大型動力離心機設(shè)計理論與關(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）

大型動力離心機設(shè)計理論與關(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，土工離心機大致可分為靜力試驗離心機和動力試驗離心機（也稱離心機振動臺）兩大類，本文將后者簡稱為動力離心機。動力離心機（dynamic centrifuge）是目前國際公認研究巖土地震工程和土動力學(xué)最先進、最有效的科學(xué)試驗平臺，而我國僅擁有數(shù)臺輔助建設(shè)的中小型動力離心機設(shè)備，且主要技術(shù)指標與國際存在很大差距。國內(nèi)大型動力離心機則為空白，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)濟建設(shè)以及嚴峻的地震形勢十分不相稱。大型動力離心機系統(tǒng)十分復(fù)雜而龐大，涉及技術(shù)多，成功經(jīng)驗少，建設(shè)過程具有問題多、難度大、歷時長、花費高等特點。全球僅有兩臺大型動力離心機，且自建設(shè)后一直不斷改進，其中UC Davis大型動力離心機建設(shè)周期累計長達16年。國際當前動力離心機研制技術(shù)和試驗技術(shù)均不成熟，尚處于初級發(fā)展階段，而國內(nèi)對大型動力離心機的認識僅限于對指標和功能的了解，缺乏系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計理論研究。

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

（1）詳細總結(jié)了國內(nèi)外動力離心機及土工離心機發(fā)展現(xiàn)狀，提出了兩者性能評價指標差異和規(guī)模劃分標準。闡述了動力離心機研制技術(shù)和試驗技術(shù)的當前研究進展，指出了國內(nèi)動力離心機發(fā)展的重點方向與趨勢。提出了中國地震局工程力學(xué)研究所DCIEM-40-300大型動力離心機的功能設(shè)計指標，闡明了其總體規(guī)模和功能特點。

（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設(shè)備建設(shè)經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計方法。分析了大型動力離心機系統(tǒng)主要部分的機械結(jié)構(gòu)、運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)計重點和難點，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的研制核心深入研究高振動容量和高振動負載下離心振動臺設(shè)計的新問題和主要難點，引進融合國際最新技術(shù)，提出了大型離心振動臺整體和主要部件的總設(shè)計新方法與基本理論。以DCIEM-40-300大型動力離心機設(shè)計指標為樣本，提出了設(shè)計思路與基本方法，給出了主要部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定和元件選型，計算了負載特性及安全校核。建立和求解了等效吊籃質(zhì)量計算模型和公式。

（4）以大型離心振動臺總體設(shè)計方法為基礎(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)計條件下離心振動臺液壓機構(gòu)基本動力特性。以DCIEM-40-300設(shè)計指標為樣本，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，提出了改進離心振動臺動力性能的設(shè)計方法。

（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)計方法，提出了最佳參數(shù)求解標準。給出了動力離心試驗功能要求下，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)計的優(yōu)化方法。

（6）研究了試驗數(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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方法。研究了理想條件下試驗?zāi)Ｐ拖涞脑O(shè)計要求，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)計的新方法和基本理論。提出了試驗圖像采集系統(tǒng)的基本設(shè)計要求和總體設(shè)計方法。

（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基礎(chǔ)振動分析模型和計算方法，提出了DCIEM-40-300基礎(chǔ)設(shè)計方案。建立了風(fēng)阻功率的計算模型，推導(dǎo)出了其解析計算公式，提出了便于工程應(yīng)用的簡化計算方法，解釋了主機室空氣運動的內(nèi)在機理。

大型動力離心機；關(guān)鍵技術(shù)；設(shè)計理論；計算模型；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；

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10.3969／j.issn.0235-4975.2014.05.012