直剪儀多級液壓加載系統(tǒng)的設計與控制

呂原君，杜時貴，羅戰(zhàn)友，黃曼

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，浙江紹興 312000；2.紹興文理學院，浙江紹興 312000；3.浙江科技學院，浙江杭州 310023)

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，許多高層建筑、高海拔的大壩、海灣工程、港口建設、水利工程建設和整治等項目中，研究巖體的穩(wěn)定性的社會效益相當明顯。另外，在自然界常常遇到滑坡、塌方等自然災害，這些自然現(xiàn)象也涉及到巖體的結(jié)構(gòu)強度問題。目前，國內(nèi)外巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度的確定方法主要有直剪試驗法、室內(nèi)模型試驗法和經(jīng)驗估算方法等。通過直剪試驗，結(jié)合工程地質(zhì)勘測資料綜合求取結(jié)構(gòu)面抗剪強度的方法為國內(nèi)巖體力學工作者所常用。

從資料的檢索看，在高性能大接觸面直剪儀中，美國Durham Geo公司生產(chǎn)了LG-140大型高性能接觸面直剪儀。英國ELE公司生產(chǎn)的大型直剪儀用于測定在固結(jié)排水條件下土與土、土與土工織物、土工織物與土工織物之間的特性。美國GCTS公司生產(chǎn)了伺服控制直剪測試系統(tǒng)。國內(nèi)的大型直剪儀有清華大學研制的TH-20t大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀。長江科學研究院土工研究所研制了室內(nèi)DHJ60型疊環(huán)式剪切試驗機［1-3］。閡弘、劉小麗等［4-5］設計了現(xiàn)場室內(nèi)兩用大型直剪儀。張嘎等人［6］提出了土與土工織物接觸面力學特性的試驗研究。杜時貴等［7］提出了多尺度巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗儀的研制。南京土壤儀器有限公司和南京水利科學研究院［8］聯(lián)合制造的NHRI-4000型高性能大接觸面直剪儀采用伺服電機加升降機實現(xiàn)40 t試樣的測試。

現(xiàn)有設備存在的主要問題如下:(1)現(xiàn)有設備的法向力小，在試驗室中無法模擬高壩等工程的受力情況，也不能實現(xiàn)等剪切面直剪試驗，只能滿足小型試樣的測試;(2)現(xiàn)有電液伺服系統(tǒng)由于受到傳感器精度范圍的影響，在其滿量程的10%以內(nèi)或者90%以上部分精度穩(wěn)定性不足，無法滿足大范圍載荷的測試要求;(3)現(xiàn)有直剪儀無法滿足尺度試樣問題，比如實現(xiàn)截面積為 (100 mm×100 mm) ～(500 mm×500 mm)的試樣。

1 新型直剪儀的結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為大型巖石直剪儀的示意圖，它主要由法向液壓缸、框體、剪切向液壓缸、墊塊等組成。兩個液壓缸完成巖石試樣的剪切運動。不同數(shù)量的墊塊組合實現(xiàn)大小試樣剪切面同高度的測試。

圖1 巖石直剪儀的結(jié)構(gòu)示意圖

大型巖石直剪儀的工作原理為:試樣安裝在一定數(shù)量墊塊上，滿足剪切面始終位于剪切加載位置→法向液壓缸活塞桿伸出，加載到試樣上表面，并逐級加載到一定載荷→剪切向液壓缸逐級施加剪切載荷→上下試樣產(chǎn)生滑移并到一定距離→卸載剪切載荷→卸載法向載荷→完成試樣測試并輸出相關(guān)曲線和數(shù)據(jù)。

2 巖石直剪儀的液壓系統(tǒng)設計與分析

2.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

(1)法向和剪切液壓缸的加載

液壓缸工作可區(qū)分為3個階段:第一階段為加載，負載力緩慢地逐級增加，達到最大法向載荷，速率控制在0.5 mm/s以內(nèi);第二階段為保壓，在規(guī)定壓力下保持在壓力精度范圍內(nèi);第三階段為卸載，能較快縮回液壓活塞桿。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

則法向液壓缸的慣性力為

(2)確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負載和選取的工作壓力來確定。主缸內(nèi)徑為

由于壓力表的單位為MPa，壓力為kN。單位互換公式如下

其中:F為液壓缸施加的壓力值;A為液壓缸的活塞面積;r為液壓缸活塞半徑。

2.2 液壓系統(tǒng)的設計與控制

該巖石直剪儀的液壓系統(tǒng)主要由法向載荷與剪切載荷組成，并且它們的液壓回路類似，以法向回路作為分析對象進行說明。如圖2所示，它主要由液壓缸、控制閥、溢流閥、過濾器、單向閥、減壓閥組成。

圖2 多級加載回路的設計圖

法向液壓缸在加載達到設定載荷前需要分5級加載。用三位五通閥控制液壓缸伸出或縮回，選用YV1、YV2、YV3、YV4、YV5共5個二位二通電磁閥控制每一級的壓力，相對應地減壓閥用于設置每一級的壓力值。在卸載過程中設置了一個二位二通電磁閥YV8，用于液壓缸快速縮回。剪切液壓缸在加載達到相同設定載荷前需要分10級加載，即需要分10個二位二通電磁閥和減壓閥進行控制。

法向液壓回路的控制系統(tǒng)如圖3所示，整個工作過程如下:按下啟動按鈕SB1后泵工作并達到工作壓力→YV7得電→經(jīng)過一定時候后YV1得電，進入第一級載荷的加載，并設置時間繼電器進行定時，使得載荷加載并保壓一段時間→YV2得電和YV1失電，進入第二級載荷的加載，同理通過時間繼電器使得載荷加載并保壓一段時間→依此類推得到第五級加載并保壓→啟動剪切液壓回路，并同樣采用類似回路進行分10級加載→上下試樣發(fā)生相對移動后，記錄剪切的載荷峰值→移動到一定距離后按下剪切液壓回路中的停止按鈕進行卸載→按下法向液壓回路中的停止按鈕進行卸載一定時間。

圖3 法向載荷多級加載的控制圖

2.3 液壓回路的仿真

圖4 仿真界面和壓力表顯示值

為驗證整個液壓回路的合理性，通過仿真軟件FluidSIM-H進行分析。FluidSIM軟件符合DIN電氣—液壓 (氣壓)回路圖繪制標準，CAD功能是專門針對流體而特殊設計的，例如在繪圖過程中，F(xiàn)luidSIM軟件將檢查各元件之間連接是否可行。最重要的是可對基于元件物理模型的回路圖進行實際仿真，并有元件的狀態(tài)圖顯示，這樣就使回路圖繪制和相應液壓(氣壓)系統(tǒng)仿真相一致，從而能夠在設計完回路后，驗證設計的正確性，并演示回路動作過程。

在仿真前設置好液壓缸的參數(shù)，比如活塞面積、行程和載荷。設置每個減壓閥的壓力值。繪制好圖2和圖3所示的液壓圖和電氣控制圖。得到圖4的仿真界面和法向加載過程中各壓力表的顯示值。

3 設備測試結(jié)果分析和結(jié)論

為了檢驗設備的精度和可靠性，對其進行測試，測試現(xiàn)場見圖5。測試方法是在法向液壓缸下的試樣加載板下安裝標定壓力傳感器，對試樣進行100～500 kN的測試并比較:標定傳感器和壓力表控制方式絕對誤差控制在10 kN以內(nèi)，相對誤差控制在5%以內(nèi)，滿足試樣測試要求。對結(jié)果進行擬合后可知該控制方案精度高，另外控制成本遠低于伺服控制方案。但是在處理載荷噸位較多時，需要調(diào)試壓力的過程較繁瑣，載荷的精度跟人為調(diào)節(jié)有一定影響。

圖5 設備測試現(xiàn)場

［1］張嘎，張建民.大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀的研制及應用［J］.巖土工程學報，2003，25(2):149-153.

［2］高俊合，于海學，趙維柄.土與混凝土接觸面特性的大型單剪切試驗研究及數(shù)值模擬［J］.土木工程學報，2003，33(4):42-46.

［3］殷宗澤，朱漢，許國華.土與結(jié)構(gòu)材料接觸面特性的變形及其數(shù)學模擬［J］.巖土工程學報，1994，16(3):14-22.

［4］閡弘，劉小麗，魏進兵，等，現(xiàn)場室內(nèi)兩用大型直剪儀研制(I):結(jié)構(gòu)設計［J］.巖土力學，2006，127(1):168-172.

［5］劉小麗，羅錦添，閔弘，等.現(xiàn)場室內(nèi)兩用大型直剪儀研制(Ⅱ):試驗測試［J］.巖土力學，2006，127(2):336-340.

［6］張嘎，張建民.土與土工織物接觸面力學特性的試驗研究［J］.巖土力學，2006，27(1):52-55.

［7］杜時貴，羅戰(zhàn)友，黃曼，等.多尺度巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗儀的研制與應用［C］//和諧地球上的水工巖石力學——第三屆全國水工巖石力學學術(shù)會議論文集，2010.

［8］茅加峰.NHRI-4000型高性能大接觸面直剪儀的設計研究［D］.南京:南京理工大學，2009.