一种深孔传递函数测试系统及其测试方法
技术领域
本发明涉及振动测试技术领域,具体而言,涉及一种深孔传递函数测试系统及其测试方法。
背景技术
目前,还没有采用实测地层传递函数进行振动预测的测试系统及技术,已有的较为相近的测试系统,是通过实测隧道壁振动加速度和地表振动加速度,然后进行两者传递比计算,从而获取实测的地层传递特性用于振动预测,这种测试系统不是获取的振动传递函数,预测原理忽略了地铁列车运行的振源激励的相位信息,存在系统误差,因此预测精度一般。同时,该实测传递比测试系统测试过程中,地表测试与隧道内测试是分开进行的,无法达到测试信号的同步,因此无法进行传递函数计算。
对于预测系统的核心——振源发生装置来说,目前有自动落锤激励装置,如图1所示。该装置可以进行搬运移动,放置于轨道上或隧道内部进行冲击激励,仅可满足道床上和隧道内的激振,并且需要人员在附近操作,体积过大,无法放置进钻孔内部满足进行孔底激振的要求。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种深孔传递函数测试系统及其测试方法,可以在进行原位钻孔内激振时获取传递函数,保证预测精度。
本发明提供了一种深孔传递函数测试系统,包括深孔激振装置、数据采集仪、多个加速度传感器和PC机,多个所述加速度传感器均匀布置在地层表面,所述深孔激振装置的数据线与所述数据采集仪的输入端连接,多个所述加速度传感器分别通过数据线与所述数据采集仪的输入端连接,所述数据采集仪的输出端通过网线与所述PC机连接;
所述深孔激振装置包括落锤支架、钢绞线、电机、力锤组件和钢套筒,所述落锤支架位于地层表面,所述电机位于所述落锤支架上,所述钢绞线通过滑轮与所述落锤支架连接,地层内设有一个激振孔,所述激振孔内侧设有混凝土套筒,所述混凝土套筒内侧布置所述钢套筒,所述力锤组件位于所述钢套筒内,所述力锤组件通过所述钢绞线与所述电机连接。
作为本发明进一步的改进,所述力锤组件包括吊装顶盘、安全绳、导向杆、电磁铁、质量块、导轮和锤头,所述钢绞线和所述吊装顶盘连接,所述吊装顶盘下方固定连接所述安全绳一端,所述安全绳另一端与多个所述质量块固定连接,所述吊装顶盘和所述质量块之间固定有多根所述导向杆,所述电磁铁位于多根所述导向杆内部,且可伸缩的与所述吊装顶盘连接,八个所述导轮固定于最顶端的质量块和最底端的质量块的外缘上,最顶端的质量块和最底端的质量块在圆周方向上均等间距分布四个所述导轮,所述导轮在所述钢套筒内滑动,所述锤头固定在所述质量块的下方,所述锤头内设有力传感器。
作为本发明进一步的改进,所述钢套筒由多段钢筒组成,所述钢筒之间采用螺纹扣连接,并采用橡胶圈密封,最底部的一段钢筒为盲孔。
本发明还提供了一种深孔传递函数测试系统的测试方法,该方法包括以下步骤:
步骤1,采用钻孔机在地层钻一个激振孔,采用所述混凝土套筒对所述激振孔进行护壁,所述激振孔的孔底为原位土,用于地层激振,将所述钢套筒的多段钢筒拼接放入所述激振孔,所述钢套筒与所述激振孔底部土紧密相贴;
步骤2,将所述深孔激振装置固定在地层表面,并将所述力锤组件落入所述激振孔的钢套筒内;
步骤3,在地层表面距离所述激振孔以3~5m的等间距布置10~20个测点,与所述激振孔相距最远一处的测点距离所述激振孔50m~100m,在每个采样点布设一个所述加速度传感器;
步骤4,首先将所述深孔激振装置的锤头连接的数据线引出地层表面,并与所述数据采集仪的输入端连接,然后将每个所述加速度传感器通过所述数据线与所述数据采集仪的输入端连接,最后将数据采集仪的输出端通过网线与所述PC机连接;
步骤5,通过所述电机将所述锤头提升10~50cm,提升到位置后断开所述电磁铁的开关,所述锤头自由落体冲击所述激振孔的孔底,产生脉冲激振力;
步骤6,重复步骤5,反复提升所述锤头进行地层激振,采用所述数据采集仪采集所述加速度传感器和所述锤头内的力传感器的传感信号,进行激振力和地表响应的同时采样。
作为本发明进一步的改进,步骤3中布设所述加速度传感器的具体方法为:
对于土质地面,首先将拼装式金属土钉钉入土层紧密相贴,然后采用螺栓将所述加速度传感器拧紧和所述金属土钉紧密相贴;
或,
对于硬质地面,首先采用强力胶将铁片粘贴在地层表面,然后使所述加速度传感器通过螺栓与强力磁座相连,最后将所述强力磁座吸附于在所述铁片上达到紧密相贴。
作为本发明进一步的改进,所述激振孔的直径为400~800mm。
作为本发明进一步的改进,步骤5中激振力振动量级为80~100kN。
作为本发明进一步的改进,步骤6中,进行激振力和地表响应的同时采样时,保证每组数据激振次数至少5次,有效数据至少10组。
作为本发明进一步的改进,所述数据采集仪的采样频率12800Hz,采样点数32k,触发量级20kN,触发次数5。
作为本发明进一步的改进,所述力锤组件的重量为80-120kg。
本发明的有益效果为:
1、提供了采用深孔激振实测传递函数进行地铁列车振动预测的整套方案,包括振源发生装置、测点布置方式、数据采集参数等详细技术参数;
2、振源发生装置(深孔激振装置)可以满足在深孔底进行锤击激振的体积、操作、采样等技术要求,并且激振力达到地铁列车激振量级(即100kN以上),可以自动提升、降落进行冲击激励,并能进行锤头锤击力的动态高精度采样;
3、可在地层任意深度钻孔内进行脉冲激励,产生有效振动激励,并满足所有信号同步采样,从而可以进行任意地层传递函数的测试及计算;
4、可以满足所有信号(激振力和地表响应加速度)的同步采样,从而可以进行实际传递函数的测试及计算;
5、测试采用高精度的动态数据采集仪、加速度传感器、力传感器进行深孔激振下的信号的同步动态采集,可以满足不同测点采样信号的时钟频率完全同步,从而可以满足计算传递函数的技术要求;
6、深孔激振装置采用了组装式设计,设备便于现场拆卸、安装、运输,提升、降落力锤组件简便迅速,方便操作,钢套筒采用拆装型式,可重复使用,减少整体成本。
附图说明
图1为现有技术中的自动落锤激励装置的结构示意;
图2为本发明实施例所述的一种深孔传递函数测试系统的结构示意图;
图3为图2中的深孔激振装置的结构示意图;
图4为图3中的力锤组件的结构示意图;
图5为本发明实施例所述的一种深孔传递函数测试系统的测试方法的流程示意图;
图6为激振孔的示意图;
图7为测点布置的示意图;
图8为图7以70m范围布置测点的示意图;
图9为第一种方法固定的加速度传感器的示意图;
图10为第二种方法固定的加速度传感器的示意图;
图11为数据采集仪的示意图;
图12为加速度传感器的示意图;
图13为力传感器的示意图。
图中,
1、落锤支架;2、钢绞线;3、电机;4、混凝土套筒;5、力锤组件;6、钢套筒;7、数据采集仪;8、数据线;9、加速度传感器;10、PC机;11、吊装顶盘;12、安全绳;13、导向杆;14、电磁铁;15、质量块;16、导轮;17、锤头。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1,本发明实施例所述的一种深孔传递函数测试系统,如图2所示,包括深孔激振装置、数据采集仪7、多个加速度传感器9和PC机10,多个加速度传感器9均匀布置在地层表面,深孔激振装置的数据线与数据采集仪7的输入端连接,多个加速度传感器9分别通过数据线8与数据采集仪7的输入端连接,数据采集仪7的输出端通过网线与PC机10连接。
如图3所示,深孔激振装置包括落锤支架1、钢绞线2、电机3、力锤组件5和钢套筒6,落锤支架1位于地层表面,电机3位于落锤支架1上,钢绞线2通过滑轮与落锤支架1连接,地层内设有一个激振孔,激振孔内侧设有混凝土套筒4,混凝土套筒4内侧布置钢套筒6,力锤组件5位于钢套筒6内,力锤组件5通过钢绞线2与电机3连接。
如图4所示,力锤组件5包括吊装顶盘11、安全绳12、导向杆13、电磁铁14、质量块15、导轮16和锤头17,钢绞线2和吊装顶盘11连接,吊装顶盘11和质量块15之间固定有多根导向杆13,电磁铁14位于多根导向杆13内部,且可伸缩的与吊装顶盘11连接,八个导轮16固定于最顶端的质量块15和最底端的质量块15的外缘上,最顶端的质量块15和最底端的质量块15在圆周方向上均等间距分布四个导轮16,导轮16在钢套筒6内滑动,锤头17固定在质量块15的下方,锤头17内设有力传感器。
其中,钢套筒6由多段钢筒组成,在地层表面上,每3段钢筒为一组进行装配,然后由长臂吊车吊起,放置于混凝土套筒4内,钢筒之间采用螺纹扣连接,并采用橡胶圈密封,最底部一段钢筒为盲孔。钢套筒采用拆装型式,可重复使用。
落锤支架1和电机3用于提升、降落力锤组件5,激振孔底的力锤组件5由地面的电机3提升,采用自动脱钩装置进行自由下落,以锤击孔底,锤头17内的力传感器获取良好的激振力信号。混凝土套筒4对激振孔进行护壁,混凝土套筒4中布置钢套筒6作为引导力锤组件5垂直提升降落的导向结构,同时,钢套筒6隔开激振孔底的积水。
本发明的深孔激振装置可以于钻孔内进行脉冲激励,产生有效的振动激励,传播至地表进行振动加速度采样,同时可应用于原位深孔激振实测传递函数。
实施例2,如图5所示,本发明还提供了一种深孔传递函数测试系统的测试方法,该方法包括以下步骤:
步骤1,采用钻孔机在地层钻一个直径为500mm的激振孔,如图6所示,采用混凝土套筒4对激振孔进行护壁,激振孔的孔底为原位土,用于地层激振,将钢套筒的多段钢筒拼接放入激振孔,钢套筒与激振孔底部土紧密相贴。
步骤2,将深孔激振装置固定在地层表面,并将力锤组件5落入激振孔的钢套筒内。
步骤3,如图7所示,在地层表面距离激振孔以3~5m的等间距布置10~20个测点,与激振孔相距最远一处的测点距离激振孔50m~100m,在每个采样点布设一个加速度传感器9。本实施例以70m范围布置测点为例,如图8所示,地表测点数目为15个,第一个测点由于无法在0m激振孔处布置测点,因此选取在2.5m处布置测点。间距5m布置一个测点。
为了保证加速度传感器9在地层表面的密切性,确保采样精度,可以采用两种方法将加速度传感器9固定在地层表面。第一种,对于土质地面,如图9所示,首先将拼装式金属土钉钉入土层紧密相贴,然后采用螺栓将加速度传感器9拧紧和金属土钉紧密相贴。第二种,对于硬质地面,如图10所示,首先采用强力胶将铁片粘贴在地层表面,然后使加速度传感器9通过螺栓与强力磁座相连,最后将强力磁座吸附于在铁片上达到紧密相贴。
步骤4,首先将深孔激振装置的锤头连接的数据线引出地层表面,并与数据采集仪7的输入端连接,然后将每个加速度传感器9通过数据线8与数据采集仪7的输入端连接,最后将数据采集仪7的输出端通过网线与PC机10连接,这样保证了激励力和加速度响应在同步采样,达到进而可以进行传递函数测试的目的。
步骤5,测试时为了保证数据的可靠性,采用多次激振和采样的方式,通过电机3将锤头17提升10~50cm,每次提升到相同高度位置处后,断开电磁铁14的开关,锤头17自由落体冲击激振孔的孔底,产生脉冲激振力。激振力振动量级需要达到80~100kN。
步骤6,重复步骤5,反复提升锤头17进行地层激振,采用数据采集仪7采集加速度传感器9和锤头17内的力传感器的传感信号,进行激振力和地表响应的同时采样,保证每组数据激振次数至少5次,有效数据至少10组。测试间隔需要检查实测数据的量值及频谱是否满足传递函数要求。
如图11所示,本发明采用的数据采集仪7为高精度的动态数据采集仪,进行深孔激振下的信号的同步动态采集,可以满足不同测点采样信号的时钟频率完全同步,从而可以满足计算传递函数的技术要求。本实施例中,数据采集仪7的参数设置为:采样频率12800Hz,采样点数32k,触发量级20kN,触发次数5。
如图12和13所示,为本发明采用的加速度传感器和力传感器,加速度传感器量程0.12~0.15g,灵敏度33~38v/g,频率范围0.2~600Hz。力传感器测量范围为0~300kN,灵敏度10~15mV/kN。
本发明提供了采用深孔激振实测传递函数进行地铁列车振动预测的整套方案,包括振源发生装置、测点布置方式、数据采集参数等详细技术参数。
深孔激振装置具有以下特点:可以满足进行深孔内激振的尺寸、结构、激振技术要求;采用了组装式设计,设备便于现场拆卸、安装、运输;装置冲击过程中,通过安装在锤头的高精度力传感器获取良好的激励力信号;激发能量可以保证地面获取清晰的振动响应;孔底的力锤组件由地面电机提升,采用自动脱钩装置进行自由下落,以锤击孔底,设备需保证锤击过程中,其提升、降落简便迅速,方便操作;深孔由混凝土进行支护,钢套筒采用拆装型式,可重复使用。
测试采用高精度的动态数据采集仪、加速度传感器、力传感器进行深孔激振下的信号的同步动态采集,可以满足不同测点采样信号的时钟频率完全同步,从而可以进行实际传递函数的测试及计算。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。