陳官顥 賴金濤 杜時貴 黃 曼 呂原君

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.紹興文理學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 浙江 紹興 312000； 3.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

近年來在全球范圍內(nèi)，由于巖體的不穩(wěn)定性而造成的塌方、滑坡等自然災(zāi)害帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對人類的日常生活帶來了極大的威脅.研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面是巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的源頭[1]，基本上結(jié)構(gòu)面控制了巖體的破壞機(jī)制.巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度是核定巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)[2-3].巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)與尺寸效應(yīng)是巖石力學(xué)的研究熱點(diǎn). 但由于缺乏中型、大型的多尺度巖石直剪設(shè)備，因此在較大尺度上的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的實驗難以開展.為了能夠進(jìn)行多尺度巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的實驗，在杜時貴[4]研究基礎(chǔ)上，黃曼[5]用多尺度巖石直剪儀設(shè)備，開展了對多尺度巖石模型結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度特征的研究，通過實驗得出相關(guān)的剪切力與剪切位移數(shù)據(jù).對多尺度巖石模型結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度力學(xué)特征進(jìn)行分析，為巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)理論奠定基礎(chǔ)，并進(jìn)行了巖石結(jié)構(gòu)面尺寸效應(yīng)試驗系統(tǒng)的研制.1 000 kN巖石直剪儀是巖石結(jié)構(gòu)面尺寸效應(yīng)試驗系統(tǒng)中的重要設(shè)備，用于30 cm×30 cm～100 cm×100 cm系列巖石結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的試驗.該巖石直剪儀主要由主機(jī)、液壓站、電氣控制系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成.液壓系統(tǒng)最重要的是垂直液壓缸、水平液壓缸，它們直接驅(qū)動垂向加載機(jī)構(gòu)和水平加載機(jī)構(gòu)，使得石方被壓緊與剪切，其運(yùn)行的情況會直接影響實驗的結(jié)果[6-8].

為了保證實驗結(jié)果的可靠性，主要針對控制垂直與水平液壓缸的液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究.所研究的系統(tǒng)由內(nèi)嚙合齒輪泵、電液伺服閥、電磁溢流閥、液壓缸等組成，并利用AMESim仿真軟件對該液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化[9-11].

基于AMESim軟件構(gòu)建1 000 kN巖石直剪儀液壓仿真系統(tǒng)，分析了巖石直剪試驗過程中水平加載液壓系統(tǒng)的電液伺服閥的額定流量對油缸活塞運(yùn)動速度變化的影響，位置閉環(huán)控制特性對液壓油缸速度的影響，以及垂向加載液壓系統(tǒng)的力閉環(huán)控制特性對垂向液壓缸輸出力的影響，最后得出可行的優(yōu)化方案.

1 巖石直剪儀工作原理及AMESim仿真模型

1.1 巖石直剪儀結(jié)構(gòu)及原理

1.1.1 巖石直剪儀的結(jié)構(gòu)

如圖1和圖2所示，1 000 kN巖石直剪儀由主機(jī)框架，小車運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，垂向加載系統(tǒng)，水平加載系統(tǒng)，試樣升降系統(tǒng)等組成.

該設(shè)備的主機(jī)框架采用高強(qiáng)度鋼板焊接，能承受較大的側(cè)向力，剛度較高.上、下各有一個橫梁.主機(jī)框架主要用作承載垂向加載機(jī)構(gòu)、水平加載機(jī)構(gòu)、試樣等.小車運(yùn)輸機(jī)構(gòu)由小車運(yùn)輸液壓系統(tǒng)、導(dǎo)軌組成. 小車采用中空結(jié)構(gòu)， 上面有放置試件的安裝板，安裝板上表面刻有和試件對應(yīng)的定位刻線，方便試件定位，小車運(yùn)輸機(jī)構(gòu)主要作用是承載與移動試樣. 垂向加載系統(tǒng)由加載板、作動器、高精度負(fù)荷傳感器組成，垂向加載系統(tǒng)作用是對試樣均勻施加垂向壓力，提供垂向載荷.水平加載系統(tǒng)由作動器、剪切頭、高精度負(fù)荷傳感器組成，水平加載系統(tǒng)作用是對試樣提供剪切力，模擬巖體結(jié)構(gòu)面剪切.試樣升降系統(tǒng)由油缸與承載板組成.在進(jìn)行試驗時，試樣升降系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)工作平面高度.

其中，1—水平加載系統(tǒng)，2—垂向加載系統(tǒng)，3—主機(jī)框架，5—試樣升降系統(tǒng).

其中，1—水平加載系統(tǒng)，2—垂向加載系統(tǒng)，4—小車運(yùn)輸機(jī)構(gòu).

1.1.2 巖石直剪儀的原理

在進(jìn)行直剪試驗時首先需要安放試樣.試樣的結(jié)構(gòu)面的尺寸范圍為30 cm×30 cm～100 cm×100 cm，試樣不同尺寸的轉(zhuǎn)換是依靠增加或減少底部墊板與側(cè)面墊板的數(shù)量，墊板的厚度均為10 cm.試樣通過小車運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，運(yùn)送到工位上.通過垂向加載系統(tǒng)對試樣施加垂向荷載，在施加垂向荷載的過程中采用分級施加的方式，當(dāng)荷載施加到試驗規(guī)定的數(shù)值時，垂向加載系統(tǒng)停止加載.在垂向加載系統(tǒng)完成加載后，垂向加載系統(tǒng)保持荷載的恒定.水平加載系統(tǒng)根據(jù)試驗要求采用分級施加荷載的方式，以恒定的速率施加剪切力，當(dāng)水平位移達(dá)到規(guī)定值時，停止試驗.通過位移與荷載檢測裝置，繪制出位移與施加荷載的圖像.

在不同的標(biāo)準(zhǔn)的垂向載荷下，試樣結(jié)構(gòu)面受力變形特征相似，都是經(jīng)歷初始接觸、磨損、剪損和峰后破壞4個階段[12-13].結(jié)構(gòu)面試樣剪應(yīng)力-剪切位移表現(xiàn)出如下規(guī)律：①加載初期試樣開始發(fā)生水平的位移，伴隨著位移的增加，試樣受到的剪切力呈線性增長.②試樣受到的剪切力與水平位移的不斷增加，試樣受到的剪切力達(dá)到峰值.③峰值強(qiáng)度之后，剪應(yīng)力開始下降，產(chǎn)生應(yīng)力跌落現(xiàn)象，逐步趨向殘余強(qiáng)度[14]，如圖3所示為巖石直剪試驗剪切機(jī)理分析.由于在試驗過程中試樣受到的力在不斷發(fā)生變化，且需要液壓系統(tǒng)保持施加規(guī)定的荷載，所以液壓系統(tǒng)需要較好的保壓能力.

圖3 巖石直剪試驗剪切機(jī)理分析圖

1.2 垂向與水平加載液壓系統(tǒng)原理及AMESim仿真模型

1.2.1 垂向與水平加載液壓系統(tǒng)原理

在液壓系統(tǒng)正常工作時：垂向加載液壓系統(tǒng)在施加荷載過程中電液伺服閥處于右位，左側(cè)油路進(jìn)油，垂向液壓缸有桿端伸出，作動器與加載板對試樣施壓.垂向液壓加載液壓系統(tǒng)卸荷時，電液伺服閥處于左位，右側(cè)油路進(jìn)油，有桿腔進(jìn)高壓油，活塞桿收回，作動器與加載板上升，卸荷.水平液壓加載系統(tǒng)在施加荷載的過程中電液伺服閥處于右位，左側(cè)油路進(jìn)油，水平液壓缸有桿端伸出，作動器與剪切頭對試樣施壓.水平液壓加載系統(tǒng)在卸荷時，電液伺服閥處于左位，右側(cè)油路進(jìn)油，有桿腔進(jìn)高壓油，活塞桿收回，作動器與剪切頭收回，卸荷.在液壓系統(tǒng)回路中，電磁溢流閥的初始設(shè)定為21 MPa，圖4為1 000 kN巖石直剪儀垂向與水平加載液壓系統(tǒng)原理圖.

1.2.2 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)圖4的 1000 kN巖石直剪儀垂向與水平加載液壓系統(tǒng)原理圖，使用AMESim仿真軟件建立液壓系統(tǒng)仿真模型.液壓元件的仿真參數(shù)按照液壓元件的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.液壓仿真模型中的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示.

1—液壓缸 2—電液伺服閥 3—蓄能器 4—電磁溢流閥 5—液壓齒輪泵

表1 液壓系統(tǒng)AMESim仿真的相關(guān)數(shù)據(jù)

(1)齒輪液壓泵參數(shù)設(shè)置

電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000 r/min.液壓泵最大排量為5 L/min，液壓泵的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，液壓油的密度為ρ=850 kg/m3.

(2)電液伺服閥參數(shù)設(shè)置

伺服閥設(shè)定閥門額定電流為40 mA，閥門固有頻率為200 Hz,最大壓力為210 bar，通過最大流量為5 L/min，各通道壓降2 bar.

(3)電磁溢流閥參數(shù)設(shè)置

電磁溢流閥設(shè)定通過最大流量為5 L/min，最高壓力為210 bar.

(4)液壓缸與負(fù)載參數(shù)設(shè)置

垂向液壓缸設(shè)定尺寸為φ180 mm/φ250 mm～500 mm，負(fù)載為400 kg，負(fù)載的剛度值為4.2×1010N/m.水平液壓缸設(shè)定尺寸為φ180 mm/φ250 mm～700 mm，負(fù)載為400 kg，負(fù)載的剛度值為4.2×1010N/m.

圖5 1 000 kN巖石直剪儀垂向與水平加載液壓系統(tǒng)模型

2 垂向與水平加載液壓系統(tǒng)仿真與優(yōu)化分析

由于液壓系統(tǒng)的非線性特性，所以通過動態(tài)的仿真軟件對其進(jìn)行分析優(yōu)化[15-16].為了精準(zhǔn)獲取到垂向與水平加載液壓系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)以及工作時動態(tài)的變化，利用AMESim軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模及動態(tài)特性仿真[17-18].

采用試驗法確定巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度相關(guān)性質(zhì)時，按照水利水電巖石試驗規(guī)程[19]操作要求，巖石直剪儀設(shè)備應(yīng)當(dāng)采用高精度伺服閥，具有閉環(huán)控制功能[20]，要求設(shè)備的控制精度高，可靠性好，具有較長時間保壓以及施加荷載速度平滑的特點(diǎn).在水平加載液壓系統(tǒng)加載過程中應(yīng)當(dāng)具有液壓活塞伸出速度平滑且施加荷載穩(wěn)定，能夠精確停止在規(guī)定位置的特點(diǎn).在垂向加載液壓系統(tǒng)加載過程中應(yīng)當(dāng)具有載荷震蕩小，保壓穩(wěn)定性好的特點(diǎn).為了提升巖石直剪儀設(shè)備性能，對巖石直剪儀液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化是必要的.

2.1 水平加載液壓系統(tǒng)仿真與優(yōu)化分析

對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在給定0～10 s，水平液壓系統(tǒng)電液伺服閥的開口從0到100%，設(shè)定油缸活塞桿伸出方向為負(fù)方向，監(jiān)測水平液壓系統(tǒng)油缸活塞桿伸出的運(yùn)動速度，得到圖像如圖6所示.分析圖6知，該水平液壓系統(tǒng)能完成規(guī)定機(jī)械動作的基本功能要求，但電液伺服閥控制區(qū)間偏小，因而將電液伺服閥的額定流量從38 L/min優(yōu)化調(diào)整為4 L/min，優(yōu)化目標(biāo)為增大電液伺服閥的控制區(qū)間.

優(yōu)化后進(jìn)行仿真得到圖像如圖7所示.對比圖6和圖7知，優(yōu)化前在指定時間內(nèi)電液伺服閥對油缸運(yùn)動速度的控制區(qū)間約為10%，優(yōu)化后指定時間內(nèi)電液伺服閥對油缸運(yùn)動速度的控制區(qū)間約為80%.

對優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比分析可知，將電液伺服閥的額定流量從38 L/min調(diào)整為4 L/min，優(yōu)化后，電液伺服閥的控制區(qū)間范圍增大， 以10 s

圖6 優(yōu)化前時間與油缸運(yùn)動速度變化曲線

圖7 優(yōu)化后時間與油缸運(yùn)動速度變化曲線

為模擬時間，油缸活塞速度為1.8×10-3m/s，電液伺服閥的開啟時間增加80%，控制范圍也相應(yīng)增加80%.對比圖6和圖7可以看出，優(yōu)化后液壓油對液壓缸的沖擊得以減小，液壓缸活塞的運(yùn)動加速度減小，延長了液壓系統(tǒng)中液壓元件的使用壽命，并且提高了液壓缸施加荷載時的穩(wěn)定性，同時也增加了直剪儀器的穩(wěn)定性.增加了電液伺服閥的全打開閥門的時間，能更好地通過信號控制液壓缸活塞的速度.

對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時間設(shè)定10 s，在3 s時刻給定水平液壓系統(tǒng)油缸3 mm的位置指令，設(shè)定油缸活塞桿伸出方向為負(fù)方向，監(jiān)測水平液壓系統(tǒng)油缸活塞桿位移和運(yùn)動速度得到圖像如圖8和圖9所示. 分析圖8和圖9知，水平液壓系統(tǒng)的位置閉環(huán)響應(yīng)及時，但活塞桿的伸出速度超出了設(shè)計值.因此調(diào)整位置閉環(huán)的控制特性，優(yōu)化控制參數(shù)，增加PID飽和輸出，優(yōu)化目標(biāo)為實現(xiàn)對液壓油缸活塞最大速度的限制.

圖8 優(yōu)化前時間與油缸活塞位移變化曲線

圖9 優(yōu)化前時間與油缸活塞升出速度變化曲線

優(yōu)化后得到位移和速度變化曲線如圖10和圖11所示.可以看出，優(yōu)化前后，水平液壓系統(tǒng)液壓油缸活塞都可以穩(wěn)定運(yùn)動到3 mm位置，但優(yōu)化前，在指定時間內(nèi)水平液壓系統(tǒng)液壓油缸活塞的最大運(yùn)動速度達(dá)到2.5 mm/s，超過設(shè)計值0.83 mm/s；優(yōu)化后，在指定時間內(nèi)水平液壓系統(tǒng)液壓油缸活塞的最大運(yùn)行速度為0.8 mm/s，小于0.83 mm/s，滿足要求.

圖10 優(yōu)化后時間與油缸活塞位移變化曲線

圖11 優(yōu)化后時間與油缸活塞升出速度變化曲線

對優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比分析可知，在1 000 kN巖石直剪儀水平加載液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，優(yōu)化位置閉環(huán)的閉環(huán)控制特性，優(yōu)化控制參數(shù)，增加PID的飽和輸出，優(yōu)化后，液壓缸活塞桿更加穩(wěn)定，活塞的運(yùn)行速度調(diào)試到規(guī)定安全速度以下.通過對比分析，可以看出在優(yōu)化前與優(yōu)化后，活塞都能夠到達(dá)指定位置，但是在優(yōu)化前液壓缸活塞的速度超過了設(shè)計值.經(jīng)過調(diào)試，將活塞速度控制在48 mm/min以下.優(yōu)化后，液液壓缸活塞的速度滿足設(shè)計要求，且能夠?qū)崿F(xiàn)位置控制的精確性.

2.2 垂向加載液壓系統(tǒng)仿真與優(yōu)化分析

對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時間設(shè)定10 s，在3 s時刻，給定垂向液壓油缸力閉環(huán)控制參數(shù)800 kN，監(jiān)測實際輸出力的震蕩情況，得到圖像如圖12所示.分析圖12知，垂向液壓油缸的輸出力可以較快到達(dá)指令控制的力的大小，在指定時間內(nèi)油缸實際輸出力的震蕩值大約3.5 N.由于試驗對垂向液壓系統(tǒng)的保壓能力有較高的要求，因此調(diào)整力閉環(huán)的閉環(huán)控制特性，優(yōu)化控制參數(shù).優(yōu)化目標(biāo)為減小力閉環(huán)的震蕩幅值.

優(yōu)化后得到圖像如圖13所示.對比優(yōu)化前后圖像得，優(yōu)化后，垂向液壓油缸的輸出力可以較快到達(dá)指令控制的力的大小，在指定時間內(nèi)油缸實際輸出力的震蕩值減小到1.7 N，震蕩明顯變小.

圖12 優(yōu)化前時間與液壓缸實際輸出力的震蕩情況變化曲線

圖13 優(yōu)化后時間與液壓缸實際輸出力的震蕩情況變化曲線

對優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比分析可知，在1 000 kN 巖石直剪儀垂向加載液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制中， 優(yōu)化力閉環(huán)的閉環(huán)控制特性， 優(yōu)化控制參數(shù)，減小力閉環(huán)的震蕩幅值.優(yōu)化后，液壓缸實際輸出力被控制在指定數(shù)值范圍以下波動，且震蕩范圍減小.分析圖12和圖13，可以看出在優(yōu)化后，液壓缸實際輸出力的震蕩值是優(yōu)化前的一半以下，且液壓缸實際輸出力的值不會超出指定控制值.優(yōu)化后，提高了液壓缸輸出的穩(wěn)定性，確保巖石直剪儀實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

3 結(jié)論

(1)根據(jù)1 000 kN巖石直剪儀的工藝要求，分析并優(yōu)化了垂向與水平加載液壓系統(tǒng).

(2)使用AMESim軟件對1 000 kN巖石直剪儀垂向與水平加載液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，通過調(diào)整水平加載液壓系統(tǒng)的電液伺服閥的額定流量，位置閉環(huán)的控制特性，與垂向加載液壓系統(tǒng)的力閉環(huán)的控制特性，優(yōu)化后系統(tǒng)動態(tài)特性符合工藝要求，使得垂向液壓缸的實際輸出力更加穩(wěn)定，保壓能力更強(qiáng)，水平液壓缸活塞的運(yùn)動速度與活塞的位移得到更好的控制.

(3)由于液壓系統(tǒng)的特殊性，避免建立復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)模型.利用AMESim仿真軟件建立1 000 kN巖石直剪儀垂向與水平加載液壓系統(tǒng)模型.在實地進(jìn)行液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試前，能夠獲取到可靠的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到較為直觀的液壓系統(tǒng)仿真效果，對巖石直剪儀以及其他相關(guān)液壓儀器的調(diào)試以及后續(xù)開發(fā)提供參考.