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香港土質(zhì)技術(shù)的離心機(jī)的發(fā)展
香港九龍清水海灣香港科技大學(xué)C.K. Shen, X.S. Li, C.W.W. Ng and P.A. Van Laak
美國戴維斯加州大學(xué) B.L. Kutter
美國聯(lián)合學(xué)會K. Cappel and R.C. Tauscher
摘要: 香港科技大學(xué)(HKUST)目前正在開發(fā)一臺先進(jìn)的400克-噸土質(zhì)技術(shù)的離心機(jī)。在1998早期HKUST將安裝一臺不普通的8-米直徑射線離心機(jī)。這臺離心機(jī)獨特之處在于它是使用一臺飛行中的雙軸水力振動器模仿在兩個水平的方向動態(tài)問題的能力。在靜態(tài)測試中,離心機(jī)可能運轉(zhuǎn)高達(dá)150g ,但是被設(shè)計的雙軸振動器的震動測試只達(dá)到75g。
1 介紹
在90 年代的十年里,我們看到了以研究和設(shè)計離心機(jī)塑造土質(zhì)技術(shù)的結(jié)構(gòu)實踐有明顯增大。離心機(jī)塑造構(gòu)成為許多先前難以處理的土質(zhì)技術(shù)問題的研究提供了一個強(qiáng)有力的工具, 它有益于對大規(guī)模土質(zhì)技術(shù)基本系統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)的發(fā)展, 通過直觀比較(相似和結(jié)垢法則) 和計算機(jī)程序的證明以及對原型系統(tǒng)使用定標(biāo)為隨后分析。離心機(jī)塑造技術(shù)也成為對常規(guī)設(shè)計和分析技術(shù)補(bǔ)充的公用事業(yè)。
近年來在改進(jìn)土質(zhì)技術(shù)離心機(jī)塑造方面的工藝和科學(xué)獲得了重大進(jìn)展。最近HKUST利用一些在儀器工作和先進(jìn)的塑造技術(shù)開發(fā)它的新型離心機(jī)設(shè)施, 并在努力促進(jìn)離心機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 承擔(dān)了新雙軸離心機(jī)振動器的研制。
意在發(fā)展尖端科技的能力, 離心機(jī)是為了滿足以下的業(yè)績目標(biāo): (1)大模式容器適應(yīng)允許更加詳細(xì)的塑造和在模型里面讓出空間給廣泛使用儀器, (2)提供廣泛的手臂使用儀器為樣板叁數(shù)的詳細(xì)測量和領(lǐng)域載入和工程程序的模擬, (3)地震載入模擬和在平垂直線的雙軸性能的進(jìn)步對地心引力領(lǐng)域的產(chǎn)生改變。
在考慮這些目的之后，HKUST 離心分離機(jī)的設(shè)計和表現(xiàn)規(guī)格被構(gòu)思出來。這在本文里, 提供離心分離機(jī)設(shè)備的規(guī)格與雙軸的地震水力振動器詳細(xì)描述。
給土質(zhì)技術(shù)離心分離機(jī)設(shè)備的資金由經(jīng)費委員會和大學(xué)共同提供。離心分離機(jī)和雙軸的振動器由美國華盛頓伯靈屯公司設(shè)計和提供。這家公司在伺服水力學(xué)有多年經(jīng)驗而且已經(jīng)參與一些離心分離機(jī)振動器的發(fā)展(Ketcham, 1991; Kutter, 1994; Van Laak, 1996)。
在香港乃至世界這種設(shè)施不僅致力大學(xué)而且服務(wù)于土質(zhì)技術(shù)的領(lǐng)域。
2 在HKUST離心機(jī)
離心分離機(jī)在位于來自校園的主要的短距離的一楝新的建筑物中被安裝。 建筑物不僅安置土質(zhì)技術(shù) 離心分離機(jī)設(shè)備 (GCF) 而且安置風(fēng)和波隧道設(shè)備 (WWTF)。由于安全理由原因，離心分離機(jī)被安置在一間圓形的地下中。一個鋼導(dǎo)管的網(wǎng)絡(luò)附在墻壁的內(nèi)部表面,在離心機(jī)操作期間通過哪些已冷卻的水流通冷卻必需品的地下室。離心機(jī)實驗室的海拔和樓面平面圖見1和2。
圖1在 HKUST 的離心機(jī)設(shè)備的視野高度
圖 2 計劃視野
離心分離機(jī)設(shè)備有一共計 255m2 工作室和一般的實驗室空間。在主要實驗室區(qū)域, 頂上有一臺20 噸容量的臺架起重機(jī)可移動在離心機(jī)裝載和卸載離心機(jī)模型容器之上預(yù)制混凝土盤區(qū)。當(dāng)需要時，起重機(jī)也用來交換靜態(tài)的平臺和振動器。 未用的平臺或振動器被儲存在離心分離機(jī)封入物的地板下。離心機(jī)通過使用CCTV 照相機(jī)和話筒監(jiān)測, 并且在樣式結(jié)算離開期間對講機(jī)被使用在離心機(jī)分庭和控制室之間通信中。水力供應(yīng)在一個房間的主要實驗室區(qū)域下面位于與離心分離機(jī)相鄰。
表1 離心機(jī)的技術(shù)規(guī)格。
關(guān)鍵項目
規(guī)格
負(fù)載能力
400 g-tons
手臂半徑
到搖擺的平臺的中心3.82 m
最大加速度
150g
負(fù)載大小
態(tài)測試為1.5mx1.5mx1m, 動態(tài)測試為0.6mx0.6x0.4m
表1總結(jié)離心機(jī)的一些關(guān)鍵規(guī)格。為靜態(tài)測試, 離心機(jī)可以由150g 決定操作,但是為動態(tài)測試, 雙軸振動器由75g決定操作。
總共, 制造了三個搖擺的平臺。兩個被設(shè)計為非震動的測試平臺是相同的。每個這些靜態(tài)平臺可能容納模型大小為1.5m×1.5m×1m和40,000 N的重量。第三個平臺包括雙軸振動器和聯(lián)系的結(jié)構(gòu)支持、水力多頭管和反應(yīng)馬薩諸塞。振動器滑倒桌可能容納載量高達(dá)0.6m x 0.6m x 0.4m和3000 N 的重量。由于動態(tài)平臺的巨大, 為了使靜態(tài)測試在比較高的超過75g 動態(tài)平臺必須用一個靜態(tài)平臺替換。
2.1主要軸承和驅(qū)動器
圖3 顯示離心機(jī)的海拔部分。離心機(jī)手臂由一對被預(yù)先輸入的鉻鎳鉬耐熱鋼的滾柱
圖 3 HKUST 400 g-噸的離心分離機(jī)
軸承支撐一個常規(guī)軸運行。離心分離機(jī)被直接加倍到垂直驅(qū)動軸下端的一個水力輻形活塞馬達(dá)驅(qū)動。因為切線搖動手臂應(yīng)用的轉(zhuǎn)力矩很大地超過必需的驅(qū)動轉(zhuǎn)力矩，所以這驅(qū)動被選擇。在搖動期間除非一臺昂貴的水力傳動器被提供分開變速箱否則以齒輪連起的驅(qū)動會很快的被振動轉(zhuǎn)力矩?fù)p害。為了預(yù)防對水力馬達(dá)和軸聯(lián)結(jié)的損壞, 在搖蕩機(jī)被操作的簡短的期間對驅(qū)動馬達(dá)的油流程被省略有效允許離心分離機(jī)靠慣性滑動。在搖動完成后，對驅(qū)動馬達(dá)的流程是重建。
在150g最大可允許不平衡狀態(tài)是222 kN, 對應(yīng)于149 公斤重量不平衡狀態(tài)。平衡離心機(jī)是在平臺成功的使用各種各樣的大小重量安置沒被使用為運載樣式的容器。仔細(xì)的簿記使用保證離心機(jī)平衡嚴(yán)密維護(hù)在測量儀之內(nèi)。被展開在離心機(jī)上的緊張標(biāo)準(zhǔn)度量用來檢測類似從離心力和負(fù)載量不平衡出現(xiàn)和電動機(jī)在搖動期間裝載的靜態(tài)結(jié)構(gòu)負(fù)荷。
2.2 結(jié)構(gòu)臂和裝備
離心機(jī)的基礎(chǔ)是一個逐漸變小的鋼焊件被使用傳送靜態(tài)和動態(tài)裝載從替換手臂
到建筑物基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的手臂是堅固地附到主軸上的鋼焊件。 它的主要功能是支持這四根張緊皮帶和傳輸從主軸到平臺驅(qū)動扭矩。張緊皮帶在末端被固定到結(jié)構(gòu)臂上并且反對以軸承沿著他們長度安置的切線替代阻止.以這個安排, 所有失衡的裝載從兩個搖擺的桶通過結(jié)構(gòu)手臂被傳達(dá)給主軸, 當(dāng)在缺少力量(一個完全平衡的情況) 大離心力在載重和配重之間通過套四條緊張皮帶整個地被傳送, 并且彎曲的片刻不適用于主軸。在震動期間的片刻除動態(tài)力量之外引起, 在主軸主要彎曲歸結(jié)于不平衡狀態(tài)力量。
2.3 停止平臺
避免有害物質(zhì)物產(chǎn)生變動和注重提高者, 高度被注重的張緊皮帶用機(jī)器制造用高強(qiáng)度鋼沒有焊接。對被焊接的裝載道路的信賴?yán)^續(xù)在連接在緊張皮帶和平臺之間: 搖擺的平臺由高強(qiáng)度標(biāo)尺多樣性運載插入通過通行證軸在張緊的皮帶的末端的樞軸塊。每個這些標(biāo)尺沒有高于裝載13.3 kN, 哪些給安全因素大約3 由于每個的最后力是40kN。這次結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)同心度是非常寬容輕微的, 譬如由平臺結(jié)構(gòu)的小自轉(zhuǎn)造成。提供四套20 把標(biāo)尺。容納震動桌的正切勵磁的要求, 在懸浮平臺的反沖要求一個額外自由程度自轉(zhuǎn), 由球狀連接的插入達(dá)到在樞軸塊之間在主要耳軸, 并且兩對取決于在平臺的邊緣的塊。然后各個平臺被提供在振動器位移的兩個正交方向兩個自由度旋轉(zhuǎn)。 由滑的摩擦從振動器在平臺懸浮樞軸動態(tài)片刻被傳達(dá)給離心機(jī)的手臂確定。所有滑落表面被以造成一個 摩擦系數(shù)0.03的一種專有的涂料處理。
因為張緊的竿對必需克服樞軸的摩擦的修剪力的傳輸是不適當(dāng)?shù)?他們可滑動地附到樞軸的塊上的矩形結(jié)構(gòu)管材的成員被裝入, 但是不到那平臺, 所以當(dāng)竿在負(fù)荷之下伸展的時候他們在張緊方面不被強(qiáng)調(diào)。
2.4 分離控制系統(tǒng)
離心機(jī)驅(qū)動使用易變200馬力驅(qū)動電動機(jī)的容量壓力補(bǔ)償泵浦。被加壓的油從主要泵浦通過水力輻形活塞馬達(dá)在一條閉合的水力電路內(nèi)散布。容量油的流速在這條電路里由泵浦的角度控制旋轉(zhuǎn)斜盤的伺服閥和確定離心機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。
主要驅(qū)動泵浦以21 Mpa壓力操作離心機(jī),當(dāng)泵浦被使用為供給振動器動力和在35Mpa壓力下為控制驅(qū)動泵浦旋轉(zhuǎn)斜盤操作.給離心機(jī)的水力泵開車并且搖動桌子一個位于離心力房間的水庫 (圖 1)
對需要回轉(zhuǎn)速度的類比信號比例項適用于對主要在高壓水力電路附件的伺服閥的泵。除了調(diào)整對離心機(jī)驅(qū)動馬達(dá)的油流量之外， 斜盤角度也決定主要驅(qū)動的油壓線路。由于斜盤有非常高的回轉(zhuǎn)率 (在幾毫秒內(nèi)做完整個行程), 除非整個水力的驅(qū)動系統(tǒng)被仔細(xì)控制，否則在加壓上的主要驅(qū)動環(huán)存在潛能。
為了使達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)需要時間減到最小, 使用一個成形的速度指令而不是一條線的斜坡。在離心機(jī)慢慢地轉(zhuǎn)動并且阻力較小的情況下允許速度迅速被增加, 并且在高阻力情況下限制速度, 避免轉(zhuǎn)力矩和液壓操作過度。另外, 驅(qū)動電路液壓的在被測量而且使用變?nèi)躜?qū)動信號避免壓力過度。
一個電腦程式用來實現(xiàn)在上面被描述的控制。除控制離心機(jī)的速度以外, 計算機(jī)被使用監(jiān)測操作的參量譬如不平衡狀態(tài)手臂,主要軸承的溫度、液壓機(jī)液體溫度和壓力, 和安全互鎖的狀態(tài)。在震動測試期間必需使用計算機(jī)實施閥門操作序列來操作振動器系統(tǒng)。輸入每個自動被采集數(shù)據(jù)和被測量的參量對計算機(jī)硬盤促進(jìn)機(jī)器表現(xiàn)長期監(jiān)視和預(yù)定定期維護(hù)。
3. 雙軸振動器裝配
HKUST 離心機(jī)合并一臺雙軸水力振動器,作為被模仿的震動勵磁。在考慮震動狀態(tài)是多向而許多已經(jīng)利用的離心機(jī)震動模擬器是單向的, HKUST決定發(fā)展在自然里兩個水平的方向同時模仿震動運動的一臺雙軸振動器為了。
由于這臺振動器在兩個方向上震動是可能的, 離心機(jī)和振動器的發(fā)展同時被進(jìn)行,被設(shè)計振動器作為離心機(jī)的整體部分。采取這種聯(lián)合設(shè)計方法為了盡可能隔絕離心機(jī)震動的能量, 和明確描述上面的懸浮設(shè)計。
促進(jìn)安裝和維護(hù), 而且允許離心機(jī)的操作在加速度大于75 g 為靜態(tài)測試, 震動工作平臺和它的桶形成一個從中止雙臂可移動和替換裝配。
以負(fù)載重量3000N, 總移動的重量(酬載和震動工作平臺硬件) 是大約10000N 。為了要將在飛行中搖蕩機(jī)的動態(tài)運行最佳化，大的反應(yīng)塊(4000 公斤) 已經(jīng)被合并設(shè)計。震動工作平臺由流體靜力的自調(diào)整墊軸承支撐。比橡膠墊, 流體靜力的軸承提供更高的壓縮強(qiáng)度。橡膠墊位于在滑動平臺之下只被使用提供集中力量。
振動器在每個震動的方向運用兩對伺服器 (一對在離心機(jī)自轉(zhuǎn)的正切方向和其他搖擺方向).各對振動器設(shè)置在震動的平臺的反面并且對應(yīng)的被作為設(shè)計單位, 應(yīng)用相同力向各平臺的邊滑動?；瑒悠脚_的運行外表是在沒有自轉(zhuǎn)在飛行的二個正交方向震動。
流體靜力墊軸承被使用在各個作動器活塞和滑動平臺之間。這些軸承降低了滑動平臺的行動的橫向活塞軸接口的摩擦, 當(dāng)在活塞之間提供高強(qiáng)度的連接并且在軸向方向滑動。
表2 振動器的技術(shù)規(guī)格。
關(guān)鍵項目
規(guī)格
振動方向
二個原型水平方向
最大振動的加速度
35g
最大振動的速度
750 mm/s
振動頻率
0-350 Hz
搖動平臺接受來自這10gpm的油,35Mpa 易變?nèi)萘繅毫斶€泵。這個泵經(jīng)過被裝在離心分離機(jī)的頂端的附近的一個 35Mpa 水力的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)提供油給搖蕩機(jī)。為了提
供足夠的壓力和流動到振動器活塞, 在震動前液壓機(jī)液體被存放在四個2.5 加侖壓力累加器里。各臺伺服器有一條直徑7.6cm的活塞,壓力高達(dá)35Mpa, 每軸各對應(yīng)用力32,000kgf?？梢苿釉?000 公斤之下重量, 這力在各個震動的方向可產(chǎn)生35g加速度, 和一個典型的震動信號, 2 秒震動時間為各累加器充電是可達(dá)到的。振動器的關(guān)鍵術(shù)規(guī)格見表2。
圖 4 雙軸的搖蕩機(jī)。
振動器的由多個復(fù)雜的伺服器控制。因為被使用四臺不同伺服器在三個自由度驅(qū)動滑動平臺 (翻譯在二個方向加上自轉(zhuǎn)在飛機(jī)震動),并且必須對各臺伺服器采取保證命令措施與運動學(xué)限制一致; 否則, 伺服器將導(dǎo)致振動器表現(xiàn)減弱。
表3 滑動圓環(huán)和轉(zhuǎn)臺式連接裝置的規(guī)格
關(guān)鍵項目
規(guī)格
滑動圓環(huán)
模擬信號為32, 模擬返回為8,力為16
同軸
8 為錄影和高頻率
電纜
設(shè)備, 4個高質(zhì)量數(shù)字傳輸
通道
信號(計算機(jī)網(wǎng)絡(luò))
空氣出口
2 在1400 kPa, 0.05 m3/min
水出口
2 在2000 kPa, 40 liters/min
一個聯(lián)合的模式和數(shù)字控制系統(tǒng)用來實施達(dá)到震動目標(biāo)的運行?？刂破鞯哪Ｊ讲糠菔褂弥饕糜跍p少了壓力反饋變?nèi)?。模式控制使用定義操作系統(tǒng)的點(定位點) 系統(tǒng)。當(dāng)前在發(fā)展中的數(shù)字式震動控制系統(tǒng)了裝備一臺高速模式接口奔騰計算機(jī)實施的。數(shù)字系統(tǒng)有兩個功能。在更低的層次,控制器根據(jù)了假定設(shè)計, 關(guān)于一個慣性框架震動平臺在反應(yīng)被修理; 在上部, 更正將被做根據(jù)平臺的絕對加速度.
更低的層數(shù)使用中斷服務(wù)實施控制器無限沖擊反應(yīng)。通過系統(tǒng)證明閉環(huán)控制器參量將由最佳振動器的調(diào)動。上部控制器是由于平臺和離心機(jī)手臂振動的通過一個離線重申做法改正根本上錯誤。
4 滑動圓環(huán)和轉(zhuǎn)臺式連接裝置
對適當(dāng)?shù)碾x心分離機(jī)的機(jī)能，轉(zhuǎn)臺式連接和滑動圓環(huán)連接是必要的。他們被用于傳輸電力、信號,可壓縮的液體像是空氣、水和油控制各種不同的裝置而且獲得實驗的數(shù)據(jù)。連接的一些規(guī)格見表3 。在HKUST, 二個連接被放在另一個上面而且展開在離心分離機(jī)室上面的地板上。這個架置安排使振動效應(yīng)和從離心機(jī)和離心機(jī)分庭的一個更高的凈空高度的梯度要求減到最小。這是重要考慮, 因為離心機(jī)分庭的幾何半徑和高度對電力消費-有很大影響。
5 容器模式
二個樣板的容器已經(jīng)被發(fā)展。一是一個矩形的鋁容器,為靜態(tài)的測試設(shè)計, 尺寸約為 1245mmx1270mmx850mm, 而且結(jié)合一扇可選擇的壓克力的窗口。容器被設(shè)計為在加速旋轉(zhuǎn)期間平均張力限制在模型之內(nèi)到0.025%。為了動態(tài)測試, 有柔性層狀類型的內(nèi)壁的容器已經(jīng)被研制了。這個容器在外形上是圓筒形的,內(nèi)徑550 毫米和高度500 毫米。容器由五十二個鋁圓環(huán)構(gòu)成, 在毗鄰圓環(huán)之間使用滾珠軸承降低摩擦。層式容器設(shè)計為雙向震動提供必要的邊界樣式條件。
6 結(jié)束
本文簡要的描述新型HKUST 400 g 噸離心機(jī)設(shè)施, 與它的一些獨特的設(shè)計特點。當(dāng)產(chǎn)生一些設(shè)計挑戰(zhàn)時, 雙軸震動能力為探索新型土質(zhì)技術(shù)復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)提供機(jī)會。HKUST 設(shè)施將會為全世界研究團(tuán)體所使用。
參考文獻(xiàn)
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Van Laak, P.A., 1996. Development of dynamic capability for geotechnical centrifuge model studies, Ph.D. thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York.