相似材料試驗平臺模型加載系統(tǒng)

相似材料試驗平臺模型加載系統(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)接口和擴展能力。

1.模擬地層壓力，實現(xiàn)自重壓力模擬、互相垂直的兩個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；

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

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；

6.可以實現(xiàn)巷道內(nèi)圍巖破碎張力的測試，設(shè)計支護(hù)和壓力傳遞伺服系統(tǒng)，實現(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.全自動多參數(shù)同步測試系統(tǒng)，既能測量機械施加的模擬地壓，又可以測量圍巖中的壓力和變形；測試自動化程度高，加載和卸荷試驗操作與測試方便；

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

二、試驗系統(tǒng)主體設(shè)計、制作流程：

1、該相似材料三維模型加載試驗系統(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）多組作動器、水平（左、右）多組作動器和后多組作動器，可實現(xiàn)4個方向主動均勻加載。測控系統(tǒng)通過計算機-控制器-執(zhí)行元件組成的全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對載荷、壓力和整體位移的精確實時控制。

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所需要的剛度和試驗功能要求。

2.1、垂直（上）有效壓力：所有作動器輸出力 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最大變形量：<2mm

3、機械性能參數(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個控制通道，后蓋4個控制通道，頂部4個控制通道，共計12個控制通道。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個位移傳感器，側(cè)面配置（每面4個）8個位移傳感器，位移傳感器共計16個。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、頂面作動器應(yīng)具有動態(tài)加載能力，可以實現(xiàn)分層負(fù)載動態(tài)控制；最高動態(tài)加載頻率10Hz，最大動應(yīng)力幅值不低于1.5MPa。

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

4.5、靜態(tài)試驗加載速度：0～0.15 MPa/s；

4.6、恒定載荷保持時間：伺服控制時的壓力波動低于當(dāng)前值1%，可以維持24小時。 另外帶有可以實現(xiàn)長時間負(fù)荷保持控制的獨立液壓和控制系統(tǒng)，負(fù)荷變動度不大于設(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）（MPa）

5.2、水平（左、右）有效壓力（4個）（MPa）

5.3、水平（后部）有效壓力（4））（MPa）

5.4、垂直（上）變形（4個）（mm）

5.5、水平（左、右）變形（8個）（mm）

5.6、水平（后部）變形（4個）（mm）

5.7、加載速度 （12個）（MPa/s）

5.8、恒定荷載保持時間 （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)接收所有計算機控制器的數(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)的試驗數(shù)據(jù)；

6.4、帶有放置在實驗室控制室內(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)的試驗數(shù)據(jù)；

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

7、安全保護(hù)措施

7.1、油源高溫報警    

7.2、作動器位置限位保護(hù)功能

7.3、開挖降低試樣剛度后，作動器過沖擊保護(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，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，對另一參數(shù)的檢測，判別，超過一定范圍時也作為控制依據(jù)。

9.2、計算機屏幕實時直讀顯示有效壓力、變形等試驗數(shù)據(jù)和試驗曲線；試驗數(shù)據(jù)、試驗曲線的存儲、再現(xiàn)、打印；

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

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

9.5、油源應(yīng)采用獨立分油器避免互相干擾；

9.6、計算機對全部模型表面測點及模型內(nèi)部測點進(jìn)行巡回檢測，由屏幕實時直讀顯示監(jiān)視測點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、三榀的獨立工作。

9.8、預(yù)留可用接口，具有良好的功能擴展性。 

9.9、各作動器同步加載，各作動器端面板上出力差值 ≤100N；

9.10、設(shè)計標(biāo)定附件，使之具備單榀各作動器單獨或同時標(biāo)定的能力，用來檢驗作動器力值。

9.11、作動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、配備試件裝運系統(tǒng)，使試件順利進(jìn)出試驗空間。

9.14、測控系統(tǒng)計算機為工控主流計算機，并配HP打印機一臺。