀由并连的三路组成；所述排气气动元件组包括依次串联的排气电磁阀、排气节流阀Ⅰ、排气节流阀Ⅱ、排气节流阀Ⅲ、气容Ⅱ、排气节流阀Ⅳ和排气节流阀Ⅴ，其中串联的排气电磁阀和排气节流阀Ⅰ由并连的三路组成；充气电磁阀和排气电磁阀均通过线路与气压数控系统连接；充气节流阀Ⅳ和排气电磁阀连接的气管同时也与气流分配阀连接。

所述气压数控系统包括气压检测单元和中央控制单元，气压检测单元为置于气站内与气管相连用于检测加压气囊内压的压力传感器，压力传感器通过线路与中央控制单元连接。

所述中央控制单元为可编程序控制器。

所述可视化人机交互界面为工业计算机。

本发明使用时，操作人员通过可视化人机交互界面输入设计气压值或气压变化曲线，气压数控系统读取压力指令后自动控制实验模型内、外边界的气压加载，并对气压变化进行动态监测与实时显示和存储。气压柔性加载装置有效实现结构模型气压加载的数字化、可视化和自动化。

气源采用无毒的氮气瓶提供，用以向气囊内充气。气管一端连接气源，另一端连接气流分配阀。球阀为气路开关，当开启后，压缩气体由气源进入过滤调压阀。经调压并过滤掉气体内杂质后，按照调定的压力值进入充气电磁阀，充气电磁阀经控制系统指令打开，气体经充气电磁阀、充气节流阀、单向阀后进入气容。充气节流阀具节流功能，可将气体流速降低；单向阀为单向开关，防止气体倒流；气容为稳压构件，具有调节稳定气体流速的功能。

气体经气容的稳压后再通过后续串联的充气节流阀进入气流分配阀。气流分配阀负责将气体分配至外部和内部加压气囊。进入加压气囊的气体流量可通过各充气节流阀调节。加压气囊的压力由高精度数字式压力传感器测出，压力值转换成电信号输出到中央控制单元。当进入加压气囊内的气体压力到达设计值时，控制系统将关闭充气电磁阀，开启排气电磁阀。加压气囊内的过量气体经排气电磁阀、气容、排气节流阀排出，排气的流量由各排气节流阀调节。当加压气囊内的压力小于设计值时，控制系统将关闭排气电磁阀，打开充气电磁阀。充、排气电磁阀各有三路组成，工作时，可以使用任何一路，其余二路备用，当其中一路出现故障时，可将此路关闭，开启另一路。

气压检测单元为高精度数字式压力传感器，负责实时量测洞腔内的气压值，并将测得的气压值转化为电信号通过线路实时反馈给中央控制单元。中央控制单元为可编程序控制器，它一方面将高精度数字式压力传感器测得的气压值转化为数字信号后在可视化人机交互界面上实时显示和存储；另一方面，中央控制单元将操作人员在可视化人机交互界面上输入的气压设计曲线解释成相应时序信号后直接控制充、排气电磁阀的开启和关闭，以此来实现对充气过程的控制。

可视化人机交互界面由工业计算机提供。在工业计算机内存储预先编制的程序，以便操作人员输入预定气压值或气压设计变化曲线，通过中央控制单元实现对气路系统的充气过程控制；并将中央控制单元转换的系统压力值和压力曲线在交互界面上实时显示、存储。

本发明具有如下技术优势：

(1)实现了柔性气压加载，克服了以往千斤顶刚性加载造成边界应力不均匀分布的缺陷。

(2)通过串联节流阀，使得电磁阀开启一次的充、排气量减至最小，保证了气压加载的高精度(精度可达0.25%）。

(3)各设置三路充、排气电磁阀，其中一路为主路，另外二路为与主路一致的备用气路，有效保证了实验的长期加压和可持续性。

(4)加载功能多，除可进行模型洞腔的内部加压外，还可进行模型外部加载。

(5)控制方式多，既可进行气压自动加载，又可通过手动模式任意控制气压变化。

(6)通过人机交互界面，方便操作人员实时动态观察气压变化，达到高效、方便、快捷进行气压加载的目的。

(7)通过可编程控制器实现了模型气压加载的数字化、可视化和自动化。

(8)该发明专利可广泛应用于水电、交通、能源、矿山等领域地下工程模型实验柔性加载，应用范围广泛。

附图说明

图1是数控气压柔性加载实验装置的原理图；

图2是数控气压柔性加载实验装置的构造图；

图3是数控气压柔性加载实验装置的结构图；

图中，1.气源，2.球阀，3.过滤调压阀，4. 气压表，5.充气电磁阀，6.充气节流阀Ⅰ 7.充气单向阀，8.充气节流阀Ⅱ，9.气容Ⅰ，10.充气节流阀Ⅲ，11.充气节流阀Ⅳ，12.压力传感器，13.排气电磁阀，14.排气节流阀Ⅰ，15.排气节流阀Ⅱ，16.排气节流阀Ⅲ，17.气容Ⅱ，18.排气节流阀Ⅳ，19.排气节流阀Ⅴ，20.中央控制单元，21.可视化人机交互界面， 22.气站， 23.气流分配阀，24.气管，25.外部加压气囊，26.内部加压气囊，27.实验模型，28.模型反力架，29.电缆，其中图2中

表示气体流动方向，

表示信号传输方向。

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1-3中，一种数控气压柔性加载实验装置，其包括气压加卸载装置、可视化人机交互界面21和气压数控系统，气压加卸载装置作用于实验模型27内、外部，气压加卸载装置通过线路与气压数控系统连接，气压数控系统通过电缆29与可视化人机交互界面21连接。

操作人员通过可视化人机交互界面21输入设计气压值或气压变化曲线，气压数控系统读取压力指令后自动控制实验模型27内、外边界的气压加载，并对气压变化过程进行动态监测与实时显示和存储。实验装置有效实现结构模型内、外边界的气压柔性自动加载以及加载过程的数字化和可视化。

气压加卸载装置包括气站22，气站22通过气管24连接气流分配阀23，气流分配阀23通过气管24分别连接设置于实验模型27内、外部的加压气囊。其中，外部加压气囊25置于实验模型27和模型反力架28之间，内部加压气囊26置于实验模型洞腔内。

气站22包括设置于箱体内的气源1、气压表4和与气源1相连的气动元件组，所述气动元件组包括相连接充气气动元件组和排气气动元件组，所述充气气动元件组包括依次连接的球阀2、过滤调压阀3、充气电磁阀5、充气节流阀Ⅰ6、充气单向阀7、充气节流阀Ⅱ8、气容Ⅰ9、充气节流阀Ⅲ10和充气节流阀Ⅳ11，其中，依次串联的充气电磁阀5、充气节流阀Ⅰ6和充气单向阀7由并连的三路组成；所述排气气动元件组包括依次串联的排气电磁阀13、排气节流阀Ⅰ14、排气节流阀Ⅱ15、排气节流阀Ⅲ16、气容Ⅱ17、排气节流阀Ⅳ18和排气节流阀Ⅴ19，其中串联的排气电磁阀13和排气节流阀Ⅰ14由并连的三路组成；充气电磁阀5和排气电磁阀13均通过线路与气压数控系统连接；充气节流阀Ⅳ11和排气电磁阀13连接的气管17同时也与气流分配阀23连接。

气源采用高压氮气，用以向加压气囊内充气和排气。球阀2为开关，当其打开后，压缩空气由气源1进入过滤调压阀3。经调压并过滤掉杂质后，进入充气电磁阀5，充气电磁阀5经控制系统指令打开，气体经充气电磁阀5、充气节流阀Ⅰ6、单向阀7后、充气节流阀Ⅱ8后进入气容Ⅰ9。充气节流阀Ⅰ、Ⅱ6、8具节流功能，可将气体流速降低；单向阀7为防止气体倒流；气容Ⅰ9为稳压构件，具有调节稳定气体流速的功能。

气体经气容Ⅰ9的稳压后再通过后续串联的充气节流阀Ⅲ10、充气节流阀Ⅳ进入气流分配阀23。气流分配阀23负责将气体分配至外部加压气囊25和内部加压气囊26。进入外部加压气囊25和内部加压气囊26的气体流量可通过各充气节流阀调节。外部加压气囊25置于实验模型27和模型反力架28之间，负责施加模型外荷载。内部加压气囊26置于模型洞腔内，负责施加模型内荷载。

外部加压气囊25和内部加压气囊26的压力由高精度数字式压力传感器9测出，压力值转换成电信号输出，当外部加压气囊25和内部加压气囊26内气压到达设计值时，数控系统将充气电磁阀5关闭，排气电磁阀13打开，外部加压气囊25和内部加压气囊26内的气体经排气电磁阀13、排气节流阀Ⅰ14、排气节流阀Ⅱ15、排气节流阀Ⅲ16、气容Ⅱ17、排气节流阀Ⅳ18和排气节流阀Ⅴ19排出，排气的流量由各排气节流阀调节。

当外部加压气囊25和内部加压气囊26内的压力减小到所需的数值时，控制系统将排气电磁阀13关闭，充气电磁阀5打开。充、排气电磁阀各设置三路，工作时，可以使用任何一路，其余二路备用，当其中一路出现故障时，可将此路关闭，开启另一路。该设计可保证气压加载的长期稳定运行。

气压数控系统包括气压检测单元和中央控制单元20，气压检测单元为置于气站内与气管相连用于检测加压气囊内压的压力传感器12，压力传感器12通过线路与中央控制单元20连接。中央控制单元20为可编程序控制器。

气压检测单元为压力传感器12，负责实时量测外部加压气囊25和内部加压气囊26内的气压值，并将其转化为电信号通过线路反馈给中央控制单元20，它将测得的气压值转化为数字信号后在可视化人机交互界面21上实时显示和存储。中央控制单元20将可视化人机交互界面上输入的压力数值处理转换成电信号后控制充气电磁阀5和排气电磁阀13的开启/关闭，以此来实现对外部加压气囊25和内部加压气囊26的充气排气过程。

可视化人机交互界面21为工业计算机。可视化人机交互界面21实现加压气囊气压控制调节的人机交互操作。工业计算机内存储预先编制的程序，以便操作人员进行各种指令的下达，通过中央控制单元20实现对气路系统的加/卸载；并将中央控制单元20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工业计算机内。

Claims

1.一种数控气压柔性加载实验装置，其特征在于：其包括气压加卸载装置、可视化人机交互界面和气压数控系统，气压加卸载装置作用于实验模型内、外部，气压加卸载装置通过线路与气压数控系统连接，气压数控系统通过线路与可视化人机交互界面连接；

所述气压加卸载装置包括气站，气站通过第一气管连接气流分配阀，气流分配阀通过第二气管分别连接设置于实验模型内、外部的加压气囊；

所述气站包括设置于箱体内的气源、气压表和与气源相连的气动元件组，所述气动元件组包括充气气动元件组和排气气动元件组，所述充气气动元件组包括依次连接的球阀、过滤调压阀、充气电磁阀、充气节流阀Ⅰ、充气单向阀、充气节流阀Ⅱ、气容Ⅰ、充气节流阀Ⅲ和充气节流阀Ⅳ，其中，依次串联的充气电磁阀、充气节流阀Ⅰ和充气单向阀组成一个单元，该处共有三组并联的前述单元；所述排气气动元件组包括依次串联的排气电磁阀、排气节流阀Ⅰ、排气节流阀Ⅱ、排气节流阀Ⅲ、气容Ⅱ、排气节流阀Ⅳ和排气节流阀Ⅴ，其中，串联的排气电磁阀和排气节流阀Ⅰ组成另一个单元，该处共有三组并联的前述单元；充气电磁阀和排气电磁阀均通过线路与气压数控系统连接；充气节流阀Ⅳ和排气电磁阀连接的第二气管同时也与气流分配阀连接；所述气压表设置于箱体内气动元件组的过滤调压阀后部的线路上。

2.根据权利要求1所述的数控气压柔性加载实验装置，其特征在于：所述外部加压气囊置于实验模型和模型反力架之间，内部加压气囊置于实验模型洞腔内。

3.根据权利要求1所述的数控气压柔性加载实验装置，其特征在于：所述气压数控系统包括气压检测单元和中央控制单元，气压检测单元为置于气站内与第二气管相连检测加压气囊内压的压力传感器，压力传感器通过线路与中央控制单元连接。

4.根据权利要求3所述的数控气压柔性加载实验装置，其特征在于：所述中央控制单元为可编程序控制器。

5.根据权利要求1所述的数控气压柔性加载实验装置，其特征在于：所述可视化人机交互界面为工业计算机。