电液式土工离心机震动台的研制

　　章为民,赖忠中,徐光明

　　(南京水利科学研究院,江苏南京　210029)

　　摘要:介绍了南京水利科学院研制的电液式土工离心机震动台以及基于网络技术的数据采集系统.经验证表明,该土工离心机震动台与数据采集系统的技术指标和性能,完全能满足工程试验研究的需要.

　　关　键　词:电液式震动台;网络技术;数据采集系统;土工离心机;离心模型试验.

　　动态离心模型试验技术是近年迅速发展起来的研究岩土工程地震的一项高新技术,目前的试验研究表明,动态离心模型试验的结果能很好地再现工程结构状况与破坏机理,在分析地震破坏机理、抗震设计计算及数值模型验证等方面具有巨大的优越性.

　　动态离心模型试验技术与常规震动台试验等技术的主要差别,在于常规震动台试验不能模拟原型的应力条件;动态三轴、动扭剪仪等室内试验设备只能进行单元土体试验,只反映结构物中的一个点,而不是结构物的整体动力特性.离心惯性力场作用下的离心模型,能够真实地模拟原型的应力条件,土的动力特性在很大程度上取决于它受到的应力条件,因而离心模型能够反映原型在实际应力条件下的真实动力响应.目前,英、美、日、法、德等国都相继建立了模拟动荷载的离心模型试验设备.如剑桥大学最早的Bumpy Road系统,美国科罗拉多大学、加州大学、日本东京工业大学、港湾研究所的电液激振系统,加州大学Davis分校的压电激振系统,法国阿基坦科学中心的爆炸激振系统等[1].我国已建成土工专用离心机8台.最近,南京水利科学研究院研制成我国第一台土工离心机震动台.

　　1.激振技术方案

　　激振技术是离心模型振动试验的关键.离心机震动台需要克服高离心重力场的作用,必须通过集流环来获得能源动力控制信号,而振动的要求与技术难度大.现将各种震动台的工作原理及其优缺点列于表1.

　　其中,电液激振式震动台为目前国际上最为流行的,它可产生任意振动波型,但结构复杂,研制费用昂贵,且需要特殊的控制装置.经认真比选,南京水利科学研究院确定研制电液式震动台装置.研制的NS-Ⅰ型离心机震动台的主要技术指标列于表2.

　　2.电液式震动台的设计

　　离心机震动台是动态离心模型试验的基本设备,由于要在高速旋转的高重力场中工作,震动台必须克服重力场的作用,所有部件必须有足够的强度与刚度,所有元器件应能安全准确地动作;受设备的几何尺寸限制,重量不能太大,应易于安装和使用;受集流环的限制,试验用最大动力电流不大于10 A,液压环的压力不大于20 MPa,液压流量不大于20 L/min.

　　电液激振式震动台由震动台面、作动器、伺服阀和压力源等组成.

　　2.1　震动台面和作动器的设计

　　震动台的台面应确保在高离心加速场中支承模型箱(包括模型和土体)的巨大荷重时而不变形,应尽量减小台面与支承结构的摩阻力,台体应平稳运动,台体垂直于振动方向的附加振动要小于5%.作动器即压力活滑塞油缸的内径由振动的最大加速度、振动频率、振动负荷,以及台体和活塞质量确定.

　　目前,震动台台体结构有两种.一种是日本东京工业大学研制的悬挂式结构[2],用4个球铰将震动台面悬挂在框架上,以减小摩阻力,但它所承受的质量不能大于100 kg,且4根悬臂增加了震动台的振动质量,从而增加了震动台对出力的要求,使结构复杂化;另一种是采用新型的高精密线性滑条,它具有较高的支承能力和极小的摩擦因数(设计值为0.01),采用滑条导轨还有利于限制异于振动方向的其他振动,这种结构为近年来国外大多数震动台所采用.

　　2.2　电液伺服阀

　　电液伺服阀是震动台的核心部件,关系到震动台性能的好坏,根据设计,要求伺服阀的频率为100 Hz,流量为80 L/min.最后选定符合技术要求的型号为FF106喷水挡板式两级伺服阀,流量为80 L/min.

　　2.3　动力源

　　理想的动力源是利用稳压台通过集流环直接传输压力,它有利于维持较高的恒定压力和进行多次长时间的振动,且结构相对简单,但需更换大流量的集流环和管线.考虑到较长的高压管道变形及其动态响应对整个系统的影响,最终采用蓄能器方案,即将安装在震动台旁边的蓄能器作为动力源,这样管线距离就短.为了维持较长时间的恒定高压,选用了25 L的高压蓄能器.经试验表明,一次充压后,蓄能器足以进行4次以上的地震模拟,完全可以满足要求.

　　2.4　振动控制

　　震动台的振动控制系统由计算机、控制柜和安装在伺服油缸上的电液伺服阀、加速度传感器和位移传感器等组成.采用位移、速度和加速度三参数闭环控制方式.伺服阀根据计算机发出的振动信号和震动台上的位移和加速度传感器的信号反馈,调整振动状态,从而产生规则波或不规则波的振动.

　　3.基于网络技术的数据采集系统

　　由于离心模型中的振动过程要比实际地震过程快,一般的实际地震常常持续几十秒,用离心模型模拟的振动时间还不到1 s.要在这么短的时间内记录下大量的试验数据,就要求数据采集系统的采集速度要很快.

　　离心模型试验的数据采集系统一般包括信号调理放大系统、AD转换与采集系统、上下位计算机的数据交换和控制系统及试验数据处理显示系统.目前,大多数计算机的连接采用串口通信连接,这种连接方式难以掌握下位机与数据采集系统的工作状态,并且试验数据传输的速度也较慢,一次地的试验数据传给上位机需要15~20 min.现采用网络方式连接上、下位机,将下位机的显示屏幕、控制键盘和鼠标映射到上位机,即下位机的所有控制通过操作上位机的键盘、鼠标来实现,而下位机的屏幕则显示在上位机的屏幕上.因此,基于网络技术的数据采集系统具有下列特点:①可以方便地利用上位机控制下位机并可确切观察下位机的工作状态,比一般上、下位机的串口通讯控制方式更为可靠;②上、下位机的数据通信一般在几秒钟内完成,数据传输速度比串口通讯方式要快数百倍;③避免了复杂的编程过程,可以直接采用现成的数据采集产品;④维修、扩展、更新方便,无须专业人员.数据采集系统的控制界面。