【正文】 以目前普遍使用的電液伺服地震模擬振動臺為例，系統(tǒng)主要由液壓源系統(tǒng)、激振器、伺服模擬控制器、臺面、計算機(jī)控制系統(tǒng)組成。如下圖58所示。用滾珠，能減小摩擦。其中：溢流閥10應(yīng)按小流量泵的額定流量選取，但由于規(guī)格限制，選用Y10B型；調(diào)速閥4選用Q6B型。當(dāng)有信號進(jìn)入動圈時，情況就不同了，如上圖412(b)所示，動圈帶有滑閥一起向上移動，打開了控制閥的有關(guān)出入油孔，高壓油按圖中箭頭方向經(jīng)控制閥流入油缸下方，推動活塞和振動臺向上移動，活塞上方的低壓油按虛線箭頭方向經(jīng)控制閥的另一個室流回油箱。由實際工況，決定自行設(shè)計激振液壓缸，其三維結(jié)構(gòu)如下圖49所示，其二維結(jié)構(gòu)如下圖410所示[11]。要保證系統(tǒng)安全可靠，對于做垂直運動，提升重物的執(zhí)行元件來說應(yīng)該設(shè)有平衡回路；而對于有嚴(yán)格順序動作要求的執(zhí)行元件來說應(yīng)采用行程控制的順序動作回路。中、大型挖掘機(jī)。 （一）位移循環(huán)圖 圖是： 圖43 位移循環(huán)圖其縱坐標(biāo)L表示活塞位移，橫坐標(biāo)t表示時間，曲線斜率表示了活塞移動速度。需要了解原動機(jī)的類型、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性等。這是合理確定液壓執(zhí)行元件的類型、工作范圍、安裝位置和空間尺寸所必須的。為驗證壓力鎮(zhèn)定控制器的有效性，測試空載條件下平臺在工作零位靜止時各激振器的壓差(工作壓力為21MPa)，如下表3l所示。下圖33中，為前向調(diào)節(jié)系數(shù)，用于調(diào)整輸入信號的幅值[7]。 自由度的合成方法及分析矩陣 定義振動臺6自由度反饋信號為有： (1)公式中，、(i=1，2)和(j=1,...,4)表示8個激振器的反饋信號。 數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)目前數(shù)據(jù)的采集都是根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信號，利用不同的二次儀表來進(jìn)行采集的，這種采集的模式對于實驗本身來說存在弊端，主要有兩點，一是數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一，二是數(shù)據(jù)的采集對于控制信號不同步，這樣的實驗并不是實時的。蓄能器的作用有三個方面：一是儲存液壓能，作短期的恒壓油源；二是維持系統(tǒng)的壓力；三是消除或者減弱系統(tǒng)中的壓力脈動，吸收壓力沖擊，保持壓力穩(wěn)定。力矩馬達(dá)在線圈中通入電流后產(chǎn)生扭矩，使彈簧管上的擋板在兩噴嘴間移動，移動的距離和方向隨電流的大小和方向而變化。作動缸主要由缸體、活塞頭、活塞桿、力傳感器、行程傳感器等組成。動力基礎(chǔ)的形式一般有三種：實體式基礎(chǔ)、構(gòu)架式基礎(chǔ)和墻式基礎(chǔ)。 本章小結(jié)本章首先介紹了該課題的研究背景與研究意義，以說明課題研究的必要性。近幾十年來，由于整個工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是在軍事上和航空與宇航技術(shù)上所應(yīng)用的伺服控制系統(tǒng)逐步向快速、大功率、高精度的方向發(fā)展，液壓伺服控制所具有的反應(yīng)快、重量輕、尺寸小及抗負(fù)載剛性大等優(yōu)點再次受到重視。現(xiàn)在國外一些大公司，如美國MTS、英國的Instron、瑞士的Amsler、德國的Schenck、日本的島津等先后生產(chǎn)了各種系列的電液式振動臺，以美國MTS公司的振動臺技術(shù)最具有特色，可實現(xiàn)多種試驗波形(包括組合波形)的加載試驗，硬件集成度高，體積比較小，MTS系統(tǒng)公司是全球最大的力學(xué)性能測試及模擬系統(tǒng)供應(yīng)商，首創(chuàng)把液壓伺服閉環(huán)控制概念引入力學(xué)測試系統(tǒng)。(3)中國建筑科學(xué)研究院擁有目前國內(nèi)最大的振動臺。本課題所研究設(shè)計的是整個地震體驗裝置的液壓系統(tǒng)子課題。就驅(qū)動方式而言可以分為電液伺服方式和電動式，由于電液伺服方式具有低頻時推力大，位移大，而且系統(tǒng)剛度大，控制精度高，響應(yīng)速度快，能高速啟動、制動和反向等特點，因而可組成體積小，重量輕，易于搬運安裝，加速能力強(qiáng)，快速動作和控制精度高的伺服系統(tǒng)來控制較大功率和負(fù)載。防御工作做得好，就可以有效地減輕地震帶來的災(zāi)害損失。該地震體驗裝置的突出特點是采用了以2D數(shù)字換向閥為控制閥的電液伺服系統(tǒng)，電液伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)剛度大，控制精度高，響應(yīng)速度快，能高速啟動、制動和反向等優(yōu)點，因而可組成體積小，重量輕，加速能力強(qiáng)，快速動作和控制精度高的伺服系統(tǒng)來控制較大的功率和負(fù)載。地震時，在地球內(nèi)部出現(xiàn)的彈性波叫做地震波，地震波主要包含縱波和橫波。相關(guān)專家通過多年的研究，現(xiàn)在逐漸認(rèn)識到地震孕育、發(fā)生、發(fā)展的過程十分復(fù)雜，在不同的地理構(gòu)造環(huán)境、不同的時間階段，不同震級的地震都顯示出相當(dāng)復(fù)雜的孕育規(guī)律過程。因此，世界各國都很重視地震振動試驗技術(shù)和地震振動試驗系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。目前，世界上已建成上百座模擬地震振動臺，其中以日本擁有的數(shù)量為最多，規(guī)模最大。系統(tǒng)的總體技術(shù)水平和性能指標(biāo)處于國際先進(jìn)水平，臺陣組合工作模式及臺子軌道移動方式均屬世界首創(chuàng)。日本于2005年安裝了臺面尺寸為20ml5m的三向六自由度振動臺。現(xiàn)代飛機(jī)與導(dǎo)彈的飛行控制正是由于采用了電液伺服控制，從而提高了飛行控制系統(tǒng)的靈活性與適應(yīng)性，保證了飛行器在飛行狀態(tài)下所需要的穩(wěn)定性與控制性(操縱性)，改善了飛行器氣動性能與布局，保證了舵面顫振的安全性。通過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過專用接口輸入到電液伺服控制器，電液伺服控制器接收到模擬信號后，傳到電液伺服閥，電液伺服閥將電信號成比例地轉(zhuǎn)換成液壓輸出，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)也就是液壓伺服作動器進(jìn)行動作【1】。(2)構(gòu)架式基礎(chǔ)構(gòu)架(亦稱框架)式基礎(chǔ)，由底板、柱子和頂板(包括頂板、縱橫梁)系統(tǒng)所構(gòu)成，汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等機(jī)器的基礎(chǔ)常用這種型式。最大行程為：+250mm，額定載荷為+1000kN，活塞桿兩端的面積相同，帶有LVDT傳感器。其外形見下圖26所示。 研究的振動臺的功能該地震臺易于實現(xiàn)低頻、大位移、大推力振動激勵，結(jié)構(gòu)牢固，抗橫向負(fù)載能力強(qiáng)，臺面負(fù)載大，多用于大型結(jié)構(gòu)或部件的模型和實物試驗。為此，用三狀態(tài)反饋方法來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的阻尼比，用三狀態(tài)順饋方法對消系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)中距離虛軸較近的極點，擴(kuò)展系統(tǒng)的頻寬，再用輸入濾波器實現(xiàn)振動臺的加速度控制。如果不采用壓力鎮(zhèn)定控制器削弱內(nèi)力，將過多的消耗系統(tǒng)能量，降低控制精度，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致振動臺無法運動。應(yīng)用三狀態(tài)控制器拓展系統(tǒng)頻寬，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。雙葉片式，轉(zhuǎn)角小于180176。(4)在安全、可靠、經(jīng)濟(jì)方面多考慮。系統(tǒng)壓力選定后，液壓缸主要尺寸和液壓馬達(dá)的排量即可確定，液壓缸的主要尺寸和排量一經(jīng)確定，即可根據(jù)液壓缸的速度確定其流量?？爝M(jìn)時液壓缸作差動連接，由于管路中有壓力損失，液壓缸左桿腔壓力P2必須大于右桿腔壓力P1，計算中取兩者之差；同時還要注意到，啟動瞬間活塞尚未移動，此時=0。從結(jié)構(gòu)可以顯示，地震體驗系統(tǒng)整套裝置是閉環(huán)控制的電液伺服系統(tǒng)。此外，缸筒徑向變形滿足： （53） （54）式中：—缸筒耐壓實驗壓力（MPa）； E—缸筒材料彈性模量（MPa）； —； —缸筒的爆裂壓力。由于該地震體驗系統(tǒng)設(shè)置在室內(nèi)，且有較大空間足夠安置油箱，所以采用開式回路。在管路中所通過的流量以快退時回油量q=69L/min為最大，由此可知，此時的也為最大。上下共4個相同材料同截面的導(dǎo)軌。圖59 裝配后的振動臺示意圖第六章 總結(jié)振動臺其實有很多種驅(qū)動方式，70年代開始出現(xiàn)電磁驅(qū)動方式的振動臺,由振動臺臺面、電磁線圈、功率放大器、電控系統(tǒng)組成。目前地震模擬振動臺的臺面采用的材質(zhì)可分為三大類，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)臺面、鋼焊結(jié)構(gòu)臺面、鋁合金或鎂鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)臺面。從70年代初，電液伺服控制技術(shù)便開始在地震模擬振動臺中運用，這對地震模擬振動臺的發(fā)展有很大的推動作用。其在水平X向運動的時候，受到液壓缸的推力F1和拉力F2。振動臺包含的振動有X、Y、Z的直線運動，和Rx、Ry、Rz的轉(zhuǎn)動。電液伺服閥用于產(chǎn)生實時變化的流量，該流量用于驅(qū)動伺服油缸的活塞及其通過驅(qū)動連接機(jī)構(gòu)剛性連接的臺架按照地震的振動波形作往復(fù)運動，仿波形通過位移傳感器檢量與實際的地震波形相比較，經(jīng)電液伺服閥修正輸出流量以保證活塞及臺架的運動波形與地震波形一致。從而帶動振動臺臺面運動，形成閉環(huán)控制，以實現(xiàn)波形再現(xiàn)控制。根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和液壓泵的最大排量，查產(chǎn)品樣本，可知該型號液壓泵的額定功率為98KW。2)提高系統(tǒng)的工作效率，防止系統(tǒng)過熱。下表42是目前我國幾種機(jī)器常用的系統(tǒng)工作液壓，它反映了這些系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗，可參考選用。：摩擦負(fù)載為液壓缸驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)時所克服的機(jī)械摩擦阻力。(2)了解振動臺對性能的要求，通常應(yīng)了解如下幾個方面：A．振動臺對負(fù)載特性、運動方式和精度的要求。在波形圖中，每一組的第一個曲線表示振動加速的波形，第二個曲線表示功率譜，第三個曲線為第二個曲線的局部放大圖。振動臺X自由度液壓固有頻率約為45Hz，若不采用三狀態(tài)控制器，X自由度的加速度頻寬不到20Hz?？傻茫? 圖32 三反饋控制系統(tǒng)方框圖 （6）令式（5）等于式（6），可求得三反饋系數(shù)為： （7）三狀態(tài)順饋的作用是在三反饋調(diào)節(jié)完成后的系統(tǒng)中串入，對消閉環(huán)傳遞函數(shù)中距離虛軸較近的極點，達(dá)到擴(kuò)展系統(tǒng)頻寬的目的。伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖31所示，主要由自由度合成及分解控制器、三狀態(tài)控制器和壓力鎮(zhèn)定控制器3部分組成。 在系統(tǒng)運行中可能會因為執(zhí)行元件密封不完善或元件老化等原因帶入污染物，由于電液伺服閥等精密元件對液壓油的要求很高，所以在進(jìn)油回路和回油回路中都裝有濾油器。電液伺服閥種類較多。 臺面目前在臺面材料上有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼焊結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)等。下面將闡述一下7部分的組成結(jié)構(gòu)和原理?；诒狙b置的應(yīng)用環(huán)境，在實現(xiàn)規(guī)定功能外，該液壓系統(tǒng)要求輕污染、低噪聲、節(jié)能并且方便故障檢測。我國特別是20世紀(jì)80年代到90年代對液壓行業(yè)進(jìn)行了重點改造，有計劃地加速對國外先進(jìn)液壓元件和技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收工作，追趕世界先進(jìn)水平。m。該振動臺實驗室是土木工程防災(zāi)國家重點實驗室的一部分，技術(shù)負(fù)責(zé)人為呂西林教授，目前已經(jīng)完成試驗項目數(shù)量近500項。振動臺試驗較好地體現(xiàn)了模型的抗震性能，但是在由模型的試驗結(jié)果來推算原型結(jié)構(gòu)的抗震性能，這方面尚未形成非常一致的結(jié)論，還存在一定的誤差，有待于進(jìn)一步提高精度。為了減少損失，對于地震多發(fā)地帶，特別是對學(xué)校、車站以及中高層建筑這些人員密集場所來說，對它們的抗震試驗尤為重要。相反，如果地震發(fā)生在人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、社會財富集中的地區(qū)，特別是在大城市，就可能造成巨大的災(zāi)害。梧 州 學(xué) 院畢 業(yè) 論 文論文題目 簡易地震模擬振動系統(tǒng)的設(shè)計 系 別 電子信息工程系 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師（簽名） 完成時間 年 月58摘要本論文提出一套簡易地震模擬體驗系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計，其設(shè)計原型是電液伺服地震模擬振動臺，電液伺服地震模擬振動臺試驗是地震工程重要的研究手段，近幾年來得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于多個產(chǎn)業(yè)部門。地震，如果發(fā)生在沒有人煙的高山、沙漠或者海底，即使震級再大，也不會造成傷亡或損失?？墒请S著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，人們對高層建筑、大壩等工程的安全問題越來越重視。其特點是可以再現(xiàn)各種形式的地震波形，可以在實驗室條件下直接觀測和了解被試驗試體或結(jié)構(gòu)模型的受震損害情況和破壞現(xiàn)象等。目前，該振動臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺面尺寸：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：臺面以上3000mm；最大偏心：距臺面中心600mm。該振動臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：臺面尺寸：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液壓技術(shù)的應(yīng)用對機(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)國家均對液壓技術(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國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。并且為該地震體驗裝置設(shè)計了一套符合要求同時節(jié)能的液壓系統(tǒng)。 圖21 振動臺閉環(huán)控制系統(tǒng) 振動臺系統(tǒng)的組成地震模擬振動臺系統(tǒng)由基礎(chǔ)、臺面、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臺的模型。如墻高超過墻厚的4倍時，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)計算，同時考慮地基及基礎(chǔ)的彈性變形。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成比例地轉(zhuǎn)換成液壓輸出。 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，其作用是為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的液壓動力。 50Hz第三章 6自由度振動的控制設(shè)計分析 6自由度振動臺系統(tǒng)的構(gòu)造振動臺伺服控制系統(tǒng)的主要作用是將對臺面的自由度驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為對各激振器的驅(qū)動信號，通過控制激振器的運動實現(xiàn)平臺的運動。加三狀態(tài)反饋后的控制系統(tǒng)方框圖如下圖32所示[7]。 試驗研究試驗用6自由度振動臺結(jié)構(gòu)如上圖22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對實際記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)譜特性分析得到的水平X、Y兩個方向兩組波