[发明专利]能施加动荷载的土冻融实验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种冻土试验领域的仪器，特别是一种能施加动荷载的土冻融实验系统。它通过给土样施加正弦力或方波形式的力来模拟不同条件下高速列车运行情况，测试在不同温度下土的冻结特性。

背景技术

随着我国经济的快速发展，既有线铁路的提速和高速铁路新建蓬勃发展。在中国的西北、华北和东北地区，由于土冻结作用所带来的路基冻胀、融沉等问题已经严重地威胁了高速列车运行的安全。因此，通过实验研究高速列车动荷载作用下土的冻结特性，从而分析路基土的冻胀、融沉病害产生的原因，研究冻害的防治措施，对冻土区高速铁路路基的修建、提速有重要的理论指导意义。

为了达到良好的模拟效果，提高实验的的精度，土冻结实验需要一个性能与可靠性较高的实验设备。为了能真实模拟出高速列车对路基土施加的压力，要求实验装置能够对冻土试件施加幅值和频率可调的动态力，并且要有较高的力加载精度与位移采集精度。由于实验时间持续时间为72小时，实验中室温相对较低，对实验设备的可靠性要求也很高。可以说，实验设备的性能与可靠性直接影响到土冻结实验的研究价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种能施加动载荷的土冻融实验系统，以准确模拟并研究在高速列车运行情况下，土的冻结特性。

本发明的技术方案是：一种能施加动荷载的土冻融实验系统，其特征在于，所述实验系统由液压系统和计算机控制系统组成；所述液压系统由泵站、液压缸、伺服阀三部分组成；计算机控制系统由数字控制器和检测系统两部分构成；所述数字控制器采用的是PC机搭载数据采集板的构架，包括PC机、数据采集板、调理电路与人机接口，考虑到系统的可靠性，前放电路、功放电路、调理电路及电源均放置在一个控制箱中，PC机与控制箱通过电缆连接；数据采集板选用ISA总线的采集板，数字控制器负责对采集信号进行处理、通过控制算法得到控制信号并输出给执行机构；所述检测系统由位移传感器、力传感器构成；所述液压缸的活塞杆与力传感器相连接，力传感器下连接有圆形压盘，圆形压盘的表面与土样的表面完全一致并密切接触，位移传感器设置在液压缸与圆形压盘之间；所述计算机控制系统通过力传感器土样所承受的压力并与给定值比较后输出控制信号来控制伺服阀，液压系统通过伺服阀控制液压缸活塞杆的位置，以调节土样所承受的压力；位移传感器用来采集土样的变形量；实验时，将泵站、伺服阀、液压缸、位移传感器、力传感器与土样均放在低温室中进行。

伺服阀的空载流量为20L/min，泵站输出功率为1KW。

所述泵站由恒压变量泵、电机、控制功能元件和辅助装置构成，电机带动恒压变量泵及控制元件实现对液压缸的加载，恒压变量泵的最高工作压力是5MPa，正常工作压力是2.5MPa。

所述恒压变量泵选用叶片泵，其最大流量是20.16L，所述电机的功率为1.5KW，转速是1440r/min。

所述液压缸为非对称缸，该非对称缸活塞直径为40mm，活塞杆直径为28mm，行程为150mm。

所述力传感器选用SPX-2型力传感器。

所述数据采集卡为研华PCL-818数据采集卡，其为ISA总线、16通道、100KHz采样速率。

所述圆形压盘直径为15cm。

该发明的有益效果是：

(1)通过以上技术方案，可以对土样施加动荷载，以准确模拟高速列车运行过程中土的冻结特性；

(2)将泵站、伺服阀、液压缸、力传感器与土样放入低温室中可模拟大气环境温度，同时也解决了泵站的散热问题；

(3)力传感器下的圆形压盘表面与冻土试件的表面完全一致，可以保证压力均匀地加载到土样上；

(4)液压缸选用非对称缸可以节约空间，并降低制造程本。

附图说明

图1是能施加动荷载的土冻融实验系统框图；

图2是液压系统构成图；

图3是液压泵站结构图；

图4是数字控制系统组成结构图；

图5是软件层次结构图。

具体实施方式

能施加动荷载的土冻融实验系统，由液压系统和计算机控制系统组成；液压系统主要由伺服阀、液压缸、泵站组成。液压系统的设计就是根据系统的技术要求，运用液压系统动力机构的优化设计方法对液压系统进行设计计算，得到液压系统各组成部分的性能指标，最终确定液压系统各组成部分的型号。