CN115389322A - 一种真三轴试验仪双向同步加载方法 - Google Patents

一种真三轴试验仪双向同步加载方法 Download PDF

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Abstract

一种真三轴试验仪双向同步加载方法，属于岩石力学室内试验技术领域，包括以下步骤：步骤S1，装样并调整试样在试件盒及刚性加载框架中心；步骤S2，通过计算机控制面板设置参数并发送动作指令；步骤S3，PID控制器采集各传感器收集到的负荷信号，协调三轴双向加载负荷的大小，实现单一指令双向同步加载。本发明方法确保加载前岩石试样保持在压力舱正中心，从而使加载轴线的焦点始终与试件的中心保持在空间同一位置上，并实现了单一指令下同一方向上两作动器同步加载的功能，确保试验的准确性，大大降低试验人员因操作不当导致试验失败的概率。

Description

一种真三轴试验仪双向同步加载方法
技术领域
本发明属于岩石力学室内试验技术领域，具体涉及一种真三轴试验仪双向同步加载方法。
背景技术
当今世界经济的迅速发展，地球浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，同时水利工程、隧道工程以及地下实验室等均面临着大埋深，高地应力对施工安全性的挑战。随着地下工程不断往深部延伸，且工程规模越来越大，所涉及的岩石力学问题越来越复杂，工程灾害频发，导致人员伤亡和设备损毁惨重。经常发生岩爆事故，如挪威的赫古拉公路隧道、美国爱达荷北部的科达尔铅锌银矿岩爆事故等。
针对上述工程难题，国内外学者对岩石力学相关的研究投入了大量精力，研发了很多应用于岩石力学室内试验的相关仪器，从最早的单轴压缩仪、常规三轴压缩仪，到如今的真三轴试验仪、扰动真三轴试验仪，随着试验仪器的不断更新，专家学者们已经通过室内试验解决了大量工程问题，对岩石力学相关理论有了更多新的认识。
为了还原岩石在工程岩体开挖前的初始应力状态，需要真三轴试验仪在应力加载过程中最大限度的减少对岩石的影响，比如出现受力不均、产生偏载的现象，这些现象多数是由于加载之前岩石试样没有保持在压力舱正中心，或同一方向上的两个作动器没有以相同的速率进行加载，其根本原因在于目前的三轴试验仪在试样对中或应力加载过程中，同一方向的两个作动器是独立的，需要分别进行参数设定和控制，想要精准地完成上述工作，对试验人员操作的准确度要求很高。为此，提出了一种真三轴试验仪双向同步加载系统及方法，可确保加载前岩石试样保持在压力舱正中心，从而使加载轴线的焦点始终与试件的中心保持在空间同一位置上，并实现单一指令下同一方向上两作动器同步加载的功能，确保试验的准确性，大大降低试验人员因操作不当导致试验失败的概率。
发明内容
本发明的目的是针对现有三轴试验仪同一方向的两个作动器是独立的，需要分别进行参数的设定和控制，难以精准的完成试样对中或应力加载工作。提出了一种真三轴试验仪双向同步加载方法，实现单一指令下同一方向上两作动器同步加载的功能，确保试验的准确性，大大降低试验人员因操作不当导致试验失败的概率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种真三轴试验仪双向同步加载方法，包括以下步骤：
步骤S1，装样并调整试样在试件盒及刚性加载框架中心；
步骤S2，通过计算机控制面板设置参数并发送动作指令；
步骤S3，PID控制器采集各传感器收集到的负荷信号，协调三轴双向加载负荷的大小，实现单一指令双向同步加载。
步骤S1中所述试样、试件盒及刚性加载框架的轴心共线设置。
步骤S2具体为：通过计算机控制面板选择加载方式、输入X、Y、Z三个方向的加载速率及目标载荷值，而后发送动作指令。
步骤S3所述的各传感器为负荷传感器，分设置于X、Y、Z三个方向上。
位于同一方向的负荷传感器设置为两个，即X向安装有X1负荷传感器和X2向负荷传感器，Y向安装有Y1向负荷传感器和Y2向负荷传感器，Z向安装有Z1向负荷传感器和Z2向负荷传感器。
步骤S3具体为：为了实现单一指令双向同步加载，利用iADA电压放大模块和iDCA信号整合模块将同一轴上的两个加载作动器进行串联，通过计算机发送加载指令给同一轴上的其中一个加载作动器，此时PID控制器Ⅰ收到电信号Ⅰ，PID控制器Ⅰ通过控制电液伺服阀使加载作动器发生加载动作，此方向上的负荷传感器实时记录数据并反馈到PID控制器Ⅰ，实现同一轴上其中一个方向的控制闭环；同时，电信号Ⅰ通过iADA电压放大模块放大为电信号Ⅱ，再通过iDCA信号整合模块整合后将电信号Ⅱ传到PID控制器Ⅱ，PID控制器Ⅱ通过控制电液伺服阀使同一轴上的另一个加载作动器发生加载动作，此方向上的负荷传感器实时记录数据并反馈到PID控制器Ⅱ，实现同一轴上的另一个方向的控制闭环；此时即实现了单一指令双向同步加载。
所述PID控制器Ⅰ和PID控制器Ⅱ采用全数字控制器，型号为：DOli EDC I50；电液伺服阀的型号为MOOG G761或MOOG D633。
本发明的技术效果为：
本发明通过一种真三轴试验仪双向同步加载方法确保加载前岩石试样保持在压力舱正中心，从而使加载轴线的焦点始终与试件的中心保持在空间同一位置上，并实现了单一指令下同一方向上两作动器同步加载的功能，确保试验的准确性，大大降低试验人员因操作不当导致试验失败的概率。
附图说明
图1为本发明的一种真三轴实验仪双向同步加载方法的实施流程图；
图2为本发明中的刚性加载框架示意图；
图3为本发明中的水平加载框架示意图；
图4为本发明中的竖直加载框架位置图；
图5为本发明的Z向负荷同步控制原理示意图；
1-基准平台；2-水平加载系统；3-竖直加载系统；4-试件盒；5-下部限位环；6-导轨限位块；7-X1向加载作动器；8-X1向油缸阀块；9-X1向电液伺服阀；10-Y1向加载作动器；11-Y1向油缸阀块；12-负荷传感器连接插头；13-导向柱；14-上部限位环；15-Z2向电液伺服阀；16-Z2向油缸阀块；17-Z2向加载作动器；18-Z2向负荷传感器；19-导轨；20-提升油缸；21-提升阀座；22-Z1向加载作动器；23-Z1向电液伺服阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例中采用公开号为CN110987673A的真三轴试验仪作为加载装置。
如图2所示，所述的真三轴试验仪包括刚性加载框架、同步加载模块、数据自动采集模块、基准平台1以及依次安装于基准平台1上的水平加载系统2及竖直加载系统3，所述刚性加载框架按照空间直角坐标系设置，并将三轴分为X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2六个方向，其中，每一个方向对应一个加载作动器，六个方向的加载作动器均可在各自方向上做自由的直线运动，其加载轴线的焦点始终与试件的中心保持在空间同一位置上；水平加载框架系统2用于确定试件盒4的X和Y两方向位置，竖直加载系统3用于确定试件盒4的Z方向位置；
用于确定中心位置的校准试件盒4安装于水平加载系统2和竖向加载系统3之间，试件盒4由上下两个半盒组成，上半盒和下半盒扣合在一起构成完整的试件盒4，由水平加载系统2中的轨道19和导轨限位块6限制试件盒4在X和Y两个方向的位置；所述试件盒4为具有内部空间的立方体，该立方体的六个面的中心位置分别具有圆盘，所述圆盘的面积与加载作动器的横截面的面积相适应；
如图3所示，水平加载系统2的水平加载框架上安装有X1向加载作动器7、X2向加载作动器、Y1向加载作动器10、Y2向加载作动器、X1向负荷传感器、X2向负荷传感器、Y1向负荷传感器、Y2向负荷传感器、负荷传感器连接插头12及导向柱13，导向柱13上安装有上部限位环14和下部限位环5，用于限制试件盒4的Z方向位置；X1向加载作动器7上安装有 X1向油缸阀块8及X1向电液伺服阀9；X2向加载作动器上安装有X2向油缸阀块及X2向电液伺服阀；Y1向加载作动器10上安装有Y1向油缸阀块11及Y1向电液伺服阀；Y2向加载作动器上安装有Y2向油缸阀块及Y2向电液伺服阀；Z1向加载作动器22上安装有Z1向油缸阀块及Z1向电液伺服阀23；Z2向加载作动器17上安装有Z2向油缸阀块16及Z2向电液伺服阀15；
如图4所示，所述竖向加载系统的竖直加载框架上安装有Z1向加载作动器22、Z2向加载作动器17、Z1向负荷传感器、Z2向负荷传感器18；所述竖直加载框架可通过提升阀座21控制提升油缸20实现上升下降，卸载时竖直加载框架上升，加载时竖直加载框架下降。
数据自动采集模块可进行菜单式试验设置，自动标定，自动清零，故障自诊断，多功能软保护，测量和控制精度高，并且可以实时自动记录加载力的大小，同时绘制出应力——应变曲线。
如图1和图5所示，一种真三轴试验仪双向同步加载方法，包括以下步骤：
步骤1，装样并调整试样在试件盒4及刚性加载框架中心；
将尺寸为50×50×100mm的立方体硬岩试样放置到下半盒内部，并调节下半盒与底座齐平，保证试样在试件盒4中心，盖上试件盒4上半盒，将试件盒4小车推入刚性加载框架，安装导轨限位块6固定试件盒4位置，保证试件盒4在刚性加载框架中心，连接X1、X2、Y1、Y2、Z1及Z2向负荷传感器，竖直加载框架下落；
步骤2，通过计算机控制面板设置参数并发送动作指令；
通过计算机控制面板点击POS对中，使得各个方向加载作动器压头与试件盒4圆盘刚好接触，然后选择力加载模式、输入X、Y、Z三方向加载速率、目标荷载值，发送动作指令；
步骤3，PID控制器采集各传感器收集到的负荷信号，协调三轴双向加载负荷的大小，实现单一指令双向同步加载；
具体为：双向同步加载原理如图5所示，本实施例中以Z方向为例：为了实现单一指令 Z1加载作动器与Z2加载作动器同步加载，利用iADA电压放大模块和iDCA信号整合模块将两部分进行串联，此时通过计算机发送加载指令给Z1方向的Z1向加载作动器22，PID控制器Ⅰ会收到一个20mv的电信号，PID控制器Ⅰ通过控制Z1向电液伺服阀23使Z1加载作动器22发生加载动作，Z1向负荷传感器实时记录数据并反馈到PID控制器Ⅰ，实现Z1方向的控制闭环；同时，Z1信号通过iADA电压放大模块变为±10v，再通过iDCA信号整合模块整合后将电信号传到PID控制器Ⅱ，PID控制器Ⅱ通过控制Z2向电液伺服阀15使Z2向加载作动器17发生加载动作，Z2向负荷传感器18实时记录数据并反馈到PID控制器Ⅱ，实现Z2方向的控制闭环；此时即实现了一个信号控制Z1向加载作动器22与Z2向加载作动器同步加载，并且同一信号进行控制也不会影响用PID控制器Ⅰ与PID控制器Ⅱ分别控制两个加载作动器的工作。
其中iADA电压放大模块4个独立的±10V，24位模拟输入；4个独立的±10V，16位模拟输出；+5VDC供电，用于模拟量电位计；+24VDC供电；不再有±2VDC输入。
iDCA信号整合模块用于模拟测量放大模块，10v直流激励电压，用于直流供电传感器；信噪比SNR91dB@1ms滤波；10ppm/k温漂；输入信号范围±5mV到±10mV，放大率可调。
PID控制器Ⅰ和PID控制器Ⅱ采用全数字控制器，型号为：DOli EDC I50；电液伺服阀的型号为MOOG G761或MOOG D633。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此，本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，装样并调整试样在试件盒及刚性加载框架中心；
步骤S2，通过计算机控制面板设置参数并发送动作指令；
步骤S3，PID控制器采集各传感器收集到的负荷信号，协调三轴双向加载负荷的大小，实现单一指令双向同步加载。
2.根据权利要求1所述的一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于：步骤S1中所述试样、试件盒及刚性加载框架的轴心共线设置。
3.根据权利要求1所述的一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于：步骤S2具体为：通过计算机控制面板选择加载方式、输入X、Y、Z三个方向的加载速率及目标载荷值，而后发送动作指令。
4.根据权利要求1所述的一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于：步骤S3所述的各传感器为负荷传感器，分设置于X、Y、Z三个方向上。
5.根据权利要求4所述的一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于：位于同一方向的负荷传感器设置为两个，即X向安装有X1负荷传感器和X2向负荷传感器，Y向安装有Y1向负荷传感器和Y2向负荷传感器，Z向安装有Z1向负荷传感器和Z2向负荷传感器。
6.根据权利要求1所述的一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于：步骤S3具体为：为了实现单一指令双向同步加载，利用iADA电压放大模块和iDCA信号整合模块将同一轴上的两个加载作动器进行串联，通过计算机发送加载指令给同一轴上的其中一个加载作动器，此时PID控制器Ⅰ收到电信号Ⅰ，PID控制器Ⅰ通过控制电液伺服阀使加载作动器发生加载动作，此方向上的负荷传感器实时记录数据并反馈到PID控制器Ⅰ，实现同一轴上其中一个方向的控制闭环；同时，电信号Ⅰ通过iADA电压放大模块放大为电信号Ⅱ，再通过iDCA信号整合模块整合后将电信号Ⅱ传到PID控制器Ⅱ，PID控制器Ⅱ通过控制电液伺服阀使同一轴上的另一个加载作动器发生加载动作，此方向上的负荷传感器实时记录数据并反馈到PID控制器Ⅱ，实现同一轴上的另一个方向的控制闭环；此时即实现了单一指令双向同步加载。
7.根据权利要求6所述的一种真三轴试验仪双向同步加载方法，其特征在于：所述PID控制器Ⅰ和PID控制器Ⅱ采用全数字控制器，型号为：DOli EDC I50；电液伺服阀的型号为MOOG G761或MOOG D633。
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