高速阻尼器試驗系統及試驗精度控制研究

魯 亮 江 樂 翁大根 曹文清1, 朱曉兵 支曉陽 陳 亮

(1. 上海同濟建設工程質量檢測站，上海 200092； 2. 同濟大學結構工程與防災研究所， 上海 200092；3. 無錫市海航電液伺服系統股份有限公司，無錫 214027)

(A=300 mm, f=0.1 Hz)

(A=20 mm, f=0.1 Hz)

(A=20 mm, f=0.1 Hz)

高速阻尼器試驗系統及試驗精度控制研究

魯 亮1,2,*江 樂2翁大根2曹文清1,2朱曉兵3支曉陽3陳 亮3

(1. 上海同濟建設工程質量檢測站，上海 200092； 2. 同濟大學結構工程與防災研究所， 上海 200092；3. 無錫市海航電液伺服系統股份有限公司，無錫 214027)

對2000 kN高速阻尼器試驗系統的組成、特點、功能進行了介紹，特別是試驗臺架結構。分析了在進行黏滯阻尼器試驗時影響試驗數據精度的因素，這些因素包括液壓系統加載能力、加載臺架的剛度、試件安裝間隙和數據通道之間的采集時差等，并對這些因素進行了數值模擬，提出了解決措施。

電液伺服， 阻尼器， 試驗精度， 加載臺架

1 引 言

隨著結構控制技術在建筑和橋梁工程中的應用，各類阻尼器的使用越來越多，技術越來越成熟，大噸位的速度型阻尼器的應用范圍也隨之擴大。為了對各種材料大噸位阻尼器性能進行測試，就必須研究相應的大出力、大速度阻尼器試驗系統[1-3]。

國內高校、科研機構和生產廠家已建有多套阻尼器試驗系統，各具特點。本套2 000 kN高速阻尼器試驗系統主要在加載臺架結構上與現有系統相比有一定特色。加載臺架是用于安裝2 000 kN高速電液伺服作動器，并與之構成對阻尼器進行試驗的一個完整試驗臺。本套系統利用同濟大學已建成的泵源系統(600 L/min泵源、工作壓力28 MPa、4 000 L蓄能器組)、2 000 kN高速電液伺服作動器、MOOG控制器等，構建一套完整的2 000 kN阻尼器性能試驗系統，見圖1。

圖1 阻尼器性能試驗系統外觀圖

2 系統主體機械結構和主要參數

本系統中2 000 kN高速阻尼器試驗系統由液壓部分(包括液壓泵站、蓄能器組、伺服作動器、伺服閥、連接管路)、機械部分(主要是試驗臺架)、控制系統三部分組成。系統原理如圖2所示。

圖2 系統原理圖

2.1 系統機械結構參數

2 000 kN高速阻尼器試驗系統的加載臺架采用多組方鍵、鍵槽，動橫梁，加載橫梁，端橫梁和兩根大縱梁形成水平力封閉機構，兩根大縱梁上設置1 000 mm間距鍵槽，動橫梁上裝有升降機可使加載動橫梁上下移動，動橫梁選用不同位置高度的鍵槽，即可適應不同長度的試件。

2 000 kN高速電液伺服作動器固定在主橫梁側面，高速作動器上的法蘭用螺栓固定連接在主橫梁上，機械結構見圖3。

圖3 加載臺架

加載臺架技術參數如下：

(1) 加載臺架為臥式結構，且為自平衡受力體系，整體連接無間隙。

(2) 加載臺架能測試的試件長度0.4～5 m，臺架內凈寬度1 500 mm。

(3) 加載臺架能承受5 000 kN拉、壓載荷。

(4) 高速作動器的水平出力：F(動載拉壓)=±2 000 kN，F(靜載拉壓)=±2 800 kN。

(5) 高速作動器的最大行程±600 mm，作動器最大速度1.2 m/s。

(6)加載臺架動橫梁、固端梁和臺架加載縱梁的最大荷載變形小于1/1 500，最大可承受5 000 kN的靜載荷。

2.2 試件和載荷參數

2 000 kN高速阻尼器試驗系統所能測試試件的主要技術參數如下：

(1) 最大動載荷：2 000 kN。

(2) 試件最大長度：0～5 700 mm。

(3) 試件最大截面：1 600 mm×720 mm。

(5) 試件最大變形(活塞加載行程)：1 200 mm。

2 000 kN高速阻尼試驗系統的載荷參數如下：

(1) 最大動載荷：2 000 kN。

(2) 最大位移：±600 mm。

(3) 最大速度：1.2 m/s。

(4) 加載頻率： 0～5 Hz。

(5) 加載波形：正弦波、三角波、拍波、方波、斜波、隨機波、地震波。

2.3 2 000 kN動橫梁鎖緊機構

動橫梁機構是本套試驗系統的一個特色，現有阻尼器試驗系統一般采用固定橫梁機構或液壓抱柱橫梁機構。相對其他鎖緊方式，本系統的動橫梁鎖緊裝置更可靠、方便。

如圖4所示，試驗系統鎖緊機構由兩個鎖緊油缸、鍵槽、楔形塊和獨立的液壓源組成。在液壓源提供動力使鎖緊缸工作， 同時楔形塊插入鍵槽。楔形塊設計采用自鎖角小于6°，當液壓源不提供動力的時候也不會產生松脫現象。在阻尼器測試前進行預加載，楔形塊在鎖緊油缸的作用下,鎖緊間隙會始終減小最終達到鎖緊狀態。

圖4 動橫梁鎖緊機構

3 控制器和控制軟件

3.1 控制器簡介

2 000 kN高速阻尼器試驗系統的控制器采用“為操作者設計”的概念,可配置為1至32個伺服測試通道(模塊配置)；可以擴展多種信號輸入輸出卡，調理卡等；可以配置多站控制器MCU；機柜也可以擴展UPS，網絡路由器等集成MOOG公司獨特的帶“阻尼”功能控制算法實現閉環控制，非常容易調參和運行，特別在高頻條件下，具有極好的相關性，大大降低測試設置時間；可以完成力、位移和加速度控制。

控制器提供外接電阻雙向旁路標定功能，提供多路信號輸入(力、位移、加速度等)和外部模擬輸入端，直接驅動伺服閥±100 mA/±10V，電流驅動或電壓驅動，自帶監控模擬量輸出，可以將任意內部變量輸出。

3.2 控制軟件簡介

2 000 kN高速阻尼器試驗系統的控制軟件為MOOG-MITS 集成測試軟件包，主要功能為傳感器參數設定、試驗控制參數設定、試件安裝、試驗譜定義和編輯、控制方式選擇等。

為實現高速阻尼器試件的全曲線測量，本軟件設計了力控和位控兩種控制方式，操作人員可以在任何時間進行兩種控制模式的切換。在作靜力試驗時，對于試件屈服前即曲線的前段采用力控模式，在加載過程中同時跟蹤位置的變化及剛度的變化，當接近于屈服點時，由力控模式平滑切換為位移控模式，完成全曲線測量。切換過程中，軟件自動對控制參數做全面調整。由于控制系統切換速度很快，液壓系統由于慣性還來不及反應，而控制系統已完成了參數轉換，故此在切換過程中系統的抖動很小，可達到滿量程的1%。

在加載過程中，尤其是靜力加載過程，不僅要求各通道同時達到最大試驗荷載值，而且要求在加載過程中通道荷載保持一定的同步性。為解決這個問題，該軟件實時檢測各通道加載速度，并對加載速度進行調整，使各通道同步加載。類似的方法，該軟件也解決了頻率和相位的同步問題。

4 阻尼器試驗結果精度控制方法

本套2 000 kN高速阻尼器試驗系統可以完成包括黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器、防屈曲約束支撐等在內的各種耗能裝置的測試。

在試驗過程中，有時得到的試驗曲線與理論計算曲線差別較大，往往難以合理解釋。經分析研究和不斷試驗，作者認為除試件本身性能外，影響阻尼器試驗精度的主要因素有以下幾個方面：

(1) 試驗系統的加載能力不足；

(2) 加載臺架的剛度偏小；

(3) 試件安裝間隙過大；

(4) 數據采集信號不佳或通道間信號不同步等。

下面以黏滯阻尼器試驗為例(圖5)，對影響試驗結果精度的各種因素加以分析。

圖5 測試中的粘滯阻尼器

測試時，作動器給阻尼器施加的強制位移和速度為

X=Asin(2πft)

(1)

V=2πfAcos(2πft)

(2)

式中，A為波形最大幅值，m;f為加載頻率，Hz。

黏滯阻尼器出力與加載速度的關系為

F=C·sign(V)|V|α

(3)

式中，F為阻尼力，kN;C為阻尼系數，kN·m/s;V為阻尼器活塞相對缸體的運動速度，m/s;α為阻尼指數。

以一個C=2 050 kN·m/s的最大設計阻尼力為2 000 kN的黏滯阻尼器為例，可以按照式(3)得到在不同振幅、不同頻率和不同阻尼指數下的阻尼力—活塞位移滯回曲線，圖6為不同振幅下的滯回曲線，圖7為不同頻率下的滯回曲線，圖8為不同阻尼指數下的滯回曲線。

圖6 不同幅值下的滯回曲線(f=0.1 Hz, α=0.5)

圖7 不同頻率下的滯回曲線(A=20 mm, α=0.5)

圖8 不同阻尼指數下的滯回曲線(A=300 mm, f=0.1 Hz)

在設備調試和正式測試過程中，采集到的一些力—位移滯回曲線如圖9所示，發現這些曲線與理論曲線相差較大。從加載系統、測試系統和阻尼器本身進行分析發現，除了阻尼器產品本身性能外，測試溫度對測試結果影響較大，但也可歸結于產品本身性能，需要按規程《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012)[4]規定的溫度范圍進行測試，在試件溫度升高后應采取降溫措施后再進行后續試驗。

經分析和測試，除去產品本身性能外，影響最終測試精度的因素為：

圖9 試驗得到的部分不佳曲線

(1) 設備加載能力。包括蓄能器儲能值、伺服閥流量、管道阻尼、泵站能力等。

(2) 加載臺架的剛度。剛度越小對測試結果影響越大。

(3) 試件安裝間隙。包括螺栓連接間隙、銷軸與試件之間的間隙、銷軸與連接耳座之間的間隙等。

(4) 控制信號或反饋信號精度不佳，曲線有毛刺。

(5) 數據采集時，力和位移信號不同步，形成相位差。

下面以一個C=2 050 kN·m/s的最大設計阻尼力為2 000 kN的黏滯阻尼器為例，就以上各種因素進行模擬再現，給出一些建議。

4.1 設備能力對測試精度的影響

設備能力不足主要表現為達不到液壓系統設計時的最大速度、最大荷載或持時性能等。在進行阻尼器30周疲勞性能試驗時，往往后幾圈作動器速度上不去，見圖9(a)，檢查表明測試供能已超過蓄能器儲能值。

按經驗，設備的試驗能力往往小于系統方案設計階段的理論計算值，主要是因為在理論計算時只考慮部件性能指標，而系統綜合性能一般劣于理想狀態。

供應商在產品出廠前應對產品反復進行測試和磨合，得到一張可靠的產品性能表，否則就需要試驗技術人員不斷測試、積累經驗來確認性能指標，在試驗時對系統的性能做到心中有數。

4.2 加載臺架剛度對測試精度的影響

阻尼器加載臺架承受高速動載、荷載噸位大，其強度、剛度甚至動力特性對試驗精度影響很大[5]。同濟大學裝備的本套試驗臺架按500 t靜載能力設計進行200 t阻尼器試驗就是基于這個考慮。

一般此類臺架對縱向剛度的設計要求為整體變形在最大載荷下不超過5‰。對一個長度5 m的最大阻尼力為2 000 kN的阻尼器進行不同剛度加載臺架滯回曲線的數值模擬，臺架最大變形分別取0‰、5‰、10‰、20‰，模擬結果見圖10。圖10表明剛度越小，試驗結果曲線越畸變，設計要求的數值5‰比較合理。

圖10 不同臺架剛度下的滯回曲線模擬

模擬結果還表明，臺架剛度越小，滯回曲線越向一個方向傾斜，實際試驗結果表明很難得到豎向對稱的試驗曲線(圖9)，說明加載臺架變形是滯回曲線傾斜的原因之一。

4.3 試件安裝間隙對測試精度的影響

阻尼器通過兩端耳軸與連接座相連，臺架移動橫梁與立柱相連，沿阻尼器受力途徑上有6個以上的間隙來源，而過小的間隙配合使得阻尼器的安裝變得很困難。為解決這個矛盾，需要從結構構造入手，同濟大學本套設備采用的動橫梁插銷式固定方法很好地消除了動橫梁與立柱之間的間隙。

銷軸安裝可以考慮采用螺栓壓緊式，而不是穿孔式安裝，也可以消除一半以上的間隙。

間隙的存在影響試驗結果，見圖9(a)、圖9(b)，處理數據時會低估阻尼器的有效阻尼系數。對1 mm，2 mm間隙的數值模擬見圖11，結果表明加載幅值越小，試驗結果受到安裝間隙的影響越大。

圖11 安裝間隙對試驗滯回曲線的影響

4.4 控制器和數據采集系統(DAS)對測試精度的影響

控制指令信號的精度與控制系統和液壓系統有關，需經過測試、標定以滿足精度要求。數據采集信號的精度與傳感器、數據采集系統有關。指令信號和采集信號的精度均影響試驗結果精度，表現為偏差和毛刺。經驗表明，一般成熟試驗系統有精度保證。

在設備調試過程中，曾發現數據采集系統的荷載和位移信號不同步情況，經排查采取措施后消除。

對力和位移通道信號不同步情況(即存在相位差)進行了數值模擬，模擬結果見圖12，結果表明在進行黏滯阻尼器試驗時，如果滯回環向一邊傾斜要先檢查力、位移采集信號是否同步，有些測試系統采用外置采集儀的方法予以解決。

圖12 模擬采集信號時差對試驗滯回曲線的影響

5 結 語

本文介紹了同濟大學新配置的2 000 kN高速阻尼器試驗系統，分析了影響阻尼器測試精度的各種因素，并進行了數值模擬，提出控制措施。希望和同行進行交流與合作。

[ 1 ] 王曉斌,劉銀水.大型液壓阻尼器試驗臺液壓系統的設計[J].液壓與氣動,2009(11)：44-46.

Wang Xiaobin, Liu Yinshui. Design of the hydraulic power for a large-scaled test rig for hydraulic damper [J]. Chinese Hydraulics and Pneumatics, 2009(11): 44-46. (in Chinese)

[ 2 ] 蔣華戈,閆維明,李力,等.3 000 kN電液伺服阻尼器試驗系統組成與應用[J].結構工程師,2011,27(增刊)：22-25.

Jiang Huage, Yan Weiming, Li Li, et al. Composing and application of the 3 000 kN electric-hydraulic servo damper testing system [J]. Structural Engineer, 2011, 27(S): 22-25.(in Chinese)

[ 3 ] 液壓阻尼器電液伺服試驗臺的研究[R].武漢：華中科技大學,2007.

Research on the electro-hydraulic servo test bedof the hydraulic damper[R].Wuhan: Huazhong University of Science and technology,2007.(in Chinese)

[ 4 ] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.JG/T 209—2012建筑消能阻尼器[S].北京：中國標準出版社，2012.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the people’s Republic of China. JG/T 209—2012 Dampers for vibration energy dissipation of buildings[S].Beijing: China Specification Press, 2012. (in Chinese)

[ 5 ] 丁建華,歐進萍.油缸孔隙式粘滯阻尼器理論與性能試驗[J].世界地震工程,2001,17(1)：30-35.

Ding Jianhua, Ou Jinping. Theoretical study and performance experiment for cylinder-with-holes viscous damper[J]. World Information on Earthquake Engineering,2001,17(1):30-35. (in Chinese)

Research on a High-speed Damper Testing System and the Test Precision ControlLU Liang,2,*JIANG Le2WENG Dagen2CAO Wenqing1,2ZHU Xiaobing3

ZHI Xiaoyang3CHEN Liang3

( 1. Shanghai Tongji Construction Quality Inspection Station, Shanghai 200092, China;2. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;3. Wuxi Haihang Electro-hydraulic Servo System Co. Ltd., Wuxi 214027, China)

Mechanical composing,features and main functions of a 2000kN high-speed damper testing system, especially the structure of the loading frame, are introduced. This testing system is an Electro-hydraulic Servo Load System. Various factors influencing the test precision are analyzed, which include the capacity of power supply, stiffness of the loading frame, installation gaps of specimen and the time gap of DAS channels, etc. Some factors affect the data precision are numerically simulated when testing a viscous damper, and several solutions about precision control are proposed.

electro-hydraulic servo test, damper, precision control, loading frame

2014-06-17

國家自然科學基金資助項目(51178354)

*聯系作者，Email：luloes@hotmail.com