電液式土工離心機震動臺的研制

　　章為民,賴忠中,徐光明

　　(南京水利科學研究院,江蘇南京　210029)

　　摘要:介紹了南京水利科學院研制的電液式土工離心機震動臺以及基于網絡技術的數據采集系統.經驗證表明,該土工離心機震動臺與數據采集系統的技術指標和性能,完全能滿足工程試驗研究的需要.

　　關　鍵　詞:電液式震動臺;網絡技術;數據采集系統;土工離心機;離心模型試驗.

　　動態離心模型試驗技術是近年迅速發展起來的研究巖土工程地震的一項高新技術,目前的試驗研究表明,動態離心模型試驗的結果能很好地再現工程結構狀況與破壞機理,在分析地震破壞機理、抗震設計計算及數值模型驗證等方面具有巨大的優越性.

　　動態離心模型試驗技術與常規震動臺試驗等技術的主要差別,在于常規震動臺試驗不能模擬原型的應力條件;動態三軸、動扭剪儀等室內試驗設備只能進行單元土體試驗,只反映結構物中的一個點,而不是結構物的整體動力特性.離心慣性力場作用下的離心模型,能夠真實地模擬原型的應力條件,土的動力特性在很大程度上取決于它受到的應力條件,因而離心模型能夠反映原型在實際應力條件下的真實動力響應.目前,英、美、日、法、德等國都相繼建立了模擬動荷載的離心模型試驗設備.如劍橋大學最早的Bumpy Road系統,美國科羅拉多大學、加州大學、日本東京工業大學、港灣研究所的電液激振系統,加州大學Davis分校的壓電激振系統,法國阿基坦科學中心的爆炸激振系統等[1].我國已建成土工專用離心機8臺.最近,南京水利科學研究院研制成我國第一臺土工離心機震動臺.

　　1.激振技術方案

　　激振技術是離心模型振動試驗的關鍵.離心機震動臺需要克服高離心重力場的作用,必須通過集流環來獲得能源動力控制信號,而振動的要求與技術難度大.現將各種震動臺的工作原理及其優缺點列于表1.

　　其中,電液激振式震動臺為目前國際上最為流行的,它可產生任意振動波型,但結構復雜,研制費用昂貴,且需要特殊的控制裝置.經認真比選,南京水利科學研究院確定研制電液式震動臺裝置.研制的NS-Ⅰ型離心機震動臺的主要技術指標列于表2.

　　2.電液式震動臺的設計

　　離心機震動臺是動態離心模型試驗的基本設備,由于要在高速旋轉的高重力場中工作,震動臺必須克服重力場的作用,所有部件必須有足夠的強度與剛度,所有元器件應能安全準確地動作;受設備的幾何尺寸限制,重量不能太大,應易于安裝和使用;受集流環的限制,試驗用最大動力電流不大于10 A,液壓環的壓力不大于20 MPa,液壓流量不大于20 L/min.

　　電液激振式震動臺由震動臺面、作動器、伺服閥和壓力源等組成.

　　2.1　震動臺面和作動器的設計

　　震動臺的臺面應確保在高離心加速場中支承模型箱(包括模型和土體)的巨大荷重時而不變形,應盡量減小臺面與支承結構的摩阻力,臺體應平穩運動,臺體垂直于振動方向的附加振動要小于5%.作動器即壓力活滑塞油缸的內徑由振動的最大加速度、振動頻率、振動負荷,以及臺體和活塞質量確定.

　　目前,震動臺臺體結構有兩種.一種是日本東京工業大學研制的懸掛式結構[2],用4個球鉸將震動臺面懸掛在框架上,以減小摩阻力,但它所承受的質量不能大于100 kg,且4根懸臂增加了震動臺的振動質量,從而增加了震動臺對出力的要求,使結構復雜化;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(設計值為0.01),采用滑條導軌還有利于限制異于振動方向的其他振動,這種結構為近年來國外大多數震動臺所采用.

　　2.2　電液伺服閥

　　電液伺服閥是震動臺的核心部件,關系到震動臺性能的好壞,根據設計,要求伺服閥的頻率為100 Hz,流量為80 L/min.最后選定符合技術要求的型號為FF106噴水擋板式兩級伺服閥,流量為80 L/min.

　　2.3　動力源

　　理想的動力源是利用穩壓臺通過集流環直接傳輸壓力,它有利于維持較高的恒定壓力和進行多次長時間的振動,且結構相對簡單,但需更換大流量的集流環和管線.考慮到較長的高壓管道變形及其動態響應對整個系統的影響,最終采用蓄能器方案,即將安裝在震動臺旁邊的蓄能器作為動力源,這樣管線距離就短.為了維持較長時間的恒定高壓,選用了25 L的高壓蓄能器.經試驗表明,一次充壓后,蓄能器足以進行4次以上的地震模擬,完全可以滿足要求.

　　2.4　振動控制

　　震動臺的振動控制系統由計算機、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閉環控制方式.伺服閥根據計算機發出的振動信號和震動臺上的位移和加速度傳感器的信號反饋,調整振動狀態,從而產生規則波或不規則波的振動.

　　3.基于網絡技術的數據采集系統

　　由于離心模型中的振動過程要比實際地震過程快,一般的實際地震常常持續幾十秒,用離心模型模擬的振動時間還不到1 s.要在這么短的時間內記錄下大量的試驗數據,就要求數據采集系統的采集速度要很快.

　　離心模型試驗的數據采集系統一般包括信號調理放大系統、AD轉換與采集系統、上下位計算機的數據交換和控制系統及試驗數據處理顯示系統.目前,大多數計算機的連接采用串口通信連接,這種連接方式難以掌握下位機與數據采集系統的工作狀態,并且試驗數據傳輸的速度也較慢,一次地的試驗數據傳給上位機需要15~20 min.現采用網絡方式連接上、下位機,將下位機的顯示屏幕、控制鍵盤和鼠標映射到上位機,即下位機的所有控制通過操作上位機的鍵盤、鼠標來實現,而下位機的屏幕則顯示在上位機的屏幕上.因此,基于網絡技術的數據采集系統具有下列特點:①可以方便地利用上位機控制下位機并可確切觀察下位機的工作狀態,比一般上、下位機的串口通訊控制方式更為可靠;②上、下位機的數據通信一般在幾秒鐘內完成,數據傳輸速度比串口通訊方式要快數百倍;③避免了復雜的編程過程,可以直接采用現成的數據采集產品;④維修、擴展、更新方便,無須專業人員.數據采集系統的控制界面。