項大鵬

(武漢地震科學(xué)儀器研究院,武漢 430071)

地震儀表系統(tǒng)的抗震試驗＊

項大鵬

(武漢地震科學(xué)儀器研究院,武漢 430071)

介紹WYD-1地震儀表系統(tǒng)信息處理機柜的抗震試驗。試驗利用三維振動臺,采用與設(shè)備安裝樓面反應(yīng)譜相容的人工時程的多頻試驗方式,對地震監(jiān)測系統(tǒng)進行白噪聲探查和 5次運行基準(zhǔn)地震及 1次極限安全地震試驗,試驗驗證了WYD-1地震儀表系統(tǒng)在地震載荷作用下能正常工作。

地震儀表系統(tǒng);抗震試驗;反應(yīng)譜;三維振動臺;機柜結(jié)構(gòu)

1 前言

地震儀器系統(tǒng)已經(jīng)全面進入數(shù)字化時代,其技術(shù)之復(fù)雜,涉及面之廣,功能和質(zhì)量水準(zhǔn)之進步,都是前所未有的。對于設(shè)備的制造而言,一些知名的通訊和網(wǎng)絡(luò)公司,電力、核電等工程界或者行業(yè)協(xié)會等,紛紛制定了嚴(yán)格的制造和檢測標(biāo)準(zhǔn)。就檢測標(biāo)準(zhǔn)而言,除了涉及設(shè)備本身的性能和功能的檢測標(biāo)準(zhǔn)外,同時也制定了這些設(shè)備的多項環(huán)境試驗檢測標(biāo)準(zhǔn),其中包括防護等級、抗電磁干擾以及抗地震性能檢測等[1,2]。而以往地震部門生產(chǎn)的設(shè)備卻沒有進行抗地震性能檢測等考核試驗。

武漢地震科學(xué)儀器研究院為核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)了許多儀器設(shè)備,本文將著重介紹武漢地震科學(xué)儀器研究院生產(chǎn)的工程地震監(jiān)測設(shè)備信息處理系統(tǒng)的抗地震性能試驗考核。

2 地震儀器設(shè)備抗震試驗的目的和要求

在工程抗震研究中,設(shè)備抗震實驗研究是一個重要方面,其任務(wù)主要是對新材料、新結(jié)構(gòu)的抗震能力進行研究。通過試驗,驗證地震儀表系統(tǒng)在地震載荷作用下能否正常工作,是否能保持其完整性和可運行性。

抗震試驗有多種方法[3],我們主要利用地震模擬振動臺,采用三維振動臺人工合成地震波的試驗方法。由于地震模擬振動臺可以真實地再現(xiàn)地震過程,安裝在振動臺上的試件就能受到類似天然地震的作用,所以,地震模擬振動臺試驗可以再現(xiàn)試件在地震作用下結(jié)構(gòu)開裂、破壞的全過程。該試驗方法是目前進行工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備等的振動特性試驗和研究結(jié)構(gòu)抗震性能較好的方法之一。

具體試驗內(nèi)容和要求如下[4]：

1)驗證地震監(jiān)測系統(tǒng)在地震作用過程中及其之后的結(jié)構(gòu)完整性;

2)測試地震監(jiān)測系統(tǒng)的自振頻率;

3)對地震監(jiān)測系統(tǒng)進行 5次 S1(運行基準(zhǔn)地震)考核試驗,1次 S2地震 (極限安全地震)考核試驗;

4)在抗震試驗中和抗震試驗后對地震監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測性能測試。

3 試驗對象

3.1 試驗樣機

受試驗的地震監(jiān)測設(shè)備 (WDY-1信息處理系統(tǒng))含：柜體、一體化工作站、工控計算機、信號調(diào)理單元、報警機箱、數(shù)字采集、電源模塊等部件,外接若干臺加速度傳感器。這些儀器設(shè)備均由武漢地震儀器院設(shè)計制造。

3.2 功能描述

WDY-1信息處理系統(tǒng)主要用于記錄和分析并向電站運行人員提供地震信息,包括：預(yù)防電廠無根據(jù)地關(guān)閉或不安全連續(xù)運行的記錄;地震警報和供運行人員“快速查看”的數(shù)據(jù);若地震達到設(shè)計的限值,提供詳細分析所用的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)裝有集中信息處理記錄計算機系統(tǒng),系統(tǒng)的特點是：標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計,便于參數(shù)設(shè)置的友好人機界面,較強的抗干擾能力,以及故障自檢功能等。

3.3 樣機的結(jié)構(gòu)特點

地震儀表系統(tǒng)信息處理機柜外形尺寸為 2 000 mm×600 mm×800 mm,重量約 300 kg,內(nèi)含計算機及大屏幕LCD等不耐震動部件。機柜前后開門,前門帶有有機玻璃觀察窗,能透過觀察窗看到LCD顯示屏。主要部件采用機架式安裝,并采用加固等抗震措施。為了加強柜體的支撐和剛度,機柜結(jié)構(gòu)為全鋼框架式焊接結(jié)構(gòu),柜內(nèi)四周焊有鋼制框架,以滿足抗震的性能要求。

地震儀表系統(tǒng)信息處理機柜內(nèi)部主要部件如表1所示。為模擬實際使用狀態(tài),試驗時將兩臺 SLJ-100加速度傳感器接入系統(tǒng),其中一臺置于振動臺上,一臺置于振動臺下。

表 1 地震儀表系統(tǒng)(WYD-1)信息處理機柜內(nèi)部主要部件Tab.1 Ma in components within the cabi net of information processing of seis m ic i nstrument system WYD-1

3.4 抗震試驗的設(shè)備和儀器

抗震試驗所用的設(shè)備和儀器為同濟大學(xué)的振動臺和MTS468,450數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該振動臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國MTS公司制造和開發(fā)。振動臺臺面為 4 m×4 m,最大載貨 30噸。

4 抗震性能試驗反應(yīng)譜

抗震性能試驗參照地震儀表系統(tǒng)安裝標(biāo)高樓層加速度反應(yīng)譜(圖 1)進行,水平向最大 3.3 g,阻尼比取 5%。該加速度反應(yīng)譜對應(yīng)的地面峰值加速度為：S1水平向 0.1 g;S2水平向 0.2 g。

5 試驗的方法和要求

5.1 試驗方法與要求

抗震試驗采用與樓面反應(yīng)譜相容的人工時程試驗多頻試驗方式。

被測設(shè)備的安裝和固定應(yīng)與該種設(shè)備的實際安裝方式相同,被測設(shè)備底部與振動臺臺面剛性連接。

由振動臺上產(chǎn)生的反應(yīng)譜(TRS)應(yīng)在整個試驗頻率范圍內(nèi)按要求包絡(luò)所要求的反應(yīng)譜(RRS)并超出 10%,試驗反應(yīng)譜和要求反應(yīng)譜有相同的阻尼比。輸入運動波的峰值加速度應(yīng)不小于反應(yīng)譜的零周期加速度值(ZPA)。

人工合成地震波的持續(xù)時間應(yīng)大于 30秒,其中的強信號部分 (至少為最大值的 25%)的持續(xù)時間應(yīng)大于 10秒。信號至少有 6個峰值 (正的或負的)超過其最大值的70%。

試驗的程序為：

1)測點布置

測試點布設(shè)在樣機設(shè)備的典型部位,即預(yù)計對功能有影響的部位或應(yīng)力變形較大的部位,以監(jiān)測設(shè)備輸入運動和設(shè)備典型部位的響應(yīng),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以便得到它們的各階振型、自振頻率和阻尼比參數(shù)等,測試點的設(shè)置設(shè)在設(shè)備重心的最高處和最低處以及樣機內(nèi)元器件的安裝位置。

2)動態(tài)特性探查試驗

通過探查試驗查明設(shè)備的自振頻率,振型和阻尼等,了解設(shè)備的固有動態(tài)特性,并根據(jù)實測的振型確定測點的布置。如果抗震性能試驗采用單頻拍波方法,則根據(jù)實測的設(shè)備自振頻率和探查試驗的其他結(jié)果與設(shè)計要求反應(yīng)譜結(jié)合選擇激勵的頻率和幅值。

動態(tài)特性探查試驗的激勵,采用輸入幅度0.2 g,掃描速度不低于 1/6倍頻程/分的白噪聲在每一正交軸上激振。當(dāng)設(shè)備的動力響應(yīng)為非線性時,取不同的輸入激振幅值進行探查試驗。振動應(yīng)有足夠的持續(xù)時間,以保證自振頻率和振型的精度。

3)輸入人工地震波試驗

根據(jù)設(shè)備安裝位置處的安全停堆地震 (S2)和運行基準(zhǔn)地震(S1)的樓面響應(yīng)譜,對設(shè)備先作 5次S1模擬試驗,跟著再作 1次 S2模擬試驗。

圖1 抗震性能試驗反應(yīng)譜圖Fig.1 Response spectrum observed in the test of earthquake resistant perfor mance

5.2 抗震試驗過程中樣機的監(jiān)測

試驗過程中,除機柜外,還要求連接一臺加速度傳感器,與機柜同時置于振動臺上。將樣機通電,并模擬設(shè)備的動作,通過振動臺監(jiān)測儀器測試并記錄設(shè)備在振動過程中和振動后的工作狀況,評價其功能特性和參數(shù)的變化以及是否在允許誤差范圍內(nèi)。

對以下功能特性和參數(shù)的監(jiān)測應(yīng)注意：

1)觀測記錄波形;

2)監(jiān)視報警輸出繼電器的觸點動作,是否穩(wěn)定可靠;

3)檢查硬盤抗震情況,看是否能完整地記錄到地震事件。

測試時需保證將機柜外部接地端子與接地線連接良好。

6 試驗結(jié)果

該次試驗按照抗震試驗大綱的要求,進行了白噪聲探查試驗。按阻尼比為ξ=0.05的樓面反應(yīng)譜設(shè)計的人工地震波進行 5次 S1考核試驗、1次 S2考核試驗;試驗時 X、Y、Z3方向的 TRS均上包絡(luò)了RRS。圖 2為抗震考核試驗的 S2試驗加速度時程及反應(yīng)譜。試驗中,樣機工作處在正常運行狀態(tài),試驗過程中和試驗后,受試設(shè)備始終保持其完整性?？拐鹪囼炃啊⒃囼灪髮Φ卣饍x表系統(tǒng)信息處理機柜進行了性能測試。試驗結(jié)果如下：

1)白噪聲試驗。測得地震儀表系統(tǒng)信息處理機柜柜體在 X方向的自振頻率為 8.2 Hz,Y方向的自振頻率為 17.6 Hz,Z方向的自振頻率為 17.5 Hz;

2)5次 S1考核試驗和 1次 S2考核試驗。試驗后,檢驗樣品,結(jié)構(gòu)沒有裂痕,螺釘、螺母沒有松動、脫落,也無任何損傷及變形;

3)抗震試驗前、試驗中、試驗后對地震儀表系統(tǒng)信息處理機柜進行了性能試驗,試驗結(jié)果表明地震儀表系統(tǒng)信息處理機柜參數(shù)無不正常變化,符合要求。

綜上所述,在對WYD-1地震儀表系統(tǒng)進行所規(guī)定的抗震試驗后,樣機結(jié)構(gòu)及工作性能保持完好,滿足該工程提出的抗震要求。說明設(shè)備的設(shè)計、選材、制造工藝都是合理的。但今后還需在設(shè)備自振頻率方面有所控制。

本次試驗是我們首次進行地震儀表的抗震試驗,積累了很多有用的數(shù)據(jù),為地震儀表抗震設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗,試驗一次通過,增強了我們研制重要設(shè)備的信心;對地震檢測設(shè)備的生產(chǎn)制造具有重要意義。

圖2 SSE試驗加速度時程及反應(yīng)器Fig.2 Acceleration time history and responce spectrum of SSE test

1 曹文清,俞潔勤,方重.網(wǎng)絡(luò)、通訊設(shè)備的抗震試驗考核[J].世界地震工程,2002,19(2)：87-89.

2 中華人民共和國棱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).棱電廠地震儀表準(zhǔn)則[S]. 1993.

3 阮善發(fā).XKL-W1型動力箱樣機核級(1 E)抗震試驗研究[J].地震工程與工程振動,2005,25(3)：172-176.

4 胡曉,等.核設(shè)備抗震鑒定試驗指南 HAF.J0053在抗震試中的應(yīng)用實踐[J].水利學(xué)報,2000,(6)：61-66.

EARTHQUAKE RESISTANT TEST OF SEISM IC INSTRUM ENT

XiangDapeng
(W uhan Institute of Earthquake Instrum ents,W uhan 430071)

The seis mic test for the information processing cabinet of the seis mic instrument system WYD-1 is introduced.For the test using a 3-D vibration table and adopting the multi-frequency testmode of the artificial history which is campatible to the response spectrum of the floor on which the equipment is installed,we detected the white noise and carried out the tests ofOBE(operational base earthquake)five times and the SSE(safety shutdown earthquake)one time.These tests proved that the seismic instrument system WYD-1 can work normally under the effect of earthquake load.

seismic instrument system;seis mic test;response spectrum;3D vibration table;cabinet contruction

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0172-04

2010-05-25

項大鵬,男,工程師,主要從事地震儀表系統(tǒng)集成研究.E-mail：dapeng_xiang@yahoo.com.cn

TH762.2

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