离心机电液振动台液压系统设计

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Design of Hydraulic System for Electro-hydraulic Centrifugal ShakerZHANG Lianpeng，YE Zhengmao，HAN Junwei(School of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Institute of Technlogy，HarbinHeilongjiang 150001，China)Abstract：Due to need of the large flow hydraulic oil within short time and the unbalanced static force，the stationeriness andprecision of the waveform reproduction of the centrifugal shaker are very poor.Aiming to the problems above，the horizontal and verticalexcitation systems were designed.Using the balanced static force system，the unbalanced force was decreased.The high pressure accu-mulator was introduced to provide large high pressure oil and low pressure accumulator to absorb the pulsation and impact.A series oftesting experiment were performed.The experimental results indicate that the designed system can be used to reproduce accelerationwaveform smoothly and precisely.It proves the feasibility of the design。

Keywords：Electrohydraulic seFvo；Shaker；Centrifuge；Static force balanced；Accumulator近些年来，科学研究和实验验证表明：振动离心机是目前最先进最有效的岩土工程地震环境模拟实验设备，在分析地震破坏机制、抗震设计计算及数值模拟验证等方面具有巨大的优越性。目前，国际上建设成功的大型离心机振动台只有美国)jnkl，大学戴维斯分校、香港科技大学和日本东京工业大学 3台，并且在实验过程中出现了很多问题。然而振动离心机的技术还很不成熟，仍处于摸索阶段。

于玉贞等 介绍了电液式离心机振动台系统的优点及其发展前景。冉光斌等 提出使用隔振装置增加系统的波形复现精度，却没有提出具体解决方案。Mahadevan ILANKATHARAN等 建立 了离心机振动台的仿真模型，进行了实际模型和仿真模型实验对比，并分析了两者之间产生误差的原因，却没有提出解决措施。章为民等 针对南京水利科学院的离心机振动台系统开发了基于网络技术的数字采集系统，该数字采集系统具有很强的抗干扰能力和稳定性。韩宇航等 提出利用 PLC实现了离心机振动台的通信功能、振动台增益控制功能、不平衡力功能的方法。张建民等 主要针对清华大学研制 的离心机振动台系统，介绍其配置、技术指标、主要部件和特点。

目前建成的离心机电液振动台系统在实验过程中运行的平稳性差及波形复现精度低。针对以上问题，作者设计了振动台系统的水平和垂直激振系统的主要参数；采用平衡装置来减小系统运行中的不平衡力对系统的影响；提出了利用高压蓄能器供油的方法来解决液压泵系统很难短时问提供大流量液压油的问题 ，用低压蓄能器吸收振动过程中产生的脉动和冲击。

1 离心机振动台系统介绍1.1 离心机的主要组成及工作原理离心机的基本组成主要包括 吊篮、转臂、模型箱、振动台、配重、传动支撑、数据采集系统、监控系统和控制系统等，结构图如图 1所示。

收稿日期：2011-12-08基金项目：中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项项目 (2009B01)作者简介：张连朋 ，硕士研究生，主要从事电液伺服系统和电液振动控制系统研究。E-mail：ziphit###163.con。

· 84· 机床与液压 第41卷其中：D为活塞直径，d为活塞杆直径。根据上述关系和机械设计手册活塞杆直径和活塞直径标准系列D125 mm，d：l10 mm，则液压缸的有效面积 A 2 627 mm 。

将28 MPa时的流量折算到7 MPa时的流量Q 190× 7，/q 95 L/min选择 MOOG公 司阀压降 7MPa时额定流量为 100 L/min的 D791S10三级电液伺服阀。

3 静力平衡系统设计离心机的导向装置保持振动台平动，为了防止振动台发生亿 ，承担静力载荷和不承担静力载荷时要保证其可靠性，因此采用静力平衡装置。

该液压系统的静力平衡装置采用液压缸-蓄能器结合的平衡方式与激振液压缸串联。

静态平衡装置所受最大静态力为：F m ·g /2172 kN，为了保证其可靠性 F1.15F 197 kN。

静力平衡装置设计输入为：最大平衡重力为 197kN，最大位移变化时，平衡力变化不大于 5%。液压缸最大行程20 mm，则最大体积变化为： d Al：0.91 L其中：A 为垂直液压缸活塞杆截面积。

最大平衡压力：P。 7-20.76 MPa设平衡蓄能器的最高充气压力为：Pp00.85pp 17.65 MPa平衡装置的最高压力是：P。h1.05p 21.80 MPa平衡装置的最低压力为：P pl0.95pp 19.7 MPa则平衡蓄能器的体积 叫为：pPp0p'I/pt-ppI/ 2·2 L根据文献 [1O]选取标准尺寸，选择容积为 2.5L的蓄能器。

4 液压源的设计4.1 液压源蓄能器的设计根据设计要求，将液压源蓄能器分为高压蓄能器和低压蓄能器，高压蓄能器为振动台提供动力源；低压蓄能器为系统的回油，吸收冲击，减小系统的压力脉动。

高压蓄能器的设计根据以下参数：(1)满足随机波振动的时间为 3 S；(2)蓄能器最高工作压力为28 MPa；(3)蓄能器最低工作压力为22 MPa；(4)蓄能器充气压力为 17 MPa。

振动台水平向和垂直向同时振动时，系统的流量最大 Q 。：1 804 L/min。

根据经验值取系统的平均流量为：Q-33.3% ·Q 。-600 L/rain振动台系统随机振动 3 S振动台所需 的总油量，即蓄能器的工作容积： ·t：30 L则高压蓄能器的总容积 叫为：f 1： - ： 228 L1～f 1ph2，其中：p 为高压蓄能器充气压力；P 。为高压蓄能器最低工作压力；Ph2为高压蓄能器最高工作压力；n为指数，因为工作时间很短，按绝热处理取1.4。

低压蓄能器的设计根据以下参数：(1)满足随机波振动的时间为 3 S；(2)蓄能器最高工作压力为0.3 MPa；(3)蓄能器最低工作压力 0.15 MPa；(4)蓄能器充气压力为 0.1 MPa。

低压蓄能器的总容积 为 ：： ： l02 L -1- (pI /pl2) - ～其中：p 为低压蓄能器的充气压力；P。 为低压蓄能器的最低工作压力；p 为低压蓄能器的最高工作压力 ；n按绝热处理取 1.4。

4.2 液压源的设计(1)液压泵工作压力的确定根据设计要求，液压泵的工作压力为28 MPa。

(2)液压泵流量的确定考虑 4个静压支撑液压缸和4个伺服阀的泄漏量约为80 L/min，选择排量为80 mL/r的泵，输出的额定流量为 120 L/min。

(3)电动机功率的确定液压泵的供油压力为 28 MPa，最大流量为 120L/min，取泵的总效率为叼0.8，则泵的总驱动功率为：P：pQ： ： ! Q ：：70 kW竹 0.8×60×10由于振动台的工作时间不超过 3 S，而且 电动机短时间工作-般允许有25%的超载，因此选用75 kW的电机。

第 1期 张连朋 等：离心机电液振动台液压系统设计 ·85·(4)油箱有效容积的确定Va ·q 8×0.120.96 L取油箱的有效容积为 1 L。

5 设计方案的实验验证由于振动台所模拟的地震波信号多是加速度信号，因此进行振动实验时给定的都是加速度信号。

设计的系统流量是确定不变的，在同样的幅值条件下给定加速度信号的频率越小，所需要的流量越大 ，这就说明由于系统流量 的限制 ，在低频范围内给定加速度信号幅值不能太小，需要满足-定的条件。设给的加速度信号为aAsin(2 ·t)。给定的限制条件为：(1)最大加速度 a<30g；(2)最大速度限制 ～ A/ (2，rrf) <1 m/s；(3)最大位移限制 A A/(2 <10 mm。

根据以上 3个 限 0制条件可以绘制出离 蓬：心机振动台加速度幅 l0值 -频率曲线图，图 03所示 曲线 即为所对应频率系统所能达到的最大加速度幅值。

图 3 加速度幅值 -频率曲线图在图3中选取30、50、150 Hz等几个频率点代表的极限加速度幅值进行实验，所得结果如图46所示。

- - 输入 -- 输出墨 燃时间，s图4 幅值 l9.2g频率 30 图5 幅值 30g频率 50Hz的正弦信号 Hz的正弦信号霎由上述几幅图可 以看 出：该振动台系统的加速度信号波形复现曲线很平滑，并且复现精度很高。

这表明该振动台液压系统能够很好地复现在不同频率点处的最大加速度幅值的加速度信号，从而验证了设计的振动台液压系统满足技术指标 ，该方案具有可行性。

6 结论设计了离心机振动台液压控制系统的激振系统 、静力平衡系统和液压源系统 ，并且进行了-系列最大加速度幅值的实验。该系统能够高精度且平稳地复现给定加速度波形信号，表明该振动台液压系统达到了设计的最大流量要求，有效地减小了干扰信号引起的脉动和冲击对实验的影响，以及系统在离心力场中的静不平衡力对系统的影响，从而改善了系统运行的平稳性能，提高系统的波形复现精度，验证了该方案的可行性，对下-步的振动控制系统的设计奠定了良好的基矗