直剪仪多级液压加载系统的设计与控制.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 6 D OI i 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 2 3 直剪仪多级液压加载系统的设计与控制 吕原君 ，杜时贵 ，罗战友。 ，黄曼 1 ．浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 3 1 2 0 0 0 ； 2 ．绍兴文理学院，浙江绍兴 3 1 2 0 0 0； 3 ． 浙江科技学院，浙江杭州 3 1 0 0 2 3 摘要岩石材料不同形状接触面的静动力学特性是岩石力学研究重点。接触面力学特性研究的一个基本途径是通过接 触面基本力学特性试验。为了得到稳定的岩体结构面抗剪强度，需要对不同尺寸的岩体结构面试样进行抗剪强度直剪试 验。以现有直剪仪为基础，提出新设备的液压系统和控制方案 ，并对直剪仪法向力和剪切力的控制精度和方法等问题进行 了分析。试验测试表明该试验仪的测试结果可信，精度能满足工程设计要求。文中的研究为岩石试验提供了大压力范 围、柔性控制的仪器设备，为测试试样的剪胀和尺寸效应提供装备。 关键词 直剪仪；多级加载；液压系统；控制 中图分类号 T H 8 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 6 0 7 23 De s i g n a n d Co n t r o l o f M u l t i l e v e l Lo a d i n g s Hy d r a u l i c S y s t e m o f Di r e c t S h e a r Ap p a r a t u s L V Y u a n j u n ， D U S h i g u i ，L U O Z h a n y o u ， H U A N G Ma n 1 ． Z h e j i a n g I n d u s t r y P o l y t e c h n i c C o l l e g e ，S h a o x i n g Z h e j i a n g 3 1 2 0 0 0，C h i n a ； 2 ． S h a o x i n g U n i v e r s i t y ， S h a o x i n g Z h e j i a n g 3 1 2 0 0 0，C h i n a ； 3 ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ， Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e k e y r e s e a r c h o f r o c k me c h a n i c s i s s t a t i c o r d y n a mi c b e h a v i o r b e t w e e n r o c k ma t e r i a l s w i t h v a r i o u s s h a p e s o f c o n t a c t s u r f a c e ．T h e b a s i c a p p r o a c h o f t h e c o n t a c t s u r f a c e me c h a n i c s p r o p e r t y r e s e a r c h i s t h r o u g h t h e c o n t a c t s u rfa c e b a s i c me c h a n i c s p r o p e r t y t e s t ．T o g e t s t e a d y s h e ar s t r e n g t h o f r o c k j o i n t s ， s h e ar s t r e n g t h o f d i f f e r e n t s i z e o f s a m p l e s n e e d b e t e s t e d ．H y d r a u l i c s y s t e m a n d c o n t r o l s c h e me o f a n e w d e v i c e w e r e i n t r o d u c e d b a s e d o n e x i s t e n t d i r e c t s h e ar a p p ara t u s ． A t t h e s a me t i me，c o n t r o l a c c u r a c y a n d me t h o d s o f n o r mal f o r c e a n d s h e ar f o r c e w e r e a n a l y z e d．T h e a c c u r a c y wa s v ali d a t e d b y s e v e r a l l a b o r a t o r y a n d i n s i t u e x p e ri me n t s ．I t me e t s e n g i n e e r i n g d e s i g n d e ma n d ．T h e r e s e arc h p r o v i d e s l arg e p r e s s u r e r a n g e a n d f l e x i b l e c o n t r o l a p p ara t u s i n t e s t i n g s t r e s s - d i l a t i o n a n d s i z e e f f e c t o f s a mp l e ． Ke y wo r d s Di r e c t s h e a r a p p a r a t u s ；Mu l t i l e v e l l o a d i n g s ；Hy d r a u l i c s y s t e m；C o n t r o l 随着我国国民经济的高速发展，许多高层建筑、 高海拔的大坝、海湾工程、港口建设 、水利工程建设 和整治等项 目中，研究岩体的稳定性的社会效益相当 明显。另外 ，在 自然界常常遇到滑坡 、塌方 等 自然灾 害，这些 自然现象也涉及到岩体的结构强度问题 目 前 ，国内外岩体结构面抗剪强度 的确定方法主要有直 剪试验法、室内模型试验法和经验估算方法等。通过 直剪试验 ，结合工程地质勘测资料综合求取结构面抗 剪强度的方法为国内岩体力学工作者所常用。 从资料的检索看 ，在高性能大接触面直剪仪中， 美国 D u r h a m G e o 公司生产了 L G - 1 4 0大型高性能接触 面直剪仪。英 国 E L E公司生产的大型直剪仪用于测 定 在固结 排水条 件下 土与土、土与土工织物 、土工织 物与土工织物之间的特性。美国 G C T S 公司生产了伺 服控制直剪测试系统。国内的大型直剪仪有清华大学 研制的 T H - 2 0 t 大型土与结构接触面循环加载剪切仪。 长江科 学研 究 院土工研 究所 研制 了室 内 D H J 6 0型叠 环式剪切试验机 J 。阂弘、刘小丽等 设计了现 场室内两用大型直剪仪。张嘎等人。 。 提出了土与土工 织物接触面力学特性 的试验研究 。杜 时贵等 提 出了 多尺度岩体结构面直剪试验仪的研制。南京土壤仪器 有限公司和南京水利科学研究院 联合制造的 N H R I ． 4 0 0 0型高性能大接触面直剪仪采用伺服 电机加升降 机实现 4 0 t 试样 的测试 。 现有设备存在的主要问题如下 1 现有设备 的法向力小，在试验室中无法模拟高坝等工程的受力 情况 ，也不能实现等剪切 面直剪试验 ，只能满足小型 试样的测试； 2 现有电液伺服系统由于受到传感 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 7 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 4 1 1 7 2 2 9 2 ；4 1 3 0 2 2 5 7 ；教育部新世纪人才计划资助项 目 N C E T 一 1 1 1 0 8 0 ；浙江 省 自然科学基金资助项 目 L Z 1 3 D 0 2 0 0 0 1 ；L Q1 3 D 0 2 0 0 0 1 ；L Q 1 2 E 0 8 0 0 4 ；浙江省新世纪 1 5 1人才第一层次资助 项 目 2 0 1 2 1 0 3 0 ；绍兴市科技局资助项目 2 0 1 2 B 7 0 0 0 6 作者简介吕原君 1 9 8 0 一 ，男，博士研究生，讲师，研究方向为机电产品开发。E ma i l l v y u a n j u n 2 2 2 1 6 3 ． c o m。 第 l 6期 吕原君 等直剪仪多级液压加载系统的设计与控制 7 3 器精度范 围的影 响，在其满量程 的 1 0 ％ 以内或者 9 0 ％ 以上部分精度稳定性不足 ，无法满 足大范围载荷 的测试要求 ； 3 现有直剪仪无法满足尺度试样问 题 ，比如 实 现截 面 积 为 1 0 0 m m X 1 0 0 m m ～ 5 0 0 m m 5 0 0 m m的试样 。 1 新型直剪仪的结构分析 图 1 所示为大 型岩石直剪仪 的示 意图 ，它主要 由 法向液压缸 、框体 、剪切向液压缸、垫块等组成。两 个液压缸完成岩石试样的剪切运动。不同数量的垫块 组合 实现 大小试样 剪切面 同高度 的测试 。 l 一 法 向液 压 缸 2 一 框 架 3 - - 剪切向 液 压 缸 4 一 试 样 5 一垫 块 6 _ _ 底 座 图 1 岩石直剪仪的结构示意图 大型岩石直剪仪的工作原理为 试样安装在一定 数量垫块上 ，满足剪切面始终位于剪切加载位置一法 向液压缸活塞杆伸出，加载到试样上表面，并逐级加 载到一定载荷一剪切向液压缸逐级施加剪切载荷一上 下试样产 生滑移并 到一定距离一卸载剪切载荷一卸载 法 向载荷一 完成试 样测试并输 出相关 曲线和数据 。 2 岩石直剪仪的液压 系统设计与分析 2 ． 1 液压 系统 参数 1 法 向和剪切 液压缸 的加载 液压缸 工作 可 区 分为 3个 阶段 第 一 阶段为 加 载，负载力缓慢地逐级增加，达到最大法向载荷 ，速 率控制在0 ． 5 m m ／ s以内；第二阶段为保压，在规定 压力下保持在压力精度范围内；第三阶段为卸载 ，能 较快 缩 回液压活塞杆 。技术参数如表 1 所示 。 表 1 液压 系统的技术参数 序号 内容 要求 则法 向液压缸 的惯性力为 F m A v 1 2 确定液压缸的主要结构参数 液压缸内径 D和活塞杆直径 d可根据最大总负 载和选取的工作压力来确定。主缸内径为 D／ 2 叼 耵p 由于压力表的单位 为 M P a ，压力 为 k N。单位 互换公 式如下 F P X A P X盯r 2 3 其 中 F为液压缸施加 的压力 值 ；A为液压缸 的活塞 面积 ；r 为液压缸活塞半径 。 2 ． 2液压 系统 的设 计与控 制 该岩石直剪仪的液压系统主要由法向载荷与剪切 载荷组成，并且它们的液压回路类似，以法向回路作 为分析对象进行说明。如图 2所示 ，它主要由液压缸 、 控制 阀、溢流阀、过滤器 、单向阀、减压阀组成。 图2 多级加载回路的设计图 法向液压缸在加载达到设定载荷前需要分 5级加 载。用三位五通 阀控 制液压缸伸 出或缩 回，选 用 Y V 1 、Y V 2 、Y V 3 、Y v 4 、Y V 5共 5个 二 位二 通 电磁 阀控制每一级的压力，相对应地减压阀用于设置每一 级的压力值。在卸载过程中设置了一个二位二通电磁 阀 Y V 8 ，用于液压缸快速缩 回。剪切液压缸在加载达 到相同设定载荷前需要分 l 0级加载 ，即需要分 1 0个 二位二通 电磁 阀和减压阀进行控 制。 法向液压回路的控制系统如图 3 所示，整个工作 过程如下 按下 启 动按 钮 S B 1后泵 工作 并达 到工 作 压力一Y V 7得电一经过一定时候后 Y V 1得电，进入 第一级载荷的加载 ，并设 置时间继电器进行定 时 ，使 得载荷加载并保压一段时间一Y V 2得电和 Y V 1 失电， 进入第二级载荷的加载，同理通过时间继电器使得载 荷加载并保压一段时间一依此类推得到第五级加载并 保压一启动剪切液压回路，并同样采用类似回路进行 分 1 0级加载一上 下试样 发生相 对移 动后 ，记 录剪 切