相似材料試驗(yàn)平臺模型加載系統(tǒng)

相似材料試驗(yàn)平臺模型加載系統(tǒng)

一、功能：

對相似材料模型均勻施加深部巖體三維應(yīng)力，模擬開挖條件下穩(wěn)定加載，要求物理模擬失穩(wěn)階段具有良好的邊界條件保持能力。具有良好的數(shù)據(jù)接口和擴(kuò)展能力。

1.模擬地層壓力，實(shí)現(xiàn)自重壓力模擬、互相垂直的兩個(gè)水平方向的壓力模擬，即三維加載方式；

2.地下工程施工過程包括巷道、隧道、地鐵、硐室、小比例采場等多種工程結(jié)構(gòu)相互影響的力學(xué)效應(yīng)模擬；

3.進(jìn)行高應(yīng)力支護(hù)穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)；

4.真實(shí)地應(yīng)力下巷道（隧道）掘進(jìn)爆破技術(shù)模擬試驗(yàn)，原巖應(yīng)力1套下超動(dòng)態(tài)作用對巷道圍巖影響和破壞模擬試驗(yàn)研究；

5.模擬含地質(zhì)構(gòu)造、層節(jié)理等地層巷道圍巖變形試驗(yàn)；

6.可以實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)圍巖破碎張力的測試，設(shè)計(jì)支護(hù)和壓力傳遞伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)對加載和卸荷壓力和位移影響的仿真測試；

7.全自動(dòng)多參數(shù)同步測試系統(tǒng)，既能測量機(jī)械施加的模擬地壓，又可以測量圍巖中的壓力和變形；測試自動(dòng)化程度高，加載和卸荷試驗(yàn)操作與測試方便；

8.具有良好的可擴(kuò)充性，設(shè)計(jì)中留出接口，便于將機(jī)器系統(tǒng)擴(kuò)充到高溫巖石力學(xué)與工程試驗(yàn)、高涌水和地下深部存放特殊物質(zhì)滲透性試驗(yàn)等；加載系統(tǒng)具有試件尺寸在長度方向的可擴(kuò)充性；

二、試驗(yàn)系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)、制作流程：

1、該相似材料三維模型加載試驗(yàn)系統(tǒng)試主要由高剛度反力架、節(jié)能靜音油源、液壓加載系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。反力架由3榀回字形主框架及前門式反力架和后支撐架組成，液壓加載系統(tǒng)包括垂直（上）多組作動(dòng)器、水平（左、右）多組作動(dòng)器和后多組作動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向主動(dòng)均勻加載。測控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)-控制器-執(zhí)行元件組成的全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對載荷、壓力和整體位移的精確實(shí)時(shí)控制。

2、該系統(tǒng)還包括輔助部分：樣品制作箱，用于樣品試件的制作以及輔助吊具和夾具等。

三、主要技術(shù)參數(shù)：

1、尺寸參數(shù)

1.1、模型塊尺寸（寬×高×深）：2000mm×2000mm×1500mm

1.2、模型塊厚度（深）分級：1500mm、1000mm、500mm

1.3、最大洞室尺寸（寬×高）：400mm×400mm

1.4、模型架外形尺寸滿足類似硬巖材料試驗(yàn)所需要的剛度和試驗(yàn)功能要求。

2.1、垂直（上）有效壓力：所有作動(dòng)器輸出力 18000kN，根據(jù)試件尺寸，上面面積為：2*1.5m，故折算試件上面應(yīng)力為6.0MPa；

2.2、水平（左、右）有效壓力：所有作動(dòng)器輸出力 18000kN，根據(jù)試件尺寸，左面和右面面積為：2*1.5m，故折算試件左面和右面應(yīng)力為6.0MPa；

2.3、水平（后部）有效壓力： 所有作動(dòng)器輸出力24000 kN，根據(jù)試件尺寸，后面面積為：2*2m，故折算后面應(yīng)力為6.0MPa。

2.4、變形測量范圍：0-150mm 精度≤1%（連續(xù)）

2.5、荷載集度偏差：<1.5%

2.6、最大有效壓力下框架中間點(diǎn)最大變形量：<2mm

3、機(jī)械性能參數(shù)

3.1、壓板尺寸：500×500mm

3.2、活塞行程：150mm

3.3、油源額定工作壓力與流量：21MPa，300L/min 

4、控制參數(shù)

4.1、控制通道：側(cè)面4個(gè)控制通道，后蓋4個(gè)控制通道，頂部4個(gè)控制通道，共計(jì)12個(gè)控制通道。電液伺服閥采用美國MOOG閥。每控制通道配備壓力測量傳感器，共12個(gè)壓力傳感器，傳感器配備瑞士keller壓力傳感器。后蓋和頂部相應(yīng)配置8個(gè)位移傳感器，側(cè)面配置（每面4個(gè)）8個(gè)位移傳感器，位移傳感器共計(jì)16個(gè)。位移傳感器量程200mm，分辨率0.02mm。

4.2、以12路壓力或16路位移返回參數(shù)進(jìn)行壓力或位移閉環(huán)控制。

4.3、頂面作動(dòng)器應(yīng)具有動(dòng)態(tài)加載能力，可以實(shí)現(xiàn)分層負(fù)載動(dòng)態(tài)控制；最高動(dòng)態(tài)加載頻率10Hz，最大動(dòng)應(yīng)力幅值不低于1.5MPa。

4.4、控制器可實(shí)現(xiàn)每組作動(dòng)器的同步、異步控制和設(shè)定加載路徑控制；

4.5、靜態(tài)試驗(yàn)加載速度：0～0.15 MPa/s；

4.6、恒定載荷保持時(shí)間：伺服控制時(shí)的壓力波動(dòng)低于當(dāng)前值1%，可以維持24小時(shí)。 另外帶有可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間負(fù)荷保持控制的獨(dú)立液壓和控制系統(tǒng)，負(fù)荷變動(dòng)度不大于設(shè)定值的2%，維持恒定天數(shù)≥360天。

5、軟件可以記錄的參數(shù)

5.1、垂直（上）有效壓力（4個(gè)）（MPa）

5.2、水平（左、右）有效壓力（4個(gè)）（MPa）

5.3、水平（后部）有效壓力（4））（MPa）

5.4、垂直（上）變形（4個(gè)）（mm）

5.5、水平（左、右）變形（8個(gè)）（mm）

5.6、水平（后部）變形（4個(gè)）（mm）

5.7、加載速度 （12個(gè)）（MPa/s）

5.8、恒定荷載保持時(shí)間 （min）

5.9、參數(shù)單通道采樣率：1kHz。

6、集中式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

6.1、用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的集中采集、存儲和共享；

6.2、可以通過網(wǎng)絡(luò)接收所有計(jì)算機(jī)控制器的數(shù)據(jù)采集結(jié)果；

6.3、可以通過網(wǎng)絡(luò)接收系統(tǒng)配置的所有東華數(shù)采系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

6.4、帶有放置在實(shí)驗(yàn)室控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)器；

6.5、帶有云端鏡像服務(wù)器；

6.6、帶有云端鏡像試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分層管理功能，取得相應(yīng)授權(quán)的操作者可以通過網(wǎng)絡(luò)終端查看和下載相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

6.7、具有擴(kuò)展接入其它提供網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的數(shù)采系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

7、安全保護(hù)措施

7.1、油源高溫報(bào)警    

7.2、作動(dòng)器位置限位保護(hù)功能

7.3、開挖降低試樣剛度后，作動(dòng)器過沖擊保護(hù)功能

7.4、液壓系統(tǒng)需附加管路壓力保護(hù)裝置。

8、試樣制作箱1個(gè)，要求保證試件尺寸精度，尺寸偏差小于1mm,箱體高度方向分層安裝，250mm一層，共8層。并且能滿足單榀試驗(yàn)對試樣制作箱的要求。

9、通用要求

9.1、壓力閉環(huán)控制、恒定荷載長時(shí)保持、加載速度控制；壓力或位移控制由程序自由選擇。且程序能夠完成以一參數(shù)控制時(shí)，對另一參數(shù)的檢測，判別，超過一定范圍時(shí)也作為控制依據(jù)。

9.2、計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)直讀顯示有效壓力、變形等試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)曲線；試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)曲線的存儲、再現(xiàn)、打印；

9.3、采用全數(shù)字閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，可以對試驗(yàn)全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

9.4、可從模型的上面、左右側(cè)面、后面由四組作動(dòng)器分別對模型的四個(gè)表面進(jìn)行獨(dú)立施加有效壓力；

9.5、油源應(yīng)采用獨(dú)立分油器避免互相干擾；

9.6、計(jì)算機(jī)對全部模型表面測點(diǎn)及模型內(nèi)部測點(diǎn)進(jìn)行巡回檢測，由屏幕實(shí)時(shí)直讀顯示監(jiān)視測點(diǎn)的變形值或模型表面的變形平均值；

9.7、通過油路開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)單榀、二榀、三榀的獨(dú)立工作。

9.8、預(yù)留可用接口，具有良好的功能擴(kuò)展性。 

9.9、各作動(dòng)器同步加載，各作動(dòng)器端面板上出力差值 ≤100N；

9.10、設(shè)計(jì)標(biāo)定附件，使之具備單榀各作動(dòng)器單獨(dú)或同時(shí)標(biāo)定的能力，用來檢驗(yàn)作動(dòng)器力值。

9.11、作動(dòng)器加載前端安裝柔性橡膠.

9.12、按用戶要求，可以在設(shè)備的適當(dāng)位置安裝聲發(fā)射探頭或者安裝其它測量元件，布線等。

9.13、配備試件裝運(yùn)系統(tǒng)，使試件順利進(jìn)出試驗(yàn)空間。

9.14、測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)為工控主流計(jì)算機(jī)，并配HP打印機(jī)一臺。