（机械设计及理论专业论文）地层变形模拟试验台研究.pdf

摘要 目前关于模拟地基升降试验的研究，基本上都是在小比例尺模拟试验平台上开展 的，用小比例尺平台对整个地质断面的特征进行模拟时所得结果误差较大，因其没有足 够的尺寸来模拟地层的变化曲面，所以模拟结果与实际情况吻合度小。而研制大比例尺 模拟试验台，国内外都寥寥无几，更没有成熟的经验可以借鉴。本文研制的大比例尺模 拟试验台规模较大、可模拟的升降范围大、适用性强、适用范围广，可以作为一种研究 地层变形特性的综合性平台。本文开展的主要研究内容如下： 讨论试验台的总体方案，得出本试验台是由活动面板系统、支撑面板的升降系统、 控制系统以及相关的配套支持系统等构成。各子系统在工作时需要相互协调一致，使整 个试验台的面板能够按照程序设定的要求缓慢的升降变化，从而近似的模拟地基表层的 实际变形过程。 分析升降系统常见的几种使用方案，确定升降系统采用电动机+ 减速机+ 升降机的 方案比较合理可靠，其中升降机采用蜗轮蜗杆机构+ 螺旋顶升机构更为安全稳定。利 用前期实验研究的资料，计算出升降机构中摩擦系数的实际值。设计、分析及校核螺 旋升降装置和蜗轮蜗杆传动装置的所有元件，并对升降系统的电动机和减速机进行选 型与匹配。 利用有限元原理，采用a n s y s 软件，对设计的试验台系统中两个关键性部件， 三角形面板和六点台板支座进行静态有限元分析，得到这两个主要构件的应力、应变 和总体变形的分析结果，并提出对局部结构进行改进与优化的方案。 关键词：地基模拟试验台，摩擦系数，螺旋升降装置，等效载荷，有限元分析 a b s t r a c t c u r r e n t l yr e s e a r c h e so ng r o u n ds i m u l a t i o nt e s t - b e da r em o s t l yc o n d u c t e do ns m a l l - s c a l e g r o u n ds i m u l a t i o n t e s t - b e d b e c a u s ei ti sn o t b i ge n o u g ht o s i m u l a t et h e g e o l o g i c a l c r o s s - s e c t i o nc h a n g e ，i tm a yl e a dt oab i gd e v i a t i o nr e s u l ta n dc a l lh a r d l yd o v e t a i lt h er e a l s i t u a t i o n h o w e v e rf e wr e s e a r c h e dh a v eb e e nd o n eo nt h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l e s i m u l a t i o nt e s t - b e d ，h e n c en oe x i s t i n gm o d e lt ol e a r nf r o m t h el a r g e s c a l es i m u l a t i o n t e s t - b e dd e v e l o p e di nt h i ss t u d yi sl a r g es c a l et e s t ，l i f t ，a n dw i d ea p p l i c a b i l i t y , w h i c hc a nb e u s e da sar e s e a r c hg r o u n df o rt h er e s e a r c ho fd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e g r a t e d p l a t f o r m t h i sm a j o rs t u d yc a r r i e do u ta sf o l l o w s ： t od i s c u s st h eo v e ra l ls c h e m eo ft e s tb e d t e s tb e di sc o n s i s t e do fa na c t i v ep a n e l s y s t e m ，al i f ts y s t e mo fs u p p o r tp a n e l ，ac o n t r o ls y s t e ma n dr e l a t e da n c i l l a r ys u p p o r t s y s t e m sa sw e l la so t h e ra c c e s s o r i e s w h i l ew o r k i n g ，d i f f e r e n ts u b s y s t e m sc o o r d i n a t ee a c h o t h e rt oe n a b l et h ea s c e n ta n dd e s c e n to fp a n e l so nt h et e s t b e d ，b yw h i c hi tc a ns i m u l a t et h e a c t u a ls i m u l a t i o no f g r o u n ds u r f a c ed e f o r m a t i o n t oa n a l y s i st h ea p p l i c a t i o np l a n so ft h el i f t i n gs y s t e m t h es t u d yr e v e a l st h a tt h e c o m b i n a t i o no fm o t o r , r e d u c e ra n dl i f ti sar e a s o n a b l ea n df e a s i b l es o l u t i o n t h eu s eo f t u r b o w o r mw h e e ll i f tp l u ss p i r a ll i f t i n gi sm o r es e c u r ea n ds t a b l e b a s e do nd a t ac o l l e c t e d f r o mp r e v i o u sr e s e a r c h ，t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o no fl i f t i n gm e c h a n i s mi sc a l c u l a t e d t h e d e s i g n ，a n a l y s i sa n dc h e c k i n go fv a r i o u sc o m p o n e n t so fs p i r a ll i f t i n ga n dt u r b o w o r mw h e e l l i f t ，a n dt h em a t c hb e t w e e nl i f t i n gs y s t e ma n dr e d u c e ra r ea l s op r e s e n t e d b a s e do nt h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tt h e o r y , t h es t u d yu s e sa n s y st oc o n d u c t r e s e a r c ho nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt w ok e yc o m p o n e n t s ，t r i a n g l ep a n e la n ds i x - p o i n t e d p l a t e ，t h r o u g hw h i c ht o r e v e a lt h es t r e s s ，s t r a i na n do v e r a l ld e f o r m a t i o na n dp r o p o s e m e a s u r e sf o rt h ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o no fl o c a ls t r u c t u r e k e yw o r d s ：g r o u n ds i m u l a t i o nt e s t b e d ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，s p i r a ll i f t i n gd e v i c e s ， e q u i v a l e n tl o a d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 建立试验平台的背景介绍 随着国民经济的发展，高速公路、高速铁路和城市地铁正在不断的投入运营中。全 国已建高速公路已由“十五”期末的4 1 万公里发展到现有的7 4 万公里，居世界第二 位；2 0 1 0 年中国高速铁路的运营里程已达8 3 5 8 公里；“十二五 期间城市地铁的总建 里程将会超过2 5 0 0 公里，还有西气东输三线及四线工程、南水北调中线工程、在建公 路及铁路、城市市政建设、拟建地下铁路等，所有的这些项目在投产建设时和后期的养 护中，都必须要考虑这样的一个重要影响因素地质灾害，如滑坡、地裂缝、地面升 降、地面塌陷以及地震、火山、地热害等，尤其需要注意的是地面沉降和地裂缝对其产 生的影响作用。近几年来，部分区域气候异常，地质灾害频繁发生，据我国国土资源部 2 0 1 0 年4 月份向社会公开发布的( 2 0 0 9 年中国国土资源公报中统计显示，2 0 0 9 年全 国共发生各类地质灾害1 0 4 4 6 起，造成人员伤亡8 0 9 人，直接经济损失高达1 7 7 亿元【l 】。 因此，做好灾害防护、灾害预警等工作对于减少人员伤亡、降低社会经济损失有着极其 重要的意义，目前针对地质灾害开展的研究主要集中在以下两个方面。 1 1 1 地面沉降 地面沉降是指在自然和人为因素的作用下，由于地表层土体压缩而导致某区域的地 面标高降低的一种地质现象，这是一种难以逆转、永久性资源和环境的破坏过程，是地 质环境系统遭受破坏的表现，一旦形成影响将是持久的，它具有生成缓慢、持续时间长、 影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点。地面沉降灾害将会毁坏地表建筑和生 产设施，在地面沉降多发的地带进行建设和资源开发时，则需投入更多的资金，而且生 产能力受到了很大的限制；在沿海区域，地面沉降到接近海面时将会发生海水倒灌现象， 致使土壤和地下水盐碱化，港湾设施失效【2 。】。随着对地面沉降影响因素分析的日益深 入，除了人为因素外，构造环境、地裂缝、沼泽地自然沉降、泻湖区泥炭也开始引起了 广泛关注，但都还缺乏对整个区域的地面沉降进行全面监测的机制。由于对地面沉降的 现状缺乏全面系统的了解，对地面沉降发展趋势还不能作出准确的预测，因而也难以提 出有效的遏制和防治对策。 1 1 2 地面裂缝 简称为地裂缝，是指某种地表岩层和土体在自然因素和人为因素的作用下，在地表 面形成了一定长度和宽度的可见性裂缝及表面破坏现象。地裂缝的分布特点、力学形态 第一章绪论 等所反映的基本特征与区内构造及区域构造的应力场条件有关，由于地裂缝的不断活 动，对周围的物体而言，其是一种不断的动力源，使得地裂缝周围的物体发生位移，产 生局部形变场和应力场，将会促使地基及基础地层发生均匀或不均匀的沉降现象。地裂 缝造成的严重破坏常常直接影响到城乡建设和居民的正常生活，凡地裂缝所经之处，路 面遭到破坏，铁路出现断裂，地表以及地下各类建筑物产生开裂现象，同时会危及到一 些文物古迹的安全，造成了很多无形损失。地裂缝不仅造成各类工程建筑，如城市建筑、 交通、水利设施等的直接破坏，也引起了一系列的环境问趔4 蚓。地裂缝是地质灾害中 地层变形的一种，分析和研究地裂缝的成因机制及发生规律，掌握其活动与发展趋势， 对保障生命财产安全、城乡建设规划、防灾减灾技术的形成与完善有着重要的指导意义。 地质灾害是指在自然和人为因素的共同作用下，对环境造成破坏而引发的地质变化 现象。绝大部分工程的实施都与地层变化的研究有着密切的联系，因此开展地层变化方。 _ - 面的研究工作显得十分重要，那么就需要为上述的研究搭建一个模拟平台，要求构建的 试验台能够真实的模拟地层的实际变化情形。 1 2 目前的研究方法 如何改善地质变化带来的影响，提高工程建设的质量，一直以来困扰着广大的施工 技术人员，这就需要针对不同区域的地质变化进行分门别类的深入研究。与其它国家相 比，美国是对地质灾害研究开展得较为广泛、深入的国家之一，它对地质灾害的系统研 究始于上世纪5 0 年代，主要集中在对现有地质病害的调查上，通过对调查资料的分析， 提出了一些预防措施，至今已经对地质灾害的成因模式获得了综合性认识，欧洲一些国 家的情况与此相类似。国内也进行了相关方面的工作研究，并将研究的一些阶段性、可 靠性成果在施工过程中积极推广应用，提出了一些处治方法，但还没有具体的测试设备 和模拟地质变化实验装置1 7 j 。 目前，国内外对地质灾害的研究都取得了很大的进展，随着人们对地质灾害重视程 度的不断提高以及各种现代化手段在研究过程中的应用，开展对地质致灾机理和成灾环 境的研究，并综合多学科开展灾害预测、预报成为当前研究的主要发展方向，现有的研 究方法主要有： 1 ) 数值分析法其计算的结果虽然与统计模型预测的结果较为接近，但值得注意 的是，工程问题的模型多归结为对非线性方程组的求解，而求解时基本都是通过一系列 的线性运算来逼近真实的非线性解，计算过程中选取的方法存在多样性，由此增加了模 2 长安大学硕士学位论文 型的模糊程度。 2 ) 模拟计算法计算机的出现为数值分析提供了极大的帮助，监测数据的全面取 得，建立的数学模型日益完善，模拟计算和预测精度进一步提高，这为指导、防治、检 验地质灾害工作提供了重要的途径。目前根据不同类型的地层结构关系和各种施工因 素，己经开发出多种成熟的二维及三维，线性与非线性有限元程序 9 1 。模拟计算法是近 些年来的一个主导研究方向，但建立的有限元模型经简化后与实际工程模型仍存在一定 的差异，因此需要进一步对施工过程中力学形态进行深入的研究与分析，这对完善模拟 计算法有其重要的意义。 3 ) 模型试验法可以分为小比例尺和大比例尺两种模型。小比例尺模型由于不能 补偿几何尺寸的缩小带来的自重损失，同时也不能解决实际变化过程中地下水渗流场与 地层应力场相互作用的问题，因此不能反映原型的真实情况。而大比例尺模型采用的比 例较大，基本能体现实际情况，结果可靠，因此需要建立这样一个大型的试验平台，深 入的开展地质变化方面的研究工作。 为了增强我国在地质灾害，尤其是地裂缝、地面沉降灾害等领域的防治力量，系统 的开展地质灾害对工程的致灾机理和过程以及与其它相关领域的研究，为建立地质灾害 尤其是地裂缝、地面沉降和活断层防治的系统理论和技术体系，使我国在研究地裂缝、 地面沉降灾害的防治领域达到和保持国际领先水平，本课题主要是为上述地裂缝、地面 沉降和活断层的研究，搭建一个模拟试验平台。 1 3 试验平台的用途 试验台是一种用于模拟地基升降变化的平台，地层变化作为地质环境灾害之一，已 经严重的影响到人类的生存环境，并造成了巨大的经济损失。对地层变化的人为主控因 素进行研究，有助于人们深刻的认知地层变化的成因机理，为进一步的确定地层变化的 人为主控指标提供理论指导和科学依据。 通过搭建的大型模拟试验平台，可以针对地裂缝和地面沉降、城乡建设及重大工程 建设的地质问题开展一系列的研究，还包括对我国公路、铁路等交通建设中活断层工程 灾害问题的研究，提升我国在地质灾害防治领域的国际竞争力。具体而言，室内大型模 拟试验平台可以开展以下几个方面的研究工作： 1 ) 城市中的地裂缝、地面沉降和活断层对其市政建设、拟建地下铁路及其它地下 工程影响机制的研究； 第一章绪论 2 ) 地裂缝、地面沉降对建筑物危害机制的研究； 3 ) 地裂缝、活断层以及地面沉降对地下管道破坏机制的研究； 4 ) 地裂缝、地面沉降和活断层对铁路、公路等交通隧道工程危害机制的研究。 还可以对在建的公路、铁路、西气东输三线及四线工程、南水北调中线工程等一系 列大型工程开展前期的研究工作。 1 4 课题的研究内容 为了保证试验平台能够准确的模拟地质结构的变化以及实现上述的功能要求，则需 对试验台进行系统的分析与研究，明确模拟变化过程中各项子系统的设计所要达到的标 准，本文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 确定模拟试验台的总体设计方案 本试验台是由活动面板系统、支撑面板的升降系统、控制系统以及相关的配套支持 系统等四个子系统组成的。各个子系统在工作时需要协调一致，进而使整个系统能够按 照程序设定的变化要求近似的模拟地基表层的实际升降过程。 ( 2 ) 升降系统的设计 对该子系统而言，升降系统的方案选取和结构设计，主要包含升降装置和支撑装置 的方案选取及结构设计。 升降装置是模拟试验台的核心装置，对填土的地基施工时，升降装置承受振动、冲 击载荷的作用时，要求其性能可靠；同时由于支撑的节点数较多，还要求单个升降装置 的成本不能太高，所以，研究节点数的优化问题及各支撑点的最佳布置位置显得尤为重 要，必须找到一个确切可行的方案，这就要求对各项性能指标作出精确的预测。 选取的支座结构应该保证其在实验中不出现严重的偏载现象，模拟升降过程中产生 的附加弯矩对升降装置的作用要尽可能的小，静止状态时整个系统的稳定性要好，还应 保证其结构简单，制造工艺性好。因此，需要对试验台面板及支座之间的相对运动关系 进行静力学计算、动力学分析，分析工作时的运动与受力状态，便于确定最合理的支座 类型。 ( 3 ) 机械系统的设计方案 确定机械系统要求实现的功能及其结构组成形式，选择适合试验台系统需要的机械 运动部分装置，协调各部分传动系统之间的关系。对样机中青铜与钢之间的摩擦系数进 行分析与计算，在此基础上完成对螺旋机构和蜗轮蜗杆机构的设计与计算以及减速机和 4 长安大学硕士学位论文 电机的选型等工作，并校核各装置及相互作用部分的动力学、静力学参数，实现对机械 系统传动部分所要求的功能，完成机械系统的设计。解决模拟过程中机械系统难以完成 的任务要求升降装置能够实现低速下降、快速上升。 ( 4 ) 关键构件的静力学分析 通过p r o e 、a n s y s 软件建立试验台设计系统中关键性构件的模型三角形面 板及台板支座的模型，对其强度进行静态有限元分析，获得各自参数条件下的应力、应 变及总体变形情况，通过进一步优化局部结构来满足设计方案的要求。 ( 5 ) 控制系统的方案选取 模拟多种的地基升降形式，要求在长时间的试验中，各节点间能始终协调的工作， 采用单纯的机械方法难以实现，必须选取控制系统才能完成。控制系统除了操作方便、 成本合理外，还能保证位移的检测与记录系统稳定、可靠的工作。另外要求控制系统能 实现断电后系统的状态不发生变化，再次通电后系统还能够继续正常工作，最好还能省 去传感器每次测试前的调零工作，更不能存在零点漂移现象。 由于地层升降变化是一个极其缓慢的过程，在长期的模拟试验中，系统出现某些故 障是在所难免的情形，控制系统还应该能监测到系统中主要元件的工作状态，出现故障 时应能报警，故障排除后还应能继续实验，减小中断过程带来的无形损失。 此外，由于设计的系统较为复杂，使用的元件较多，还应该对一些用量较大的关键 性元件进行性能测试和可靠性分析。完成上述的内容后，通过现场试验的方法对设计的 系统进行调试，完善各部分子系统之间的协调功能，总结设计前的预测效果与实际工作 中存在的差异，并进一步提出切实可行的改进与完善系统设计的方案。 第二章试验台的总体设计方案 2 1 试验台的功能 第二章试验台的总体设计方案 目前关于模拟地基升降试验的研究，基本上都是在小比例尺的模拟试验平台上开展 的，小比例尺模拟简单易行，其升降模拟系统相对简单，但只能模拟有限范围内的均匀 升降过程，无法做到对整个地质断面的特征进行模拟，且没有足够的升降点来模拟地基 的变化曲面，与实际需要研究的模型吻合度小，所以，这种模拟得出的结论往往与实际 需要分析的情况有较大的差异。 研制大比例尺的模拟试验平台，国内外都寥寥无几，更没有成熟的经验可以借鉴。 建立这种大比例尺模拟试验台的目的就是为了能够更好的研究不同区域的地质特性，通 过人为施加外界条件的方式模拟升降过程中地质变化的特征，研究考察不同处治方法下 地质变形的能力；试验台的控制系统还应具备对实验数据进行分析，比较不同区域的地 质构造的优缺点功能。研制的试验台要求规模大、可模拟升降范围大、适用性强、适用 范围广，可以作为一种综合性的研究平台。 2 2 试验台的总体规模 该试验台规模较大，占地面积近6 5 0 m 2 ，设计承载重量近1 4 0 0 t ，最大升降范围可 达4 0 c m ，能满足研究多种地质变化的需求，本试验台通过上位机的控制系统对下位机 发出指令，可对地层变化进行短时间内的动态模拟控制【1 0 - i 1 1 ，本试验台可为现有的地质 灾害、地质构造变化及实际工程中遇到的地质问题提供模拟分析的参数。 试验台设有动力升降系统，主要构件是活动面板底部的升降机，升降机按设计的要 求布置，其规格符合大型模拟实验的相关要求，根据一般工程问题中升降量的大小差异， 设计的最大行程要求满足s = 4 0 0 m m ，每个升降机的顶升力要求能够达到1 0 0 t 、升降的 速度最快仅为3 m m m i n ，同时每个升降机应具备各自独立工作或整行、整排同时工作 的能力，以便模拟地层的不均匀升降变化过程。试验平台设计的载荷分析如下： ( 1 ) 模型箱内土体或材料的重量聪 w s = v s 甲s = 3 1 5 2 0 = 6 3 0 0 k n 式中：风试验用土或材料的体积，v s = 1 0 5 m x1 0 m x3 m = 3 1 5 m 3 ； 6 长安大学硕士学位论文 甲r 试验中土或材料的重度，q - s = 2 0 k n m 3 。 ( 2 ) 配重载荷w t , 睨= 3 1 5 2 0 = 6 3 0 0 k n 考虑到模型表面可能要配重，模型箱上部还要配载3 m 厚的土层，即：w t - - 6 3 0 0 k n 。 3 ) 模型箱重量甄 既= 4 2 m 3 7 8 k n m 3 = 3 3 0 k n 模型箱用槽钢和钢板焊接而成，为用钢量估计值。 ( 4 ) 附加载荷骄 = p x s = 1 0 k n m 2x1 0 5 m x1 0 m = 1 0 5 0 k n 式中：p - 附加载荷每平米的重量； “ 一一一 r 附加载荷的面积。 ( 5 ) 试验台设计的承载负荷只 e t = l e s + l g t 。+ w b + w e = 13 9 8 0 k n 从上述的载荷分析中可知，试验台整体规模较大，各装置承受的载荷、工作强度都 非常大，所以任何一个装置都应该具备足够的可靠性，才能保证实验时的安全性要求。 2 3 试验台的特征描述 要全面了解不同地质的特征，模拟地基表面的实际升降变化过程，为了使实验的结 果更可靠，最好采用大比例尺的模拟试验台，并在此基础上对地基施加动、静载荷，对 地基进行多种状态下的实验研究。要实现上述的人工模拟过程就要分析试验台的特征。 基础地层设想用许多块活动面板组成，其可以按照设定程序进行升降运动，形成需 要的“空间曲面”，即为试验台的基层系统。试验台的活动面板系统通过节点的有限调 控，连接成为一个整体结构，并在升降控制系统的指令下实现面板在允许范围内的平动 和转动，进而可以近似的模拟地基的实际升降变化过程。 如图2 1 所示，从水平中心线方向看( 位于右侧) ，在基础地层的左侧设置挡墙、 右侧设置挡墙、前侧设置有前挡墙、后侧设置后挡墙。基础地层的活动面板系统由1 0 4 三角形面板构成的，每块面板边长为1 5 m ，厚度为5 c m ，每个圆圈代表一个节点，节 点下方有一个台板支座，支座与升降机的套筒相连。 7 第二章试验台的总体设计方案 6 ， 。 5 ，一 4 ；一： ， 3 ， 己一 上一 。 卜一六点支座；2 一四点支座； 3 一前挡墙；4 一三点支座； 5 一两点支座；6 一点支座；7 一三角形面板；8 一后挡墙。 图21 试验台的俯视图 一 卢 曩园闭睡墨国盈睁强田霸啊弱五蝤嚏l 场倒团赡俐 ，工、 严z 1 、 埘卜以 ll i i 匕 j 嚣 一 l 、 v 厂 椰、 7 1 f j r r 叫 l _ i 1 _ ， i “ 。、，。+ ，- + ， 6 ：；：搿# ：搿：；：；：；：； 厂 + ，+ + + + ，+ ，+ + ，+ + ， + + ，、， 。，。，+ 。 + 、。：+ ，：，+ 哆 。，+ + 。，+ ，+ ，+ o l 一三角形面板；2 一台板支座；3 升降机；4 一减速机；5 一电动机；6 一立柱。 图2 2 各构件的安装位置 8 长安大学硕士学位论文 如图2 2 所示，在基础地层下方设置有6 8 根立柱，每根立柱上安装一个升降机， 升降机的上方通过套筒与台板支座相连，通过支座支承上方的活动面板系统的构件，安 装于升降机上的电动机响应上位机控制系统发出的指令，通过电动机驱动升降机实现升 降变化，可以对升降量、升降速率及升降曲面进行控制。模拟地基升降变化的曲面是通 过控制各台升降机的不同位移量的变化来获取的。 2 4 支座的设计及方案的选取 2 4 1 面板支座的设计要求 试验台的每块三角形面板由三个升降机来支撑，支撑点设计的合理才能保证面板的 运动自如。通过分析后有三种结构可以选择：球铰结构、十字轴球面滚子结构、单轴球 面滚子结构。 经过对照比较分析，决定采用单轴球面滚子结构。其结构上它比前两者简单，且工 艺性好，造价低，支撑试验台的面板不会出现翘屈现象1 1 2 1 ，但工作时试验台面板相对于 滚子会有微量的侧滑现象，从而会产生附加弯矩作用，所以单轴球面滚子离台板支座中 心距离不宜太大。支座有一点、两点、三点、四点、六点等五种，其中六点台板支座见 图2 3 。 1 一周边支撑座：2 一球面滚子；3 一销轴。 图2 3 六点台板支座 9 第二章试验台的总体设计方案 其中支座的设计遵循以下一些原则： 1 ) 合力作用点应尽量位于台板支座的中心位置； 2 ) 能预留足够的空间安装升降机及其配套装置； 3 ) 自身的强度要能足够承受大负荷的作用。 一点支座设置在试验台的四个角位置。对于试验台周边的两点、三点、四点支座， 都向试验台的中心方向移动一定的距离，虽然这样调整后大部分的升降机还是会受到一 定的弯矩作用，但最大弯矩小于1 0 0 0 n m ，远小于升降机能够承受的附加弯矩值。 2 4 2 方案的选取 本文利用机械原理、材料力学原理和计算机技术对试验台的总体设计方案进行分 析、比较、讨论，对模拟平台进行深入的调研、考证和实验验证，分析设计和使用过程 中可能出现的各种问题，并确定试验台活动面板系统、升降系统及其控制系统的合理方 案陋14 1 。得出的主要结论如下： 1 ) 经过分析比较，决定活动面板采用等边三角形形状，因其控制灵活，比较容易 利用台板支座上滚子的特性，在布置方向上形成一定范围内的运动调控效应，且对支座 及其下方升降装置的受力都比较有利。 2 ) 台板支座上的支承点采用单轴球面滚子结构，工作时面板相对于球面会出现微 量的侧滑现象，由此会产生摩擦力距，所以要求各支撑点到升降机支撑中心的距离要尽 可能的小，这样才能使升降机承受的附加弯矩变小。因此，在保证系统整体性能的条件 下，为了减小升降机承受的附加弯矩，应该将周边的升降机向内移动一段距离，其他升 降机布置在其理论位置即可。 3 ) 采用节点分别步进法可以简化系统的结构，提高工作效率，保证实验精度，但 这样设计后，工作时每块面板会产生微量的平移和旋转运动，布置面板时板间应该预留 适当的间隙，实验时遮盖这些间隙。另外在模拟一定量的升降变化中，每次升降的步长 越小，面板的位移和转角也越小，这对系统的工作有利，因此，在设计的控制系统中应 该尽可能选取较小的升降步长。 2 5 试验台的研究内容 地基升降模拟必须以地基的升降特征作为理论依据。一般认为地基的升降包括两方 面的内容，一是升降绝对变形量，即最终升降量的大小；二是随时间变化的升降量，即 1 0 长安大学硕： ：学位论文 所谓的土体固结。对实际工程项目中的地基升降变化进行观测时，由于观测方法及手段 受到一定的限制，只能在地基的特殊位置，如中心、地肩、坡角等部位设置仪器进行观 测，因此只能对个别点的升降随时间的变化进行分析研究。而本试验台能够分析地层全 断面随时间变化的固结特征，即整个断面的升降变化特点，真正的分析必须结合实体工 程，利用模拟试验的方法解决实际问题。 本试验台能够进行地基升降方面的模拟与研究，根据不同地区的地层特征分别进行 模拟，研究分析地层表面的变化机理。试验台的工作过程是一个模拟地层升降变化的过 程。通过上位机的指令来控制升降距离、升降速度、升降步长等，通过控制每个升降装 置，以极低的速度，依照预先设定的程序，人工的模拟地层的变化过程，并在此基础上 对地基施加动、静载荷，对地层变化进行模拟试验研究。该过程是一个破坏性的试验过 程，模拟结束后，移走试验台上的填土，将试验台系统的所有装置都恢复到初始状态， 再次填土，修筑新的地基，进行下一次试验。试验台主要用于对地层变化方面开展研究， 形成地层过渡段的设计与计算方法以及地基施工工艺与质量体系。 2 6 本章小结 本章介绍了试验台的总体结构和原理及相关的设计参数。 1 ) 确定试验台由活动面板、支撑面板的台板支座、升降装置、动力装置、控制与 测试系统等组成。 2 ) 试验台的面板选取为等边三角形形状。 3 ) 台板支座有六点支座、四点支座、三点支座、两点支座和单点支座组成，其中 六点支座布置在中间各节点位置处，受力较大，其它支座根据结构需要布置在周边位置 处。 4 ) 动力装置使用电动机驱动。 本章还简要的介绍了试验台的用途以及可以开展的实验内容，分析试验台具备模拟 何种工况下的升降变化过程。 第三章升降装置的选择及力学分析 第三章升降装置的选择及力学分析 3 1 升降装置传动方式的选择 升降装置要能具备实验过程中承载大负荷作用的功能，运动时要能升降自如、静止 时要能长久稳定。常见的升降装置有液压升降装置系统、气压升降装置系统、机械升降 装置系统等，下面分别阐述这三种升降装置系统各自的优缺点。 3 1 1 液压升降系统 液压系统的传递功率大、控制方便、结构紧凑，目前得到了广泛的应用【1 5 - 16 1 。如果 试验台升降装置使用液压升降系统，其油缸活塞面积s 可以用式( 3 1 ) 计算 s = 上 ( 3 1 ) p 7 7 。 式中：卜油缸活塞的面积； 卜活塞杆上承受的压力； ，7 m 液压缸的机械效率，一般在额定压力下，可取7 7 。= 0 9 ； 广液压缸的工作压力。 油缸活塞直径d 可以用式( 3 2 ) 计算 d _ 拦 ( 3 2 ) 进入油缸的流量q 可以用式( 3 3 ) 计算 q = s v , 7 。 ( 3 3 ) 式中：旷液压油缸输入流量； 卜活塞杆的运动速度； 叩。液压缸的容积效率，当采用橡胶圈密封时，7 7 ，l ；采用间隙密封时，7 7 ， 1 。 该试验台设计要求：每个升降装置升降的最快速度仅为3 m m m i n 、承受最大的负 载载荷为9 8 0 k n 。假设液压缸以6 3 m p a 的工作压力代入计算，可以求得s = 0 1 7 3 m 2 ， d 0 4 6 9 m ，q = 0 5 1 9 l m i n 。由于该试验台有6 8 个升降装置，其间隔为1 s m 左右，6 8 个直径这么大的油缸布置起来比较困难，且流量如此小的液压泵也不多见。除此以外， 采用液压方案还存在以下方面的问题： 1 2 长安大学硕七学位论文 1 ) 液压装置的泄漏是不可避免的，本试验台研究的是地层结构的变化情况，所以要求 系统能够具备长期工作的稳定性，每个液压升降装置的负荷较大，则液压装置的工 作压力就比较大，那么泄漏较一般的液压装置就更难以控制，泄漏会造成液压升降 装置的自行下降，稳定性变差，从而造成模拟实验的精度会产生误差，对于升降速 度要求如此之低的试验台来说，很可能会导致实验无法进行下去。 2 ) 液压油的粘度随温度的变化而变化，从而影响到传动机构的工作性能会产生改变， 因此在低温或高温条件下，均不宜采用液压传动，而该试验台进行实验时面对的条 件较为复杂，有时需要在冬季研究低温条件下的地质特性，通常认为在这种条件下 不宜采用液压传动装置。 3 ) 实验过程中，升降装置上面的土层移动或模拟土层分布不匀状态时，都会对液压装 置产生偏载的作用，导致升降杆承受附加弯矩的作用，这种弯曲变形会使液压系统 产生比较大的泄漏现象。 4 ) 液压系统的信号转换比较困难，必须采用较好的位移传感器检测系统才能进行信号 的转换，这给试验台制造的成本带来了负担。 5 ) 实验中液压升降装置模拟地层下降变形时，由于上面土层的重力作用，使得液压系 统的控制变的较为困难，下降时在强大负载压力的作用下，回油路的液压油会自行 回油箱，这样就很难实现低速控制。如果采用平衡阀装置，就会使整个控制系统复 杂化，也未必能得到理想的控制效果； 6 ) 液压管路的布置比电路的布置困难，成本也较高。 7 ) 液压系统的耐冲击能力较差，实验过程中基础地层填筑、压实、摊铺时会产生较大 的冲击力，这都会对液压系统产生影响； 8 ) 精密的液压控制元件( 如电液伺服阀) 抗油污能力差，本实验用于模拟地层结构的 变化过程，污染是不可避免的，这会给系统的维护带来困难。 3 1 2 气压升降系统 气压传动中的空气可以直接从大气中获取，同时，用过的空气也可以直接排放到大 气中去，处理比较方便。另外空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，便于集中供 气和远距离输送，系统的维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质补充或更换等问题1 1 7 】。 气体可压缩比大，泄漏也是在所难免的，由于模拟实验时间较长，系统不可能一直 处于绝对稳定的状态，这会造成升降装置的自行下降，不能满足长期实验可靠性的要求。 第三章升降装置的选择及力学分析 气压传动的工作压力相对较低，一般在0 3 - - 0 8 m p a ，且行程结构尺寸不宜过大， 故气压传动的输出力或力矩较小，对于气缸而言，其输出力一般小于4 0 k n 。该试验台 要求升级装置能够承受的压力较大，单个升降装置的最大承载负荷要能达到9 8 0 k n ，所 以气压升降装置不适合于本试验台的工作要求。 此外，空气的可压缩性对本实验装置来说也非常不利。作用于气缸活塞面上的力增 大( 或减小) 时，其会自行缩进( 或伸出) ，这一点对本试验台来说是绝对不允许的。 3 1 3 机械升降系统 由于设计要求试验台的升降速度非常之慢，停止时能保持稳定，这就要求选取的传 动系统具有相当大的传动比，而且应该具备自锁性功能。在众多的机械升降系统中，螺 旋升降机构是一种理想、可靠的选择，容易满足上述的设计要求。目前市面上常见的能 够承载大负荷的垂直升降装置有： ( 1 ) 蜗轮丝杆式升降机 蜗轮丝杆式升降机，是通过蜗轮传动丝杆完成提升、下降、推进、翻转等功能的一 种升降装置。目前广泛地应用于机械、冶金、建筑、水利、化工、建材等行业中，具有 结构紧凑、体积小、重量轻、安装方便、使用灵活、可靠性高、使用寿命长等优点，有 手动和动力传动两种装置，静止状态下蜗轮丝杆式升降机可以实现自锁功能。承载能力 介于2 5 t , - 一1 2 0 t ，最高输入转速1 8 0 0 r m i n ，最大提升速度2 7 m m i n ，工作环境的温度在 2 0 - - 一1 0 0o c 之间【墙1 。 1 一丝杆；2 _ 嘞承盖：3 一壳体；4 一蜗轮；5 一蜗杆：6 一端盖：7 一密封套。 图3 1a 型：向上图3 2b 型：向下 1 4 长安大学硕士学位论文 蜗轮丝杆式升降机的基本形式如图3 1 、图3 2 所示。通过蜗杆的转动使丝杆上下 运动，图3 1 为普通型升降机装配a 型：其丝杆向上运动；图3 2 为普通型升降机装配 b 型：其丝杆向下运动。丝杆轴在升降时会产生旋转力，当顶端无连接向下运动或可能 出现旋转情形时，必须做好防止旋转的措施。一般情况下，必须留有因丝杆轴升降运动 而产生行程距离的升降空间，若想在有限的空间内增加行程距离，使用活动螺母构造非 常合适( 丝杆轴旋转，活动螺母移动) 。 其选择标准方面，主要对输入功率进行校核，负载所需输入功率与容许的最大输入 功率相比较，如果超过需求，必须提高型号等级或降低丝杆轴的转速再重新校核，直到 满足要求为止，计算公式见表3 1 表3 1 蜗轮丝杆式升降机选型计算公式 所需输入轴转速”l ( r r a i n ) n 1 = v x i l l 所需输入轴扭矩 乃( n m ) 互= wx 厶( 2x 7 r i xr ) + 瓦 所需输入功率 尸l ( k w ) e = 正1 9 5 5 0 表中：1 一升降机丝杆轴( 或活动螺母) 的升降速度，单位m m i n ； 三l 丝杆的螺距( m ) ； f 减速比； 驴一单台升降机的当量载荷( n ) ； ，7 升降机的综合效率； 。乃一空载扭矩( n m ) 。 。 一 目前蜗轮丝杆式升降机应用较多的为s w l 系列，为提高该系列升降机的效率和承 载能力，一系列产品中采用了具有国内先进水平z c 系列圆弧蜗杆，制定了特殊的、先 进的工艺来提升其综合性能，以满足使用的需求。s w l 系列的结构形式主要有1 型和2 型，l 型丝杆为轴向移动的形式；2 型丝杆为旋转运动、螺母作轴向运动的形式，s w l 的内部传动是由梯形丝杆副与蜗轮蜗杆副构成的f 18 1 。 其优点：结构紧凑、操作简单、保养方便，主要应用于负荷大，低速与无需频繁工 作的场所中，丝杆实现行程距离大，梯形丝杆具有自锁功能，即使没有防旋转装置也可 以保持载重状态。 其缺点：使用场所要求在室内无雨水侵入，在多灰场所中，必须选择防灰罩来保护 1 5 第三章升降装置的选择及力学分析 丝杆，在室外使用时务必考虑使用罩壳等装置，要求使用的环境温度保持在1 5 - - - 4 0o c ， 相对湿度在8 5 以下，工作时，不得进行人为的强行停机操作，否则会使升降机受到严 重的破坏，除此之外当其受到较大振动、冲击载荷时，偶尔会出现自锁功能失灵现象， 应用于此条件下则须外加制动装置。 蜗轮丝杆式升降机工作时存在压杆稳定性问题。压杆处于稳定状态时，两种常见蜗 轮丝杆式升降机的丝杆长度与极限负荷之间的关系，如图3 3 所示。 50 厂厂r 1 1 斗1 1 厂厂r n 4 5 40 3 5 3 0 2 5 2o 蓑15 10 5 0 030 06 0090 01200 欧拉负荷丝杆长度( m n ) 图3 3 丝杆长度与极限负荷的关系i 1 8 i 由于试验台研究的是关于地质变化的实验，工作场所的条件恶劣，泥土较多；升级 装置带负荷启动、停止是其必须具备的功能，自锁必须可靠。由于上述条件的限制，使 得蜗轮丝杆式升降机不能用于本试验台的升降装置中。 ( 2 ) 螺旋升降机 螺旋升降机又称为螺旋千斤项，螺旋千斤顶的应用非常广泛。螺旋升降机也是蜗杆 驱动蜗轮，蜗轮带动丝杆实现升降运动。不同的是，螺旋升降机的丝杆外面有一个升降 套筒，升降套筒带有导向装置，丝杆旋转时套筒只做升降运动，不作旋转运动，顶升物 体时不需要防旋转机构。由于升降套筒的存在，使得螺旋升降机有比较好的密封特性。 螺旋升降机自锁性能好，可以带负荷启动、停止，螺旋升降机的底座便于在试验台的立 柱上安装。这些都是采用螺旋升降机方案应用于本试验台的优越之处。由于目前市面上 的螺旋升降机存在以下几点不足，使得其不能直接应用于本试验台中。 1 6 长安大学硕：t 学位论文 1 ) 行程短，市面上现有的螺旋升降机，存在行程大的承载能力小，承载能力大的 行程短这样的缺点。一般厂家生产的l o o t 负荷的螺旋升降机，行程多低于 2 5 0 m m ，而该试验台要求其行程能达到4 0 0 m m ，所以应该考虑从新设计结构， 以满足其大行程的需求条件。 2 ) 承载能力小，现有的多数螺旋升降机行程大的承载能力有限，达不到承载l o o t 负荷能力的要求。 3 ) 升降速度快，市场上的螺旋升降机多是按照生产率最大原则进行设计的，所以 现有的螺旋升降机传动比都比较小，一般多应用于快速升降装置中。试验台用 于模拟土层结构的变化过程，要求升降速度尽可能的慢，所以需要重新设计蜗 轮、蜗杆及螺杆的结构来满足其对升降速度的要求。 4 ) 自动功能不能满足需求，市面上的升降机多是手动装置，电传动的相对来说较 少，并且没有留有空间来安装传感器，一般的产品都难以满足自动控制的要求。 通过以上的分析与比较可知，可以利用螺