专利名称：适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在矿山、能源、水电、交通、国防等岩土工程技术领域，尤其涉及岩土工程相似模型试验中实现对模型高精度加卸载伺服控制的一种适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统。
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(I)《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。(9)申请号为200910256022. 3的中国专利公开了一种模型试验数控加压系统及其控制方法，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。在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。但不能实现逐级卸载，同时加载精度和长时保压效果不理想。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术存在的地下工程模型试验中不能实现逐级卸载，加卸载精度和长时保压效果不理想的问题；提供一种适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统；采用模块化分油路设计，总油路采用电液比例溢流阀控制压力， 各分油路采用可控电磁单向阀和三位四通电磁阀实现与总油路的联通与断开，实现各分油路的设定压力，实现了模型试验加载和卸载的计算机伺服智能高精度控制。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，包括液压站，加卸载控制系统，总油路，至少一路分油路，液压站与总油路连接，总油路和各分油路之间采用连接管路连接，每一路分油路与分流阀和双作用油缸连接，加卸载控制系统分别与控制液压站、总油路和各分油路连接，加卸载控制系统通过操作计算机软件，对液压站、总油路和各分油路进行高精度液压加卸载伺服控制。所述液压站包括油箱、滤油器、电机、柱塞泵。加卸载控制系统通过控制电机的启停控制液压站的工作。所述加卸载控制系统是人机交互窗口，包括相连接的计算机、中央控制单元PLC、 系统控制操作软件和中间继电器。所述中央控制单元PLC采集总路和各分路压力变送器信号并传递给计算机以供显示和存储，同时根据系统控制操作软件的操作设定接受计算机的指令，驱动中间继电器动作,控制电机、电-液比例溢流阀、可控电磁单向阀或三位四通电磁阀产生相应动作。所述总油路包括连接的电-液比例溢流阀、总路蓄能器、总路压力变送器，总路压力变送器将检测到的总路压力信号传递给中央控制单元PLC。电-液比例溢流阀能精确控制总油路的压力；总路蓄能器能存储系统总路压力，保证压力平稳。所述分油路包括连接的可控电磁单向阀、三位四通电磁阀、分路蓄能器和分路压力变送器，分路压力变送器负责将检测到的分路压力信号传递给中央控制单元PLC。可控电磁单向阀可实现电控开闭，当闭合时仅允许向分路进油，当打开时允许分路向总路回油；三位四通电磁阀控制分油路联通方式，实现换向操作；分路蓄能器负责储存分油路压力，保证分油路压力平稳。本发明的工作原理本发明的总油路上依次安装有油箱、滤油器、电机、柱塞泵、 电-液比例溢流阀、总路蓄能器和总路压力变送器。电-液比例溢流阀负责精确控制总油路压力；总路蓄能器负责储存总油路压力；总路压力变送器负责监测总油路压力。分路采用模块化设计，每一分油路上依次安装有可控电磁单向阀、三位四通电磁阀、分路蓄能器、 分路压力变送器。可控电磁单向阀可实现电控开闭，允许回油；三位四通电磁阀控制分油路联通方式，实现换向操作；分路蓄能器负责储存分油路压力；分路压力变送器负责监测分油路压力。计算机、中央控制单元PLC、系统控制操作软件和中间继电器组成人机交互控制操作单元。系统控制操作软件实现各分路压力设定、显示和压力加卸载时程曲线实时显示及存储等功能；中央控制单元PLC通过监测总路和各分路压力控制中间继电器动作，从而精确控制电机、电-液比例溢流阀、可控电磁单向阀和三位四通电磁阀等动作，直到达到各分路设定压力。工作过程中，当对采用本发明的多路高精度液压加卸载伺服控制系统对试验模型进行加载时，操作人员通过系统控制操作软件输入各个分路的加载压力值，系统控制操作软件将操作信号由计算机传递给中央控制单元PLC，中央控制单元PLC将数字信号转换为电信号，通过中间继电器控制电机启动和电-液比例溢流阀的行为，精确控制总油路内的压力依次达到每一分路设定的压力值，同时依次控制每一分路的可控电磁单向阀闭合和三位四通电磁阀打开，使某一分路与总路联通，当分路压力变送器和总路压力变送器监测到的压力值相同并稳定后，三位四通电磁阀关闭，使该分路与总路断开。每一分路重复上述加载步骤，直到所有分路均达到设定压力值，进入保压状态，电机停止。保压时，各分路蓄能器11起到压力补充的作用，大大延长了保压时间。当采用本发明的多路高精度液压加卸载伺服控制系统对试验模型进行逐级卸载时，操作人员通过系统控制操作软件输入需要卸载分路的卸载后压力值，系统控制操作软件将操作信号由计算机传递给中央控制单元PLC，中央控制单元PLC将数字信号转换为电信号，通过中间继电器控制电机启动和电-液比例溢流阀的行为，精确控制总油路内的压力依次达到卸载分路设定的卸载后压力值，此时控制该卸载分路的可控电磁单向阀打开和三位四通电磁阀打开，使该分路与总路联通，此时，分路的压力大于总路压力，分路内的液压油将会通过三位四通电磁阀和可控电磁单向阀倒流向总路，当分路压力变送器和总路压力变送器监测到的压力值相同并稳定后，可控电磁单向阀和三位四通电磁阀关闭，使该分路与总路断开，此时该分路就成功卸载到设定压力值并保压。因此，发明的适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统实现了计算机自动控制的高精度逐级加载和卸载， 能实时显示并保存试验加卸载全过程时程曲线,大大简化了试验加载过程,提高了加载精度，延长了保压时间。本发明的有益效果(I)采用计算机和控制操作软件作为人机交互界面，通过操作软件设定各分油路液压系统压力参数值，中央控制单元PLC根据计算机指令控制总油路和各分油路的液压加载和卸载，实现逐级超载和逐级卸载全过程试验。(2)控制操作软件界面友好，实现了模型试验加载和卸载过程的智能自动伺服控制，实时显示并保存各分油路加卸载压力时程曲线。(3)该系统采用模块化设计，采用总油路精确伺服压力控制，可控电磁单向阀、三位四通电磁阀控制各分油路依次与总油路联通，分油路压力与总油路压力一致时断开；实现通过总油路压力精确控制达到各分油路压力精确控制的目的。(4)该系统操作简单方便、直观高效，通过分油路压力控制，实现对试验模型的非均匀加卸载和长时间稳定保压，总路和分路蓄能器的采用增加了保压时间，降低了保压能耗。(5)该系统仅在总油路上采用电液伺服溢流阀，大大降低了造价，节省了资金。(6)该系统可广泛应用于矿山、能源、水电、交通、国防等岩土工程领域的相似模型试验中，实现对模型高精度加卸载伺服控制，应用前景广阔，经济效益显著。
图I是本发明多路高精度液压加卸载伺服控制系统原理示意图图中，I.油箱，2.滤油器，3.电机，4.柱塞泵，5.电-液比例溢流阀，6.总路蓄能器，7.总路压力变送器，8.连接管路，9.可控电磁单向阀，10.三位四通电磁阀，11.分路蓄能器，12.分路压力变送器，13.分流阀，14.双作用液压油缸，15.第I油路，16.第II油路， 17.计算机，18.中央控制单元PLC，19.系统控制操作软件，20中间继电器。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。一种适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，包括液压站，加卸载控制系统，总油路，分油路，分油路包括第I油路15，第II油路16，液压站与总油路连接， 总油路和第I油路15，第II油路16之间采用连接管路8连接，第I油路15，第II油路16 与分流阀13和双作用油缸14连接，加卸载控制系统分别与控制液压站、总油路和第I油路 15，第II油路16连接，加卸载控制系统通过操作计算机软件，对液压站、总油路和第I油路 15，第II油路16进行高精度液压加卸载伺服控制。所述液压站包括油箱I、滤油器2、电机3、柱塞泵4。加卸载控制系统通过控制电机3的启停控制液压站的工作。所述加卸载控制系统是人机交互窗口，包括相连接的计算机17、中央控制单元PLC18、系统控制操作软件 19和中间继电器20。所述中央控制单元PLC18采集总路和各分路压力变送器信号并传递给计算机以供显示和存储，同时根据系统控制操作软件19的操作设定接受计算机17的指令，驱动中间继电器20动作，控制电机2、电-液比例溢流阀5、可控电磁单向阀9或三位四通电磁阀10产生相应动作。所述总油路包括连接的电-液比例溢流阀5、总路蓄能器6、总路压力变送器7，总路压力变送器7将检测到的总路压力信号传递给中央控制单元PLC18。 电-液比例溢流阀5能精确控制总油路的压力；总路蓄能器6能存储系统总路压力，保证压力平稳。所述分油路包括连接的可控电磁单向阀9、三位四通电磁阀10、分路蓄能器11和分路压力变送器12，分路压力变送器12负责将检测到的分路压力信号传递给中央控制单元 PLClS0可控电磁单向阀9可实现电控开闭，当闭合时仅允许向分路进油，当打开时允许分路向总路回油；三位四通电磁阀10控制分油路联通方式，实现换向操作；分路蓄能器11负责储存分油路压力，保证分油路压力平稳。每一路分油路根据试验加载需要增减油缸、保证同一分路上每个油缸的出力相同。控制系统是人机交互窗口，通过操作计算机软件，控制液压站、总油路和各分油路实现高精度液压加卸载伺服控制的目的。本发明采用模块化设计， 可根据实际试验需要增加多个分路。各分路的压力可进行单独控制，设定为不同的数值，也可选择开启或关闭某分路。上述虽然结合附图对发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，包括液压站，加卸载控制系统，其特征是，还包括总油路，至少一路分油路，液压站与总油路连接，总油路和各分油路之间采用连接管路连接，每一路分油路与分流阀和双作用油缸连接，加卸载控制系统分别与控制液压站、总油路和各分油路连接，加卸载控制系统通过操作计算机软件，对液压站、总油路和各分油路进行高精度液压加卸载伺服控制。
2.如权利要求I所述的用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，其特征是，所述加卸载控制系统是人机交互窗口，包括相连接的计算机、中央控制单元PLC、系统控制操作软件和中间继电器。
3.如权利要求2所述的用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，其特征是，所述中央控制单元PLC采集总路和各分路压力变送器信号并传递给计算机以供显示和存储，同时根据系统控制操作软件的操作设定接受计算机的指令，驱动中间继电器动作，控制电机、电-液比例溢流阀、可控电磁单向阀或三位四通电磁阀产生相应动作。
4.如权利要求I所述的用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，其特征是，所述总油路包括连接的电-液比例溢流阀、总路蓄能器、总路压力变送器，总路压力变送器将检测到的总路压力信号传递给中央控制单元PLC。
5.如权利要求I所述的用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，其特征是，所述分油路包括连接的可控电磁单向阀、三位四通电磁阀、分路蓄能器和分路压力变送器，分路压力变送器负责将检测到的分路压力信号传递给中央控制单元PLC。
全文摘要
本发明公开了一种适用于模型试验的多路高精度液压加卸载伺服控制系统，包括液压站，加卸载控制系统，总油路，至少一路分油路，液压站与总油路连接，总油路和各分油路之间采用连接管路连接，每一路分油路与分流阀和双作用油缸连接，加卸载控制系统分别与控制液压站、总油路和各分油路连接，加卸载控制系统通过操作计算机软件，对液压站、总油路和各分油路进行高精度液压加卸载伺服控制；该系统采用模块化分油路设计，总油路采用电液比例溢流阀控制压力，各分油路采用可控电磁单向阀和三位四通电磁阀实现与总油路的联通与断开，实现各分油路的设定压力，实现了模型试验加载和卸载的计算机伺服智能高精度控制。
文档编号G01M99/00GK102607876SQ201210108738
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者张庆松, 李为腾, 李建明, 李智, 李术才, 李海燕, 王汉鹏 申请人:山东大学