振动离心机

岩土离心机模拟原理与技术学号：2014020254姓名：章春炜班级：地质一班指导老师：韩文喜浅谈振动离心机1 振动离心机的发展概述振动离心机系统是指具有动力离心试验功能，配备振动台的土工离心机系统。

振动离心机系统中振动台的技术难度和运行要求非常高，比如当离心加速度到达100g 时，500kg 的模型荷载就相当于原型 50t 的重力，而振动台输入的地震频率将为原型地震频率的 100 倍，振动历时为原型的 1/100，振动加速度为原型的 100 倍，因此振动台不但需要足够强度和刚度，还需要有足够的动力和激振装置，并精确地控制振动台的运动。

常规的土工离心机只能进行静力离心试验，振动离心机系统对制造技术、加工工艺、量测技术等要求比常规土工离心机系统高很多，但岩土工程和地震工程领域中存在更多的是动力问题。

早期的土工离心机均只能进行静力离心试验，受科学技术条件的限制，国际上直到 20 世纪 80 年代振动离心机系统的研究才广泛开展起来，至今振动离心机系统已经成为强大的试验技术手段用于研究地基、土工结构物的动力响应特性及稳定性分析等方面，振动离心机系统的发展历史上出现的振动台系统类型及特点如下：（a）机械式振动台系统最早也是最简单的机械式振动台系统是扳机弹簧式振动台系统，这一系统由英国剑桥大学 D.V.Morris 等人于 1979 年首先研制成功，该系统的基本工作原理是弹簧激振，可输入正弦波，正弦波的频率由模型质量、模型箱质量和弹簧刚度共同决定，这一振动台系统的优点是结构简单，操作方便，重量轻，价格便宜；缺点是出力小，振动频率低，只能实现正弦波振动，幅值衰减严重，试验过程中不能反复加载。

1981 年英国剑桥大学由 Kutter 等人又研制出另一种新型机械式振动台系统——颠簸道路式振动台系统，这一系统由一个安装在离心机室墙壁上的波浪形轨道和一个安装在离心机转臂末端的轮子组成，它的基本工作原理是：在离心机运转过程中，轮子在轨道上产生相对于离心机的径向运动，轮子的径向运动再通过一组曲柄、导杆机构转化成模型箱及模型的切向振动，实现所需功能。

这一系统的优点是：1.振动频宽大，最高可达 150Hz;2.出力大，稳定性好，可为 135kg 的模型提供 20g的振动加速度；3.试验允许离心加速度大，可达 100g；4.能够模拟多种地震；这一系统的缺点是输入波形由导轨波形决定，波形改变缺乏灵活性；振动频率取决于离心机转速，波形噪音大，使用寿命短。

1988 年日本工业大学研制出了凸轮——杆式振动台系统。

这一机械式振动台系统由凸轮连杆装置、印刷电机和振动传动支架三部分组成，振动的频率及幅值取决凸轮连杆的离心率和电机转速。

这一系统的优点是试验具有可重复性，费用低；缺点是输入波形受限，仅用于简单试验和离心机动态性能研究。

（b）爆炸式振动台系统1981 年法国阿基坦科技中心由 Zelikson 等人成功研制了爆炸式振动台系统，这一系统由一个狭长铝合金模型箱和其尾部的延长部分组成，延长部分用于放置炸药源和滤波器，其基本工作原理就是电控炸药爆炸，释放能量以激发模型振动。

这一系统的优点是结构简易、造价低、重量轻，振动可数字化控制，能激振大质量模型；缺点是：试验可重复性差，振幅难以精确控制，点火装置需特制，安全性差，每次试验需更换药量，在一般试验室中难以实现。

（c）压电式振动台系统1982 年美国加州大学戴维斯分校由 Arulanandan 等人成功研制了压电式振动台系统，这一系统是由多层压电陶瓷元件叠加而成。

压电陶瓷元件是一种人工极化的晶片，当晶片表面有电场通过时其自身就会发生变形，其变形量与晶片表面通过的电场量级成比例。

该系统的基本工作原理是提供给压电陶瓷元件一个变化电场使之产生所期望的变形。

这一系统的优点是能够产生随机振动、体积小，重量轻，造价低，振动可数字化准确控制，可产生高频振动；缺点是难以产生较低频的振动，需要高电压，无功电力损耗大；产生的能量有限，只能用于小质量模型试验。

（d）电磁式振动台系统1991 年日本中央大学由 Fujii 等人成功研制出了电磁式振动台系统，这一系统由一对耦合的磁线圈组合而成，一个磁线圈通交流电被固定在吊篮的底板上，另一个磁线圈通恒定的直流电被固定在振动台台面上。

该系统的基本工作原理就是通过交流磁线圈极性的变化，两个磁线圈产生吸引和排斥，从而推动振动台和模型及模型箱运动。

这一振动台系统的主要性能参数为：最大动态离心加速度 50g，最大出力 2KN，振动频率 50~300Hz，位移幅值是±5mm，该振动台系统的优点是结构简单，易于操作和维护，振动可数字化控制，出力较大，振动频率宽；缺点是重量大，尺寸大，电流大，能产生的最大加速度较小，交流电对量测试验数据有干扰。

（e）电液式振动台系统1983 年美国加州理工大学由 Aboim 等人最早成功研制出了电液式振动台系统，这一振动台系统由振动台面、作动器、伺服阀、反馈装置、液压缸、动力源、计算机和控制软件等组成。

该系统的基本工作原理是采用液压伺服自动控制系统控制高压蓄能器在瞬间释放油压，驱动作动器完成预设的输入波，带动模型及模型箱运动。

这一振动台系统的优点是能够产生各种振幅及振动频率的任意振动波形，能精确地复现地震波，出力大，能激振很大荷载，可以进行无限次的地震模拟；缺点是结构复杂，造价高，需要较高的制造技术和维护技术。

由于电液式振动台系统灵活性好，能够很好地满足动力离心模型试验的要求，在随后近三十年里该振动台系统得到了广泛快速地发展，如美国、日本、英国、法国、荷兰、新加坡等国都相继建立了带有电液式伺服振动台的振动离心机系统。

目前美国和日本是拥有电液式振动台最多的国家。

国际上已建造用于离心机的振动台性能及其测试结果表明，电液式振动台为目前最为流行、最为先进、最为理想的离心机用振动模拟系统。

它的发展已从水平单向振动发展到水平双向振动和垂直+水平 2D 振动，如：美国加州大学戴维斯分校（UC Davis，University of California, Davis）振动离心机系统拥有垂直+水平 2D 振动台，伦斯勒工学院（RPI，Rensselaer Polytechnic Institute，Troy）振动离心机系统拥有水平双向振动台。

振动台的振动方向分为三种：切向方向（X）、径向方向（Y）和垂直方向（Z），参见图 1.2。

1.切向方向（X），此方向所模拟的振动存在径向科里奥利力的变过载与振动的复合，低频共振现象严重，因此水平单向振动台一般不采用此方向，仅在水平双向振动时选用此振动方向。

2.径向方向（Y），由于离心力作用在该振动方向上，振动台需有克服离心力作用的设施。

3.垂直方向（Z），选用该方向振动时要避开离心机转臂在低频段工作，以免出现共振，影响离心机的稳定性，在其他振动频率段则可避免较大离心力作用在振动方向上。

图1.1 振动台振动方向2 振动离心机基本构成和工作原理2.1 振动台的基本构成振动离心机系统基本构成一般包括四大部分：A.离心机系统，其基本结构通常由转动系统（包括吊篮、转臂、减振装置、平衡配重和不平衡力检测系统等）、传动系统（包括驱动系统、转臂支承、主轴及轴承、冷却系统等）、监控系统（包括计算机、控制装置和控制软件等）三个子系统组成。

B.振动台系统，目前国际上最为流行、最为先进的是电液式振动台系统，其结构一般由台体、电液激振系统、动力油源系统（包括油源、泵站、伺服控制系统等）和控制系统（包括控制柜、计算机等）四部分组成。

C.试验辅助系统，其基本组成包括数据采集系统、摄影摄像系统、模型箱和制样设备等；D.土建配套设施，其基本构成见图 2.1。

图2.1 振动离心机系统基本构成振动离心机系统在机械设计方面的主要特点有：转动半径大且离心加速度高，结构复杂且尺寸紧凑，振动负载大且振动频率高，任意振动波形且试验周期短，安全可靠性要求很高，运行精度与稳定性要求严格，制造技术和维护技术难度大。

综合考虑以上主要特点，振动离心机系统的设计应遵循以下基本机械设计原则：（1) 优化设计指标，研究学者或工程师们提出的设计指标主要是基于工程设计和理论研究需要出发考虑，而对于振动离心机的整体结构与制造工艺却不能给予全面地考虑。

因此设计者们应依据主要指标进行振动离心机的结构方案设计，在保证实现主要功能的前提下重新协调设计参数，使所设计的振动离心机系统既能满足土工试验的需要，又具有良好的工艺性能、合理的整体结构和优越的经济指标。

（2) 提高设备的机械性能，在设计过程中首先要进行试验比较和理论分析，弄清机械结构危险区的应力、应变、变形状态以及整体的稳定性分析。

从而改善应力集中部位的受力条件，合理选择设计载荷和安全系数，确定各部件的应力水平和使用寿命。

其次精心计算关键组成部件的强度、刚度，并对受交变应力作用的主轴、吊篮铰轴、主轴轴承等部件进行动应力分析计算、疲劳强度计算。

依此设计合理的截面尺寸与形状，改善结构的受力状态和动态特性参数，提高整机的固有频率和系统的动刚度。

最后尽可能减少结构组成部件的数量，合理地选择各部件之间的连接和固定方式，减少和避免不必要的附件约束与附加应力。

另外，还应设置动平衡系统，以保证设备运转的安全性、稳定性和可靠性，提高试验的精度。

3) 改善主机室内的空气动力特性，主机室内振动离心机在运行中消耗的总功率由三部分组成：气动功率、惯性功率和摩擦功率。

在启动阶段气动功率与离心机角速度的三次方成正比，主机转臂的角速度是主要因素。

在稳速阶段，惯性功率减小为零，角速度不变，风阻是主要因素。

因此须要精心设计转臂、吊篮等部件的几何外形与迎风面积，为转臂和吊篮加装整流罩，对于减少振动离心机运行过程中气动功率的损耗意义显著。

另外，主机室的土建设计应按照空气动力学进行优化以改善机室内空气流场的工作条件，同时还需考虑主机的安装方便。

2.2 动力离心模型试验原理动力离心模型试验的基本原理是通过高速旋转的离心机使试验模型处于 n倍于重力场（g）的离心加速度场（ng）中，使模型内各点应力达到与原型相同的水平，然后在试验模型底部施加地震波或其他振动荷载，通过试验数据采集系统、摄影摄像观测系统等监测设备准确记录、直观观测动力荷载作用下试验模型的各种变化，从而再现土体和土工结构物在原型应力水平下的应力应变特性、振动稳定性以及破环机理等。

动力离心模型试验作为一种可再现原型动力特性的试验手段，是研究岩土工程和土工抗震中土体和土工结构物动力特性最有效、最先进的研究方法和技术手段。

其主要考虑土工材料的非线性和自重应力对土体和土工结构物的影响，根据离心力场和重力场等价原理，把经过 1／n缩尺的土体模型或土工结构物模型放置于离心加速度为 ng 的高离心力场中，并保证模型和原型二者相应点处的应力应变相同、变形相似、破坏机理相同。