地震儀表系統(tǒng)的抗震試驗(yàn)＊

項(xiàng)大鵬

(武漢地震科學(xué)儀器研究院,武漢 430071)

地震儀表系統(tǒng)的抗震試驗(yàn)＊

項(xiàng)大鵬

(武漢地震科學(xué)儀器研究院,武漢 430071)

介紹WYD-1地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜的抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)利用三維振動(dòng)臺(tái),采用與設(shè)備安裝樓面反應(yīng)譜相容的人工時(shí)程的多頻試驗(yàn)方式,對(duì)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行白噪聲探查和 5次運(yùn)行基準(zhǔn)地震及 1次極限安全地震試驗(yàn),試驗(yàn)驗(yàn)證了WYD-1地震儀表系統(tǒng)在地震載荷作用下能正常工作。

地震儀表系統(tǒng);抗震試驗(yàn);反應(yīng)譜;三維振動(dòng)臺(tái);機(jī)柜結(jié)構(gòu)

1 前言

地震儀器系統(tǒng)已經(jīng)全面進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代,其技術(shù)之復(fù)雜,涉及面之廣,功能和質(zhì)量水準(zhǔn)之進(jìn)步,都是前所未有的。對(duì)于設(shè)備的制造而言,一些知名的通訊和網(wǎng)絡(luò)公司,電力、核電等工程界或者行業(yè)協(xié)會(huì)等,紛紛制定了嚴(yán)格的制造和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。就檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)而言,除了涉及設(shè)備本身的性能和功能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)外,同時(shí)也制定了這些設(shè)備的多項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),其中包括防護(hù)等級(jí)、抗電磁干擾以及抗地震性能檢測(cè)等[1,2]。而以往地震部門生產(chǎn)的設(shè)備卻沒有進(jìn)行抗地震性能檢測(cè)等考核試驗(yàn)。

武漢地震科學(xué)儀器研究院為核電站地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)了許多儀器設(shè)備,本文將著重介紹武漢地震科學(xué)儀器研究院生產(chǎn)的工程地震監(jiān)測(cè)設(shè)備信息處理系統(tǒng)的抗地震性能試驗(yàn)考核。

2 地震儀器設(shè)備抗震試驗(yàn)的目的和要求

在工程抗震研究中,設(shè)備抗震實(shí)驗(yàn)研究是一個(gè)重要方面,其任務(wù)主要是對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行研究。通過試驗(yàn),驗(yàn)證地震儀表系統(tǒng)在地震載荷作用下能否正常工作,是否能保持其完整性和可運(yùn)行性。

抗震試驗(yàn)有多種方法[3],我們主要利用地震模擬振動(dòng)臺(tái),采用三維振動(dòng)臺(tái)人工合成地震波的試驗(yàn)方法。由于地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以真實(shí)地再現(xiàn)地震過程,安裝在振動(dòng)臺(tái)上的試件就能受到類似天然地震的作用,所以,地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以再現(xiàn)試件在地震作用下結(jié)構(gòu)開裂、破壞的全過程。該試驗(yàn)方法是目前進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備等的振動(dòng)特性試驗(yàn)和研究結(jié)構(gòu)抗震性能較好的方法之一。

具體試驗(yàn)內(nèi)容和要求如下[4]：

1)驗(yàn)證地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地震作用過程中及其之后的結(jié)構(gòu)完整性;

2)測(cè)試地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自振頻率;

3)對(duì)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行 5次 S1(運(yùn)行基準(zhǔn)地震)考核試驗(yàn),1次 S2地震 (極限安全地震)考核試驗(yàn);

4)在抗震試驗(yàn)中和抗震試驗(yàn)后對(duì)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)性能測(cè)試。

3 試驗(yàn)對(duì)象

3.1 試驗(yàn)樣機(jī)

受試驗(yàn)的地震監(jiān)測(cè)設(shè)備 (WDY-1信息處理系統(tǒng))含：柜體、一體化工作站、工控計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理單元、報(bào)警機(jī)箱、數(shù)字采集、電源模塊等部件,外接若干臺(tái)加速度傳感器。這些儀器設(shè)備均由武漢地震儀器院設(shè)計(jì)制造。

3.2 功能描述

WDY-1信息處理系統(tǒng)主要用于記錄和分析并向電站運(yùn)行人員提供地震信息,包括：預(yù)防電廠無根據(jù)地關(guān)閉或不安全連續(xù)運(yùn)行的記錄;地震警報(bào)和供運(yùn)行人員“快速查看”的數(shù)據(jù);若地震達(dá)到設(shè)計(jì)的限值,提供詳細(xì)分析所用的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)裝有集中信息處理記錄計(jì)算機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)的特點(diǎn)是：標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì),便于參數(shù)設(shè)置的友好人機(jī)界面,較強(qiáng)的抗干擾能力,以及故障自檢功能等。

3.3 樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜外形尺寸為 2 000 mm×600 mm×800 mm,重量約 300 kg,內(nèi)含計(jì)算機(jī)及大屏幕LCD等不耐震動(dòng)部件。機(jī)柜前后開門,前門帶有有機(jī)玻璃觀察窗,能透過觀察窗看到LCD顯示屏。主要部件采用機(jī)架式安裝,并采用加固等抗震措施。為了加強(qiáng)柜體的支撐和剛度,機(jī)柜結(jié)構(gòu)為全鋼框架式焊接結(jié)構(gòu),柜內(nèi)四周焊有鋼制框架,以滿足抗震的性能要求。

地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜內(nèi)部主要部件如表1所示。為模擬實(shí)際使用狀態(tài),試驗(yàn)時(shí)將兩臺(tái) SLJ-100加速度傳感器接入系統(tǒng),其中一臺(tái)置于振動(dòng)臺(tái)上,一臺(tái)置于振動(dòng)臺(tái)下。

表 1 地震儀表系統(tǒng)(WYD-1)信息處理機(jī)柜內(nèi)部主要部件Tab.1 Ma in components within the cabi net of information processing of seis m ic i nstrument system WYD-1

3.4 抗震試驗(yàn)的設(shè)備和儀器

抗震試驗(yàn)所用的設(shè)備和儀器為同濟(jì)大學(xué)的振動(dòng)臺(tái)和MTS468,450數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該振動(dòng)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國(guó)MTS公司制造和開發(fā)。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面為 4 m×4 m,最大載貨 30噸。

4 抗震性能試驗(yàn)反應(yīng)譜

抗震性能試驗(yàn)參照地震儀表系統(tǒng)安裝標(biāo)高樓層加速度反應(yīng)譜(圖 1)進(jìn)行,水平向最大 3.3 g,阻尼比取 5%。該加速度反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的地面峰值加速度為：S1水平向 0.1 g;S2水平向 0.2 g。

5 試驗(yàn)的方法和要求

5.1 試驗(yàn)方法與要求

抗震試驗(yàn)采用與樓面反應(yīng)譜相容的人工時(shí)程試驗(yàn)多頻試驗(yàn)方式。

被測(cè)設(shè)備的安裝和固定應(yīng)與該種設(shè)備的實(shí)際安裝方式相同,被測(cè)設(shè)備底部與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面剛性連接。

由振動(dòng)臺(tái)上產(chǎn)生的反應(yīng)譜(TRS)應(yīng)在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)按要求包絡(luò)所要求的反應(yīng)譜(RRS)并超出 10%,試驗(yàn)反應(yīng)譜和要求反應(yīng)譜有相同的阻尼比。輸入運(yùn)動(dòng)波的峰值加速度應(yīng)不小于反應(yīng)譜的零周期加速度值(ZPA)。

人工合成地震波的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于 30秒,其中的強(qiáng)信號(hào)部分 (至少為最大值的 25%)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于 10秒。信號(hào)至少有 6個(gè)峰值 (正的或負(fù)的)超過其最大值的70%。

試驗(yàn)的程序?yàn)椋?/p>

1)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試點(diǎn)布設(shè)在樣機(jī)設(shè)備的典型部位,即預(yù)計(jì)對(duì)功能有影響的部位或應(yīng)力變形較大的部位,以監(jiān)測(cè)設(shè)備輸入運(yùn)動(dòng)和設(shè)備典型部位的響應(yīng),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以便得到它們的各階振型、自振頻率和阻尼比參數(shù)等,測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置設(shè)在設(shè)備重心的最高處和最低處以及樣機(jī)內(nèi)元器件的安裝位置。

2)動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)

通過探查試驗(yàn)查明設(shè)備的自振頻率,振型和阻尼等,了解設(shè)備的固有動(dòng)態(tài)特性,并根據(jù)實(shí)測(cè)的振型確定測(cè)點(diǎn)的布置。如果抗震性能試驗(yàn)采用單頻拍波方法,則根據(jù)實(shí)測(cè)的設(shè)備自振頻率和探查試驗(yàn)的其他結(jié)果與設(shè)計(jì)要求反應(yīng)譜結(jié)合選擇激勵(lì)的頻率和幅值。

動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)的激勵(lì),采用輸入幅度0.2 g,掃描速度不低于 1/6倍頻程/分的白噪聲在每一正交軸上激振。當(dāng)設(shè)備的動(dòng)力響應(yīng)為非線性時(shí),取不同的輸入激振幅值進(jìn)行探查試驗(yàn)。振動(dòng)應(yīng)有足夠的持續(xù)時(shí)間,以保證自振頻率和振型的精度。

3)輸入人工地震波試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)備安裝位置處的安全停堆地震 (S2)和運(yùn)行基準(zhǔn)地震(S1)的樓面響應(yīng)譜,對(duì)設(shè)備先作 5次S1模擬試驗(yàn),跟著再作 1次 S2模擬試驗(yàn)。

圖1 抗震性能試驗(yàn)反應(yīng)譜圖Fig.1 Response spectrum observed in the test of earthquake resistant perfor mance

5.2 抗震試驗(yàn)過程中樣機(jī)的監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)過程中,除機(jī)柜外,還要求連接一臺(tái)加速度傳感器,與機(jī)柜同時(shí)置于振動(dòng)臺(tái)上。將樣機(jī)通電,并模擬設(shè)備的動(dòng)作,通過振動(dòng)臺(tái)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)試并記錄設(shè)備在振動(dòng)過程中和振動(dòng)后的工作狀況,評(píng)價(jià)其功能特性和參數(shù)的變化以及是否在允許誤差范圍內(nèi)。

對(duì)以下功能特性和參數(shù)的監(jiān)測(cè)應(yīng)注意：

1)觀測(cè)記錄波形;

2)監(jiān)視報(bào)警輸出繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作,是否穩(wěn)定可靠;

3)檢查硬盤抗震情況,看是否能完整地記錄到地震事件。

測(cè)試時(shí)需保證將機(jī)柜外部接地端子與接地線連接良好。

6 試驗(yàn)結(jié)果

該次試驗(yàn)按照抗震試驗(yàn)大綱的要求,進(jìn)行了白噪聲探查試驗(yàn)。按阻尼比為ξ=0.05的樓面反應(yīng)譜設(shè)計(jì)的人工地震波進(jìn)行 5次 S1考核試驗(yàn)、1次 S2考核試驗(yàn);試驗(yàn)時(shí) X、Y、Z3方向的 TRS均上包絡(luò)了RRS。圖 2為抗震考核試驗(yàn)的 S2試驗(yàn)加速度時(shí)程及反應(yīng)譜。試驗(yàn)中,樣機(jī)工作處在正常運(yùn)行狀態(tài),試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后,受試設(shè)備始終保持其完整性?？拐鹪囼?yàn)前、試驗(yàn)后對(duì)地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜進(jìn)行了性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)白噪聲試驗(yàn)。測(cè)得地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜柜體在 X方向的自振頻率為 8.2 Hz,Y方向的自振頻率為 17.6 Hz,Z方向的自振頻率為 17.5 Hz;

2)5次 S1考核試驗(yàn)和 1次 S2考核試驗(yàn)。試驗(yàn)后,檢驗(yàn)樣品,結(jié)構(gòu)沒有裂痕,螺釘、螺母沒有松動(dòng)、脫落,也無任何損傷及變形;

3)抗震試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后對(duì)地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜進(jìn)行了性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明地震儀表系統(tǒng)信息處理機(jī)柜參數(shù)無不正常變化,符合要求。

綜上所述,在對(duì)WYD-1地震儀表系統(tǒng)進(jìn)行所規(guī)定的抗震試驗(yàn)后,樣機(jī)結(jié)構(gòu)及工作性能保持完好,滿足該工程提出的抗震要求。說明設(shè)備的設(shè)計(jì)、選材、制造工藝都是合理的。但今后還需在設(shè)備自振頻率方面有所控制。

本次試驗(yàn)是我們首次進(jìn)行地震儀表的抗震試驗(yàn),積累了很多有用的數(shù)據(jù),為地震儀表抗震設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)一次通過,增強(qiáng)了我們研制重要設(shè)備的信心;對(duì)地震檢測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)制造具有重要意義。

圖2 SSE試驗(yàn)加速度時(shí)程及反應(yīng)器Fig.2 Acceleration time history and responce spectrum of SSE test

1 曹文清,俞潔勤,方重.網(wǎng)絡(luò)、通訊設(shè)備的抗震試驗(yàn)考核[J].世界地震工程,2002,19(2)：87-89.

2 中華人民共和國(guó)棱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).棱電廠地震儀表準(zhǔn)則[S]. 1993.

3 阮善發(fā).XKL-W1型動(dòng)力箱樣機(jī)核級(jí)(1 E)抗震試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2005,25(3)：172-176.

4 胡曉,等.核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南 HAF.J0053在抗震試中的應(yīng)用實(shí)踐[J].水利學(xué)報(bào),2000,(6)：61-66.

EARTHQUAKE RESISTANT TEST OF SEISM IC INSTRUM ENT

XiangDapeng
(W uhan Institute of Earthquake Instrum ents,W uhan 430071)

The seis mic test for the information processing cabinet of the seis mic instrument system WYD-1 is introduced.For the test using a 3-D vibration table and adopting the multi-frequency testmode of the artificial history which is campatible to the response spectrum of the floor on which the equipment is installed,we detected the white noise and carried out the tests ofOBE(operational base earthquake)five times and the SSE(safety shutdown earthquake)one time.These tests proved that the seismic instrument system WYD-1 can work normally under the effect of earthquake load.

seismic instrument system;seis mic test;response spectrum;3D vibration table;cabinet contruction

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0172-04

2010-05-25

項(xiàng)大鵬,男,工程師,主要從事地震儀表系統(tǒng)集成研究.E-mail：dapeng_xiang@yahoo.com.cn

TH762.2

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