大型動力離心機(jī)設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究

王永志

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

大型動力離心機(jī)設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究

王永志

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

按照裝備振動臺與否，土工離心機(jī)大致可分為靜力試驗(yàn)離心機(jī)和動力試驗(yàn)離心機(jī)（也稱離心機(jī)振動臺）兩大類，本文將后者簡稱為動力離心機(jī)。動力離心機(jī)（dynamic centrifuge）是目前國際公認(rèn)研究巖土地震工程和土動力學(xué)最先進(jìn)、最有效的科學(xué)試驗(yàn)平臺，而我國僅擁有數(shù)臺輔助建設(shè)的中小型動力離心機(jī)設(shè)備，且主要技術(shù)指標(biāo)與國際存在很大差距。國內(nèi)大型動力離心機(jī)則為空白，這與我國遼闊的地域、復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及嚴(yán)峻的地震形勢十分不相稱。大型動力離心機(jī)系統(tǒng)十分復(fù)雜而龐大，涉及技術(shù)多，成功經(jīng)驗(yàn)少，建設(shè)過程具有問題多、難度大、歷時長、花費(fèi)高等特點(diǎn)。全球僅有兩臺大型動力離心機(jī)，且自建設(shè)后一直不斷改進(jìn)，其中UC Davis大型動力離心機(jī)建設(shè)周期累計(jì)長達(dá)16年。國際當(dāng)前動力離心機(jī)研制技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)均不成熟，尚處于初級發(fā)展階段，而國內(nèi)對大型動力離心機(jī)的認(rèn)識僅限于對指標(biāo)和功能的了解，缺乏系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)理論研究。

本文以國內(nèi)對大型動力離心機(jī)的迫切需要為背景，以中國地震局工程力學(xué)研究所DCIEM-40-300大型動力離心機(jī)建設(shè)為藍(lán)本，就大型動力離心機(jī)的設(shè)計(jì)理論和關(guān)鍵技術(shù)展開研究，確定關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，剖析主要難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，對其中關(guān)鍵問題進(jìn)行系統(tǒng)地分析、建模、推導(dǎo)、計(jì)算和驗(yàn)證。完成的主要工作和成果如下：

（1）詳細(xì)總結(jié)了國內(nèi)外動力離心機(jī)及土工離心機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了兩者性能評價指標(biāo)差異和規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)。闡述了動力離心機(jī)研制技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的當(dāng)前研究進(jìn)展，指出了國內(nèi)動力離心機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)方向與趨勢。提出了中國地震局工程力學(xué)研究所DCIEM-40-300大型動力離心機(jī)的功能設(shè)計(jì)指標(biāo)，闡明了其總體規(guī)模和功能特點(diǎn)。

（2）密切跟蹤國際相關(guān)技術(shù)最新發(fā)展，剖析了國際上僅有的UC Davis和PWRI兩臺大型動力離心機(jī)設(shè)備建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)方法。分析了大型動力離心機(jī)系統(tǒng)主要部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動約束及功能條件的內(nèi)在影響和制約。確定了4個子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，指出了離心振動臺是整個系統(tǒng)的研制核心。

3針對大型動力離心機(jī)的研制核心深入研究高振動容量和高振動負(fù)載下離心振動臺設(shè)計(jì)的新問題和主要難點(diǎn)，引進(jìn)融合國際最新技術(shù)，提出了大型離心振動臺整體和主要部件的總設(shè)計(jì)新方法與基本理論。以DCIEM-40-300大型動力離心機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)為樣本，提出了設(shè)計(jì)思路與基本方法，給出了主要部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定和元件選型，計(jì)算了負(fù)載特性及安全校核。建立和求解了等效吊籃質(zhì)量計(jì)算模型和公式。

（4）以大型離心振動臺總體設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，分等級建立和求解了3種離心振動臺動力分析模型和傳遞函數(shù)，給出了3類不同設(shè)計(jì)條件下離心振動臺液壓機(jī)構(gòu)基本動力特性。以DCIEM-40-300設(shè)計(jì)指標(biāo)為樣本，利用求解出的傳遞函數(shù)，分析了吊籃主要參數(shù)對離心振動臺動力性能的影響規(guī)律，提出了改進(jìn)離心振動臺動力性能的設(shè)計(jì)方法。

（5）建立了離心振動臺與吊籃伺服控制動力仿真模型，研究了離心振動臺3參數(shù)反饋／輸入伺服控制設(shè)計(jì)方法，提出了最佳參數(shù)求解標(biāo)準(zhǔn)。給出了動力離心試驗(yàn)功能要求下，現(xiàn)有伺服控制理論拓展液壓系統(tǒng)頻寬和提高穩(wěn)定性的最大能力，探討了大型離心振動臺電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。

（6）研究了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)環(huán)境條件、功能要求及傳感器設(shè)計(jì)問題，提出了一種多信號類型、不等數(shù)量線制、多通道復(fù)用式的大型動力離心試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。研究了理想條件下試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞脑O(shè)計(jì)要求，給出了多種結(jié)構(gòu)型式，提出了一套柔性剪切模型箱設(shè)計(jì)的新方法和基本理論。提出了試驗(yàn)圖像采集系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)方法。

（7）研究了設(shè)備總體結(jié)構(gòu)布局方法和土建設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題。分析了設(shè)備基礎(chǔ)荷載條件和發(fā)生方式，建立了大型動力離心機(jī)基礎(chǔ)振動分析模型和計(jì)算方法，提出了DCIEM-40-300基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。建立了風(fēng)阻功率的計(jì)算模型，推導(dǎo)出了其解析計(jì)算公式，提出了便于工程應(yīng)用的簡化計(jì)算方法，解釋了主機(jī)室空氣運(yùn)動的內(nèi)在機(jī)理。

大型動力離心機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)；設(shè)計(jì)理論；計(jì)算模型；傳遞函數(shù)；影響參數(shù)；優(yōu)化方法

（作者電子信箱，王永志：yong5893741＠163.com）

TU415；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.05.012