李春枝，牛寶良，黎啟勝

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

環(huán)境振動試驗和離心加速度試驗一般分時獨立進行，在實際工程中，振動和離心力通常是復合在一起的。由于大部分產(chǎn)品的工作環(huán)境是振動和線加速度同時作用的復合動態(tài)環(huán)境，在這種情況下采用分時獨立的試驗手段無法預測復合環(huán)境下設(shè)備的可靠性，因此利用振動離心復合環(huán)境試驗可預測在單一環(huán)境中不能估計的潛在故障[1]。近年來振動離心復合試驗系統(tǒng)的研制得到快速發(fā)展，其中一大部分研究方向是采用振動離心土工復合方法來研究巖土工程，即在高速旋轉(zhuǎn)中增加模擬模型重力的設(shè)計，以獲得期望模型同等重力，達到試驗研究模擬地震目的[2—8]。在研制大型振動離心復合系統(tǒng)中的振動激振系統(tǒng)設(shè)計安裝非常關(guān)鍵，一般振動激振系統(tǒng)設(shè)計順臂或垂臂安裝在離心機機臂上，目前較常見的安裝方式是采用吊籃裝置連接底板安裝振動激振試驗系統(tǒng)[9—11]。由于激振系統(tǒng)和離心機結(jié)構(gòu)連接處的剛度、阻尼不同，在高速旋轉(zhuǎn)離心場下，機臂和振動臺體連接裝置間容易產(chǎn)生振動耦合，若離心機臂擾度和轉(zhuǎn)角太大，會影響到離心振動復合功能的實現(xiàn)，可能會限制復合系統(tǒng)的某些能力。美國圣地亞實驗室曾通過采用多種激振方式對不同質(zhì)量的試件開展試驗研究，以此獲得振動離心試驗系統(tǒng)的設(shè)計能力及試驗結(jié)果，同時研究了在離心力場下對采用壓電式激振系統(tǒng)方式的復合工作能力及其局限性問題[12]。目前有文獻報道約20多臺大型離心機配備了振動臺等動力試驗設(shè)備[13—14]，由于理論不易真實地計算出當振動激振系統(tǒng)工作時對離心機機臂等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合響應的具體數(shù)值，而且有關(guān)試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)文獻國內(nèi)外報道較少。因此針對振動離心復合環(huán)境下對復合設(shè)備不同部位開展了比較詳細的試驗研究，獲得了振動臺體、離心機臂、連接裝置等不同部位的響應試驗數(shù)據(jù)和傳遞規(guī)律，為復雜系統(tǒng)設(shè)計及模型修改提供了分析依據(jù)。

1 復合振動試驗系統(tǒng)

振動試驗系統(tǒng)的三維示意如圖1所示，通過離心機吊籃裝置將振動試驗系統(tǒng)底座、控制系統(tǒng)、動力油源系統(tǒng)、動作系統(tǒng)安裝為復合振動激振系統(tǒng)[15]。采用垂臂安裝方式，臺體激振方向為圖1中z向所示，復合環(huán)境下的離心機和振動連接裝置會產(chǎn)生不同的耦合響應，若響應過大可能會使機臂產(chǎn)生垂向振動，進而影響連接裝置的振動特性[15]。文中針對離心振動復合機臂、連接裝置振動響應特性及傳遞規(guī)律開展了試驗研究。

圖1 振動試驗系統(tǒng)三維圖Fig.1 The 3D schematic of hydraulic vibration system

2 試驗儀器設(shè)備

試驗設(shè)備包括離心-振動試驗系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)由振動加速度傳感器、信號放大器以及數(shù)據(jù)采集儀組成。試驗目的是研究在不同離心加速度下結(jié)構(gòu)自身的振動響應大小以及在振動復合環(huán)境下從臺體到吊籃連接裝置、機臂端頭和機臂中部等的傳遞特性。為研究在不同離心加速度g值下實現(xiàn)振動復合功能，開展的試驗項目包括隨機復合振動、正弦拍波、地震波試驗等。試驗測試方向定義：沿徑向（離心方向）為x向，沿離心機機臂切線方向為y向，垂直于地基的方向為z向。測點位置如圖2所示，包括振動臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭、機臂中部位置。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 振動復合試驗及響應傳遞比

圖2 測點位置Fig.2 Measurement points

結(jié)合離心-振動復合工作狀態(tài)及測試目的分別在臺體表面、吊籃連接裝置、離心機機臂端頭、離心機機臂中部部位各安裝一只加速度傳感器，測量切向（y）、徑向（x）和垂直基座（z）三個方向的響應。表1列出了隨機振動復合條件下被測部位的響應大小以及沿臺體到機臂的傳遞比。從表1可以看出，振動響應沿臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到機臂中部逐級變小，在機臂中部處振動響應最小，響應沿連接裝置到機臂方向逐漸衰減；臺體加速度響應最大，沿徑向為17.7g，切向為7.41g，垂向為0.71g；機臂中部響應最小，徑向為0.09g，切向和垂向分別為0.19g和0.21g。表1數(shù)據(jù)說明了離心機機臂的徑向振動響應小于沿機臂切向和垂向的響應，機臂切向響應小于其垂向的振動，說明復合功能下振動導致的機臂擺振情況存在，但量級小，基本不會對復合試驗系統(tǒng)帶來影響。

表1 振動復合試驗數(shù)據(jù)Table 1 Data of the compound vibration test

通過計算復合振動響應傳遞比，以分析在復合功能作用下離心機結(jié)構(gòu)不同部位的振動特性傳遞規(guī)律，表2列出了振動復合試驗數(shù)據(jù)及其與振動臺體表面的徑向、切向傳遞比。從表2可以看出，在離心-振動復合功能運行時，分別沿徑向、切向的響應從臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到中部的傳遞比呈逐級衰減規(guī)律。

表2 振動復合試驗傳遞比Table 2 The transmissibility in the compound vibration test

3.2 正弦波試驗數(shù)據(jù)及加速度傳遞比

通過開展振動離心復合試驗的正弦拍波試驗，包括20，80 Hz兩個典型正弦波試驗。表3中給出了拍波試驗數(shù)據(jù)及其計算的加速度傳遞比，可以看出，20 Hz正弦波試驗中，機臂沿垂向的最大加速度響應為0.25g，沿切向加速度響應為0.34g；吊籃裝置沿垂向響應為2.5g，沿徑向響應為1.4g。在80 Hz拍波試驗中，機臂沿垂向的加速度響應為0.19g，沿切向響應為0.64g；吊籃裝置沿垂向響應為5.5g，沿徑向響應為3.2g。正弦拍波試驗中，吊籃沿垂向傳遞比為25%，沿徑向傳遞比為14.5%，沿切向傳遞比為14.5%。離心機結(jié)構(gòu)沿垂向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為3.1%。從試驗數(shù)據(jù)看，傳遞比隨正弦拍波頻率增加而變化。

表3 正弦拍波試驗數(shù)據(jù)及傳遞比Table 3 Data and the transmissibility in the sine wave test

3.3 沖擊地震波數(shù)據(jù)及響應傳遞比

根據(jù)試驗研究目的開展了2次典型沖擊地震波試驗，控制加速度實測分別為19g和18.2g。表4給出了地震波試驗中所得到的離心機機臂和吊籃裝置的加速度響應及傳遞比結(jié)果，從總體上說，響應從吊籃到機臂是呈衰減規(guī)律。其中，吊籃裝置沿徑向的最大加速度為2.1g，沿垂向最大加速度為4.1g，沿切向最大加速度為1.85g；而機臂結(jié)構(gòu)沿垂向最大加速度為0.24g，沿切向最大加速度為0.52g。吊籃連接裝置沿垂向最大響應傳遞比為21.5%傳遞比，徑向最大響應傳遞比為11.1%；機臂沿垂向最大響應傳遞比為9.4%，切向傳遞比為2.9%。

表4 地震波試驗數(shù)據(jù)及傳遞比Table 4 Data and the transmissibility in the seismic test

試驗結(jié)果表明，在振動離心復合功能運行時，振動響應沿臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到機臂中部逐級衰減，機臂中部處振動響應最小，響應傳遞比呈逐級衰減規(guī)律。振動復合試驗機臂沿徑向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為2.6%。離心機機臂的徑向振動響應小于沿機臂切向和垂向的響應，機臂切向響應小于其垂向的振動。這說明復合功能下振動導致的機臂擺振情況存在，但量級小，基本不會對復合試驗系統(tǒng)帶來影響。根據(jù)正弦拍波試驗結(jié)果，機臂沿垂向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為3.1%，而機臂響應的傳遞比隨拍波頻率增大而逐漸變化。這說明隨著振動復合試驗加載量級和加載的頻率增大，會對機臂振動響應產(chǎn)生影響，所以復合功能試驗時要注意量級和試驗條件加載等問題。地震波試驗機臂沿垂向傳遞比為9.4%，切向傳遞比為2.9%?？梢苑治龅贸觯陔x心振動復合功能加載時所產(chǎn)生的沿機臂切向扭矩較小，因此它對離心復合系統(tǒng)運行不會造成一定的安全風險。

4 結(jié)論

對離心-振動復合試驗系統(tǒng)工作狀態(tài)下的振動臺體、吊籃連接裝置、離心機機臂端頭及機臂中部的結(jié)構(gòu)振動響應情況及傳遞規(guī)律開展了復合振動、正弦拍波及沖擊復合試驗研究。根據(jù)激振系統(tǒng)在不同工況下，測量臺體、吊籃連接裝置、離心機機臂端頭及中部等加速度并計算其振動傳遞比。試驗結(jié)果亦表明振動響應沿臺體、吊籃連接裝置、機臂端頭到機臂中部逐級減小，響應傳遞比呈逐級衰減規(guī)律，為今后開展類似復雜系統(tǒng)設(shè)計及模型修改提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的參考價值。

[1] 宮曉春，朱曦全，胡彥平.離心振動復合環(huán)境試驗系統(tǒng)的動力學建模[J].強度與環(huán)境，2013，40（3）：15—16.GONG Xiao-chun，ZHU Xi-quan，HU Yan-ping.Dynamical Modeling of Centrifuge Force-vibration Compound Environment Experiment System[J].Journal of Structure&Environment，2013，40（3）：15—16.

[2] 侯瑜京.土工離心機振動臺及其試驗技術(shù)[J].中國水利水電科學研究院學報，2006，4（1）：15—17.HOU Yu-jing.Shaking Table and Its Experiment Technology of Geotechnical Centrifuge[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2006，4（1）：15—17.

[3] 王永志，袁曉銘，孫銳.40g-t水平單向離心振動臺總體設(shè)計方法研究[J].地震工程與工程振動，2011，31（6）：11—17.WANG Yong-zhi，YUAN Xiao-ming，SUN Rui.The Overall Design Method of the 40g-t Horizontal One-way Centrifugal Vibration Table[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2011，31（6）：11—17.

[4] CRAIG W H.Edouard Phillips and the Idea of Centrifuge Modeling[J].Geotechnique，1989（39）：679—700.

[5] 邢建營，邢義川，梁建輝.土工離心模型試驗研究的進展與思考[J].水利與建筑工程學報，2005，3（1）：27—31.XING Jian-ying，XING Yi-chuan，LIANG Jian-hui.Progress and Thought about the Research of Geotechnical Centrifuge[J].Journal of Water Conservancy and Construction Engineering，2005，3（1）：27—31.

[6] 周健，劉寧.離心模型試驗技術(shù)應用的新進展[J].上海地質(zhì)，2002（1）：52—56.ZHOU Jian，LIU Ning.New Progress in Application of Centrifugal Model Technology[J].Shanghai Geology，2002（1）：52—56.

[7] BRUCE L，DRISS I M.Design of a Large Earthquake Simulator at UC Davis[C]//Centrifuge 94.Balkema：Rotterdam，1994：169—175.

[8] 于玉貞，陳正發(fā).土工離心機振動臺系統(tǒng)的發(fā)展研究[J].水利水電技術(shù)，2005，36（5）：19—21.YU Yu-zhen，CHEN Zheng-fa.A Review on Development of Shaking Table System for Geotechnical Centrifuge[J].Water Presource and Hydroppower Engineering，2005，36（5）：19—21.

[9] 牛寶良，王玨.離心機上的垂直振動臺時域建模與仿真[J].長江科學院院報，2012（4）：75—76.NIU Bao-liang，WANG Jue.Time Domain Modeling and Simulation with Vertical Vibration Hydraulic Shaker on Centrifuge[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012（4）：75—76.

[10]王玨，牛寶良，胡紹全.離心場中二維地震模擬振動臺建模與仿真[J].機床與液壓，2008（10）：144—145.WANG Jue，NIU Bao-liang，HU Shao-quan.The Modeling and Simulation of a 2D Earthquake Simulation Shaker in Cengtrifuge[J].Journal of Machine Tool and Hydraulics，2008（10）：144—145.

[11]濮家騮.土工離心模型試驗及其應用的發(fā)展趨勢[J].巖土工程學報，1996 ，18（5）：92—94 PU Jia-liu.The Development of Geotechnical Centrifuge Model Test and Its Application[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1996，18（5）：92—94.

[12]RODGERS J D，CERICOLA F，DOGGETT J W，et al.Vibrafuge：Combined Vibration and Centrifuge Testing[C]//Shock and Vibration Symposium.VA：Virginia Beach，1989.

[13]孫銳，袁曉銘，王永志.NEES系統(tǒng)中振動離心機最新進展及國內(nèi)振動離心機發(fā)展設(shè)想[J].世界地震工程，2010（1）：31—39.SUN Rui，YUAN Xiao-ming，WANG Yong-zhi.The Latest Developments in the Vibration Centrifuge and the Development of the Domestic NEES System[J].World Earthquake Engineering，2010（1）：31—39.

[14]ZHANG Xiang-wu.Earthquake Simulation in Geotechnical Engineering[C]//The 9th Academic Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering.Beijing，2003：228—233.

[15]嚴俠，牛寶良，米曉兵.液壓振動臺試驗系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)集成設(shè)計[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（6）：274—275.YAN Xia，NIU Bao-liang，MI Xiao-bing.Integrated Design of Control System of Hydraulic Vibration Table[J].Equipment Environment Engineering，2008，5（6）：274—275.