国内土工离心机及专用试验装置研制的新进展

林 明

(中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621900)

土工离心机技术为土工离心模拟试验提供了重要的研究手段并得到迅速发展。20世纪70年代末，长江科学院率先自主研制土工离心机，建成了我国第1台150 g-t土工离心机。之后，上海铁道学院，航空集团602所，北京卫星环境工程研究所相继开展了土工离心机研发工作。中国工程物理研究院总体工程研究所(简称总体所)从20世纪90年代开始自主研发土工离心机，通过近20年的努力，已经成为国内土工离心机设备研制队伍中的一支主要力量，始终保持着完整的设计团队并发挥了总体设计工作的多专业、多学科优势，在设计、计算、实验、生产、安装调试、理论研究等方面，形成了一套有效的流程，一直与从事模拟试验研究的有关单位、专家保持密切联系与合作，为不断改进土工离心机设计创造了有利条件，设计上不断有新的突破。

1 土工离心机主机研制的新进展

1.1 离心机系统简介

1931年世界上第1台土工离心机诞生在美国哥伦比亚大学，最大的土工离心机在美国陆军工程兵师团，容量为1 200 g-t，目前世界上大约有200多台土工离心机。中国第1台土工离心机(150 g-t)于1982年由长江科学院研制成功并投入运行，为我国土工离心模拟试验开了先河，目前国内土工离心机的数量已达21台，见表1，其中容量最大的500 g-t，安装在成都理工大学国家重点试验室。

土工离心机系统的构成如图1所示，运行过程一般为启动升速、稳速保持、减速停机;转速控制由驱动系统的电流和转速双闭环系统完成;在主机上增加各种专用试验装置，就构成完整的土工离心机系统。主要功能如下:

(1)离心机高速运转产生离心场，为试验提供基础平台;

(2)试验数据的采集、传输、存储、处理，包括图像数据;

(3)实现离心－振动复合，模拟地震载荷;

(4)配备特制模型箱及爆炸装置，实现离心－爆炸复合;

(5)配备特制模型箱及撞击试验装置，实现离心－撞击复合;

(6)配备机械手系统，模拟工程施工开挖、填筑、压拔桩等过程;

(7)配备静态、动态加载、卸载装置，模拟工程结构物受力状态;

图1 土工离心机系统构成Fig.1 Structure of geotechnical centrifuge

表1 中国土工离心机主要性能一览表Table 1 Main performance indexes of geotechnical centrifuges in China

(8)其它模拟功能，如冰冻、降雨、水位变化等自然现象;

(9)其它有待开发功能。

可以看出，专用试验装置功能的多样性决定了土工离心模拟试验的深度、复杂程度。

1.2 主机结构的改进

主机是离心模拟试验的基础平台，在结构设计上需要考虑负载重量的不断增加对其结构的抗弯、抗拉能力和风阻功率的要求，需要改善结构外形和材料选择范围及加工工艺。近两年新研制的多台大型土工离心机的转臂结构和相关联的部分都做了改进，如转臂、转臂支撑、减震方式、平衡监测与调整等，如图2所示。具体如下:

(1)转臂结构。由原来的圆形改为板梁式结构，由2根板式梁通过定位环组成整体结构，定位环既保证2根梁的相对位置要求，也保证了2根梁的受力状况一致。梁式结构的转臂相对于拉力带式结构，材料利用率更高，材料选择范围更广，具有较好的加工工艺性;

(2)平衡检测。在臂架与支承之间采用了4个方向等载直线导轨，既可传递扭矩，又可微量移动，在拉力梁上对称设置4组力传感器，实现不平衡力检测;

(3)减震。单一吊篮连杆结构转变为吊篮、转臂支撑联合减震，主要是针对目前二维振动台工作时对主轴影响，特殊的减震弹簧机构，可以削弱激振力对主轴的影响;

(4)平衡调节。由原来液压缸推动质量块移动的方式，改为传感器检测2端受力大小并由电机驱动质量块移动，达到转臂2端力矩平衡的目的，解决了液压控制系统复杂和旋转接头长期密封的磨损、老化问题，见图3所示。

图2 离心机转臂梁式结构Fig.2 Beam structure of the arm of geotechnical centrifuge

图3 离心机平衡调节Fig.3 Balance adjustment of geotechnical centrifuge

1.3 测控系统的改进

土工离心机的测控系统近几年变化较大，很多新的技术都在系统中得到成功应用，如全数字化技术、无线和光纤传输技术、网络化技术等，使离心机测控系统更加智能化，控制更加可靠，抗干扰能力得到明显改善，离心机运行更加稳定，操作更简单，见图4所示。具体改进如下:

(1)驱动系统。由最初的交流电机电磁调速发展为由直流电机或交流电机组成的全数字调速系统，目前大部分仍然采用全数字直流调速，交流调速系统在其它大型离心机上已经开始应用，主要原因是在性能相当的情况下，大功率交流变频调速系统的价格偏高;

(2)测控系统。由分散器件发展为模块化集散系统，可编程控制器的应用使得各个系统之间可以采用简单的网络连接，减少了各分系统之间的连线并且可靠性增强，主控制计算机、调速器、给定触摸屏、润滑系统、状态监测都以PLC可编程控制器为中心，实现相互数据交换;

(3)信号传输。离心机上与地面之间的信号传输的种类较多(模拟、数字、图像、电源)，目前多采用接触式滑环(电源、模拟传输、数字传输)和非接触式滑环(网络传输、图像传输)混合使用方式，无线和光纤滑环的应用使得信号传输质量有很大改善;

(4)给定方式。加速度的给定已经由原来的拨盘给定改进为显示屏触摸给定，系统显示的信息量更大;

(5)数据采集。随着动态离心模拟试验的增多，原来各个离心机数据采集系统已经开始进行改造，增加动态采集通道，有逐渐取代静态采集系统的趋势。

图4 土工离心机测控系统Fig.4 Measurement and control system of geotechnical centrifuge

2 专用试验装置研制的新进展

离心机辅助系统功能是否多样化，是衡量整机综合性能的重要标志。近些年，针对离心模拟试验需求，陆续开展了该方面的研究工作，开发了包括机械手在内的多种新的专用试验装置。

2.1 离心机振动台

利用土工离心机进行振动模拟试验研究，被国内外岩土工程界认为是最有效的地震模拟试验手段。国内土工离心机上配置的振动台有:香港科技大学水平二维振动台、清华大学和南京水利科学研究院的一维振动台、同济大学一维振动台、中国水利水电科学研究院二维振动台、其他单位的振动台仍在筹建或建设当中。

土工离心机上的振动台有机械式、爆炸式、压电式、电磁式和电液式。电液式振动台是目前最先进的系统，图5是总体所为同济大学离心机上研制的一维振动台系统，通过电液比例伺服阀来推动振动台的台面运动，产生可控制的地震波，在50 g下工作，频率范围20～200 Hz，负载质量为300 kg。

图5 土工离心机电液式振动台Fig.5 Electro-hydraulic shake table for geotechnical centrifuge

中国地震局工程力学研究所在总体所研制的300 g-t主机上配置振动台的主要性能如下:

(1)一维振动台。50 g下工作，水平单向;加速度30 g;振幅±10 mm;最大振动频率300 Hz;有效负载质量为1 300～1 500 kg;

(2)二维振动台。50 g下工作，水平+竖向;水平/竖向加速度30 g/20 g;水平振幅±10 mm;竖向振幅±5.0 mm;最大振动频率200 Hz;有效负载质量为400 kg;

从在建或拟建的振动台指标看，特点是载荷大，能够实现水平、垂直的二维振动。

2.2 爆炸、撞击装置

在岩土工程领域，对破坏性试验研究，很难采用实际工程结构进行试验，而采用1∶1的实体模型其耗费更是巨大，若利用土工离心机，就可以在试验室条件下进行缩比模型试验。土工离心机上配置爆炸装置的单位有中国水利水电科学研究院和清华大学，配置撞击装置的只有中国水利水电科学研究院，装置由中国工程物理研究院总体所研制［1］，安装在中国水利水电科学研究院450g-t土工离心机上，进行了国内首次成功试验，见图6、图7。其中爆炸模拟系统由特制模型箱、炸药包、点火控制、高速数据采集等组成;撞击模拟系统由特制模型箱、微型气炮、充气设备、释放控制等组成，主要功能如下:

(1)爆炸模拟试验。实现两路雷管引爆控制，采集引爆前后模型结构响应加速度信号;

(2)撞击模拟试验。实现气炮充气、弹丸发射自动控制，采集弹丸撞击模型前后的模型结构响应加速度信号，弹丸速度可测;

(3)模拟采集通道32个，每通道瞬态采样频率1 MHz，提供32路加速度传感器;

(4)实现弹丸发射、弹丸速度测量、模拟信号采集的严格同步。

图6 离心－撞击试验装置Fig.6 Impact and centrifuge test apparatus

图7 离心－爆炸模拟试验形成的弹坑Fig.7 Crater formed in a combined blast and centrifuge environment

2.3 机械手

土工离心机上配置机械手系统，用来模拟工程施工过程和研究结构、荷载变化所带来的结构物稳定性问题，为力学分析与施工设计提供试验数据。近年来研制的机械手系统能够在离心机上完成模拟施工过程中的开挖、填筑、凿洞、支护、锚固、触探等一系列动作或完成其中的一两个动作。

正在研制机械手系统的单位有南京水利科学研究院、长江科学院、长安大学、成都理工大学等。南京水利科学研究院的离心机机械手系统如图8所示，采用电机伺服控制方式，定位精度高，在100 g加速度内进行四轴运动，可以自动更换工具等;成都理工大学离心机机械手系统在150 g下工作，系统采用的是液压伺服控制方式，出力大;而长江科学院离心机机械手系统，采用x，y两方向电机伺服控制，z向采用液压伺服控制，既保证运动定位精度又可提高压拔力。主要技术性能如下:

(1)南京水利科学研究院离心机机械手系统主要性能。主要功能:100 g下工作，挖、拔、压、触探、更换工具等;最大行程:x轴900 mm，y轴400 mm，z轴500 mm，轴270度;重复精度±0.5度(xyz轴);承载能力2 500 N(xy轴)，18 000 N(z轴);最大运行速度30 mm/s(xy轴)，20 mm/s(z轴)。

(2)长安大学离心机机械手系统主要性能。主要功能:100 g下工作，挖、拔、压;最大行程:x轴400 mm，y轴250 mm，z轴400 mm;承载能力2 500 N(xy轴)，z轴拉5 000 N，z轴压18 000 N;最大运行速度30 mm/s(xy轴)，20 mm/s(z轴)。

(3)长江科学院离心机机械手主要性能。主要功能:100 g下工作，挖、拔、压等;最大行程:x轴300 mm，y轴500 mm，z轴400 mm;重复精度 ±1度(xyz轴);承载能力1 000 N(xy轴)，20 kN(z轴);最大运行速度20 mm/s(xyz轴)。

(4)成都理工大学离心机机械手系统主要性能。主要功能:150 g下工作，挖、拔、压、削坡、锚固等;最大行程:x轴350 mm，y轴750 mm，z轴550 mm;重复精度±1度(xyz轴);承载能力15 kN(xy轴)，z轴压36 kN，z轴拔20 kN;最大运行速度20 mm/s(xyz轴)。

图8 土工离心机机械手系统Fig.8 Robotic manipulator for geotechnical centrifuge

除了机械手系统外，另一套模拟开挖专用支护装置［2］成功应用于同济大学离心机上，通过分时排放规定高度的代土液体来模拟土体分层开挖，通过支撑杆对开挖面的连续墙进行适时支撑，以模拟基坑开挖到一定高度后的支撑施工，并通过模型中的传感器监测模型受力和变形情况，模拟实际工程中混凝土或钢筋支撑对基坑围护结构实时支撑。

3 未来巨型离心机的发展研究

随着离心模拟试验研究的更加深入，对宇宙空间、深层地下、深海的大尺度、长时间以及物质的质量和能量效应等方向的探索实验研究也将会提到议事日程上来，研制更加先进的超高g值(1 000 g以上)、大载荷的巨型土工离心机也许就在不久将来，在美国波音公司已经开始相关的研究工作，国内相关的技术预先研究工作也需要逐渐开展起来。当然，技术难度相当大，当g值高到一定程度以后，技术上会遇到如下很多难题。

(1)离心机主机:高g值下的主机结构、强度，安全问题，气动功率与温升问题，超大功率驱动与电机问题，气动噪声与转臂振动问题，真空及密封技术问题;

(2)专用实验设备:适应多学科研究试验的专用设备研发;

(3)测量设备:高g值下如何获得数据，传感器、数据采集及远程实时传输问题;

(4)其它未知问题。

对以上能够想到的或未知的技术难题，在国内应开展联合攻关研究，为将来的巨型机研制提前做好技术储备。

4 结语

土工离心机是离心模拟试验的重要设备，为国民经济建设起到越来越重要的作用，设备的研制也具有广阔前景，通过不断改进设计，研制出性能更加先进的土工离心机。

专用试验装置功能的多样性直接影响着离心模拟试验的深度和广度，开发更多的专用试验装置将是今后一段时间的工作重点。

随着土工离心模拟试验研究的不断深入和拓展，研发巨型离心机的设想将成为可能，应该提前做好技术储备。

［1］张 荣，牛宝良，蒲 浩，等.土工离心机撞击爆炸模拟试验测控系统总体设计［J］.工程设计与力学环境，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，宁张伟，洪建忠，等.具有多通道支撑的深基坑开挖离心模拟试验方法［J］.地下空间与工程学报，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 ))