DGN液壓加載控制裝置的原理及在巖土工程測試中的應用
關鍵詞：DGN液壓加載控制器；三軸儀；原理；應用
1.前言
DGN液壓加載控制器是用于巖土工程測試的儀器。DGN是多功能的縮寫。它是為三軸儀系統(tǒng)配套，用于分析土壤及巖土特性的儀器設備，它能夠測試巖土強度及抗剪切能力，測定在某一固定周圍壓力下的抗剪強度，確定土的抗剪強度參數。另外它也能為其他設備提供需要的動力源。DGN液壓加載控制器能夠提供兩種方式的動力源輸出：1．按照設定的壓力以恒壓方式輸出壓力源。2．按照設定的速度以恒定低速方式輸出壓力源。
目前國內用于三軸儀系統(tǒng)上的液壓加載控制器都是從國外進口的，主要是從英國的GDSInstrumentsLtd公司進口。國內還沒有自主開發(fā)出和三軸儀系統(tǒng)配套的液壓加載控制器。
2.DGN液壓加載控制器的組成、原理和特性
2.1組成
DGN液壓加載控制器是一個典型的機電一體化產品，它由控制器，步近電機，齒輪減速箱，絲杠，液壓缸和壓力傳感器組成。
DGN液壓加載控制器有兩種控制模式：（1）應力控制模式。(閉環(huán)控制)通過在鍵盤上設定所需的壓力，液壓缸輸出設定的恒壓。（2）應變控制模式。(開環(huán)控制)通過在鍵盤上設定所需的輸出流速，液壓缸輸出設定的流速。DGN液壓加載控制器設計有232通訊口和通信協(xié)議，可以和計算機相連，將傳感器檢測的數據傳遞到計算機中。通過特定的程序，計算機也可以控制DGN液壓加載控制器運行。
2.2原理
DNG液壓加載控制器的工作原理是：在控制器的面板上設定需控制的參數，比如壓力。利用數字控制電路控制輸出電脈沖，控制步進電機驅動器，步進電機驅動器然后輸出經過放大的電信號，驅動步進電機產生旋轉運動。該旋轉運動經過減速箱減速后，再通過絲杠旋轉運動。絲桿的另一端經過一個固定在壓力缸端蓋滾動絲杠副和一個壓力缸內的活塞相連。壓力缸固定在基座上，步進電機和減速箱安裝在導軌上可線性往復運動。絲杠的旋轉運動變成壓力缸活塞線性往復運動�；钊�性運動壓縮缸體體積，導致壓力缸輸出設定要求的壓力。按設定的要求對一些巖土測試儀液壓腔(或氣壓腔)加壓。在壓力缸出口安裝有壓力傳感器，壓力信號反饋到控制器。控制面板上有按鍵和顯示屏，可以設定需輸出的壓力，輸出的體積量等參數。微電腦控制器按預存的算法程序，通過比較設定值和反饋值，進行計算，輸出脈沖信號，控制步進電機產生旋轉運動，可實行壓力回路閉環(huán)控制。通過計算輸出的脈沖量，該控制器可以對輸出體積量實行開環(huán)控制。
DGN多功能液壓加載控制裝置能夠提供三軸儀試驗系統(tǒng)所需的三種控制方式：
�。�1）軸壓和軸向位移控制。
（2）室壓控制
�。�3）后壓及測量容積變化控制。
2.3特性
DGN液壓加載控制器的控制技術參數：
該控制器有兩種速度模式控制步進電機運行：
1．高速模式方式：
步進電機速度：1000步/s
運用在將壓力缸中加液和排空階段。
2．低速模式方式：
步進電機速度：500步/s
運用于正常壓力輸出控制階段。
最大壓力輸出：3Mpa
步進電機轉動一個步距角產生壓力缸中的體積變化量是0.5mm3
排空速度：1000x0.5mm2/s=500mm3/s
供電電壓220v，A.C，50Hz．單相三線制，電流：2A。
壓力持感器的精度誤差：滿量程的0.1％
體積變化控制精度謀差；壓力缸總容積的0.1%
體積變化的分辨率：0.5mm3
換算成步進電機運行一步，活塞移動的距離為=4x10-4mm
滾珠絲桿的螺距為5mm，換算成絲桿旋轉一圈步進電機需運行的步數為1.25x10-4
2.4三軸儀的簡介
三軸位系統(tǒng)是用于分析土壤及巖土特性的儀器沒備，它能夠測試巖土強度及抗剪切能力，測定在某一固定周圍壓力下的抗剪強度．然后根據三個以上試件，在不同周圍壓力下測得的抗剪強度，利用用莫爾-庫侖破壞準則確定土的抗剪強度參數。
它有以下功能特性
1.可自動進行面積校正。
2．孔壓通過連接在基座上的孔壓傳感器測量。
3.體積變化測量分辨率為1mm2。
4.摩擦影響通過三軸壓力室中的水下荷載傳感器測量軸向力而消除。偏應力通過計算機校正。
5.軸向位移通過兩種方式測量一直接通過位移傳感器測量和間接通過壓力室內體積變化測量。
6.典型的試驗可在壓縮或拉伸試驗中采用應變或應力控制。
7.可完成應力路徑試驗。
8.通過標準的3Mpa/200cc壓力/體積控制器或高級的2Mpa/200cc壓力體積控制器上的遠程反饋模塊(RFM)來完成數據采集。
9.控制軟件可顯示3個實時圖形和1個數據窗口。
它由三臺DGN液壓加載控制器提供三軸儀壓力室X，Y，Z三個方向的加載力。這一裝置包括壓力室，圍壓、軸力、孔隙水壓和孔隙氣壓的生成與控制器，及數據采集和試驗控制器件，同時還配備軸力、變形量測和軸平移吸力控制系統(tǒng)。其特點為：使試樣頂端與可用以提供氣壓(ua)的壓力生成裝置相連，底端與孔隙水壓力生成裝置相接，用以通過透水陶瓷板提供水壓(uw)。透水陶瓷板的特點是允許水自由進出，而氣相則需在壓強超過透水陶瓷板的最大吸力值pcs后才能通過。據此控制試樣內部的吸力。
工程實踐中遇到的土有許多是非飽和土．其性狀并不符合經典飽和力學的原理和概念。例如，雖然所遇到的天然土體通常處于飽和狀態(tài)，但與工程建設相關土體則常因一些工程措施的采用(如降水加固等)而處于種人工非飽和狀態(tài)。此外，國內有許多易于引發(fā)工程事故的問題土，如濕陷性黃土和膨脹土等。均為典型的非飽和土。對于與以上土質相關的工程問題，均可借助非飽和土力學予以研究。飽和土三軸儀試驗系統(tǒng)是用于巖土工程實驗的大型試驗設備。它也是結構與巖土工程項目建設的重點。在非飽和土力學的教學和科研都有很大的需要。
非飽和士是由土顆粒(固相)、孔隙永(液相)、孔隙氣(氣相)和液-氣交界面構成的四相體系。吸力是影響非飽和土力學性態(tài)的關鍵因素，控制吸力技術則成為決定試驗成畋的關鍵。試驗方法主要有：軸平移技術、滲析技術和相對濕度控制方法。
在非飽和土三軸儀試驗系統(tǒng)中，包括應力路徑室一套．DGN多功能液壓加載控制裝置數字式空氣壓力/體積控制器，數據采集板和轉換器．用于數據采集和實驗控制的GDSLAB模塊軟件，內置式水下荷重傳感器和其它輔助元器件等。
3.DGN液壓加載控制器的應用
DGN液壓加載控制器是三軸儀系統(tǒng)的重要組成部分。標準的三軸儀系統(tǒng)由三套液壓利氣壓加載控制器構成，提供試驗加載動力。DGN液壓加載控制器是由微電腦控制的液壓加載裝置，它能控制和測量水壓，測量體積變化。
特征：
1.壓力量程為3Mpa，可選擇lMpa，2Mpa，3Mpa以保護低量程的設備。體積容量是200cc。
2.通過閉合同路微處理器控制水壓至1Kpa。
3.鍵盤功能包括TARGET(目標值)，RAMP(線性蠕變和壓力或體積的循環(huán)變化)，加上快速裝填和排空液壓腔。
4.體積變化測量和顯示至0.001mm2(0.001cc)。
5.重簧輕(14Kg)、占用面積小(600x230mm)。
6.用戶界面是16位鍵盤和液晶顯示。
7.可選擇RS232計算機串口，用于計算機控制和采集壓力和體積變化。
8.可選抒模擬串口，使數據采集器可輸出壓力和體積變化值。
9.控制器提供超過預設壓力和體積的自動保護功能。
10.為傳統(tǒng)的土力學試驗室提供低成本的壓力源和體積變化測量計。
DNG液壓加載控制器能夠代替試驗室中傳統(tǒng)的壓力源，如永銀柱，靜負載儀，空壓機和液壓油泵等設備。它提供容積變化精度達劐0.001毫升。DNG液壓加載控制器能夠使用在巖士試驗室中做為一個壓力源和容積變化測量器。例如：它是一個理想的備壓源。能夠測量測試樣品的體積變化量。通過控制面板設定參數，DNG液壓加載控制器能夠提供壓力或體積的線性蠕變和循環(huán)變化。它也能用于恒速流體的滲透性試驗。它帶有和計算機通訊的232接口，通過應用軟件可以由電腦直接控制。
4.本文總結
本文首先介紹了了DGN液壓加載控制器組成和原理。DNG液壓加載控制器是由單片機控制器，步進電機，絲杠，液壓缸和壓力傳感器組成。然后介紹了DGN液壓加載控制器特性。接著介紹了三軸儀的組成。三軸儀是應用于研土測試的重要儀器，可以獲得多種所需的土壤特性。對基礎建設的設計和施工提供必須的理論數據。最后介紹DGN液壓加載控制器的應用，DGN液壓加載控制器是三軸儀系統(tǒng)的重要組成部分，它是三軸儀系統(tǒng)的動力源。
