【導(dǎo)讀】本論文提出一套簡(jiǎn)易地震模擬體驗(yàn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原型是電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)，電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(gè)產(chǎn)業(yè)部門。振動(dòng)臺(tái)主要由臺(tái)面及支撐系統(tǒng)、液壓激振系統(tǒng)、液壓油源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四大模塊組成，多以位移控制為基礎(chǔ)進(jìn)行地震波形的模擬。該地震體驗(yàn)系統(tǒng)主要通過一套激振系統(tǒng)，依靠輸入的各種地震波形和頻率等相關(guān)參數(shù)，在一維方向上把地震效果進(jìn)行精確模擬，使體驗(yàn)人員獲得類似的振動(dòng)體驗(yàn)。另外，由于伺服閥等的非線性影響及臺(tái)架與試件的共同作用，本裝置在本質(zhì)上是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。為了能更清楚的顯示其內(nèi)部控制關(guān)系，通過一系列線性化的手段，本論文在分析電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)的設(shè)備構(gòu)成及其物理機(jī)理的基礎(chǔ)上，給出了地震體驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并以此進(jìn)行了SIMULINK的仿真和分析，為進(jìn)一步調(diào)整及優(yōu)化提出了一系列的設(shè)想和展望。

　　

【正文】 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)。而另一桿的端部裝有位移傳感器，能實(shí)時(shí)測(cè)量激振缸活塞桿的位移，即振動(dòng)臺(tái)面的位移。由實(shí)際工況，決定自行設(shè)計(jì)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]。 圖49 液壓缸三維結(jié)構(gòu)圖 圖410 液壓缸二維結(jié)構(gòu)圖取液壓缸的安全系數(shù)n為5，缸體端部采用焊接式，無縫鋼管材料采用45鋼，其中MPa，MPa。通過查表得到液壓缸壁厚=，外徑=121mm。由實(shí)際情況，活塞桿的直徑無需驗(yàn)算其強(qiáng)度和抗彎性能，缸筒壁厚的驗(yàn)算由四方面組成，額定工作壓力=10MPa。額定工作壓力滿足： （51） （52）額定工作壓力滿足完全塑性變形壓力一定比例范圍：式中，—缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力。此外，缸筒徑向變形滿足： （53） （54）式中：—缸筒耐壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa）； E—缸筒材料彈性模量（MPa）； —； —缸筒的爆裂壓力。通過廠家產(chǎn)品規(guī)格可以得知，在該工作壓力下其不會(huì)超過密封圈允許范圍，一般不需要驗(yàn)算。缸筒選用45鋼，底部厚度為平面，其厚度由公式確定： （55）式中，為缸底材料許用應(yīng)力（MPa），由==120MPa。取為15mm。地震模擬振動(dòng)臺(tái)的工作原理方框圖如下圖411所示。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)。從而帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)，形成閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)波形再現(xiàn)控制。 三參量發(fā)生器伺服控制器加速度計(jì)作動(dòng)器伺服閥速度發(fā)生電路試件模擬振動(dòng)臺(tái)位移復(fù)合偏差信號(hào)加速度速度輸入圖411 電液伺服控制原理圖液壓伺服系統(tǒng)是利用電液閥控制高壓油流入工作油缸的流量和方向，從而使活塞帶動(dòng)臺(tái)面和其上的試件做相應(yīng)的振動(dòng)。其工作原理如下圖412所示。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、來自油水泵的高壓油管和去油箱的回油管相連。 （a） （b） （c） 圖412 液壓伺服系統(tǒng)的工作原理圖當(dāng)沒有信號(hào)輸給電液閥的動(dòng)圈時(shí)，動(dòng)圈和滑閥都處于平衡位置，如上圖412(a)所示，滑閥正好關(guān)閉了控制閥的出入油孔，來自油泵的高壓油不能經(jīng)過控制閥進(jìn)入油缸，于是活塞和臺(tái)面也都處于靜止平衡位置。當(dāng)有信號(hào)進(jìn)入動(dòng)圈時(shí)，情況就不同了，如上圖412(b)所示，動(dòng)圈帶有滑閥一起向上移動(dòng)，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(dòng)活塞和振動(dòng)臺(tái)向上移動(dòng)，活塞上方的低壓油按虛線箭頭方向經(jīng)控制閥的另一個(gè)室流回油箱。當(dāng)另一瞬間動(dòng)圈和滑閥在信號(hào)控制下向下移動(dòng)時(shí)，情況與此相仿，如上圖412(c)，高壓油改變流向進(jìn)入油缸上方，使活塞帶著臺(tái)面向下移動(dòng)，活塞下方的低壓油流回油箱。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。這樣控制閥使活塞完全跟蹤著動(dòng)圈上下運(yùn)動(dòng)的規(guī)律而運(yùn)動(dòng)。在該液壓系統(tǒng)原理圖中，包括液壓油源控制部分，它主要向激振液壓缸提供液壓動(dòng)力；包括蓄能器、過濾器和其他的液壓輔助裝置；包括由三位四通換向閥控制的鎖緊缸，主要實(shí)現(xiàn)減振模式和非減振模式的控制：包括由數(shù)字換向閥作為電液伺服閥來控制的液壓激振缸；后者也是本論文研究工作的重點(diǎn)所在。由于該地震體驗(yàn)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。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。其速度負(fù)載特性較好，主要表現(xiàn)在速度隨負(fù)載變化較小，剛性較好。另外，容積調(diào)速雖然成本較高，但是功率消耗小，效率高，而且發(fā)熱和泄漏較少。綜合比較決定采用開式容積調(diào)速回路。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。電液伺服閥用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)變化的流量，該流量用于驅(qū)動(dòng)伺服油缸的活塞及其通過驅(qū)動(dòng)連接機(jī)構(gòu)剛性連接的臺(tái)架按照地震的振動(dòng)波形作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，仿波形通過位移傳感器檢量與實(shí)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(tái)架的運(yùn)動(dòng)波形與地震波形一致。 圖413 激振模塊工作原理圖蓄能器在液壓系統(tǒng)中是用來儲(chǔ)存、釋放能量的裝置，在這里設(shè)置一個(gè)蓄能器，可以作為輔助液壓源在短時(shí)間里提供一定流量，用來滿足系統(tǒng)對(duì)速度、壓力的要求。并且鑒于液壓缸執(zhí)行高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)必然產(chǎn)生較大的液壓沖擊和壓力脈動(dòng)，蓄能器還能起到緩和沖擊和降低脈動(dòng)的效果，因此在這里設(shè)置一個(gè)蓄能器是完全必要的。如下圖414在蓄能器前設(shè)置一截止閥作安全閥使用。 圖414 蓄能器、輔件的選擇 （1）根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和通過各元件、輔件的實(shí)際流量，所選擇的元、輔件的規(guī)格如下表44所列。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。表44 其他元、輔件參數(shù)對(duì)比表序號(hào)元件名稱通過閥的最大流量q()規(guī)格型號(hào)額定流量()額定壓力（MPa）1行程閥6222C100BH1002調(diào)速閥1Q6B63單向閥69I100B1004單向閥I63B635背壓閥1B10B106順序閥30XY63B637溢流閥Y10B108濾油器XU50200509壓力表開關(guān)—K6B（2）管道尺寸：管道尺寸由選定的標(biāo)準(zhǔn)元件連接口尺寸確定。 （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。管道直徑按選定元件的接口尺寸確定為d=18mm，進(jìn)、回油管長(zhǎng)度都定為L(zhǎng)=2m；油液的運(yùn)動(dòng)粘度取，油液的密度取。（1）判斷流動(dòng)狀態(tài)由雷諾數(shù)，可知，在油液粘度、管道內(nèi)徑d一定條件下，Re的大小與q成正比。在管路中所通過的流量以快退時(shí)回油量q=69L/min為最大，由此可知，此時(shí)的也為最大。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。（2）計(jì)算壓力損失由于層流流動(dòng)狀態(tài)的沿程阻力為：和油液在管道內(nèi)的流速： 沿程壓力損失為： 管道的局部損失為： ： ： 本章小結(jié)本章首先提出了擬設(shè)計(jì)制造的地震體驗(yàn)系統(tǒng)的振動(dòng)位移最大幅值、最大速度、振動(dòng)的有效質(zhì)量、控制方式、控制測(cè)量精度、溫度控制、冷卻方式、壓力波動(dòng)等主要技術(shù)指標(biāo)，以日本阪神地震為參考，提出了設(shè)計(jì)中該液壓系統(tǒng)所采用的頻寬和加速度。接著對(duì)液壓執(zhí)行器進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)分析，給出了液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。最后進(jìn)行了液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)。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。振動(dòng)臺(tái)包含的振動(dòng)有X、Y、Z的直線運(yùn)動(dòng)，和Rx、Ry、Rz的轉(zhuǎn)動(dòng)。下面將介紹他們的鏈接和運(yùn)動(dòng)形式。 臺(tái)面設(shè)計(jì)臺(tái)面用的材料是鋼焊接機(jī)構(gòu)，由于其使用比較普遍，剛性好。如下圖5553所示是上臺(tái)和下臺(tái)面的連接配合。用滾珠，能減小摩擦。 圖51 上臺(tái)架圖 圖52 滾珠與上臺(tái)架的配合圖 圖53 上下臺(tái)的連接 圖54 上下臺(tái)配合后的組圖。如下圖55和圖56所示為上下臺(tái)的平動(dòng)配合。振動(dòng)臺(tái)的X、Y方向上的平動(dòng)就是上下臺(tái)之間的偏移。 導(dǎo)軌界面如下圖所示，其受到滑動(dòng)摩擦、壓力和拉力的作用。上下共4個(gè)相同材料同截面的導(dǎo)軌。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。其他液壓缸都沒有工作。其連接如下圖57所示。球面轉(zhuǎn)動(dòng)連接接三角導(dǎo)軌連接臺(tái)面活塞液壓缸活塞桿 （a）俯視圖三角導(dǎo)軌臺(tái)面 （b）水平視圖 圖57 水平X方向臺(tái)面液壓缸連接Y方向的鏈接部分和X方向的鏈接一樣。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)。其在水平X向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，受到液壓缸的推力F1和拉力F2。而三角導(dǎo)軌也是為后面的臺(tái)面垂直運(yùn)動(dòng)而作的。其水平運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，主要受到推力和拉力的作用。 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。使他們的速度、加速度、位移相等。如下圖58所示。臺(tái)面激振器 圖58 激振器Z與臺(tái)面的連接圖 活塞桿與臺(tái)面的連接也是球面連接?；钊麠U受到的主要是推力。其克服臺(tái)面的物體的重力運(yùn)動(dòng)。其他的振動(dòng)在第三章已經(jīng)進(jìn)行了控制分析。圖59 裝配后的振動(dòng)臺(tái)示意圖第六章 總結(jié)振動(dòng)臺(tái)其實(shí)有很多種驅(qū)動(dòng)方式，70年代開始出現(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)方式的振動(dòng)臺(tái),由振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、電磁線圈、功率放大器、電控系統(tǒng)組成。我國(guó)清華大學(xué)和大連工學(xué)院也自行開發(fā)研制過小型電磁振動(dòng)臺(tái)。與機(jī)械驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)相比，電磁振動(dòng)臺(tái)的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行隨意控制，波形失真小，可達(dá)到最高頻率有3000Hz之高，但是要進(jìn)行大位移試驗(yàn)難度較大，最大位移只能是177。25mm，大出力需要設(shè)備龐大，最大出力177。200kN，因而只能用作小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)。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。從70年代初，電液伺服控制技術(shù)便開始在地震模擬振動(dòng)臺(tái)中運(yùn)用，這對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。電液伺服控制基本原理是以液壓組件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)負(fù)反饋原理，使系統(tǒng)的輸出能快速、準(zhǔn)確地跟蹤給定的命令信號(hào)，運(yùn)用此技術(shù)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)具有出力大、行程大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。另外運(yùn)用電液伺服控制后的振動(dòng)臺(tái)不僅可以模擬正弦波，也可以模擬其他規(guī)則波和地震波，可稱作是真正意義上的地震模擬振動(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)。地震模擬振動(dòng)臺(tái)的基本原理及主要組成將試驗(yàn)對(duì)象放在一個(gè)足夠剛性的臺(tái)面上，通過動(dòng)力加載設(shè)備使臺(tái)面再現(xiàn)各種類型地震波，并使試驗(yàn)對(duì)象隨之產(chǎn)生類似地震作用下的振動(dòng)，這就是地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基本原理。以目前普遍使用的電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)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(tái)面、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中伺服模擬控制器是以電液伺服閥為核心的模擬控制器，其性能的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著決定性作用，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。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提供作動(dòng)器瞬時(shí)的巨大能量。另外為了保證油液的溫度系統(tǒng)設(shè)有冷卻器。地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面是試驗(yàn)的平臺(tái)，臺(tái)面的基本要求是要有足夠的剛度，承載能力要求足夠大。目前地震模擬振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面采用的材質(zhì)可分為三大類，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)臺(tái)面、鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面、鋁合金或鎂鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)臺(tái)面。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。參考文獻(xiàn)[1] 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