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岩石力学试验机高精度转台传动与控制系统研究（硕士学位论文），共86页。
【摘要】 在岩石力学领域,岩石试验机是必不可少的实验设备。现有的岩石力学试验机只能通过加载,获得岩石应力-应变等宏观力学特性,对其内部裂纹的发生和发展,水气在缝隙中的运移无法观测。研制可旋转的岩石力学试验系统,配合高能加速器CT以及计算机图像重构技术,可以获得岩石在模拟地下环境中被压裂的微观特性。岩石试样承载转台的旋转精度决定了重构图像的分辨率,所以研制重载荷、变载荷作用下的高精度转台是可旋转岩石力学试验系统的关键,由于载荷很大且变化,采用电机配合齿轮箱的驱动方式是必须的。在工作过程中,载荷变化引起的齿轮变形量的变化对高精度转台的旋转精度的影响不能忽视。论文分析了齿轮传动弹性变形的计算方法,对齿轮啮合过程进行了有限元分析。根据仿真结果分析了齿轮形变对转台位置和速度精度的影响,提出了在控制系统中提前预补偿的方式来弥补位置误差,以及利用改进控制算法的方式来提高转速平稳性。在MATLAB/Simulink环境下建立了转台控制系统的仿真模型,为了提高转台的平稳性,利用模糊算法对速度调节器进行改造。在仿真过程中,对速度调节器分别采用了PID控制和模糊PID控制,对仿真结果进行了分析。在理论研究和仿真基础上,研制了可旋转岩石力学试验系统的模拟样机,实现了三轴压力室的旋转、轴向加载、围压加载、渗流加载。在模拟样机的基础上,完成了转台控制系统的硬件电路设计和软件程序编写。对转台进行了性能测试结果表明,在转台负载经常发生变化的情况下,使用模糊PID控制转台速度动态特性更好,超调量更小,调节时间更短,转台运行更稳定。论文研究结果对高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统中的高精度旋转台的研制奠定了基础,也对变载荷、重载、高精度旋转台技术的发展具有重要的应用价值。
【关键词】 岩石力学试验机； 转台； 齿轮； 电机； 矢量控制；

目录
中文摘要    V
ABSTRACT    vii
第一章绪论    1
1.1    课题选题背景和意义    1
1.2    转台传动技术研究现状    5
1.3    转台伺服控制技术研究现状    6
1.4    高精度转台研制现状    7
1.5    论文主要研究内容及章节安排    8
第二章可旋转岩石试验机转台传动技术研究    11
2.1    岩石试验系统转台传动方案设计    11
2.1.1摩擦轮传动工作原理    12
2.1.2带传动工作原理    13
2.1.3多点啮合柔性传动工作原理    14
2.1.4齿轮传动工作原理    15
2.2    齿轮传动弹性变形分析    15
2.3    渐 线直齿轮的建模和有限元分析    18
2.3.1齿轮建模与有限元分析软件的选择    18
2.3.2渐 线直齿轮的建模    19
2.3.3有限元分析    21
2.4    结果分析    23
2.4.1齿轮的弹性变形    23
2.4.2弹性变形对转速的影响    24
2.5    本章小结    25
第三章可旋转岩石试验机控制系统设计和仿真    27
3.1    电机的选择    27
3.2    永磁同步电机数学模型    27
3.3    基于永磁同步电机的控制系统分析和仿真    30
3.3.1空间矢量脉宽调制策略    31
3.3.2 SVPWM 算法实现    35
3.3.3转台伺服控制系统MATLAB仿真研究    37
3.4    模糊PID控制器设计    41
3.5    仿真结果及分析    43
3.6    本章小结    44
第四章可旋转岩石试验机结构设计    45
4.1    试验机机械方案研究    45
4.1.1机械同步方案    45
4.1.2电控同步方案    48
4.2    模拟样机的研制    50
4.2.1三轴压力室设计    51
4.2.2旋转供液供气    52
4.2.3模拟样机整体设计    52
4.2.4模拟样机制作    55
4.3    本章小结    56
第五章控制系统软硬件设计和实验    57
5.1    控制系统的方案设计    57
5.2    控制系统硬件技术环节的设计与 发    58
5.2.1控制系统硬件结构    58
5.2.2数据釆粜卡和调理电路    58
5.3    控制系统调试软件设计    61
5.4    实验结果    64
5.5    本章小结    64
第六章总结与展望    65
6.1    总结    65
6.2    展望    65
参考文献    67
作者简历    69
独创性声明    71
学位论文数据集    73

第一章绪论
1.1课题选题背景和意义
本课题的选题为岩石力学试验机高精度转台传动与控制系统研究,课题依托于国家自然連金置大仪器专项“高能加速器CT多场稱合岩石力学试验系统”的研制,旨在为多场親合岩石力学试验系统提供高速、平稳的旋转平台,以克服传统岩石试验机在CT成像时存在伪影、分辨率低等缺点。
目前,人类对太空和对地球自身的探索都在不断发展,但是上天容易入地难,对于地球深部的岩石力学以及运动规梓的探索,对于认识地震等自然灾害的形成,天然气、页岩气、石油等的 采都具有重大的意义。
当今世界资源勘探 发已经向地下2000到10000米的地球第二深度空间挺进,其开发特点是:超深度钻孔而且人不可入。开发手段是必须进行地质体改造,实施岩石压裂。所以必须研究岩石在深部底层压力、温度、磁场等共同作用下的破裂形成演化、气液运移规律以及物性变化特征,并揭示其动态的变化过程,如图
1-1所示,这项研究具有重大的科学价值:
1、破裂是控制地质体一切行为的根源,仅知道岩石破裂的现象、条件与状态是不够的,科学的深化,必须研究破裂过程;
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• 岩石力学试验机高精度转台传动与控制系统研究
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