高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)精度控制研究

魯 亮 江 樂 翁大根 曹文清1, 朱曉兵 支曉陽 陳 亮

(1. 上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 上海 200092；3. 無錫市海航電液伺服系統(tǒng)股份有限公司，無錫 214027)

(A=300 mm, f=0.1 Hz)

(A=20 mm, f=0.1 Hz)

(A=20 mm, f=0.1 Hz)

高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)精度控制研究

魯 亮1,2,*江 樂2翁大根2曹文清1,2朱曉兵3支曉陽3陳 亮3

(1. 上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 上海 200092；3. 無錫市海航電液伺服系統(tǒng)股份有限公司，無錫 214027)

對(duì)2000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、功能進(jìn)行了介紹，特別是試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)。分析了在進(jìn)行黏滯阻尼器試驗(yàn)時(shí)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的因素，這些因素包括液壓系統(tǒng)加載能力、加載臺(tái)架的剛度、試件安裝間隙和數(shù)據(jù)通道之間的采集時(shí)差等，并對(duì)這些因素進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了解決措施。

電液伺服， 阻尼器， 試驗(yàn)精度， 加載臺(tái)架

1 引 言

隨著結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在建筑和橋梁工程中的應(yīng)用，各類阻尼器的使用越來越多，技術(shù)越來越成熟，大噸位的速度型阻尼器的應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大。為了對(duì)各種材料大噸位阻尼器性能進(jìn)行測試，就必須研究相應(yīng)的大出力、大速度阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)[1-3]。

國內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家已建有多套阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)，各具特點(diǎn)。本套2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)主要在加載臺(tái)架結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)有系統(tǒng)相比有一定特色。加載臺(tái)架是用于安裝2 000 kN高速電液伺服作動(dòng)器，并與之構(gòu)成對(duì)阻尼器進(jìn)行試驗(yàn)的一個(gè)完整試驗(yàn)臺(tái)。本套系統(tǒng)利用同濟(jì)大學(xué)已建成的泵源系統(tǒng)(600 L/min泵源、工作壓力28 MPa、4 000 L蓄能器組)、2 000 kN高速電液伺服作動(dòng)器、MOOG控制器等，構(gòu)建一套完整的2 000 kN阻尼器性能試驗(yàn)系統(tǒng)，見圖1。

圖1 阻尼器性能試驗(yàn)系統(tǒng)外觀圖

2 系統(tǒng)主體機(jī)械結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

本系統(tǒng)中2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)由液壓部分(包括液壓泵站、蓄能器組、伺服作動(dòng)器、伺服閥、連接管路)、機(jī)械部分(主要是試驗(yàn)臺(tái)架)、控制系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2.1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)的加載臺(tái)架采用多組方鍵、鍵槽，動(dòng)橫梁，加載橫梁，端橫梁和兩根大縱梁形成水平力封閉機(jī)構(gòu)，兩根大縱梁上設(shè)置1 000 mm間距鍵槽，動(dòng)橫梁上裝有升降機(jī)可使加載動(dòng)橫梁上下移動(dòng)，動(dòng)橫梁選用不同位置高度的鍵槽，即可適應(yīng)不同長度的試件。

2 000 kN高速電液伺服作動(dòng)器固定在主橫梁側(cè)面，高速作動(dòng)器上的法蘭用螺栓固定連接在主橫梁上，機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 加載臺(tái)架

加載臺(tái)架技術(shù)參數(shù)如下：

(1) 加載臺(tái)架為臥式結(jié)構(gòu)，且為自平衡受力體系，整體連接無間隙。

(2) 加載臺(tái)架能測試的試件長度0.4～5 m，臺(tái)架內(nèi)凈寬度1 500 mm。

(3) 加載臺(tái)架能承受5 000 kN拉、壓載荷。

(4) 高速作動(dòng)器的水平出力：F(動(dòng)載拉壓)=±2 000 kN，F(xiàn)(靜載拉壓)=±2 800 kN。

(5) 高速作動(dòng)器的最大行程±600 mm，作動(dòng)器最大速度1.2 m/s。

(6)加載臺(tái)架動(dòng)橫梁、固端梁和臺(tái)架加載縱梁的最大荷載變形小于1/1 500，最大可承受5 000 kN的靜載荷。

2.2 試件和載荷參數(shù)

2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)所能測試試件的主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1) 最大動(dòng)載荷：2 000 kN。

(2) 試件最大長度：0～5 700 mm。

(3) 試件最大截面：1 600 mm×720 mm。

(5) 試件最大變形(活塞加載行程)：1 200 mm。

2 000 kN高速阻尼試驗(yàn)系統(tǒng)的載荷參數(shù)如下：

(1) 最大動(dòng)載荷：2 000 kN。

(2) 最大位移：±600 mm。

(3) 最大速度：1.2 m/s。

(4) 加載頻率： 0～5 Hz。

(5) 加載波形：正弦波、三角波、拍波、方波、斜波、隨機(jī)波、地震波。

2.3 2 000 kN動(dòng)橫梁鎖緊機(jī)構(gòu)

動(dòng)橫梁機(jī)構(gòu)是本套試驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)特色，現(xiàn)有阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)一般采用固定橫梁機(jī)構(gòu)或液壓抱柱橫梁機(jī)構(gòu)。相對(duì)其他鎖緊方式，本系統(tǒng)的動(dòng)橫梁鎖緊裝置更可靠、方便。

如圖4所示，試驗(yàn)系統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)由兩個(gè)鎖緊油缸、鍵槽、楔形塊和獨(dú)立的液壓源組成。在液壓源提供動(dòng)力使鎖緊缸工作， 同時(shí)楔形塊插入鍵槽。楔形塊設(shè)計(jì)采用自鎖角小于6°，當(dāng)液壓源不提供動(dòng)力的時(shí)候也不會(huì)產(chǎn)生松脫現(xiàn)象。在阻尼器測試前進(jìn)行預(yù)加載，楔形塊在鎖緊油缸的作用下,鎖緊間隙會(huì)始終減小最終達(dá)到鎖緊狀態(tài)。

圖4 動(dòng)橫梁鎖緊機(jī)構(gòu)

3 控制器和控制軟件

3.1 控制器簡介

2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)的控制器采用“為操作者設(shè)計(jì)”的概念,可配置為1至32個(gè)伺服測試通道(模塊配置)；可以擴(kuò)展多種信號(hào)輸入輸出卡，調(diào)理卡等；可以配置多站控制器MCU；機(jī)柜也可以擴(kuò)展UPS，網(wǎng)絡(luò)路由器等集成MOOG公司獨(dú)特的帶“阻尼”功能控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，非常容易調(diào)參和運(yùn)行，特別在高頻條件下，具有極好的相關(guān)性，大大降低測試設(shè)置時(shí)間；可以完成力、位移和加速度控制。

控制器提供外接電阻雙向旁路標(biāo)定功能，提供多路信號(hào)輸入(力、位移、加速度等)和外部模擬輸入端，直接驅(qū)動(dòng)伺服閥±100 mA/±10V，電流驅(qū)動(dòng)或電壓驅(qū)動(dòng)，自帶監(jiān)控模擬量輸出，可以將任意內(nèi)部變量輸出。

3.2 控制軟件簡介

2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)的控制軟件為MOOG-MITS 集成測試軟件包，主要功能為傳感器參數(shù)設(shè)定、試驗(yàn)控制參數(shù)設(shè)定、試件安裝、試驗(yàn)譜定義和編輯、控制方式選擇等。

為實(shí)現(xiàn)高速阻尼器試件的全曲線測量，本軟件設(shè)計(jì)了力控和位控兩種控制方式，操作人員可以在任何時(shí)間進(jìn)行兩種控制模式的切換。在作靜力試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于試件屈服前即曲線的前段采用力控模式，在加載過程中同時(shí)跟蹤位置的變化及剛度的變化，當(dāng)接近于屈服點(diǎn)時(shí)，由力控模式平滑切換為位移控模式，完成全曲線測量。切換過程中，軟件自動(dòng)對(duì)控制參數(shù)做全面調(diào)整。由于控制系統(tǒng)切換速度很快，液壓系統(tǒng)由于慣性還來不及反應(yīng)，而控制系統(tǒng)已完成了參數(shù)轉(zhuǎn)換，故此在切換過程中系統(tǒng)的抖動(dòng)很小，可達(dá)到滿量程的1%。

在加載過程中，尤其是靜力加載過程，不僅要求各通道同時(shí)達(dá)到最大試驗(yàn)荷載值，而且要求在加載過程中通道荷載保持一定的同步性。為解決這個(gè)問題，該軟件實(shí)時(shí)檢測各通道加載速度，并對(duì)加載速度進(jìn)行調(diào)整，使各通道同步加載。類似的方法，該軟件也解決了頻率和相位的同步問題。

4 阻尼器試驗(yàn)結(jié)果精度控制方法

本套2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)可以完成包括黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器、防屈曲約束支撐等在內(nèi)的各種耗能裝置的測試。

在試驗(yàn)過程中，有時(shí)得到的試驗(yàn)曲線與理論計(jì)算曲線差別較大，往往難以合理解釋。經(jīng)分析研究和不斷試驗(yàn)，作者認(rèn)為除試件本身性能外，影響阻尼器試驗(yàn)精度的主要因素有以下幾個(gè)方面：

(1) 試驗(yàn)系統(tǒng)的加載能力不足；

(2) 加載臺(tái)架的剛度偏?。?/p>

(3) 試件安裝間隙過大；

(4) 數(shù)據(jù)采集信號(hào)不佳或通道間信號(hào)不同步等。

下面以黏滯阻尼器試驗(yàn)為例(圖5)，對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果精度的各種因素加以分析。

圖5 測試中的粘滯阻尼器

測試時(shí)，作動(dòng)器給阻尼器施加的強(qiáng)制位移和速度為

X=Asin(2πft)

(1)

V=2πfAcos(2πft)

(2)

式中，A為波形最大幅值，m;f為加載頻率，Hz。

黏滯阻尼器出力與加載速度的關(guān)系為

F=C·sign(V)|V|α

(3)

式中，F(xiàn)為阻尼力，kN;C為阻尼系數(shù)，kN·m/s;V為阻尼器活塞相對(duì)缸體的運(yùn)動(dòng)速度，m/s;α為阻尼指數(shù)。

以一個(gè)C=2 050 kN·m/s的最大設(shè)計(jì)阻尼力為2 000 kN的黏滯阻尼器為例，可以按照式(3)得到在不同振幅、不同頻率和不同阻尼指數(shù)下的阻尼力—活塞位移滯回曲線，圖6為不同振幅下的滯回曲線，圖7為不同頻率下的滯回曲線，圖8為不同阻尼指數(shù)下的滯回曲線。

圖6 不同幅值下的滯回曲線(f=0.1 Hz, α=0.5)

圖7 不同頻率下的滯回曲線(A=20 mm, α=0.5)

圖8 不同阻尼指數(shù)下的滯回曲線(A=300 mm, f=0.1 Hz)

在設(shè)備調(diào)試和正式測試過程中，采集到的一些力—位移滯回曲線如圖9所示，發(fā)現(xiàn)這些曲線與理論曲線相差較大。從加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和阻尼器本身進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，除了阻尼器產(chǎn)品本身性能外，測試溫度對(duì)測試結(jié)果影響較大，但也可歸結(jié)于產(chǎn)品本身性能，需要按規(guī)程《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012)[4]規(guī)定的溫度范圍進(jìn)行測試，在試件溫度升高后應(yīng)采取降溫措施后再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

經(jīng)分析和測試，除去產(chǎn)品本身性能外，影響最終測試精度的因素為：

圖9 試驗(yàn)得到的部分不佳曲線

(1) 設(shè)備加載能力。包括蓄能器儲(chǔ)能值、伺服閥流量、管道阻尼、泵站能力等。

(2) 加載臺(tái)架的剛度。剛度越小對(duì)測試結(jié)果影響越大。

(3) 試件安裝間隙。包括螺栓連接間隙、銷軸與試件之間的間隙、銷軸與連接耳座之間的間隙等。

(4) 控制信號(hào)或反饋信號(hào)精度不佳，曲線有毛刺。

(5) 數(shù)據(jù)采集時(shí)，力和位移信號(hào)不同步，形成相位差。

下面以一個(gè)C=2 050 kN·m/s的最大設(shè)計(jì)阻尼力為2 000 kN的黏滯阻尼器為例，就以上各種因素進(jìn)行模擬再現(xiàn)，給出一些建議。

4.1 設(shè)備能力對(duì)測試精度的影響

設(shè)備能力不足主要表現(xiàn)為達(dá)不到液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的最大速度、最大荷載或持時(shí)性能等。在進(jìn)行阻尼器30周疲勞性能試驗(yàn)時(shí)，往往后幾圈作動(dòng)器速度上不去，見圖9(a)，檢查表明測試供能已超過蓄能器儲(chǔ)能值。

按經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰ν∮谙到y(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段的理論計(jì)算值，主要是因?yàn)樵诶碚撚?jì)算時(shí)只考慮部件性能指標(biāo)，而系統(tǒng)綜合性能一般劣于理想狀態(tài)。

供應(yīng)商在產(chǎn)品出廠前應(yīng)對(duì)產(chǎn)品反復(fù)進(jìn)行測試和磨合，得到一張可靠的產(chǎn)品性能表，否則就需要試驗(yàn)技術(shù)人員不斷測試、積累經(jīng)驗(yàn)來確認(rèn)性能指標(biāo)，在試驗(yàn)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的性能做到心中有數(shù)。

4.2 加載臺(tái)架剛度對(duì)測試精度的影響

阻尼器加載臺(tái)架承受高速動(dòng)載、荷載噸位大，其強(qiáng)度、剛度甚至動(dòng)力特性對(duì)試驗(yàn)精度影響很大[5]。同濟(jì)大學(xué)裝備的本套試驗(yàn)臺(tái)架按500 t靜載能力設(shè)計(jì)進(jìn)行200 t阻尼器試驗(yàn)就是基于這個(gè)考慮。

一般此類臺(tái)架對(duì)縱向剛度的設(shè)計(jì)要求為整體變形在最大載荷下不超過5‰。對(duì)一個(gè)長度5 m的最大阻尼力為2 000 kN的阻尼器進(jìn)行不同剛度加載臺(tái)架滯回曲線的數(shù)值模擬，臺(tái)架最大變形分別取0‰、5‰、10‰、20‰，模擬結(jié)果見圖10。圖10表明剛度越小，試驗(yàn)結(jié)果曲線越畸變，設(shè)計(jì)要求的數(shù)值5‰比較合理。

圖10 不同臺(tái)架剛度下的滯回曲線模擬

模擬結(jié)果還表明，臺(tái)架剛度越小，滯回曲線越向一個(gè)方向傾斜，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明很難得到豎向?qū)ΨQ的試驗(yàn)曲線(圖9)，說明加載臺(tái)架變形是滯回曲線傾斜的原因之一。

4.3 試件安裝間隙對(duì)測試精度的影響

阻尼器通過兩端耳軸與連接座相連，臺(tái)架移動(dòng)橫梁與立柱相連，沿阻尼器受力途徑上有6個(gè)以上的間隙來源，而過小的間隙配合使得阻尼器的安裝變得很困難。為解決這個(gè)矛盾，需要從結(jié)構(gòu)構(gòu)造入手，同濟(jì)大學(xué)本套設(shè)備采用的動(dòng)橫梁插銷式固定方法很好地消除了動(dòng)橫梁與立柱之間的間隙。

銷軸安裝可以考慮采用螺栓壓緊式，而不是穿孔式安裝，也可以消除一半以上的間隙。

間隙的存在影響試驗(yàn)結(jié)果，見圖9(a)、圖9(b)，處理數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)低估阻尼器的有效阻尼系數(shù)。對(duì)1 mm，2 mm間隙的數(shù)值模擬見圖11，結(jié)果表明加載幅值越小，試驗(yàn)結(jié)果受到安裝間隙的影響越大。

圖11 安裝間隙對(duì)試驗(yàn)滯回曲線的影響

4.4 控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)對(duì)測試精度的影響

控制指令信號(hào)的精度與控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)有關(guān)，需經(jīng)過測試、標(biāo)定以滿足精度要求。數(shù)據(jù)采集信號(hào)的精度與傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有關(guān)。指令信號(hào)和采集信號(hào)的精度均影響試驗(yàn)結(jié)果精度，表現(xiàn)為偏差和毛刺。經(jīng)驗(yàn)表明，一般成熟試驗(yàn)系統(tǒng)有精度保證。

在設(shè)備調(diào)試過程中，曾發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的荷載和位移信號(hào)不同步情況，經(jīng)排查采取措施后消除。

對(duì)力和位移通道信號(hào)不同步情況(即存在相位差)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖12，結(jié)果表明在進(jìn)行黏滯阻尼器試驗(yàn)時(shí)，如果滯回環(huán)向一邊傾斜要先檢查力、位移采集信號(hào)是否同步，有些測試系統(tǒng)采用外置采集儀的方法予以解決。

圖12 模擬采集信號(hào)時(shí)差對(duì)試驗(yàn)滯回曲線的影響

5 結(jié) 語

本文介紹了同濟(jì)大學(xué)新配置的2 000 kN高速阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了影響阻尼器測試精度的各種因素，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出控制措施。希望和同行進(jìn)行交流與合作。

[ 1 ] 王曉斌,劉銀水.大型液壓阻尼器試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2009(11)：44-46.

Wang Xiaobin, Liu Yinshui. Design of the hydraulic power for a large-scaled test rig for hydraulic damper [J]. Chinese Hydraulics and Pneumatics, 2009(11): 44-46. (in Chinese)

[ 2 ] 蔣華戈,閆維明,李力,等.3 000 kN電液伺服阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)組成與應(yīng)用[J].結(jié)構(gòu)工程師,2011,27(增刊)：22-25.

Jiang Huage, Yan Weiming, Li Li, et al. Composing and application of the 3 000 kN electric-hydraulic servo damper testing system [J]. Structural Engineer, 2011, 27(S): 22-25.(in Chinese)

[ 3 ] 液壓阻尼器電液伺服試驗(yàn)臺(tái)的研究[R].武漢：華中科技大學(xué),2007.

Research on the electro-hydraulic servo test bedof the hydraulic damper[R].Wuhan: Huazhong University of Science and technology,2007.(in Chinese)

[ 4 ] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JG/T 209—2012建筑消能阻尼器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the people’s Republic of China. JG/T 209—2012 Dampers for vibration energy dissipation of buildings[S].Beijing: China Specification Press, 2012. (in Chinese)

[ 5 ] 丁建華,歐進(jìn)萍.油缸孔隙式粘滯阻尼器理論與性能試驗(yàn)[J].世界地震工程,2001,17(1)：30-35.

Ding Jianhua, Ou Jinping. Theoretical study and performance experiment for cylinder-with-holes viscous damper[J]. World Information on Earthquake Engineering,2001,17(1):30-35. (in Chinese)

Research on a High-speed Damper Testing System and the Test Precision ControlLU Liang,2,*JIANG Le2WENG Dagen2CAO Wenqing1,2ZHU Xiaobing3

ZHI Xiaoyang3CHEN Liang3

( 1. Shanghai Tongji Construction Quality Inspection Station, Shanghai 200092, China;2. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;3. Wuxi Haihang Electro-hydraulic Servo System Co. Ltd., Wuxi 214027, China)

Mechanical composing,features and main functions of a 2000kN high-speed damper testing system, especially the structure of the loading frame, are introduced. This testing system is an Electro-hydraulic Servo Load System. Various factors influencing the test precision are analyzed, which include the capacity of power supply, stiffness of the loading frame, installation gaps of specimen and the time gap of DAS channels, etc. Some factors affect the data precision are numerically simulated when testing a viscous damper, and several solutions about precision control are proposed.

electro-hydraulic servo test, damper, precision control, loading frame

2014-06-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178354)

*聯(lián)系作者，Email：luloes@hotmail.com