岩石直剪仪液压系统优化

陈官颢 赖金涛 杜时贵 黄 曼 吕原君

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000； 2.绍兴文理学院 机械与电气工程学院 浙江 绍兴 312000； 3.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

近年来在全球范围内，由于岩体的不稳定性而造成的塌方、滑坡等自然灾害带来了巨大的经济损失，对人类的日常生活带来了极大的威胁.研究发现，结构面是岩体结构失稳破坏的源头[1]，基本上结构面控制了岩体的破坏机制.岩体结构面抗剪强度是核定岩体结构的稳定性的关键参数[2-3].岩体结构面抗剪强度的力学性质与尺寸效应是岩石力学的研究热点. 但由于缺乏中型、大型的多尺度岩石直剪设备，因此在较大尺度上的结构面抗剪强度的实验难以开展.为了能够进行多尺度岩体结构面抗剪强度的实验，在杜时贵[4]研究基础上，黄曼[5]用多尺度岩石直剪仪设备，开展了对多尺度岩石模型结构面的抗剪强度特征的研究，通过实验得出相关的剪切力与剪切位移数据.对多尺度岩石模型结构面抗剪强度力学特征进行分析，为岩体结构面抗剪强度的尺寸效应理论奠定基础，并进行了岩石结构面尺寸效应试验系统的研制.1 000 kN岩石直剪仪是岩石结构面尺寸效应试验系统中的重要设备，用于30 cm×30 cm～100 cm×100 cm系列岩石结构面抗剪强度尺寸效应的试验.该岩石直剪仪主要由主机、液压站、电气控制系统及软件系统组成.液压系统最重要的是垂直液压缸、水平液压缸，它们直接驱动垂向加载机构和水平加载机构，使得石方被压紧与剪切，其运行的情况会直接影响实验的结果[6-8].

为了保证实验结果的可靠性，主要针对控制垂直与水平液压缸的液压系统进行研究.所研究的系统由内啮合齿轮泵、电液伺服阀、电磁溢流阀、液压缸等组成，并利用AMESim仿真软件对该液压系统进行分析和优化[9-11].

基于AMESim软件构建1 000 kN岩石直剪仪液压仿真系统，分析了岩石直剪试验过程中水平加载液压系统的电液伺服阀的额定流量对油缸活塞运动速度变化的影响，位置闭环控制特性对液压油缸速度的影响，以及垂向加载液压系统的力闭环控制特性对垂向液压缸输出力的影响，最后得出可行的优化方案.

1 岩石直剪仪工作原理及AMESim仿真模型

1.1 岩石直剪仪结构及原理

1.1.1 岩石直剪仪的结构

如图1和图2所示，1 000 kN岩石直剪仪由主机框架，小车运输机构，垂向加载系统，水平加载系统，试样升降系统等组成.

该设备的主机框架采用高强度钢板焊接，能承受较大的侧向力，刚度较高.上、下各有一个横梁.主机框架主要用作承载垂向加载机构、水平加载机构、试样等.小车运输机构由小车运输液压系统、导轨组成. 小车采用中空结构， 上面有放置试件的安装板，安装板上表面刻有和试件对应的定位刻线，方便试件定位，小车运输机构主要作用是承载与移动试样. 垂向加载系统由加载板、作动器、高精度负荷传感器组成，垂向加载系统作用是对试样均匀施加垂向压力，提供垂向载荷.水平加载系统由作动器、剪切头、高精度负荷传感器组成，水平加载系统作用是对试样提供剪切力，模拟岩体结构面剪切.试样升降系统由油缸与承载板组成.在进行试验时，试样升降系统可以调节工作平面高度.

其中，1—水平加载系统，2—垂向加载系统，3—主机框架，5—试样升降系统.

其中，1—水平加载系统，2—垂向加载系统，4—小车运输机构.

1.1.2 岩石直剪仪的原理

在进行直剪试验时首先需要安放试样.试样的结构面的尺寸范围为30 cm×30 cm～100 cm×100 cm，试样不同尺寸的转换是依靠增加或减少底部垫板与侧面垫板的数量，垫板的厚度均为10 cm.试样通过小车运输机构，运送到工位上.通过垂向加载系统对试样施加垂向荷载，在施加垂向荷载的过程中采用分级施加的方式，当荷载施加到试验规定的数值时，垂向加载系统停止加载.在垂向加载系统完成加载后，垂向加载系统保持荷载的恒定.水平加载系统根据试验要求采用分级施加荷载的方式，以恒定的速率施加剪切力，当水平位移达到规定值时，停止试验.通过位移与荷载检测装置，绘制出位移与施加荷载的图像.

在不同的标准的垂向载荷下，试样结构面受力变形特征相似，都是经历初始接触、磨损、剪损和峰后破坏4个阶段[12-13].结构面试样剪应力-剪切位移表现出如下规律：①加载初期试样开始发生水平的位移，伴随着位移的增加，试样受到的剪切力呈线性增长.②试样受到的剪切力与水平位移的不断增加，试样受到的剪切力达到峰值.③峰值强度之后，剪应力开始下降，产生应力跌落现象，逐步趋向残余强度[14]，如图3所示为岩石直剪试验剪切机理分析.由于在试验过程中试样受到的力在不断发生变化，且需要液压系统保持施加规定的荷载，所以液压系统需要较好的保压能力.

图3 岩石直剪试验剪切机理分析图

1.2 垂向与水平加载液压系统原理及AMESim仿真模型

1.2.1 垂向与水平加载液压系统原理

在液压系统正常工作时：垂向加载液压系统在施加荷载过程中电液伺服阀处于右位，左侧油路进油，垂向液压缸有杆端伸出，作动器与加载板对试样施压.垂向液压加载液压系统卸荷时，电液伺服阀处于左位，右侧油路进油，有杆腔进高压油，活塞杆收回，作动器与加载板上升，卸荷.水平液压加载系统在施加荷载的过程中电液伺服阀处于右位，左侧油路进油，水平液压缸有杆端伸出，作动器与剪切头对试样施压.水平液压加载系统在卸荷时，电液伺服阀处于左位，右侧油路进油，有杆腔进高压油，活塞杆收回，作动器与剪切头收回，卸荷.在液压系统回路中，电磁溢流阀的初始设定为21 MPa，图4为1 000 kN岩石直剪仪垂向与水平加载液压系统原理图.

1.2.2 液压系统仿真模型的建立

根据图4的 1000 kN岩石直剪仪垂向与水平加载液压系统原理图，使用AMESim仿真软件建立液压系统仿真模型.液压元件的仿真参数按照液压元件的设计参数进行设置.液压仿真模型中的关键参数如表1所示.

1—液压缸 2—电液伺服阀 3—蓄能器 4—电磁溢流阀 5—液压齿轮泵

表1 液压系统AMESim仿真的相关数据

(1)齿轮液压泵参数设置

电机转速设定为1 000 r/min.液压泵最大排量为5 L/min，液压泵的转速为1 000 r/min，液压油的密度为ρ=850 kg/m3.

(2)电液伺服阀参数设置

伺服阀设定阀门额定电流为40 mA，阀门固有频率为200 Hz,最大压力为210 bar，通过最大流量为5 L/min，各通道压降2 bar.

(3)电磁溢流阀参数设置

电磁溢流阀设定通过最大流量为5 L/min，最高压力为210 bar.

(4)液压缸与负载参数设置

垂向液压缸设定尺寸为φ180 mm/φ250 mm～500 mm，负载为400 kg，负载的刚度值为4.2×1010N/m.水平液压缸设定尺寸为φ180 mm/φ250 mm～700 mm，负载为400 kg，负载的刚度值为4.2×1010N/m.

图5 1 000 kN岩石直剪仪垂向与水平加载液压系统模型

2 垂向与水平加载液压系统仿真与优化分析

由于液压系统的非线性特性，所以通过动态的仿真软件对其进行分析优化[15-16].为了精准获取到垂向与水平加载液压系统的相关数据以及工作时动态的变化，利用AMESim软件对系统进行建模及动态特性仿真[17-18].

采用试验法确定岩体结构面抗剪强度相关性质时，按照水利水电岩石试验规程[19]操作要求，岩石直剪仪设备应当采用高精度伺服阀，具有闭环控制功能[20]，要求设备的控制精度高，可靠性好，具有较长时间保压以及施加荷载速度平滑的特点.在水平加载液压系统加载过程中应当具有液压活塞伸出速度平滑且施加荷载稳定，能够精确停止在规定位置的特点.在垂向加载液压系统加载过程中应当具有载荷震荡小，保压稳定性好的特点.为了提升岩石直剪仪设备性能，对岩石直剪仪液压系统进行分析和优化是必要的.

2.1 水平加载液压系统仿真与优化分析

对液压系统进行仿真，在给定0～10 s，水平液压系统电液伺服阀的开口从0到100%，设定油缸活塞杆伸出方向为负方向，监测水平液压系统油缸活塞杆伸出的运动速度，得到图像如图6所示.分析图6知，该水平液压系统能完成规定机械动作的基本功能要求，但电液伺服阀控制区间偏小，因而将电液伺服阀的额定流量从38 L/min优化调整为4 L/min，优化目标为增大电液伺服阀的控制区间.

优化后进行仿真得到图像如图7所示.对比图6和图7知，优化前在指定时间内电液伺服阀对油缸运动速度的控制区间约为10%，优化后指定时间内电液伺服阀对油缸运动速度的控制区间约为80%.

对优化前后的数据对比分析可知，将电液伺服阀的额定流量从38 L/min调整为4 L/min，优化后，电液伺服阀的控制区间范围增大， 以10 s

图6 优化前时间与油缸运动速度变化曲线

图7 优化后时间与油缸运动速度变化曲线

为模拟时间，油缸活塞速度为1.8×10-3m/s，电液伺服阀的开启时间增加80%，控制范围也相应增加80%.对比图6和图7可以看出，优化后液压油对液压缸的冲击得以减小，液压缸活塞的运动加速度减小，延长了液压系统中液压元件的使用寿命，并且提高了液压缸施加荷载时的稳定性，同时也增加了直剪仪器的稳定性.增加了电液伺服阀的全打开阀门的时间，能更好地通过信号控制液压缸活塞的速度.

对液压系统进行仿真，仿真时间设定10 s，在3 s时刻给定水平液压系统油缸3 mm的位置指令，设定油缸活塞杆伸出方向为负方向，监测水平液压系统油缸活塞杆位移和运动速度得到图像如图8和图9所示. 分析图8和图9知，水平液压系统的位置闭环响应及时，但活塞杆的伸出速度超出了设计值.因此调整位置闭环的控制特性，优化控制参数，增加PID饱和输出，优化目标为实现对液压油缸活塞最大速度的限制.

图8 优化前时间与油缸活塞位移变化曲线

图9 优化前时间与油缸活塞升出速度变化曲线

优化后得到位移和速度变化曲线如图10和图11所示.可以看出，优化前后，水平液压系统液压油缸活塞都可以稳定运动到3 mm位置，但优化前，在指定时间内水平液压系统液压油缸活塞的最大运动速度达到2.5 mm/s，超过设计值0.83 mm/s；优化后，在指定时间内水平液压系统液压油缸活塞的最大运行速度为0.8 mm/s，小于0.83 mm/s，满足要求.

图10 优化后时间与油缸活塞位移变化曲线

图11 优化后时间与油缸活塞升出速度变化曲线

对优化前后的数据对比分析可知，在1 000 kN岩石直剪仪水平加载液压系统的闭环控制中，优化位置闭环的闭环控制特性，优化控制参数，增加PID的饱和输出，优化后，液压缸活塞杆更加稳定，活塞的运行速度调试到规定安全速度以下.通过对比分析，可以看出在优化前与优化后，活塞都能够到达指定位置，但是在优化前液压缸活塞的速度超过了设计值.经过调试，将活塞速度控制在48 mm/min以下.优化后，液液压缸活塞的速度满足设计要求，且能够实现位置控制的精确性.

2.2 垂向加载液压系统仿真与优化分析

对液压系统进行仿真，仿真时间设定10 s，在3 s时刻，给定垂向液压油缸力闭环控制参数800 kN，监测实际输出力的震荡情况，得到图像如图12所示.分析图12知，垂向液压油缸的输出力可以较快到达指令控制的力的大小，在指定时间内油缸实际输出力的震荡值大约3.5 N.由于试验对垂向液压系统的保压能力有较高的要求，因此调整力闭环的闭环控制特性，优化控制参数.优化目标为减小力闭环的震荡幅值.

优化后得到图像如图13所示.对比优化前后图像得，优化后，垂向液压油缸的输出力可以较快到达指令控制的力的大小，在指定时间内油缸实际输出力的震荡值减小到1.7 N，震荡明显变小.

图12 优化前时间与液压缸实际输出力的震荡情况变化曲线

图13 优化后时间与液压缸实际输出力的震荡情况变化曲线

对优化前后的数据对比分析可知，在1 000 kN 岩石直剪仪垂向加载液压系统的闭环控制中， 优化力闭环的闭环控制特性， 优化控制参数，减小力闭环的震荡幅值.优化后，液压缸实际输出力被控制在指定数值范围以下波动，且震荡范围减小.分析图12和图13，可以看出在优化后，液压缸实际输出力的震荡值是优化前的一半以下，且液压缸实际输出力的值不会超出指定控制值.优化后，提高了液压缸输出的稳定性，确保岩石直剪仪实验数据的准确性.

3 结论

(1)根据1 000 kN岩石直剪仪的工艺要求，分析并优化了垂向与水平加载液压系统.

(2)使用AMESim软件对1 000 kN岩石直剪仪垂向与水平加载液压系统进行了优化，通过调整水平加载液压系统的电液伺服阀的额定流量，位置闭环的控制特性，与垂向加载液压系统的力闭环的控制特性，优化后系统动态特性符合工艺要求，使得垂向液压缸的实际输出力更加稳定，保压能力更强，水平液压缸活塞的运动速度与活塞的位移得到更好的控制.

(3)由于液压系统的特殊性，避免建立复杂的非线性数学模型.利用AMESim仿真软件建立1 000 kN岩石直剪仪垂向与水平加载液压系统模型.在实地进行液压系统数据测试前，能够获取到可靠的相关数据，得到较为直观的液压系统仿真效果，对岩石直剪仪以及其他相关液压仪器的调试以及后续开发提供参考.