【正文】 方法和手段。從另一方面來說，它的發(fā)展水平在某種程度上也反映了一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平。我國是一個(gè)多地震的國家，處在環(huán)太平洋地震帶和喜馬拉雅－地中海地震帶上，目前我國又處于地震活躍期，地震發(fā)生較為頻繁。地震體驗(yàn)裝置廣泛應(yīng)用于大型科學(xué)館，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，地震預(yù)防館，建筑材料研究展覽館。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。對(duì)液壓裝置而言，它易于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，易于執(zhí)行頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和換向等動(dòng)作，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、過載保護(hù)和直線運(yùn)動(dòng)，輸出力大。液壓驅(qū)動(dòng)屬于力封閉控制，在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，能夠通過液壓缸中液體的自身彈性達(dá)到同步控制的目的。本課題所研究設(shè)計(jì)的是整個(gè)地震體驗(yàn)裝置的液壓系統(tǒng)子課題。其方法是將強(qiáng)震觀測儀器設(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，以測取房屋的動(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。為了解決這種矛盾，到了六十年代，采用了大型起振機(jī)等方式在原型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行振動(dòng)破壞試驗(yàn)，以獲取所需數(shù)據(jù)，但是，要模擬地震破壞是很困難的，而且做一個(gè)這樣的試驗(yàn)，投資相當(dāng)大，試驗(yàn)周期也很長，因而探索將房屋結(jié)構(gòu)放到實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行試驗(yàn)，以求花較少的錢，以最快的速度，獲得更多的數(shù)據(jù)，從而使地震模擬振動(dòng)臺(tái)在六十年代末應(yīng)運(yùn)而生。我國一方面自行研制，另一方面引進(jìn)，目前全國范圍內(nèi)的振動(dòng)臺(tái)的數(shù)量和規(guī)模也相當(dāng)可觀。綜合比較來看，電液式振動(dòng)臺(tái)有很強(qiáng)的優(yōu)越性能。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。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界上已經(jīng)運(yùn)行的大型振動(dòng)臺(tái)中，該振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行效率名列前茅。中國水利水電科學(xué)研究院1987年從德國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，為目前國內(nèi)工作頻率最高的振動(dòng)臺(tái)。(3)中國建筑科學(xué)研究院擁有目前國內(nèi)最大的振動(dòng)臺(tái)。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(4)重慶交通科研設(shè)計(jì)院橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的地震模擬試驗(yàn)臺(tái)陣系統(tǒng)，它是目前國內(nèi)外唯一的由一個(gè)固定臺(tái)和一個(gè)移動(dòng)臺(tái)組成臺(tái)陣的大型高性能三軸向地震模擬試驗(yàn)臺(tái)陣系統(tǒng)。采用了目前國際上最先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)和軟件。該系統(tǒng)的建成，為廣泛領(lǐng)域內(nèi)的振動(dòng)和抗震試驗(yàn)研究提供了條件，特別是為大跨度結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)研究提供了必要的條件，從而使得大跨度結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力學(xué)的一些基本問題的試驗(yàn)研究成為可能。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該振動(dòng)臺(tái)由工程力學(xué)研究所依靠國內(nèi)技術(shù)力量建設(shè)完成，全部機(jī)械和液壓系統(tǒng)由國內(nèi)制造，控制系統(tǒng)由工程力學(xué)研究所自行研制。國外目前主要研究發(fā)展現(xiàn)狀：自50年代中期以來，國外就對(duì)電液式振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了研究?，F(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(dòng)臺(tái)，以美國MTS公司的振動(dòng)臺(tái)技術(shù)最具有特色，可實(shí)現(xiàn)多種試驗(yàn)波形(包括組合波形)的加載試驗(yàn)，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)。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)過程變得簡單、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。2004年，加州大學(xué)圣地亞哥分校建成了全美最大的室外模擬振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面面積25英尺40英尺，能夠測試的結(jié)構(gòu)重量可達(dá)2200噸，高100英尺。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。與其相適應(yīng)，其液壓系統(tǒng)的發(fā)展大致有以下兩個(gè)趨勢：(1)從單個(gè)作動(dòng)器發(fā)展到多個(gè)作動(dòng)器同步作用；(2)從單向水平發(fā)展到雙向、三向加轉(zhuǎn)動(dòng)共計(jì)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)圓。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)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。但由于起步較晚和一些相關(guān)技術(shù)的影響，我國液壓傳動(dòng)技術(shù)與國外先進(jìn)水平相比還存在一些差距，主要表現(xiàn)在：產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性差，壽命短；一些新的應(yīng)用領(lǐng)域如航空航天等新型液壓技術(shù)和元件研究開發(fā)工作還不能滿足需要。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。近幾十年來，由于整個(gè)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(diǎn)再次受到重視。一般來說，各種液壓伺服系統(tǒng)均可由指令元件、反饋檢測元件、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。同樣，數(shù)字化液壓元件的良好使用性能一方面滿足了用戶們的需要，另一方面也對(duì)液壓元件的研制提出了全新的理念。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。本論文所研究的液壓系統(tǒng)就是采用的液壓伺服控制。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)。目前國內(nèi)外對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的相關(guān)研究成果很多，它們的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的核心思想也基本上一致，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?？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。 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。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內(nèi)容。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，具體的工作流程可以簡單描述成這樣：首先由計(jì)算機(jī)程序發(fā)出指令信號(hào)。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。計(jì)算機(jī)終端根據(jù)采集到的信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)控，并調(diào)整決定下一步加載的方案，于是整個(gè)系統(tǒng)就形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)的自動(dòng)化，如下圖21所示。 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。Y2Y1X1X2Z1Z2Z3Z4圖22 振動(dòng)臺(tái)外觀圖圖23 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)分布圖 振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)作為一種動(dòng)力基礎(chǔ)，它是振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)的提供反力裝置，對(duì)振動(dòng)臺(tái)能否正常工作及使用壽命都會(huì)產(chǎn)生重要影響?；A(chǔ)的性能直接影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。動(dòng)力基礎(chǔ)的形式一般有三種：實(shí)體式基礎(chǔ)、構(gòu)架式基礎(chǔ)和墻式基礎(chǔ)。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)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，地基的剛度系數(shù)確定得正確與否，對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)影響很大。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)。 (3)墻式基礎(chǔ)墻式基礎(chǔ)以橫墻代替構(gòu)架式基礎(chǔ)的橫向框架；因而剛度較構(gòu)架式基礎(chǔ)為大。如墻高超過墻厚的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。從性能價(jià)格比來看，多數(shù)采用鋼焊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。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。作動(dòng)缸主要由缸體、活塞頭、活塞桿、力傳感器、行程傳感器等組成。伺服閥配置在作動(dòng)缸的上面，目的是用來控制液壓油的方向和流量。作動(dòng)缸分單出力和雙出力兩種。有效面積為487m2。其他的性能參數(shù)見下表21所示。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。按放大等級(jí)可分為；單級(jí)閥、一級(jí)閥、三級(jí)閥、四級(jí)閥等：按前置級(jí)結(jié)構(gòu)可分為：滑閥、噴嘴擋板、射流管等；按內(nèi)部反饋形式可分為：位移反饋的一般流量閥、負(fù)載壓力反饋的壓力閥等。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。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(dòng)，移動(dòng)的距離和方向隨電流的大小和方向而變化。主閥芯左移的同時(shí)通過反饋桿對(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。 控制器振動(dòng)臺(tái)的控制部分由MTS flex GT控制器來完成?？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，通過軟件編程可完成不同實(shí)驗(yàn)方案的加載。產(chǎn)生各種波形。 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。液壓油系統(tǒng)中損失的油流量主要是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，液壓油在工作過程中溫度會(huì)不斷地升高，如果液壓油溫度超過系統(tǒng)設(shè)定的限定溫度。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。蓄能器的作用有三個(gè)方面：一是儲(chǔ)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(dòng)，吸收壓力沖擊，保持壓力穩(wěn)定。配有氣壓載閥。 50Hz 50Hz PS703220/400V 50HZ （a）PS20單旋片液壓泵外觀圖1泵體 2旋片 3轉(zhuǎn)子 4彈簧 5排氣閥 （b）單旋片液壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖27 液壓泵兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成A、B、C三個(gè)部分，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與吸氣口相通的空間A的容積不斷地增大，A空間的壓強(qiáng)不斷的降低，當(dāng)A空間內(nèi)的壓強(qiáng)低于被抽容器內(nèi)的壓強(qiáng)，根據(jù)氣體壓強(qiáng)平衡的原理，被抽的氣體不斷地被抽進(jìn)吸氣腔A，此時(shí)正處于吸氣過程。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油箱內(nèi)的油層而排至大氣中，在泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。 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(hào)，利用不同的二次儀表來進(jìn)行采集的，這種采集的模式對(duì)于實(shí)驗(yàn)本身來說存在弊端，主要有兩點(diǎn)，一是數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一，二是數(shù)據(jù)的采集對(duì)于控制信號(hào)不同步，這樣的實(shí)驗(yàn)并不是實(shí)時(shí)的。在儀器設(shè)備的選擇上，選剛的是美國的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。控制系統(tǒng)為MTS 793軟件，采用Wave Generation波形發(fā)生器進(jìn)行波形擬合，數(shù)據(jù)采集以及分析采用Labview軟件，添加了三參量(位移、速度和加速度三個(gè)參量)控制軟件TVC。6自由度液壓振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)如上圖22所示。振動(dòng)臺(tái)最主要的技術(shù)參數(shù)是激振力和使用頻率范圍，這些參數(shù)在很大程度上取決于作動(dòng)器的工作性能，使用頻率的選擇必須適當(dāng)過高地要求上限頻率就必須加大伺服閥和油泵的流量，從而導(dǎo)致投資增加，合理地選擇這兩個(gè)參數(shù)使振動(dòng)臺(tái)既滿足實(shí)驗(yàn)要求又能節(jié)省投資是十分重要的。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)，通過控制激振器的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。三狀態(tài)反饋控制器自由度分解矩陣輸入信號(hào)選擇三狀態(tài)輸入 控制器自由度分解矩陣自由度分解矩陣自由度分解矩陣單缸速度合成壓力鎮(zhèn)定控制器激振器1激振器8平臺(tái)圖31 液壓伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖上圖31中，自由度合成及分解矩陣用于位姿信號(hào)和激振器信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。壓力鎮(zhèn)定控制器的作用是通過調(diào)整控制量U，削弱系統(tǒng)中各激振器間的內(nèi)力耦合。 自由度的合成方法及分析矩陣 定義振動(dòng)臺(tái)6自由度反饋信號(hào)為有： (1)公式中，、(i=1，2)和(j=1,...,4)表示8個(gè)激振器的反饋信號(hào)。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。這樣的系統(tǒng)要想使頻寬達(dá)到指標(biāo)要求的80Hz，必須進(jìn)行補(bǔ)償。 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