【正文】 主要原因。 本論文在符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出了合理的液壓原理設(shè)計(jì)，并就部分關(guān)鍵部件進(jìn)行了相關(guān)功能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)減震模式的相關(guān)設(shè)置還可以用來(lái)驗(yàn)證各種減振材料或結(jié)構(gòu)的減振效果。振動(dòng)方向與傳播方向一致的波為縱波(P波)，來(lái)自地下的縱波引起地面上下方向顛簸振動(dòng)。因此，必須做好建筑物的抗震設(shè)防工作。第三，地震發(fā)生的小概率性。如今這種運(yùn)用地震模擬振動(dòng)臺(tái)對(duì)模型和理論進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化的形式是被公認(rèn)為最能模擬真實(shí)的地動(dòng)環(huán)境的措施之一。我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家，處在環(huán)太平洋地震帶和喜馬拉雅－地中海地震帶上，目前我國(guó)又處于地震活躍期，地震發(fā)生較為頻繁。液壓驅(qū)動(dòng)屬于力封閉控制，在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，能夠通過(guò)液壓缸中液體的自身彈性達(dá)到同步控制的目的。我國(guó)一方面自行研制，另一方面引進(jìn)，目前全國(guó)范圍內(nèi)的振動(dòng)臺(tái)的數(shù)量和規(guī)模也相當(dāng)可觀。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院1987年從德國(guó)Schenck公司引進(jìn)了全套振動(dòng)臺(tái)，由陳厚群院士主持，考慮水工結(jié)構(gòu)模型的大縮比，該振動(dòng)臺(tái)的工作頻率上限達(dá)到了120Hz，為目前國(guó)內(nèi)工作頻率最高的振動(dòng)臺(tái)。采用了目前國(guó)際上最先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)和軟件。國(guó)外目前主要研究發(fā)展現(xiàn)狀：自50年代中期以來(lái)，國(guó)外就對(duì)電液式振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了研究。水平最大加速度、2m/s和11m；豎向的最大加速度、臺(tái)面最大承載能力為1200噸。計(jì)算機(jī)的日益發(fā)展和普及，對(duì)液壓元件的發(fā)展產(chǎn)生了前所未有的促進(jìn)作用，各種功用的數(shù)字化液壓元件不斷出現(xiàn)，液壓行業(yè)的數(shù)字化和微機(jī)化己成為發(fā)展潮流。在民用工業(yè)方面的應(yīng)用也得到了廣泛的重視，如機(jī)床、冶煉、鑄鍛、軋鋼、動(dòng)力、車輛工程、礦山機(jī)械、海底作業(yè)、建筑、石油等，甚至在人們的日常生活中也被采用，如液壓電梯?？刂葡到y(tǒng)液壓激振系統(tǒng)臺(tái)面及支撐系統(tǒng)液壓油源系統(tǒng)圖11 地震模擬系統(tǒng)的基本構(gòu)成本論文內(nèi)容主要是對(duì)地震體驗(yàn)裝置的液壓系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。與此同時(shí)電液伺服作動(dòng)器的內(nèi)、外傳感器，包括內(nèi)部行程傳感器，力傳感器，外部試件上的位移傳感器等，將不同的電信號(hào)反饋到電液伺服控制器，電液伺服控制器將反饋信號(hào)與開始的輸出指令作比較，比較后的差值信號(hào)通過(guò)伺服放大器驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器動(dòng)作，直到反饋信號(hào)與輸出指令的比較差值小于規(guī)定的允許誤差?；A(chǔ)的性能直接影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。構(gòu)架式基礎(chǔ)的振動(dòng)由兩部分組成：一是地基彈性變形引起的振動(dòng)；二是基礎(chǔ)本身構(gòu)架(板、梁、桿系統(tǒng))變形引起的振動(dòng)。臺(tái)面要有足夠的剮度，板的第一彎曲頻率應(yīng)在最高使用頻率的壓倍以上。有效面積為487m2。電液伺服閥主要由力矩馬達(dá)、噴嘴擋扳前置級(jí)和功率級(jí)滑閥所組成，由反饋桿進(jìn)行力的反饋?？刂破饕杂?jì)算機(jī)為平臺(tái)，閉環(huán)控制速率為6KHz， ，波形頻率1KHz，通過(guò)軟件編程可完成不同實(shí)驗(yàn)方案的加載。為了節(jié)約能源，提供瞬時(shí)流量，在系統(tǒng)中添加了蓄能器。而與排氣口相通的空間C的容積進(jìn)一步地減小，C空間的壓強(qiáng)進(jìn)一步地升高，當(dāng)氣體的壓強(qiáng)大于排氣壓強(qiáng)時(shí)，被壓縮的氣體推開排氣閥，被抽的氣體不斷地穿過(guò)油箱內(nèi)的油層而排至大氣中，在泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過(guò)程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。6自由度液壓振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)如上圖22所示。壓力鎮(zhèn)定控制器的作用是通過(guò)調(diào)整控制量U，削弱系統(tǒng)中各激振器間的內(nèi)力耦合。 三狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)典型的電液位置伺服系統(tǒng)，不考慮伺服閥的動(dòng)態(tài)特性，單純比例控制時(shí)的開環(huán)傳遞函數(shù)為[7]： （4）式中：——液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的固有頻率；——液壓動(dòng)力結(jié)構(gòu)的阻尼比；——比例控制時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)增益。令，為了保證系統(tǒng)增益不變，取，有： （9） 輸入濾波器的設(shè)計(jì)三狀態(tài)控制器是基于位置閉環(huán)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，而振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)要求進(jìn)行加速度控制，輸入信號(hào)為加速度信號(hào)，因此需要將加速度信號(hào)進(jìn)行二次濾波轉(zhuǎn)換為位置信號(hào)。壓力鎮(zhèn)定控制器的實(shí)現(xiàn)方法，是取各激振器的出力與各自由度平均力的差為反饋值，依據(jù)這個(gè)反饋值微調(diào)各個(gè)伺服閥的零點(diǎn)，達(dá)到削弱內(nèi)力的目的。三狀態(tài)控制的主要目的是拓寬系統(tǒng)的加速度頻寬，理論上頻寬可以無(wú)限擴(kuò)展。采用壓力鎮(zhèn)定控制器削弱系統(tǒng)中各激振器之間的內(nèi)力耦合，提高了系統(tǒng)的控制精度。(a)水平X方向波形圖 (b)水平Y(jié)方向波形圖圖41 阪神地震的波形分析圖 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容和步驟一臺(tái)機(jī)器究竟采用什么樣的傳動(dòng)方式，必須根據(jù)機(jī)器的工作要求，對(duì)機(jī)械、電力、液壓等各種傳動(dòng)方案進(jìn)行全面的方案論證，正確估算應(yīng)用液壓傳動(dòng)的必要性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。小于360176。精度要求包括定位精度、同步精度等[6]。(5)了解、搜集同類型機(jī)構(gòu)的有關(guān)資料進(jìn)行分析。詳細(xì)計(jì)算比較繁瑣，一般將它算入液壓缸的機(jī)械效率中考慮[6]。 系統(tǒng)壓力選定的是否合理，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理程度。工程機(jī)械的輔助機(jī)構(gòu)。慢進(jìn)時(shí)為防止前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔應(yīng)該有背壓。對(duì)于高壓大流量的液壓系統(tǒng)，應(yīng)考慮用液壓換向閥代替電磁換向閥，從而減慢換向速度；采用蓄能器或增設(shè)緩沖回路，以便消除液壓沖擊?？刂颇K接受輸入的信號(hào)，可以是地震信號(hào)，也可以是正弦等其他測(cè)試信號(hào)。在該地震體驗(yàn)裝置中，激振液壓缸固定在激振缸支架上，采用雙出桿對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中一桿與下臺(tái)架剛性連接，以推動(dòng)下臺(tái)架及其他相關(guān)部分位移發(fā)生變化，模擬地震振動(dòng)。通過(guò)廠家產(chǎn)品規(guī)格可以得知，在該工作壓力下其不會(huì)超過(guò)密封圈允許范圍，一般不需要驗(yàn)算。電液控制閥的可動(dòng)系統(tǒng)與控制閥內(nèi)的一個(gè)滑閥相連，控制閥有多個(gè)出入油孔，分別與振動(dòng)臺(tái)的油缸、來(lái)自油水泵的高壓油管和去油箱的回油管相連。相比節(jié)流調(diào)速，容積調(diào)速可負(fù)載功率大，運(yùn)動(dòng)速度高。如下圖414在蓄能器前設(shè)置一截止閥作安全閥使用。因?yàn)樽畲蟮腞e就小于臨界雷諾數(shù)（2000），故可推論出：各工況下的油液的流動(dòng)狀態(tài)為層流。上臺(tái)上導(dǎo)軌下導(dǎo)軌下臺(tái) 圖55 上下臺(tái)配合的主視圖下臺(tái)上軌下軌上臺(tái) 圖56 上下臺(tái)配合的右視圖 水平X向振動(dòng)連接 水平X方向的平動(dòng)，由液壓缸XX2帶動(dòng)，兩個(gè)液壓缸的進(jìn)油量相等，這要靠電液數(shù)字伺服閥油量控制。 垂直Z方向平動(dòng)連接機(jī)構(gòu) 臺(tái)面沿Z方向能上下振動(dòng)，是靠激振器ZZZZ4帶動(dòng)，他們的進(jìn)油量相等。我國(guó)清華大學(xué)和大連工學(xué)院也自行開發(fā)研制過(guò)小型電磁振動(dòng)臺(tái)。目前絕大部分地震模擬振動(dòng)臺(tái)都是采用電液伺服控制技術(shù)。由于鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面具有重量輕，臺(tái)面彎曲頻率高等優(yōu)點(diǎn)，所以大部分的地震模擬振動(dòng)臺(tái)都采用鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面。液壓源系統(tǒng)主要是提供動(dòng)力，包括液壓泵站、蓄能器組、冷卻系統(tǒng)等，液壓泵的流量是根據(jù)地震波的最大速度值來(lái)設(shè)計(jì)的，為了節(jié)省能源，目前都是設(shè)置大容量的蓄能器組來(lái)提供作動(dòng)器瞬時(shí)的巨大能量。電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)以反饋控制為主體，是基于經(jīng)典控制理論的電液伺服控制系統(tǒng)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是精度高、響應(yīng)快、大功率?；钊麠U受到的主要是推力。球面鏈接，主要是為了實(shí)現(xiàn)后面的其他運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備，在一定范圍內(nèi)，它能夠任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如下圖55和圖56所示為上下臺(tái)的平動(dòng)配合。第五章 振動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面、鏈接與振動(dòng)機(jī)構(gòu)的外形圖，如附錄中圖22所示。 （3）油箱容積：按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算油箱容積 液壓系統(tǒng)主要性能的驗(yàn)算計(jì)算系統(tǒng)壓力損失，必須知道管道的直徑和管道長(zhǎng)度。激振模塊主要由電液數(shù)字閥、伺服油缸、位移傳感器及油缸支架等構(gòu)成，如下圖413所示。振動(dòng)臺(tái)上還帶有一個(gè)位移傳感器，提供一個(gè)反饋信號(hào)給控制電路，以提高振動(dòng)臺(tái)的控制精度。輸入地震波信號(hào)(或正弦波信號(hào))，經(jīng)三參量發(fā)生器，與臺(tái)面反饋的位移和加速度經(jīng)三參量反饋進(jìn)入伺服控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，控制液壓系統(tǒng)的高油交替進(jìn)入激振器的油腔，利用油壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。通過(guò)查表得到液壓缸壁厚=，外徑=121mm。 圖47 恒壓控制靜態(tài)工作曲線圖 圖48 DR型液壓泵工作原理圖由于當(dāng)前工況只需要用到恒壓控制這一種變量控制方式，因此把流量控制閥關(guān)閉就可以了。5)盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，減少專用件設(shè)計(jì)。原則具體如下：1)在組合基本回路時(shí)，要注意防止回路間的相互干擾，保證正常的工作循環(huán)。起重運(yùn)輸機(jī)械等。一般認(rèn)為取壓力為35MPa左右最為經(jīng)濟(jì)，～2倍。 （二）速度循環(huán)圖（vt圖） 圖44 速度循環(huán)圖上圖44中，第一種，液壓缸開始作勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻速運(yùn)動(dòng)，最后勻減速到終點(diǎn)；第二種，液壓缸在總行程的一半作勻加速運(yùn)動(dòng)，另一半行程作勻減速運(yùn)動(dòng)，且加速度和減速度在數(shù)值上相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半上，以較少的加速度做勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻減速至行程終點(diǎn)。工作負(fù)載還可以分為阻力負(fù)載和超越負(fù)載，阻止液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)載稱為阻力負(fù)載，又稱為正值負(fù)載；助長(zhǎng)液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)載稱為超越負(fù)載，又稱為負(fù)值負(fù)載。系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的動(dòng)作順序、動(dòng)作時(shí)間及相互關(guān)系。由上綜合分析，現(xiàn)在就采用雙活塞桿液壓缸。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用可參考下表41所示。本論文將以日本阪神地震作為參考，系統(tǒng)的頻寬及加速度是通過(guò)對(duì)實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)譜特性分析得到的水平X、Y兩個(gè)方向兩組波形(這里只展示水平方向的波形)，如下圖4l所示。采用壓力鎮(zhèn)定控制器調(diào)節(jié)后，減小到1MPa左右，表明控制器能夠有效地削弱各激振器之間的內(nèi)力。 試驗(yàn)研究試驗(yàn)用6自由度振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)如上圖22所示?？芍? （11）至此，X自由度三狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)完成。加三狀態(tài)反饋后的控制系統(tǒng)方框圖如下圖32所示[7]。按照各激振器間的幾何關(guān)系，采用零位線性化方法分析()，可得自由度分解矩陣的一種形式為： （3） 三狀態(tài)控制器以X自由度為例，設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的三狀態(tài)控制器。第三章 6自由度振動(dòng)的控制設(shè)計(jì)分析 6自由度振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)造振動(dòng)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的主要作用是將對(duì)臺(tái)面的自由度驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)各激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)控制激振器的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。在儀器設(shè)備的選擇上，選剛的是美國(guó)的NI設(shè)備，它可以同時(shí)采集加速度信號(hào)、位移信號(hào)、應(yīng)變信號(hào)、荷載信號(hào)，并且進(jìn)行調(diào)理，先對(duì)系統(tǒng)的各種信號(hào)進(jìn)行采集與調(diào)理，最終在同一平臺(tái)上匯總并且分析。 50Hz配有氣壓載閥。 圖26 GT控制器 油路系統(tǒng)油源系統(tǒng)部分主要由液壓泵、液壓管路、單向閥，電磁溢流閥、比例溢流閥、精濾油器、粗濾油器等組成，其作用是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的液壓動(dòng)力。主閥芯左移的同時(shí)通過(guò)反饋桿對(duì)力矩馬達(dá)產(chǎn)生的力矩和擋板的位移進(jìn)行負(fù)反饋。電液伺服閥是模擬電液伺服系統(tǒng)的核心元件，它是一種能量轉(zhuǎn)換和液壓放大裝置，可以將微弱的電信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換成液壓輸出。伺服閥配置在作動(dòng)缸的上面，目的是用來(lái)控制液壓油的方向和流量。如墻高超過(guò)墻厚的4倍時(shí)，則基礎(chǔ)本身剛度不足，變形較大，則應(yīng)按構(gòu)架式基礎(chǔ)計(jì)算，同時(shí)考慮地基及基礎(chǔ)的彈性變形。例如曲柄連桿類(活塞式壓縮機(jī)等)，旋轉(zhuǎn)式(汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等)機(jī)器，滾筒式(磨機(jī)、轉(zhuǎn)窯等)機(jī)器，沖擊(鍛錘、落錐等)機(jī)器等均可用塊體式基礎(chǔ)。 圖21 振動(dòng)臺(tái)閉環(huán)控制系統(tǒng) 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的組成地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)由基礎(chǔ)、臺(tái)面、油源系統(tǒng)、激振器、電液伺服閥與控制器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)與控制軟件等7部分組成，如下圖22所示為地震模擬振動(dòng)臺(tái)的模型。最后結(jié)合本課題目標(biāo)，提出了本論文的研究方法與研究?jī)?nèi)容。并且為該地震體驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了一套符合要求同時(shí)節(jié)能的液壓系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，各種液壓伺服系統(tǒng)均可由指令元件、反饋檢測(cè)元件、放大元件、轉(zhuǎn)換元件、控制元件、比較元件、執(zhí)行元件、控制對(duì)象等組成。液壓技術(shù)的應(yīng)用對(duì)機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量和水平的提高起到了極大的促進(jìn)和保證作用，世界上先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家均對(duì)液壓技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，采用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。目前MTS振動(dòng)臺(tái)控制器已升級(jí)為全數(shù)字469D控制器，使振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程變得簡(jiǎn)單、易于操縱，大大地節(jié)約了時(shí)間和成本，為開展更多的試驗(yàn)研究提供了可能。該振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸：5m5m；頻率范圍：～40Hz；最大模型重量：30t；最大位移：水平：+80mm，豎向：+50mm；最大速度：水平：+600mm/s，豎向：+300mm/s；最大加速度：水平：+，豎向：+；最大傾覆力矩：75t目前，該振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸：；頻率范圍：0～50Hz；最大模型重量：60t；最大位移：X向：+150mm，Y向：+250mm，Z向：+100mm；最大速度：X向：1000mm/s；Y向：1200mm/s；Z向：800mm/s；最大加速度：X向：；Y向：；Z向：；最大傾覆力矩：180t目前，該振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸：4m4m；頻率范圍：～50Hz；最大模型質(zhì)量：25t；最大位移：x向：+100mm，Y向：+50mm，Z向：+50mm；最大速度：X向：1000mm/s；Y向和Z向：600mm/s最大加速度：X向：(空載)，(負(fù)載15t)；Y向：(空載)，(負(fù)載15t)；Z向：(空載)，(負(fù)載15t)；最大重心高度：臺(tái)面以上3000mm；最大偏心：距臺(tái)面中心600mm。其方法是將強(qiáng)震觀測(cè)儀器設(shè)置在地震區(qū)的房屋建筑等結(jié)構(gòu)之上，然后等待地震的到來(lái)，以測(cè)取房屋的動(dòng)力特性，將獲得的固有頻率、阻尼、振型等參數(shù)提供給抗震理論分析使用。其特點(diǎn)是可以再現(xiàn)各種形式的地震波形，可以在實(shí)驗(yàn)室條件下直接觀測(cè)和了解被試驗(yàn)試體或結(jié)構(gòu)模型的受震損害情況和破壞現(xiàn)象等。 本