國內(nèi)土工離心機(jī)及專用試驗(yàn)裝置研制的新進(jìn)展

林 明

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621900)

土工離心機(jī)技術(shù)為土工離心模擬試驗(yàn)提供了重要的研究手段并得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)70年代末，長江科學(xué)院率先自主研制土工離心機(jī)，建成了我國第1臺150 g-t土工離心機(jī)。之后，上海鐵道學(xué)院，航空集團(tuán)602所，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所相繼開展了土工離心機(jī)研發(fā)工作。中國工程物理研究院總體工程研究所(簡稱總體所)從20世紀(jì)90年代開始自主研發(fā)土工離心機(jī)，通過近20年的努力，已經(jīng)成為國內(nèi)土工離心機(jī)設(shè)備研制隊(duì)伍中的一支主要力量，始終保持著完整的設(shè)計團(tuán)隊(duì)并發(fā)揮了總體設(shè)計工作的多專業(yè)、多學(xué)科優(yōu)勢，在設(shè)計、計算、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)、安裝調(diào)試、理論研究等方面，形成了一套有效的流程，一直與從事模擬試驗(yàn)研究的有關(guān)單位、專家保持密切聯(lián)系與合作，為不斷改進(jìn)土工離心機(jī)設(shè)計創(chuàng)造了有利條件，設(shè)計上不斷有新的突破。

1 土工離心機(jī)主機(jī)研制的新進(jìn)展

1.1 離心機(jī)系統(tǒng)簡介

1931年世界上第1臺土工離心機(jī)誕生在美國哥倫比亞大學(xué)，最大的土工離心機(jī)在美國陸軍工程兵師團(tuán)，容量為1 200 g-t，目前世界上大約有200多臺土工離心機(jī)。中國第1臺土工離心機(jī)(150 g-t)于1982年由長江科學(xué)院研制成功并投入運(yùn)行，為我國土工離心模擬試驗(yàn)開了先河，目前國內(nèi)土工離心機(jī)的數(shù)量已達(dá)21臺，見表1，其中容量最大的500 g-t，安裝在成都理工大學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室。

土工離心機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，運(yùn)行過程一般為啟動升速、穩(wěn)速保持、減速停機(jī);轉(zhuǎn)速控制由驅(qū)動系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)完成;在主機(jī)上增加各種專用試驗(yàn)裝置，就構(gòu)成完整的土工離心機(jī)系統(tǒng)。主要功能如下:

(1)離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心場，為試驗(yàn)提供基礎(chǔ)平臺;

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理，包括圖像數(shù)據(jù);

(3)實(shí)現(xiàn)離心－振動復(fù)合，模擬地震載荷;

(4)配備特制模型箱及爆炸裝置，實(shí)現(xiàn)離心－爆炸復(fù)合;

(5)配備特制模型箱及撞擊試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)離心－撞擊復(fù)合;

(6)配備機(jī)械手系統(tǒng)，模擬工程施工開挖、填筑、壓拔樁等過程;

(7)配備靜態(tài)、動態(tài)加載、卸載裝置，模擬工程結(jié)構(gòu)物受力狀態(tài);

圖1 土工離心機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Structure of geotechnical centrifuge

表1 中國土工離心機(jī)主要性能一覽表Table 1 Main performance indexes of geotechnical centrifuges in China

(8)其它模擬功能，如冰凍、降雨、水位變化等自然現(xiàn)象;

(9)其它有待開發(fā)功能。

可以看出，專用試驗(yàn)裝置功能的多樣性決定了土工離心模擬試驗(yàn)的深度、復(fù)雜程度。

1.2 主機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

主機(jī)是離心模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)平臺，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要考慮負(fù)載重量的不斷增加對其結(jié)構(gòu)的抗彎、抗拉能力和風(fēng)阻功率的要求，需要改善結(jié)構(gòu)外形和材料選擇范圍及加工工藝。近兩年新研制的多臺大型土工離心機(jī)的轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)和相關(guān)聯(lián)的部分都做了改進(jìn)，如轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)臂支撐、減震方式、平衡監(jiān)測與調(diào)整等，如圖2所示。具體如下:

(1)轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)。由原來的圓形改為板梁式結(jié)構(gòu)，由2根板式梁通過定位環(huán)組成整體結(jié)構(gòu)，定位環(huán)既保證2根梁的相對位置要求，也保證了2根梁的受力狀況一致。梁式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂相對于拉力帶式結(jié)構(gòu)，材料利用率更高，材料選擇范圍更廣，具有較好的加工工藝性;

(2)平衡檢測。在臂架與支承之間采用了4個方向等載直線導(dǎo)軌，既可傳遞扭矩，又可微量移動，在拉力梁上對稱設(shè)置4組力傳感器，實(shí)現(xiàn)不平衡力檢測;

(3)減震。單一吊籃連桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈趸@、轉(zhuǎn)臂支撐聯(lián)合減震，主要是針對目前二維振動臺工作時對主軸影響，特殊的減震彈簧機(jī)構(gòu)，可以削弱激振力對主軸的影響;

(4)平衡調(diào)節(jié)。由原來液壓缸推動質(zhì)量塊移動的方式，改為傳感器檢測2端受力大小并由電機(jī)驅(qū)動質(zhì)量塊移動，達(dá)到轉(zhuǎn)臂2端力矩平衡的目的，解決了液壓控制系統(tǒng)復(fù)雜和旋轉(zhuǎn)接頭長期密封的磨損、老化問題，見圖3所示。

圖2 離心機(jī)轉(zhuǎn)臂梁式結(jié)構(gòu)Fig.2 Beam structure of the arm of geotechnical centrifuge

圖3 離心機(jī)平衡調(diào)節(jié)Fig.3 Balance adjustment of geotechnical centrifuge

1.3 測控系統(tǒng)的改進(jìn)

土工離心機(jī)的測控系統(tǒng)近幾年變化較大，很多新的技術(shù)都在系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，如全數(shù)字化技術(shù)、無線和光纖傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等，使離心機(jī)測控系統(tǒng)更加智能化，控制更加可靠，抗干擾能力得到明顯改善，離心機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定，操作更簡單，見圖4所示。具體改進(jìn)如下:

(1)驅(qū)動系統(tǒng)。由最初的交流電機(jī)電磁調(diào)速發(fā)展為由直流電機(jī)或交流電機(jī)組成的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，目前大部分仍然采用全數(shù)字直流調(diào)速，交流調(diào)速系統(tǒng)在其它大型離心機(jī)上已經(jīng)開始應(yīng)用，主要原因是在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，大功率交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的價格偏高;

(2)測控系統(tǒng)。由分散器件發(fā)展為模塊化集散系統(tǒng)，可編程控制器的應(yīng)用使得各個系統(tǒng)之間可以采用簡單的網(wǎng)絡(luò)連接，減少了各分系統(tǒng)之間的連線并且可靠性增強(qiáng)，主控制計算機(jī)、調(diào)速器、給定觸摸屏、潤滑系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測都以PLC可編程控制器為中心，實(shí)現(xiàn)相互數(shù)據(jù)交換;

(3)信號傳輸。離心機(jī)上與地面之間的信號傳輸?shù)姆N類較多(模擬、數(shù)字、圖像、電源)，目前多采用接觸式滑環(huán)(電源、模擬傳輸、數(shù)字傳輸)和非接觸式滑環(huán)(網(wǎng)絡(luò)傳輸、圖像傳輸)混合使用方式，無線和光纖滑環(huán)的應(yīng)用使得信號傳輸質(zhì)量有很大改善;

(4)給定方式。加速度的給定已經(jīng)由原來的撥盤給定改進(jìn)為顯示屏觸摸給定，系統(tǒng)顯示的信息量更大;

(5)數(shù)據(jù)采集。隨著動態(tài)離心模擬試驗(yàn)的增多，原來各個離心機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)行改造，增加動態(tài)采集通道，有逐漸取代靜態(tài)采集系統(tǒng)的趨勢。

圖4 土工離心機(jī)測控系統(tǒng)Fig.4 Measurement and control system of geotechnical centrifuge

2 專用試驗(yàn)裝置研制的新進(jìn)展

離心機(jī)輔助系統(tǒng)功能是否多樣化，是衡量整機(jī)綜合性能的重要標(biāo)志。近些年，針對離心模擬試驗(yàn)需求，陸續(xù)開展了該方面的研究工作，開發(fā)了包括機(jī)械手在內(nèi)的多種新的專用試驗(yàn)裝置。

2.1 離心機(jī)振動臺

利用土工離心機(jī)進(jìn)行振動模擬試驗(yàn)研究，被國內(nèi)外巖土工程界認(rèn)為是最有效的地震模擬試驗(yàn)手段。國內(nèi)土工離心機(jī)上配置的振動臺有:香港科技大學(xué)水平二維振動臺、清華大學(xué)和南京水利科學(xué)研究院的一維振動臺、同濟(jì)大學(xué)一維振動臺、中國水利水電科學(xué)研究院二維振動臺、其他單位的振動臺仍在籌建或建設(shè)當(dāng)中。

土工離心機(jī)上的振動臺有機(jī)械式、爆炸式、壓電式、電磁式和電液式。電液式振動臺是目前最先進(jìn)的系統(tǒng)，圖5是總體所為同濟(jì)大學(xué)離心機(jī)上研制的一維振動臺系統(tǒng)，通過電液比例伺服閥來推動振動臺的臺面運(yùn)動，產(chǎn)生可控制的地震波，在50 g下工作，頻率范圍20～200 Hz，負(fù)載質(zhì)量為300 kg。

圖5 土工離心機(jī)電液式振動臺Fig.5 Electro-hydraulic shake table for geotechnical centrifuge

中國地震局工程力學(xué)研究所在總體所研制的300 g-t主機(jī)上配置振動臺的主要性能如下:

(1)一維振動臺。50 g下工作，水平單向;加速度30 g;振幅±10 mm;最大振動頻率300 Hz;有效負(fù)載質(zhì)量為1 300～1 500 kg;

(2)二維振動臺。50 g下工作，水平+豎向;水平/豎向加速度30 g/20 g;水平振幅±10 mm;豎向振幅±5.0 mm;最大振動頻率200 Hz;有效負(fù)載質(zhì)量為400 kg;

從在建或擬建的振動臺指標(biāo)看，特點(diǎn)是載荷大，能夠?qū)崿F(xiàn)水平、垂直的二維振動。

2.2 爆炸、撞擊裝置

在巖土工程領(lǐng)域，對破壞性試驗(yàn)研究，很難采用實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，而采用1∶1的實(shí)體模型其耗費(fèi)更是巨大，若利用土工離心機(jī)，就可以在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行縮比模型試驗(yàn)。土工離心機(jī)上配置爆炸裝置的單位有中國水利水電科學(xué)研究院和清華大學(xué)，配置撞擊裝置的只有中國水利水電科學(xué)研究院，裝置由中國工程物理研究院總體所研制［1］，安裝在中國水利水電科學(xué)研究院450g-t土工離心機(jī)上，進(jìn)行了國內(nèi)首次成功試驗(yàn)，見圖6、圖7。其中爆炸模擬系統(tǒng)由特制模型箱、炸藥包、點(diǎn)火控制、高速數(shù)據(jù)采集等組成;撞擊模擬系統(tǒng)由特制模型箱、微型氣炮、充氣設(shè)備、釋放控制等組成，主要功能如下:

(1)爆炸模擬試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)兩路雷管引爆控制，采集引爆前后模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度信號;

(2)撞擊模擬試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)氣炮充氣、彈丸發(fā)射自動控制，采集彈丸撞擊模型前后的模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度信號，彈丸速度可測;

(3)模擬采集通道32個，每通道瞬態(tài)采樣頻率1 MHz，提供32路加速度傳感器;

(4)實(shí)現(xiàn)彈丸發(fā)射、彈丸速度測量、模擬信號采集的嚴(yán)格同步。

圖6 離心－撞擊試驗(yàn)裝置Fig.6 Impact and centrifuge test apparatus

圖7 離心－爆炸模擬試驗(yàn)形成的彈坑Fig.7 Crater formed in a combined blast and centrifuge environment

2.3 機(jī)械手

土工離心機(jī)上配置機(jī)械手系統(tǒng)，用來模擬工程施工過程和研究結(jié)構(gòu)、荷載變化所帶來的結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性問題，為力學(xué)分析與施工設(shè)計提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。近年來研制的機(jī)械手系統(tǒng)能夠在離心機(jī)上完成模擬施工過程中的開挖、填筑、鑿洞、支護(hù)、錨固、觸探等一系列動作或完成其中的一兩個動作。

正在研制機(jī)械手系統(tǒng)的單位有南京水利科學(xué)研究院、長江科學(xué)院、長安大學(xué)、成都理工大學(xué)等。南京水利科學(xué)研究院的離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)如圖8所示，采用電機(jī)伺服控制方式，定位精度高，在100 g加速度內(nèi)進(jìn)行四軸運(yùn)動，可以自動更換工具等;成都理工大學(xué)離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)在150 g下工作，系統(tǒng)采用的是液壓伺服控制方式，出力大;而長江科學(xué)院離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)，采用x，y兩方向電機(jī)伺服控制，z向采用液壓伺服控制，既保證運(yùn)動定位精度又可提高壓拔力。主要技術(shù)性能如下:

(1)南京水利科學(xué)研究院離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)主要性能。主要功能:100 g下工作，挖、拔、壓、觸探、更換工具等;最大行程:x軸900 mm，y軸400 mm，z軸500 mm，軸270度;重復(fù)精度±0.5度(xyz軸);承載能力2 500 N(xy軸)，18 000 N(z軸);最大運(yùn)行速度30 mm/s(xy軸)，20 mm/s(z軸)。

(2)長安大學(xué)離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)主要性能。主要功能:100 g下工作，挖、拔、壓;最大行程:x軸400 mm，y軸250 mm，z軸400 mm;承載能力2 500 N(xy軸)，z軸拉5 000 N，z軸壓18 000 N;最大運(yùn)行速度30 mm/s(xy軸)，20 mm/s(z軸)。

(3)長江科學(xué)院離心機(jī)機(jī)械手主要性能。主要功能:100 g下工作，挖、拔、壓等;最大行程:x軸300 mm，y軸500 mm，z軸400 mm;重復(fù)精度 ±1度(xyz軸);承載能力1 000 N(xy軸)，20 kN(z軸);最大運(yùn)行速度20 mm/s(xyz軸)。

(4)成都理工大學(xué)離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)主要性能。主要功能:150 g下工作，挖、拔、壓、削坡、錨固等;最大行程:x軸350 mm，y軸750 mm，z軸550 mm;重復(fù)精度±1度(xyz軸);承載能力15 kN(xy軸)，z軸壓36 kN，z軸拔20 kN;最大運(yùn)行速度20 mm/s(xyz軸)。

圖8 土工離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)Fig.8 Robotic manipulator for geotechnical centrifuge

除了機(jī)械手系統(tǒng)外，另一套模擬開挖專用支護(hù)裝置［2］成功應(yīng)用于同濟(jì)大學(xué)離心機(jī)上，通過分時排放規(guī)定高度的代土液體來模擬土體分層開挖，通過支撐桿對開挖面的連續(xù)墻進(jìn)行適時支撐，以模擬基坑開挖到一定高度后的支撐施工，并通過模型中的傳感器監(jiān)測模型受力和變形情況，模擬實(shí)際工程中混凝土或鋼筋支撐對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)時支撐。

3 未來巨型離心機(jī)的發(fā)展研究

隨著離心模擬試驗(yàn)研究的更加深入，對宇宙空間、深層地下、深海的大尺度、長時間以及物質(zhì)的質(zhì)量和能量效應(yīng)等方向的探索實(shí)驗(yàn)研究也將會提到議事日程上來，研制更加先進(jìn)的超高g值(1 000 g以上)、大載荷的巨型土工離心機(jī)也許就在不久將來，在美國波音公司已經(jīng)開始相關(guān)的研究工作，國內(nèi)相關(guān)的技術(shù)預(yù)先研究工作也需要逐漸開展起來。當(dāng)然，技術(shù)難度相當(dāng)大，當(dāng)g值高到一定程度以后，技術(shù)上會遇到如下很多難題。

(1)離心機(jī)主機(jī):高g值下的主機(jī)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度，安全問題，氣動功率與溫升問題，超大功率驅(qū)動與電機(jī)問題，氣動噪聲與轉(zhuǎn)臂振動問題，真空及密封技術(shù)問題;

(2)專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備:適應(yīng)多學(xué)科研究試驗(yàn)的專用設(shè)備研發(fā);

(3)測量設(shè)備:高g值下如何獲得數(shù)據(jù)，傳感器、數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程實(shí)時傳輸問題;

(4)其它未知問題。

對以上能夠想到的或未知的技術(shù)難題，在國內(nèi)應(yīng)開展聯(lián)合攻關(guān)研究，為將來的巨型機(jī)研制提前做好技術(shù)儲備。

4 結(jié)語

土工離心機(jī)是離心模擬試驗(yàn)的重要設(shè)備，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到越來越重要的作用，設(shè)備的研制也具有廣闊前景，通過不斷改進(jìn)設(shè)計，研制出性能更加先進(jìn)的土工離心機(jī)。

專用試驗(yàn)裝置功能的多樣性直接影響著離心模擬試驗(yàn)的深度和廣度，開發(fā)更多的專用試驗(yàn)裝置將是今后一段時間的工作重點(diǎn)。

隨著土工離心模擬試驗(yàn)研究的不斷深入和拓展，研發(fā)巨型離心機(jī)的設(shè)想將成為可能，應(yīng)該提前做好技術(shù)儲備。

［1］張 榮，牛寶良，蒲 浩，等.土工離心機(jī)撞擊爆炸模擬試驗(yàn)測控系統(tǒng)總體設(shè)計［J］.工程設(shè)計與力學(xué)環(huán)境，2009，(2):43 －48.(ZHANG Rong，NIU Bao-liang，PU Hao，et al.The Overall Design of Test and Control System for Impact and Explosion Simulation Test on Geotechnical Centrifuge［J］.Engineering Design and Mechanical Environment，2009，(2):43 －48.(in Chinese))

［2］冉光斌，寧張偉，洪建忠，等.具有多通道支撐的深基坑開挖離心模擬試驗(yàn)方法［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，(6):1142 － 1145.(RAN Guang-bin，NING Zhang-wei，HONG Jian-zhong，et al.Centrifuge Model Test Method of Deep Foundation Pit Excavation with Multi-layer Props［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，(6):1142 － 1145.(in Chinese ))