[發明專利]一種微機電氣液伺服聯控野外巖土力學試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201711387916.7
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN107957376B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 李維樹;宋春恩;周火明;李強;袁亞東;吳相超;劉洋;鄭升寶;郭喜峰;喬云強;王中豪;譚新;劉學祥;張宜虎;謝春光
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01B11/16
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發明公開了一種微機電氣液伺服聯控野外巖土力學試驗裝置及方法，包括氣控系統、液壓系統、電控系統。由小型空壓機提供氣動力，用1臺雙向氣液增壓泵將低氣壓轉換為高液壓，通過穩壓分別供給3個電氣液伺服閥及減壓閥，在計算機及軟件的控制下同時輸出3路不同壓力。同時可以對試驗對象的位移進行同步采集，時實顯示應力應變關系曲線。本發明采用氣壓及氣控元件實現對高液壓的伺服聯控，輸出壓力精度高、波動小，最大波動范圍小于±20kPa；同時輸出三個不同壓力，輸出流量大且互不干擾，輸出最高壓力60MPa，1臺設備能滿足野外巖土力學試驗的所有項目；結構簡單，操作方便，能很好地適應野外惡劣環境。

技術領域

本發明屬于巖土力學試驗設備技術領域，尤其涉及一種微機電氣液伺服聯控野外巖土力學試驗裝置及方法。

背景技術

巖土力學野外試驗包括壓縮變形試驗、直剪試驗、承載力試驗和單軸、雙軸及三軸試驗，以及對應項目的蠕變試驗。通過對巖土試件施加應力使其發生變形或破壞獲得巖土的力學參數。目前現場巖土力學試驗加載與記錄主要采用手工加載和人工記錄數據的方式，由于野外環境條件復雜、巖土力學參數差別大而要求所施加的荷載及流量必須在較大范圍，因此，現有技術要么難以滿足荷載及流量要求，要么難以滿足精度要求。國內諸多儀器廠從上世紀80年代開始研發相關設備，有半自動與全自動之分、電液式與氣液式之分，但至今沒有一套令巖土工程界學者滿意的產品(精度、流量及荷載)。本世紀初，先后出現了電液式伺服控制加卸載系統和氣液式加卸載系統：(1)電液式伺服控制加卸載系統，有電液活塞式和電液旋轉式兩種，如長江科學院與長春試驗儀器設備有限公司聯合研發的室內及野外系列產品，其優點：①精度高(壓力波動±50kPa，位移精度±1‰～±3‰mm)，②流量大(約10-30L/min)，③可適應不同堅硬程度的巖石及各類土體。其不足：①設備極其笨重，單通道單臺加載設備重量約300～400kg、體積約1.2m²(1.2×1×1m)或1.5m²(1.4×1.1×1m)，控制與采集設備重量約40kg，體積約1m³(0.8×1×1.2m)，在無交通及機械條件下，人工搬運極其困難；②電液活塞式工作油缸內容積太小(Φ5×20cm或Φ10×30cm)，只能通過充溢縮回活塞而耗費時間且使加卸載過程頻繁中斷，使試驗周期延長1倍以上；③電液旋轉式的油泵連續工作一段時間后油溫升高而出現自動中斷的現象，穩定性差；④成本高，單套售價25～30萬元，3臺加載系統綜合售價75～100萬元；⑤由于追求高精度，伺服系統不斷循檢，使控制系統及軟件工作強度大，導致軟件經常性中斷，嚴重影響數據采集的連續性且穩定性與可靠性不佳；⑥國內較為成熟的基樁靜載儀、承載力試驗儀器等多為電液旋轉式，其優點是設備輕便簡單(手提式)，成本低(儀器成本5～10萬元)，可靠性較高；其不足：①壓力控制精度低(采用比例閥控制，通過軟件控制普通電動油泵啟閉，壓力波動±0.5～±3MPa)，②位移測量精度低(標稱±1％mm，實際±3％～±5mm)，③只能單通道加載，若要三通道加載則需配置3套設備，且不能很好地同步。(2)氣液式手控加卸載系統，如長江科學院與長春試驗儀器設備有限公司聯合研發的室內及野外系列產品，其優點：①輕便，單臺重量約40kg，體積約0.7m³(0.8×0.7×1.3m)，②設備成本低(單臺8～10萬元)，③流量大(30-50L/min)，其不足：①未實現伺服控制加卸載與數據自動采集因而壓力控制精度低(壓力波動范圍±0.5～3MPa)，不適合野外巖土力學試驗，更不適合野外巖土蠕變試驗，②無數據自動采集功能，因此需要3～4人長期作業3～6h，運行成本加大。

綜上所述，現有技術存在的問題是：①為了滿足大流量和高精度要求，電液式伺服控制的工作原理本身決定了裝置的尺寸大而笨，成本也自然增大；②現有的氣液式加載設備未實現伺服控制，主要原因是國內外氣體伺服閥精度低，配套方法尚不完善，因而目前還沒有高精度大流量的野外伺服控制加載設備；③野外環境中，伺服加卸載和數據采集系統及相應的傳感器受溫濕度影響較大，其穩定性和可靠性難于達到滿意效果；④現有技術中的一套裝置只能滿足單通道的加載和采集，若1個試樣需要2個及2個以上的加卸載通道時則需配置兩臺以上的獨立裝置，帶來的問題是難于同步、流量不足和成本增加等。