多點振動臺組地震模擬系統(tǒng)的日常運行與維護(hù)

張玉川，鄔柳俊

（同濟(jì)大學(xué)多功能振動臺實驗室，上海 201804）

0 引言

同濟(jì)大學(xué)多功能振動臺實驗室為教育部985 工程二期建設(shè)子項目，總投資2.5 億元。實驗室擁有的多點振動臺組地震模擬系統(tǒng)是世界上規(guī)模最大、實驗?zāi)芰ψ顝?qiáng)的地震模擬振動臺實驗系統(tǒng)之一，為橋梁工程、房屋和空間結(jié)構(gòu)工程、地下結(jié)構(gòu)工程和生命線工程提供世界領(lǐng)先的振動和地震模擬實驗平臺。多點振動臺組地震模擬系統(tǒng)（圖1）由A（邊臺30 t）、B（主臺70 t）、C（主臺70 t）、D（邊臺30 t）4 個振動臺，2 條槽道（長度各為70 m 和30 m）和一道“一字形”反力墻組成。4 個振動臺可以在2 個槽道內(nèi)以2 m 為間隔調(diào)整位置以適應(yīng)不同的試驗需求，總試驗?zāi)芰_(dá)到200 t。

圖1 多點振動臺組地震模擬系統(tǒng)

可移動的開放式結(jié)構(gòu)既是試驗系統(tǒng)的優(yōu)勢特點，又給系統(tǒng)的運行維護(hù)提出了巨大的挑戰(zhàn)，頻繁的機(jī)械與電氣的拆裝極其容易對設(shè)備產(chǎn)生精度上的損傷甚至出現(xiàn)安全隱患。據(jù)資料統(tǒng)計，1997 至2016 年期間，我國高校實驗室發(fā)生的112 起典型事故中，在儀器設(shè)備使用環(huán)節(jié)發(fā)生的事故最多，占42%?？梢?，許多高校實驗室在運營中重視硬件建設(shè)而疏于管理與維護(hù)[1-2]。因此，做好系統(tǒng)的的日常保養(yǎng)與維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，有利于降低實驗事故發(fā)生的概率，降低系統(tǒng)運營成本，提高系統(tǒng)的使用效率，延長系統(tǒng)的使用壽命[3-4]。該系統(tǒng)于2013 年完成設(shè)備驗收，為數(shù)十個重大工程和國際合作科研項目提供科技服務(wù)，并為包括國家電網(wǎng)在內(nèi)的多個大型企業(yè)提供工業(yè)設(shè)備的抗震安全性評價服務(wù)，在推動產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，提升創(chuàng)新能力，實現(xiàn)土木結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)施抗震關(guān)鍵技術(shù)突破方面發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)至今已累計運行超過3000 h，使用狀況良好，這與日常的精心維護(hù)與保養(yǎng)是分不開的。

1 日常檢查與維護(hù)

日常檢查與維護(hù)是實驗室儀器設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)[5]。多點振動臺試驗系統(tǒng)的日常檢查與維護(hù)主要包括以下3 項內(nèi)容：

（1）每個工作日由專人對系統(tǒng)的控制室、油源房、水泵房、管道線路及槽道進(jìn)行巡查，并記錄當(dāng)日衛(wèi)生、油溫、液位、濾芯、軟硬件待機(jī)狀態(tài)等信息，發(fā)現(xiàn)異常及時上報并處理。

（2）設(shè)備正式開機(jī)前，先清理臺面靜壓軸承滑動底板及各作動缸活塞、球鉸確保無異物阻礙設(shè)備運行。然后打開先導(dǎo)壓力，以5 mm/Hz 的速率將系統(tǒng)溫度提高到25 ℃以上，才能提高系統(tǒng)壓力至額定的21 MPa。過程中如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力異常應(yīng)立即停機(jī)檢查設(shè)備各接口密封是否出現(xiàn)問題。

（3）試驗加載結(jié)束后應(yīng)按順序泄壓關(guān)停設(shè)備，記錄設(shè)備使用時長及加載過程中出現(xiàn)的問題，然后對各分系統(tǒng)重新進(jìn)行巡查。

2 系統(tǒng)硬件的維護(hù)與保養(yǎng)

多點振動臺組地震模擬系統(tǒng)硬件部分的維護(hù)與保養(yǎng)關(guān)系到設(shè)備的使用效果，甚至影響到系統(tǒng)的使用壽命。以下分別從動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、振動臺主體構(gòu)件及控制系統(tǒng)等3 個方面闡述硬件保養(yǎng)。

2.1 動力系統(tǒng)維護(hù)

動力系統(tǒng)搭載9 組150 kW 液壓泵站，總流量2800 L/min，油箱總?cè)萘?7 500 L。為使動力系統(tǒng)正常、高效運轉(zhuǎn)，除了每日的例行巡查，還需每3～6 個月抽取液壓油進(jìn)行油樣清潔度測試，并根據(jù)測試結(jié)果決定是否更換泵站油濾。據(jù)統(tǒng)計，70%的液壓事故與油液有關(guān)[6]。其中除泄漏外，絕大部分是液壓油不干凈造成的，特別是液壓伺服閥等對油液潔凈度等級要求高的液壓元件，油液污染是其主要故障原因。這就要求油液具有良好的清潔度，才能保證系統(tǒng)工作的高可靠性。液壓系統(tǒng)污染物主要是固體顆粒、液體水、空氣等。為了降低污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)的概率，應(yīng)做到以下6 點：

（1）保持液壓設(shè)備安放地的清潔與干燥，防止灰塵、雜質(zhì)、水分等進(jìn)入零部件。

（2）定期檢查油箱的的進(jìn)氣孔和注油孔，液壓設(shè)備的通氣孔、散熱孔，及時更換密封元件及空氣濾芯。

（3）使用正規(guī)廠家生產(chǎn)的在保質(zhì)期內(nèi)的合格液壓油，并用專用的濾油車進(jìn)行加注，嚴(yán)禁混用不同品牌批次及規(guī)格的液壓油。

（4）每次移動振動臺位置需保持各油路接口的密封性，重新連接管路需更換密封圈。

（5）如發(fā)現(xiàn)橡膠油管出現(xiàn)局部鼓包現(xiàn)象要及時更換，防止高壓沖刷下橡膠顆粒進(jìn)入系統(tǒng)。

（6）油泵運行時會產(chǎn)生高頻振動，需定期檢查設(shè)備地腳螺栓、各連接件法蘭螺栓，確保螺栓無松動、脫落及腐蝕。

為了確保動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，在油源、管道、作動器等位置安裝了大量的皮囊式蓄能器。蓄能器的作為系統(tǒng)的輔助及應(yīng)急動力源，在泵站、電機(jī)出現(xiàn)故障、停電或者流量不足時繼續(xù)為系統(tǒng)提供一定流量的液壓油，保證系統(tǒng)完成預(yù)定的加載動作[7]，同時也可以吸收系統(tǒng)中因流量與流速發(fā)生劇烈變化時產(chǎn)生的沖擊脈沖，維持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。在使用的過程中，必須定期對皮囊進(jìn)行氣密性檢查，定期更換皮囊及密封組件。發(fā)現(xiàn)皮囊的充氣壓力低于規(guī)定的充氣壓力時，要及時充（補(bǔ)）氣，以使蓄能器長期處在最佳工作狀態(tài)。

2.2 冷卻系統(tǒng)維護(hù)

冷卻系統(tǒng)由5 臺功率18.5 kW、流量75 m3/h 的循環(huán)水泵，2 座配備5.5 kW 風(fēng)扇總流量400 m3/h 的冷卻塔以及配套的冷卻水管組成的開環(huán)系統(tǒng)。見圖2。

圖2 冷卻系統(tǒng)示意

液壓設(shè)備正常工作時，油液溫度保持25～60 ℃比較合適。油溫升高會使油的黏度降低，泄漏風(fēng)險增大，降低油泵的效率，并使執(zhí)行元件的靈敏度變低；油溫升高也會加快油液的氧化，使油液變質(zhì)，減少液壓油的使用壽命，高溫還會加速油液中沉淀物的析出，可能堵塞伺服控制裝置中的孔隙，影響設(shè)備的正常工作；油溫升高還會使密封裝置快速老化，喪失密封性能[8]。所以冷卻系統(tǒng)是整個試驗系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的前提，對冷卻系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)需注意以下4 點：

（1）試驗加載開始前，需先打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，再打開液壓泵站，當(dāng)液壓泵站出油口的油溫達(dá)到35 ℃時，泵站會自動打開熱交換器的進(jìn)水閥使冷卻水流入完成對液壓油的冷卻。特別是夏季，氣溫炎熱，油溫提升迅速，如不提前打開冷卻系統(tǒng)很容易引起液壓泵站超溫報警甚至是直接停機(jī)造成嚴(yán)重后果。

（2）由于冷卻系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，在冷卻塔處冷卻水會和空氣進(jìn)行熱交換，外界雨水、雜物等會進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)腐蝕設(shè)備與管路。另外，從油泵熱交換機(jī)中流出的高溫度水會加速水管及密封件的老化，增加泄漏風(fēng)險。因此要加強(qiáng)對冷卻系統(tǒng)的巡查力度，定期更換密封件與系統(tǒng)中的循環(huán)水。

（3）不良?xì)夂颍ㄌ貏e是低溫與梅雨季）對暴露在室外的管道具有很強(qiáng)的破壞力，所以要對外置的管道做好保溫防潮處理，發(fā)現(xiàn)管道、接頭腐蝕嚴(yán)重及時更換。

（4）定期切換各自動補(bǔ)、排水泵到手動模式測試其能否正常工作，防止系統(tǒng)運行時出現(xiàn)水量不足、水泵空轉(zhuǎn)或者廢水池溢出的狀況。

2.3 振動臺主體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)維護(hù)

2.3.1 振動臺主體結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)

振動臺主體結(jié)構(gòu)大多是安裝了各類傳感器與儀表的機(jī)械元件。見圖3。

主體結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)包括以下3 項：

（1）對振動臺上表面做耐磨防腐的環(huán)氧處理，臺面安裝孔（Φ24 mm 與Φ36 mm 兩種）在無構(gòu)件安裝時需用橡皮塞保護(hù)，構(gòu)件安裝前打開需要用的安裝孔，并用吸塵器清潔確?？變?nèi)無雜質(zhì)殘留。試驗結(jié)束后及時封堵安裝孔并清潔臺面。

（2）每次移動振動臺位置時，應(yīng)對各活塞、球鉸、法蘭螺栓進(jìn)行潤滑處理，確保各部位連接螺栓達(dá)到預(yù)定扭矩。

（3）每年配合MTS（管理者測評系統(tǒng)）現(xiàn)場工程師檢查并更換磨損嚴(yán)重的平面靜壓軸承密封圈，并使用專用的標(biāo)定工具對各個作動器的LVDT（Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動變壓器）進(jìn)行重新標(biāo)定以確保控制精度。

2.3.2 振動臺控制系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)

控制系統(tǒng)主要由控制箱（包括臺面控制器和油源控制器HPC）、PC（包括油源控制PC、單臺控制PC 和聯(lián)臺控制PC-STEX）及通信設(shè)備與線纜（交換機(jī)、光纖與網(wǎng)線）組成（圖4）。

控制系統(tǒng)的構(gòu)件多為電子元件，電子設(shè)備在使用中應(yīng)注意防塵、防潮、防腐蝕、防振、散熱、防掉（漏）電等[9-10]。結(jié)合振動臺控制系統(tǒng)的具體情況，總結(jié)出以下4 項養(yǎng)護(hù)內(nèi)容：

（1）控制室應(yīng)保持干燥清潔，系統(tǒng)工作時溫度保持在25 ℃左右，濕度＜50%，控制系統(tǒng)使用專用供電線路并配備UPS 電壓、防止掉電。

（2）定期檢查各控制箱密閉性，空調(diào)、UPS、減振裝置的工作狀態(tài)，定期更換空調(diào)的空氣濾芯。

圖3 振動臺主體結(jié)構(gòu)

圖4 振動臺控制系統(tǒng)

（3）為配合移臺控制箱之間的光纖、控制箱與PC 之間的網(wǎng)線多為明線，容易老化引起通信故障，應(yīng)勤加檢查并及時更換。

（4）實驗室應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)，盡量避免在振動臺上進(jìn)行焊接、敲擊捶打、切割等作業(yè)。

3 結(jié)語

多點振動臺系統(tǒng)的日常運行與維護(hù)保養(yǎng)是一項龐雜而細(xì)致的系統(tǒng)工作，需要不斷熟悉設(shè)備的運行特性，保持良好的運行環(huán)境，做好預(yù)防性的維護(hù)。堅持日常的巡查與記錄，才能將系統(tǒng)故障率降到最低，降低系統(tǒng)運行成本，延長系統(tǒng)的使用壽命，更好地為科研和教學(xué)服務(wù)。