复杂动力学过程双轴加载系统

摘要

本发明公开复杂动力学过程双轴加载系统，包括：压力试验机、液压装置和电子控制装置；其中压力试验机与液压装置和电子控制装置相连，接收该液压装置产生的载荷力输送到压力试验机上的两个加载子单元，两个加载子单元组成十字结构对被测试件进行双轴向加载，压力试验机记录加载过程中的实时数据给电子控制装置；该液压装置根据动力源和电子控制装置的压力值产生载荷力输送给压力试验机；电子控制装置根据控制目标信号和从压力试验机传回的实时数据计算被测试件与控制目标之间的差距，根据差距计算出输送给液压装置的压力值，最终控制试件的变形量与变化过程。本发明解决了现有电液伺服压力实验机中加载样品小、过程控制简单、控制因子单一的问题。

权利要求

1.一种复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，包括：压力试验机、液压装置和电子控制装置；其中，所述压力试验机，与所述液压装置和电子控制装置相连，接收该液压装置产生的载荷力，输送到该压力试验机上的两个加载子单元，两个所述加载子单元组成十字结构对被测试件进行双轴向加载，该压力试验机记录加载过程中的实时数据给该电子控制装置；所述压力试验机为采用主机分体式结构的双轴向压力试验机；所述压力试验机上的加载子单元包括：两个侧力板、四个横梁、一个油缸、主动压头、被动压头和传感器；

其中，所述传感器包括：位移传感器和载荷传感器；

两个所述侧力板与四个横梁垂直连接并设置在四个所述横梁的两端，同时在一个所述侧力板上设置有所述油缸，该油缸与四个横梁平行设置，所述位移传感器和载荷传感器分别设置在另一个所述侧力板上，并且该油缸的端部设置有所述主动压头与所述载荷传感器上设置有的所述被动压头处于一条直线上；

所述液压装置，与所述压力试验机和电子控制装置相连，该液压装置根据动力源和电子控制装置的压力值产生载荷力输送给所述压力试验机；

所述电子控制装置，与所述压力试验机和液压装置相连，该电子控制装置根据控制目标信号和从该压力试验机传回的实时数据计算被测试件与控制目标之间的差距，根据该差距计算出输送给该液压装置的压力调整值，如此循环调整，最终控制被测试件达到预期的变形量过程。

2.如权利要求1所述的复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，还包括：电气装置，与所述液压装置相连接，产生输送到所述液压装置的动力源。

3.如权利要求1所述的复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，还包括：所述电子控制装置内还包括有：加载控制模块，该加载控制模块产生控制目标信号并输送给该电子控制装置。

4.如权利要求3所述的复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，

所述加载控制模块，进一步根据设置的数据生成加载动力学过程时间曲线计算产生每一刻的控制目标信号并输送给所述电子控制装置。

5.如权利要求2所述的复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，所述电气装置为采用工业标准的继电器控制线路。

6.如权利要求1所述的复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，所述液压装置，进一步根据动力源和电子控制装置的压力值产生载荷力，并通过该液压装置内的油管输送给所述压力试验机内的油缸。

说明书

复杂动力学过程双轴加载系统

技术领域

[0001] 本发明涉及动力学加载领域，尤其涉及一种复杂动力学过程双轴加载系统。

背景技术

[0002] 标准型的或通用型的电液伺服压力实验机一般按材料力学参数测试需要设计，单轴加载，垂直装样，装样空间小。这种压力实验机在控制性能上一般仅仅能够进行单因子线性或简单函数过程控制，其性能不能满足我们的实验需求，尤其是对构造变形的实验。

[0003] 构造变形的实验需要条件比较复杂，除了需要比较大型的压力实验机(如：500×500×300mm)以便预制三维构造外，还需要压力实验机能够随意调整控制的位移、载荷以及要能够观测高密度的变形物理场操作。

[0004] 综上所述，在对构造变形的实验过程中，既要完成预制三维构造，又能够实现随意调整控制的位移、载荷以及观测高密度的变形物理场操作，并成为亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂动力学过程双轴加载系统，以解决现有电液伺服压力实验机中加载样品小、过程控制简单、控制因子单一的问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种复杂动力学过程双轴加载系统，其特征在于，包括：压力试验机、液压装置和电子控制装置；其中，

[0007] 所述压力试验机，与所述液压装置和电子控制装置相连，接收该液压装置产生的载荷力，输送到该压力试验机上的两个加载子单元，两个所述加载子单元组成十字结构对被测试件进行双轴向加载，该压力试验机记录加载过程中的实时数据给该电子控制装置；

[0008] 所述液压装置，与所述压力试验机和电子控制装置相连，该液压装置根据动力源和电子控制装置的压力值产生载荷力输送给所述压力试验机；

[0009] 所述电子控制装置，与所述压力试验机和液压装置相连，该电子控制装置根据控制目标信号和从该压力试验机传回的实时数据计算被测试件与控制目标之间的差距，根据该差距计算出输送给该液压装置的压力调整值，如此循环调整，最终控制被测试件达到预期的变形量过程。

[0010] 进一步地，其中，还包括：所述电气装置，与所述液压装置相连接，产生输送到所述液压装置的动力源。

[0011] 进一步地，其中，所述电子控制装置内还包括有：加载控制模块，该加载控制模块产生控制目标信号并输送给该电子控制装置。

[0012] 进一步地，其中，所述加载控制模块，进一步根据设置的数据生成加载动力学过程时间曲线计算产生每一刻的控制目标信号并输送给所述电子控制装置。

[0013] 进一步地，其中，所述压力试验机为采用主机分体式结构的双轴向压力试验机。

[0014] 进一步地，其中，所述压力试验机上的加载子单元包括：两个侧力板、四个横梁、一个油缸、主动压头、被动压头和传感器；

[0015] 其中，所述传感器包括：位移传感器和载荷传感器；

[0016] 两个所述侧力板与四个横梁垂直连接并设置在四个所述横梁的两端，同时在一个所述侧力板上设置有所述油缸，该油缸与四个横梁平行设置，所述位移传感器和载荷传感器分别设置在另一个所述侧力板上，并且该油缸的端部设置有所述主动压头与所述载荷传感器上设置有的所述被动压头处于一条直线上。

[0017] 进一步地，其中，所述电气装置为采用工业标准的继电器控制线路。

[0018] 进一步地，其中，所述液压装置，进一步根据动力源和电子控制装置的压力值产生载荷力，并通过该液压装置内的油管输送给所述压力试验机内的油缸。

[0019] 与现有技术相比，本发明所述的一种复杂动力学过程双轴加载系统解决了现有电液伺服压力实验机中加载样品小、过程控制简单、控制因子单一等缺点，并且实现了对大样品的复杂加载过程的内部响应和加载过程中对位移、载荷两控制因子的任意切换，以及动力学过程任意可调，加载控制模块可以调整多个正弦波、三角波、锯齿波与方波信号，甚至是输入随意手绘曲线信号和野外现场获得的实际地壳运动记录。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例一所述的复杂动力学过程双轴加载系统结构框图；

[0021] 图2为本发明实施例一所述的复杂动力学过程双轴加载系统中压力试验机立体结构图；

[0022] 图3为本发明实施例一所述的复杂动力学过程双轴加载系统中压力试验机的加载子单元的侧面结构图。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

[0024] 如图1所示，本发明实施例一所述的复杂动力学过程双轴加载系统，包括：压力试验机101、电气装置102、液压装置103、电子控制装置104和加载控制模块105；其中，[0025] 压力试验机101，为采用主机分体式结构(即两台四柱式横卧压力机，如图2所示)的双轴向压力试验机，压力试验机101通过其内的油缸与所述液压装置103和电子控制装置104相连，所述油缸接收该液压装置103产生的载荷力，输送到该压力试验机101上的两个加载子单元，两个所述加载子单元组成十字结构对被测试件进行双轴向加载，并通过该压力试验机101内设置的传感器记录载过程中的实时数据给该电子控制装置104。

[0026] 具体地，如图2所示，该压力试验机101主要包括：两个结构相同但方向垂直组成十字结构的加载子单元11(如图2所示)、一个加载框架平台12、四个固定端13和四个固定端13上的垫块。所述的两个结构相同但方向垂直组成十字结构的加载子单元11与加载框架平台12相连，所述固定端13设置在所述加载子单元11上，并且固定端13上还可以设置有垫块，由于本领域技术人员清楚垫块的位置，因此附图3中并没有示出。

[0027] 如图3所示，实施例一所述压力试验机101中的加载子单元11，该加载子单元11具体包括：两个侧力板111、四个横梁112(横梁使用45#煅钢板)、一个油缸113、主动压头114、被动压头115和传感器(包括：位移传感器和载荷传感器，这里图中未示出，可以将位移传感器设置在油缸113的下方，将载荷传感器设置在被动压头115的后面)。其中，两个侧力板111与四个横梁112垂直连接并设置在四个横梁112的两端，同时在一个所述侧力板111上设置有独立的油缸113，油缸113与四个横梁112平行设置，并且油缸113端部设置的主动压头114与载荷传感器上设置的被动压头115处于一条直线上。

[0028] 加载子单元11的具体工作工程为：加载子单元11中的主要动力源为来自与油缸113相连的液压装置103，当加载子单元11开始工作时，液压装置103产生载荷力输送给油缸113带动主动压头114按实验要求，以位移控制方式向被动压头115方向运动，夹持其间的试件进行加载。加载过程中主动压头114的位移量由位移传感器测得传输回电子控制装置104，被测的试件所承受载荷大小通过载荷传感器测得也传输回电子控制装置104，然后电子控制装置104再根据控制目标信号和从该压力试验机传回的实时数据计算被测试件与控制目标之间的差距，根据该差距计算出输送给该液压装置104相应的压力值。两个加载子单元11的结构是相同的，向同一个地质材料试件施加测试载荷，相应的两对主动压头
114和被动压头115的相向运动轨迹是垂直的，或者说这两个加载子单元11施加的测试载荷的力的方向是垂直的，这样实现了双轴向加载。

[0029] 这种压力试验机101结构形式比较简单，加工工艺性好，拆装方便，容易在实验室组装和安装，并且造价较低。

[0030] 电气装置102，用于与所述液压装置103相连接，其采用工业标准的继电器控制线路，产生输送到所述液压装置103的动力源。

[0031] 此外，该电气装置102采用了能够在伺服机构(servomechanism，系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统)尚未接管过程控制之前，调整所述液压装置103到合适状态。还保证了在不启动电子控制装置时，所述液压装置103可以手动操作，这为所述液压装置103维修、调试或简单实验提供了方便。该电气装置102还可以直接和液压装置103设置在一起，这里并不做具体限定。

[0032] 液压装置103，用于与压力试验机101、电气装置102和电子控制装置104相连接，根据电气装置102输送的动力源和电子控制装置104的压力值，产生载荷力来推动压力试验机101对被测试件进行加载。

[0033] 该液压装置103包括：电机油泵、油管、单向阀、滤油器、送油针型阀、回油针型阀、伺服阀、溢油阀、油箱、活塞、电磁换向阀等部件组成。其中，该液压装置103的油管与压力试验机101上的两个的油缸113相连接。

[0034] 具体地，这里简单说明下该液压装置103的工作过程：油泵在运转中，油箱内的油液通过油箱内的滤油器及油管进入泵内，由油泵把油液输出，经送油管、单向阀、滤油器后，一路送至溢油阀，调定供油压力，多余的油溢出返回油箱；另一路分别经双向的滤油器，送至双向的送油针型阀和伺服阀。当送油针型阀关闭，伺服阀工作时，油液经伺服阀，油管进入加载油缸，实施伺服控制加载。加载结束后，改变伺服阀供油方向，油液经伺服阀进入回程油缸，使活塞返回原位，在活塞返回的同时，加载在油缸113中的油液经伺服阀返回油箱。伺服阀不工作时，打开送油针型阀和电磁换向阀，油液经送油针型阀，电磁换向阀进入加载的油缸113，实施人工控制加载(调节送油针型阀的开度，可控制加载速率)；如加载过程中需要进行载荷保持时，可以松开回油针型阀，微调其开度，可以达到保持载荷不变的状态；人工加载结束后，可以改变电磁换向阀的供油方向，使油液进入回程油缸，活塞缓慢返回原位。与此同时，加载油缸113的油液经电磁换向阀返回油箱。实验结束后，停止油泵运转，打开所有回油针型阀，使液压装置103卸去油压，油液返回油箱。

[0035] 电子控制装置104，用于与压力试验机101、液压装置103和加载控制模块105相连接，接收加载控制模块105的控制目标信号，根据该控制目标信号和从压力试验机101传回的实时数据计算压力试验机101上被测试件与控制目标之间的差距，根据该差距计算出输送给液压装置103的压力调整值，并输送给液压装置103，如此循环调整，最终控制被测试件达到预期的变形量过程。

[0036] 通过该电子控制装置104使输出给液压装置103的压力值符合预设的加载动力学过程时间曲线。电子控制装置104采用现有技术中的闭环控制原理，该电子控制装置104与传统方式不同之处是把PID(Packet IDdentifier)控制器完全数字化，从而大大减少了模拟器件的使用量，仅在伺服信号的电流放大部分，采用了模拟器件(伺服放大器)，并且尽可能选用了性能优良的专用仪表放大器。这样做的好处是：复杂动力学过程双轴加载系统性能稳定，可靠性提高，漂移量小；同时便于通过软件对复杂动力学过程双轴加载系统进行控制。实际运行表明，电子控制装置104对闭环状态的寻检速度可以达到500次/秒以上，控制密度大于执行响应时间，完全可以保证复杂动力学过程双轴加载系统的稳定运行。

[0037] 加载控制模块105，设置在电子控制装置104内部，该加载控制模块105根据接收外部设置的数据生成加载动力学过程时间曲线计算产生每一刻的控制目标信号并输送给电子控制装置104。

[0038] 该加载控制模块105主要通过其内部的函数生成器完成其功能，该函数生成器提供多种可以合成或生成到线性均匀加载过程上的加载动力学过程时间曲线(函数)，其中特别是可以从数据文件调入以数据描述的任意过程，这些数据文件可以来自现场观测的地壳运动过程，也可以来自科学家从理论上推测的各种复杂过程。用户可以在这里调入，编排多种加载方式，供实验中对试件施加位移或载荷控制。函数生成器可以设计多个正弦波、三角波、锯齿波与方波信号，甚至是输入随意手绘曲线信号，用以在实时控制中调用，该加载控制模块105控制目标信号自动形成数据库，可以在实验中反复调用，形成连续的周期信号，也可以在不同实验中共享。

[0039] 一般情况下，加载控制模块105设置在电子控制装置104内部，但加载控制模块105所执行的流程与电子控制装置104的操作流程并不一致，加载控制模块105作用是产生控制目标信号并输送给该电子控制装置104，两者之间的具体描述这里并不做具体限定，本领域技术人员根据说明书的描述能够清楚两者的具体结构。

[0040] 本发明根据实施例一所述的复杂动力学过程双轴加载系统，对被测的试件进行操作的具体步骤如下：

[0041] 第一，首先把试件放置到压力试验机101上的两个加载子单元11中间位置，即两个压头114和115之间的加载框架平台12上；

[0042] 第二，通过加载控制模块105接收数据生成加载动力学过程时间曲线，根据该曲线计算产生每一刻的控制目标信号并发送给电子控制装置104；

[0043] 第三，电子控制装置104接收加载控制模块105的控制目标信号，根据该控制目标信号和从压力试验机101传回的实时数据计算压力试验机101上被测试件与控制目标之间的差距，根据该差距计算出输送给液压装置103的压力值；

[0044] 第四，液压装置103根据电气装置102输送的动力源和电子控制装置104的压力值，产生载荷力来推动压力试验机101对被测试件进行加载；

[0045] 第五，电子控制装置104得到被测的试件的变形状态(包括双方向的载荷与位移数据)。

[0046] 综上所述，与现有技术相比，本发明所述的一种复杂动力学过程双轴加载系统解决了现有电液伺服压力实验机中加载样品小、过程控制简单、控制因子单一等缺点，并且实现了对大样品的复杂加载过程的内部响应和加载过程中对位移、载荷两控制因子的任意切换，以及动力学过程任意可调，加载控制模块可以调整多个正弦波、三角波、锯齿波与方波信号，甚至是输入随意手绘曲线信号和野外现场获得的实际地壳运动记录。

[0047] 当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。