（机械电子工程专业论文）邮电通信电源设备抗震性能试验研究.pdf

华北电力人学1 稗硕十学位论文摘要 摘要 本文以邮电通信电源设备为具体研究对象，对其抗震性能试验方法进行了研 究，蓟：提出了一套较为完善的基于大功率地震模拟振动台的试验方法；应用该方 法，对我国目前使用的具有代表性的通信电源设备进行了测试，积累了大量的设 备结构动力特性参数，为今后编写邮电通信电源设备结构抗震设计规范提供了科 学依据和基础数据；对试验中发现的问题进行了归纳与分析；根据本文成果，结 合国外发达国家的相关标准，对今后制定和完善我国通信设备的抗震标准，做了 展望。 关键词：通信电源设备，抗震性能，试验方法， 振动台 a b s t r a c t l1 1 l st e x t r e g a r d s t e l e c o m m u n i c a t i o n p o w e re q u i p m e n t a st h ec c - c r c t c r e s e a l c ho b j e c t ，h a sc a r r i e do nr e s e a r c ht oi t sa n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c e st e s tm e t h o d a n dh a s p u t f o r w a r dac o m p a r a t i v e l yp e r f e c tt e s tm e t h o db a s e do ne a r t h q u a k e s i m u l a t i o ns h a k e rt a b l eo f h i g h - p o w e r w e h a st e s t e dt h e r e p r e s e n t a t i v e c o m m u n i c a t i o np o w e re q u i p m e n tt h a to u rc o u n t r yh a su s e da tp r e s e n tw i t ht h i s m e t h o d ，a n dh a v eg o tal a r g en u m b e ro fd e v i c es t r u c t u r a l m e c h a n i c sd y n a m i c c h a t a c t e li s t i cp a r a m e t e r s ，s ow ec a no f f e r e ds c i e n t i f i cb a s i sa n db a s i cd a t af o rt h e t e l e c o m m u n i c a t i o n p o w e re q u i p m e n t a n t i s e i s m i c d e s i g ns p e c i f i c a t i o n i nt h e f u t u r e w eh a v es u m m e du pa n da n a l y s i sa b o u tt h eq u e s t i o nt h a ti sf o u n dw h i l e t e s t i n g a c c o r d i n gt ot h ea c h i e v e m e n to ft h i st e x t ，a n dr e f e r r i n gt ot h er e l e v a n t s t a n d a r do ft h e f o r e i g nd e v e l o p e dc o u n t r y ，w eh a v ed i s c u s s e dt h ea n t i s e i s m i c s t a n d a r do f t h et e l e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n to f o u r c o u n t r yi nt h ef u t u r e 。 h u a n gw e t x u e ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t a n gg u t ji s e n i o r _ e n g i n e e r x u e h u t s h e n g k e y w o r d s ：t h et e l e c o m m u n i c a t i o n p o w e re q u i p m e n t ， a n t i s e i s m i c p e r f o r m a n c e s ，t e s tm e t h o d s ，t h es h a k e rt a b l e 声明 y 6 9 6 3 9 8 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文邮电通信电源设备抗震性能试验研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做储虢垄辑日期：型型。 关于学位论文使用授权的说明 奉人完全j 7 解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权橼鹊、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制f - 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论艾的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) f 1 者签名 期：逊竺! ! 兰! j - 日期：谚v 陀7 口 华北电力大学l 程硕士学位论文 第一章引言 1 1 邮电通信设备抗震性能试验研究的意义 我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带的汇合地区，是个多地震国家，约有三分之 一的国土、五分之二的大中城市位于地震基本烈度七度或七度以上的高烈度区。我国地 震活动频度高、强度大、分布广、灾害严重，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，同时 也给我们留下了极其深刻的教训和启示。 玑代社会的发展，使得大量信息要经过通信设备进行传递和交流，邮电通信作为生 命线工程之一在国民经济发展中起着极其重要的作用。因此，世界上许多地震多发国家 都非常重视邮电通讯设备的抗震工作，投入大量的人力、物力进行通信设备的抗震研究 工作，以提高通信设备抵御地震灾害的能力，保证通信在地震发生时的畅通。 邮i n j j ! ) 符作为牛命线丁程之一，前。抗震预防、抗灾、救灾“宁t 竹。巾担负莆传j 弛纯，1 0 、联络指挥的重要任务，通信设施的抗震，不仅是为了本身抗灾的需要，更重要的是必 须保证完成震莳震后非常时期的通信任务，所以。邮电设备的抗震工作具有特殊重要的 地位和要求。一九七六年唐山地震时，由于原有通信设施完全没有设防，震后全部通信 中断了几十个小时，以致出现灾区人员亲自跑到北京报告震情，这对于邮电抗震工作是 极其深刻的教训! 。1 一九八一年四川道孚地震，由于通信机房和部分设备已采取了抗震 措施，震后1 3 分钟就同外界取得联系，顺利保证了救灾通信，减少了人民牛命财产的 损失。又如同本2 0 0 4 年1 0 月2 3 同新泻中越地震，这次地震是震级为m 6 8 级的都市直 下地震，地震对对交通道路、建筑和通信造成了巨大灾害，一度造成通信中断，但由于 通信设备抗震措施得当，大量的通信网络设备抵御灾害的能力较强，很快就恢复了通信， 保证了抗震救灾工作的顺利开展。从以上事例来看，提高邮电通信设备的抗震能力是提 高整个通信网络抵御自然灾害的能力的基础，对于保障通信在地震灾害发q i 时畅通无 阻、抗震救灾，具有极其重要的意义- “。 国外发达国家如日本、美国等国家十分重视本国的通信设备抗震工作，通过对本国 历次大地震灾害的调查研究，积累了大量的地震灾害现场资料，根据这些资料，相继开 展了对通信网络设备的抗震研究。研制大型液压振动台设备和抗震试验用高紧密仪器仪 表，并扎此赫础i ：进行了大量的通信设备抗震研究工作，积祟了大量的抗震实验数据。 通过对这些数据和震害资料的统计和分析研究，相继制定了基于本国国情的通信设备抗 震试验标准，加强刈进入本国通信网的设备的抗震检测工作。同刚根据大量的研究成果 编制通信设备的抗震设计规范，统一规划进入通信网的通信设备的抗震能力。通过对国 外的大量的资料分析，国外发达国家的通信设备抗震科研技术水平很高，并收到了很好 的效果。 ：堡! ! 皇垄- 丈堂王型堡主堂堡丝塞 通信设备的抗震试验是抗震研究的重要手段。通过试验，可以检验设备的抗震性能， 保障进入通信网的设各在震灾发生时能够安全畅通；获取设备结构在强震作用下的破坏 机制以及各种动力响应参数，为改进设备结构设计进而提高其抗震性能提供理论依据； 同时，还为今后制定通信设备的结构抗震设计规范，提供科学依据和基础数据。 1 2 邮电通信电源设备抗震性能试验研究的发展与现状 邮电通信电源设备是通信网中的重要设备，在整个通信网络设备中占有很重要的 地位，因为它为整个网络设备提供能源支持。当地震发生时，在市电停电的情况下， 旦l 乜瓣发备池出现问题，将对l 】9 络造成极大的影响。 通信n 源没备包括开关电源设备、通信用雷电池设备等很多种类。目前我们根据 国外的一些抗震经验和我国历次大地震电源设备出现的问题，逐步开始了通信电源抗 震试验研究工作。 我q ：l 邮 扣j 国信设需抗震忭能试验研究t 作丌展的较晚，基木r 是借举同钋的 - 叱 经验束实施对通信设备抗震加固和设计，缺乏基础的科学数据论证和试验分析，邮电 通信设备抗震工作还有一定的盲目性。我国邮电通信设备抗震试验研究大致分为三个 阶段： 第一阶段1 9 7 7 一1 9 8 7 年：由于唐山地震的巨大损失和沉痛教训，原邮电部组织相 关研究技术人员对唐山地震震后灾情进行了详细的勘察，调查发现唐山地震致使当地 邮电通信遭到了严重的破坏，唐山市对内对外邮电通信全部中断，严重影响了震后的 紧急通信和抗震救灾。原邮电部及时组织技术力量，调查研究国内外通信设备抗震设 防技术措施和经验，进行技术攻关工作。1 9 8 2 年推出了通信设备安装抗震加固技 术措施，并丌展了全国邮电通信设备抗震加固工作，并制定了震时的应急措施和抢 修方案。1 同时，邮电科研系统相继研制出防酸隔爆式铅酸蓄电池组抗震加固框架及母 线软连接头、小型通信设备防震组合柜等抗震设备。【3 】总体而言，这一阶段的工作是 j 割绕着对通信机房和通信设备的抗震加固进行的。 第一阶段1 9 8 8 年一1 9 9 8 年：通过第一阶段的抗震加固工作，发现存在很多问题， 很多邮电通信设备的抗震加固仅仅是凭经验进行抗震加固工作，急需要理论方面的支 持和效果验证。同时通信设备本机的抗震能力如何也凸显出来，需要组织利研，设计 、制造，姬l 维护等方砸的力量进行抗震研究。在近十年的时洲甩邮l 乜部组织r4 l l 关科研单位进行了大量抗震试验，对我国重点设防城市进行了通信设备的抗震加固普 奄工作。研制了抗震试验用大型地震模拟液压振动台和振动测试试验设备，完成了通 信没备抗震试验的基础设备配备工作。 第i 阶段1 9 9 8 年至今：成立信息产业部通信设备抗震性能质量监督检验中t l , ， 儿始荇p - 丌腱对通信网上运行的主要电信设备进行抗震性能试验研究和抗震性能检 华北电力人学j 程硕+ 学位论文 测工作。相继对程控交换设备、s d h 光传输设备和移动基站等主要网络设备进行了抗 震性能试验，积累了一定的试验数据，逐步开展了通信用设备的抗震鉴定工作【”。 根据信息产业部主管部门规划，将在此基础上，逐步制定并完善有关的各类通信设备 抗震标准和规范，最终形成通信设备的结构抗震设计规范。 1 3 本文的任务和要求 通信设备的抗震性能是指在地震发生时，设备结构是否发生破坏以及技术性能能 否保持。通信设备抗震试验，就是将被测设备安装在模拟地震振动台上，对其进行 定地震烈度的模拟地震考核，检验其结构是否发生塑性变形、行裂及是否发生插接件 脱出等，问州检测其技术性能指标是否下降8 1 。如果未发生上述现缘，则设备在地震 烈度下的抗震性能应视为合格。由于对各类通信设备的技术性能指标的检测，信息产 业部已有完善的规范、标准，因此不作为本文的研究内容。 朱文的卡耍t 作内容包括以下乙个方而： 1 建立一套比较完善的抗震性能试验方法。 邮电通信电源设备抗震性能试验方法的建立，是本文的一项重要内容。邮电通信 电源设备结构比较复杂，其边界条件难以确定。因此，仅用理论建模的方法难以建立 起系统准确的数学模型进行理论计算和分析，需要建立一套适合的试验方法，用于检 验设备的抗震性能，并获取设备结构在强震作用下的破坏机制以及各种动力响应参 数。 本文选用b d y z t 大型模拟地震振动台为试验平台，对通信电源设备的抗震 性能试验方法进行了研究。包括设备动力特性的测试方法、考核波形及其能级的选 取、以及安装楼层的放大系数等影响因素，形成了一套比较完善的抗震性能试验方 法。 2 邮电通信电源设备的抗震性能试验。 本文在对抗震性能试验方法研究的基础上，选择了在我国广泛使用的具有代表 性的多种型号的通信电源设备进行了试验。通过试验，进一步验证了试验方法的可 行性，检验了设备的抗震能力，积累了大量设备动力特性响应参数，同时也发现了 部分设备存在的不足。从而为设备的结构动力修改乃至今后的结构抗震设计规范提 供，科学依据和基础数据。 3 结合国外发达国家的相关抗震标准，对今后制定和完善我国通信设备的抗 震标准，进行了展望。 由于我国邮 乜通信设备抗震性能试验研究工作开展的较晚，有关通信设备的抗 震标准、规范尚未制定或有待于完善。对比国外发达国家，尚存在着试验方法不完 备、检测手段落后，评估标准还需进一步量化、细化等问题。本文以通信电源设备 3 华北电力大学工程硕士学位论文 为具体研究对象，对其抗震性能试验研究工作，进行了有益的探索。 华北电力大学 ：撑硕士学位论文 第二章试验系统总体配置及系统特性校正 2 1b d y z t 液压振动台 可模拟地震环境的大功率液压振动台是进行通信设备抗震实验的主要设备，本 文采崩信息产业部通信设备抗震性能质量监督检验中心的b d y z t 液压振动台作为 地震环境模拟设备。该振动台是原邮电部于8 0 年代未期自主研制的，之后又于1 9 9 7 年进行了大规模的技术改造，使其技术水平达到了国内先进水平频响特牲、再现 波形失真度等丰夏技术指标可与美同m t s 、德国s h e n c k 的同类产r 吊媲荑 21 1 振动台工作原理 b d y z t 液压振动台是为邮电通信设备进行抗震试验而研制的，可在水平或垂 直方向单向激振，其台面尺寸与承载力能够适应一般架式或台式通信设备抗震试验 的需叟。由液压源系统、台瞳支承系统、激振系统、控制系统组成，“b d y z ? 液 压振动台的系统框图见图2 - - 1 。 ( 1 ) 液压源系统 液压源系统主要包括主油源、静压油源、油源控制系统和冷却系统。主油源向 激振油缸、液压锁及水平导轨液压锁供油，供油压力为2 1 1 0 “帕；静压油源向水 平静压导轨和垂直导轨供油，供油压力为1 2 1 0 6 帕；油源控制系统控制油源和电 磁阀的顺序动作，并实时显示液压源系统的运行参数：冷却系统对液压油进行冷却， 保证系统能够在规定的油温范围内连续运行。 ( 2 ) 台面支承系统与激振系统 台面支承系统包括水平导轨、垂直导轨和液压锁。激振系统由水平激振油缸、 垂直激振油缸组成。振动台水平方向动作时，底座的四只t 型静压支承导轨承载， 两只v 型静压导轨导向，水平油缸与台面经液压锁连接。输入信号经水平控制电路 变换、放大后到伺服阀，驱动水平油缸沿水平向激振；振动台垂直激振时，脱盯水 平液匝锁及水平导轨与台面的连接，由四只垂直静压导轨起垂直导向作用，台面山 垂商液爪锁与垂直油缸连接。输入信号后，台面就可以垂真振动。 ) 控制系统 控制系统由模拟控制系统和数字控制系统组成，控制方式分为加速度控制或位 移控制。 华北电力人学r 程硕十学位论文 要 囊 萋| 惑 6 蹄 瓮孰漤藩激辍勇 豁 撼 j 奎黼犍 脉弧辩肇 华北电力大学工程硕士学位论文 模拟控制系统的信号源可由超低频数字信号发生器、计算机及外部输入信号分 别输入。超低频数字信号发生器可向系统输入正弦波、正弦扫频波等规则波：计算 机可向系统输入机内存储的各种地震波、生成的人工地震合成波、白噪声等随机波 及各种规则波j ；外部输入信号接口可与其它信号源如磁带机等连接，向系统输入 各种预先录制的信号。 信号输入后，经三参量输入装置形成相对应的位移、速度、加速度信号，并与 振动台的反馈信号比较后，送入功放，驱动振动台按输入信号波形动作，实现波形 再现。当振动台的负载工况发生变化时，只需调节相应的状态反馈参数即可”。 模拟控制系统可以单独马| i ( 动台体系统t 作，也可以与数字挎制系统联机，驸动 振动台工作，以提高振动台的动作向应精度。 21 2 主要技术指标 其主要技术指标为： 白叫j t 、j ：2 m x1 5 m 额定载荷：水平方向2 0 0 0 k g ；垂直方向1 0 0 0 k g 最大推力：水平方向4 9 1 0 4 n ；垂直方向2 4 5 1 0 4 n 最大加速度：水平方向1 9 6 m s 2 ；垂直方向9 8m s 2 最大速度：8 5r n s 最大位移：5 0 m m 频响特性：o 5 3 5 h z 频率范围内：3 d b ( 模拟控制方式) ： o5 5 0 h z 频率范围内：3 d b ( 数字控制方式) 加速度波形失真度( 模拟控制方式) ：2 1 5 h z 频率范围内：4 0 ； 1 5 3 5 h z 频率范围内：3 0 振动方向：水平或垂直方向 振动波形：各种地震波，规则波、随机波、人工合成波 振动台在模拟控制方式和数字控制方式下的频晌特性曲线分别见图2 2 、 图2 3 。 2 2 提高振动台波形再现精度的方法 22 1 影响振动台系统特性的几个主要因素 列于振动台这样一个大型系统，影响其系统频响特性进而造成其再现波形失真 的因素很多，主要有： 华i b 电力大学，j + 程硕士学位论文 谤 鸣一o 童 ( 硅h ， 一1 。0 | _ - _ i “ 一 j 一_ !拳。 f _ _二每 _ r 。 。、 k 、 j 7 k 一 _ - - 崎- - - 图2 2 振动台频率响应特性曲线 ( 模控方式) 。“a ，+ 5 0 6 8 4 “i ；彻警、? 一! 坚! ! ! ：i 篓1 警? 。 。 貊 船了 鼢 i - i z 网2 3 振动台频率响应特性曲线 ( 数控方式) 华北电力人学一挥硕士学位论文 ( 1 ) 气穴 油液的弹性模量是一个重要参量，它直接影响液压固有频率，而当液压油中有 气穴存在时，对油液的弹性模量又会产生很大影响。当振动台在工作状态换向时， 油缸嘲腔的压差很大，形成压力冲击现象，进油腔内供油不足就容易形成气穴 ”。 形成气穴的一腔不再遵守流量连续性定理，液力冲击会影响系统的特性，并引起振 动和噪声。提高液压阻尼比可缩小气穴区，增大无气穴区，从而减缓气穴现象的发 生。 ( 2 ) 负载变化 负载1 ：同，则系统的液压同有频率也就不同。负载越晕，其液爪同有频家越低 造成系统的r 作频带变窄。 ( 3 ) 伺服阀的影响 一般在理论分析时，可将伺服阀视为比例环节。但实际上，作为振动台系统最 为关键的环节，伺服闽的零偏、滞环、非线性度及不对称度等因素，对振动台的系 统特性均会自省小同程度的影制。 ( 4 ) 油液的污染 液压元件，特别是伺服阀的抗油污能力较差。当工作油液被污染后会使阎磨 损和腐蚀，使小孔特性变差。 ( 5 ) 压力脉动 当振动台在工作状态换向时，系统中会产生液力冲击，安装蓄能器可以减小这 种冲击，但对要求较高的振动台来说，这种影响仍然不可忽视。 ( 6 ) 油温 当振动台油液处在较高的工作温度时，油液的粘稠度会发生变化，油液变稀后， 液脏阻尼比将会下降，造成系统频响特性的下降，导致再现波形失真度增大。 通过卜述分析可知，为保持振动台的系统特性，除保证油液清洁、控制工作油 湍在规定范嘲内、定期检查蓄能器压力等维护措施外，在负载变化情况下，还需适 当凋霄状态反馈参数，以校f 振动台的液压固有频率和阻尼比。 此外，应用数字迭代控制技术，可以有效地提高系统的频晌特性，改善波形失 真。 22 2 数字迭代控制技术的应用 数字迭代挖制技术( d c ) 是振动台数字控制系统的核心，它属于离线迭代。 其作用是存模拟控制系统的基础上，进一步改善系统的频响特性，提高波形弭现精 度”。：臣原婵如1 卜j ： 9 华北电力大学工程硕士学位论文 e f t ) 电液伺服系统 a ( f ) 、 ， 输入信号 h ( f ) 加速度响应信号 图2 4 系统模型 圈2 4 为一糸统模型，同搬动岔输八一个佰亏e ( f ) ，口j 以得到一个啊_ 匝佰亏 爿( 厂) ，将系统看成一个“黑箱”，则系统的传递函数h ( f ) 为： 啪= 篱 式中e ( 厂) 为输入信号的付氏谱，a ( f ) 为响应信号的付氏谱。 由于响应信号a ( f ) 与期望得到的信号相比，必然存在一定误差，这种误差可通 过数字迭代控制来实现。即：利用得到的系统传函( 厂) ，以及期望的响应信号r ( + ) ， 可以修t y f h j 一次的输入信号为： w ) = 器 将e l ( ，) 输入系统，得到新的响应信号a ( 厂) ，此时系统的传递函数为： w ) = 箦 由h ( 厂) 、刷，) 可求得下一次的输入信号e ，( ) ，数字迭代过程可以直继续 卜去，直到获得满意的响应信号为止。数字迭代控制过程框图见图2 5 。 图2 5 数字迭代控制过程图 图2 6 为经一次数控迭代后的拍波曲线( 图中实线为响应波形，虚线为输入波形) 。 0 罴 匣 回 日 圈一署 华北电力大学：程硕士学位论文 一卜 。撇。搠。 i 淤”i 7。俐”o 剐”。” t ( s ) 、f = 图2 一数控迭代后的拍波曲线 2 3 测试系统的配置 2 3 1 传感器的选用 f 感器怂感受物件运动并将物体的运动转换成模拟 乜信号的种父敏的转换儿 件。在对机械结构进行动特性测试和抗震性能试验时，一般采用加速度传感器i 9 、。 常用的加速度传感器有：压电加速度传感器、变电容加速度传感器等。传感器主要 性能指标如下： ( i ) 灵敏度它是指传感器测量方向，输出信号和输入信号之比，一般在某一 指定频率范围内测得。 ( 2 ) 动态范围 当输入和输出信号保持线性关系时所对应的输入信号的变化范 围称动态范围。 ( 3 ) 频响特性 表示传感器在不同频率下输出响应对输入信号的比值，在所测 量频率范围内，传感器的响应特性必需满足不失真测量条件。 ( 4 ) 相移 是指传感器输出信号与输入信号的相位滞后量。 由于地震波是一种低频波，因此在抗震试验及分析时，所需要的加速度传感器 要具有非常低的频率特性。在测试过程中，加速度传感器之间的通道与通道相位差 是要考虑的关键问题。因此，理想的加速度传感器最好在要测量的频率范围内不存 在相位偏差。在这类应用中，d c ( 直流) 耦合设计的加速度传感器如变电容加速度 传赔器i ：la c ( 交流) 耦合设计的加速度传感器具有更多优势。另外，f 如1 ：d c 耦 合的加速度传感器在低频范围内没有相位漂移，所以它们也适合测量物体的低速运 动。对丁二几个h z 及以上频率的加速度测量，也可以使用具有足够低端频率响应的 a c 耦合传感器。 根掘以 i 分析，本文采用美困e n d e v c o 公司的7 2 9 0 a - - 1 0 变电容式加速度 传媾器，该型传感器是利，高端传感器，应用在美国航空航天等领域。其主要技术 指标如f ： 华北电力大学i ：程硕士学位论文 ( 1 ) 量程：1 0 9 ( 2 ) 灵敏度：2 0 0 l o m v t g ( 3 ) 频响特性：o 5 0 h z 内5 ( 4 ) 谐振频率：3 0 0 0 h z ( 5 ) 非线性度与磁滞：0 2 ( 6 ) 横向灵敏度：2 ( 7 ) 热敏零漂：( 0 0c 5 0 0 c ) 1 0 2 ，3 2 数据采集与分析系统 本文采用东方振动和噪声技术研究所研制开发的i n v 3 0 6 数据采集和分析系统， 由计锋机、高速a d 采样卡和d a s p 软件组成，其主要功能包括：参数设置、数掘 采样、编辑滤波、数据分析、结果显示及示波等。 ( 1 ) 数据采样包括随机、触发、多次触发、变时基、多时基等方式： l2 j 编辑滤波州刈记0 数撕进i j 低通、高通、带通、带阻及梳状滤波，并；j 对记录波形进行编辑； ( 3 ) 分析功能相当于信号分析仪，可进行数据格式转换、时域分析、频域分 析、传函分析、功率谱分析、自相关互相关分析、概率密度和概率密度函数分析、 模念分析、结构动力修改及响应计算等； 图2 7 d a s p 软件的菜单结构 2 华北电力大学。l ：程硕士学位论文， 模态分析支持单输入多输出( s i m o ) 或多输入单输出( m i s o ) 方法：结构动力 修改有复模态结构动力修改和实模态结构动力修改两种方式，可进行频率、阻尼和 振型的灵敏度分析，动力修改的正问题和反问题计算。 ( 4 ) 示波功能相当于示波器，可进行随机、触发和变时基等三种采样方式的 时域或频域示波，可实时分析、显示主频的频率、幅值和相位信息； 此外，该系统软件具有操作简单、界面友好等特点，以及独具特色的动画显示 技术。d a s p 软件的菜单结构见图2 7 。 试验系统原理框图如下： 加涑麝传j 冰器 图2 8 基于b d y z t 振动台的试验系统原理图 华北电力大学。1 2 程硕士学位论文 第三章抗震性能试验方法 3 1 抗震试验的目的与试验内容 结构振动试验是人们对强震现场时间资料进行理论分析后感到刁i 足而提出的 一种可控性实践“。1 ，其内容，要求、方法和分析都是在一定的理论指导下进行的， 反过来，试验的结果又为理论的修改和发展提供基础和方向。工程结构抗震试验是 研究结构抗震性能的重要手段，早在二十世纪五十年代抗震试验的静力方法就应用 十研究结构的恢复力特性1 。近年来随着模拟地震大型振动台的发展，试验所加的 外界作用越来越接近地震动，试验得到的结果也接近实际地震时结构的反应，因此 模拟地震振动台试验被越来越广泛地应用于结构抗震性能的研究之中。 一般来说，通信电源设备结构抗震性能试验包括以f 方面的内容，即确定试验 开n ， 瞳汁振动鼻试验内容和步骤进行振动台试验，整理分析振功台试验结果， 归纳总结试验结论”“。它们的关系如图3 1 所示 振动台试验目的 山 1 确定振动载荷类型 2 确定振动载荷波形 振动台试验内容 3 确定测点位置 4 确定试验t ：况 r 5 人员组织分t 振动台试验 6 试件吊装 i 7 数据采集和处理 小 振动台试验结果分析i 8 试验个t 况数据之间的比较 9 结构动力特性分析 堕兰竺兰l 图3 一l 振动台试验的步骤与内容 列j 。通信 “源殴备的振动台抗震试验，由于设备本身价格昂贵，试验耗费的人 力、物力多，因此在试验前确定j f 确的试验目的、内容、试验方法，是能否取得有 意义的结果的关键。通信电源设备的抗震试验，其目的简而叁之就是研究通信电源 设备的动力特性，考核其抗震能力。 基i 这。目的，确定试验的内容如下： ( 1 ) 测试通信设备的结构动力特性，获取其固有频率、阻尼比等参数。 ( 2 ) 模拟地震烈度分别为7 、8 、9 度时，检测通信设备在水平和垂直方向的 华北电力大学t 程硕士学位论文 抗震性能。如果设备在垂直向的固有频率远高于地震波的卓越频率( 1 0 h z 以内) ， 将不再对设备垂直向的抗震性能进行检测。 ( 3 ) 研究通信设备在模拟地震作用下的响应特性，测量设备响应的放大倍率。 所测量的数掘，将为制定设备反应谱提供基础数据。考虑到设备在垂直向的刚度较 大，其固有频率一般都远高于其水平向的固有频率，而且垂直向的地震作用只有水 平向的1 2 ，故只测量设备水平向地震响应的放大倍率。 ( 4 ) 归纳总结设备在抗震考核中出现的问题，并分析其原因。 3 2 动力特性测试方法 在对设备进行地震考核时，首先要通过动力特性测试，求取被测设备的固有频 率，根据测试结果，考核设备在共振状念下的反应情况。 被测设备的动力特性参数在抗震研究中有着明确的物理意义。根据国内外记录 的大最实震破形得出的统计规律表明：地震波的卓越频率在1 0 h z 以内。当设备的 吲有频率低1 1 0 h z 时，就有可能接近地震波的卓越频率，引起结构共振。同时， 设备的阳尼比如果较小的话，其衰减特性就会较差，不利于地震能量的耗散。 此外，有些国家还把设备动特性参数作为评定设备抗震性能的一项规定指标， 如美国的通信设备抗震标准罩就规定设备的固有频率不得低于6 h z 。 对系统的动力特性测试，其激励信号通常可分为稳态正弦信号激励、随机信号 激励和瞬态信号激励三种【1 4 】。 ( 1 ) 稳态证弦激励 稳念m 弦激励又称简谐激励，它是对被测对象施加具有固定幅值和固定频率的 f 弦信号，并将输入信号频率由一离散值步进到另一离散值。其优点是激励功率大、 信噪比高、测试精度高，并且可以很方便地在我们所关心的频段上进行测试；其主 要缺点是需要很长时间方可得到足够精确的测试数据，对于小阻尼系统尤其如此。 j r 弦慢扫描激励也属于此范畴。 ( 2 ) 随机激励 它是 种宽带激励方法，一般采用白噪声或伪随机信号作为信号源。白噪声和 伪随机信号的自功率谱均为平直谱，在所有频率点上都是等强度的。由于随机函数 般刁i 满组狄罩赫利条件，因此采用随机信号激励时，不能用f f t 变换求取传递函 数，而是用输入信号的自谱密度函数和输入信号与响应信号的互谱密度函数求取 i 。 ( 3 ) 瞬态激励 用瞬态信号来激励系统，进行传递函数的测试，是一种常用方法。常用的瞬态激励 信号包括：脉冲信号、阶跃信号和正弦快速扫描信号，其中又以_ i _ f ! 弦快速扫描信号 最为常用。i f 弦快速扫描的激振信号由振荡频率变化可控的信号发生器供给，激振 华北电力人学l 程硕士学位论文 力的大小按正弦规律变化，扫描周期及上、下限频率可根据试验要求进行调节，可 以快速地测试被测对象地动态特性。其函数f ( t ) 可表示为式( 3 一1 ) j ，二( 7 + 7 1 ) = 、厂( )( o t t ) i 厂( ，) = 2 x 2 z ( a l + b ) t ( 3 1 ) 式中，n = ( 厶。一厶。) ，b = ，m i n it 为扫描周期，m 。，厶。为扫描信号的上 下限频率。激励信号的频率在扫描周期中呈线性增大，幅值保持常值。f ( t ) 虽具有正 弦的形式，但因频率变化很快，所以属于瞬态激励。其求取传递函数的方法与随机 激励方法相同。 j 曰噪声怡j ，激励叫，具能量是分仲剑整个频带上：丽稳态1 州幺激励和i r 坛快速 扫描两种激励方法【i “，能量分布在单一的频率点上。稳态正弦激励由于其固有的缺 点现在已经较少使用；正弦快速扫描信号可以作为振动台输入信号，但考虑到通信 设备在进行动力特性测试时的安全性，需对输入信号幅度做严格限制；由于采用白 噪声信号激励时奠能幂是分布到整个颂带卜冈此对其能级可适! 放大：本文采朋 白噪声信号激励的方法。 信号分析原理如下： 对于被测系统的输入信号x ( t ) ，其自相关函数为式( 3 2 ) ： 尺“( r ) h l i m 。，1 7 1 - 小( r ) x ( h f ) a t ( 3 _ 2 式中，x o + r ) 为z ( f ) 时移后的样本。 对r 。( r ) 进行付里叶变换，得到x ( t ) 的自谱密度函数为式( 3 3 ) ： s 。( 厂) = e r 。o ) e - j 2 帕d r 寺w 羔( 曼0 悟 x ( f ) jiv m 。 s 。( ，) 表示丁输入信号的功率密度沿频率轴的分布状况。 图3 2 被测系统的输入信号z ( ，) 与其响应信号y ( ，) 的互相关函数为式( 3 4 ) ( 3 3 ) 凡。( r ) = 憋卜( f ) y ( f + f ) a t ( 3 - - 4 ) 若x o ) 与y ( ，) 之间无同频周期成分，当时移r 较大时，就彼此无关。有时被测 系统的响应信号会存在一定的畸变，即：含有一定的噪声干扰成分，利用互相关函 数的这个性质，对输入、响应信号进行互相关处理，就可消除噪声干扰，以得到被 测系统在该激振频率下的幅、相频传递特性。 对r 。( r ) 做快速付立叶变换，得到输入、响应信号的互谱密度函数为式( 3 - - 5 ) ： 6 华北电力大学工程硕士学位论文 s 。( ) = e r 。( ) e - j 2 * 7 d r 于是，可以得到系统的传递函数为式( 3 “) ： = 鬻 从而可以获取系统的动特性参数。 3 3 抗震考核波形及其参数的选取 3 31 抗震考核波形的选取 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 地震波是一种随机波，具有不可重复性，这就使得抗震检测不可能简单地利用 目自u 的强震记录作为检测波形【l7 i 。采用何种波形和相应参数爿能有效模拟地震作 h j ，h 前美阁、同本、法国、德国和我国都进行了多年的研究，驳得了一定的研究 成果。其共同的特点是：充分考虑共振的破坏作用以及各种渡形梅拟地震作用的缆 量等效问题。采用的波形主要包括以下几种： ( 1 ) 连续正弦波 ( 2 ) 币弦共振拍波 ( 3 ) 人j r 合成地震波 图3 3 是美国记录的e l c e n t r o 地震波波形。由图中可以看出，地震波具有阁歇 性的低频大幅值冲击特性，而其高频部分幅值较低，可以忽略其影响。于是可以将 其波形近似为一个低频冲击后，经过一个时间间隔后，再发生一次低频冲击， 因此所选用的波形应能模拟它的这种特性。 图3 3 e l c e n t r o 地震波波形 最初，人们选用连续f 弦波来模拟地震作用，但后来发现连续正弦波还不能较 好地模拟它的上述特性，而且其峰值过多，冲击强度太高，因而后来就选h j 证弦共 振 = j ，1 波( 地罔3 - - 4 ) 作为考核波形。正弦共振拍波首先符合了地震波间歇住的低频 华北电力人学- 1 ：程硕士学位论文 大冲击特性，其次它的主频取为设备地固有频率符合我们考虑设备共振的破坏作 用的想法，因而成为国内外广泛应用的种考核波形。 d ( g ) 伯得一提的是 缩计分析晌藁础 工合成地震波 1 。j 图3 _ 4 f 弦共振拍波 近年来同本对实震作用下的通信设备响应作了大量的记录，在 提h 了设需在地震作甩下的反庖谱并讯掘匣应带。反笋 人 ( 见图3 5 ) ，从而使其模拟地震作用更为科学、合理。鉴于我国 在该领域内的研究耳翦还不够完善，因此本文选取正弦共振拍波作为抗震考核的检 测输入波形。 萨弦共振拍波出五个正弦拍波组成，每拍5 周， 式( 3 - - 7 ) ： 扛等+ 4 z 秒 式中：，卜一设备固有频率。取动特性实测值。 拍问间隔为2 秒，加振时间t 为 图3 5 人工合成地震波 ( 3 7 ) 华北电力大学工程硕士学位_ i 仑文 一 一 33 2 输入波形参数的选取 33 2 1 考虑波形系数的地面加速度取值 根据我国及日本等国对于各类波形模拟地震作用能量等效的研究成果，当采用 f 弦共振拍波模拟地震作用时，必须要考虑它与地震波的能量等效问题i l 。即：当 f 弦共振拍波作用在设备上时，要使设备响应与输入地震波时的设备响应等效，就 应当对f 弦共振拍波的输入加速度幅值进行修正，该修正系数称之为波形系数。根 据国内外的研究成果，取人工合成地震波的波形系数为1 ，0 ，正弦共振拍波的波形 系数为06 此外，根据实震记录的统计规律，地震波的垂直向分量幅值约为水平向的1 2 。 不同考核波形、不同烈度等级的地面加速度取值，见表3 一l 。 表3 1 不同地震烈度对应的加速度值 删述波烈发z艘 82皮9 # _ 搜 嘉 水平垂直水平垂赢水平乖直 人i 台成地震波 0 1 2 50 0 6 30 2 50 1 2 5o5 00 2 5 止弦共振拍波0 0 8 0 0 40 1 50 0 8o 3 00 1 5 3 322 褛层放大系数的选取 由于设备安装在建筑物的不同楼面上，因此在对设备进行抗震性能考核时应 考虑建筑物楼面对地面加速度的放大作用【2 0 l 。根据我国建筑抗震设计规范( g b j l l 一8 9 ) 的规定，突出屋项的结构物，地震作用效应增大系数为3 。将建筑物楼面加 速度放大倍率k 近似视为直线变化，并把地面和屋顶的k 值连成直线，即可得到下 面的公式： 仁卜 ( 地上楼层) ( 一楼及地下楼层) ( 3 8 ) 式中：建筑物地上总高度 h 安装设备的楼层距地面高度 d 一建筑物顶部的加速度放大倍率，取b = 3 。 由于在电信综合楼内多采用分散供电方式，一般对电源设备除那些已明确安装 在特定位置的，都应按最危险状况考虑，即：取k = 3 。 l q 华北电力大学五程硕士学位论文 3 3 2 3 设备重要度系数 根据设备种类不同，以及它们在通信网中的重要性不同，规定了设备的重要度 系数k ，的取值。见表3 2 。 表3 2 通信设备重要度系 数地区 省中心及以上地区( 市) 局县局 设备种类、弋 、屯 蓄电池 12l2lo 随+ l 改；h1 2 1 】j 1 i ol0 通信设备1 1 1 01 01 o 控制设备1 2 1 11 1 1 o1o 3324 输入波形加速度幅值的确定 由以上分析，得出输入波形加速度幅值的公式： 口：女k ，口。 ( 3 9 ) 式中：k 一建筑物楼面加速度放大倍率。 k ，一设备重要度系数，见表3 2 。 珂。一地面加速度值，见表3 1 。 3 4 设备的技术指标考核简介 通信电源设备的抗震性能试验还包括技术指标的考核。即：在设备加电运行情 况下，将其安装在振动台上，经过一定的地震烈度等级考核后，对其技术性能指标 进行测试。该项内容不属于本文的工作内容，本节仅在此做一简介。 对于进行抗震性能试验的设备，其技术性能指标很多，不可能全部进行测试， 考虑到进行抗震试验的设备均已经过入网检测，因此抗震考核的技术性能测试项目 针对其主要的、具有一定包容性的技术指标与功能来进行。 对于高频开关整流设备，测试的技术指标应包括： ( 1 ) 直流输出电压调节范围及工作方式； ( ：2 ) 豁控性能； ( 3 ) 过、欠电压保护性能： ( 4 ) 整流模块并联工作性能： ( 5 ) 稳压精度； ( 6 ) 杂音电压： ( 随流配电设备电三降： 2 0 华北屯力大学一程硕士学位论文 ( 8 ) 交流输入电源转换； ( 9 ) 绝缘电阻。 对于阀控式密封铅酸蓄电池设备，测试的技术指标应包括： ( i ) 外观检查； ( 2 ) 容量试验； ( 3 ) 气密性试验 另外，关于没备技术指标的抗震性能评估，应本着技术必要性与经济合理性相 结合的原则综合考虑。即：对不同的地震烈度考核后，其技术指标的要求不同。对 于中、低烈度的地震等级考核，应要求其各项技术指标都必须符合八网检测要求： 而对于高烈度地震等级考核，就不能一味追求设备的全面指标均符合入网检测要 求，只要其主要功能和主要技术指标得以保持，能够保证对通信网的f 常供电就应 视为合格。否则，片面追求高指标，就会在经济上造成刁i 必要的巨大浪费。 3 5 本章结论 通过以上分析：可得出以下结论： ( i ) 采用白噪声信号激励的方法测试被测设备的动特性参数是可行的。 ( 2 ) 在抗震考核波形的选取上，通过对连续正弦波、f 弦共振拍波、人工合成地 震波进行分析后，所采用的正弦莛振拍波既符合了地震波的间歇性低频大幅值冲击 特性，又能够体现出抗震试验要考虑设备共振的破坏作用的特点。因此选取的考核 波形为正弦共振拍波。 ( 3 ) 在充分考虑了f 弦共振拍波与实际地震作用的能量等效问题、建筑物楼层 的放大倍率、设备重要度系数等因素后，提出了输入波形加速度的计算方法。 2 l 兰! ! 坐塑叁堂! ：型堡主鲎堡笙苎 一 一 第四章通信电源设备抗震性能试验 本文按照第三章提出的试验方法， 用蓄电池设备) 进行了一系列的试验。 蓄电池系统设备为例，介绍试验过程。 析，得出了具有一定科学价值的结论。 4 1 试验条件 411 被洲设备搜具安装 对通信电源设备( 包括丌关电源设备、通信 现以某厂家生产的g f m 4 8 v 3 0 0 a h 型密封铅酸 同时，对一系列试验的数据进行了归纳和分 该设备系统是目前邮电通信机房使用的典型通信电源设备，由蓄电池和立式抗 震架组成，2 4 只蓄电池串联而成组成4 8 v 直流电源供电系统蓄电池分两层浮放在 两层的立式抗震架上。立式抗震架通过四个m 10 的地脚螺栓连接振动台台面。立式 抗震架规格为1 l o o m m i 2 0 0 m m 4 5 0 m m ，整个系统重7 5 0k g 。 设备与振动台的连接螺栓应用测力扳手紧固，预加扭矩应符合表4 1 的要求。 表4 一l 设备底部连接螺栓预加扭矩表 螺栓公称直径( 哪)扭矩( n m ) m 66 m 81 4 m l o2 8 m 1 24 9 m 1 61 1 6 m 2 0 2 2 7