CSIEM－40－300大型振動離心機的設想與關鍵技術

王永志，袁曉銘，孫 銳

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

1 研究背景

振動離心機基于相似試驗原理，利用離心機高速旋轉形成穩定高離心力場模擬原型自重應力條件，利用振動臺在模型箱底部施加地震波、正弦波等動荷載，從而在實際應力條件下真實地再現地基和巖土結構物原型的動力響應和破壞機理，并借助各種監測手段準確地記錄這些過程，為理論研究和工程設計提供可靠的數據材料［1］。與傳統物理模擬試驗相比，振動離心機能夠用于深土層、多土層和較大型巖土結構物的整體動力特性研究，且更具經濟性、可靠性和操作性，其具有廣泛的應用前景，比如:巖土地震破壞機理分析、抗震設計計算、工程設計方案優化、現有工程加固、數值模型計算結果驗證等［2］。國外振動離心機已經得到了一些應用，取得了一些卓越成果和物理發現，比如:世界著名“VELCAS(Verification of Liquefaction Analysis by Centrifuge Studies)”項目涉及多個國家和多個單位，驗證和修正了多個著名動力分析程序，成為國際巖土工程發展的重要里程碑［3－4］。目前振動離心機已被國內外巖土工程界公認為最有效、最先進的試驗方法和手段［5］。

振動離心機能力的衡量標準與常規土工離心機不同，按照國際標準，以振動臺的振動容量和振動負載為基本評價指標［6］。作者將振動離心機中水平單向振動臺振動負載≥1 000 kg，同時振動容量≥30 g-t的離心機定義為大型振動離心機;振動負載≥500 kg，同時振動容量≥10 g-t的離心機定義為中型振動離心機［6］。全球現有振動離心機約30余臺，主要分布于美、日、俄、英等國家，其中大型振動離心機2臺，分別于美國加州大學戴維斯分校(UC Davis－University of California，Davis)1995年完成，日本建設省土木研究所(PWRI－Public Works Research Institute)1997年完成。二者振動容量均達到40 g-t，其中UC Davis振動負載2 700 kg，PWRI振動負載1 000 kg。大型振動離心機在美、日巖土地震工程學科發展中起著極為重要的支撐和引導作用［7］。目前振動容量40g-t的大型振動離心機，已經成為一個地震多發國家巖土工程科研試驗能力的重要標志［8］。

目前國內僅有振動離心機小型3臺和中型1臺，小型振動離心機分別為南京水利科學研究院(振動容量4 g-t，振動負載200kg)、同濟大學(振動容量3.6 g-t，振動負載180 kg)和清華大學(振動容量2 g-t，振動負載100 kg);中型振動離心機為浙江大學2010年建成的ZJU－400多用途離心機(振動容量 20 g-t、振動負載 500 kg)［8］;而大型振動離心機為空白，這與目前我國地震高發環境、經濟高速建設和地質復雜條件極不相稱，據統計20世紀國內大陸7級以上地震占全球地震35%，而因地震死亡人數占全球 50%，位居各國之首［1－2］。為此，中國地震局工程力學研究所擬建設一臺大型振動離心機，本文剖析了美、日2臺大型振動離心機設備的結構特點，介紹了擬建CSIEM－40－300振動離心機設想和功能特色，分析了研制的關鍵技術和難點。

2 現有大型振動離心機結構和特點

美、日2臺大型振動離心機代表了國際振動離心機發展的最高水平和最新趨勢［2］。

2.1 美國大型振動離心機

UC Davis大型振動離心機系統組成包含離心機、水平單向振動臺、垂直/水平雙向振動臺、模型箱、試驗數據采集系統、試驗攝像觀測系統、電阻層析成像系統、CPT測試系統、3D演示系統、機器人、制模設備和土建配套設施等，設備如圖1所示［9－10］。

圖1 UC Davis大型振動離心機Fig.1 The large centrifugal shaker of UC Davis

離心機主要參數:容量 450 g-t，半徑9.1 m，最大負載5 000 kg，動力離心加速度50 g，吊籃凈空2.1 m ×1.9 m ×1.5 m，啟動/制動時間 35/30 min。離心機由轉臂及平衡系統、驅動系統、吊籃、液壓旋轉接頭、電滑環、監控系統等組成，其中轉臂為4片拉力板組裝結構，僅一端安裝吊籃，另一端設置配重;吊籃為側、底板組裝結構，與轉臂采用球面軸承連接以實現自由轉動，吊籃與振動臺分路閥箱一體重6 500 kg。

水平單向振動臺主要參數:振動容量40 g-t，振動負載 2 700 kg，加速度 15 g，速度0.8 m/s，振幅±12.5 mm，頻寬 20 ～400 Hz，臺面2.1 m ×1.0 m，見圖1(b)。振動臺由液壓伺服作動器、臺面、載重架、彈性剪切支座、蓄能器、液壓分路閥箱、液壓源和監控系統等組成［10］。其工作方式:2個雙作用作動器通過載重架推動負載沿水平向運動;臺面底部為24個圓柱形彈性剪切支座，他們在水平向上可自由變形而垂直向上為剛性，支承和導向臺面和模型實現純水平運動。動力源采用蓄能器和外配油源組合，可實現離心機不停機條件下連續為振動臺供油功能。

2.2 日本大型振動離心機

目前日本擁有振動離心機約10臺，位居全球之首，其大型振動離心機為PWRI所建，如圖2所示，其系統基本組成為離心機、水平單向振動臺、模型箱、試驗數據采集及攝像系統、多媒體控制室、制模設備和土建配套設施等［10－11］。

圖2 PWRI大型振動離心機Fig.2 The large centrifugal shaker of PWRI

離心機主要參數:容量 400 g-t，半徑6.6 m，最大負載2 700 kg，動力離心加速度100 g，吊籃凈空2.4 m ×1.3 m ×1.0 m。其中轉臂為框架結構，重量輕但焊接工藝要求較高，兩端設置雙吊籃并將其封閉。吊籃為框架結構，擺起后通過特殊液壓裝置將其固定，嵌入轉臂末端，無擺動遺留角而易實現轉臂兩端靜平衡［10］。

水平單向振動臺主要參數:振動容量40 g-t，振動負載 1 000 kg，加速度 40 g，速度0.9 m/s，振幅±5.0 mm，頻寬 10 ～ 400 Hz，臺面1.7 m × 1.0 m。其水平單向振動臺結構和工作原理與UC Davis大體相同，不同之處是:PWRI采用了4個雙作用液壓伺服作動器，2個為一組分別布置于振動臺的兩端，該方案對各個液壓伺服作動器的高頻同步性要求很高;振動臺可以完全與吊籃拆離，穩壓蓄能器和液壓分路閥箱與振動臺底板為一體，而UC Davis振動臺底座和液壓分路閥箱為吊籃自身的一部分，不可拆卸［10］。

綜上所述，大型振動離心機系統的設備組成可歸納為離心機、振動臺、試驗輔助系統和土建配套設施4大部分，其中離心機和振動臺為主體設備，且振動臺為設計核心［6］。與大型土工離心機相比，大型振動離心機結構復雜、組成多、研制難度大，具體表現為振動臺激振力會對離心機造成很大沖擊，離心機要求具有很高不平衡調節能力和良好抗振減振性能，吊籃、轉臂與振動臺的接口為其設計重點;反過來，振動臺須承受離心機的高離心力作用和空間約束，要求其結構牢固可靠、激振能力大、控制精度高，尺寸緊湊［8］。

3 CSIEM－40－300振動離心機

我國地震活動頻繁、工程地質復雜、災害嚴重，是全世界地震活動最強烈的國家之一。2008年汶川8.0級大地震震害尤其引人注目，經驗教訓慘痛。我國現處于高速發展的經濟建設時期，嚴峻的地震形勢為土工抗震和巖土工程動力問題的研究提出了很多亟待解決而富于挑戰性的課題，比如地基震動穩定性和土的動力特性問題［1－3］。這些難題必須依靠大型先進試驗設備提供解決方法，而我國振動離心機現狀與國外多年來一直存在很大差距，為此，建設一臺具有國際一流水平的大型振動離心機試驗設備已迫在眉睫。通過跟蹤研究UC Davis和PWRI 2臺大型振動離心機結構和功能特點，結合國內當前土動力學和巖土地震工程科學研究中熱點問題和最新發展需要，我國大型振動離心機建設應重點在振動容量、振動負載、頻寬、多向、低頻位移、輔助試驗功能和網絡化功能等方面有所突破和提高［2，10］。此次建設設備的型號為CSIEM－40－300(含義為Centrifugal Shaker of Institute Engineering Mechanics with shaking capacity of 40 g-t and centrifuge capacity of 300 g-t)，其主要設計參數見表1，各指標綜合考慮了國內外振動離心機制造技術水平和使用者經驗，并進行了優化［2，6］。

表1 CSIEM－40－300振動離心機主要設計參數Table 1 Specifications of CSIEM－40－300 centrifugal shaker

CSIEM－40－300振動離心機系統設計特點:振動容量與美、日現有2臺大型振動離心機相同，且振動負載高于日本，在基礎指標方面達到國際先進水平;寬頻帶振動功能可較真實地模擬地震實際情況，用以分析中強地震下具有強烈非線性特征的土體響應問題。高速度大位移功能結合了近期國內外大地震調查的最新發現，近斷層的地震動強度具有速度大脈沖特征，由于土體大變位致使地下結構破壞，設備在50 g離心加速度條件下，可模擬0.5 m大位移。多類型輸入波功能可滿足各類巖土地震工程動力問題分析需要，有助于深入認識巖土力學基本原理，驗證數值分析成果。臺面凈高1.2 m，50 g離心加速下可模擬60 m深土層，可用于深土層動力響應分析和多土層地震反應分析。綜上，CSIEM－40－300振動離心機可滿足絕大多數土工抗震、巖土工程動力特性分析、大型工程安全評估設計等需求。

另外，由于實際地震動沿多維方向振動，在CSIEM－40－300振動離心機的設計中，還包含了垂直/水平雙向振動臺建設，具體指標為:垂直/水平加速度20 g/30 g，振動負載400 kg，速度1 m/s，垂直/水平振幅±5 mm/±10 mm，頻寬10～200 Hz，臺面1.2 m ×1.0 m ×1.0 m，輸入波地震波、正弦波、隨機波。

4 關鍵技術

國際經驗表明大型振動離心機建設中具有問題多、難度大、歷時長、花費高等特點，UC Davis僅在原離心機上添置水平單向振動臺就花費了5年時間，其建設在各個方面都存在挑戰和困難，因此CSIEM－40－300振動離心機建設的首要任務就是確定關鍵技術［10］。從國內外現狀來看，全球現有土工離心機150余臺，而具有振動功能的離心機僅約有30臺，且多為小型振動離心機，由此可知，離心機研制技術相對較為成熟，而離心機上振動臺研制技術則尚處于研發和探索階段［6，10］。所以，從當前設備技術研制難度和大型振動離心機特點來看，可以肯定振動臺是整個系統研制核心，離心機和振動臺之間不是簡單疊加，而是相互影響和制約。

4.1 離心機

離心機總體設計基本原則:結構簡單，減振抗振性能好;設計指標優化，關鍵部件可靠;機械性能穩定，操作性好;空氣動力條件好，運行功耗低［12－13］。與常規土工離心機相比，其既要提供模型穩定高離心力場環境，還要承受振動臺高激振力產生的強烈沖擊。離心機設計的關鍵是吊籃、轉臂、主軸系和傳動支承及相互連接裝置，振動臺的巨大激振力先由吊籃傳遞至轉臂，然后經轉臂支承和主軸系傳遞至機座，再由機座傳遞至地面。各關鍵部件具體設計難點和要求如下:

(1)吊籃為振動臺提供反力支撐，與振動臺及負載須滿足一定質量比，以降低運動耦合;且須具有較高剛度，保證在振動臺主要工作頻寬內無共振點;其與轉臂的連接須具有隔振減振功能，有效阻止振動臺激振力的傳遞;另外還須具有流線型外形，以降低離心機運行功耗。

(2)轉臂用于支承吊籃、振動臺及負載且實現高速旋轉，須具有較高靜平衡能力和獨立動平衡調節能力，以適應振動臺的高頻大沖擊;須具有較高剛度和強度，以降低自身擺振對振動臺性能的影響;低階固有頻率須盡可能低，以免與振動臺低頻運動發生共振，并須具有流線型外形。

(3)轉臂支承和主軸系即要傳遞動/靜不平衡力至地面，又要穩定地傳遞減速器輸出力至轉臂，須具有良好抗徑、軸向力和顛覆力矩能力，并配備不間斷潤滑冷卻裝置，以防止主軸系燒壞［12］。

4.2 水平單向振動臺

振動臺總體設計基本原則:結構簡單，尺寸緊湊，且自重小;剛度強度高，適應高離心力場;快速性、穩定性好;動力特性與負載滿足最佳匹配，以提高效率;控制精度高，導向性好。振動臺設計的關鍵是電液伺服作動器，動力源、支撐導向裝置和控制系統［14－15］。振動臺的大容量和高負載特點，要求小尺寸電液伺服作動器具有很大出力，高壓動力源具有大流量連續供油能力，并配置大直徑管路，低摩擦支撐導向裝置具有較高抗傾覆能力和良好的導向能力。各關鍵部件具體設計難點和要求如下:

(1)電液伺服作動器直接決定著振動臺總體運動性能，與臺面的連接須有效保證軸向力的傳遞，同時避免徑向力傳遞，以保護振動臺核心部件;臺面受力須均勻，運動平穩，盡可能降低傾覆力矩;作動器之間須具有很好同步性，以實現純水平運動，避免扭轉;須具有快速響應能力，以拖動負載實現高加速度高頻振動。

(2)動力源用于為電液伺服作動器提供恒定高壓和能源，振動歷時越長，速度越高，動力源規格和管路直徑越大;在離心機不停機條件下須具有連續供油能力，以實現連續激振功能;同時，須具有獨立穩壓能力，以避免管道和油液受離心力作用變形和脈動影響振動臺性能。另外還須考慮合理布局，以免油液泄漏引起污染。

(3)導向支撐裝置用于支承負載的巨大離心力，并導向負載高加速度高頻運動，須具有低摩擦、耐磨損、抗沖擊能力;須能夠有效隔離吊籃變形影響，以保證臺面和負載平穩運動;不僅具有線性導向能力，還需具有限制除振動方向外的它方向振動能力。

(4)控制系統用于準確控制電液伺服作動器高精度實現預期目標波，同時具備故障處理應對功能，須具有遠程控制功能，離心機運行條件下設置實驗條件和參數;須具有監測信號記錄和查詢功能，以便設備的維護和診斷。

4.3 垂直/水平雙向振動臺

垂直/水平雙向振動臺能更加真實地模擬實際地震情況，但由于垂直激振力方向與離心力方向重合，并受限于吊籃的空間約束，使振動臺和離心機的相互制約和影響程度急劇增加，大大提高了研制難度。各關鍵部件具體設計難點和要求如下:

(1)豎向作動器和水平向作動器應獨立設置，以避免2個方向之間運動耦合，徑向作動器須承受模型及臺面的巨大離心力并牽動其往返高頻運動，50 g離心加速度條件下400 kg模型將產生200kN離心力，而20 g垂直加速度，需要80 kN激振力，即要求豎向作動器具有十分高的出力，又要求控制系統具有非常高的控制精度。

(2)垂直向激振功能不僅大大提高了臺面的剛度和強度要求，而且使臺面與水平向作動器的連接裝置設計也成了關鍵。連接裝置既要保證水平作動器與臺面之間力的有效傳遞，又要防止臺面變形和垂直向運動對水平向作動器的影響，有效保護核心部件。

(3)保證垂直向激振力足夠的前提下，利用吊籃的有效空間和高度，須合理設計垂直向作動器的布局位置和數量，以免臺面受高離心力作用受力不均勻，而發生傾斜和顛覆。但垂直向作動器數量過多，使結構復雜，占用空間大。

(4)垂直向巨大激振力將對吊籃與轉臂連接鉸軸和離心機主軸系產生強沖擊力，特別是主軸系還會產生巨大傾覆力矩，大大提高了振動臺與離心機連接接口及離心機主要傳力部件的安全系數和設計難度。

因篇幅所限，CSIEM－40－300總體及關鍵部件設計方法將另文發表［14］。

5 結論

大型振動離心機作為巖土地震工程領域最先進、最有效的試驗設備，美、日現有2臺大型振動離心機已經運行了近15年，取得了多項突破性科研成果，其中一臺是地震工程網絡模擬系統(NEES)中的重要組成。而我國大型振動離心機試驗設備目前為空白，與國內嚴峻的地震形勢、高速的經濟建設、復雜的工程地質條件十分不相稱。

中國地震局工程力學研究所籌建的CSIEM－40－300大型振動離心機，其設計指標依據國際大型振動離心機建設現狀和發展趨勢，國內當前土動力學和巖土地震工程科學研究中熱點問題和最新發展需要提出;其總體設計方法以分析對比美、日大型振動離心機結構特點，充分研究關鍵技術為基礎，并結合目前振動臺和離心機最新研制技術而確定;可滿足絕大多數土工抗震、巖土工程動力特性分析、大型工程安全評估設計等需求，在巖土地震工程理論研究和抗震減災事業中將發揮重要作用。

致謝:加州大學戴維斯分校Dan Wilson和Bruce Kutter教授、香港科技大學吳宏偉教授、浙江大學蔣建群教授和南京水利科學研究院徐光明教授等國內外振動離心機設計者和學者為本文提供了有益資料和寶貴建議，在此特別致謝!

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