地震体验装置 毕业设计.docx
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地震体验装置毕业设计
地震体验装置液压系统设计研究
摘要
地震体验系统是利用一套激振系统来模拟地震的装置，凭借地震的波形（
）和频率（
）以及其他的相关参数，在一维方向上把地震的模拟效果进行比较精确模拟，让地震体验的人们体验地震发生时所获得的感受和感应。
其次，利用对抗震模式的相关设计还可以用来验证不同抗振材料或结构对地震的抗震效果。
地震体验系统让人们通过体验各震级地震，让体验者消除地震恐惧，学会震时自救。
为了考虑到体验者的安全，提振体验系统的水平加速度比真正的地震要小得多，这样可以防止体验者摔倒。
地震体验系统也可以采用伺服螺旋机构的电液伺服阀作为激振器核心,利用电液伺服制器进行全数字制,振动台架结构选择非减震以及减震两种体验模式,能够实时显示采集的地震波形和频率,并依靠地震震感程度选取合适的地震参数。
地震体验系统可以真实再现某一个振动方向上的地震波,创造真实地震体验的氛围。
最后，由于伺服阀等的非线性影响及体验装置内部各各部分的共同作用，地震体验装置实质上是一个非常烦杂的非线性系统装置,为进一步调整及优化提出了一系列的设想和展望。
希望大家能够了解我的设计研究。
关键词:
地震，电液伺服控制系统，控制阀
RESEARCHONDESIGNOFHYDRAULICSYSTEMFORTHEEARTHQUAKE-EXPERIENCEDSYSTEM
ABSTRACT
Theseismicexperiencesystemisasetofexcitationsystemtosimulateseismicdevices,byvirtueoftheearthquakewaveform（
）andfrequency（
）andotherrelevantparameters,accuratesimulationofthedirectionoftheone-dimensionalsimulationoftheeffectoftheearthquake,earthquakeexperiencepeopletoexperiencethefeelingsoftheearthquake.Secondly,thedesignoftheanti-shakemodecanalsobeusedtoverifytheeffectofdifferentdampingmaterialsorstructuresforearthquakeseismic.
Theearthquakeexperiencesystemsallowpeopletoexperiencemagnitudeearthquakeexperiencetoeliminatethefearofearthquakes,learnself-helpearthquake.Inordertotakeintoaccounttheexperienceofsafety,boosttheexperiencelevelaccelerationismuchsmallerthantherealearthquake,whichpreventstheexperienceofthosewhofall.
Earthquakeexperiencesystemalsocanbeusedtheservoscrewhydraulicservovalveastheexcitercore,theuseofelectro-hydraulicservosystemforall-digitalsystem,vibrationrigstructuretoselectnon-shockabsorptionandcushioningtwoexperientialmodelcanbedisplayedinrealtimetheseismicwaveformandfrequency,andrelyonthedegreeofearthquakewasfeltinselectingtheappropriateseismicparameters.Earthquakeexperiencecanbeatruerepresentationofavibrationdirectionofseismicwavestocreatetheatmosphereofarealearthquakeexperience.
Finally,duetothecombinedeffectofservovalve,thenon-lineareffectsandstandthetestpiece,theearthquakeexperiencedeviceisessentiallyaverycomplicatednon-linearsystem.Forabetterunderstandingoftheprincipleofhiswork,usingaserieslinearizationmethod,mythesisinthesophisticatedequipmentmakeupoftheelectro-hydraulicservoshakingtableanditworksonthebasisoftheearthquakeexperiencerelevantamathematicalmodeltofurtheradjustandoptimizeaseriesofvisionsandperspectives.Ihopeyoucanunderstandmydesignstudies.
KEYWORDS:
Earthquake,Electro-hydraulicservocontrol,Digitalvalve
符号说明
名称
符号
名称
符号
滚动摩擦系数
机械效率
加速度
a
工作压力
活塞杆外径
d
流量
q
液压固有频率
液压缸的行程
L
材料的屈服点
σS
液压缸壁厚
δ
缸筒径向变形
△D
缸筒材料泊桑系数
γ
缸筒的爆裂压力
Pe
焊缝拉应力
σ
焊缝底径
D2
焊接效率
η
阀芯台阶半径
r
弓形重叠面积
A0
蓄能器容量
V
液压泵的流量
液压桥流速增益
流量增益
阀芯位移
小孔半径
阀芯质量
速度系数
液压缸总容积
阻尼比
总泄露技术
重力加速度
g
台架及负载总质量
m
油源压力
液压缸内经
D
液压缸有效工作面积
A
泄露系数
K
油压的体积弹簧模量
Eh
材料的拉压强度
液压缸外径
缸筒发生完全塑性变形压力
阀芯初始重叠面积的弓形高度
缸筒耐压实验压力
缸筒材料弹性模数
E
液压缸底部厚度
缸底材料许用应力
液压缸输出的最大推力
阀芯重叠面积的弓形高度
h
螺旋槽升角
β
阀芯的转动角位移
θ
油液损失系数
2D阀芯末端面积
流量/压力系数
作用在活塞上的外负载力
液压伺服螺旋机构的阻尼比
活塞和负载的粘性阻尼系数
第一章绪论
1.1本课题研究的背景与意义
1.1.1本课题的研究背景
地震，又称地动、地振动，是地球上经常发生的一种自然现象。
由于地壳运动引起的地球表层的快速振动，地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波。
也是地壳运动的一种特殊表现形式。
地球，可分为三层。
中心层是地核，地核主要是由铁元素组成；中间是地幔；外层是地壳。
地震一般发生在地壳之中。
地壳内部在不停地变化，由此而产生力的作用（即内力作用），让地壳的岩层产生变形、断裂、变形、错动，便发生了地震现象。
超级地震指的是震波极其强烈的大地震。
可是地震的发生率大概在10%~20%之间，其程度是原子弹破坏的数十倍，因此大地震影响相当广泛，是十分具有破坏力的。
地震，是地球内部发生的急剧破裂震波的产生，便在某些情况下引起地面的振动。
地面的剧烈振动，古代称之为地动。
它就像龙卷风、海啸、冰冻等天然灾害一样，是地球上经常发生的一种自然灾害。
在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波浪，称为海啸。
地震是极其频繁的，全球每年发生地震约五百五十万次。
地震会造成相当严重人员伤亡，我们要及时体验到地震的到来保护自身的生命财产安全，其次，地震能够引起水灾、火灾、细菌、有毒气体泄漏及放射性物质扩散，不仅如此，地震还会造成其他多种次生灾害。
地震核变成因论：
地震是地幔中核变的及时效应在地壳上的表象。
地幔的长期沉淀、析出、分层，在地球深处形成较纯净的核裂变（如铀等）物质圈，同时由于地幔的长期析出或内部物质的生成析出或地幔对地表的液态、气态物质（如海水、石油、空气等）的吸入、热解，在地幔的上层（地幔、地壳之间）聚集了较为纯净的核聚变物质（如氢等）。
地幔的对流造成核裂变物质相遇，以超过临界体积，发生核裂变，（如果此时附近存有核聚变物质）进而引发核聚变，产生瞬间极速膨胀，反弹地壳产生纵波，纵波拉伸地壳产生横波。
中国地质学院专家提出：
石油是地球母亲的血液，对地球内部板块与板块之间起到了缓冲、粘附和减压的作用。
而过度开采过石油的地层像泄了气的皮球一样会萎缩、塌陷，板块与板块间的平衡性被破坏所产生相应的条件反射，结果必然会导致频繁地出现地震、地陷等自然灾害。
地球上每天都会发生地震，地震的出现有它的偶然性和必然性，基本上目前地震是无法提前预测的。
通过历史上发生地震记录的数据，知道的伤亡灾害多来自于建筑物的倒塌，由于很多人没有体验过地震，没有适时的心理准备，会使在地震来的时候惊慌失措，导致伤亡。
虽然目前对地震的理论研究有很多，如果要真真去体验地震，一般需要到体验装置台上对模型进行体验验证感受。
现在利用地震模拟振动台对模型和理论进行验证和优化是公认的最能模拟真实的地震发生环境的举措之一。
地震体验装置是包括土木建设、振动、电子、机械液压传动、自动控制和计
算机技术等在内的多学科综合的体验装置设计。
对工作方式来说利用电液伺服液压系统控制的手段，来进行地震体验装置的控制，在该系统的工作中完成比较真实的地震体验模拟。
在其他领域，电液伺服液压系统也在广泛的被应用着。
1.1.2本课题的选题意义
我们在对地震原理研究过程中，一般需要到模拟试验台上进行验证和优化的工作，地震体验装置就为我们提供了很好的方法和手段。
地震体验装置作为地震试验的主要设备，其性能的程度都直接影响到试验的结果，对地震防范工作的展开，在国民经济发展中占有很重要的位置。
另外，它的发展水平在某种程度上也反映了一个国家的工业发展水平。
所以，各个国家对地震的研究都非常的重视，都花了很多钱在研究地震上面。
我们国家地大物博，所以在地震发生的比率相对较大，例如在喜马拉雅一地中海地震带和环太平洋地震带上，地震活动活跃，发生地震频率较大。
地震体验提高全民防震抗震意识。
地震体验装置被应用于大型科学馆，教学实验室，地震预防馆，建筑材料研究展览馆等需要体验的地方。
所以普及地震的相关知识和掌握避震抗震技巧是预防地震灾害的重要手段我们都要掌握这些求生手段。
地震体验装置是利用装置的运动对模拟地面上的运动的模拟，在这个过程中，进行结构或模型的动力特性和动力反应的试验。
这个实验能再现不同形式的地震波形，能在体验装置上直接观测体验地震装置对各个试体的影响。
该体验装置可以反映出地震的震级和在该震级上的震感以及对模拟地面建筑物的反应，但是地震体验装置所反映出来的模拟真实情况与真实情况还存在一定的误差，关键在于所参考的数据有遗漏和不全面，方便进一步的提高地震数据反映精度。
对于液压装置来说，它能够实现快速响应，易于实现自动化、过载保护和直线运动，输出力大，制动和换向、执行频繁启动等动作。
考虑到液压装置有的这些优点，就目前地震模拟振动台大都采用液压驱动方式，所以还是比较有效率的。
在多电机的驱动情况下，其能够通过液压缸中液体的自身弹性达到同步控制的目的，所以可以看出该液压驱动属于力封闭控制。
我所研究的研究设计的地震体验装置，是采用电液伺服控制系统，对于帮助人们了解地震的感性认识，该地震体验装置的模拟成果是可以感受到的。
这就为这套地震体验系统的提出奠定了应用基础。
本课题所研究设计的是整个地震体验装置的液压系统。
1.2国内外研究发展现状
1.2.1国内外振动台的发展
振动台试验的目的是在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。
随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动台液压系统发展显得越来越重要了。
60年代，702所的振动台可以满足航天产品振动区域的需求，它对振动台系统的研制研发，包括推力20N至80kN的振动台以及各种传感器和振动测量仪表。
目前，702所的振动台不仅仅在航天领域并且在其他行业中发挥着极其重要的作用，成为702所的一项重要产品。
用于振动的试验的振动台系统从其激振方式上可分为下面三类：
1.机械式振动台2.电动式振动台3.电液式振动台。
从振动台的激振方向上来分（工作台面的运动轨迹来分），可分为单自由度和多自由度振动台系统。
从振动台系统的功能上来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。
以下对各种振动台，主要对电动振动台，及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。
发展到现在已经历了三代的功率放大器，由电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大器。
其中一类开关式放大器是这些年几年外国开发出来的，它采用了晶体管开关的特性，可达到90%的高效率，管耗也很小，并且普通的线性放大器只有50%左右的效率。
本身开关放大器发热量就少，所以基本上无需考虑它的散热，几十千伏安的输出功率的放大器只需非常小的轴流风机就能将其冷却，使得设备的结构简单并且十分可靠。
在低功率输出时开关式放大器失真度很大，不适用低功率输出的情况，而且放大器的机壳最好使用的电磁屏蔽方式来除去干扰，不然设备使用时会出现故障。
国内目前主要研究及应用现状:
举如下两例：
（1）中国地震局工程力学研究所1986年采用国产设备自行研制了双向振动
台，1997年升级成三向振动台。
该振动台的主要技术参数如下:
台面尺寸:
5mX5m;
频率范围:
0.5~40Hz
最大速度在水平方向上
600mm/s，竖直方向上
300mm/s
最大位移在水平方向上
80mm，竖直方向上
50mm;
最大模型重量:
30t;
最大加速度:
水平:
士1.0g，竖向:
上0.7g;最大倾覆力矩:
75t*m。
该振动台全部机械和液压系统由国内制造,由工程力学研究所依靠国内技术力量建设完成，其中控制系统是工程力学研究所自己研发的。
采集的数据系统也收录了国内许多公司的动态测试设备的数据。
（2）同济大学的地震模拟振动台，该设备预设为X,Y两向振动台，但是90年代进行了多次改造，主要改造内容：
双向振动台升级至三向六自由度;模型质量由15吨升级至25吨;控制系统和数据采集系统的升级等。
目前，该振动台的主要技术参数如下:
台面尺寸：
4mX4m;
最大模型质量:
25t;
频率范围：
0.1~50Hz;
最大位移:
X向：
100mm,Y向；
50mm，Z向：
50mm
最大重心高度:
台面以上3000mm;
最大速度:
X向：
1000mm/s;Y向和Z向：
600mm/s;
最大加速度:
X向：
4.0g（空载）/1.2g（负载15t）;
Y向：
2.0g（空载）/0.8（负载15t）;
Z向：
4.0g（空载）/0.7g（负载15t）:
最大偏心:
距台面中心600mm。
该振动台实验室是土木工程防灾国家重点实验室的一部分，技术负责人为
吕西林教授，目前已经完成试验项目数量近500项。
据统计，在世界上已经运行
的大型振动台中，该振动台的运行效率名列前茅。
国外主要研究及应用现状：
国外一般都是电磁振动台来进行研究的，由于电磁振动台功能齐全、性能相较稳定、使用比较方便、场地整洁、安全可靠、失真度较小小等优点。
使得国外的电磁振动台相比国内的振动台来说有较高的振动效率。
国外的振动台具有精密型设计制造、体积小、超静音工作；特别是机台底座采用优质材料，安装方便，运行平稳，无需安装地脚螺丝；控制电路数字化控制与显示频率，PID调节功能，使设备工作更为稳定、可靠；扫频及定频操作方式，适应不同行业测试要求；增加抗干拢电路，解决因强电磁场对控制电路干扰；增加工作时间设定器，使测试产品达到准确测试时间。
在国外电磁振动台广泛适用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车、家电、等行业。
该类型设备用于发现早期故障，模拟实际工况考核和结构强度试验，产品应用范围广泛、适用面宽、试验效果显著、可靠。
正弦波、调频、扫频、可程式、倍频、对数、最大加速度,调幅,时间控制,全功能电脑控制,简易定加速度/定振幅。
设备通过连续无故障运转3个月测试，性能稳定，质量可靠。
以上分析能够分析，地震体验模拟振动台的几个发展趋势:
1.控制技术方面向全数字发展2.大型足尺试验发展3.地震模拟振动台台阵发展。
相对来说液压系统设计的发展有下面两大趋势:
（1）从单个作动器发展向多个作动器保持同步作用的趋势;
（2）从单向水平发展向双向、三向加转动合计多个自由度的运动的趋势。
1.2.2液压系统国内外发展现状
因为在液压机的液压系统和整机结构方面，已经相对以前成熟，可是国内外液压机的发展主要体现在控制系统这方面上。
由于一些技术行业的快速发展，为改进液压机的性能、加工的效率的提高以及提高其稳定性等方面有了保证。
国内外液压机系统虽然种类很多，涵盖很广，但技术还是比较低的，还没有技术高的高档液压机。
由于国内外液压机的产品，通过已有的控制系统，可以将液压机分为三类：
1.为应用高级微处理器的高性能液压机2.采用可编程控制器控制的液压机3.以继电器为主控元件的传统型液压机。
这三类各有异同，应用范围也不会相同。
但总体来说是向高速化、智能化的方向发展。
（1）继电器是一种自动电器,它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路,并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。
控制继电器用途广泛,种类繁多,习惯上按其输入量不同分为如下几类：
1.电压继电器 2.电流继电器3.时间继电器4.热继电器5.温度继电器6.速度继电器。
（2）可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源2.中央处理单元3.存储器4.输入输出接口电路5.功能模块6.信息模块。
国外厂家如丹麦的STENHQJ公司采用了SIEMENS的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。
（3）工业控制机控制方式体现在计算机控制技术成熟发展的基础之上，还采用一种高技术含量的控制方式进行精密控制。
此控制方式以工业控制机或单片或单板机作为主控的单元，通过外围接口部件（如D/A，A/D板等），或者直接应用数字阀来实现对液压系统的控制，同时采用不同传感器组成闭环回路式的控制系统方式，做到精确的控制设备数据的目的。
现在，国内外很多液压机的生产厂家生产各种高性能的工业控制机控制方式的液压机产品，如美国MULTIPRESS，丹麦STENHQJ及加拿大的BROWN BOGGS等公司。
由于采用了工业控制机控制方式，使制造出的装置的控制性能提高，生产效率也有相当大的提高。
国内外的控制机小比较，国内极少有采用工业控制机控制方式的产品，而还是利用继电器控制和可编程逻辑控制来生产产品，所以国内要想走在领域的前沿，必须利用工业控制机控制方式来进行生产产品。
作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，随着液压机技术的日臻成熟，国内外的液压机技术已经没有很大的差距。
但是微小的差别是在加工工艺和安装技术方面。
先进的加工工艺使液压机在过滤、冷却及防止冲击和振动方面的技术，有很大的提高，国内自己研发的还是有些不足，希望在这些方面，国内有突破。
通过液压机系统的性能的提高，和液压控制系统的广泛应用，在各个不同的机械领域都在发挥着自己的力量，为建设祖国的繁荣而努力，现在在液压伺服系统的研究上，国内与国外还有着较大的差距，在自动化的领域上，它能够具有大功率、快速、精确反应的优势，采用液压伺服控制，是必要的。
本论文所研究的液压系统就是采用的液压伺服控制。
1.3本课题研究方法和内容
地震体验装置根据具体应用环境和功能要求等内容，在直线维像上，输入地震波信号，通过液压控制该系统产生波的信息，跟振动台面反映出来的波信息同时进入伺服控制器所产生控制信号中，再通过阀在高压液流的推动下，推动活塞杆运动，来带动振动台台面的模拟地震的运动，形成液压系统控制，从而实现波形整体控制。
为这次地震体验装置设计一套符合要求的液压系统。
根据地震体验装置的使用环境和参数输入，在实现模拟地震振动功能之外，还要求该地震体验装置液压系统的轻污染、低噪声等环保功能。
目前，国内外对地震模拟振动台的相关研究成果很多，它们的液压系统设计方案的核心思想也基本上一致，振动台主要由台面及支撑系统、液压激振系统、液压油源系统和控制系统四大模块组成。
地震体验系统的基本构成如图。
台面及支撑系统
液压激振系统
控制系统
液压油源系统
我的论文主要是针对地震体验装置液压系统所进行的相关功能和结构设计进行研究。
特别是有关2D数字换向阀在该液压系统中的应用。
研究的具体工作概括如下:
1）对地震体验装置液压系统的理论研究
2）地震体验装置液压系统的参数的选取
3）液压缸参数选取和设计
4）2D数字换向阀选取和设计
1.4本章小结
本章首先介绍了该课题的研究背景与研究意义，来说明这次课题研究的必要
性，然后介绍了地震模拟振动台与液压机控制在国内外应用、发展及其研究现状，并且指出了我们研究该课题的现状和缺点。
最后通过课题要求，大致道出了对地震体验装置的研究形式与研究内容，以及具体的研究工作应该有哪些。
本章的内容大致概括了我在本论文上需要做什么事情，课题为地震体验装置的液压系统设计。
第二章液压系统功能原理设计
2.1系统的性能指标的确立
作为地震体验系统是通过一套激振系统，来输入不同地震频率和波形等相关的地震参数，通过这些参数的输入，可以在一维方向上精确的模拟真实地震发生时的情形，让体验的人感受到在地震发生时是怎样的感觉。
为了设置减震模拟的相关体验。
为了能够有以上的功能，给出如下要求。
预设地震体验系统的主要技术指标如下:
振动幅度最大值正负120mm;
最大运动速度0.6m/s;
振动的有效质量:
是7500Kg;
控制方式是数字式电液伺服控制;
控制测量精度为0.5%;
温度控制:
自动控制（当温度达到一定的数值时便会自动控制温度并且保持最高温度，一般设置为65度），装置冷却方式为冷水；
规定压力波动必须
Mpa。
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