電液式土工離心機(jī)震動(dòng)臺(tái)的研制

　　章為民,賴忠中,徐光明

　　(南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京　210029)

　　摘要:介紹了南京水利科學(xué)院研制的電液式土工離心機(jī)震動(dòng)臺(tái)以及基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).經(jīng)驗(yàn)證表明,該土工離心機(jī)震動(dòng)臺(tái)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和性能,完全能滿足工程試驗(yàn)研究的需要.

　　關(guān)　鍵　詞:電液式震動(dòng)臺(tái);網(wǎng)絡(luò)技術(shù);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);土工離心機(jī);離心模型試驗(yàn).

　　動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的研究巖土工程地震的一項(xiàng)高新技術(shù),目前的試驗(yàn)研究表明,動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)的結(jié)果能很好地再現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)狀況與破壞機(jī)理,在分析地震破壞機(jī)理、抗震設(shè)計(jì)計(jì)算及數(shù)值模型驗(yàn)證等方面具有巨大的優(yōu)越性.

　　動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)技術(shù)與常規(guī)震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等技術(shù)的主要差別,在于常規(guī)震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)不能模擬原型的應(yīng)力條件;動(dòng)態(tài)三軸、動(dòng)扭剪儀等室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備只能進(jìn)行單元土體試驗(yàn),只反映結(jié)構(gòu)物中的一個(gè)點(diǎn),而不是結(jié)構(gòu)物的整體動(dòng)力特性.離心慣性力場作用下的離心模型,能夠真實(shí)地模擬原型的應(yīng)力條件,土的動(dòng)力特性在很大程度上取決于它受到的應(yīng)力條件,因而離心模型能夠反映原型在實(shí)際應(yīng)力條件下的真實(shí)動(dòng)力響應(yīng).目前,英、美、日、法、德等國都相繼建立了模擬動(dòng)荷載的離心模型試驗(yàn)設(shè)備.如劍橋大學(xué)最早的Bumpy Road系統(tǒng),美國科羅拉多大學(xué)、加州大學(xué)、日本東京工業(yè)大學(xué)、港灣研究所的電液激振系統(tǒng),加州大學(xué)Davis分校的壓電激振系統(tǒng),法國阿基坦科學(xué)中心的爆炸激振系統(tǒng)等[1].我國已建成土工專用離心機(jī)8臺(tái).最近,南京水利科學(xué)研究院研制成我國第一臺(tái)土工離心機(jī)震動(dòng)臺(tái).

　　1.激振技術(shù)方案

　　激振技術(shù)是離心模型振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵.離心機(jī)震動(dòng)臺(tái)需要克服高離心重力場的作用,必須通過集流環(huán)來獲得能源動(dòng)力控制信號(hào),而振動(dòng)的要求與技術(shù)難度大.現(xiàn)將各種震動(dòng)臺(tái)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)列于表1.

　　其中,電液激振式震動(dòng)臺(tái)為目前國際上最為流行的,它可產(chǎn)生任意振動(dòng)波型,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,研制費(fèi)用昂貴,且需要特殊的控制裝置.經(jīng)認(rèn)真比選,南京水利科學(xué)研究院確定研制電液式震動(dòng)臺(tái)裝置.研制的NS-Ⅰ型離心機(jī)震動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)列于表2.

　　2.電液式震動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　離心機(jī)震動(dòng)臺(tái)是動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)的基本設(shè)備,由于要在高速旋轉(zhuǎn)的高重力場中工作,震動(dòng)臺(tái)必須克服重力場的作用,所有部件必須有足夠的強(qiáng)度與剛度,所有元器件應(yīng)能安全準(zhǔn)確地動(dòng)作;受設(shè)備的幾何尺寸限制,重量不能太大,應(yīng)易于安裝和使用;受集流環(huán)的限制,試驗(yàn)用最大動(dòng)力電流不大于10 A,液壓環(huán)的壓力不大于20 MPa,液壓流量不大于20 L/min.

　　電液激振式震動(dòng)臺(tái)由震動(dòng)臺(tái)面、作動(dòng)器、伺服閥和壓力源等組成.

　　2.1　震動(dòng)臺(tái)面和作動(dòng)器的設(shè)計(jì)

　　震動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面應(yīng)確保在高離心加速場中支承模型箱(包括模型和土體)的巨大荷重時(shí)而不變形,應(yīng)盡量減小臺(tái)面與支承結(jié)構(gòu)的摩阻力,臺(tái)體應(yīng)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),臺(tái)體垂直于振動(dòng)方向的附加振動(dòng)要小于5%.作動(dòng)器即壓力活滑塞油缸的內(nèi)徑由振動(dòng)的最大加速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)負(fù)荷,以及臺(tái)體和活塞質(zhì)量確定.

　　目前,震動(dòng)臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)有兩種.一種是日本東京工業(yè)大學(xué)研制的懸掛式結(jié)構(gòu)[2],用4個(gè)球鉸將震動(dòng)臺(tái)面懸掛在框架上,以減小摩阻力,但它所承受的質(zhì)量不能大于100 kg,且4根懸臂增加了震動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)質(zhì)量,從而增加了震動(dòng)臺(tái)對出力的要求,使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化;另一種是采用新型的高精密線性滑條,它具有較高的支承能力和極小的摩擦因數(shù)(設(shè)計(jì)值為0.01),采用滑條導(dǎo)軌還有利于限制異于振動(dòng)方向的其他振動(dòng),這種結(jié)構(gòu)為近年來國外大多數(shù)震動(dòng)臺(tái)所采用.

　　2.2　電液伺服閥

　　電液伺服閥是震動(dòng)臺(tái)的核心部件,關(guān)系到震動(dòng)臺(tái)性能的好壞,根據(jù)設(shè)計(jì),要求伺服閥的頻率為100 Hz,流量為80 L/min.最后選定符合技術(shù)要求的型號(hào)為FF106噴水擋板式兩級(jí)伺服閥,流量為80 L/min.

　　2.3　動(dòng)力源

　　理想的動(dòng)力源是利用穩(wěn)壓臺(tái)通過集流環(huán)直接傳輸壓力,它有利于維持較高的恒定壓力和進(jìn)行多次長時(shí)間的振動(dòng),且結(jié)構(gòu)相對簡單,但需更換大流量的集流環(huán)和管線.考慮到較長的高壓管道變形及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)對整個(gè)系統(tǒng)的影響,最終采用蓄能器方案,即將安裝在震動(dòng)臺(tái)旁邊的蓄能器作為動(dòng)力源,這樣管線距離就短.為了維持較長時(shí)間的恒定高壓,選用了25 L的高壓蓄能器.經(jīng)試驗(yàn)表明,一次充壓后,蓄能器足以進(jìn)行4次以上的地震模擬,完全可以滿足要求.

　　2.4　振動(dòng)控制

　　震動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制柜和安裝在伺服油缸上的電液伺服閥、加速度傳感器和位移傳感器等組成.采用位移、速度和加速度三參數(shù)閉環(huán)控制方式.伺服閥根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)和震動(dòng)臺(tái)上的位移和加速度傳感器的信號(hào)反饋,調(diào)整振動(dòng)狀態(tài),從而產(chǎn)生規(guī)則波或不規(guī)則波的振動(dòng).

　　3.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　由于離心模型中的振動(dòng)過程要比實(shí)際地震過程快,一般的實(shí)際地震常常持續(xù)幾十秒,用離心模型模擬的振動(dòng)時(shí)間還不到1 s.要在這么短的時(shí)間內(nèi)記錄下大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),就要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度要很快.

　　離心模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括信號(hào)調(diào)理放大系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換與采集系統(tǒng)、上下位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換和控制系統(tǒng)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng).目前,大多數(shù)計(jì)算機(jī)的連接采用串口通信連接,這種連接方式難以掌握下位機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作狀態(tài),并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫草^慢,一次地的試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)需要15~20 min.現(xiàn)采用網(wǎng)絡(luò)方式連接上、下位機(jī),將下位機(jī)的顯示屏幕、控制鍵盤和鼠標(biāo)映射到上位機(jī),即下位機(jī)的所有控制通過操作上位機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)來實(shí)現(xiàn),而下位機(jī)的屏幕則顯示在上位機(jī)的屏幕上.因此,基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有下列特點(diǎn):①可以方便地利用上位機(jī)控制下位機(jī)并可確切觀察下位機(jī)的工作狀態(tài),比一般上、下位機(jī)的串口通訊控制方式更為可靠;②上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信一般在幾秒鐘內(nèi)完成,數(shù)據(jù)傳輸速度比串口通訊方式要快數(shù)百倍;③避免了復(fù)雜的編程過程,可以直接采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品;④維修、擴(kuò)展、更新方便,無須專業(yè)人員.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制界面。