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专利名称：变频变幅动态加载岩石力学试验系统的制作方法
变频变幅动态加载岩石力学试验系统技术领域岩石力学试验技术与设备领域背景技术当前岩石力学动态试验主要分为高应变率动态试验与中等应变率动 态试验，高应变率动态试验方法与设备目前较为成熟，而中等应变率动态岩石力学试验较 难实现，对于可变频变幅进行动态加载的岩石力学试验更是困难，主要在于以下三个方面 的问题难以解决高刚度的高频响全闭环伺服测控问题；大流量高压油源的高效经济冷却 问题；试验过程高速高分辨物理量测量问题。这三个问题导致现存的中等应变率动态岩石 力学试验机无法进行变频变幅动态加载。发明内容本发明提供一种能够实现中等应变率条件下变频变幅动态加载的岩 石力学试验系统。其特征是采用高刚度反力框架、高刚度双向作动器、高频响全数字闭环伺 服控制器、动态电液伺服阀的有机结合实现变频变幅动态控制问题；采用数控氟利昂油冷 机解决大流量高压油源高效经济的冷却问题；采用高速线性激光CCD变形传感器、差动变 压位移测量、高速防爆数字摄影机、高精度负荷传感器来解决试验过程高速高分辨物理量 测量问题。变频变幅动态加载岩石力学试验系统，由主机加载框架部分，动态加载控制部分， 高压油源及冷却部分，动态测量部分构成，所述主机加载框架部分由刚性立柱1，上横梁2， 下横梁3，底座4，压垫6和压头7组成；所述动态加载控制部分由作动器上腔9，双向高刚 度作动器10，作动器下腔11，液压油管12，动态电液伺服阀13，全数字动态闭环伺服控制器 19，数据导线20和计算机21组成；所述高压油源及冷却部分由滤油器14，油泵15，溢流阀 16，耐磨液压油17和数控氟利昂油冷机18组成；所述动态测量部分由上负荷传感器22，下 负荷传感器23，差动变压位移传感器M，高速线性激光CCD变形传感器25和高速防爆数字 摄影机沈组成。基本原理与技术根据岩石力学试验对主机高刚度的需求，主机反力框架采用四 立柱式高强钢结构，作动器采用大直径高刚度油缸；针对变频变幅动态加载高精度控制的 需求，对试件要进行波动拉压加载，采用双向动态作动器，岩样端面高强粘结剂，可实现岩 样的拉压加载，采用高频响全数字闭环伺服控制器与动态电液伺服阀配合双向作动器，实 现变频变幅加载的高精度控制；针对动态加载大流量高压油源需要高效经济的冷却，采用 数控氟利昂油冷机对高温油进行可控冷却，保证油源系统正常工作；针对动态岩石力学试 验岩样在试验过程短，易爆裂片落的特点，传统的接触式变形传感器不能使用，采用非接触 的高速线性激光CCD变形传感器进行岩样径向变形高频测量，差动变压位移传感器进行轴 向变形动态测量，高速防爆数字摄影机进行岩样破裂过程形貌观测，解决岩样加载物理量 高速高分辨测量问题。变频变幅动态加载岩石力学试验系统，由主机加载框架部分，动态加载控制部分， 高压油源及冷却部分，动态测量部分构成。主机加载框架部分由刚性立柱1，上横梁2，下横梁3，底座4，压垫6和压头7组成。 刚性立柱1为高强高硬钢，与上横梁2，下横梁3，底座4组成四立柱式反力结构，框架整体 刚度大于5GN/m ；压垫6与压头7为硬化处理钢，压头7为球形垫结构，可调节岩样5平行度差。动态加载控制部分由作动器上腔9，双向高刚度作动器10，作动器下腔11，液压油 管12，动态电液伺服阀13，全数字动态闭环伺服控制器19，数据导线20和计算机21组成。 计算机21通过数据导线20与全数字动态闭环伺服控制器19进行数字信号通信和控制，全 数字动态闭环伺服控制器19接收动态测量部分信号与计算机21发出的试验过程信号进行 伺服运算，通过数据导线20调节动态电液伺服阀13，动态电液伺服阀13通过液压油管12 向双向高刚度作动器10加压，调节作动器上腔9与作动器下腔11的压力输入来实现作动 器的上下移动，实现对岩样5的变频变幅拉压动态加载。全数字动态闭环伺服控制器19的 闭环控制频响为5kHz，负荷通道分辨率为士 100000级；动态电液伺服阀13频响为70Hz， 滞后小于< 0. 20%，瞬态响应12ms ；液压油管12最大极限压力IOOMPa ；双向高刚度作动器 10最大负荷-300kN-1000kN，直径340mm，最大刚度大于5GN/m。高压油源及冷却部分由滤油器14，油泵15，溢流阀16，耐磨液压油17和数控氟利 昂油冷机18组成。油泵15通过溢流阀16输出恒定压力，通过滤油器14使过滤耐磨液压 油17，进入动态电液伺服阀13 ；耐磨液压油17进入数控氟利昂油冷机18循环，将耐磨液压 油17的温度控制在5-30°C。油泵15流量为631/min，最大压力31MPa ；数控氟利昂油冷机 18 制冷量为 15000Kcal/h。动态测量部分由上负荷传感器22，下负荷传感器23，差动变压位移传感器24，高 速线性激光CCD变形传感器25和高速防爆数字摄影机沈组成。上负荷传感器22测量岩 样5顶部所受压力，并作为闭环力伺服控制量控制力变频变幅动态加载；下负荷传感器23 测量岩样5底部所受压力；差动变压位移传感器M测量岩样5轴向变形，并作为闭环变形 伺服控制量控制位移变频变幅动态加载；高速线性激光CCD变形传感器25测量岩样5径向 变形；高速防爆数字摄影机26观测岩样5破裂形貌；上负荷传感器22，下负荷传感器23， 差动变压位移传感器M和高速线性激光CXD变形传感器25通过数据导线20将信号传输 至全数字动态闭环伺服控制器19，高速防爆数字摄影机沈通过数据导线20将信号传输至 计算机21。


附图是变频变幅动态加载岩石力学试验系统结构图。图中1:刚性 立柱；2 上横梁；3 下横梁；4 底座；5 岩样；6 压垫；7 承压头；8 高强粘结剂；9 作动 器上腔；10 双向高刚度作动器；11 作动器下腔；12 液压油管；13 动态电液伺服阀；14 滤油器；15 油泵；16 溢流阀；17 耐磨液压油；18 数控油冷机；19 全数字闭环伺服控制 器；20 数据导线；21 计算机；22 上负荷传感器；23 下负荷传感器；24 差动变压位移传 感器；25 高速线性激光CCD变形传感器；26 高速防爆数字摄影机具体实施方式
1.打开计算机21，打开全数字闭环伺服控制器19，联结计算机21 与全数字闭环伺服控制器19的通讯。2.在压垫6与岩样5接触面均勻涂抹高强粘结剂8，将岩样5放入到压垫6中，待 高强粘结剂8固化后，打开油泵15电源。3.在计算机21上设置好动态测量部分各个传感器采样参数，设置好试验过程变 频变幅的力加载或位移加载参数波形，控制双向高刚度作动器10向上位移，使岩样5上部 上负荷传感器22达到0. 5kN,开始进行变频变幅动态加载岩石力学试验。4.完成试验过程后，在计算机21上保存试验过程动态测量部分各传感器数值，将 双向高刚度作动器10向上位移，卸下岩样5，完成试验。
权利要求
1. 一种能够实现中等应变率条件下变频变幅动态加载的岩石力学试验系统，由主机加 载框架部分，动态加载控制部分，高压油源及冷却部分，动态测量部分构成，所述主机加载 框架部分由刚性立柱(1)，上横梁0)，下横梁(3)，底座，压垫(6)和压头(7)组成，刚 性立柱(1)为高强高硬钢，与上横梁0)，下横梁(3)，底座(4)组成四立柱式反力结构，压 垫(6)与压头(7)为硬化处理钢，压头(7)为球形垫结构，可调节岩样(5)平行度误差；所 述动态加载控制部分由作动器上腔(9)，双向高刚度作动器(10)，作动器下腔(11)，液压油 管(12)，动态电液伺服阀(13)，全数字动态闭环伺服控制器(19)，数据导线OO)和计算机 (21)组成，计算机通过数据导线OO)与全数字动态闭环伺服控制器(19)进行数字 信号通信和控制，全数字动态闭环伺服控制器(19)接收动态测量部分信号与计算机 发出的试验过程信号进行伺服运算，通过数据导线OO)调节动态电液伺服阀(13)，动态电 液伺服阀(13)通过液压油管(12)向双向高刚度作动器(10)加压，调节作动器上腔(9)与 作动器下腔(U)的压力输入来实现作动器的上下移动，实现对岩样(5)的变频变幅拉压 动态加载；所述高压油源及冷却部分由滤油器(14)，油泵(15)，溢流阀(16)，耐磨液压油 (17)和数控氟利昂油冷机(18)组成，油泵(1 通过溢流阀(16)输出恒定压力，通过滤油 器(14)使过滤耐磨液压油(17)，进入动态电液伺服阀(13)，耐磨液压油(17)进入数控氟 利昂油冷机(18)循环；所述动态测量部分由上负荷传感器(22)，下负荷传感器(23)，差动 变压位移传感器(M)，高速线性激光CCD变形传感器0 和高速防爆数字摄影机06)组 成，上负荷传感器0 测量岩样( 顶部所受压力，并作为闭环力伺服控制量控制力变频 变幅动态加载，下负荷传感器测量岩样( 底部所受压力，差动变压位移传感器04) 测量岩样(5)轴向变形，并作为闭环变形伺服控制量控制位移变频变幅动态加载，高速线 性激光CCD变形传感器0 测量岩样( 径向变形，高速防爆数字摄影机06)观测岩样 (5)破裂形貌，上负荷传感器(22)，下负荷传感器(23)，差动变压位移传感器04)和高速线 性激光C⑶变形传感器0 通过数据导线00)将信号传输至全数字动态闭环伺服控制器 (19)，高速防爆数字摄影机06)通过数据导线00)将信号传输至计算机01)。
全文摘要
本发明提供一种能够实现中等应变率条件下变频变幅动态加载的岩石力学试验系统。其特征是采用高刚度反力框架、高刚度双向作动器、高频响全数字闭环伺服控制器、动态电液伺服阀的有机结合实现变频变幅动态控制问题；采用数控氟利昂油冷机解决大流量高压油源高效经济的冷却问题；采用高速线性激光CCD变形传感器、差动变压位移测量、高速防爆数字摄影机、高精度负荷传感器来解决试验过程高速高分辨物理量测量问题。
文档编号G01N3/36GK102116720SQ20101000001
公开日2011年7月6日 申请日期2010年1月4日 优先权日2010年1月4日
发明者刘艳辉, 李守定, 李晓, 赫建明 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所