CN105240350B - 大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，属于模拟岩土结构工程的外部荷载施加技术领域；该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一个多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。本系统可满足实际科研、工程中对具有保载稳压功能、精确施加长期荷载的自动化岩土结构模型试验伺服加载系统的迫切需求。

Description

大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统

技术领域

本发明属于模拟岩土结构工程的外部荷载施加技术领域；特别涉及大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统。

背景技术

在岩石工程中，物理模型试验既有模拟工程实际结构受力变形特点，又能近似模拟岩体内部的断层、错动带等复杂地质缺陷对工程稳定性的影响，克服了数值模拟难以逾越的非连续、非线性、非均质难题，因此其在水利、采矿、隧道等工程中有着极其重要的作用并得到了广泛的应用，例如我国的大中型拱坝基本都做过物理模型试验。

在岩石工程的物理模型试验中，如何准确模拟结构受到的外荷载一直是物理模型试验的难点，这直接关系到模型试验模拟的准确性，传统的模型试验简单的使用多个千斤顶模拟外荷载的施加过程，下面以高拱坝模型试验中给上游坝面施加水荷载为例说明这种情况。

坝面水荷载为三角形分布的面荷载，国内外科研机构普遍采用的坝面水荷载模拟方法是将上游坝面分为数十块区域，根据区域的模拟水深、坝面面力作用面积等计算出每块区域的水荷载大小、荷载作用中心，每块区域使用一个千斤顶模拟水荷载，区域的水荷载作用中心为千斤顶的作用中心，模拟的水荷载合力为千斤顶的作用合力；试验中，千斤顶与上游坝面尽量紧密接触，千斤顶按照出力大小的不同近似分为5-7组出力值，每组千斤顶均与相应的多路分油器连接，用精密压力表来监测多路分油器内部油压，手动或自动控制油压的增大或减少以控制千斤顶的出力荷载。综上，国内外的传统施加面荷载方法比较粗糙，不能实时监控物理模型实际受到的荷载情况并实现伺服加载；而且由于管壁摩擦等的作用，千斤顶的实际出力普遍小于设计值。同时，近年来岩土材料流变模拟在岩石工程中扮演着愈加重要的角色，未来会有更多需要长期(1-3个月)持续施加稳定荷载的物理模型试验以模拟岩石工程长期运行稳定性，而传统的千斤顶加载在长时间施加荷载时可能会出现荷载松弛的情况，这些都一定程度上制约着岩石工程物理模型试验的发展，不能满足实际工程与科研迫切需求。综上，实际工程与科研中对研制一种具有保载稳压功能、精确施加荷载的大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统有着迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是为克服传统加载方法存在的缺陷，提出一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，本系统可满足实际科研、工程中对具有保载稳压功能、精确施加长期荷载的自动化岩土结构模型试验伺服加载系统的迫切需求。

本发明提出的一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，其特征在于，该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一路多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。

本发明系统的特点及有益效果：

本系统在施加荷载过程具有多点加载(最多有106个加载点)，加载过程实时可控，长期持续加载稳定，加载变化迅速、精度高等的特点，可显著降低模型实验中的人力物力消耗，提高实验的精确度：

(1)本系统由106个双作用油缸组成(可进一步扩展)，通过控制程序对各双作用油缸出力/位移进行自动控制，出力变化范围较大；配有油缸缸壁摩擦消除功能，使加载力的精度较高，误差小于1％。

(2)本系统具有良好的交互操作界面，实现实验全过程自动控制，避免手动加载操作引起的失误或误差，且可以对交互操作界面进行二次开发。

(3)本系统采用双作用油缸，每组油缸可以实现加载、卸载伺服控制，且考虑了缸壁摩擦力对实际荷载出力的影响，使实际荷载量值更准确。

(4)本系统采用双路恒压泵站等措施保证设备节能环保，且工作过程噪音较小。

(5)本系统持续工作时间长，可以保证荷载持续稳定施加3个月以上(实验过程中压力损失最大幅度小于1％)，方便岩土结构模型的长期稳定性试验使用。

(6)本系统的每个加载通道都可以独立工作，各通道间也可以按设定模式协同工作。

(7)本系统具有良好的安全保护装置与液压泵冷却系统，且可有效降低突然停电或自动控制失效等意外情况下对试验过程的影响。

本系统不只局限于岩石工程的模型试验领域，且可在航空航天、土木、机械等需要施加面荷载的物理模型试验中使用。特别适用于物理模型实验中需要施加长期稳定荷载的流变试验。

附图说明

图1为本发明系统总体组成示意图；

图2为本发明系统的液压系统连接示意图；

图3为本发明系统的多路分油器结构示意图；

图4为本发明的伺服控制系统连接示意图；

图5为本发明系统的泵站控制箱的连接关系框图；

图6为本发明系统的泵站控制箱的工作流程示意图；

图7为本发明系统的油路控制箱的连接关系框图；

图8为本发明系统的油路控制箱的工作流程框图。

具体实施方式

本发明提出的大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统结合附图及实施例详细说明：

本系统包括由双作用油缸、加载动力源、多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统。如图1所示，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连。

本系统的上述各部分的实施例组成及功能详细说明如下：

1、液压系统由加载动力源、15组双作用油缸、15组多路分油器组成，每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一组多路分油器，如图2所示，各部分的连接关系为：加载动力源通过多路通道与各组多路分油器串联，一个多路分油器与本组的所有双作用油缸串联；各组多路分油器之间为并联，每组多路分油器对应的所有双作用油缸之间为并联。

液压系统各组成部分组成详细说明如下：

1.1、双作用油缸：

本系统选用双作用油缸以满足自动加载和卸载的使用要求。系统合计共有106个双作用油缸；各双作用油缸分15组，每组双作用油缸组成一个通道，即15个通道。组间与组内的双作用油缸为并行独立布置。

每个双作用油缸内带有外置式位移传感器；外置式位移传感器为电子尺(niiko)品牌，KTC-550型号。同组内的双作用油缸共安装一个电液伺服阀以对组内的所有双作用油缸进行控制；电液伺服阀采用美国MOOG公司生产的D633R16KD1M1VSS2型号，额定流量63L/min，工作压力20MPa，该电液伺服阀采用直动式电液伺服技术，用来控制液流的开启、停止和方向。伺服控制系统通过外置式位移传感器收到位移反馈结果，进而通过控制电液伺服阀而控制双作用油缸的位移。在完成静荷载加载的同时，也可以通过外置式位移传感器和电液伺服阀共同作用模拟震动荷载。

双作用油缸行程在200mm～300mm之间，具体双作用油缸特性与数量见表1。根据双作用油缸的出力要求和标准的缸径，由公式P＝F/S(P、F、S分别为双作用油缸加载时缸内的油压、表面加载压力，双作用油缸缸内的受压面积)计算出加载时缸内的油压；双作用油缸数量及相应的出力与行程参数见表2。双作用油缸的尺寸及密封采用国际标准制作，以避免双作用油缸的密封配件采购及使用的麻烦。

表1双作用油缸最大行程和数量统计表

表2双作用油缸的加载通道数量及相应的出力与尺寸参数表

本发明提出了基于最小二乘法的双作用油缸摩擦力消除控制方法，并实现了对缸壁摩擦力的自动“消除”。传统的加载设备忽略了双作用油缸或千斤顶与其内壁之间的摩擦力对实际出力的损耗，本发明通过以下措施有效的克服了摩擦力对实际出力的影响：每一个双作用油缸在投入使用前，测试不同缸内油压力情况下(分别选取双作用油缸设计最大出力值的5％、20％、40％、60％、80％、100％)油缸内油压与实际出力的对应关系，对这些散点进行曲线拟合；将曲线数据存入协调控制计算机中的控制程序中，在实际工作时，伺服控制系统会自动根据实际出压的要求值反算双作用油缸的应有油压力，进而自动调整双作用油缸内油压值等；该方法有效的克服了双作用油缸缸内壁的摩擦力对实际输出荷载的影响，保证实际加载出力的准确。

1.2、加载动力源：

加载动力源由主动力源、手动补压系统二部分构成，主动力源与手动补压系统为并联连接。

1.2.1、主动力源采用双路恒压泵站，双路恒压泵站包括低压泵组、高压泵组、油箱加热器、管式单向阀、板式连接高压比例溢流阀、板式连接低压比例溢流阀、大功率冷却器、设有旁通阀和压差发讯装置的高低压油滤模块、油压传感器、耐震压力表、双金属温度计等。其中：油箱加热器安装在低压泵组和高压泵组的液压油箱上；双金属温度计测量段置于油箱内；管式单向阀安装在双路恒压泵站的低压泵组和高压泵组的出口管路中；板式连接高压/低压比例溢流阀安装在低压泵组与高压泵组的出口处(低压泵组与高压泵组分别安装不同型号的板式连接比例溢流阀)；高低压油滤模块和大功率冷却器安装在低压泵组与高压泵组的高压输出端的不同等级压力管路中，在输出端的压力管路高低压油滤模块还设有旁通阀和压差发讯装置；每个泵组有2只油压传感器，其中一只位于板式连接高压/低压比例溢流阀后，监测板式连接高压/低压比例溢流阀出口的压力；另一只在多路分油器上，监测主油路模块的压力。耐震压力表安装在板式连接比例溢流阀出口处。

低压泵组由ABB电机(1.5KW，型号M2QA160M6A/B3/1.5KW/380V/50HZ)、柱塞泵、联轴器和液压油箱组成，压力等级31.5MPa，功率1.5KW，转速1470r/min，最大流量3.75L/min，液压泵最大工作压力为21MPa，旋转方向从泵轴端看为顺时针方向。ABB电机(1.5KW)通过联轴器与柱塞泵相连，柱塞泵安装在液压油箱上盖上部，为液压系统提供动力油源。

高压泵组由ABB电机(7.5KW，型号M2QA160M6A/B3/7.5KW/380V/50HZ)、柱塞泵、联轴器和液压油箱组成，压力等级31.5MPa，功率7.5KW，转速1470r/min，最大流量15L/min，液压泵最大工作压力为10MPa，旋转方向从泵轴端看为顺时针方向，ABB电机(7.5KW)通过联轴器与柱塞泵相连，柱塞泵安装在其连接的液压油箱上盖上，为液压系统提供动力油源。

双路恒压泵站是两组压力不同，流量不同的加压泵组，采用双路恒压泵站的目的是在主动力源的双作用油缸加压初期同时启动两个泵组，加快空载运行速度，当所有回路都达到设定压力时，高压泵组关闭，低压泵组也同时关闭；当加载回路需要补压时自动启动低压泵组完成补压，补压完成低压泵组停止工作。以上运行方式均由泵站控制箱及协调控制计算机自动控制，可起到环保节能节省经费的目的。

双路恒压泵站的油箱加热器功率1KW，交流电源电压220V，频率50HZ，油箱加热器用于加热液压油箱中油液，安装在液压油箱侧板上；当液压油箱油温降至25°时启动油箱加热器加热油液，当液压油箱油温升至35°时油箱加热器断电，停止加热油液。

高压泵组和低压泵组出口管路上管式单向阀的公称通径分别为10mm和6mm，压力等级31.5MPa，开启压力0.035MPa，管式单向阀的作用是防止高压泵组或低压泵组停止工作时油液倒流回泵组中，提高双路恒压泵站的稳定性。

低压泵组出口的板式连接低压比例溢流阀(意大利阿托斯品牌，型号：RZMO-AE-06/315/I)，公称通径6mm，最大调节压力31.5MPa，最低调解压力0.7MPa，最大流量4L/min，直流电压24DV，输入信号4～20mA，控制油内控内泄，板式连接低压比例溢流阀的压力调整量与输入电信号成正比。

高压泵组出口板式连接高压比例溢流阀(意大利阿托斯品牌，型号：AGMZO-AE-10/315/I)，公称通径10mm，最大调节压力31.5MPa，最低调解压力0.7MPa，最大流量200L/min，直流电压24DV，输入信号4～20mA，控制油内控内泄，板式连接高压比例溢流阀的压力调整量与输入电信号成正比；板式连接高压比例溢流阀还配有手动压力调整功能，可以限制最大油压力值。

高压泵组和低压泵组的高压输出端的高低压油滤模块安装在不同等级压力管路出口上，用以清除或阻挡由于外界带入元件工作时磨损以及油介质本身化学作用所产生的杂质。高低压油滤模块特别适用于伺服控制系统，可防止高精度的控制元件和执行元件由于污染而过早磨损或卡死，从而可以减少故障，延长元件使用寿命，高低压油滤模块的旁通阀和压差发讯装置起到双重保护功能。

每个泵组的油压传感器共2只，工作电压为DV24V，输出信号为4～20mA，可显示测量点压力，可测压力范围0～21MPa。

大功率冷却器为风冷却器，型号FL-2，风机功率90W、转速1800RPM，串接在主油路模块上具有散热的功能，以降低油温；当连续加压液压油会升温当达到设定温度时，启动大功率冷却器，对液压油进行散热冷却。

双金属温度计为上海傲龙牌WSS-484型号，量程0-100℃。

耐震压力表为通用型YN-60型号，测压范围(0～25)MPA；安装在板式连接高压/低压比例溢流阀和液压锁之间，用于测量板式连接高压/低压比例溢流阀出口的压力。

1.2.2、加载动力源的手动补压系统由与每组多路分油器相连的通道中安装的快关阀门与手动补压泵组成；手动补压系统以满足临时停电或伺服控制系统失效情况下不间断试验的需要。

当伺服控制系统长时间失电，无法自动补压时，接上手动补压泵把压力调到该油路正常的压力大小，打开快关阀门，启动手动补压，达到试验要求压力后关闭快关阀门，取下手动补压泵，该通道手动补压结束；其它通道需要手动补压可依照上述方法依次进行。

1.3、多路分油器：

由于加载方式为静载或准静态加载，对加载端移动速度要求较低，且无加载方向的快速变化需求，因此本系统采用15个多路分油器并联连接，每组多路分油器连接多个双作用油缸，以分组加载的方式满足实际加载的需求。多路分油器采用分模块设计，每一个多路分油器控制的多个双作用油缸为一模块；每一模块可独立安装，亦可根据需要叠加安装任意数量的模块。在不需要时可以方便地卸掉，多路分油器结构及连接方式如图3所示。

多路分油器由主油路模块、伺服比例减压阀、三位四通电磁换向阀、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表、电液伺服阀、液压锁等部件组成。主油路模块为一个安装平台，采用集成块集成，通过现代的车工技术，根据需要在主油路模块的内部加工出设计的连接管路，及用于安装伺服比例减压阀、三位四通电磁换向阀、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表等部件的位置，并实现液压控制的功能。各部件的具体连接关系为：伺服比例减压阀与双路恒压泵站的出口管路直接相连，三位四通电磁换向阀分别与伺服比例减压阀、双路恒压泵站的高低压油滤模块、液压锁相连，在三位四通电磁换向阀旁安装电液伺服阀，在三位四通电磁换向阀和双作用油缸之间依次安装液压锁、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表，双作用油缸的回路依次通过液压锁、三位四通电磁换向阀进入双路恒压泵站。

如表2所示，本伺服加载系统共有7种出力大小，15组共106个双作用油缸。每组中所有的双作用油缸出口处共用一个多路分油器，每个多路分油器的出口段有一个伺服比例减压阀和一个三位四通电磁换向阀，控制该组所有双作用油缸的加载与卸载，同组内所有双作用油缸的加载出力值与卸荷速度相同。

①主油路模块：每组双作用油缸连接一个多路分油器，每个多路分油器的核心部分为主油路模块。每个主油路模块是通过由一个安装在伺服控制系统中的伺服控制与采样板来控制该主油路模块上的伺服比例减压阀和三位四通电磁换向阀进而控制该主油路模块对应的所有双作用油缸内的油压力，每个主油路模块可以独立工作，也可以和其它主油路模块按照设定模式协同工作。

②伺服比例减压阀：采用阿托斯产品(型号AGRCZO-AE-10/210/I)，如表2所示，本系统共有7种不同类型共15组双作用油缸：前面的10组双作用油缸的缸内油压在13MPa以下，油压较小，因此伺服比例减压阀采用的板式连接，公称通径10mm，最大调节压力21MPa，最大流量为160L/min，输入信号4～20mA，该阀为两级常闭式比例减压阀，被调压力与输入电信号成比例关系；后面的5组双作用油缸由于油缸内油压达到了20MPa以上，因此采用的伺服比例减压阀为板式连接，公称通径10mm，最大调节压力31.5MPa，最大流量为160L/min，输入信号4-20mA；该阀也为两级常闭式比例减压阀，被调压力与输入的电信号成比例关系。

③液压锁又名液控单向阀，为德国力士乐产品；当系统进入保压状态时液压锁保证液压油不会倒流入油箱中。

④三位四通电磁换向阀：为电磁铁操作的换向滑阀，用来控制双作用油缸内液流的开启、停止和方向。电磁铁断电时阀芯被复位弹簧推回到原始位置。当左电磁铁通电时，电磁铁的力经推杆作用在阀芯上，将阀芯由静止状态推到所需的工作位置，液流由P到A，B到T通，油缸推出；当右电磁铁通电时，电磁铁的力经推杆作用在阀芯上，将阀芯由静止状态推到所需的工作位置，液流由P到B，A到T通，双作用油缸退回。

为在长时间断油状态下保持加载力稳定，在多路分油器上采用三位四通电磁换向阀打开和切断供油与回油管路。当加载力达到设定值时或突然断电的情况下，三位四通电磁换向阀电磁铁断电，电磁换向阀处在中间位置，液压锁反向关闭以使油压保持达到的加载力。考虑双作用油缸正负油腔相互泄漏造成的系统失压因素。

多路分油器上加装大容量的皮囊式高压蓄能器组，形成断电保压功能：当试验期间断电时，三位四通电磁换向阀和液压锁同时作用关断了多路分油器上的供油和回油管道，同时大容量的皮囊式高压蓄能器组会及时补偿由于油液泄露造成的系统失压，使得系统压力在突然断电后24小时以内不会衰减。同时，每组双作用油缸安装有一套快关阀门与手动补压泵组成手动补压系统，在多路分油器上加装耐震压力表和快关阀门：当伺服控制系统长时间失电，无法伺服自动补压时，接上手动补压泵把压力调到该组缸内压力的需要值大小，打开快关阀门，再手动补压，达到设定值后关闭快关阀门，取下手动加压泵，该路手动补压结束。

2、如图4所示，伺服控制系统主要组成包括：由两个相互连接的2个操作台(操作台一、操作台二)组成的控制台、储存有试验相关数据库的协调控制计算机、泵站控制箱、并联的15套油路控制箱，其中，控制台(2个操作台)、泵站控制箱、15套油路控制箱分别与协调控制计算机相连。

(1)本实施例的控制台(2个操作台)：采用戴尔商用PC(780MT)，22吋液晶显示器，其中预先存储有使用Microsoft Visual Studio开发的控制程序；控制台用于接收操作者的控制指令、并将指令传达给协调控制计算机，同时加载数据与压力数据的统计分析、报表和统计曲线图由控制台中的程序自动生成。2个操作台分别位于泵站控制箱和油路控制箱上：泵站控制箱上的操作台控制泵站电机的启动和停止以保证管道所需要的压力；每个油路控制箱上的操作台是为了调整每一路双作用油缸压力而制作的。

(2)协调控制计算机：协调控制计算机，用于对生产流程、数据参数等过程中机器设备进行检测与控制，是控制指令和采样信号的转发者，也是加载数据的存储者。

本系统的协调控制计算机选用美国研华科技公司生产的研华IPC-610工控机，预先存储有用Microsoft Visual Studio开发而成的检测与控制程序，运行于Windows系统平台，数据存储采用SQL Server数据库。协调控制计算机是控制指令和采样信号的转发者，同时也是加载数据的存储者。协调控制计算机通过RS485接口与油路控制箱和泵站控制箱通讯，通过以太网接口与控制台通讯。如图4所示，协调控制计算机将控制指令转发给泵站控制箱和油路控制箱中的控制板，将各泵站及油路的运行状态等信息传递给控制台，协调控制计算机实现上述的功能的检查与控制程序均由编程人员根据常规编程技术编制而成。

(3)泵站控制箱：泵站控制箱内置泵站控制板，采用意法半导体公司的STM32-F107内核产品，STM32-F107内核是意法公司生产的全新STM32互连型系列微控制器中性能较强产品，采用IAR Embedded Workbench for ARM及PID算法开发而成，泵站控制板监测泵站油压和油温信号，保证采样与控制的正确执行。

泵站控制箱具有高速模拟采集通道、高精度可控模拟输出通道、实时的三路数字可控输出通道、高速RS485通讯接口(该接口没有使用到)等四种信号输入输出通道或接口。如图5所示，泵站控制箱输入端与加载动力源中双路恒压泵站和多路分油器中安装的油压传感器、温度计、三位四通电磁换向阀等相连。其中，压力传感器为模拟信号输出，其输出端直接接到泵站控制板的高速模拟采集通道；三位四通电磁换向阀与泵站控制板的实时的三路数字可控输出通道连接；滤油模块的旁通阀和压差发讯装置与泵站控制板的高精度可控模拟(高精度可控模拟输出通道即为一个通道名称)输出通道连接。泵站控制箱输出端分别与加载动力源的高压泵组(最大工作压力21MPa)、板式连接高压比例溢流阀、低压泵组(最大工作压力10MPa)、板式连接低压比例溢流阀和油箱加热器等相连。

泵站控制箱的工作流程如图6所示，控制高压泵组和低压泵组的运行、板式连接高压/低压比例溢流阀的压力和油箱加热器的工作状态；本伺服加载系统运行之后，泵站控制箱实时监测高压泵组或低压泵组的温度、压力等数据，并由程序对监测数据实时反馈进而控制高压泵组或低压泵组的温度、压力等指标。

(4)油路控制箱：本系统共有15套油路控制箱，每套油路控制箱内置一套伺服控制与采样板，用于控制对应的油路。伺服控制与采样板采用意法半导体公司的STM32-F107工业级CPU芯片，内存有采用IAR Embedded Workbench for ARM及PID算法开发的程序，保证对油路采样与控制的正确执行。油路控制箱的工作逻辑框图与连接关系如图7所示。油路控制箱的输入端与本组多路分油器中的油压传感器相连；输出端与多路分油器的伺服比例减压阀和三位四通电磁换向阀连接。

油路控制箱内安装的伺服控制与采样板采用意法半导体公司的STM32-F107工业级CPU芯片具有高速模拟采集通道、高精度可控模拟输出通道、实时的三路数字可控输出通道、高速RS485通讯接口。油压传感器为模拟信号输出，因此，其直接接到伺服控制与采样板的高速模拟采集通道；伺服比例减压阀和三位四通电磁换向阀接到伺服控制与采样板的实时的三路数字可控输出通道。伺服控制与采样板监测各路的油压信号，控制伺服比例减压阀和三位四通电磁换向阀的运行，其工作流程如图8所示：通过定时或实时采集油压传感器的油压信号，输入到伺服控制与采样板进行分析并反馈处理进而实现对油路压力的伺服控制。

本实施例系统的操作过程：

(1)系统校正：对每一个即将用到的油缸，测试不同压力情况下(分别选设计最大出力的5％、20％、40％、60％、80％、100％)油缸内油压与实际出力的对应关系，对这些散点进行曲线拟合；将各双作用油缸的编号及曲线数据存入协调控制计算机的程序中。

(2)设置泵站控制箱、各油路控制箱的CPU编号：在初次连接与实验中要对泵站控制箱CPU编号和各油路控制箱的CPU编号进行设置，并且对应，在今后的使用中无需再设置。设置泵站控制箱、各油路控制箱的CPU编号是为了让泵站控制箱的伺服控制与采样板、各油路控制箱中的控制板与控制软件中相应的油路对应，也就是为了协调控制计算机对泵站控制箱和各个油路控制箱进行识别和编号。

(3)设置油路的安装位置：把实际的油路与实验中的油路对应起来，并添加到实验序列里，储存在协调控制计算机中。

(4)设置加载参数和实验信息：对本次实验每层加载的加载参数和试验信息进行设置，包括每次加载的压力、层数等。

(5)启动加载；

(6)根据实时的加载过程监控结果(温度、压力等反馈)，在控制台上对实时加载过程自动或手动设置与调整；

(7)如果出现断电、自动控制失效等情况，可使用手动补压装置补充压力；

(8)试验结束，利用控制软件对试验结果进行初步分析处理，导出实验数据；

(9)关机。

Claims (8)

1.一种大型多功能岩土结构模型试验平台多点伺服加载系统，其特征在于，该系统包括：由15组双作用油缸、加载动力源、15路多路分油器组成的液压系统，以及伺服控制系统，其中，加载动力源通过多路分油器与双作用油缸相连，伺服控制系统分别与加载动力源和多路分油器相连；每组双作用油缸由出力相同的多个双作用油缸构成；每组双作用油缸对应一路多路分油器，每组双作用油缸组成一个通道，组间与组内的双作用油缸为并行独立布置；所述加载动力源由主动力源、手动补压系统两部分构成，主动力源与手动补压系统为并联连接；所述主动力源采用双路恒压泵站，双路恒压泵站主要包括低压泵组、高压泵组、油箱加热器、管式单向阀、板式连接高压比例溢流阀、板式连接低压比例溢流阀、设有旁通阀和压差发讯装置的高/低压油滤模块、油压传感器、耐震压力表、双金属温度计；其中：油箱加热器安装在低压泵组和高压泵组的液压油箱上；双金属温度计测量段置于油箱内；管式单向阀安装在双路恒压泵站的低压泵组和高压泵组的出口管路中；板式连接高压/低压比例溢流阀分别安装在高压泵组与低压泵组的出口处；高/低压油滤模块分别安装在高压泵组与低压泵组的高压输出端的不同等级压力管路中，在输出端的压力管路，高/低压油滤模块还设有旁通阀和压差发讯装置；每个泵组有2只油压传感器，其中一只位于板式连接高压/低压比例溢流阀后，监测板式连接高压/低压比例溢流阀出口的压力；另一只在多路分油器上，监测主油路模块的压力；耐震压力表安装在板式连接高压/低压比例溢流阀的出口处；所述手动补压系统由与每组多路分油器相连的通道中安装的快关阀门与手动补压泵组成，以满足临时停电或伺服控制系统失效情况下不间断试验的需要。

2.如权利要求1所述的伺服加载系统，其特征在于，每个所述双作用油缸带有外置式位移传感器；同组内的双作用油缸共安装一个电液伺服阀以对组内的所有双作用油缸进行控制。

3.如权利要求1所述的伺服加载系统，其特征在于，所述多路分油器包括主油路模块、伺服比例减压阀、三位四通电磁换向阀、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表、电液伺服阀、液压锁；主油路模块为一个安装模块，用于安装伺服比例减压阀、三位四通电磁换向阀、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表的位置，并实现液压控制的功能，各部件的具体连接关系为：伺服比例减压阀与双路恒压泵站的出口管路直接相连，三位四通电磁换向阀分别与伺服比例减压阀、液压锁、双路恒压泵站的高/低压油滤模块相连，在三位四通电磁换向阀旁安装电液伺服阀，在三位四通电磁换向阀和双作用油缸之间依次安装液压锁、油压传感器、皮囊式高压蓄能器组、压力显示表，双作用油缸的回路依次通过液压锁、三位四通电磁换向阀进入双路恒压泵站。

4.如权利要求3所述的伺服加载系统，其特征在于，伺服控制系统主要组成包括：由两个相互连接的操作台组成的控制台、储存有试验相关数据库的协调控制计算机、泵站控制箱、并联的15套油路控制箱，其中，控制台、泵站控制箱、各套油路控制箱分别与协调控制计算机相连；所述两个操作台中预先存储有控制程序；控制台用于接收操作者的控制指令、并将指令传达给协调控制计算机，同时加载数据与压力数据的统计分析、报表和统计曲线图由操作台中的程序自动生成，两个操作台分别位于泵站控制箱和油路控制箱上：泵站控制箱上的操作台控制泵站电机的启动和停止以保证管道所需要的压力；每个油路控制箱上的操作台用于调整每一路双作用油缸压力。

5.如权利要求4所述的伺服加载系统，其特征在于，所述协调控制计算机，用于对生产流程、数据参数过程中机器设备进行检测与控制，是控制指令和采样信号的转发者，也是加载数据的存储者；协调控制计算机通过RS485接口与油路控制箱和泵站控制箱通讯，通过以太网接口与控制台通讯。

6.如权利要求5所述的伺服加载系统，其特征在于，所述协调控制计算机中的控制程序中预先存储有每一个双作用油缸在投入使用前，测试缸内不同油压力情况下油缸内油压与实际出力的对应关系的曲线数据，在实际工作时，伺服控制系统自动根据实际出力的要求值反算双作用油缸的应有油压力，进而自动调整双作用油缸内油压值；实现对缸壁摩擦力的自动消除，以保证实际出力的准确。

7.如权利要求4所述的伺服加载系统，其特征在于，所述泵站控制箱内置泵站控制板，泵站控制板监测泵站油压和油温信号，保证采样与控制的正确执行。

8.如权利要求4所述的伺服加载系统，其特征在于，所述每套油路控制箱内置一套伺服控制与采样板，用于控制对应的油路；油路控制箱的输入端与本组多路分油器中的油压传感器相连；油路控制箱的输出端与多路分油器的伺服比例减压阀和三位四通电磁换向阀连接。