两向三自由度弹簧式地震模拟振动台试验技术及常见问题解决

2014-12-06王小群崔亚昆

长春工程学院学报（自然科学版） 2014年4期

周辀，王小群，周彬，朱雷，沈曼，崔亚昆

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.成都空气压缩机成套设备有限公司，成都610041）

0 引言

地震模拟振动台是地震工程研究工作中的重要试验设备，其可以很好地再现地震过程并且进行大量人工地震动试验，广泛应用于结构动力特性、设备抗震性能、结构抗震措施检验，以及结构地震反应和破坏机理等研究中［1］。

国外发达国家在20世纪50年代开始对多轴振动试验系统进行了深入研究［2］。至今生产了如美国的MTS、英国的Instron、瑞士的 Amsler、德国的Schench等系列的振动台产品。20世纪60年代末期美国的加州大学伯克利分校建成了第一台水平和垂直同时工作的6.1m×6.1m双向地震模拟振动台。日本国立防灾科学技术中心建成了当时世界上最大的15m×15m台面、载重1 000T的垂直或水平单独工作的大型地震模拟振动台［3］。

我国的振动台发展自20世纪60年代开始。1966年由机械部和电子部合作，研制出我国第一台国防系统专用的2000kN电液式振动台。上海同济大学从美国MTS公司引进了4m×4m的双向水平地震模拟振动台，后改造为三向六自由度［4］。中国水科院从德国SCHENCK公司引进了5m×5m三向六自由度地震模拟振动台。大连理工大学从美国MTS公司引进3m×3m单向水平振动台。1987年哈尔滨建筑大学利用从德国进口的激振器配套研制成功3m×4m单向水平振动台。此外，中国建筑科学研究院、南京工业大学、西南交通大学等科研院所均从国外引进成套或部分振动台［5－9］。

成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室固定研究人员黄润秋、徐进、贾成功、付小敏于2004年成功研制出两向三自由度弹簧式地震模拟振动台并获得发明专利（专利申请号：CN200410081339.5）［10］。该设备系液压施加初始位移、液压锁紧、瞬间释放型弹簧式地震模拟振动台，是用于对“在竖直平面内相互垂直的2个简谐振动运动合成”的特征进行模拟的机、电、液一体化试验设备，其结构简单、容易操作、造价较低、维修简单、同一模型可进行多次振动试验，尤其对于地质体或结构破坏启动机制的模拟，其波形仿真度高，是一台性价比较高的地震模拟振动研究设备。

1 振动台工作原理及操作步骤

1.1 技术规格

1.1.1 振动系统技术规格

外形尺寸：1 897mm×1 444mm×1 278.5mm，台面尺寸：1 000mm×1 000mm，配重变矩：0～30mm，试件重心位置调节范围：0～30mm（丝杠调节），可选试件重量：3kN、6kN、9kN、12kN。主要振动参数：1）振动频率：2～6Hz；2）最大振幅：50mm；3）初始位移：0～50mm；4）相位差：0～π／2；5）运动轨迹：直线、斜线、圆、椭圆、随机。

1.1.2 液压系统技术规格

主液压泵为：轴向柱塞泵，型号：2.5MCY 14－1B，工作压力：P＝16MPa，流量：Q＝3.75L／min。主泵电机，型号：Y 100L1－4－B5，功率：N＝2.2kW，转速：n＝1 460rpm。总体尺寸，油箱部分尺寸：700mm×700mm×500mm，泵站部分尺寸：700mm×700mm×1 420mm。（地震模拟振动台系统布置如图1所示）。

图1 地震模拟振动台系统总体布置图

1.2 工作原理

试验采用的原理是“同频率的2个简谐振动的运动合成”，根据初始相位和振幅不同，可产生不同形状的轨迹。在水平与竖直方向上均采用若干弹簧并联的形式。具体工作原理如下：

电气系统工作电压为380V，用于驱动电机（如图2），为整个振动台系统提供动力支持。液压系统中油箱添加的YC－N46低温液压油至油标中间位置处，并为蓄能器充入10.24MPa的氮气。通过调整水平油缸（如图3）进油管上的节流开关（如图2）和垂直油缸（如图3）进油管上的开关（如图2（a），2个），可以控制水平油缸的移动速度以及垂直油缸的移动速度，并使垂直油缸同步升降。

通过电机输出动力，驱动液压系统工作，首先，控制水平油缸移动使振动台水平位移预定值（0～50mm），随后控制垂直油缸移动使顶升振动平台至预定高度值（0～50mm）；然后，通过蓄能器（如图2（a））蓄能，同时注意观察蓄能器上的压力表（如图2（b）），用蓄能器系统的溢流阀（如图2（b））调节，使蓄能器的压力上升始终至12～14MPa，为接下来夹紧装置（如图4）的快速运转提供足够的压力；之后，继续用电机驱动液压系统，使夹紧装置工作，并夹紧振动平台；最后，控制水平油缸和垂直油缸与振动平台分离至初始位置，为振动平台的振动提供足够的空间，紧接着，控制夹紧装置放松，之前蓄能器中的压力会迅速将夹紧装置的液压油顶回至油缸，使夹紧装置的放松过程极为迅速。振动平台由于突然失去夹紧装置的约束，而只受到水平弹簧、竖直弹簧的弹簧力，以及自身的重力作用，便会在水平方向、竖直方向产生简谐振动，从而模拟地震。

图2 液压系统图（该系统中电磁换向阀共4个，溢流阀2个，截止阀及单向阀各1个）

图3 水平、顶升油缸各状态示意图

图4 夹紧装置图（夹紧装置位于水平油缸两侧试件平台下方）

1.3 操作步骤

1）确保振动平台位于承重转销上。

2）根据每次试验的试件重量，更换垂直弹簧组、水平弹簧组（试件质量为3kN、6kN、9kN和12kN时垂直与水平弹簧组配置分别为：6根Ф12＋4根Ф14、8根Ф12＋4根Ф16、10根Ф12＋4根Ф18。注：当试件为12kN时，垂直弹簧及水平弹簧仍使用试件为15kN时的一组）及相应的负载围框（如图5）。

图5 负载围框实物及编号示意图（负载围框的搭配方式仅限于A、B、A＋B、C、D、C＋D、E、F、E＋F，不可任意搭配。A、B为1m×1m，C、D为1m×0.8m，E、F为1m×0.5m）

3）放置试件并使试件重心略向液压站方向偏移。

4）适当调节各配重盘在丝杠上的位置（如图6），尽可能使振动平台上表面水平，使各垂直向弹簧承重均匀。

图6 配重丝杠及配重盘实物图（液压站和水平油缸侧各分布一组配重丝杠及配重盘）

5）按下控制台上（图7）的“油泵启动”按钮，启动油泵。

图7 振动机控制台控制面板图

6）将控制台上控制升降的旋钮置于“上升”档，顶升振动平台，并向内拨动承重转销。然后将该旋钮置于“下降”档，使振动平台缓慢下降至垂直向弹簧平衡。

7）根据试验试件的重量，调整好滑槽的垂直位置。（承重转销、栓销座及滑槽如图8所示）。

图8 承重转销、栓销座、滑槽图（承重转销及栓销座分布于水平油缸两侧，承重转销共4个，栓销系统共2个）

8）将控制台上控制水平运动的旋钮置于“前进”档，使振动台水平位移预定值，旋入栓销座上的止销（如只做水平方向、只做垂直方向，水平和垂直合成的斜线方向，都不用将止销旋入而顶出栓销）再调整栓销座的水平位置，使栓销头部刚好位于滑槽正上方与滑槽的安装底板间隙1mm，并固定栓销座。

9）将控制台上控制升降运动的旋钮置于“上升”档，顶升振动平台至预定高度值。

10）关闭液压站的截止阀，然后将控制台上控制蓄能的旋钮置于“启动”档。

11）将控制夹紧装置的旋钮置于“夹紧”档，夹紧振动平台。

12）退出栓销座上的止销，使顶升油缸和水平油缸复位。

13）开始试验时将控制台上的控制夹紧的旋钮置于“放松”档，振动试验开始，直至振动完全停止。

2 振动台系统维护及常见问题解决

2.1 振动台系统维护

2.1.1 振动系统的维护

1）定期对蓄能器进行气压检查，1个月以上时间不用时，用充气工具放掉蓄能器皮囊内的氮气。2）保证直线轴光滑、直线轴承及平动框架下的滚轮轴承润滑良好。3）每半年更换一次液压油。4）定期对液压站各阀及管路接头进行泄露检查。5）栓销润滑，保证进退自如。6）丝杠丝母加油润滑，转动灵活。7）平动台下面的挂钩、滑槽加油润滑，保证在丝杠转动时，台板移动。

2.1.2 液压系统的维护

即使再优秀的液压设备，如果只使用而不注意维护保养，就会发生故障，而不得不停机检修。因此，日常的保养和检查就显的尤为重要。此外，保养还能使设备处于良好的性能状态，可以延长设备的使用寿命。

1）冬季室内油温未达到25℃时，不允许进行操作程序，夏季油温高于60℃时，要注意系统的工作状况。2）停机4小时以上的设备，应先使泵空载运转5min，再按程序进行操作。3）不允许调整电控系统的互锁装置、损坏或任意移动各限位挡块的位置。4）各种液压元件不允许任意调节或拆换。5）初次使用液压系统半年更换1次液压油，以后每年更换1次液压油。6）定期对液压系统的元件、辅件进行检查。

2.2 振动台常见问题解决方法

2.2.1 试件平台倾斜或振幅不合适

当试件的重量与弹簧强度不符或试件的重心不处于平台中心时，就会出现振动台试件平台倾斜或振幅不合适，导致振动台模拟振动的波形仿真度失真，将严重影响其工作质量及试验效果。出现这一问题，必须要按照对弹簧及配重盘的规定进行严格的配重，详细配重方法如图9所示。

图9 垂直、水平弹簧组（顶升油缸上升使垂直弹簧拉伸至250mm，空载状态时垂直弹簧被压缩至200mm）

1）动举升油缸，使平台升至最高处。2）取下原来的垂直弹簧。3）取下配重盘。4）更换配重盘，并装上配重轴。5）安装垂直弹簧。6）举升油缸复位。7）启动水平油缸使平台移动至最远。8）取下水平油缸一侧的水平弹簧。9）水平油缸复位。10）更换液压站一侧的水平弹簧。11）先装上液压站一侧的水平弹簧。12）再启动水平油缸使平台移动至最远。13）最后装上水平油缸一侧水平弹簧。14）水平油缸复位。

2.2.2 夹紧装置故障（夹紧装置如图3所示）

由于该系统是采用液压施加初始位移、液压锁紧、瞬间释放型弹簧式地震模拟的工作原理，故该系统的夹紧装置在液压锁紧状态时就显得至关重要，直接关系到振动台模拟振动阶段的初始能量是否达到工作需要。出现夹紧装置故障是由于夹紧装置与机械系统之间摩擦系数减小，可按如下方法进行处理：

1）用顶升油缸将振动平台上升至最高位置，转动承重转销，确保振动平台位于承重转销上。保证模型装放不晃动、可承重。

2）将夹紧装置拆下，清洗刹车片表面及机械系统于之接触表面，把清洗完毕的夹紧装置重新安装完毕。（若这一步骤不能排除故障，继续进行下一步操作）

3）将夹紧装置拆下，清洗机械系统与夹紧装置接触的表面。

4）用氧乙炔切割枪喷射刹车片背部的金属外壳，至刹车片脱落。

5）使用数控机床将EQ145卡车刹车片切割成直径100mm，厚度10mm的圆柱状刹车片。

6）使用环氧树脂系胶结剂将切割完毕的刹车片与夹紧装置粘接24h以上。

7）重新安装夹紧装置。

2.2.3 液压系统常见问题及排除方法（液压系统如图2所示）

2.2.3.1 液压泵常见问题及排除方法

液压泵是振动系统的动力传输装置，若液压泵出现故障会使振动系统动力不足，水平油缸、顶升油缸及夹紧装置等都无法正常工作，导致整个振动系统失效。液压泵常见问题及排除方法如下：

1）液压泵不出油。当传动泵的电机转向错误时，将使电机反向。当油箱内的液面太低时，应加入适量的液压油。当吸油管或过滤器堵塞时，应清洗过滤器及吸油管，去除杂物。当液压泵从吸油管吸入空气时，应检查何处漏气，并修理。当油泵转速太低时，应提高转速。当油液黏度太高时，应更换推荐的液压油。当叶片泵的叶片不正常时，应检查叶片泵。

2）液压泵漏油。当液压油的黏度太低时，应检查并更换液压油。当液压泵密封圈损坏时，应检查并更换密封圈。

3）液压泵不升压。当因泵不出油而不升压时，应按泵不出油的排除方法处理。当溢流阀调定压力太低时，应调整溢流阀至合适的压力。当溢流阀阀座被杂物卡死时，应清除溢流阀阀座上的杂物。当液压泵系统中有泄漏时，应对系统进行顺次试验检查。当系统中的油自由流回油箱，应检查系统中各处截止阀是否关闭，换向阀是否在正常位置。当端盖未能拧紧时，应紧固螺钉。

4）液压泵动作不良。当启动时或寒冷时动作不良时，因油液黏度太高，应更换合适的液压油。当液压泵随温度上升，速度下降时，因泵的压力低，阀、缸内泄大，应检查速度控制的节流分路。当液压泵工作时跳动，是因油量不足，混入空气，密封圈压的太紧。当速度低时速度不稳定，是因节流阀开度太小，节流口损伤，应排除或更换液压油。

5）液压泵有噪音。当吸油管部分堵塞时，应清除杂物使其通畅。当吸油管吸入空气时，应全面检查、堵漏。当液压泵的端盖螺钉太松时，应拧紧螺钉直至噪音停止。当配油盘有杂物堵塞时，应拆解并清除杂物。当液压油中有气泡时，应检查回油管出口是否没入油中，加长回油管。当液压油的黏度太高时，应选用合适的液压油。

6）液压泵过度发热。当液压油的黏度太高时，应检查油的质量与黏度并改用推荐的液压油。当液压泵内部泄露过大时，应检查阀、缸的泄漏情况。当液压泵工作压力太高，应检查压力表及溢流阀的灵敏度。当液压泵散热不良时，应检查油路是否短路，冷却器通油状况是否正常。当卸荷回路动作不良时，应检查电气回路、电磁阀、先导回路、卸载阀回路是否正常。

2.2.3.2 换向阀常见问题及排除方法

换向阀是液压系统中的工作控制装置，若换向阀出现故障，将导致在控制台对振动系统的一切操作在液压系统中无法正常执行，使整个液压系统乃至振动系统失效。换向阀常见问题及排除方法如下：

1）操作阀不能动作。当操作阀被堵塞时，应拆开操作阀进行清洗。当操作阀变形时，应重新安装，使螺钉压紧力均匀。当弹簧折断（有中位的阀）时，应更换其中的弹簧。当操纵压力不够（电液阀）时，应使操纵压力必须大于0.35MPa，中间位置卸荷时，请在回油路设置单向阀以产生备压。

2）电磁阀线圈烧坏。当电磁铁烧坏时，应更换电磁铁。当电压太低时，应调整电压在额定电压的10%以内。当换向压力超过规定时，应降低压力。当换向流量超过规定时，应换通径更大的阀。当回油孔有背压时，应检查背压是否在规定的范围之内。当粉尘阻滞运动时，应拆卸清理。

3）压力不稳定。当主阀动作不良时，应参照上述压力不稳定的排除方法进行排除。当锥阀座不稳定时，应修理或更换锥阀。

2.2.3.3 单向阀常见问题及排除方法

单向阀是液压系统中控制液压油流动的控制装置，若单向阀出现故障，蓄能器将无法进行蓄能，水平油缸、顶升油缸及夹紧装置等都无法进行工作，导致整个液压系统乃至振动系统失效。单向阀常见故障为发生异常声音，当因油流量超过允许值时，应加大阀的通径。当因和别的阀发生共振时，应改变弹簧的强弱。当在卸压单向阀中，没有卸压装置时，应安装卸压装置。

2.2.3.4 溢流阀常见问题及排除方法

溢流阀是一种液压压力控制阀，在液压系统中起定压溢流作用，稳压，系统卸荷和安全保护作用。若溢流阀出现故障，轻则液压系统无法正常进行工作，重则液压系统损毁。溢流阀常见问题及排除方法如下：

1）压力太高或太低。当因弹簧太软或调节不当时，应更换弹簧或重新调节。当因压力表不准时，应检查压力表是否正常。当因锥阀与锥阀座接触不良时，应检查主阀小孔是否堵塞。当锥阀座与主阀座损伤或有脏物时，应清洗或更换阀座。

2）压力表跳动或声音异常。当因主阀动作不良时，应清洗或更换主阀。当因锥阀异常磨损时，应更换锥阀。当因在出口油路上有空气时，应放出空气。当因流量超过允许值时，应换大通径阀，当其与其他阀产生共振时，应略加改变阀的调定压力。当回油不合适时，应排除回油阻力。