模拟地震时建筑物振动模拟工作台设计

毕业设计模拟地震时建筑物振动模拟工作台设计模拟地震时建筑物振动模拟工作台设计摘要：本设计提出一套简易的模拟地震时建筑物振动模拟工作台的设计，其设计原理是通过机械传动系统传动动力来带动模拟建筑物振动从而能够让人们直观的观察建筑物在地震时的振动状态。这套设计主要有变速系统，动力系统，机械传动系统，建筑物振动系统三个部分组成.该模拟系统主要是通过变速系统来控制电机的转速来模拟地震不同的振动幅度，再通过机械传动系统来传动动力到建筑物振动系统使得建筑物振动，在建筑物振动系统中，主要是由一个抗震建筑物和一个不抗震建筑物组成，通过对比能够更好地更加直观的在人们面前展现建筑物在地震时的状态。该系统虽然没有电液伺服地震模拟振动台那么精确，能够验证很多东西，但是它可以作为让人们观赏，让人们对地震时建筑物振动的初步了解的很好的平台，而且它的成本比较低，经济实用。本设计在符合设计要求的基础上就部分关键部件进行了相关功能和结构的设计。关键词：经济实用，地震When simulating seismic building vibration simulation table designabstract：This paper proposes a set of simple and easy the design of the building when the earthquake vibration simulation workbench, its design principle is driven by mechanical transmission system dynamics simulation vibration so that they can make people visual observation of the building in a state of vibration during the earthquake. This design mainly has variable speed system, power system, mechanical drive system, building vibration system of three parts. Mainly through the simulation system of variable speed system to control the motor speed to simulate earthquake vibration amplitude, again through the mechanical transmission system to drive power to the vibration system makes the building vibration, in the building vibration system, mainly by a seismic building and not a earthquake-resistant buildings, by comparing to better more intuitive show in front of the building during an earthquake. While the system is not so precise electro-hydraulic servo vibration table, to verify a lot of things, but it can be used as a let people admire, let people preliminary understanding of the building when the earthquake vibration of a good platform, and its cost is lower, economical and practical. This design in accordance with the requirements of the design on the basis of some key components for the design of the related function and structure.Key words:economic and practical,earthquake目录1前言11.1本课题研究的背景与意义11.1.1本课题的研究背景11.1.2本课题的选题意义21.2国内外研究发展现状31.2.1国内外振动台的发展31.3本课题的研究方法与研究内容41.4本章小结42振动台的组成及工作原理52.1振动台的工作原理52.2振动台系统的组成52.3研究的振动台的功能53振动台的零件设计73.1箱体的设计73.2建筑物振动系统的零件设计73.2.1滑动主板的设计73.2.2防震底板和不防震底板的设计83.2.3模拟建筑物的设计83.3机械传动系统的零件设计93.3.1拟定传动方案93.3.2传动件的设计103.4电机的选取113.4.1选择电动机类型和结构型式113.4.2确定电动机的功率123.5变速系统的零件设计13结论15参考文献16致谢17I1前言1.1本课题研究的背景与意义1.1.1本课题的研究背景 地震就是地球表层的快速振动，在古代又称为地动。它就象刮风、下雨、闪电、山崩、火山爆发一样，是地球上经常发生的一种自然现象。地震时，在地球内部出现的弹性波叫做地震波，地震波主要包含纵波和横波。振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)，来自地下的纵波引起地面上下方向颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)，来自地下的横波能引起地面的水平方向晃动，横波是地震时造成建筑物破坏的主要原因。由于纵波在地球内部传播速度大于横波，所以在地震时，纵波总是先到达地表，而横波总落后一步。这样，发生较大的地震时，人们一般会先感觉到上下颠簸，过数秒到十几秒后才感觉到有很强的水平晃动。 地震，如果发生在没有人烟的高山、沙漠或者海底，即使震级再大，也不会造成伤亡或损失。相反，如果地震发生在人口稠密、经济发达、社会财富集中的地区，特别是在大城市，就可能造成巨大的灾害。 地震时房屋等建筑物的倒塌和严重破坏，是造成人员伤亡和财产损失最重要的直接原因之一。房屋等建筑物的质量好坏、抗震性能如何，直接影响到受灾的程度。因此，必须做好建筑物的抗震设防工作。 破坏性地震发生之前，人们对地震有没有防御，防御工作做得好与否将会大大影响到经济损失的大小和人员伤亡的多少。防御工作做得好，就可以有效地减轻地震带来的灾害损失。 到目前为止，地震预测仍然是世界难题。这种状况由三方面因素所决定：第一，地球的不可入性。正所谓上天容易入地难，我们对地下发生的变化，只能通过对地表现象的观测来推测。 第二，地震孕育规律的复杂性。相关专家通过多年的研究，现在逐渐认识到地震孕育、发生、发展的过程十分复杂，在不同的地理构造环境、不同的时间阶段，不同震级的地震都显示出相当复杂的孕育规律过程。 第三，地震发生的小概率性。这一点我们可能都能感觉到，全球每年都有地震发生，有些还是比较大的地震。但是对于某一个地区来说，地震发生的重复性时间是很长的，几十年、几百年、上千年，而进行科学研究的话，都有统计样本，而这个样本的获取，在有生之年都有可能非常困难。由上面三种原因决定，地震预报到目前仍是世界难题1。 可是随着现代高科技的迅猛发展，人们对高层建筑、大坝等工程的安全问题越来越重视。为了减少损失，对于地震多发地带，特别是对学校、车站以及中高层建筑这些人员密集场所来说，对它们的抗震试验尤为重要。 通过对过去一些地震的研究分析，发现绝大部分的人员伤亡来自于建筑物的坍塌，不少人还因为没有经历过类似的地震体验，没有相应的心理准备，故而在地震来临时惊慌失措，从而导致人身伤害。另外，虽然目前对地震机理的理论研究很多，但是通常需要到模拟试验台上对模型进行验证和优化。如今这种运用地震模拟振动台对模型和理论进行验证和优化的形式是被公认为最能模拟真实的地动环境的措施之一。1.1.2本课题的选题意义在对地震机理的理论研究过程中，通常需要到模拟试验台上验证和优化，地震模拟振动台就为我们提供了一种很好的方法和手段。地震模拟振动台作为振动试验的标准设备，其性能直接影响到试验的结果，其水平在很大程度上影响到对地震防范工作的展开，因而在国民经济发展中占有相当重要的地位。从另一方面来说，它的发展水平在某种程度上也反映了一个国家的工业发展水平。因此，世界各国都很重视地震振动试验技术和地震振动试验系统的研究开发工作。我国是一个多地震的国家，处在环太平洋地震带和喜马拉雅地中海地震带上，目前我国又处于地震活跃期，地震发生较为频繁。而普及地震知识、掌握避震抗震技巧是预防地震灾害的重要手段，与每个人息息相关，地震体验可以寓教于乐，提高全民防震抗震意识。地震体验装置广泛应用于大型科学馆，教学实验室，地震预防馆，建筑材料研究展览馆。地震模拟振动台是通过台面的运动对试体或结构模型输入地面运动，模拟地震对试体或结构模型作用的全过程，进行结构或模型的动力特性和动力反应的试验。其特点是可以再现各种形式的地震波形，可以在实验室条件下直接观测和了解被试验试体或结构模型的受震损害情况和破坏现象等。振动台试验较好地体现了模型的抗震性能，能够让人们很直接的观察到模型的抗震能力2。1.2国内外研究发展现状1.2.1国内外振动台的发展以前，抗震试验主要是采用野外原型试验。其方法是将强震观测仪器设置在地震区的房屋建筑等结构之上，然后等待地震的到来，以测取房屋的动力特性，将获得的固有频率、阻尼、振型等参数提供给抗震理论分析使用。但是由于强震较少而且受到地震预报的约束，故而用该方法取得数据的机会较少，试验周期较长，远远满足不了抗震研究工作的需要。为了解决这种矛盾，到了六十年代，采用了大型起振机等方式在原型结构上进行振动破坏试验，以获取所需数据，但是，要模拟地震破坏是很困难的，而且做一个这样的试验，投资相当大，试验周期也很长，因而探索将房屋结构放到实验室来进行试验，以求花较少的钱，以最快的速度，获得更多的数据，从而使地震模拟振动台在六十年代末应运而生。目前，世界上已建成上百座模拟地震振动台，其中以日本拥有的数量为最多，规模最大。我国一方面自行研制，另一方面引进，目前全国范围内的振动台的数量和规模也相当可观。振动台主要可以分成三大类：机械式、电动式及电液式。综合比较来看，虽然机械式的振动台是最基础和简单的但是它制作比较简单花费也比较少作为人们了解建筑物在地震时的振动情况是一个很好的选择。国内目前主要研究及应用现状：(1)同济大学地震模拟振动台在朱伯龙教授的领导下于1983年7月建成，原来为X、Y两向振动台，90年代进行了多次改造，主要改造内容为：双向振动台升级至三向六自由度；模型质量由15吨升级至25吨；控制系统和数据采集系统的升级等。(2)中国水利水电科学研究院拥有5m5m电液伺服式三向六自由度宽频域模拟地震振动台。中国水利水电科学研究院1987年从德国Schenck公司引进了全套振动台，由陈厚群院士主持，考虑水工结构模型的大缩比，该振动台的工作频率上限达到了120Hz，为目前国内工作频率最高的振动台。(3)中国建筑科学研究院拥有目前国内最大的振动台。采用4台油源并列供油；流量2000L/min，设置蓄能器阵；台面尺寸为6.1m6.1m；竖向采用4台MTS作动器，两个水平向分别采用4台作动器。(4)中国地震局工程力学研究所1986年采用国产设备自行研制了双向振动台，1997年升级成三向振动台。1.3本课题的研究方法与研究内容本课题根据用变速开关来控制电机的不同转速来带动机械传动系统，通过机械传动系统将动力传达到建筑物振动系统中，在建筑物振动系统中又有两栋不同的建筑物模型，一栋是抗震模型，一栋是不抗震模型，这两栋建筑物模型在由机械传动系统传来的动力的情况下振动，进行鲜明的对比，凸显出具有抗震能力的房屋在地震中具有明显的抗破坏能力，从而凸显出建筑物具有抗震能力的必要性。1.4本章小结详细DWG图 纸 请 加：三 二 1爸 爸 五 四 0 六本章首先介绍了该课题的研究背景与研究意义，以说明课题研究的必要性。接着介绍了地震模拟振动台在国内外研究、发展及其应用现状，指出了研究的现状与一些不足之处。最后结合本课题目标，提出了本论文的研究方法与研究内容。 2振动台的组成及工作原理2.1振动台的工作原理地震模拟振动台(以下简称振动台)的工作原理是，通过变速系统中有一个变速快关，可以调节到不同的档位来控制电机的旋转速度，这样就可以模拟不同的振动强度，然后电机根据变速开关输出不同的动力到传动机构。传动机构主要是一个由偏心轮和一个连接杆组成。动力首先传到偏心轮，然后再由偏心轮带动连杆，最后由连杆传到建筑物振动系统当中。在建筑物振动系统中，有一整块防震板做基底，这块防震板直接与传动系统相连，当动力传到防震板上时，防震板会在一个预先设定的轨道上来回滑动以模拟地震时的横波。在这块防震板上又分别安装了两栋模拟的建筑物，其中一栋是抗震建筑物，另一栋是不抗震的建筑物，抗震的建筑物的原理同防震板的原理是相同的，底部预先安装了轨道，所以抗震建筑物在振动时也会随着防震板左右晃动而晃动，而不抗震的建筑物是直接固定在防震板上的，虽然它也会随着防震板晃动，但是它的晃动幅度会很大。通过两栋建筑的对比，人们会很明显的观察到抗震建筑在地震中的优势所在，当然不同的动力输出也会凸显出不同振动情况，往往更大的动力输出能够是人们更加清晰的观察抗震和不抗震建筑物在地震中的变现3。2.2振动台系统的组成地震模拟振动台系统主要是由变速系统，动力系统，传动系统和建筑物振动系统四部分组成。其中变速系统中主要是有一个变速开关装置，动力传动系统中主要是一个交流电动机，机械传动系统中主要是由一个偏心轮和一个连杆组成，最后建筑物振动系统中主要是由两栋模拟建筑物，一块防震底板，一块抗震底板组成。2.3研究的振动台的功能 用变速开关来控制电机的不同转速来带动机械传动系统，通过机械传动系统将动力传达到建筑物振动系统中，在建筑物振动系统中又有两栋不同的建筑物模型，一栋是抗震模型，一栋是不抗震模型，这两栋建筑物模型在由机械传动系统传来的动力的情况下振动，进行鲜明的对比，凸显出具有抗震能力的房屋在地震中具有明显的抗破坏能力，从而凸显出建筑物具有抗震能力的必要性，使人们能够对抗震有一个更加深刻的了解。3振动台的零件设计3.1箱体的设计 箱体虽然不是什么重要的零件设计，但是在设计其它零件之前必须先要把箱体设计完成，因为只有先把箱体设计好后才能定其它零件的尺寸。箱体的设计虽然没有其它零件系统设计复杂但是它的设计外观会影响到人们的观赏效果，搬运的难易程度，以及最重要的能够承载整个系统的质量。 为了方便符合人们的观察效果以及通过传动系统的体积大概估算一下觉得长度大概在一米左右，太长了会有很多空余的空间会比较浪费材料。至于高度我定在了二十公分左右，因为一般地小型电机高度也就十几公分，所以我定了二十公分高，认为它比较合适。在高度和长度定好之后，下面该要定一下宽度了。定宽度时要考虑到电机的长度，人们的观赏效果还要考虑到将来模拟的建筑物的长度和宽度。作为一个初步的构想，我觉得应该把建筑物的底设计成正方形比较好一些，因为这样做起来比较方便，这样使得开起来比较对称，最后决定把宽度定在五十公分左右，这样整个箱体的尺寸大概为800X500X200 mm。然为了让人们能够更加清楚的观察到箱体内部的传动机构，必须将箱体中的一块800x200 mm的板用铰链与箱体的其它部分连接起来，这就相当于做了一个门，可以随时打开观察内部的机构4。 在尺寸定好之后接下来就要考虑一下箱体的用料了，本来是想用金属材料，可是后来查了一些资料发现这么大一个尺寸的箱体会很重，不便于搬运，而且在加工孔和其它工艺时会比较麻烦，所以最后比较了一下还是用木板比较合适，经济实惠，质量又轻，方便搬运。为了更加的方便搬运，我又想到了在箱体底部的四个角上各安装一个万向轮，这样就可以轻松推动整个机构，至于其它箱体方面的加工见箱体的零件图。3.2建筑物振动系统的零件设计 这个系统是人们最能直观的观察到的部分，人们就是通过它了解抗震建筑物相对于不抗震建筑物的优越性。建筑物振动系统中主要由滑动主板，防震底板，不防震底板，模拟建筑物这四个部分组成。3.2.1滑动主板的设计 滑动主板的主要作用是模拟在实际的地震中振动的地壳，由于现实地震中大多数地震波主要是横波，所以我们主要模拟的便是地震的横波，也就是说让滑动主板作往复运动，为了达到这个目的，我想到了滑动轨道，通过传动系统带动滑动主板在滑动轨道上滑动，这样就解决了问题。由于事先已经将箱体设计完成，箱体的工作台尺寸为800x500x20mm，考虑到滑动主板在滑动时有一个极限距离（左右大概两厘米左右）以及滑动主板本身相对于箱体需要空余出一些距离，最终我把滑动主板的尺寸定位700x400mm。为了能够让滑动主板在电机停转时回到原来的位置，我想到了在滑动主板的下面的四个角处各安装了一个限位弹簧，来保证电机停转时滑动主板可以回到原位。这样做还有一个好处就是防止滑动主板因惯性滑的太远，可谓一举两得。3.2.2防震底板和不防震底板的设计 作为地壳的滑动主板设计好了之后接下来就要设计模拟建筑物的地基了。在设计模拟地基时要分为两种，一种是抗震的，一种是不抗震的，处于在设计滑动主板时的考虑，在设计防震底板和不防震底板时要考虑到相对于滑动主板要空余一些空间。并且防震底板的原理和滑动主板时一致的，所以周围的空间应该更大些。出于这些的考虑最后把防震底板和不防震底板的尺寸设计成270x270mm。其中不防震底板固定在滑动主板上，防震底板与滑动主板之间用滑轨相连，并且还安装了四个支撑弹簧相连，类似于滑动主板上的弹簧5。3.2.3模拟建筑物的设计 前者都定完尺寸后最后就只剩下模拟建筑物了。为了设计方便我就简化了一下模拟建筑物，其主要组成部分为支柱，楼层，支撑。为了美观，简约，楼层用玻璃块，其尺寸与底板一致为270x270mm，共六层用支撑和支柱将其叠起来。零件图的主要参数和用料见零件图。 图3.1模拟建筑物实体图3.3机械传动系统的零件设计 传动装置的总体设计，主要包括拟定传动方案，选择原动机，确定总传动比和分配各级传动比以及计算传动装置的运动和动力系数。详细DWG图 纸 请 加：三 二 1爸 爸 五 四 0 六3.3.1拟定传动方案机器通常由原动机，传动装置和工作机三个部分组成，传动装置将原动机的动力和运动传递给工作机，合理拟定传动方案是保证传动装置设计质量的基础。所以我们根据设计任务书的要求设计，拟定传动方案时，分析传动方案的优缺点。传动方案应满足工作机的性能要求，适应工作条件，工作可靠，而且要求结构简单，尺寸紧凑，成本低，传动效率高，操作维护方便。一般传动方案有齿轮传动，链传动，带传动，平面连杆机构传动等。各种传动系统都有自己的优缺点。齿轮传动的特点：能保证瞬时传动比恒定；传递的功率和速度范围较大；结构紧凑、工作可靠，可实现较大的传动比；传动效率高，使用寿命长；齿轮的制造、安装要求较高。带传动特点：结构简单，适用于两轴中心距较大的传动场合；传动平稳无噪声，能缓冲、吸振；过载时带将会在带轮上打滑，可防止薄弱零部件损坏，起到安全保护作用；不能保证精确的传动比，带轮材料一般是铸铁等。链传动的特点：和齿轮传动比较，它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力；能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作；和带传动比较，它能保证准确的平均传动比，传递功率较大，且作用在轴和轴承上的力较小；传递效率较高，一般可达0.950.97；链条的铰链磨损后，使得节距变大造成脱落现象；安装和维修要求较高，链轮材料一般是结构钢等。平面连杆机构传动：只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹；设计较为复杂，当构件数和运动副数往往较多时，机构结构复杂，工作效率降低，会发生自锁可能；运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，易获得较高的精度6。由于我设计的振动台的最终运动形式是往复运动，并且往复运动的速度也不是特别的快，所以我选择了平面连杆机构传动。3.3.2传动件的设计 由于工作台的运动是往复运动，所以选择了平面连杆传动机构，但是光用纯粹的连杆传动会使传动的零件增多，所以为了能够减少设计的零件数，我决定用偏心轮，由于是模拟建筑物振动，如果偏心距太大会使模拟建筑物振动的频率太小，所以我事先决定了偏心距为20mm。至于偏心轮的半径以及连杆的长度没有太多的要求，偏心轮的半径没有特别的要求考虑到还要钻孔与连杆连接，所以我把偏心轮半径定为45mm，连杆的长度为150mm。其中连杆与偏心轮之间用一个被动轴相连，电机与偏心轮采用轴承过盈配合相连。被动轴，偏心轮和连杆的用料都为Q235。被动轴的应力计算： （3-1）式中，A为剪切的面积，单位为mm2 ；F为剪切面上的剪力，单位为N；为剪切面上的剪切应力，单位为MPa。 （3-2）被动轴最细处符合应力要求，故被动轴满足应力要求。连杆的应力计算： （3-3） 式中，A为拉伸（挤压）面积，单位为mm2，F为拉应力（压应力），单位为N；为截面上的应力，单位为MPa。 （3-4）连杆的应力计算符合应力要求。 图3.2传动部分实体图3.4电机的选取 电动机为标准化、系列化产品，设计中应根据工作机的工作情况和运动、动力参数，根据选择的传动方案，合理选择电动机的类型、结构形式、容量和转速，提出具体的电动机型号。3.4.1选择电动机类型和结构型式 电动机有交流、直流之分，一般工厂都采用三相交流电，因而选用交流电机。交流电动机分为异步、同步电动机，异步电动机又分为笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最多，目前应用较广的Y系列自扇冷式笼型三相异步电动机，结构简单、启动性能好、工作可靠、价格低廉，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体、无特殊要求的场合。同步电动机在结构上可以分为励磁同步电机和不励磁同步电机。同步电机的特点是稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速为常数，则与负载大小无关。同步电机的运行方式 ：同步电机主要运行方式有三种，为发电机、电动机和补偿机。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电机还可以接到电网作为同步补偿机，这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，从而改善电网功率因数或调节电网电压。所以综上可以看出我们应该选择异步电机7。3.4.2确定电动机的功率 电动机功率选择直接影响到电动机工作性能和经济性能的好坏，若所选电动机的功率小于工作要求，则不能保证工作及正常工作，若功率过大，则电动机不能满载运行，功率应诉和效率较低，从而增加电能消耗，造成浪费。 本课题所需电机的要求为：短时间连续运转、载荷平稳，小功率。由于我们所选的电机不需要带动多大的力，并且还是得要