精密旋转岩石试验机电液伺服系统的设计与研究

摘要

岩石力学试验机的发展水平决定着多项研究的深度与广度。现有的岩石力学试验机大多只能通过加载，获得岩石的应力-应变曲线等宏观力学特性，但无法获知岩石内部的细观结构破裂演进机制及内部物质运移规律。本课题致力于研制一种新型的岩石力学试验机，在对岩石进行加载的同时，借助高能加速器CT技术，实现压裂过程的实时成像，这就需要试验机在加载的同时精密旋转。
　　根据新型试验机的工况，论文提出了一种全新的机械结构，并针对新结构，完成了试验机电液伺服系统的各项设计。通过对系统的建模和仿真，证明了方案的可行性。最后，完成了试验机的加工、组装、调试，并进行了加载实验。
　　新型试验机没有采用传统的支柱式反力架结构，而是用压力室室壁充当反力架。这种结构可以使轴向加载时的剧烈变载荷成为试验机的内力，从而保证了旋转精度，为CT成像创造了条件。论文完成了试验机的机械结构设计、液压回路设计、泵站设计、供液系统设计、电控系统设计、密封设计等。加工并组装了伺服缸、增压缸、压力室、通液板、通液法兰、液压集成板、电液旋转接头等重要零件。完成了电液伺服阀、位移传感器、压力传感器、控制器等的选型和调试。针对试验机的特点，提出了一种岩石应力应变峰后曲线的探测方法。
　　由于轴向加载伺服缸和围压加载增压缸为非对称缸，论文使用了一种利用等效承压面积加权平均的方法和液压弹簧刚度理论建立的零开口阀控非对称缸系统的线性模型，用参数加权平均的方法统一了两个方向上不同的系统模型。论文进行了理论建模+Simulink仿真、AMESim-Simulink联合仿真以及AMESim综合建模仿真。三种方式互为补充，互相比较，得到了轴向力加载响应速度可达0.4s，动态响应频率可达5.4Hz。
　　试验机进行了静态加载实验和动态加载实验。静态实验得到了无围压与有围压时的整机刚度，结果显示20MPa围压液对整机刚度无显著影响，均为0.32GN/m。动态实验中，对轴向力控系统输入0.5Hz至5Hz的正弦信号，根据输入输出曲线，低频时跟踪良好，5Hz时输出的相位滞后仅有54度，幅值无明显衰减;位置控制模式下，阶跃响应的稳态误差小于0.001mm，对1Hz的正弦输入跟踪良好。这与仿真结果基本吻合，可以胜任十吨级岩石力学试验机的工作要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 材料试验机的发展现状

1．3 材料试验机的分类与介绍

1．4 液压材料试验机的结构与特点

1．5 本课题的提出与介绍

1．6 本论文的主要研究内容

2 精密旋转岩石试验机电液伺服系统的方案研究

2．1 总体方案设计

2．2 试验系统工作过程

2．3 试验机结构设计

2．4 液压回路设计

2．5 液压泵站的参数设计

2．6 液压作动器的设计与研究

2．7 精密旋转系统的方案设计

2．8 电液伺服系统的方案设计

2．9 本章小结

3 电液伺服加载系统的建模与仿真

3．1 轴向加载的数学模型

3．1．1 伺服阀口流量方程

3．1．2 非对称缸的流量连续性方程

3．1．3 非对称缸的力平衡方程

3．1．4 阀控非对称缸系统数学模型的整合

3．2 轴向加载控制系统的Simulink仿真

3．2．1 轴向加载位置控制系统的仿真

3．2．2 轴向加载力控制系统的仿真

3．3 轴向加载控制系统的AMESim-Simulink联合仿真

3．4 围压加载的数学模型

3．5 围压加载控制系统的仿真

3．5．1 围压加载控制系统的Simulink仿真

3．5．2 围压加载控制系统的AMESim-Simulink联合仿真

3．6 基于AMESim的综合建模与仿真

3．6．1 试验机加载系统模型的搭建

3．6．2 伺服缸低速摩擦力

3．6．3 系统模型的时域仿真

3．6．4 系统模型的频域仿真

3．7 本章小结

4 试验机主机的装调与实验

4．1 传感器的标定

4．2 主机的装配

4．2．1 伺服缸的装配

4．2．2 压力室的装配

4．2．3 旋转连接系统的装配

4．2．4 试样的安装

4．3 电控系统硬件与软件的设计与调试

4．4 静态加载实验

4．5 动态加载实验

4．6 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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