基于电液伺服系统的地震模拟试验装置及方法与流程

本发明涉及一种结构模型试验装置及方法，尤其涉及一种基于电液伺服系统的地震模拟试验装置及方法。

背景技术：

地震模拟振动台不仅可以产生各种频率、振幅的规则震动，而且可以很好地的再现地震波，因此它是抗震研究的重要设备。我国的振动台建设是从20世纪60年代开始的，到目前为止已经有近50台振动台系统，其中大部分是从国外进口。然而振动台构造复杂，集精密机械加工，电液伺服控制技术和计算机技术于一体，价格昂贵，一般高等学校和科研院所很难建造。

目前，国内对基于电液伺服的地震模拟振动台的试验较少，试验装置和方法仅针对特定模型设计，实用性和普及性不强。国内自主研发的电液伺服地震模拟振动台综合系统通常由地震模拟振动台基础、水平台面、激振器连接装置和支承及运行机构构成。其基础及水平台面均为钢筋混凝土结构、钢焊结构、铝合金或镁铝合金铸造结构，这些材料不仅自重大，制作成本高，运输吊装困难，而且占用试验场地，影响电液伺服系统在其他学科的应用。其支承及运行机构则结构较为复杂，基本为直线型滚珠导轨，这种类型导轨制作加工要求高，对导轨的平整度、平直度和摩擦系数要求高，后期维护费用大，不适合与电液伺服系统配套使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种试验方法简单、性能表现稳定，安装拆卸方便，制作成本较低的基于电液伺服系统的地震模拟试验装置及方法。

本发明提供的这种基于电液伺服系统的地震模拟试验装置，它包括振动台基础、剪力墙、支座导轨支承系统、激振器、传动件、水平台面和模型箱，支座导轨支承系统包括若干支座单元，每个支座单元均包括从下往上依次布置的底板、定位框架和盖板，定位框架内设有滚轴；支座导轨支承系统通过底板连接于振动台基础上，水平台面连接于盖板上，模型箱置于水平台面上，激振器安装于剪力墙上，传动件连接于激振器与水平台面之间；启动激振器，激振器产生的力通过传动件传递至水平台面后向下依次通过盖板、滚轴和底板传递至振动台基础上，向上传递至模型箱处，并通过控制系统采集分析数据以实现地震的模拟。

所述底板为凹字型板；所述盖板为倒置的u型板，其两侧壁的底端面向内延伸，盖板的底面四角与侧壁内壁的内连接面处设有半圆形凹槽，盖板的底面为內低外高的台阶面用于与所述辊筒的端面卡合；所述定位框架有多个，平行布置于底板与盖板之间，各定位框架的侧壁上缘均外延出悬臂，悬臂的上外缘处设有直径匹配于所述圆弧面的弧形槽；滚轴通过轴承安装于相邻两定位框架之间。

所述支座导轨支承系统还包括设置于所述弧形槽与所述半圆形凹槽之间的钢珠。

所述水平台面、盖板与模型箱均设有螺纹孔，水平台面与盖板、水平台面与模型箱分别通过螺栓相连。

所述振动台基础为地板，振动台基础上设置有用于与所述底板相连的地脚螺栓。

所述传动件包括激振器连接板和激振横杆，激振横杆一端与激振器相连、另一端与激振器连接板相连，激振器连接板的另一侧与所述水平台面相连。

所述激振器的中心面与水平台面在同一高度平面内。

所述控制系统为全数字伺服控制系统，包括控制器、第一位移传感器、第二位移传感器、动态数据采集仪、电脑和速度反馈装置，第一位移传感器用于检测所述激振横杆的位移，第二位移传感器设置于模型箱上并将第二位移传感器的数据线与动态数据采集仪连接，将动态数据采集仪的通讯线与电脑连接，速度反馈装置设置于第一传感器与控制器之间用以增大系统的阻尼。

本装置还包括用以记录动态破坏过程的高速摄影机。

本发明还提供了一种基于电液伺服系统的地震模拟试验方法，该方法采用上述的装置进行地震模拟试验，包括以下步骤：

（1）根据试验模型的重量确定支座导轨支承系统的数量，最少为5个，最多为9个，然后将各部件装配为一体；

（2）对系统进行基本分析，在分析的基础上对系统实施相应的校正补偿技术，以得到满意的动态品质，将第一位移传感器所检测的激振横杆位移转换成电信号反馈至控制器并和输入信号进行比较，以修正输出值；

（3）根据所需的激振方向，用吊车将模型箱调整为横向或者纵向并吊到振动台上，用螺栓将其固定于水平台面上；

（4）加入一个速度反馈装置，以增大系统的阻尼，实现系统的速度频率特性在0.001～30hz范围内平坦，从而达到降低波形失真度的目的；

（5）在试验模型前安放高速摄影机，记录动态破坏过程；

（6）将第二位移传感器安装在模型上，并将第二位移传感器的数据线与动态数据采集仪连接，将动态数据采集仪的通讯线与电脑连接；

（7）输入不同加速度值的地震波进行试验测试。

本发明将支座导轨支承系统通过底板连接于振动台基础上，水平台面连接于盖板上，模型箱置于水平台面上，激振器安装于剪力墙上，传动件连接于激振器与水平台面之间；启动激振器，激振器产生的力通过传动件传递至水平台面后向下依次通过盖板、滚轴和底板传递至振动台基础上，向上传递至模型箱处，即可实现地震的模拟，具有安装拆卸方便，制作成本较低的优点。一般的高等学校和科研院所仅需要购买一套电液伺服系统即可进行振动台试验和其他岩土模型箱试验，可以最大化的利用现有设备进行多学科试验。而且再使用过程中支座导轨支承系统对水平台面不产生倾覆力矩，由于采用支座的支承运行模式，使整个系统的整体性很好，支座导轨支承系统提供了均匀的多区支承，减少了附加的应力集中，而且水平位移能力和最大模型重量都明显提高。更为可贵的是：如需进一步加大水平台面位移能力和竖向承载能力，只需加大支座导轨支承系统中支座的长度和增设支座数量即可完成地震模拟振动台整体性能的设备升级。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的使用状态示意图。

图2为图1的俯视示意图。（控制系统和高速摄影机未画出）。

图3为图1中支座导轨支承系统中一个支座单元的主视放大示意图。

图4为图3的俯视示意图。（上盖未画出）。

图5为图3的侧视示意图。

图6为本实施例的流程框图。

图示序号：

1—振动台基础、2—剪力墙、3—支座单元、4—激振器、5—传动件、6—水平台面、7—模型箱、8—控制系统、9—高速摄影机、31—底板、32—定位框架、33—盖板、34—滚轴、35—钢珠、51—激振器连接板、52—激振横杆、81—控制器、82—第一位移传感器、83—第二位移传感器、84—动态数据采集仪、85—电脑、86—速度反馈装置。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例提供的这种基于电液伺服系统的地震模拟试验装置，它包括振动台基础1、剪力墙2、有多个五个支座单元3构成的支座导轨支承系统、激振器4、传动件5、水平台面6、模型箱7、控制系统8和高速摄影机9。传动件5包括激振器连接板51和激振横杆52，激振器横杆一端与激振器相连、另一端与激振连接板相连，激振连接板的另一端与所述水平台面相连，激振横杆与水平台面6位于同一高度平面内。

如图3—5所示，支座导轨支承系统包括五个支座单元3，每个支座单元均包括从下往上依次布置的底板31、定位框架32和盖板33，定位框架内设有滚轴34，底板31为凹字型板；水平台面、盖板与模型箱均设有螺纹孔，水平台面与盖板、水平台面与模型箱分别通过螺栓相连，以便于拆装，盖板33为倒置的u型板，其两侧壁的底端面向内延伸，盖板的底面四角与侧壁内壁的内连接面处设有半圆形凹槽，盖板的底面为內低外高的台阶面用于与所述辊筒的端面卡合；所述定位框架有多个，平行布置于底板与盖板之间，各定位框架的侧壁上缘均外延出悬臂，悬臂的上外缘处设有直径匹配于所述圆弧面的弧形槽；滚轴通过轴承安装于相邻两定位框架之间，并且在弧形槽与半圆形凹槽之间设置有钢珠35以便于盖板的滑动、减小摩擦防止盖板错位。

如图1所示，控制系统8为全数字伺服控制系统，包括控制器81、第一位移传感器82、第二位移传感器83、动态数据采集仪84、电脑85和速度反馈装置86，第一位移传感器用于检测所述激振横杆的位移，第二位移传感器设置于模型箱上并并将第二位移传感器的数据线与动态数据采集仪连接，将动态数据采集仪的通讯线与电脑连接，速度反馈装置设置于第一位移传感器与控制器之间用以增大系统的阻尼。

以实验大厅内已建成有用于拟静力试验和拟动力试验的地板和反力装置为例进一步说明，将基础选用为实验室的整个大质量地板，这样会使整体实验室地板的质量参与振动，从而减小了基础的振动，同时节约了基础的建设费用。实验室地板上已有的地脚螺栓孔位直径50mm，孔中心距0.5m。

并将支座导轨支承系统设计为五个支座单元，每个支座单元位移量为800mm，五个支座单元布置方式为四周各布置一个，中间布置一个，每个支座单元由底板、定位框架、滚轴、轴承、盖板和钢珠组成。将底板尺寸设计为1.2m×1.2m，四角开孔，用于与基础相连；底板上安装三个定位框架，分别位于两侧壁和底板中部，定位框架上对称设置有32个轴承孔，用于安装轴承。两侧壁定位框架上缘向外伸处，伸出悬臂部分下缘呈半圆形凹槽；滚轴分两排对称安装于对应的轴承处，滚轴用普通热轧圆钢制成，其强度约为混凝土十倍，且为平面多滚式，因此滚轴强度完全可以满足要求。滚轴直径大于框架高度20mm左右，且利于滚动，按平面多滚式布置，滚轴间距越小，滚轴越多，越能把上部荷载很好的传递到基础上，且滚轴边缘净距不少于10mm，滚轴长度不宜超过300毫米以防止出现斜向运动或弯曲现象发生。同时为了保证支座滚轴运转灵活,在安装时预先将滚轴及框架间的空隙灌满黄油，这样既起到了滑润滚轴的作用，又保护了整个机械构件，防止发生锈蚀现象；盖板放置于滚轴上方，盖板两个端向下延长，延长端下部向内呈半圆形凹槽，用于安放钢珠，并限制盖板的侧向位移。盖板与两侧定位框架通过钢珠结合，利于盖板滑动，并减小摩擦，防止盖板错位。

并将水平台面设置为钢焊结构，水平台面由两块2m×4m钢板拼接而成，钢板厚度16mm。在钢板四周及中间位置开孔，分别对应下方支座单元的螺栓孔位置，用于与支座单元相连，形成整体。在水平台面中间的横向及纵向各开设6个螺栓孔，用于在水平台面安装模型箱。

激振器为实验大厅已有的北京富力通达电液伺服结构试验系统1000kn伺服作动器（双出杆，双作用），其上连接有激振器连接板、激振横杆。激振器安装在实验室已建有的剪力墙上。最大压向载荷及拉向载荷1000kn，总行程500mm，结构形式：两端均为mts结构万向球铰结构(拉压去间隙过零)，最大静、动态试验力：压向1000kn，拉向1000kn，满量程标定，标定精度±0.5%，三级伺服阀流量：340l/min，作动器最大振幅：±（0～250mm），精度2%起至满量程±0.5%fs。

控制系统与控制方法为全数字伺服控制系统，由控制器、第一位移传感器、第二位移传感器、动态数据采集仪、电脑、速度反馈装置组成。振动台采用位移、速度和加速度三参数闭环伺服控制方式。系统的所有控制通道（负荷、位移）采用32位全数字化波形发生器，可产生三角波、正弦波、斜波、方波，组合波和随机波等波形。可同时进行多个独立试验任务而互不干扰。具备动/静踏步法、端值补偿、相位补偿、峰谷指补偿、自适应反相控制补偿。站台配置满足二级伺服阀或三级伺服阀驱动，具备数据采集通道扩充能力。控制系统的通道数为6个，闭环控制速率为6khz。

高速摄影机是瑞士aos公司（aostechnologiesag）推出新一代tri-vit高速工业数字摄像机。这款相机的最高分辨率是1280×1024，在此分辨率下的帧率可达1000帧/秒。此款高速工业摄像机采用了all-in-one的一体化设计，将图像采集，摄像机控制及高速视频数据记录存储都集成到了紧凑小巧的摄像机机身内，适用于既需要百万像素高分辨率，又需要1000帧/秒高帧率的各种成像应用场合。最高分辨率是1280×1024，在此分辨率下的帧率可达1000帧/秒，内置可充电电池，内置8g超大内存，具有千兆网接口。

本实施例还提供了一种基于电液伺服系统的地震模拟试验方法，该方法采用上述装置进行地震模拟试验，包括以下步骤：

1、根据试验模型的重量确定支座导轨支承系统的数量，最少为5个，最多为9个，按照上述要求组装试验装置；

2、对系统进行基本分析，在分析的基础上对系统实施相应的校正补偿技术，以得到满意的动态品质。将第一位移传感器所检测的激振横杆位移转换成电信号反馈至控制器并和输入信号进行比较，以修正输出值；

3、根据所需的激振方向，用吊车将模型箱调整为横向或者纵向并吊到振动台上，用螺栓将其固定于水平台面上；

4、在伺服控制系统5中加入一个速度反馈装置，以增大系统的阻尼，实现系统的速度频率特性在0.001～30hz范围内平坦，从而达到降低波形失真度的目的；

5、在试验模型前安放高速摄影机，记录动态破坏过程，也可用于结构试验和材料试验；

6、将第二位移传感器安装在模型上，并将第二位移传感器的数据线与动态数据采集仪连接，将动态数据采集仪的通讯线与电脑连接；

7、输入不同加速度值的地震波进行试验测试。

综上所述，本发明将支座导轨支承系统通过底板连接于振动台基础上，水平台面连接于盖板上，模型箱置于水平台面上，激振器安装于剪力墙上，传动件连接于激振器与水平台面之间；启动激振器，激振器产生的力通过传动件传递至水平台面后向下依次通过盖板、滚轴和底板传递至振动台基础上，向上传递至模型箱处，即可实现地震的模拟，具有安装拆卸方便，制作成本较低的优点。一般的高等学校和科研院所仅需要购买一套电液伺服系统即可进行振动台试验和其他岩土模型箱试验，可以最大化的利用现有设备进行多学科试验。而且再使用过程中支座导轨支承系统对水平台面不产生倾覆力矩，由于采用支座的支承运行模式，使整个系统的整体性很好，支座导轨支承系统提供了均匀的多区支承，减少了附加的应力集中，而且水平位移能力和最大模型重量都明显提高。更为可贵的是：如需进一步加大水平台面位移能力和竖向承载能力，只需加大支座导轨支承系统中支座的长度和增设支座数量即可完成地震模拟振动台整体性能的设备升级。