振动离心机

岩土离心机模拟原理与技术

学号：2014020254

姓名：章春炜

班级：地质一班

指导老师：韩文喜

浅谈振动离心机

1 振动离心机的发展概述

振动离心机系统是指具有动力离心试验功能，配备振动台的土工离心机系统。振动离心机系统中振动台的技术难度和运行要求非常高，比如当离心加速度到达100g 时，500kg 的模型荷载就相当于原型 50t 的重力，而振动台输入的地震频率将为原型地震频率的 100 倍，振动历时为原型的 1/100，振动加速度为原型

的 100 倍，因此振动台不但需要足够强度和刚度，还需要有足够的动力和激振

装置，并精确地控制振动台的运动。常规的土工离心机只能进行静力离心试验，振动离心机系统对制造技术、加工工艺、量测技术等要求比常规土工离心机系统高很多，但岩土工程和地震工程领域中存在更多的是动力问题。早期的土工离心机均只能进行静力离心试验，受科学技术条件的限制，国际上直到 20 世纪 80 年代振动离心机系统的研究才广泛开展起来，至今振动离心机系统已经成为强大的试验技术手段用于研究地基、土工结构物的动力响应特性及稳定性分析等方面，振动离心机系统的发展历史上出现的振动台系统类型及特点如下：

（a）机械式振动台系统

最早也是最简单的机械式振动台系统是扳机弹簧式振动台系统，这一系统由英国剑桥大学 D.V.Morris 等人于 1979 年首先研制成功，该系统的基本工作原理是弹簧激振，可输入正弦波，正弦波的频率由模型质量、模型箱质量和弹簧刚度共同决定，这一振动台系统的优点是结构简单，操作方便，重量轻，价格便宜；缺点是出力小，振动频率低，只能实现正弦波振动，幅值衰减严重，试验过程中不能反复加载。1981 年英国剑桥大学由 Kutter 等人又研制出另一种新型机械式

振动台系统——颠簸道路式振动台系统，这一系统由一个安装在离心机室墙壁上的波浪形轨道和一个安装在离心机转臂末端的轮子组成，它的基本工作原理是：在离心机运转过程中，轮子在轨道上产生相对于离心机的径向运动，轮子的径向运动再通过一组曲柄、导杆机构转化成模型箱及模型的切向振动，实现所需功能。这一系统的优点是：1.振动频宽大，最高可达 150Hz;2.出力大，稳定性好，可

为 135kg 的模型提供 20g的振动加速度；3.试验允许离心加速度大，可达 100g；

4.能够模拟多种地震；这一系统的缺点是输入波形由导轨波形决定，波形改变缺乏灵活性；振动频率取决于离心机转速，波形噪音大，使用寿命短。1988 年日本工业大学研制出了凸轮——杆式振动台系统。这一机械式振动台系统由凸轮连杆装置、印刷电机和振动传动支架三部分组成，振动的频率及幅值取决凸轮连杆的离心率和电机转速。这一系统的优点是试验具有可重复性，费用低；缺点是输入波形受限，仅用于简单试验和离心机动态性能研究。

（b）爆炸式振动台系统

1981 年法国阿基坦科技中心由 Zelikson 等人成功研制了爆炸式振动台系统，这一系统由一个狭长铝合金模型箱和其尾部的延长部分组成，延长部分用于放置炸药源和滤波器，其基本工作原理就是电控炸药爆炸，释放能量以激发模型振动。这一系统的优点是结构简易、造价低、重量轻，振动可数字化控制，能激振大质量模型；缺点是：试验可重复性差，振幅难以精确控制，点火装置需特制，安全性差，每次试验需更换药量，在一般试验室中难以实现。

（c）压电式振动台系统

1982 年美国加州大学戴维斯分校由 Arulanandan 等人成功研制了压电式振动

台系统，这一系统是由多层压电陶瓷元件叠加而成。压电陶瓷元件是一种人工极化的晶片，当晶片表面有电场通过时其自身就会发生变形，其变形量与晶片表面通过的电场量级成比例。该系统的基本工作原理是提供给压电陶瓷元件一个变化电场使之产生所期望的变形。这一系统的优点是能够产生随机振动、体积小，重量轻，造价低，振动可数字化准确控制，可产生高频振动；缺点是难以产生较低频的振动，需要高电压，无功电力损耗大；产生的能量有限，只能用于小质量模型试验。

（d）电磁式振动台系统

1991 年日本中央大学由 Fujii 等人成功研制出了电磁式振动台系统，这一系统由一对耦合的磁线圈组合而成，一个磁线圈通交流电被固定在吊篮的底板上，另一个磁线圈通恒定的直流电被固定在振动台台面上。该系统的基本工作原理就是通过交流磁线圈极性的变化，两个磁线圈产生吸引和排斥，从而推动振动台和模型及模型箱运动。这一振动台系统的主要性能参数为：最大动态离心加速度 50g，最大出力 2KN，振动频率 50~300Hz，位移幅值是±5mm，该振动台系统的优点是

结构简单，易于操作和维护，振动可数字化控制，出力较大，振动频率宽；缺点是重量大，尺寸大，电流大，能产生的最大加速度较小，交流电对量测试验数据有干扰。

（e）电液式振动台系统

1983 年美国加州理工大学由 Aboim 等人最早成功研制出了电液式振动台系统，这一振动台系统由振动台面、作动器、伺服阀、反馈装置、液压缸、动力源、计算机和控制软件等组成。该系统的基本工作原理是采用液压伺服自动控制系统控制高压蓄能器在瞬间释放油压，驱动作动器完成预设的输入波，带动模型及模型箱运动。这一振动台系统的优点是能够产生各种振幅及振动频率的任意振动波形，能精确地复现地震波，出力大，能激振很大荷载，可以进行无限次的地震模拟；缺点是结构复杂，造价高，需要较高的制造技术和维护技术。由于电液式振动台系统灵活性好，能够很好地满足动力离心模型试验的要求，在随后近三十年里该振动台系统得到了广泛快速地发展，如美国、日本、英国、法国、荷兰、新加坡等国都相继建立了带有电液式伺服振动台的振动离心机系统。目前美国和日本是拥有电液式振动台最多的国家。国际上已建造用于离心机的振动台性能及其测试结果表明，电液式振动台为目前最为流行、最为先进、最为理想的离心机用振动模拟系统。它的发展已从水平单向振动发展到水平双向振动和垂直+水平 2D 振动，如：美国加州大学戴维斯分校（UC Davis，University of California, Davis）振动离心机系统拥有垂直+水平 2D 振动台，伦斯勒工学院（RPI，Rensselaer Polytechnic Institute，Troy）振动离心机系统拥有水平双向振动台。

振动台的振动方向分为三种：切向方向（X）、径向方向（Y）和垂直方向（Z），参见图 1.2。1.切向方向（X），此方向所模拟的振动存在径向科里奥利力的变过载与振动的复合，低频共振现象严重，因此水平单向振动台一般不采用此方向，仅在水平双向振动时选用此振动方向。2.径向方向（Y），由于离心力作用在该振动方向上，振动台需有克服离心力作用的设施。3.垂直方向（Z），选用该方向振动时要避开离心机转臂在低频段工作，以免出现共振，影响离心机的稳定性，在其他振动频率段则可避免较大离心力作用在振动方向上。