多功能地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

李劍光 鄒會(huì)松 周梓燚 孫耿玉

（青島科技大學(xué) 青島 266100）

1 引言

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于國防、采礦、交通、水利等巖土工程領(lǐng)域，是工程施工前穩(wěn)定性分析的有效手段［1］。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的成敗依賴于試驗(yàn)系統(tǒng)，一般認(rèn)為，試驗(yàn)系統(tǒng)包括框架、加載系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)［2～4］。有關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，國內(nèi)外有眾多成功案例。陳安敏［5］等研制出一種巖土工程多功能模擬試驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行平面地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，巖體模擬試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)等；張強(qiáng)勇等［6］研制了一種組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，并應(yīng)用于分岔隧道工程；李元海［7］等研制了一套結(jié)構(gòu)緊湊、模型尺寸適中、穩(wěn)壓效果良好的雙軸電機(jī)加載物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以用于中小型隧道物理模擬試驗(yàn)，還可完成普通相似材料的標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)試件的單軸與雙軸壓縮試驗(yàn)研究等；鄔愛清［8］等針對(duì)多因素交互影響的水巖作用機(jī)制試驗(yàn)研究，研制HMTS-1200 型裂隙巖體水力耦合真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的模型試驗(yàn)系統(tǒng)大多為人工手動(dòng)操控，會(huì)產(chǎn)生額外的人工誤差，最終結(jié)果與實(shí)際有偏差；另外大多模型試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)固定，只能做單一試驗(yàn)，試驗(yàn)效率低等問題，針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合的新型的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)開采、自動(dòng)清理廢屑以及自動(dòng)對(duì)洞壁進(jìn)行支護(hù)等功能，并且還具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，通過PLC控制實(shí)現(xiàn)對(duì)工程模擬的一體化控制。

2 試驗(yàn)裝置硬件組成

多功能的新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)、運(yùn)動(dòng)裝置、多功能集成裝置、液壓加載裝置以及控制裝置，通過控制裝置對(duì)系統(tǒng)發(fā)出指令，完成地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。該系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 多功能地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)采用框架結(jié)構(gòu)，包括框架底座、主框架、模板、壓板、壓力傳感器和液壓缸，如圖2 所示，框架選用帶肋板的槽鋼，不僅可以滿足強(qiáng)度要求也能節(jié)約成本，框架各部件之間通過高強(qiáng)度螺栓連接，這樣既容易安裝，也便于后期系統(tǒng)的維護(hù)。

圖2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)

2.2 加載裝置

加載裝置采用液壓加載，通過液壓站對(duì)其液壓缸提供壓力，由液壓油泵、油管、液壓閥、蓄能器和壓力表等組成，在油管上接入三通連接，可以同時(shí)給兩個(gè)液壓缸進(jìn)給壓力，通過液壓閥控制兩個(gè)液壓缸的壓力輸出，當(dāng)兩個(gè)液壓閥開度一樣時(shí)可以同步工作，當(dāng)其中一個(gè)關(guān)閉時(shí)可以單獨(dú)工作，當(dāng)開度不一樣時(shí)可以做兩個(gè)試驗(yàn)，加載裝置連接控制裝置，用過控制器控制可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓狀態(tài)，通過反饋調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)壓力保持恒定輸出，解決液壓加載不保壓問題。

2.3 多功能集成裝置

多功能集成裝置是由多個(gè)功能裝置組合而成，使得其具有開采、排屑、臨時(shí)支護(hù)和監(jiān)測(cè)四種功能，多功能集成裝置包括集成底座、滑動(dòng)導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)體、開采模塊、排屑模塊、支護(hù)模塊和監(jiān)測(cè)模塊和電機(jī)等，如圖3所示。

圖3 多功能集成裝置

在底座中設(shè)有兩個(gè)的電機(jī)，一個(gè)電機(jī)通過齒輪方式帶動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各功能之間的轉(zhuǎn)換，在旋轉(zhuǎn)體上設(shè)有燕尾槽為各模塊運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)向和支撐作用，滑動(dòng)導(dǎo)軌與各模塊之間通過電磁方式連接，其中開采模塊采用小型電鉆對(duì)目標(biāo)開采；排屑模塊采用吸塵器方式將開采后的廢屑吸出來；支護(hù)模塊通過與混凝土噴射機(jī)連接對(duì)處理后的洞壁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)加固處理；監(jiān)測(cè)模塊通過內(nèi)窺探頭來實(shí)時(shí)觀察處理完成后試件的裂隙與破壞形式。

2.4 運(yùn)動(dòng)裝置

運(yùn)動(dòng)裝置為多功能集成裝置提供位移輸出，主要由絲杠導(dǎo)軌、滑塊、電機(jī)與手動(dòng)控制器組成，如圖4 所示，絲杠導(dǎo)軌由小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制器控制，將多功能集成裝置固定在運(yùn)動(dòng)裝置上，通過三個(gè)絲杠中電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以將多功能集成裝置帶入平面區(qū)域任意位置。在兩個(gè)豎直擺放的絲杠導(dǎo)軌中加入螺栓桿，以便可以跟試驗(yàn)臺(tái)連接。運(yùn)動(dòng)裝置通過PLC控制運(yùn)動(dòng)，也可以通過手動(dòng)調(diào)控方式來移動(dòng)。

圖4 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向裝置

2.5 量測(cè)裝置

對(duì)于模型試驗(yàn)一般觀察模型的應(yīng)變、應(yīng)力和位移等，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要觀察圍巖應(yīng)力變化與開挖后洞室周圍沉降量。對(duì)圍巖應(yīng)力變化采用動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀、計(jì)算機(jī)分析軟件與土壓力盒共同完成，該應(yīng)變儀系統(tǒng)具有精度高、性能穩(wěn)定與抗干擾性高等特點(diǎn)，洞室周圍沉降量位移通過500 萬高清攝像機(jī)與GOM 圖片分析軟件，通過對(duì)模型表面進(jìn)行定時(shí)拍照，將照片導(dǎo)入GOM 分析軟件，可觀察關(guān)鍵點(diǎn)和區(qū)域的位移變化云圖，該系統(tǒng)操作簡單，易獲取，準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。除此之外在集成裝置中有內(nèi)窺探頭，可以有效地觀察洞壁的裂隙與破壞變化，在集成裝置和運(yùn)動(dòng)裝置中設(shè)有位移傳感器，可以有效定位移動(dòng)精度，也便于將位置信息傳給控制系統(tǒng)，達(dá)到精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的目的。

3 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)

本裝置采用是PLC控制，可以進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式，控制裝置包括控制器外殼，三菱FX2N 系列PLC，操作面板，USB 接口和液晶顯示屏等。該P(yáng)LC 具有指令快、模塊化配置、擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)，可以通過RS.485 總線與計(jì)算機(jī)相連，可以將指令傳給PLC 也可以將工作狀態(tài)與位移傳感器的信號(hào)顯示在屏幕上，控制指揮各裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；在操作面板中加入急停按鈕，以防出錯(cuò)時(shí)能及時(shí)處理錯(cuò)誤。PlC通過控制各電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)各種功能，輸入，輸出點(diǎn)分配表如表1 所示，具體PLC與外圍元件接線如圖5所示［9～11］。

表1 I/O地址分配表

圖5 PLC外部接線圖

3.2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)控制流程

在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)、運(yùn)動(dòng)裝置、集成裝置、加載裝置以及控制裝置等部分，通過PLC控制各裝置之間的協(xié)調(diào)工作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理模型的自動(dòng)化工作，包括自動(dòng)開采、自動(dòng)處理開采后產(chǎn)生的廢屑、自動(dòng)對(duì)處理后的洞壁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)以及后續(xù)的監(jiān)測(cè)工作，可以很好地完成工程模擬自動(dòng)一體化工程。

此設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)分為兩部分控制，包括位移控制與壓力控制?？刂屏鞒倘鐖D6 所示，其中壓力控制方案流程為在計(jì)算機(jī)軟件中輸入預(yù)設(shè)壓力值，傳給控制裝置，對(duì)液壓缸給油，傳出地質(zhì)力學(xué)模型裝置試驗(yàn)臺(tái)的壓力值，與設(shè)定的值比較，控制回油進(jìn)油，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)壓力輸出目的；位移控制方案流程：在計(jì)算機(jī)輸入控制程序，將程序?qū)肟刂蒲b置，集成裝置安裝在運(yùn)動(dòng)裝置上控制集成裝置的運(yùn)動(dòng)，通過位移傳感器將集成裝置的位置在反饋給控制裝置，通過微調(diào)將集成裝置準(zhǔn)確置入，隨后進(jìn)行下一步的開采、排屑、臨時(shí)支護(hù)與監(jiān)測(cè)各種工作，直至到試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 模型試驗(yàn)系統(tǒng)控制流程圖

3.3 含PID控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過PLC 控制模型試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，由于PLC的I/O端口存在響應(yīng)滯后，存在定位誤差，所以在模型試驗(yàn)系統(tǒng)中加入PID 控制算法來提高定位精度。PID 調(diào)節(jié)是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制的簡稱，不需要精確的數(shù)學(xué)控制模型，具有較強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性，程序設(shè)計(jì)簡單，易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)［12］。

首先PLC根據(jù)所采集的信號(hào)得出位移偏差en，根據(jù)通過PID 控制算法［13～14］計(jì)算出控制量，并輸出控制量M（t）。具體歷程見圖7。其中pn 為設(shè)定位移量，pvn 為反饋位移量。輸出控制量M（t）需要通過D/A轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換采用PLC內(nèi)模塊完成，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。經(jīng)過PLC 的D/A 轉(zhuǎn)換成4mA～20mA 的模擬量輸出信號(hào)傳送給變頻器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制滑動(dòng)導(dǎo)軌位移，達(dá)到精準(zhǔn)控制滑動(dòng)導(dǎo)軌位置的目的。

圖7 PID閉環(huán)控制算法原理圖

PLC 中的PID 是一種連續(xù)的PID 控制［15～16］，通過采樣控制獲取偏差計(jì)算控制量，具體輸入輸出關(guān)系如下。

第n次采樣控制控制的輸出：

簡化的：

PID 算法流程：將滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)定前進(jìn)位移輸入PLC 中，通過D/A 和A/D 模塊接受由位移傳感器接收出來的反饋信號(hào)與預(yù)定值作比較，若偏差大于1mm，啟動(dòng)PID 控制算法，采用比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)一起，快速將偏差將至1mm 內(nèi)，當(dāng)偏差小于1mm，然后采用積分調(diào)節(jié)，直至偏差為零。PID 控制流程如圖8所示。

圖8 PID控制流程圖

4 模型裝置穩(wěn)定性分析

對(duì)模型試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性是個(gè)需要考慮的問題，通過力學(xué)分析可知，系統(tǒng)受力最大部位出現(xiàn)在頂梁上，而頂梁兩端點(diǎn)又相距較遠(yuǎn)，頂梁會(huì)出現(xiàn)最大撓度變形，因此需要對(duì)頂梁穩(wěn)定性做出判斷，通過ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)模型試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)驚醒簡化分析，根據(jù)液壓缸所能提供最大力對(duì)試驗(yàn)臺(tái)加載，進(jìn)行靜力學(xué)分析，試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)力和位移模擬結(jié)果如圖9、10 所示。根據(jù)模擬結(jié)果可知試驗(yàn)臺(tái)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁上為176.64MP，而最大變形量出現(xiàn)在液壓缸的法蘭上為3.75125mm，因此需要對(duì)這些地方進(jìn)行加固處理，對(duì)頂梁中間的變形變?yōu)樵?mm～4mm 之間，滿足試驗(yàn)要求，通過模擬分析，試驗(yàn)臺(tái)變化量較小，試驗(yàn)臺(tái)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)需求，整體穩(wěn)定性較好。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)的等效應(yīng)力云圖

圖10 試驗(yàn)臺(tái)的總變形云圖

5 結(jié)語

1）試驗(yàn)臺(tái)具有多種組合方式，可以做不同試件大小的試驗(yàn)，也可以做對(duì)比模型試驗(yàn)，使試驗(yàn)更具有靈活性，提高利用率。該裝置具有便于安裝、占地空間小、操作簡單等特點(diǎn)。

2）在本系統(tǒng)中加入開采、排屑、臨時(shí)支護(hù)以及監(jiān)測(cè)等功能，是系統(tǒng)具有多功能，更好地模擬工程一體化操作，在系統(tǒng)中加入PLC 控制系統(tǒng)，可以完成工程自動(dòng)一體化，提高試驗(yàn)精度，減小人工誤差，使模型試驗(yàn)更加接近實(shí)際。

3）在試驗(yàn)裝置中加入PID 控制，通過反饋調(diào)節(jié)，提高了位移移動(dòng)的精準(zhǔn)性，對(duì)于模型試驗(yàn)而言，比例尺較大，一般較小的位移偏差就會(huì)產(chǎn)生較大的位移偏量，所以對(duì)提高位移精度對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果有著重要影響。

4）該系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種交通隧道、地下洞室等巖土問題的地質(zhì)模型試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)加入自動(dòng)化操作，對(duì)未來自動(dòng)化操作的模型試驗(yàn)提供有力的借鑒，也相信自動(dòng)化的模型試驗(yàn)系統(tǒng)在不久的將來能實(shí)現(xiàn)。