一种调节加载液压缸最大输出载荷的控制方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，涉及土力学三轴试验，尤其是一种调节加载液压缸最大输出载荷的控制方法。

背景技术

测量土壤的强度和变形而常使用三轴试验仪，该仪器应用广泛，可用于测量多种参数，包括剪切强度特性，固结特点和土壤渗透性。三轴试验仪通常采用电液伺服加载的方式，实验过程中需要分别根据围压的大小设定轴向加载力。然而三轴试验中一个非常重要的试验—液化试验需要不断地往复加载，加载过程中动强度逐渐降低，负载特性变差。随着加载的不断进行，加载的幅值会越来越大，很容易造成失控现象，失控发生时加载液压缸容易产生最大输出载荷。因此，为了保护设备，实际实验过程中急需最大输出载荷可调节的液压缸。

目前，国内外还没有相关产品。通常情况下，在工程需要的前提下采用降压控制的方式，即降低供油的压力。然而，这个方式并不利于伺服阀的控制，油压偏低时，控制系统的动态控制性能通常较差。所以，在高压油源供油前提下实现最大输出载荷的调整变得非常困难。

发明内容

本发明的目的是针对一种最大输出载荷可调节的三轴试验加载液压缸，提出一种调节加载液压缸最大输出载荷的控制方法。该方法中涉及的加载液压缸，其内部液压油驱动多个小柱塞运动，小柱塞推动输出轴运动，液压油压力不变，液压缸的最大输出载荷由推动输出轴运动的柱塞个数决定，通过改变推动输出轴的柱塞个数来改变液压缸最大输出载荷。本控制方法通过前后缸体内各有8根柱塞的液压缸来描述。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种调节加载液压缸最大输出载荷的控制方法，其控制的加载液压缸主要包括输出轴1、前端盖2、前缸体3、中间缸体4、前柱塞5、推板6、后缸体7、后柱塞8、后端盖9。所述前缸体3和后缸体7内各有8个呈圆周均布的圆柱体腔室，每个腔室内均安装1根前柱塞5或后柱塞8，柱塞规格完全相同；前缸体3内4个呈十字分布的腔室为A腔室，彼此连通，分别为A1到A4腔室；在圆周上与A腔室交错排布的独立腔室为B腔室，分别为B1到B4腔室；A1腔室外接通油口A1，4个B腔室分别外接1个通油口B1到B4。后缸体7与前缸体3结构类似，4个内部连通的呈十字分布的腔室为C腔室，分别为C1到C4腔室，C1腔室外接通油口C1；与C腔室交错排布在圆周上的为D腔室，分别为D1到D4腔室，各外接通油口D1到D4。前、后柱塞分别与推板6两侧接触，推板6与输出轴1末端固连，输出轴1经由前缸体3与前端盖2两者中心通孔伸出液压缸体外。

通过控制前后缸体3、7内某些柱塞，使之对外不输出载荷；调节输出载荷的腔室在调节过程中前后连通，内部油液相对外界封闭，因为压强相同，前后柱塞对推板6的作用力相互抵消，致使输出轴1最大输出载荷减小。具体如下：

所述腔室A、C内柱塞为基本柱塞组，提供液压缸基本输出载荷。令高压油经通油口C1进入腔室C，油液推动后腔室内4根柱塞8运动，柱塞8推动推板6，推板6带动输出轴1运动，同时前柱塞5在推板6推动下缩回前缸体3，腔室A内多余油液流回油箱；令高压油经通油口A1进入腔室A，油液推动前柱塞5运动，前柱塞推动推板6，推板6带动输出轴1运动，同时后柱塞8在推板6推动下缩回后缸体7，腔室C内多余油液流回油箱。

本方法应用于基本柱塞组以外的柱塞，即腔室B、D内的柱塞。由于柱塞圆周排布，若每次只令前缸体和后缸体各1根柱塞失效，容易导致输出轴1运动不平稳，故每次控制前后缸体圆周上各中心对称的2根柱塞失效，如同时控制B1、B3、D1、D3腔室内柱塞，此4根柱塞组成一个调节柱塞组I。

以控制调节柱塞组I为例进行柱塞组失效原理说明。当基本柱塞组正常工作时，连通B1、B3、D1、D3腔室油路，由于该四个腔室内油压相等，前后各2根柱塞作用在推板6上的力大小相等方向相反，合力为零，在此认为调节柱塞组I失效，不对推板6产生推力，使得推板6上总的作用力减小了，相比调节柱塞组I失效前，液压缸输出轴上的最大输出载荷减小。

上述柱塞调节组I外部，前、后缸体上B1、D1腔室外管路经一个三位四通换向阀E1连接油泵和油箱，B1与B3腔室连通，D1与D3腔室连通，B3和D3腔室之间通过一个三位四通换向阀E2控制油路通断。所述两个三位四通换向阀E1、E2具有O型中位机能。

调节柱塞组的工作状态如下：

(1)调节柱塞组正常，即调节柱塞能推动推板6运动时，令换向阀E2处于中位保持不变，前后缸体B、D腔室不连通，令换向阀E1处于左位分别连通D腔室和油泵、B腔室和油箱，高压油进入D1、D3腔室，后柱塞8向前运动，推动推板6运动，带动输出轴1伸出缸体，同时推板6推动前柱塞5缩回前缸体3，B1、B3腔室内多余油液经换向阀E1流回油箱；换向阀E2处于中位，令E1处于右位分别连通B腔室和油泵、D腔室和油箱，上述运动过程反向进行；换向阀E2处于中位，令E1处于O型中位，柱塞运动停止。

(2)调节柱塞组失效，即调节柱塞不能推动推板6运动时，换向阀E1处于O型中位，高压油无法进入B、D腔室，B、D腔室内油液也无法回流至油箱。当基本柱塞组推动推板6运动，如后缸体腔室C内柱塞推动推板向前运动时，令换向阀E2处于左位，连通B、D腔室，B腔室内多余油液在前柱塞推动下流入D腔室，D腔室内柱塞向前运动，此时调节柱塞组失效，对外不输出载荷；当前缸体腔室A内柱塞推动推板6向后运动时，令换向阀E2处于右位，D腔室内多余油液在后柱塞的推动下流入B腔室，推动B腔室内柱塞伸出前缸体；换向阀E1处于中位，令E2处于O型中位，柱塞运动停止。

进一步的，对应不同柱塞组数的液压缸，可以相应的增添调节柱塞组数，增加更多级的最大输出载荷选择。

以上为一个柱塞调节组的工作状态，假设该种结构的液压缸中共有2N根柱塞(N为大于3的偶数)，保证有8根柱塞组成基本柱塞组提供基本输出载荷时，剩下的2N-8根柱塞可以组成多个调节柱塞组，保证运动平稳，可以有(2N-8)/4个调节柱塞组，每个调节柱塞组按上述调节柱塞组安装控制，即最多可以得到(2N-8)/4+1种最大输出载荷的选择。本说明书中举例的结构中共有16根柱塞，即N＝8，可得到2个调节组，3种最大输出载荷的选择。

本说明书以液压缸包括1个基本柱塞组和2个柱塞调节组为例说明，共有3种不同的最大输出载荷的调节级数，按最大输出载荷从大到小依次为一级、二级、三级调节。假定上述B1、B3、D1、D3腔室内柱塞组成柱塞调节组I，腔室B2、B4、D2、D4内的柱塞为柱塞调节组II，腔室A、C内柱塞为基本柱塞组。其中柱塞调节组I外管路连接方式如上所述；调节组II外管路连接方式与I类似，使用的换向阀为E3、E4，作用类似于E1、E2；基本柱塞组通油口A1、C1连接三位四通换向阀E5，E5连接油泵和油箱。此处为描述方便，将换向阀E1、E3、E5描述为连接至油泵和油箱，实际为油泵主管路和回油箱管路分别引出多条支路分别连接换向阀E1、E3、E5。

针对缸体内具有16根柱塞的所述液压缸，本控制方法的具体工作过程为：

(1)一级调节状态。换向阀E2、E4处于O型中位，切断前后缸体连接油路；换向阀E1、E3、E5同时动作，前后缸体腔室同时进出油。例如换向阀E1、E3、E5处于右位，前缸体3内A、B腔室同时流进高压油，，8根前柱塞5在相同的油压推动下伸出，推动推板6运动，推板6推动后柱塞8缩回，同时带动输出轴1缩回液压缸，后缸体腔室C、D内多余油液回流到油箱；换向阀E1、E3、E5同时切换为左位，改变液压油流动方向，所有运动反向进行，输出轴伸出缸体；换向阀E1、E3、E5同时切换为O型中位，液压缸停止运动。

(2)二级调节状态。换向阀E1、E4保持O型中位不变，调节组I对应腔室与油泵和油箱油路被切断，调节组I前后腔室连通；换向阀E2、E3、E5同时动作。此时B1、B3、D1、D3腔室内油液相对外界回路封闭，调节组I失效，但可在推板作用下运动。当E3、E5接通油路带动推板6运动时，后缸体内柱塞组I在推板6推力作用下运动，D1、D3腔室内油液经E2流动到B1、B3腔室内，推动前缸体内柱塞组I运动。由于柱塞组I失效，而其他柱塞组正常工作，输出轴1的最大输出载荷比一级状态减小了四分之一；换向阀E2、E3、E5切换液压油流动方向，所有运动反向进行。换向阀E2、E3、E5同时切换为O型中位，液压缸停止运动。

(3)三级调节状态。换向阀E1、E3保持O型中位，换向阀E2、E4、E5同时动作。此时B1、B3、D1、D3腔室内和B2、B4、D2、D4腔室内油液分别相对外界回路封闭，调节组I、II失效；当E5接通后，推板6运动，后缸体内柱塞组I、II在推板6推力作用下运动，D1、D3腔室内油液经E2流动到B1、B3腔室内，D2、D4腔室内油液经E4流动到B2、B4腔室内，分别推动前缸体内柱塞组I、II运动。由于I、II失效，只有基本柱塞组正常工作，输出轴1的最大输出载荷比一级状态减小了二分之一；换向阀E2、E4、E5切换液压油流动方向，所有运动反向进行。换向阀E2、E4、E5同时切换为O型中位，液压缸停止运动。

本发明的效果和益处是：液压缸在液压油高压输入不变的情况下，通过多个换向阀改变不同通油口液压油流向和通断，从而改变有效输出柱塞个数，间接改变最大输出载荷，以实现最大输出载荷可调节的功能。同时油压较高，系统可以实现良好的动态控制性能。

附图说明

图1是加载液压缸半剖视图；

图2是加载液压缸A向视图(此图主要为表示后缸体内腔室C、D的位置关系和通油口位置，而前后腔室A、C位置相对应，B、D位置相对应)；

图3是加载液压缸外形示意图(为表现其内部结构，图中去除了中间缸体4以及各螺栓组)；

图4是调节柱塞组I的液压回路示意图；

图5是调节柱塞组II的液压回路示意图；

图6是主柱塞组的液压回路示意图；

图中：1输出轴；2前端盖；3前缸体；4中间缸体；5前柱塞；6推板；7后缸体；8后柱塞；9后端盖。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种调节加载液压缸最大输出载荷的控制方法，其控制的加载液压缸主要包括输出轴1、前端盖2、前缸体3、中间缸体4、前柱塞5、推板6、后缸体7、后柱塞8、后端盖9。如图1、3所示，前缸体3和后缸体7内各有8个呈圆周均布的圆柱体腔室，各安装1根前柱塞5或后柱塞8，柱塞规格完全相同；如图2所示，前缸体3内4个呈十字分布的腔室为A腔室，彼此连通，分别为A1到A4腔室；在圆周上与A腔室交错排布的独立腔室为B腔室，分别为B1到B4腔室；A1腔室外接通油口A1，4个B腔室分别外接1个通油口B1到B4。后缸体7与前缸体3结构类似，4个内部连通的呈十字分布的腔室为C腔室，分别为C1到C4腔室，C1腔室外接通油口C1；与C腔室交错排布在圆周上的为D腔室，分别为D1到D4腔室，各外接通油口D1到D4。前、后柱塞分别与推板6两侧接触，推板6与输出轴1末端固连，输出轴1经由前缸体3与前端盖2两者中心通孔伸出液压缸体外。

所述腔室A、C内柱塞为基本柱塞组，提供液压缸基本输出载荷，在本控制方法中其运动不受限制。如图6所示，欲令输出轴1伸出时，高压油经通油口进入后缸体腔室C推动后柱塞8运动，柱塞头部推动推板6，推板6带动输出轴1向前运动，同时前柱塞5在推板6推动下缩回前缸体3，腔室A内多余油液流回油箱；令输出轴1反向运动时，高压油进入前缸体腔室A内推动前柱塞5运动，前柱塞推动推板6，推板6带动输出轴1缩回液压缸，同时后柱塞8在推板6推动下缩回后缸体7，腔室C内多余油液流回油箱。

本控制方法主要应用于基本柱塞组以外的柱塞，即腔室B、D内的柱塞。由于柱塞为圆周排布，柱塞头部推动推板6运动，若每次只令前缸体和后缸体各1根柱塞失效，容易导致输出轴1运动不平稳，故每次控制前缸体和后缸体圆周上各自中心对称的2根柱塞失效，如图2所示，同时控制B1、B3、D1、D3腔室内柱塞，此4根柱塞组成一个调节柱塞组。

上述柱塞调节组外部，前、后缸体上B1、D1腔室外管路经一个三位四通换向阀连接油泵和油箱，同时B1与B3腔室连通，D1与D3腔室连通，B3和D3腔室之间通过一个三位四通换向阀控制油路通断。如图4所示，管路具体连接如下：通油口B1、B3、D1和D3外各安装1个端三通管接头，B1处管接头一端接至三位四通换向阀E1的通口A，另一端接至B3处管接头，B3处管接头另一端接三位四通换向阀E2的通口A，E2的通口B接至D3处管接头，D3管接头另一端接D1处管接头,D1处管接头另一端接换向阀E1的通口B，E1换向阀通口P接油泵管路，通口T接回油箱管路；E2换向阀另一侧两通口P、T直接用软管连接，借此可实现油液的双向流动。所述两个三位四通换向阀E1、E2具有O型中位机能。

调节柱塞组的工作状态有：(1)调节柱塞组正常。(2)调节柱塞组失效。

本说明书中涉及的液压缸包括1个基本柱塞组和2个柱塞调节组，所以共可以有3种不同的最大输出载荷的调节级数，按最大输出载荷从大到小依次为一级、二级、三级调节。如图4、5、6所示，假定上述B1、B3、D1、D3腔室内柱塞组成的调节组为柱塞调节组I，腔室B2、B4、D2、D4内的柱塞为柱塞调节组II，腔室A、C内柱塞为基本柱塞组。其中柱塞调节组I外管路连接方式如上所述；调节组II外管路连接方式与I类似，使用的换向阀为E3、E4，作用类似于E1、E2；基本柱塞组通油口A1、C1连接三位四通换向阀E5，E5连接油泵和油箱。此处为描述方便，将换向阀E1、E3、E5描述为连接至油泵和油箱，实际为油泵主管路和回油箱管路分别引出多条支路分别连接换向阀E1、E3、E5。

针对缸体内具有16根柱塞的所述液压缸，如图4、5、6所示，本控制方法的具体工作过程为：

(1)一级调节状态。换向阀E2、E4处于O型中位，切断前后缸体连接油路；换向阀E1、E3、E5同时动作，前后缸体腔室同时进出油。例如换向阀E1、E3、E5处于右位，前缸体3内A、B腔室同时流进高压油，，8根前柱塞5在相同的油压推动下伸出，推动推板6运动，推板6推动后柱塞8缩回，同时带动输出轴1缩回液压缸，后缸体腔室C、D内多余油液回流到油箱；换向阀E1、E3、E5同时切换为左位，改变液压油流动方向，所有运动反向进行，输出轴伸出缸体；换向阀E1、E3、E5同时切换为O型中位，液压缸停止运动。

(2)二级调节状态。换向阀E1、E4保持O型中位不变，调节组I对应腔室与油泵和油箱油路被切断，调节组I前后腔室连通；换向阀E2、E3、E5同时动作。此时B1、B3、D1、D3腔室内油液相对外界回路封闭，调节组I失效，但可在推板作用下运动。当E3、E5接通油路带动推板6运动时，后缸体内柱塞组I在推板6推力作用下运动，D1、D3腔室内油液经E2流动到B1、B3腔室内，推动前缸体内柱塞组I运动。由于柱塞组I失效，而其他柱塞组正常工作，输出轴1的最大输出载荷比一级状态减小了四分之一；换向阀E2、E3、E5切换液压油流动方向，所有运动反向进行。换向阀E2、E3、E5同时切换为O型中位，液压缸停止运动。

(3)三级调节状态。换向阀E1、E3保持O型中位，换向阀E2、E4、E5同时动作。此时B1、B3、D1、D3腔室内和B2、B4、D2、D4腔室内油液分别相对外界回路封闭，调节组I、II失效；当E5接通后，推板6运动，后缸体内柱塞组I、II在推板6推力作用下运动，D1、D3腔室内油液经E2流动到B1、B3腔室内，D2、D4腔室内油液经E4流动到B2、B4腔室内，分别推动前缸体内柱塞组I、II运动。由于I、II失效，只有基本柱塞组正常工作，输出轴1的最大输出载荷比一级状态减小了二分之一；换向阀E2、E4、E5切换液压油流动方向，所有运动反向进行。换向阀E2、E4、E5同时切换为O型中位，液压缸停止运动。

在此仅以说明书所陈述规格进行原理说明，本发明并不限于上述实施方式，采用本发明构思所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围之内。