周 辀，王小群，周 彬，朱 雷，沈 曼，崔亞昆

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都610059；2.成都空氣壓縮機成套設(shè)備有限公司，成都610041）

0 引言

地震模擬振動臺是地震工程研究工作中的重要試驗設(shè)備，其可以很好地再現(xiàn)地震過程并且進(jìn)行大量人工地震動試驗，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動力特性、設(shè)備抗震性能、結(jié)構(gòu)抗震措施檢驗，以及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機理等研究中［1］。

國外發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)50年代開始對多軸振動試驗系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究［2］。至今生產(chǎn)了如美國的MTS、英國的Instron、瑞士的 Amsler、德國的Schench等系列的振動臺產(chǎn)品。20世紀(jì)60年代末期美國的加州大學(xué)伯克利分校建成了第一臺水平和垂直同時工作的6.1m×6.1m雙向地震模擬振動臺。日本國立防災(zāi)科學(xué)技術(shù)中心建成了當(dāng)時世界上最大的15m×15m臺面、載重1 000T的垂直或水平單獨工作的大型地震模擬振動臺［3］。

我國的振動臺發(fā)展自20世紀(jì)60年代開始。1966年由機械部和電子部合作，研制出我國第一臺國防系統(tǒng)專用的2000kN電液式振動臺。上海同濟大學(xué)從美國MTS公司引進(jìn)了4m×4m的雙向水平地震模擬振動臺，后改造為三向六自由度［4］。中國水科院從德國SCHENCK公司引進(jìn)了5m×5m三向六自由度地震模擬振動臺。大連理工大學(xué)從美國MTS公司引進(jìn)3m×3m單向水平振動臺。1987年哈爾濱建筑大學(xué)利用從德國進(jìn)口的激振器配套研制成功3m×4m單向水平振動臺。此外，中國建筑科學(xué)研究院、南京工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)等科研院所均從國外引進(jìn)成套或部分振動臺［5－9］。

成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室固定研究人員黃潤秋、徐進(jìn)、賈成功、付小敏于2004年成功研制出兩向三自由度彈簧式地震模擬振動臺并獲得發(fā)明專利（專利申請?zhí)枺篊N200410081339.5）［10］。該設(shè)備系液壓施加初始位移、液壓鎖緊、瞬間釋放型彈簧式地震模擬振動臺，是用于對“在豎直平面內(nèi)相互垂直的2個簡諧振動運動合成”的特征進(jìn)行模擬的機、電、液一體化試驗設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、容易操作、造價較低、維修簡單、同一模型可進(jìn)行多次振動試驗，尤其對于地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)破壞啟動機制的模擬，其波形仿真度高，是一臺性價比較高的地震模擬振動研究設(shè)備。

1 振動臺工作原理及操作步驟

1.1 技術(shù)規(guī)格

1.1.1 振動系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

外形尺寸：1 897mm×1 444mm×1 278.5mm，臺面尺寸：1 000mm×1 000mm，配重變矩：0～30mm，試件重心位置調(diào)節(jié)范圍：0～30mm（絲杠調(diào)節(jié)），可選試件重量：3kN、6kN、9kN、12kN。主要振動參數(shù)：1）振動頻率：2～6Hz；2）最大振幅：50mm；3）初始位移：0～50mm；4）相位差：0～π／2；5）運動軌跡：直線、斜線、圓、橢圓、隨機。

1.1.2 液壓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

主液壓泵為：軸向柱塞泵，型號：2.5MCY 14－1B，工作壓力：P＝16MPa，流量：Q＝3.75L／min。主泵電機，型號：Y 100L1－4－B5，功率：N＝2.2kW，轉(zhuǎn)速：n＝1 460rpm?？傮w尺寸，油箱部分尺寸：700mm×700mm×500mm，泵站部分尺寸：700mm×700mm×1 420mm。（地震模擬振動臺系統(tǒng)布置如圖1所示）。

圖1 地震模擬振動臺系統(tǒng)總體布置圖

1.2 工作原理

試驗采用的原理是“同頻率的2個簡諧振動的運動合成”，根據(jù)初始相位和振幅不同，可產(chǎn)生不同形狀的軌跡。在水平與豎直方向上均采用若干彈簧并聯(lián)的形式。具體工作原理如下：

電氣系統(tǒng)工作電壓為380V，用于驅(qū)動電機（如圖2），為整個振動臺系統(tǒng)提供動力支持。液壓系統(tǒng)中油箱添加的YC－N46低溫液壓油至油標(biāo)中間位置處，并為蓄能器充入10.24MPa的氮氣。通過調(diào)整水平油缸（如圖3）進(jìn)油管上的節(jié)流開關(guān)（如圖2）和垂直油缸（如圖3）進(jìn)油管上的開關(guān)（如圖2（a），2個），可以控制水平油缸的移動速度以及垂直油缸的移動速度，并使垂直油缸同步升降。

通過電機輸出動力，驅(qū)動液壓系統(tǒng)工作，首先，控制水平油缸移動使振動臺水平位移預(yù)定值（0～50mm），隨后控制垂直油缸移動使頂升振動平臺至預(yù)定高度值（0～50mm）；然后，通過蓄能器（如圖2（a））蓄能，同時注意觀察蓄能器上的壓力表（如圖2（b）），用蓄能器系統(tǒng)的溢流閥（如圖2（b））調(diào)節(jié)，使蓄能器的壓力上升始終至12～14MPa，為接下來夾緊裝置（如圖4）的快速運轉(zhuǎn)提供足夠的壓力；之后，繼續(xù)用電機驅(qū)動液壓系統(tǒng)，使夾緊裝置工作，并夾緊振動平臺；最后，控制水平油缸和垂直油缸與振動平臺分離至初始位置，為振動平臺的振動提供足夠的空間，緊接著，控制夾緊裝置放松，之前蓄能器中的壓力會迅速將夾緊裝置的液壓油頂回至油缸，使夾緊裝置的放松過程極為迅速。振動平臺由于突然失去夾緊裝置的約束，而只受到水平彈簧、豎直彈簧的彈簧力，以及自身的重力作用，便會在水平方向、豎直方向產(chǎn)生簡諧振動，從而模擬地震。

圖2 液壓系統(tǒng)圖（該系統(tǒng)中電磁換向閥共4個，溢流閥2個，截止閥及單向閥各1個）

圖3 水平、頂升油缸各狀態(tài)示意圖

圖4 夾緊裝置圖（夾緊裝置位于水平油缸兩側(cè)試件平臺下方）

1.3 操作步驟

1）確保振動平臺位于承重轉(zhuǎn)銷上。

2）根據(jù)每次試驗的試件重量，更換垂直彈簧組、水平彈簧組（試件質(zhì)量為3kN、6kN、9kN和12kN時垂直與水平彈簧組配置分別為：6根Ф12＋4根Ф14、8根Ф12＋4根Ф16、10根Ф12＋4根Ф18。注：當(dāng)試件為12kN時，垂直彈簧及水平彈簧仍使用試件為15kN時的一組）及相應(yīng)的負(fù)載圍框（如圖5）。

圖5 負(fù)載圍框?qū)嵨锛熬幪柺疽鈭D（負(fù)載圍框的搭配方式僅限于A、B、A＋B、C、D、C＋D、E、F、E＋F，不可任意搭配。A、B為1m×1m，C、D為1m×0.8m，E、F為1m×0.5m）

3）放置試件并使試件重心略向液壓站方向偏移。

4）適當(dāng)調(diào)節(jié)各配重盤在絲杠上的位置（如圖6），盡可能使振動平臺上表面水平，使各垂直向彈簧承重均勻。

圖6 配重絲杠及配重盤實物圖（液壓站和水平油缸側(cè)各分布一組配重絲杠及配重盤）

5）按下控制臺上（圖7）的“油泵啟動”按鈕，啟動油泵。

圖7 振動機控制臺控制面板圖

6）將控制臺上控制升降的旋鈕置于“上升”檔，頂升振動平臺，并向內(nèi)撥動承重轉(zhuǎn)銷。然后將該旋鈕置于“下降”檔，使振動平臺緩慢下降至垂直向彈簧平衡。

7）根據(jù)試驗試件的重量，調(diào)整好滑槽的垂直位置。（承重轉(zhuǎn)銷、栓銷座及滑槽如圖8所示）。

圖8 承重轉(zhuǎn)銷、栓銷座、滑槽圖（承重轉(zhuǎn)銷及栓銷座分布于水平油缸兩側(cè)，承重轉(zhuǎn)銷共4個，栓銷系統(tǒng)共2個）

8）將控制臺上控制水平運動的旋鈕置于“前進(jìn)”檔，使振動臺水平位移預(yù)定值，旋入栓銷座上的止銷（如只做水平方向、只做垂直方向，水平和垂直合成的斜線方向，都不用將止銷旋入而頂出栓銷）再調(diào)整栓銷座的水平位置，使栓銷頭部剛好位于滑槽正上方與滑槽的安裝底板間隙1mm，并固定栓銷座。

9）將控制臺上控制升降運動的旋鈕置于“上升”檔，頂升振動平臺至預(yù)定高度值。

10）關(guān)閉液壓站的截止閥，然后將控制臺上控制蓄能的旋鈕置于“啟動”檔。

11）將控制夾緊裝置的旋鈕置于“夾緊”檔，夾緊振動平臺。

12）退出栓銷座上的止銷，使頂升油缸和水平油缸復(fù)位。

13）開始試驗時將控制臺上的控制夾緊的旋鈕置于“放松”檔，振動試驗開始，直至振動完全停止。

2 振動臺系統(tǒng)維護(hù)及常見問題解決

2.1 振動臺系統(tǒng)維護(hù)

2.1.1 振動系統(tǒng)的維護(hù)

1）定期對蓄能器進(jìn)行氣壓檢查，1個月以上時間不用時，用充氣工具放掉蓄能器皮囊內(nèi)的氮氣。2）保證直線軸光滑、直線軸承及平動框架下的滾輪軸承潤滑良好。3）每半年更換一次液壓油。4）定期對液壓站各閥及管路接頭進(jìn)行泄露檢查。5）栓銷潤滑，保證進(jìn)退自如。6）絲杠絲母加油潤滑，轉(zhuǎn)動靈活。7）平動臺下面的掛鉤、滑槽加油潤滑，保證在絲杠轉(zhuǎn)動時，臺板移動。

2.1.2 液壓系統(tǒng)的維護(hù)

即使再優(yōu)秀的液壓設(shè)備，如果只使用而不注意維護(hù)保養(yǎng)，就會發(fā)生故障，而不得不停機檢修。因此，日常的保養(yǎng)和檢查就顯的尤為重要。此外，保養(yǎng)還能使設(shè)備處于良好的性能狀態(tài)，可以延長設(shè)備的使用壽命。

1）冬季室內(nèi)油溫未達(dá)到25℃時，不允許進(jìn)行操作程序，夏季油溫高于60℃時，要注意系統(tǒng)的工作狀況。2）停機4小時以上的設(shè)備，應(yīng)先使泵空載運轉(zhuǎn)5min，再按程序進(jìn)行操作。3）不允許調(diào)整電控系統(tǒng)的互鎖裝置、損壞或任意移動各限位擋塊的位置。4）各種液壓元件不允許任意調(diào)節(jié)或拆換。5）初次使用液壓系統(tǒng)半年更換1次液壓油，以后每年更換1次液壓油。6）定期對液壓系統(tǒng)的元件、輔件進(jìn)行檢查。

2.2 振動臺常見問題解決方法

2.2.1 試件平臺傾斜或振幅不合適

當(dāng)試件的重量與彈簧強度不符或試件的重心不處于平臺中心時，就會出現(xiàn)振動臺試件平臺傾斜或振幅不合適，導(dǎo)致振動臺模擬振動的波形仿真度失真，將嚴(yán)重影響其工作質(zhì)量及試驗效果。出現(xiàn)這一問題，必須要按照對彈簧及配重盤的規(guī)定進(jìn)行嚴(yán)格的配重，詳細(xì)配重方法如圖9所示。

圖9 垂直、水平彈簧組（頂升油缸上升使垂直彈簧拉伸至250mm，空載狀態(tài)時垂直彈簧被壓縮至200mm）

1）動舉升油缸，使平臺升至最高處。2）取下原來的垂直彈簧。3）取下配重盤。4）更換配重盤，并裝上配重軸。5）安裝垂直彈簧。6）舉升油缸復(fù)位。7）啟動水平油缸使平臺移動至最遠(yuǎn)。8）取下水平油缸一側(cè)的水平彈簧。9）水平油缸復(fù)位。10）更換液壓站一側(cè)的水平彈簧。11）先裝上液壓站一側(cè)的水平彈簧。12）再啟動水平油缸使平臺移動至最遠(yuǎn)。13）最后裝上水平油缸一側(cè)水平彈簧。14）水平油缸復(fù)位。

2.2.2 夾緊裝置故障（夾緊裝置如圖3所示）

由于該系統(tǒng)是采用液壓施加初始位移、液壓鎖緊、瞬間釋放型彈簧式地震模擬的工作原理，故該系統(tǒng)的夾緊裝置在液壓鎖緊狀態(tài)時就顯得至關(guān)重要，直接關(guān)系到振動臺模擬振動階段的初始能量是否達(dá)到工作需要。出現(xiàn)夾緊裝置故障是由于夾緊裝置與機械系統(tǒng)之間摩擦系數(shù)減小，可按如下方法進(jìn)行處理：

1）用頂升油缸將振動平臺上升至最高位置，轉(zhuǎn)動承重轉(zhuǎn)銷，確保振動平臺位于承重轉(zhuǎn)銷上。保證模型裝放不晃動、可承重。

2）將夾緊裝置拆下，清洗剎車片表面及機械系統(tǒng)于之接觸表面，把清洗完畢的夾緊裝置重新安裝完畢。（若這一步驟不能排除故障，繼續(xù)進(jìn)行下一步操作）

3）將夾緊裝置拆下，清洗機械系統(tǒng)與夾緊裝置接觸的表面。

4）用氧乙炔切割槍噴射剎車片背部的金屬外殼，至剎車片脫落。

5）使用數(shù)控機床將EQ145卡車剎車片切割成直徑100mm，厚度10mm的圓柱狀剎車片。

6）使用環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑將切割完畢的剎車片與夾緊裝置粘接24h以上。

7）重新安裝夾緊裝置。

2.2.3 液壓系統(tǒng)常見問題及排除方法（液壓系統(tǒng)如圖2所示）

2.2.3.1 液壓泵常見問題及排除方法

液壓泵是振動系統(tǒng)的動力傳輸裝置，若液壓泵出現(xiàn)故障會使振動系統(tǒng)動力不足，水平油缸、頂升油缸及夾緊裝置等都無法正常工作，導(dǎo)致整個振動系統(tǒng)失效。液壓泵常見問題及排除方法如下：

1）液壓泵不出油。當(dāng)傳動泵的電機轉(zhuǎn)向錯誤時，將使電機反向。當(dāng)油箱內(nèi)的液面太低時，應(yīng)加入適量的液壓油。當(dāng)吸油管或過濾器堵塞時，應(yīng)清洗過濾器及吸油管，去除雜物。當(dāng)液壓泵從吸油管吸入空氣時，應(yīng)檢查何處漏氣，并修理。當(dāng)油泵轉(zhuǎn)速太低時，應(yīng)提高轉(zhuǎn)速。當(dāng)油液黏度太高時，應(yīng)更換推薦的液壓油。當(dāng)葉片泵的葉片不正常時，應(yīng)檢查葉片泵。

2）液壓泵漏油。當(dāng)液壓油的黏度太低時，應(yīng)檢查并更換液壓油。當(dāng)液壓泵密封圈損壞時，應(yīng)檢查并更換密封圈。

3）液壓泵不升壓。當(dāng)因泵不出油而不升壓時，應(yīng)按泵不出油的排除方法處理。當(dāng)溢流閥調(diào)定壓力太低時，應(yīng)調(diào)整溢流閥至合適的壓力。當(dāng)溢流閥閥座被雜物卡死時，應(yīng)清除溢流閥閥座上的雜物。當(dāng)液壓泵系統(tǒng)中有泄漏時，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行順次試驗檢查。當(dāng)系統(tǒng)中的油自由流回油箱，應(yīng)檢查系統(tǒng)中各處截止閥是否關(guān)閉，換向閥是否在正常位置。當(dāng)端蓋未能擰緊時，應(yīng)緊固螺釘。

4）液壓泵動作不良。當(dāng)啟動時或寒冷時動作不良時，因油液黏度太高，應(yīng)更換合適的液壓油。當(dāng)液壓泵隨溫度上升，速度下降時，因泵的壓力低，閥、缸內(nèi)泄大，應(yīng)檢查速度控制的節(jié)流分路。當(dāng)液壓泵工作時跳動，是因油量不足，混入空氣，密封圈壓的太緊。當(dāng)速度低時速度不穩(wěn)定，是因節(jié)流閥開度太小，節(jié)流口損傷，應(yīng)排除或更換液壓油。

5）液壓泵有噪音。當(dāng)吸油管部分堵塞時，應(yīng)清除雜物使其通暢。當(dāng)吸油管吸入空氣時，應(yīng)全面檢查、堵漏。當(dāng)液壓泵的端蓋螺釘太松時，應(yīng)擰緊螺釘直至噪音停止。當(dāng)配油盤有雜物堵塞時，應(yīng)拆解并清除雜物。當(dāng)液壓油中有氣泡時，應(yīng)檢查回油管出口是否沒入油中，加長回油管。當(dāng)液壓油的黏度太高時，應(yīng)選用合適的液壓油。

6）液壓泵過度發(fā)熱。當(dāng)液壓油的黏度太高時，應(yīng)檢查油的質(zhì)量與黏度并改用推薦的液壓油。當(dāng)液壓泵內(nèi)部泄露過大時，應(yīng)檢查閥、缸的泄漏情況。當(dāng)液壓泵工作壓力太高，應(yīng)檢查壓力表及溢流閥的靈敏度。當(dāng)液壓泵散熱不良時，應(yīng)檢查油路是否短路，冷卻器通油狀況是否正常。當(dāng)卸荷回路動作不良時，應(yīng)檢查電氣回路、電磁閥、先導(dǎo)回路、卸載閥回路是否正常。

2.2.3.2 換向閥常見問題及排除方法

換向閥是液壓系統(tǒng)中的工作控制裝置，若換向閥出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致在控制臺對振動系統(tǒng)的一切操作在液壓系統(tǒng)中無法正常執(zhí)行，使整個液壓系統(tǒng)乃至振動系統(tǒng)失效。換向閥常見問題及排除方法如下：

1）操作閥不能動作。當(dāng)操作閥被堵塞時，應(yīng)拆開操作閥進(jìn)行清洗。當(dāng)操作閥變形時，應(yīng)重新安裝，使螺釘壓緊力均勻。當(dāng)彈簧折斷（有中位的閥）時，應(yīng)更換其中的彈簧。當(dāng)操縱壓力不夠（電液閥）時，應(yīng)使操縱壓力必須大于0.35MPa，中間位置卸荷時，請在回油路設(shè)置單向閥以產(chǎn)生備壓。

2）電磁閥線圈燒壞。當(dāng)電磁鐵燒壞時，應(yīng)更換電磁鐵。當(dāng)電壓太低時，應(yīng)調(diào)整電壓在額定電壓的10%以內(nèi)。當(dāng)換向壓力超過規(guī)定時，應(yīng)降低壓力。當(dāng)換向流量超過規(guī)定時，應(yīng)換通徑更大的閥。當(dāng)回油孔有背壓時，應(yīng)檢查背壓是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。當(dāng)粉塵阻滯運動時，應(yīng)拆卸清理。

3）壓力不穩(wěn)定。當(dāng)主閥動作不良時，應(yīng)參照上述壓力不穩(wěn)定的排除方法進(jìn)行排除。當(dāng)錐閥座不穩(wěn)定時，應(yīng)修理或更換錐閥。

2.2.3.3 單向閥常見問題及排除方法

單向閥是液壓系統(tǒng)中控制液壓油流動的控制裝置，若單向閥出現(xiàn)故障，蓄能器將無法進(jìn)行蓄能，水平油缸、頂升油缸及夾緊裝置等都無法進(jìn)行工作，導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)乃至振動系統(tǒng)失效。單向閥常見故障為發(fā)生異常聲音，當(dāng)因油流量超過允許值時，應(yīng)加大閥的通徑。當(dāng)因和別的閥發(fā)生共振時，應(yīng)改變彈簧的強弱。當(dāng)在卸壓單向閥中，沒有卸壓裝置時，應(yīng)安裝卸壓裝置。

2.2.3.4 溢流閥常見問題及排除方法

溢流閥是一種液壓壓力控制閥，在液壓系統(tǒng)中起定壓溢流作用，穩(wěn)壓，系統(tǒng)卸荷和安全保護(hù)作用。若溢流閥出現(xiàn)故障，輕則液壓系統(tǒng)無法正常進(jìn)行工作，重則液壓系統(tǒng)損毀。溢流閥常見問題及排除方法如下：

1）壓力太高或太低。當(dāng)因彈簧太軟或調(diào)節(jié)不當(dāng)時，應(yīng)更換彈簧或重新調(diào)節(jié)。當(dāng)因壓力表不準(zhǔn)時，應(yīng)檢查壓力表是否正常。當(dāng)因錐閥與錐閥座接觸不良時，應(yīng)檢查主閥小孔是否堵塞。當(dāng)錐閥座與主閥座損傷或有臟物時，應(yīng)清洗或更換閥座。

2）壓力表跳動或聲音異常。當(dāng)因主閥動作不良時，應(yīng)清洗或更換主閥。當(dāng)因錐閥異常磨損時，應(yīng)更換錐閥。當(dāng)因在出口油路上有空氣時，應(yīng)放出空氣。當(dāng)因流量超過允許值時，應(yīng)換大通徑閥，當(dāng)其與其他閥產(chǎn)生共振時，應(yīng)略加改變閥的調(diào)定壓力。當(dāng)回油不合適時，應(yīng)排除回油阻力。

3 結(jié)論

1）成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室自主研制的兩向三自由度彈簧式地震模擬振動臺為對地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的破壞研究提供了重要試驗平臺。

2）該地震模擬振動臺系液壓施加初始位移、液壓鎖緊、瞬間釋放型彈簧式地震模擬振動臺，其結(jié)構(gòu)簡單、容易操作、造價較低、可進(jìn)行較長時間的試驗，尤其對于地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)破壞啟動機制的模擬，其波形仿真度高。

3）該地震模擬振動臺發(fā)生常見問題，容易發(fā)現(xiàn)解決，維護(hù)成本低廉，性價比較高。

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