地震仪表系统的抗震试验＊

项大鹏

(武汉地震科学仪器研究院,武汉 430071)

地震仪表系统的抗震试验＊

项大鹏

(武汉地震科学仪器研究院,武汉 430071)

介绍WYD-1地震仪表系统信息处理机柜的抗震试验。试验利用三维振动台,采用与设备安装楼面反应谱相容的人工时程的多频试验方式,对地震监测系统进行白噪声探查和 5次运行基准地震及 1次极限安全地震试验,试验验证了WYD-1地震仪表系统在地震载荷作用下能正常工作。

地震仪表系统;抗震试验;反应谱;三维振动台;机柜结构

1 前言

地震仪器系统已经全面进入数字化时代,其技术之复杂,涉及面之广,功能和质量水准之进步,都是前所未有的。对于设备的制造而言,一些知名的通讯和网络公司,电力、核电等工程界或者行业协会等,纷纷制定了严格的制造和检测标准。就检测标准而言,除了涉及设备本身的性能和功能的检测标准外,同时也制定了这些设备的多项环境试验检测标准,其中包括防护等级、抗电磁干扰以及抗地震性能检测等[1,2]。而以往地震部门生产的设备却没有进行抗地震性能检测等考核试验。

武汉地震科学仪器研究院为核电站地震监测系统开发和生产了许多仪器设备,本文将着重介绍武汉地震科学仪器研究院生产的工程地震监测设备信息处理系统的抗地震性能试验考核。

2 地震仪器设备抗震试验的目的和要求

在工程抗震研究中,设备抗震实验研究是一个重要方面,其任务主要是对新材料、新结构的抗震能力进行研究。通过试验,验证地震仪表系统在地震载荷作用下能否正常工作,是否能保持其完整性和可运行性。

抗震试验有多种方法[3],我们主要利用地震模拟振动台,采用三维振动台人工合成地震波的试验方法。由于地震模拟振动台可以真实地再现地震过程,安装在振动台上的试件就能受到类似天然地震的作用,所以,地震模拟振动台试验可以再现试件在地震作用下结构开裂、破坏的全过程。该试验方法是目前进行工业产品和设备等的振动特性试验和研究结构抗震性能较好的方法之一。

具体试验内容和要求如下[4]：

1)验证地震监测系统在地震作用过程中及其之后的结构完整性;

2)测试地震监测系统的自振频率;

3)对地震监测系统进行 5次 S1(运行基准地震)考核试验,1次 S2地震 (极限安全地震)考核试验;

4)在抗震试验中和抗震试验后对地震监测系统进行监测性能测试。

3 试验对象

3.1 试验样机

受试验的地震监测设备 (WDY-1信息处理系统)含：柜体、一体化工作站、工控计算机、信号调理单元、报警机箱、数字采集、电源模块等部件,外接若干台加速度传感器。这些仪器设备均由武汉地震仪器院设计制造。

3.2 功能描述

WDY-1信息处理系统主要用于记录和分析并向电站运行人员提供地震信息,包括：预防电厂无根据地关闭或不安全连续运行的记录;地震警报和供运行人员“快速查看”的数据;若地震达到设计的限值,提供详细分析所用的数据。系统内装有集中信息处理记录计算机系统,系统的特点是：标准化模块设计,便于参数设置的友好人机界面,较强的抗干扰能力,以及故障自检功能等。

3.3 样机的结构特点

地震仪表系统信息处理机柜外形尺寸为 2 000 mm×600 mm×800 mm,重量约 300 kg,内含计算机及大屏幕LCD等不耐震动部件。机柜前后开门,前门带有有机玻璃观察窗,能透过观察窗看到LCD显示屏。主要部件采用机架式安装,并采用加固等抗震措施。为了加强柜体的支撑和刚度,机柜结构为全钢框架式焊接结构,柜内四周焊有钢制框架,以满足抗震的性能要求。

地震仪表系统信息处理机柜内部主要部件如表1所示。为模拟实际使用状态,试验时将两台 SLJ-100加速度传感器接入系统,其中一台置于振动台上,一台置于振动台下。

表 1 地震仪表系统(WYD-1)信息处理机柜内部主要部件Tab.1 Ma in components within the cabi net of information processing of seis m ic i nstrument system WYD-1

3.4 抗震试验的设备和仪器

抗震试验所用的设备和仪器为同济大学的振动台和MTS468,450数据采集系统,该振动台和数据采集系统为美国MTS公司制造和开发。振动台台面为 4 m×4 m,最大载货 30吨。

4 抗震性能试验反应谱

抗震性能试验参照地震仪表系统安装标高楼层加速度反应谱(图 1)进行,水平向最大 3.3 g,阻尼比取 5%。该加速度反应谱对应的地面峰值加速度为：S1水平向 0.1 g;S2水平向 0.2 g。

5 试验的方法和要求

5.1 试验方法与要求

抗震试验采用与楼面反应谱相容的人工时程试验多频试验方式。

被测设备的安装和固定应与该种设备的实际安装方式相同,被测设备底部与振动台台面刚性连接。

由振动台上产生的反应谱(TRS)应在整个试验频率范围内按要求包络所要求的反应谱(RRS)并超出 10%,试验反应谱和要求反应谱有相同的阻尼比。输入运动波的峰值加速度应不小于反应谱的零周期加速度值(ZPA)。

人工合成地震波的持续时间应大于 30秒,其中的强信号部分 (至少为最大值的 25%)的持续时间应大于 10秒。信号至少有 6个峰值 (正的或负的)超过其最大值的70%。

试验的程序为：

1)测点布置

测试点布设在样机设备的典型部位,即预计对功能有影响的部位或应力变形较大的部位,以监测设备输入运动和设备典型部位的响应,经过数据处理以便得到它们的各阶振型、自振频率和阻尼比参数等,测试点的设置设在设备重心的最高处和最低处以及样机内元器件的安装位置。

2)动态特性探查试验

通过探查试验查明设备的自振频率,振型和阻尼等,了解设备的固有动态特性,并根据实测的振型确定测点的布置。如果抗震性能试验采用单频拍波方法,则根据实测的设备自振频率和探查试验的其他结果与设计要求反应谱结合选择激励的频率和幅值。

动态特性探查试验的激励,采用输入幅度0.2 g,扫描速度不低于 1/6倍频程/分的白噪声在每一正交轴上激振。当设备的动力响应为非线性时,取不同的输入激振幅值进行探查试验。振动应有足够的持续时间,以保证自振频率和振型的精度。

3)输入人工地震波试验

根据设备安装位置处的安全停堆地震 (S2)和运行基准地震(S1)的楼面响应谱,对设备先作 5次S1模拟试验,跟着再作 1次 S2模拟试验。

图1 抗震性能试验反应谱图Fig.1 Response spectrum observed in the test of earthquake resistant perfor mance

5.2 抗震试验过程中样机的监测

试验过程中,除机柜外,还要求连接一台加速度传感器,与机柜同时置于振动台上。将样机通电,并模拟设备的动作,通过振动台监测仪器测试并记录设备在振动过程中和振动后的工作状况,评价其功能特性和参数的变化以及是否在允许误差范围内。

对以下功能特性和参数的监测应注意：

1)观测记录波形;

2)监视报警输出继电器的触点动作,是否稳定可靠;

3)检查硬盘抗震情况,看是否能完整地记录到地震事件。

测试时需保证将机柜外部接地端子与接地线连接良好。

6 试验结果

该次试验按照抗震试验大纲的要求,进行了白噪声探查试验。按阻尼比为ξ=0.05的楼面反应谱设计的人工地震波进行 5次 S1考核试验、1次 S2考核试验;试验时 X、Y、Z3方向的 TRS均上包络了RRS。图 2为抗震考核试验的 S2试验加速度时程及反应谱。试验中,样机工作处在正常运行状态,试验过程中和试验后,受试设备始终保持其完整性。抗震试验前、试验后对地震仪表系统信息处理机柜进行了性能测试。试验结果如下：

1)白噪声试验。测得地震仪表系统信息处理机柜柜体在 X方向的自振频率为 8.2 Hz,Y方向的自振频率为 17.6 Hz,Z方向的自振频率为 17.5 Hz;

2)5次 S1考核试验和 1次 S2考核试验。试验后,检验样品,结构没有裂痕,螺钉、螺母没有松动、脱落,也无任何损伤及变形;

3)抗震试验前、试验中、试验后对地震仪表系统信息处理机柜进行了性能试验,试验结果表明地震仪表系统信息处理机柜参数无不正常变化,符合要求。

综上所述,在对WYD-1地震仪表系统进行所规定的抗震试验后,样机结构及工作性能保持完好,满足该工程提出的抗震要求。说明设备的设计、选材、制造工艺都是合理的。但今后还需在设备自振频率方面有所控制。

本次试验是我们首次进行地震仪表的抗震试验,积累了很多有用的数据,为地震仪表抗震设计提供了宝贵的经验,试验一次通过,增强了我们研制重要设备的信心;对地震检测设备的生产制造具有重要意义。

图2 SSE试验加速度时程及反应器Fig.2 Acceleration time history and responce spectrum of SSE test

1 曹文清,俞洁勤,方重.网络、通讯设备的抗震试验考核[J].世界地震工程,2002,19(2)：87-89.

2 中华人民共和国棱行业标准.棱电厂地震仪表准则[S]. 1993.

3 阮善发.XKL-W1型动力箱样机核级(1 E)抗震试验研究[J].地震工程与工程振动,2005,25(3)：172-176.

4 胡晓,等.核设备抗震鉴定试验指南 HAF.J0053在抗震试中的应用实践[J].水利学报,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

项大鹏,男,工程师,主要从事地震仪表系统集成研究.E-mail：dapeng_xiang@yahoo.com.cn

TH762.2

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