CN111766032A - 一种离心机单向振动台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心机单向振动台及其控制方法，吊篮与离心机转臂之间通过关节轴承连接，可实现吊篮在竖直平面内旋转，从而减小振动台工作时对离心机产生的振动冲击；作动器组件的直线驱动实现了地震模拟；作动器组件采用对称均布的布局方式，最大程度地将质心布置于该试验系统的轴线上，有效降低了作动器激振过程所产生的垂向分量，减少了对土工离心机的不利影响；通过直线胀套实现了对作动器组件的固定，消除了作动器与吊篮之间的间隙，有效提高了作动器组件的连接刚度；将该试验系统安装在土工离心机上，通过土工离心机产生超重力环境、该试验系统产生地震环境的方式实现了超重力环境下的地震环境再现。

Description

一种离心机单向振动台及其控制方法

技术领域

本发明属于振动试验装备技术领域，具体涉及一种离心机单向振动台及其控制方法。

背景技术

国际学术界和工程界普遍认为模拟地震动的最有效途径是振动台，振动台分为地面振动台和离心机振动台。离心机振动台，振动台安装在离心机上，离心机利用高速旋转的长臂产生n倍于重力加速度的离心加速度，在1/n比尺的物理模型上产生与原型等效的重力场，同时对原型时间也缩短n倍，从而实现“时空压缩”。例如当离心机产生150g的超重力场时，0.5m厚的模型土体等效现场75m厚的场地岩土体，历时1s的高频激振复现150s持时的实际地震。因此，离心机振动台能真实地模拟地震动在大尺度空间内的传递规律和岩土体的灾变效应，是目前唯一能在模型尺度上再现大尺度岩土体地震动传播及灾变形成和演化的科研装置。

由于离心机振动台的独特优势，西方发达国家不断投入力量研发此类装置。利用离心机振动台，上世纪90年代初美、英、日等国20多家单位联合完成了由美国国家自然科学基金会(NSF)资助的VELACS项目。该项目验证了相关岩土体本构模型的适用性，将离心机振动台试验技术推向了一个高峰，并有力地推动了地震岩土工程从总应力分析向有效应力分析的转变。目前，国外内已经研制了多台套离心机单向振动台，但现有的离心机单向振动台的工作方式和结构无法满足大尺寸、大质量模型的试验需求，已经成为制约地震岩土工程进一步发展的瓶颈。

因此急需研发出一种离心机单向振动台及其控制方法来解决以上问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种离心机单向振动台及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种离心机单向振动台，包括：

吊篮单元；吊篮单元包括吊臂和底板；吊臂与离心机的转臂连接，底板与吊臂连接；

承载单元；承载单元包括台面和沿一个方向的约束导向装置；约束导向装置的一部分安装在底板上，约束导向装置的另一部分安装在台面下方；试验件安装在模型箱内，模型箱安装在台面上方；

用于提供振动动力的至少一个作动器；作动器的动力输出端与台面连接，作动器的作动方向为约束导向装置的导向方向；

用于对作动器、油源单元进行控制的控制单元；控制单元的控制信号输出端分别与作动器的控制信号输入端和油源单元的控制信号输入端连接。

优选地，作动器为四个，台面的两端各设置两个作动器，位于台面两端的作动器基于台面的中心对称分布。

优选地，台面形成为十字型，四个作动器分别置于台面的四个缺口内。

具体地，作动器包括小蓄能器、伺服阀组件、阀块、液压缸，作动器通过油源单元供油，液压缸的活塞杆作用于台面。

具体地，油源单元包括地面液压泵站、液压旋转接头和蓄能器分配模块；蓄能器分配模块包括大蓄能器组件、液压管路和控制阀；大蓄能器组件包括两组，且分别安装于两个吊臂上，大蓄能器组件沿离心机的离心力方向安装；控制阀用于对四个作动器同步供油。

具体地，在底板上开设有安装作动器的凹槽，作动器安装在凹槽内，作动器与凹槽的侧壁形成横向间隙，直线胀套包括螺钉、上锥套、下锥套、侧板，侧板的上下两端形成有两个相互连通的锥孔，两个锥孔的较小的一端相靠近，上锥套、下锥套分别置于两个锥孔内安装，上锥套和下锥套之间形成间隙，上锥套、下锥套、底板上均设置有螺孔，一螺钉依次旋入上锥套、下锥套和底板；侧板的两侧分别与底板凹槽的一侧、作动器的一侧胀紧连接。

具体地，控制单元包括：

用于将常重力场单向振动波形处理为超重力场单向加载波形的波形预处理模块；

用于单向振动波形控制的波形修正控制模块；

用于多阀同步控制、多缸高频同步控制、多缸力纷争控制的伺服控制模块；

用于测试反馈的传感模块；

拟开展试验的常重力场单向振动波形通过波形预处理模块的输入端输入，波形修正控制模块的信号输入端分别与波形预处理模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，伺服控制模块的信号输入端分别与波形修正控制模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，伺服控制模块的信号输出端与作动器的信号输入端连接。

一种离心机单向振动台的控制方法，包括基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法和多液压缸力纷争控制方法；

基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法包括以下步骤：

S1、首先，发送同一路辨识驱动信号，进行振动发生，并获得各液压缸的输出加速度响应信号，利用单输入单输出系统下驱动信号和响应信号计算辨识出各个作动器的加速度频响函数；

S2、再利用各液压缸频响函数计算出各频率点的频响函数差异量，通过逆频响函数反向计算出多个作动器同步输出的驱动信号补偿量，通过将该补偿量引入到各个作动器的驱动信号，达到多作动器高频同步输出结果；

多液压缸力纷争控制方法包括以下步骤：

A1、通过测量各个液压作动器的压差信号，根据多作动器作用于同一个平面下的自由度解耦方法，针对于使振动台面有发生静态变形趋势的控制自由度，将其控制量设置为0。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、吊篮与离心机转臂之间通过关节轴承连接，可实现吊篮在竖直平面内旋转，从而减小振动台工作时对离心机产生的振动冲击；

2、台面内部采用网格型箱体焊接结构，在保证足够刚度的同时，极大程度降低了运动质量；

3、作动器组件的直线驱动实现了地震模拟；

4、作动器组件采用对称均布的布局方式，最大程度地将质心布置于该试验系统的轴线上，有效降低了作动器激振过程所产生的垂向分量，减少了对土工离心机的不利影响；

5、通过蓄能器组件对作动器供油，有效降低了对液压油源流量的需求；

6、通过直线胀套实现了对作动器组件的固定，消除了作动器与吊篮之间的间隙，有效提高了作动器组件的连接刚度；

7、将该试验系统安装在土工离心机上，通过土工离心机产生超重力环境、该试验系统产生地震环境的方式实现了超重力环境下的地震环境再现。

附图说明

图1是本申请的正视图；

图2是本申请的俯视图；

图3是本申请的作动器组件结构示意图；

图4是本申请的作动器安装示意图；

图5是本申请的直线胀套结构示意图；

图6是本申请的立体图；

图中：1.吊臂，2.模型箱，3.作动器组件，4.约束导向装置，5.吊篮，6.台面，7.大蓄能器组件，8.小蓄能器，9.伺服阀组件，10.阀块，11.液压缸，12.滑动轴承Ⅰ，13.活塞法兰，14.滑动轴承Ⅱ，15.直线胀套，16.螺钉，17.上锥套，18.侧板，19.下锥套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供以下技术方案：

如图1-6所示，一种离心机单向振动台，包括：

吊篮5单元；吊篮5单元包括吊臂1和底板；吊臂1与离心机的转臂连接，底板与吊臂1连接；

承载单元；承载单元包括台面6和沿一个方向的约束导向装置4；约束导向装置4的一部分安装在底板上，约束导向装置4的另一部分安装在台面6下方；试验件安装在模型箱2内，模型箱2安装在台面6上方；

用于提供振动动力的至少一个作动器3；作动器3的动力输出端与台面6连接，作动器3的作动方向为约束导向装置4的导向方向；

用于对作动器3、油源单元进行控制的控制单元；控制单元的控制信号输出端分别与作动器3的控制信号输入端和油源单元的控制信号输入端连接。

在本实施例中，吊篮5单元通过关节轴承固定在土工离心机的转臂上，并由土工离心机驱动旋转，从而产生超重力环境；吊篮5与离心机转臂之间通过关节轴承连接，可实现吊篮5在竖直平面内旋转，从而减小振动台工作时对离心机产生的振动冲击；

本实施例中，台面6内部采用网格型箱体焊接结构，极大程度降低了运动质量；

本实施例中，采用的是偶数对带预压的约束导向装置4，有效提高了支撑刚度，实现了对台面6以及试验件的支撑；

如图2所示，作动器3为四个，台面6的一端设置两个作动器3，位于台面6两端的作动器3基于台面6的中心对称分部。

如图2所示，台面6形成为十字型，四个作动器3分别置于台面6的四个缺口内。

如图3所示，作动器3包括小蓄能器8、伺服阀组件9、阀块10、液压缸11，作动器3通过油源单元供油，液压缸11的活塞杆作用于台面6。

在本实施例中，多个作动器3的伺服阀组件9采用并联供油，有效避免了单个伺服阀流量不足的缺点；

在本实施例中，作动器3采用静压轴承进行支撑，有效降低了启动压力，提高了试验系统的控制精度；作动器3与台面6之间采用滑动轴承与活塞杆复合的三明治结构(滑动轴承Ⅰ12、活塞法兰13、滑动轴承Ⅱ14)，实现了超重力环境下的横向变形补偿，有效避免了由于横向变形所产生的侧向力对作动器3的不利影响；通过小蓄能器8组件对作动器3供油，有效降低了对液压油源流量的需求；

如图2、6所示，油源单元包括地面液压泵站、液压旋转接头和蓄能器分配模块；蓄能器分配模块包括大蓄能器组件7、液压管路和控制阀；大蓄能器组件7包括两组，且分别安装于两个吊臂1上，大蓄能器组件7沿离心机的离心力方向安装；控制阀用于对四个作动器3同步供油。

在本实施例中，地面液压泵站用于产生高压液压油，并通过液压旋转接头将液压油传送至吊篮5单元，同时蓄能器分配模块向作动器3瞬时大流量补油，以确保作动器3工作时刻的流量需求；

如图4、5所示，在底板上开设有安装作动器3的凹槽，作动器3安装在凹槽内，作动器3与凹槽的侧壁形成横向间隙，直线胀套15包括螺钉16、上锥套17、下锥套19、侧板18，侧板18的上下两端形成有两个相互连通的锥孔，两个锥孔的较小的一端相靠近，上锥套17、下锥套19分别置于两个锥孔内安装，上锥套17和下锥套19之间形成间隙，上锥套17、下锥套19、底板上均设置有螺孔，一螺钉16依次旋入上锥套17、下锥套19和底板；侧板18的两侧分别与底板凹槽的一侧、作动器3的一侧胀紧连接。

在本实施例中，通过螺钉16预紧，使得上锥套17和下锥套19之间产生拉力，从而消除作动器3与吊篮5之间的横向间隙，有效提高了作动器3的连接刚度；

具体地，控制单元包括：

用于将常重力场单向振动波形处理为超重力场单向加载波形的波形预处理模块；

用于单向振动波形控制的波形修正控制模块；

用于多阀同步控制、多缸高频同步控制、多缸力纷争控制的伺服控制模块；

用于测试反馈的传感模块；

拟开展试验的常重力场单向振动波形通过波形预处理模块的输入端输入，波形修正控制模块的信号输入端分别与波形预处理模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，伺服控制模块的信号输入端分别与波形修正控制模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，伺服控制模块的信号输出端与作动器3的信号输入端连接。

一种离心机单向振动台的控制方法，包括基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法和多液压缸11力纷争控制方法；

基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法包括以下步骤：

S1、首先，发送同一路辨识驱动信号，进行振动发生，并获得各液压缸11的输出加速度响应信号，利用单输入单输出系统下驱动信号和响应信号计算辨识出各个作动器的加速度频响函数；

S2、再利用各液压缸11频响函数计算出各频率点的频响函数差异量，通过逆频响函数反向计算出多个作动器同步输出的驱动信号补偿量，通过将该补偿量引入到各个作动器的驱动信号，达到多作动器高频同步输出结果；

多液压缸11力纷争控制方法包括以下步骤：

A1、通过测量各个液压作动器的压差信号，根据多作动器作用于同一个平面下的自由度解耦方法，针对于使振动台面6有发生静态变形趋势的控制自由度，将其控制量设置为0，从而有效达到改善各个作动器在准静态情况下的力纷争问题，不至于使得作动器的静态互斥力较大而影响振动台系统的动态特性。方法中通过调节控制增益参数，可以将各个作动器的静态互斥力控制在很小的范围。

本申请中，大蓄能器组件7螺纹连接在吊臂1的两侧，吊篮5通过螺钉连接固定在吊臂1上，约束导向装置包括固定副和滑动副，固定副通过螺钉固定在底板上部，滑动副通过螺钉固定在台面底部，固定副和滑动副滑动配合；模型箱2通过螺钉连接固定在台面6上；小蓄能器8螺纹连接固定在阀块10上，伺服阀组件9通过螺钉连接固定在阀块10上，阀块10通过螺钉连接固定在液压缸11上。

本申请中，通过在结构件内部内置管网的方式实现高低压油源的输送，实现了系统的无管路布局方式，有效避免了液压管路在超重力环境下漏油或爆管的风险；

控制单元的伺服控制模块具有多阀同步控制、多缸高频同步控制、多缸力纷争控制功能，其中在控制单元中，提出了基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法，具体实施方式：

发送同一路辨识驱动信号，进行振动发生，并获得各缸的输出加速度响应信号，根据系统频响函数辨识方法获得各个作动器的传递函数为

计算获得多作动器平均后的频响函数

由此可得各个作动器频响函数偏差值为，

根据逆频响函数的偏差值，反向计算出各个作动器驱动信号补偿量：

这里，ξ为误差修正因子，通常取值在0.1～1之间，R(t)为期望的目标加速度响应信号，ΔD_i(t)(i＝1,2,3,4)为各个作动器驱动信号补偿量。

此时，得到各个作动器的驱动输出信号为

将各个作动器按照计算得到的驱动信号同步发送，将可以获得各个作动器高频并驱的同步加速度控制效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种离心机单向振动台，其特征在于，包括：

吊篮单元；吊篮单元包括吊臂和底板；吊臂与离心机的转臂连接，底板与吊臂连接；

承载单元；承载单元包括台面和沿一个方向的约束导向装置；约束导向装置的一部分安装在底板上，约束导向装置的另一部分安装在台面下方；试验件安装在模型箱内，模型箱安装在台面上方；

用于提供振动动力的至少一个作动器；作动器的动力输出端与台面连接，作动器的作动方向为约束导向装置的导向方向；

用于对作动器、油源单元进行控制的控制单元；控制单元的控制信号输出端分别与作动器的控制信号输入端和油源单元的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种离心机单向振动台，其特征在于：作动器为四个，台面的两端各设置两个作动器，位于台面两端的作动器基于台面的中心对称分布。

3.根据权利要求2所述的一种离心机单向振动台，其特征在于：台面形成为十字型，四个作动器分别置于台面的四个缺口内。

4.根据权利要求3所述的一种离心机单向振动台，其特征在于：作动器包括小蓄能器、伺服阀组件、阀块、液压缸，作动器通过油源单元供油，液压缸的活塞杆作用于台面。

5.根据权利要求4所述的一种离心机单向振动台，其特征在于：油源单元包括地面液压泵站、液压旋转接头和蓄能器分配模块；蓄能器分配模块包括大蓄能器组件、液压管路和控制阀；大蓄能器组件包括两组，且分别安装于两个吊臂上，大蓄能器组件沿离心机的离心力方向安装；控制阀用于对四个作动器同步供油。

6.根据权利要求3所述的一种离心机单向振动台，其特征在于：在底板上开设有安装作动器的凹槽，作动器安装在凹槽内，作动器与凹槽的侧壁形成横向间隙，直线胀套包括螺钉、上锥套、下锥套、侧板，侧板的上下两端形成有两个相互连通的锥孔，两个锥孔的较小的一端相靠近，上锥套、下锥套分别置于两个锥孔内安装，上锥套和下锥套之间形成间隙，上锥套、下锥套、底板上均设置有螺孔，一螺钉依次旋入上锥套、下锥套和底板；侧板的两侧分别与底板凹槽的一侧、作动器的一侧胀紧连接。

7.根据权利要求1所述的一种离心机单向振动台，其特征在于：控制单元包括：

用于将常重力场单向振动波形处理为超重力场单向加载波形的波形预处理模块；

用于单向振动波形控制的波形修正控制模块；

用于多阀同步控制、多缸高频同步控制、多缸力纷争控制的伺服控制模块；

用于测试反馈的传感模块；

拟开展试验的常重力场单向振动波形通过波形预处理模块的输入端输入，波形修正控制模块的信号输入端分别与波形预处理模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，伺服控制模块的信号输入端分别与波形修正控制模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，伺服控制模块的信号输出端与作动器的信号输入端连接。

8.一种离心机单向振动台的控制方法，其特征在于，包括基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法和多液压缸力纷争控制方法；

基于逆频响函数反向补偿的多缸高频同步控制方法包括以下步骤：

S1、首先，发送同一路辨识驱动信号，进行振动发生，并获得各液压缸的输出加速度响应信号，利用单输入单输出系统下驱动信号和响应信号计算辨识出各个作动器的加速度频响函数；

S2、再利用各液压缸频响函数计算出各频率点的频响函数差异量，通过逆频响函数反向计算出多个作动器同步输出的驱动信号补偿量，通过将该补偿量引入到各个作动器的驱动信号，达到多作动器高频同步输出结果；

多液压缸力纷争控制方法包括以下步骤：

A1、通过测量各个液压作动器的压差信号，根据多作动器作用于同一个平面下的自由度解耦方法，针对于使振动台面有发生静态变形趋势的控制自由度，将其控制量设置为0。

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