專利名稱：復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動力學(xué)加載領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
標(biāo)準(zhǔn)型的或通用型的電液伺服壓力實驗機一般按材料力學(xué)參數(shù)測試需要設(shè)計，單軸加載，垂直裝樣，裝樣空間小。這種壓力實驗機在控制性能上一般僅僅能夠進行單因子線性或簡單函數(shù)過程控制，其性能不能滿足我們的實驗需求，尤其是對構(gòu)造變形的實驗。構(gòu)造變形的實驗需要條件比較復(fù)雜，除了需要比較大型的壓力實驗機(如 500X500X300mm)以便預(yù)制三維構(gòu)造外，還需要壓力實驗機能夠隨意調(diào)整控制的位移、載荷以及要能夠觀測高密度的變形物理場操作。綜上所述，在對構(gòu)造變形的實驗過程中，既要完成預(yù)制三維構(gòu)造，又能夠?qū)崿F(xiàn)隨意調(diào)整控制的位移、載荷以及觀測高密度的變形物理場操作，并成為亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有電液伺服壓力實驗機中加載樣品小、過程控制簡單、控制因子單一的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，包括壓力試驗機、液壓裝置和電子控制裝置；其中，所述壓力試驗機，與所述液壓裝置和電子控制裝置相連，接收該液壓裝置產(chǎn)生的載荷力，輸送到該壓力試驗機上的兩個加載子單元，兩個所述加載子單元組成十字結(jié)構(gòu)對被測試件進行雙軸向加載，該壓力試驗機記錄加載過程中的實時數(shù)據(jù)給該電子控制裝置；所述液壓裝置，與所述壓力試驗機和電子控制裝置相連，該液壓裝置根據(jù)動力源和電子控制裝置的壓力值產(chǎn)生載荷力輸送給所述壓力試驗機；所述電子控制裝置，與所述壓力試驗機和液壓裝置相連，該電子控制裝置根據(jù)控制目標(biāo)信號和從該壓力試驗機傳回的實時數(shù)據(jù)計算被測試件與控制目標(biāo)之間的差距，根據(jù)該差距計算出輸送給該液壓裝置的壓力調(diào)整值，如此循環(huán)調(diào)整，最終控制被測試件達到預(yù)期的變形量過程。進一步地，其中，還包括所述電氣裝置，與所述液壓裝置相連接，產(chǎn)生輸送到所述液壓裝置的動力源。進一步地，其中，所述電子控制裝置內(nèi)還包括有加載控制模塊，該加載控制模塊產(chǎn)生控制目標(biāo)信號并輸送給該電子控制裝置。進一步地，其中，所述加載控制模塊，進一步根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)生成加載動力學(xué)過程時間曲線計算產(chǎn)生每一刻的控制目標(biāo)信號并輸送給所述電子控制裝置。進一步地，其中，所述壓力試驗機為采用主機分體式結(jié)構(gòu)的雙軸向壓力試驗機。進一步地，其中，所述壓力試驗機上的加載子單元包括兩個側(cè)力板、四個橫梁、一個油缸、主動壓頭、被動壓頭和傳感器；
其中，所述傳感器包括位移傳感器和載荷傳感器；兩個所述側(cè)力板與四個橫梁垂直連接并設(shè)置在四個所述橫梁的兩端，同時在一個所述側(cè)力板上設(shè)置有所述油缸，該油缸與四個橫梁平行設(shè)置，所述位移傳感器和載荷傳感器分別設(shè)置在另一個所述側(cè)力板上，并且該油缸的端部設(shè)置有所述主動壓頭與所述載荷傳感器上設(shè)置有的所述被動壓頭處于一條直線上。進一步地，其中，所述電氣裝置為采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繼電器控制線路。進一步地，其中，所述液壓裝置，進一步根據(jù)動力源和電子控制裝置的壓力值產(chǎn)生載荷力，并通過該液壓裝置內(nèi)的油管輸送給所述壓力試驗機內(nèi)的油缸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)解決了現(xiàn)有電液伺服壓力實驗機中加載樣品小、過程控制簡單、控制因子單一等缺點，并且實現(xiàn)了對大樣品的復(fù)雜加載過程的內(nèi)部響應(yīng)和加載過程中對位移、載荷兩控制因子的任意切換，以及動力學(xué)過程任意可調(diào)，加載控制模塊可以調(diào)整多個正弦波、三角波、鋸齒波與方波信號，甚至是輸入隨意手繪曲線信號和野外現(xiàn)場獲得的實際地殼運動記錄。


圖I為本發(fā)明實施例一所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明實施例一所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)中壓力試驗機立體結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施例一所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)中壓力試驗機的加載子單元的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不作為對本發(fā)明的限定。如圖I所示，本發(fā)明實施例一所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，包括壓力試驗機101、電氣裝置102、液壓裝置103、電子控制裝置104和加載控制模塊105 ;其中，壓力試驗機101，為采用主機分體式結(jié)構(gòu)(即兩臺四柱式橫臥壓力機，如圖2所示)的雙軸向壓力試驗機，壓力試驗機101通過其內(nèi)的油缸與所述液壓裝置103和電子控制裝置104相連，所述油缸接收該液壓裝置103產(chǎn)生的載荷力，輸送到該壓力試驗機101上的兩個加載子單元，兩個所述加載子單元組成十字結(jié)構(gòu)對被測試件進行雙軸向加載，并通過該壓力試驗機101內(nèi)設(shè)置的傳感器記錄載過程中的實時數(shù)據(jù)給該電子控制裝置104。具體地，如圖2所示，該壓力試驗機101主要包括兩個結(jié)構(gòu)相同但方向垂直組成十字結(jié)構(gòu)的加載子單元11 (如圖2所示)、一個加載框架平臺12、四個固定端13和四個固定端13上的墊塊。所述的兩個結(jié)構(gòu)相同但方向垂直組成十字結(jié)構(gòu)的加載子單元11與加載框架平臺12相連，所述固定端13設(shè)置在所述加載子單元11上，并且固定端13上還可以設(shè)置有墊塊，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚墊塊的位置，因此附圖3中并沒有示出。如圖3所示，實施例一所述壓力試驗機101中的加載子單元11，該加載子單元11 具體包括兩個側(cè)力板111、四個橫梁112 (橫梁使用45#煅鋼板)、一個油缸113、主動壓頭 114、被動壓頭115和傳感器(包括位移傳感器和載荷傳感器，這里圖中未示出，可以將位移傳感器設(shè)置在油缸113的下方，將載荷傳感器設(shè)置在被動壓頭115的后面)。其中，兩個
4側(cè)力板111與四個橫梁112垂直連接并設(shè)置在四個橫梁112的兩端，同時在一個所述側(cè)力板111上設(shè)置有獨立的油缸113，油缸113與四個橫梁112平行設(shè)置，并且油缸113端部設(shè)置的主動壓頭114與載荷傳感器上設(shè)置的被動壓頭115處于一條直線上。加載子單元11的具體工作工程為加載子單元11中的主要動力源為來自與油缸 113相連的液壓裝置103，當(dāng)加載子單元11開始工作時，液壓裝置103產(chǎn)生載荷力輸送給油缸113帶動王動壓頭114按實驗要求，以位移控制方式向被動壓頭115方向運動，夾持其間的試件進行加載。加載過程中主動壓頭114的位移量由位移傳感器測得傳輸回電子控制裝置104，被測的試件所承受載荷大小通過載荷傳感器測得也傳輸回電子控制裝置104，然后電子控制裝置104再根據(jù)控制目標(biāo)信號和從該壓力試驗機傳回的實時數(shù)據(jù)計算被測試件與控制目標(biāo)之間的差距，根據(jù)該差距計算出輸送給該液壓裝置104相應(yīng)的壓力值。兩個加載子單元11的結(jié)構(gòu)是相同的，向同一個地質(zhì)材料試件施加測試載荷，相應(yīng)的兩對主動壓頭 114和被動壓頭115的相向運動軌跡是垂直的，或者說這兩個加載子單元11施加的測試載荷的力的方向是垂直的，這樣實現(xiàn)了雙軸向加載。這種壓力試驗機101結(jié)構(gòu)形式比較簡單，加工工藝性好，拆裝方便，容易在實驗室組裝和安裝，并且造價較低。電氣裝置102，用于與所述液壓裝置103相連接，其采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繼電器控制線路，產(chǎn)生輸送到所述液壓裝置103的動力源。此外，該電氣裝置102采用了能夠在伺服機構(gòu)(servomechanism,系指經(jīng)由閉回路控制方式達到一個機械系統(tǒng)位置、速度、或加速度控制的系統(tǒng))尚未接管過程控制之前，調(diào)整所述液壓裝置103到合適狀態(tài)。還保證了在不啟動電子控制裝置時，所述液壓裝置103 可以手動操作，這為所述液壓裝置103維修、調(diào)試或簡單實驗提供了方便。該電氣裝置102 還可以直接和液壓裝置103設(shè)置在一起，這里并不做具體限定。液壓裝置103，用于與壓力試驗機101、電氣裝置102和電子控制裝置104相連接， 根據(jù)電氣裝置102輸送的動力源和電子控制裝置104的壓力值，產(chǎn)生載荷力來推動壓力試驗機101對被測試件進行加載。該液壓裝置103包括電機油泵、油管、單向閥、濾油器、送油針型閥、回油針型閥、 伺服閥、溢油閥、油箱、活塞、電磁換向閥等部件組成。其中，該液壓裝置103的油管與壓力試驗機101上的兩個的油缸113相連接。具體地，這里簡單說明下該液壓裝置103的工作過程油泵在運轉(zhuǎn)中，油箱內(nèi)的油液通過油箱內(nèi)的濾油器及油管進入泵內(nèi)，由油泵把油液輸出，經(jīng)送油管、單向閥、濾油器后，一路送至溢油閥，調(diào)定供油壓力，多余的油溢出返回油箱；另一路分別經(jīng)雙向的濾油器， 送至雙向的送油針型閥和伺服閥。當(dāng)送油針型閥關(guān)閉，伺服閥工作時，油液經(jīng)伺服閥，油管進入加載油缸，實施伺服控制加載。加載結(jié)束后，改變伺服閥供油方向，油液經(jīng)伺服閥進入回程油缸，使活塞返回原位，在活塞返回的同時，加載在油缸113中的油液經(jīng)伺服閥返回油箱。伺服閥不工作時，打開送油針型閥和電磁換向閥，油液經(jīng)送油針型閥，電磁換向閥進入加載的油缸113，實施人工控制加載(調(diào)節(jié)送油針型閥的開度，可控制加載速率)；如加載過程中需要進行載荷保持時，可以松開回油針型閥，微調(diào)其開度，可以達到保持載荷不變的狀態(tài)；人工加載結(jié)束后，可以改變電磁換向閥的供油方向，使油液進入回程油缸，活塞緩慢返回原位。與此同時，加載油缸113的油液經(jīng)電磁換向閥返回油箱。實驗結(jié)束后，停止油泵運轉(zhuǎn)，打開所有回油針型閥，使液壓裝置103卸去油壓，油液返回油箱。電子控制裝置104，用于與壓力試驗機101、液壓裝置103和加載控制模塊105相連接，接收加載控制模塊105的控制目標(biāo)信號，根據(jù)該控制目標(biāo)信號和從壓力試驗機101傳回的實時數(shù)據(jù)計算壓力試驗機101上被測試件與控制目標(biāo)之間的差距，根據(jù)該差距計算出輸送給液壓裝置103的壓力調(diào)整值，并輸送給液壓裝置103，如此循環(huán)調(diào)整，最終控制被測試件達到預(yù)期的變形量過程。通過該電子控制裝置104使輸出給液壓裝置103的壓力值符合預(yù)設(shè)的加載動力學(xué)過程時間曲線。電子控制裝置104采用現(xiàn)有技術(shù)中的閉環(huán)控制原理，該電子控制裝置104 與傳統(tǒng)方式不同之處是把PID (Packet IDdentifier)控制器完全數(shù)字化,從而大大減少了模擬器件的使用量，僅在伺服信號的電流放大部分，采用了模擬器件(伺服放大器)，并且盡可能選用了性能優(yōu)良的專用儀表放大器。這樣做的好處是復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性提高，漂移量??；同時便于通過軟件對復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)進行控制。實際運行表明，電子控制裝置104對閉環(huán)狀態(tài)的尋檢速度可以達到500次/秒以上，控制密度大于執(zhí)行響應(yīng)時間，完全可以保證復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。加載控制模塊105，設(shè)置在電子控制裝置104內(nèi)部，該加載控制模塊105根據(jù)接收外部設(shè)置的數(shù)據(jù)生成加載動力學(xué)過程時間曲線計算產(chǎn)生每一刻的控制目標(biāo)信號并輸送給電子控制裝置104。該加載控制模塊105主要通過其內(nèi)部的函數(shù)生成器完成其功能，該函數(shù)生成器提供多種可以合成或生成到線性均勻加載過程上的加載動力學(xué)過程時間曲線(函數(shù))，其中特別是可以從數(shù)據(jù)文件調(diào)入以數(shù)據(jù)描述的任意過程，這些數(shù)據(jù)文件可以來自現(xiàn)場觀測的地殼運動過程，也可以來自科學(xué)家從理論上推測的各種復(fù)雜過程。用戶可以在這里調(diào)入，編排多種加載方式，供實驗中對試件施加位移或載荷控制。函數(shù)生成器可以設(shè)計多個正弦波、三角波、鋸齒波與方波信號，甚至是輸入隨意手繪曲線信號，用以在實時控制中調(diào)用，該加載控制模塊105控制目標(biāo)信號自動形成數(shù)據(jù)庫，可以在實驗中反復(fù)調(diào)用，形成連續(xù)的周期信號，也可以在不同實驗中共享。一般情況下，加載控制模塊105設(shè)置在電子控制裝置104內(nèi)部，但加載控制模塊 105所執(zhí)行的流程與電子控制裝置104的操作流程并不一致，加載控制模塊105作用是產(chǎn)生控制目標(biāo)信號并輸送給該電子控制裝置104，兩者之間的具體描述這里并不做具體限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)說明書的描述能夠清楚兩者的具體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明根據(jù)實施例一所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，對被測的試件進行操作的具體步驟如下第一，首先把試件放置到壓力試驗機101上的兩個加載子單元11中間位置，即兩個壓頭114和115之間的加載框架平臺12上；第二，通過加載控制模塊105接收數(shù)據(jù)生成加載動力學(xué)過程時間曲線，根據(jù)該曲線計算產(chǎn)生每一刻的控制目標(biāo)信號并發(fā)送給電子控制裝置104 ；第三，電子控制裝置104接收加載控制模塊105的控制目標(biāo)信號，根據(jù)該控制目標(biāo)信號和從壓力試驗機101傳回的實時數(shù)據(jù)計算壓力試驗機101上被測試件與控制目標(biāo)之間的差距，根據(jù)該差距計算出輸送給液壓裝置103的壓力值；第四，液壓裝置103根據(jù)電氣裝置102輸送的動力源和電子控制裝置104的壓力值,產(chǎn)生載荷力來推動壓力試驗機101對被測試件進行加載；第五，電子控制裝置104得到被測的試件的變形狀態(tài)(包括雙方向的載荷與位移數(shù)據(jù))。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)解決了現(xiàn)有電液伺服壓力實驗機中加載樣品小、過程控制簡單、控制因子單一等缺點，并且實現(xiàn)了對大樣品的復(fù)雜加載過程的內(nèi)部響應(yīng)和加載過程中對位移、載荷兩控制因子的任意切換，以及動力學(xué)過程任意可調(diào)，加載控制模塊可以調(diào)整多個正弦波、三角波、鋸齒波與方波信號，甚至是輸入隨意手繪曲線信號和野外現(xiàn)場獲得的實際地殼運動記錄。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，包括壓力試驗機、液壓裝置和電子控制裝置；其中，所述壓力試驗機，與所述液壓裝置和電子控制裝置相連，接收該液壓裝置產(chǎn)生的載荷力，輸送到該壓力試驗機上的兩個加載子單元，兩個所述加載子單元組成十字結(jié)構(gòu)對被測試件進行雙軸向加載，該壓力試驗機記錄加載過程中的實時數(shù)據(jù)給該電子控制裝置；所述液壓裝置，與所述壓力試驗機和電子控制裝置相連，該液壓裝置根據(jù)動力源和電子控制裝置的壓力值產(chǎn)生載荷力輸送給所述壓力試驗機；所述電子控制裝置，與所述壓力試驗機和液壓裝置相連，該電子控制裝置根據(jù)控制目標(biāo)信號和從該壓力試驗機傳回的實時數(shù)據(jù)計算被測試件與控制目標(biāo)之間的差距，根據(jù)該差距計算出輸送給該液壓裝置的壓力調(diào)整值，如此循環(huán)調(diào)整，最終控制被測試件達到預(yù)期的變形量過程。
2.如權(quán)利要求I所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述電氣裝置，與所述液壓裝置相連接，產(chǎn)生輸送到所述液壓裝置的動力源。
3.如權(quán)利要求I所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述電子控制裝置內(nèi)還包括有加載控制模塊，該加載控制模塊產(chǎn)生控制目標(biāo)信號并輸送給該電子控制裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，所述加載控制模塊，進一步根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)生成加載動力學(xué)過程時間曲線計算產(chǎn)生每一刻的控制目標(biāo)信號并輸送給所述電子控制裝置。
5.如權(quán)利要求I所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力試驗機為采用主機分體式結(jié)構(gòu)的雙軸向壓力試驗機。
6.如權(quán)利要求5所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力試驗機上的加載子單元包括兩個側(cè)力板、四個橫梁、一個油缸、主動壓頭、被動壓頭和傳感器；其中，所述傳感器包括位移傳感器和載荷傳感器；兩個所述側(cè)力板與四個橫梁垂直連接并設(shè)置在四個所述橫梁的兩端，同時在一個所述側(cè)力板上設(shè)置有所述油缸，該油缸與四個橫梁平行設(shè)置，所述位移傳感器和載荷傳感器分別設(shè)置在另一個所述側(cè)力板上，并且該油缸的端部設(shè)置有所述主動壓頭與所述載荷傳感器上設(shè)置有的所述被動壓頭處于一條直線上。
7.如權(quán)利要求2所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，所述電氣裝置為采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繼電器控制線路。
8.如權(quán)利要求I所述的復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓裝置，進一步根據(jù)動力源和電子控制裝置的壓力值產(chǎn)生載荷力，并通過該液壓裝置內(nèi)的油管輸送給所述壓力試驗機內(nèi)的油缸。
全文摘要
本發(fā)明公開復(fù)雜動力學(xué)過程雙軸加載系統(tǒng)，包括壓力試驗機、液壓裝置和電子控制裝置；其中壓力試驗機與液壓裝置和電子控制裝置相連，接收該液壓裝置產(chǎn)生的載荷力輸送到壓力試驗機上的兩個加載子單元，兩個加載子單元組成十字結(jié)構(gòu)對被測試件進行雙軸向加載，壓力試驗機記錄加載過程中的實時數(shù)據(jù)給電子控制裝置；該液壓裝置根據(jù)動力源和電子控制裝置的壓力值產(chǎn)生載荷力輸送給壓力試驗機；電子控制裝置根據(jù)控制目標(biāo)信號和從壓力試驗機傳回的實時數(shù)據(jù)計算被測試件與控制目標(biāo)之間的差距，根據(jù)差距計算出輸送給液壓裝置的壓力值，最終控制試件的變形量與變化過程。本發(fā)明解決了現(xiàn)有電液伺服壓力實驗機中加載樣品小、過程控制簡單、控制因子單一的問題。
文檔編號G01N3/12GK102589980SQ20121001484
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者劉力強, 劉天昌, 吳秀泉, 郭彥雙, 陳國強 申請人:中國地震局地質(zhì)研究所