宋獻(xiàn)慧，侯瑜京，梁建輝

(中國水利水電科學(xué)研究院離心模擬實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

1 R500B離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)

中國水利水電科學(xué)研究院大型土工離心模擬試驗(yàn)室，于2010年12月建成一臺(tái)大型水平垂直雙向離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)R500B(圖1)。經(jīng)過調(diào)試，目前可以在80 g的離心加速度下運(yùn)行振動(dòng)臺(tái)。表1為離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)。

圖1 IWHR大型土工離心機(jī)及懸掛的R500B振動(dòng)臺(tái)和吊籃Fig.1 IWHR centrifuge and R500B biaxial centrifuge shaker and basket

振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋模擬信號(hào)控制，通過探測安裝在振動(dòng)臺(tái)的位移傳感器以及量測伺服閥的壓力差反饋調(diào)節(jié)振動(dòng)參數(shù)，控制振動(dòng)。動(dòng)力離心模型試驗(yàn)需要高速、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳輸和處理系統(tǒng)。隨著科技水平的發(fā)展，信號(hào)的傳輸已經(jīng)由原來單一的滑環(huán)系統(tǒng)，發(fā)展到現(xiàn)在的光電信號(hào)傳輸系統(tǒng)、無線數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)，或幾種系統(tǒng)的組合。本套振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)即采用光纖傳輸或內(nèi)網(wǎng)無線傳輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器為美國國家儀器有限公司(NI)的產(chǎn)品。在靜力試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集頻率為1～100 Hz，模擬地震條件下，數(shù)采頻率為5 000 Hz/通道。數(shù)據(jù)采集通道為128個(gè)。

表1 R500B離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the R500B centrifuge shaker

2 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 控制原理

振動(dòng)臺(tái)控制和數(shù)據(jù)采集軟件SUPERDANCE是基于Labview操作環(huán)境編寫而成，允許用戶根據(jù)自己的要求設(shè)定振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。SUPERDANCE首先發(fā)給振動(dòng)臺(tái)一個(gè)低通信號(hào)，從振動(dòng)臺(tái)得到實(shí)際的反饋，然后用得到的結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉變換，與預(yù)期得到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，建立傳遞函數(shù)，最后用逆?zhèn)鬟f函數(shù)再去修正輸入信號(hào)，將修正的信號(hào)重新發(fā)給振動(dòng)臺(tái)。這樣將得到一個(gè)相對(duì)之前更加理想的結(jié)果。由于非線性、噪聲以及設(shè)備本身的諸多影響，上述過程要重復(fù)數(shù)次，最終可以得到一個(gè)接近預(yù)期信號(hào)的理想反饋結(jié)果。

SUPERDANCE相對(duì)于其他一些數(shù)據(jù)采集軟件的優(yōu)勢，在于它的“均衡”功能。SUPERDANCE可以通過以往試驗(yàn)的數(shù)據(jù)知道初始信號(hào)的失真程度。在實(shí)際的振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)中，信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，這是由于振動(dòng)臺(tái)本身和振動(dòng)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)性能上的限制，以及振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)器具有非線性的特性等原因。所以，SUPERDANCE可以從先前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到有用的信息，進(jìn)行補(bǔ)償均衡，最終經(jīng)過多次均衡的操作，得到一組最接近初始設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定值。正像經(jīng)常使用的音響，為了使得音樂聽起來更動(dòng)聽，得到更好的音色，我們經(jīng)常要調(diào)節(jié)均衡器，盡量排除房間本身帶來的噪聲等影響，SUPERDANCE的“均衡”功能與其十分相似。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器NI共128個(gè)通道，為了滿足各種類型傳感器的測量又配備了響應(yīng)的放大器以滿足孔隙水壓力、位移、土壓力、應(yīng)變等的測量。并且NI也為不同的電壓輸入需要設(shè)置了響應(yīng)的通道。

振動(dòng)臺(tái)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有些故障需要在振動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)之前進(jìn)行檢測并排除，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)專門設(shè)定了一個(gè)裸線測試連接來方便確定故障的根源。裸線測試就是直接連接信號(hào)輸入端和NI輸入通道，不與振動(dòng)臺(tái)相連，如果裸線測試通過，那么證明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分沒有問題;如果裸線測試有問題，那么可以在數(shù)據(jù)采集端尋找故障。圖2，圖3是裸線測試與正常試驗(yàn)的原接線圖對(duì)比。

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)的接線示意圖Fig.2 Wire connection of normal vibration test

2.3 SUPERDANCE 軟件

圖3 裸線測試接線示意圖Fig.3 Connection of bare wire test

圖4 SUPERDANCE軟件工作流程圖Fig.4 Work flow of software SUPERDANCE

圖5 SUPERDANCE主頁面Fig.5 Homepage of SUPERDANCE

圖4是數(shù)據(jù)采集軟件SUPERDANCE的工作流程。圖5是SUPERDANCE的主頁面，從上面我們可以看到還包括很多下級(jí)菜單，現(xiàn)在主要將其介紹如下:首先，將試驗(yàn)用波(藍(lán)色波形)載入 SUPERDANCE，為水平和垂直的振動(dòng)器分別設(shè)定參數(shù)，低通和高通的濾波值設(shè)定很重要，因?yàn)樵O(shè)定得不夠準(zhǔn)確的話容易帶來噪聲干擾。在振動(dòng)臺(tái)限制上也要做相應(yīng)設(shè)定，在這里可以選擇單向振動(dòng)或雙向振動(dòng)，如果選擇單向振動(dòng)的話可以選擇水平單向或垂直單向振動(dòng)。

在運(yùn)行振動(dòng)臺(tái)之前，必須要完成“均衡”操作，因?yàn)樵O(shè)定信號(hào)和實(shí)際得到信號(hào)要吻合得很好才能進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。所以在做振動(dòng)試驗(yàn)之前，下面的2個(gè)步驟必須要完成:在不同方向上對(duì)振動(dòng)臺(tái)做均衡操作，得到一個(gè)合適的傳遞函數(shù);根據(jù)這個(gè)得到的傳遞函數(shù)來進(jìn)行振動(dòng)操作。再將上面介紹的菜單都輸入設(shè)定值后，進(jìn)行振動(dòng)操作，之后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

對(duì)于不同的傳感器，率定系數(shù)等參數(shù)都在自定義一欄中來完成，SUPERDANCE在接到數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)按照相關(guān)的率定系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并換算，在得到全部數(shù)據(jù)后，還可以看到不同通道的采集情況。

此外，除了采集振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)這個(gè)最重要的功能外，SUPERDANCE本身還有很多對(duì)于數(shù)據(jù)處理的功能，可以隨時(shí)方便地對(duì)信號(hào)做各種處理。SUPERDANCE包括一些下級(jí)菜單，以方便振動(dòng)臺(tái)的調(diào)試和安全設(shè)定。圖6給出振動(dòng)臺(tái)限制的設(shè)定界面，其中包括加速度限制、速度限制、位移限制、驅(qū)動(dòng)電壓限制等。

圖6 振動(dòng)臺(tái)限制設(shè)定Fig.6 Setting of centrifuge shaker limits

2.4 基本試驗(yàn)操作過程

在這里通過一個(gè)例子來解釋整個(gè)試驗(yàn)的操作過程。試驗(yàn)內(nèi)容是模擬土石壩遭受地震的狀況。

試驗(yàn)步驟如下:①需要檢查液壓泵站HPS的溫度，低于100℃時(shí)開啟加熱系統(tǒng);②連接液壓旋轉(zhuǎn)接頭;③預(yù)熱離心機(jī);④當(dāng)HPS油溫達(dá)到150℃以上時(shí)，先在低壓下打開HPS，等待5 min，后打開高壓;⑤開啟振動(dòng)臺(tái)伺服控制器電源UPS;⑥進(jìn)行裸線測試;⑦連接作動(dòng)器;⑧啟動(dòng)振動(dòng)和平衡監(jiān)測系統(tǒng);⑨開啟離心機(jī)到指定的加速度，先在10 g下檢測離心機(jī)的平衡，如果傳感器峰值小于10 mV，相位差180度，則離心機(jī)最大可以運(yùn)行到80 g;⑩當(dāng)離心機(jī)到達(dá)預(yù)定的加速度，再次檢查應(yīng)變計(jì)讀數(shù)，峰值不應(yīng)超過100 mV，否則需要調(diào)整配重或試驗(yàn)的頻率，以避免共振;?啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的液壓支撐系統(tǒng)，先鎖定伺服閥，開啟油泵;?當(dāng)傳感器讀數(shù)為0.0 V時(shí)，關(guān)閉保壓系統(tǒng)油泵;?開啟軟件系統(tǒng)，調(diào)入一個(gè)時(shí)長3 s的汶川地震振動(dòng)波，檢查所有的參數(shù)，通常振動(dòng)臺(tái)需要輸入較小的振動(dòng)以便調(diào)整傳遞函數(shù);?進(jìn)行正式試驗(yàn);?得到反饋波形，與輸入波形進(jìn)行比較(見圖7)，確認(rèn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)束后，存儲(chǔ)數(shù)據(jù);?離心機(jī)減速;?當(dāng)離心機(jī)減速到30～40 g時(shí)，可以卸掉振動(dòng)臺(tái)面支撐系統(tǒng)的壓力，同時(shí)保持油泵開啟;?離心機(jī)停機(jī);?停機(jī)后關(guān)閉油泵系統(tǒng);?關(guān)閉電源并檢查整個(gè)機(jī)械和油路系統(tǒng)。

圖7 輸入波形與返回波形對(duì)比Fig.7 Comparison of input wave and returned wave

圖7中，藍(lán)色的波是輸入波形，紅色的波是返回波形，我們可以看到，二者基本吻合，這證明我們的試驗(yàn)很成功，通過對(duì)數(shù)采數(shù)據(jù)的分析，也證明這套數(shù)采系統(tǒng)可以很好地在高速離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中工作。

3 結(jié)語

R500B大型土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)是世界上第1個(gè)具有垂直和水平振動(dòng)功能的大型離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)，由于需要在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中完成振動(dòng)臺(tái)的控制和信號(hào)的采集，因此系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，還需要不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，且隨著各類不同試驗(yàn)的具體要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也需要進(jìn)一步完善升級(jí)。

［1］Anco Engineers Inc.Superdance User’s Guide［K］.USA，2010.

［2］中國水利水電科學(xué)研究院.離心機(jī)動(dòng)力模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研制［R］.北京:中國水利水電科學(xué)研究院，2010.(China Institute of Water Resources and Hydropower Research.Development of Dynamic Modeling System of Centrifuge［R］.Beijing:China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2010.(in Chinese))