CSIEM－40－300大型振动离心机的设想与关键技术

王永志，袁晓铭，孙 锐

(中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080)

1 研究背景

振动离心机基于相似试验原理，利用离心机高速旋转形成稳定高离心力场模拟原型自重应力条件，利用振动台在模型箱底部施加地震波、正弦波等动荷载，从而在实际应力条件下真实地再现地基和岩土结构物原型的动力响应和破坏机理，并借助各种监测手段准确地记录这些过程，为理论研究和工程设计提供可靠的数据材料［1］。与传统物理模拟试验相比，振动离心机能够用于深土层、多土层和较大型岩土结构物的整体动力特性研究，且更具经济性、可靠性和操作性，其具有广泛的应用前景，比如:岩土地震破坏机理分析、抗震设计计算、工程设计方案优化、现有工程加固、数值模型计算结果验证等［2］。国外振动离心机已经得到了一些应用，取得了一些卓越成果和物理发现，比如:世界著名“VELCAS(Verification of Liquefaction Analysis by Centrifuge Studies)”项目涉及多个国家和多个单位，验证和修正了多个著名动力分析程序，成为国际岩土工程发展的重要里程碑［3－4］。目前振动离心机已被国内外岩土工程界公认为最有效、最先进的试验方法和手段［5］。

振动离心机能力的衡量标准与常规土工离心机不同，按照国际标准，以振动台的振动容量和振动负载为基本评价指标［6］。作者将振动离心机中水平单向振动台振动负载≥1 000 kg，同时振动容量≥30 g-t的离心机定义为大型振动离心机;振动负载≥500 kg，同时振动容量≥10 g-t的离心机定义为中型振动离心机［6］。全球现有振动离心机约30余台，主要分布于美、日、俄、英等国家，其中大型振动离心机2台，分别于美国加州大学戴维斯分校(UC Davis－University of California，Davis)1995年完成，日本建设省土木研究所(PWRI－Public Works Research Institute)1997年完成。二者振动容量均达到40 g-t，其中UC Davis振动负载2 700 kg，PWRI振动负载1 000 kg。大型振动离心机在美、日岩土地震工程学科发展中起着极为重要的支撑和引导作用［7］。目前振动容量40g-t的大型振动离心机，已经成为一个地震多发国家岩土工程科研试验能力的重要标志［8］。

目前国内仅有振动离心机小型3台和中型1台，小型振动离心机分别为南京水利科学研究院(振动容量4 g-t，振动负载200kg)、同济大学(振动容量3.6 g-t，振动负载180 kg)和清华大学(振动容量2 g-t，振动负载100 kg);中型振动离心机为浙江大学2010年建成的ZJU－400多用途离心机(振动容量 20 g-t、振动负载 500 kg)［8］;而大型振动离心机为空白，这与目前我国地震高发环境、经济高速建设和地质复杂条件极不相称，据统计20世纪国内大陆7级以上地震占全球地震35%，而因地震死亡人数占全球 50%，位居各国之首［1－2］。为此，中国地震局工程力学研究所拟建设一台大型振动离心机，本文剖析了美、日2台大型振动离心机设备的结构特点，介绍了拟建CSIEM－40－300振动离心机设想和功能特色，分析了研制的关键技术和难点。

2 现有大型振动离心机结构和特点

美、日2台大型振动离心机代表了国际振动离心机发展的最高水平和最新趋势［2］。

2.1 美国大型振动离心机

UC Davis大型振动离心机系统组成包含离心机、水平单向振动台、垂直/水平双向振动台、模型箱、试验数据采集系统、试验摄像观测系统、电阻层析成像系统、CPT测试系统、3D演示系统、机器人、制模设备和土建配套设施等，设备如图1所示［9－10］。

图1 UC Davis大型振动离心机Fig.1 The large centrifugal shaker of UC Davis

离心机主要参数:容量 450 g-t，半径9.1 m，最大负载5 000 kg，动力离心加速度50 g，吊篮净空2.1 m ×1.9 m ×1.5 m，启动/制动时间 35/30 min。离心机由转臂及平衡系统、驱动系统、吊篮、液压旋转接头、电滑环、监控系统等组成，其中转臂为4片拉力板组装结构，仅一端安装吊篮，另一端设置配重;吊篮为侧、底板组装结构，与转臂采用球面轴承连接以实现自由转动，吊篮与振动台分路阀箱一体重6 500 kg。

水平单向振动台主要参数:振动容量40 g-t，振动负载 2 700 kg，加速度 15 g，速度0.8 m/s，振幅±12.5 mm，频宽 20 ～400 Hz，台面2.1 m ×1.0 m，见图1(b)。振动台由液压伺服作动器、台面、载重架、弹性剪切支座、蓄能器、液压分路阀箱、液压源和监控系统等组成［10］。其工作方式:2个双作用作动器通过载重架推动负载沿水平向运动;台面底部为24个圆柱形弹性剪切支座，他们在水平向上可自由变形而垂直向上为刚性，支承和导向台面和模型实现纯水平运动。动力源采用蓄能器和外配油源组合，可实现离心机不停机条件下连续为振动台供油功能。

2.2 日本大型振动离心机

目前日本拥有振动离心机约10台，位居全球之首，其大型振动离心机为PWRI所建，如图2所示，其系统基本组成为离心机、水平单向振动台、模型箱、试验数据采集及摄像系统、多媒体控制室、制模设备和土建配套设施等［10－11］。

图2 PWRI大型振动离心机Fig.2 The large centrifugal shaker of PWRI

离心机主要参数:容量 400 g-t，半径6.6 m，最大负载2 700 kg，动力离心加速度100 g，吊篮净空2.4 m ×1.3 m ×1.0 m。其中转臂为框架结构，重量轻但焊接工艺要求较高，两端设置双吊篮并将其封闭。吊篮为框架结构，摆起后通过特殊液压装置将其固定，嵌入转臂末端，无摆动遗留角而易实现转臂两端静平衡［10］。

水平单向振动台主要参数:振动容量40 g-t，振动负载 1 000 kg，加速度 40 g，速度0.9 m/s，振幅±5.0 mm，频宽 10 ～ 400 Hz，台面1.7 m × 1.0 m。其水平单向振动台结构和工作原理与UC Davis大体相同，不同之处是:PWRI采用了4个双作用液压伺服作动器，2个为一组分别布置于振动台的两端，该方案对各个液压伺服作动器的高频同步性要求很高;振动台可以完全与吊篮拆离，稳压蓄能器和液压分路阀箱与振动台底板为一体，而UC Davis振动台底座和液压分路阀箱为吊篮自身的一部分，不可拆卸［10］。

综上所述，大型振动离心机系统的设备组成可归纳为离心机、振动台、试验辅助系统和土建配套设施4大部分，其中离心机和振动台为主体设备，且振动台为设计核心［6］。与大型土工离心机相比，大型振动离心机结构复杂、组成多、研制难度大，具体表现为振动台激振力会对离心机造成很大冲击，离心机要求具有很高不平衡调节能力和良好抗振减振性能，吊篮、转臂与振动台的接口为其设计重点;反过来，振动台须承受离心机的高离心力作用和空间约束，要求其结构牢固可靠、激振能力大、控制精度高，尺寸紧凑［8］。

3 CSIEM－40－300振动离心机

我国地震活动频繁、工程地质复杂、灾害严重，是全世界地震活动最强烈的国家之一。2008年汶川8.0级大地震震害尤其引人注目，经验教训惨痛。我国现处于高速发展的经济建设时期，严峻的地震形势为土工抗震和岩土工程动力问题的研究提出了很多亟待解决而富于挑战性的课题，比如地基震动稳定性和土的动力特性问题［1－3］。这些难题必须依靠大型先进试验设备提供解决方法，而我国振动离心机现状与国外多年来一直存在很大差距，为此，建设一台具有国际一流水平的大型振动离心机试验设备已迫在眉睫。通过跟踪研究UC Davis和PWRI 2台大型振动离心机结构和功能特点，结合国内当前土动力学和岩土地震工程科学研究中热点问题和最新发展需要，我国大型振动离心机建设应重点在振动容量、振动负载、频宽、多向、低频位移、辅助试验功能和网络化功能等方面有所突破和提高［2，10］。此次建设设备的型号为CSIEM－40－300(含义为Centrifugal Shaker of Institute Engineering Mechanics with shaking capacity of 40 g-t and centrifuge capacity of 300 g-t)，其主要设计参数见表1，各指标综合考虑了国内外振动离心机制造技术水平和使用者经验，并进行了优化［2，6］。

表1 CSIEM－40－300振动离心机主要设计参数Table 1 Specifications of CSIEM－40－300 centrifugal shaker

CSIEM－40－300振动离心机系统设计特点:振动容量与美、日现有2台大型振动离心机相同，且振动负载高于日本，在基础指标方面达到国际先进水平;宽频带振动功能可较真实地模拟地震实际情况，用以分析中强地震下具有强烈非线性特征的土体响应问题。高速度大位移功能结合了近期国内外大地震调查的最新发现，近断层的地震动强度具有速度大脉冲特征，由于土体大变位致使地下结构破坏，设备在50 g离心加速度条件下，可模拟0.5 m大位移。多类型输入波功能可满足各类岩土地震工程动力问题分析需要，有助于深入认识岩土力学基本原理，验证数值分析成果。台面净高1.2 m，50 g离心加速下可模拟60 m深土层，可用于深土层动力响应分析和多土层地震反应分析。综上，CSIEM－40－300振动离心机可满足绝大多数土工抗震、岩土工程动力特性分析、大型工程安全评估设计等需求。

另外，由于实际地震动沿多维方向振动，在CSIEM－40－300振动离心机的设计中，还包含了垂直/水平双向振动台建设，具体指标为:垂直/水平加速度20 g/30 g，振动负载400 kg，速度1 m/s，垂直/水平振幅±5 mm/±10 mm，频宽10～200 Hz，台面1.2 m ×1.0 m ×1.0 m，输入波地震波、正弦波、随机波。

4 关键技术

国际经验表明大型振动离心机建设中具有问题多、难度大、历时长、花费高等特点，UC Davis仅在原离心机上添置水平单向振动台就花费了5年时间，其建设在各个方面都存在挑战和困难，因此CSIEM－40－300振动离心机建设的首要任务就是确定关键技术［10］。从国内外现状来看，全球现有土工离心机150余台，而具有振动功能的离心机仅约有30台，且多为小型振动离心机，由此可知，离心机研制技术相对较为成熟，而离心机上振动台研制技术则尚处于研发和探索阶段［6，10］。所以，从当前设备技术研制难度和大型振动离心机特点来看，可以肯定振动台是整个系统研制核心，离心机和振动台之间不是简单叠加，而是相互影响和制约。

4.1 离心机

离心机总体设计基本原则:结构简单，减振抗振性能好;设计指标优化，关键部件可靠;机械性能稳定，操作性好;空气动力条件好，运行功耗低［12－13］。与常规土工离心机相比，其既要提供模型稳定高离心力场环境，还要承受振动台高激振力产生的强烈冲击。离心机设计的关键是吊篮、转臂、主轴系和传动支承及相互连接装置，振动台的巨大激振力先由吊篮传递至转臂，然后经转臂支承和主轴系传递至机座，再由机座传递至地面。各关键部件具体设计难点和要求如下:

(1)吊篮为振动台提供反力支撑，与振动台及负载须满足一定质量比，以降低运动耦合;且须具有较高刚度，保证在振动台主要工作频宽内无共振点;其与转臂的连接须具有隔振减振功能，有效阻止振动台激振力的传递;另外还须具有流线型外形，以降低离心机运行功耗。

(2)转臂用于支承吊篮、振动台及负载且实现高速旋转，须具有较高静平衡能力和独立动平衡调节能力，以适应振动台的高频大冲击;须具有较高刚度和强度，以降低自身摆振对振动台性能的影响;低阶固有频率须尽可能低，以免与振动台低频运动发生共振，并须具有流线型外形。

(3)转臂支承和主轴系即要传递动/静不平衡力至地面，又要稳定地传递减速器输出力至转臂，须具有良好抗径、轴向力和颠覆力矩能力，并配备不间断润滑冷却装置，以防止主轴系烧坏［12］。

4.2 水平单向振动台

振动台总体设计基本原则:结构简单，尺寸紧凑，且自重小;刚度强度高，适应高离心力场;快速性、稳定性好;动力特性与负载满足最佳匹配，以提高效率;控制精度高，导向性好。振动台设计的关键是电液伺服作动器，动力源、支撑导向装置和控制系统［14－15］。振动台的大容量和高负载特点，要求小尺寸电液伺服作动器具有很大出力，高压动力源具有大流量连续供油能力，并配置大直径管路，低摩擦支撑导向装置具有较高抗倾覆能力和良好的导向能力。各关键部件具体设计难点和要求如下:

(1)电液伺服作动器直接决定着振动台总体运动性能，与台面的连接须有效保证轴向力的传递，同时避免径向力传递，以保护振动台核心部件;台面受力须均匀，运动平稳，尽可能降低倾覆力矩;作动器之间须具有很好同步性，以实现纯水平运动，避免扭转;须具有快速响应能力，以拖动负载实现高加速度高频振动。

(2)动力源用于为电液伺服作动器提供恒定高压和能源，振动历时越长，速度越高，动力源规格和管路直径越大;在离心机不停机条件下须具有连续供油能力，以实现连续激振功能;同时，须具有独立稳压能力，以避免管道和油液受离心力作用变形和脉动影响振动台性能。另外还须考虑合理布局，以免油液泄漏引起污染。

(3)导向支撑装置用于支承负载的巨大离心力，并导向负载高加速度高频运动，须具有低摩擦、耐磨损、抗冲击能力;须能够有效隔离吊篮变形影响，以保证台面和负载平稳运动;不仅具有线性导向能力，还需具有限制除振动方向外的它方向振动能力。

(4)控制系统用于准确控制电液伺服作动器高精度实现预期目标波，同时具备故障处理应对功能，须具有远程控制功能，离心机运行条件下设置实验条件和参数;须具有监测信号记录和查询功能，以便设备的维护和诊断。

4.3 垂直/水平双向振动台

垂直/水平双向振动台能更加真实地模拟实际地震情况，但由于垂直激振力方向与离心力方向重合，并受限于吊篮的空间约束，使振动台和离心机的相互制约和影响程度急剧增加，大大提高了研制难度。各关键部件具体设计难点和要求如下:

(1)竖向作动器和水平向作动器应独立设置，以避免2个方向之间运动耦合，径向作动器须承受模型及台面的巨大离心力并牵动其往返高频运动，50 g离心加速度条件下400 kg模型将产生200kN离心力，而20 g垂直加速度，需要80 kN激振力，即要求竖向作动器具有十分高的出力，又要求控制系统具有非常高的控制精度。

(2)垂直向激振功能不仅大大提高了台面的刚度和强度要求，而且使台面与水平向作动器的连接装置设计也成了关键。连接装置既要保证水平作动器与台面之间力的有效传递，又要防止台面变形和垂直向运动对水平向作动器的影响，有效保护核心部件。

(3)保证垂直向激振力足够的前提下，利用吊篮的有效空间和高度，须合理设计垂直向作动器的布局位置和数量，以免台面受高离心力作用受力不均匀，而发生倾斜和颠覆。但垂直向作动器数量过多，使结构复杂，占用空间大。

(4)垂直向巨大激振力将对吊篮与转臂连接铰轴和离心机主轴系产生强冲击力，特别是主轴系还会产生巨大倾覆力矩，大大提高了振动台与离心机连接接口及离心机主要传力部件的安全系数和设计难度。

因篇幅所限，CSIEM－40－300总体及关键部件设计方法将另文发表［14］。

5 结论

大型振动离心机作为岩土地震工程领域最先进、最有效的试验设备，美、日现有2台大型振动离心机已经运行了近15年，取得了多项突破性科研成果，其中一台是地震工程网络模拟系统(NEES)中的重要组成。而我国大型振动离心机试验设备目前为空白，与国内严峻的地震形势、高速的经济建设、复杂的工程地质条件十分不相称。

中国地震局工程力学研究所筹建的CSIEM－40－300大型振动离心机，其设计指标依据国际大型振动离心机建设现状和发展趋势，国内当前土动力学和岩土地震工程科学研究中热点问题和最新发展需要提出;其总体设计方法以分析对比美、日大型振动离心机结构特点，充分研究关键技术为基础，并结合目前振动台和离心机最新研制技术而确定;可满足绝大多数土工抗震、岩土工程动力特性分析、大型工程安全评估设计等需求，在岩土地震工程理论研究和抗震减灾事业中将发挥重要作用。

致谢:加州大学戴维斯分校Dan Wilson和Bruce Kutter教授、香港科技大学吴宏伟教授、浙江大学蒋建群教授和南京水利科学研究院徐光明教授等国内外振动离心机设计者和学者为本文提供了有益资料和宝贵建议，在此特别致谢!

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