賈普照

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029）

第7章 離心機(jī)總體設(shè)計(jì)（續(xù)Ⅲ）

目錄

7.5 離心機(jī)總體構(gòu)造

7.5.1 主軸系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)

7.5.2 上傳動(dòng)與下傳動(dòng)

7.5.3 吊籃甩動(dòng)問(wèn)題

7.5.4 對(duì)稱臂與不對(duì)稱臂

7.5.5 大電機(jī)與小電機(jī)

7.5.6 液壓傳動(dòng)與電氣傳動(dòng)

7.5.7 匯電環(huán)走線

7.6 離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室

7.6.1 實(shí)驗(yàn)室構(gòu)形

7.6.2 實(shí)驗(yàn)室溫升

7.6.3 設(shè)備基礎(chǔ)

7.5 離心機(jī)總體構(gòu)造

在解決了離心機(jī)半徑、功率等問(wèn)題之后，離心機(jī)的總體構(gòu)造必然會(huì)提上設(shè)計(jì)日程。

總體構(gòu)造主要研究的是離心機(jī)總體布局和各主要部件基本構(gòu)型，屬于設(shè)備硬件設(shè)計(jì)的宏觀重大決策內(nèi)容?？傮w構(gòu)造決定了設(shè)備的配置與特點(diǎn)，牽扯到方方面面，取決于科技原則、主觀取向、客觀可能、經(jīng)濟(jì)投入以及研制經(jīng)驗(yàn)和能力、技術(shù)傳統(tǒng)等等因素。

對(duì)離心機(jī)進(jìn)行總體構(gòu)造和技術(shù)決策的時(shí)候，經(jīng)常被議及的問(wèn)題往往有：上傳動(dòng)好還是下傳動(dòng)好，對(duì)稱臂好還是不對(duì)稱臂好，外形整流好還是不整流好，吊籃甩動(dòng)好還是不甩動(dòng)好，大電機(jī)好還是小電機(jī)好，液壓傳動(dòng)好還是電氣傳動(dòng)好，實(shí)驗(yàn)室是兩層、三層還是單層等等。本文第3章到第5章已經(jīng)呈現(xiàn)了離心機(jī)發(fā)展歷程中的多樣性及其趨勢(shì)，可以部分回答上述問(wèn)題；除外形整流已在功率計(jì)算中表達(dá)了作者觀點(diǎn)之外，其余將逐一根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)討論。

需要再次說(shuō)明的是：存在的就是合理的，條條道路通羅馬，對(duì)于技術(shù)路線和技術(shù)措施誰(shuí)都不可能劃出一條線來(lái)予以規(guī)定。因?yàn)槌思夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)因素之外，設(shè)計(jì)工作乃是人類參與的最富有活力的創(chuàng)造性活動(dòng)之一，主客觀因素甚至設(shè)計(jì)者性格、好惡等都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響；更重要的是既然我們鼓勵(lì)創(chuàng)新，就必須杜絕條條框框。因此，以下的討論內(nèi)容僅僅代表個(gè)人目前的一些看法而已，屬于一管之見，雖然表達(dá)了傾向性意見，并不包含任何特別的褒貶，除了對(duì)某些已被事實(shí)證明確實(shí)會(huì)失手的那些部分外，其余僅供讀者參考。

7.5.1 主軸系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)

離心機(jī)轉(zhuǎn)子必須有一個(gè)支撐并保證其安全轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸系統(tǒng)，而采用臥式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)，同時(shí)還必須配備一套具有機(jī)械轉(zhuǎn)向和減速功能的機(jī)械系統(tǒng)。主軸系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的配置關(guān)系通常有三種模式：積木式，混合式和一體式。

1）積木式

積木式基本就是各個(gè)主要要素間的按需搭建，是由每個(gè)各自獨(dú)立的部件通過(guò)建筑物、支架、聯(lián)軸器等等必要的輔助結(jié)構(gòu)“因地制宜”地連接起來(lái)的一種總體布局方式，如圖7-43所示。

圖7 -43 積木式結(jié)構(gòu)之一Fig.7-43 Case I of building-block structures

圖中每個(gè)部件都是各自獨(dú)立的：轉(zhuǎn)子是獨(dú)立的；主軸支撐系統(tǒng)是獨(dú)立的；傳動(dòng)系統(tǒng)也是獨(dú)立的，其實(shí)它就是一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)減速器。整體上如果需要將尺寸加高，就設(shè)計(jì)一個(gè)中央支座；匯電環(huán)部件則因勢(shì)安裝在天花板上。

圖 7-44也是一個(gè)積木式例子，前已述及，它是利用汽車減速器和后橋部件與新設(shè)計(jì)的主軸系統(tǒng)搭建而成。

積木式結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)就是采用獨(dú)立部件逐一搭建而成，其特點(diǎn)是：

· 自行設(shè)計(jì)的工作量較小、建造速度快，經(jīng)濟(jì)性好；

· 缺點(diǎn)是整體性稍差，設(shè)計(jì)者受制于積木塊元素；

· 積木式搭建的方式，最適合于初級(jí)設(shè)計(jì)者或者離心機(jī)廠商快速經(jīng)濟(jì)地完成任務(wù)；

· 假如設(shè)計(jì)方同時(shí)承包了設(shè)備與建筑物，其經(jīng)濟(jì)性則值得進(jìn)一步推敲。

為了提高芯片良率，插入電路中緩沖器的數(shù)量為Nb，其值小于觸發(fā)器數(shù)量的1%.除了緩沖器的數(shù)量，緩沖器的平均大小在列Ab給出.文獻(xiàn)[10,11]在本文相同環(huán)境下實(shí)現(xiàn)后緩沖器面積增加為20.本文緩沖器面積增加的平均大小在列Ab給出，可知在同樣的ISCAS89仿真環(huán)境下，相比文獻(xiàn)[10,11]，本文以更小的面積損耗實(shí)現(xiàn)了良率提高.此外在TAU2013的仿真環(huán)境下也有同樣效果.通過(guò)緩沖器使用量的壓縮，最終得到緩沖器的面積小于文獻(xiàn)[10,11]中的面積.

圖 7-44 積木式結(jié)構(gòu)之二Fig.7-44 Case II of building-block structures

2）混合式

混合式是主軸支撐系統(tǒng)與第二級(jí)減速齒輪副結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)成為一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)部件，再另外增加一個(gè)獨(dú)立的傘齒輪減速器以進(jìn)行傳動(dòng)轉(zhuǎn)向，如圖7-45所示。

圖7 -45 混合式結(jié)構(gòu)Fig.7-45 Mixed structure

混合式的主要優(yōu)點(diǎn)是：將主軸上下部分的空間都空出來(lái)了，以便分別安裝匯電環(huán)和液壓旋轉(zhuǎn)接頭，或者供其他特別的用途；同時(shí)，也減小了減速器規(guī)模，將主軸與齒輪副放在一個(gè)部件內(nèi)，允許統(tǒng)一采用稀油潤(rùn)滑，改善了整個(gè)系統(tǒng)的潤(rùn)滑特別是冷卻功能，當(dāng)然也便于傘齒輪采用外購(gòu)齒輪或標(biāo)準(zhǔn)減速器；轉(zhuǎn)臺(tái)外圓可被設(shè)計(jì)為制動(dòng)器的制動(dòng)圓盤；整體性有所改善。

混合式的缺點(diǎn)是自行設(shè)計(jì)工作量大，成本高。

3）一體式

一體式結(jié)構(gòu)是指主軸系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)合二而一，設(shè)計(jì)成為一個(gè)綜合式轉(zhuǎn)臺(tái)，從而構(gòu)成了中傳動(dòng)布局。如圖7-46所示。

一體式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備整體性更好，便于維修；特別是大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造，乃是實(shí)現(xiàn)中傳動(dòng)布局的必然構(gòu)造。

圖7 -46 一體式結(jié)構(gòu)Fig.7-46 Integrated structure

7.5.2 上傳動(dòng)與下傳動(dòng)

上傳動(dòng)與下傳動(dòng)屬于大布局問(wèn)題，主要討論的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主機(jī)間相互位置的配置關(guān)系。

所謂上傳動(dòng)就是指臥式電動(dòng)機(jī)-減速器-換向裝置等機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于離心機(jī)主機(jī)室天花板以上（圖7-47），而下傳動(dòng)則是指它們位于離心機(jī)主機(jī)室下部的地下室內(nèi)（圖7-48）。這兩種布局方法一個(gè)在“天上”，一個(gè)在“地下”，完全不同。

上傳動(dòng)布局的主要優(yōu)點(diǎn)是：

· 實(shí)驗(yàn)室建筑物不需要地下室，減少了基建難度和成本；

· 電氣系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)位于干燥、通風(fēng)環(huán)境之中，便于維護(hù)管理；

· 適用于地下水位較高，空氣濕度大的地理環(huán)境。

主要缺點(diǎn)是：

· 主軸系統(tǒng)跨越地基與天花板之間，往往需要它們來(lái)共同支撐，使保證其同軸度的難度增大；

· 大型離心機(jī)的高度尺寸大，勢(shì)必進(jìn)一步造成主軸支撐距變長(zhǎng)，剛度變?nèi)酰?/p>

· 較重的電動(dòng)機(jī)和減速器不可能直接放在天花板上，因此通常需要通過(guò)一條長(zhǎng)長(zhǎng)的傳動(dòng)軸過(guò)渡，其同軸度不易保證，且使之扭轉(zhuǎn)剛度變差，不適用于載人離心機(jī)等需要快動(dòng)性的機(jī)型。

圖7 -47 上傳動(dòng)布局Fig.7-47 Top transmission layout

圖7 -48 下傳動(dòng)布局Fig.7-48 Under transmission layout

自然，對(duì)于大電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)來(lái)說(shuō)，由于電動(dòng)機(jī)十分笨重，只有下傳動(dòng)一種配置方法，不存在上傳動(dòng)的可能性。

此外，利弊權(quán)衡和離心機(jī)發(fā)展的動(dòng)向都顯示：

客觀上存在著由上傳動(dòng)向下傳動(dòng)方向發(fā)展的趨勢(shì)。該趨勢(shì)在第3章到第5章的結(jié)構(gòu)研究部分已經(jīng)逐漸闡述到了，但這個(gè)原則也并不是完全絕對(duì)的。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主機(jī)的相互關(guān)系，除了上、下傳動(dòng)之外，還有一種中傳動(dòng)配置法值得考慮，即機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)與離心機(jī)主機(jī)同居一室，既不需要地下室也可不需要借助天花板。

作為中型離心機(jī)來(lái)說(shuō)，大抵均可采用中傳動(dòng)配置法，就是大型離心機(jī)也可如此配置。這種情況下，對(duì)航空航天物體離心機(jī)來(lái)說(shuō)，由于加速度適中，風(fēng)阻問(wèn)題還不特別突出；但對(duì)大型土工離心機(jī)來(lái)說(shuō)，為減少風(fēng)阻，其措施不是必須為電動(dòng)機(jī)加裝整流罩（如圖 7-49所示），就是必須在功率設(shè)計(jì)中計(jì)入裸露電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置部分的風(fēng)阻功率。

圖7 -49 中傳動(dòng)布局Fig.7-49 Middle transmission layout

筆者還傾向于大型航空航天物體離心機(jī)也應(yīng)盡可能考慮中傳動(dòng)配置，以減少基建成本和地下室潮濕、維護(hù)管理不便等問(wèn)題。附帶的好處是：由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)不高和半徑較長(zhǎng)，實(shí)際上，靠近實(shí)驗(yàn)室中央的傳動(dòng)系統(tǒng)所增加的風(fēng)阻損失有限；而且還可以利用室內(nèi)風(fēng)速直接降溫，完全有可能拆除電動(dòng)機(jī)原配通風(fēng)機(jī)，使外觀更加簡(jiǎn)潔。

20世紀(jì)90年代，我們出口的一臺(tái)大型離心機(jī)已經(jīng)成功地做了這個(gè)嘗試。

同時(shí)，建議載人離心機(jī)不妨也向這個(gè)方向努力，其優(yōu)點(diǎn)還可增加一條，即可縮短主軸傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)剛性，結(jié)構(gòu)上至少可以減少一個(gè)聯(lián)軸器環(huán)節(jié)。

中傳動(dòng)配置的缺點(diǎn)是不能利用標(biāo)準(zhǔn)減速箱了，設(shè)計(jì)者必須同時(shí)具備主軸支撐和機(jī)械傳動(dòng)兩種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力；制造成本和研制周期都會(huì)增加。這種情況下，如果非要使用標(biāo)準(zhǔn)減速器，似乎也可參考圖7-49的辦法進(jìn)行搭建。

順便說(shuō)一句，不論何種配置，出于安全考慮，強(qiáng)烈建議離心機(jī)主機(jī)與檢測(cè)控制室不能處在同一平面上，不論保護(hù)墻如何之堅(jiān)固。

7.5.3 吊籃甩動(dòng)問(wèn)題

吊籃甩動(dòng)與否視情況而定，需要分類逐一進(jìn)行分析。

作為航空航天物體離心機(jī)來(lái)說(shuō)，因?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象都是結(jié)構(gòu)件，吊籃甩動(dòng)與否無(wú)關(guān)緊要，原則上不要求甩動(dòng)。

只有中型物體離心機(jī)因?yàn)椴捎萌斯ぐ徇\(yùn)試件進(jìn)行安裝，為創(chuàng)造一個(gè)安放平臺(tái)，可采用能轉(zhuǎn)動(dòng)90°的轉(zhuǎn)動(dòng)式吊籃，當(dāng)?shù)趸@平臺(tái)處于水平狀態(tài)時(shí)安裝試件；裝好以后再將吊籃平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)為垂直狀態(tài)，加以固定后再行運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)于大型物體離心機(jī)，試件安裝過(guò)程通常必須借助吊車幫助，采用固定式吊籃反而變得更為方便。如果有整流罩，只需打開上下整流罩，一次吊裝就可以完成安裝工序。

對(duì)于土工離心機(jī)和載人離心機(jī)，為了隨時(shí)按合成加速度方向定位，試件吊籃和座艙必須是可以自由甩動(dòng)的，而且運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)需固定。

由于載人離心機(jī)加速度較低，而航空航天物體離心機(jī)的試件吊籃不必甩動(dòng)，因此，它們的配重吊籃也就都不用甩動(dòng)了。載人離心機(jī)甚至連配重吊籃都可以不要，直接在轉(zhuǎn)臂配重端采用固定式配重加部分可移動(dòng)配重即可。

而物體離心機(jī)為了精確調(diào)配質(zhì)量和質(zhì)心，需要稍微復(fù)雜一些的配重設(shè)計(jì)，但都不需要甩動(dòng)，甚至可將轉(zhuǎn)臂延長(zhǎng)當(dāng)作配重吊籃。

唯有土工離心機(jī)的配重吊籃存在著固定與甩動(dòng)之分、之議。盡管許多土工離心機(jī)采用了固定配重也在正常工作，但筆者還是主張采用甩動(dòng)式配重吊籃較好，理由如下：

為進(jìn)行含水模型試驗(yàn)，土工離心機(jī)試件吊籃必須可以甩動(dòng)，以便使模型無(wú)論在靜止還是甩動(dòng)過(guò)程中都可以保持其原始形態(tài)。但甩動(dòng)過(guò)程受到轉(zhuǎn)軸摩擦和重力加速度的雙重影響。后者雖然只是區(qū)區(qū)一個(gè)g大小，理論上卻總是使得試驗(yàn)吊籃不可能被完全甩平，從而使吊籃擺動(dòng)半徑與轉(zhuǎn)臂中心線間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)遺留角α，如圖7-50所示。

圖 7-50 吊籃擺動(dòng)圖Fig.7-50 Basket swinging chart

圖中：r為擺動(dòng)軸半徑，mm；R為吊籃質(zhì)心擺動(dòng)半徑，mm；α為擺動(dòng)遺留角；e為擺動(dòng)遺留距，mm；Fg為吊籃自重，N；Fn為吊籃徑向力，N；Mf為摩擦力矩，N·m。

設(shè)吊籃質(zhì)量為m，擺動(dòng)軸摩擦系數(shù)為f，繞擺動(dòng)軸中心可建立如下力矩平衡方程：

其中系數(shù)c=f×r/R。

舉例：設(shè)f=0.1，r=130 mm，R=1 300 mm，n=300；則c=0.1×130/1300=0.01，α=0.764°，e=R×sinα=1 300×sin 0.764°=17.33 mm。

設(shè)吊籃質(zhì)量為5 000 kg，在300g加速度下，此擺動(dòng)遺距將造成對(duì)擺動(dòng)軸水平線向上的一個(gè)力矩為5000×300×17.33/10=2.6×105N·m。除與自重力矩抵消一小部分，約等于 5 000×10×1.3×cos 0.764°=0.65×105N·m 外，其余絕大部分被擺動(dòng)軸摩擦力矩傳遞給了轉(zhuǎn)臂，其大小為

此力矩對(duì)于轉(zhuǎn)臂受力是有利的，它減輕了轉(zhuǎn)臂自重的彎矩；但若轉(zhuǎn)臂兩端二吊籃力矩不能平衡，無(wú)疑對(duì)主軸系統(tǒng)造成了動(dòng)不平衡，如前所述，該不平衡僅靠處于轉(zhuǎn)臂中心線上的固定配重采取單面平衡法是不可能被消除掉的。

另外，離心機(jī)啟制動(dòng)過(guò)程中或運(yùn)轉(zhuǎn)加速度變化的時(shí)候，試件吊籃擺角的大小就會(huì)有不同的變化，此力矩也隨之改變。固定配重不可能適應(yīng)變化著的所有情況，因此，土工離心機(jī)采用雙擺動(dòng)吊籃是一個(gè)很科學(xué)的平衡方法。由于轉(zhuǎn)臂兩端各有一個(gè)擺動(dòng)吊籃，其擺動(dòng)角不論在任何轉(zhuǎn)數(shù)下都是相同的，它們對(duì)轉(zhuǎn)臂隨時(shí)都產(chǎn)生完全相同的兩個(gè)反向力矩。該力矩既改善了轉(zhuǎn)臂受力，又抵消了對(duì)主軸支承的附加載荷，從而大大提高了運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性及主軸軸承壽命，使離心機(jī)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

此外，雙擺動(dòng)吊籃必須與對(duì)稱轉(zhuǎn)臂相配合，個(gè)中道理不言自明。

從以上分析我們可以推斷，有些離心機(jī)轉(zhuǎn)臂一端為擺動(dòng)吊籃，另一端為固定配重，盡管轉(zhuǎn)臂上附加了移動(dòng)式配重系統(tǒng)，只要該系統(tǒng)進(jìn)行單面平衡的話，都不可能消除上述的力矩不平衡；包括它們都是在轉(zhuǎn)動(dòng)情況下進(jìn)行的平衡，均不能稱為動(dòng)平衡，只能稱之為轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的靜平衡，因?yàn)閯?dòng)平衡的核心是使力矩平衡或使力偶取得平衡。

茲將筆者對(duì)各類離心機(jī)吊籃連接方式的建議，歸納為表7-14。

表7 -14 各類離心機(jī)吊籃連接方式Table 7-14 Basket connection modes for each kind of centrifugal nacelle

7.5.4 對(duì)稱臂與不對(duì)稱臂

離心機(jī)設(shè)計(jì)半徑主要確定的是試驗(yàn)端半徑。試驗(yàn)端既定之后，配重端則可長(zhǎng)可短，形成了所謂對(duì)稱臂與不對(duì)稱臂之說(shuō)。其最大的考量點(diǎn)在于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和風(fēng)阻問(wèn)題，當(dāng)然，配重方案的考量也是一個(gè)因素。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與半徑平方成正比。配重端的集中質(zhì)量距轉(zhuǎn)動(dòng)中心越近其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，一般說(shuō)來(lái)，其風(fēng)阻也小一些，這是不對(duì)稱轉(zhuǎn)臂的優(yōu)點(diǎn)。但是配重臂短了，必須要增加配重的質(zhì)量，因此轉(zhuǎn)子總質(zhì)量將會(huì)增加，它的增量直接增加了主軸支撐的載荷而成為缺點(diǎn)。

因此，對(duì)于視轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為主要矛盾的載人離心機(jī)而言，不對(duì)稱臂轉(zhuǎn)臂應(yīng)該是不二的選擇。只有物體離心機(jī)才存在可選、可議之處。

前邊已經(jīng)討論過(guò)了土工離心機(jī)雙甩動(dòng)吊籃宜與對(duì)稱轉(zhuǎn)臂相配合的問(wèn)題，剩下的就是航空航天物體離心機(jī)與不采用雙甩動(dòng)吊籃的土工離心機(jī)要不要再?gòu)?qiáng)調(diào)對(duì)稱臂與不對(duì)稱臂了。其實(shí)這已經(jīng)是第二層次的選擇，見仁見智而已。筆者個(gè)人仍傾向于對(duì)稱臂，因?yàn)閷?duì)稱臂總質(zhì)量小，支撐系統(tǒng)負(fù)擔(dān)小，減小快速軸承的負(fù)擔(dān)對(duì)保證其壽命是有價(jià)值的。軸承雖小，成本也有限，可一旦損壞就意味著大拆大卸，比較下來(lái)還不如稍稍增加一點(diǎn)功率配置更合算一些；何況，還可以想辦法不讓它增加功率。比如筆者所有的離心機(jī)配重吊籃都與轉(zhuǎn)臂同高同形，形同轉(zhuǎn)臂的一截延長(zhǎng)段，轉(zhuǎn)臂呈扁平整流狀，風(fēng)阻甚小。就是說(shuō)，我們完全可以既利用其優(yōu)點(diǎn)又克服其缺點(diǎn)，達(dá)致兩全其美的結(jié)果。

因此，筆者傾向于：

· 載人離心機(jī)采取長(zhǎng)短臂整流結(jié)構(gòu)；

· 物體離心機(jī)采取等長(zhǎng)臂整流結(jié)構(gòu)。

7.5.5 大電機(jī)與小電機(jī)

所謂小電機(jī)就是采用臥式電動(dòng)機(jī)加機(jī)械減速和換向傳動(dòng)裝置的機(jī)電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，大電機(jī)即采用立式大扭矩電動(dòng)機(jī)直接連接主軸的驅(qū)動(dòng)方式（如圖7-51[20]）。

圖 7-51 AMST載人離心機(jī)大電機(jī)安裝過(guò)程Fig.7-51 AMST human centrifuge big-size motor installation process

對(duì)于物體離心機(jī)而言，應(yīng)該說(shuō)不存在必須采用大電動(dòng)機(jī)的理由，只有載人離心機(jī)由于強(qiáng)調(diào)提高機(jī)械系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度，于是取消一大串機(jī)械傳動(dòng)裝置將轉(zhuǎn)子與大電動(dòng)機(jī)直接相連接，既避免了齒輪、鍵、聯(lián)軸器間隙等非線性與弱剛度影響，又縮短了傳動(dòng)鏈，提高了整體剛性，才出現(xiàn)所謂大電動(dòng)機(jī)的方案。

現(xiàn)在分析一下大電動(dòng)機(jī)方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

· 優(yōu)點(diǎn)是肯定的。直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)管理簡(jiǎn)單，研制協(xié)作關(guān)系也簡(jiǎn)單；系統(tǒng)扭振剛度提高。

· 但是，大電動(dòng)機(jī)方式至少還得保留一個(gè)大扭矩聯(lián)軸器，用以連接電動(dòng)機(jī)與主軸。如果采用固定聯(lián)軸器，安裝調(diào)整起來(lái)就非常困難。如果采用彈性聯(lián)軸器，那還意味著沒有完全擺脫非線性環(huán)節(jié)，只能說(shuō)是部分解決了問(wèn)題。

可是代價(jià)并不小：

· 沒有了機(jī)械系統(tǒng)的減速比，也就沒有了可以減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和采用高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的可能性，這兩個(gè)因素意味著整機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將成平方增加。低速大電動(dòng)機(jī)和大扭矩聯(lián)軸器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都不小，與轉(zhuǎn)子慣量1∶1疊加在一起，必然大大增加驅(qū)動(dòng)功率。

· 功率和電流的增加意味著供電裝置、線路、變電所等一系列設(shè)施的投資，就是說(shuō)需要付出不小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

筆者沒有機(jī)會(huì)比較二者真正的技術(shù)經(jīng)濟(jì)，單從中國(guó)工程物理研究院結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所一號(hào)機(jī)改造情況可見一斑。這是一個(gè)大電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)改造為小電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的例子。原設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)功率1 000 kW的大電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)年久銹蝕，于世紀(jì)之交改造為993 kW、718 r/min的小電動(dòng)機(jī)加齒輪減速箱的系統(tǒng)。他們分解拆除了原來(lái)近50 t重的大電動(dòng)機(jī)，再安裝了一臺(tái)4.2 t重的減速器和輸出軸，再加上2 t橫梁等輔助設(shè)施，計(jì)入新電動(dòng)機(jī)和電機(jī)座等重量時(shí)，總重量不足原一只電動(dòng)機(jī)重量之半[21]，這些還不算原來(lái)所配置的交流電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)動(dòng)機(jī)組等供電調(diào)速部分（如果是的話）?？梢姡瑔螁沃亓恐脫Q就有如此之大的差別，他們大換小的理由肯定是經(jīng)過(guò)論證的。如果大電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性更好的話，換個(gè)電動(dòng)機(jī)豈不更方便，何必費(fèi)力去改造系統(tǒng)？

實(shí)際上，當(dāng)今世界就載人離心機(jī)來(lái)說(shuō)，也是大電機(jī)和小電機(jī)方案并存不悖；就數(shù)量而言，小電機(jī)還偏多一些，說(shuō)明技術(shù)上它們都能達(dá)到同樣的水平，關(guān)鍵是要在經(jīng)濟(jì)性、可行性和維護(hù)管理上作比較，當(dāng)然設(shè)計(jì)者的習(xí)慣和協(xié)作關(guān)系等也在決定因素之列。

7.5.6 液壓傳動(dòng)與電氣傳動(dòng)

前已述及，離心機(jī)驅(qū)動(dòng)采用液壓系統(tǒng)的也不少。如果單從維護(hù)管理角度出發(fā)，液壓系統(tǒng)可被一票否決；可如果從體積小巧出發(fā)，電氣系統(tǒng)又會(huì)被否決。比如筆者所在單位研制的特大型載人離心機(jī)，要將16臺(tái)300 kW執(zhí)行部件耦合到直徑5 400 mm的轉(zhuǎn)臺(tái)上，只有液壓馬達(dá)做得到。

超載能力也是一個(gè)考慮點(diǎn)，特別是啟動(dòng)瞬間的力矩與功率能不能達(dá)到要求很關(guān)鍵，這里主要指的是載人離心機(jī)。

此外，還與設(shè)計(jì)者對(duì)于技術(shù)的熟悉程度以及與什么協(xié)作廠商合作也有關(guān)系。包括大電動(dòng)機(jī)方案在內(nèi)，比如原蘇聯(lián)TsF-18載人離心機(jī)是ASEA公司研制的，該公司本身就是大型發(fā)電站、送配電專業(yè)設(shè)備制造公司，他們采用大電機(jī)方案順理成章。而熟悉液壓技術(shù)的其他歐洲公司，使用液壓驅(qū)動(dòng)的就多了，他們自然都會(huì)揚(yáng)長(zhǎng)避短，同時(shí)也盡量使肥水不流外人田。

總之，在這個(gè)問(wèn)題的決策上，除了前邊提到的致命之處外，更多的是因人而異，見仁見智。

客觀上，目前還是以電氣驅(qū)動(dòng)為主，尤其在國(guó)內(nèi)。

7.5.7 匯電環(huán)走線

匯電環(huán)是離心機(jī)不可或缺的重要部件之一，通常被安排在主軸的上部，為的是環(huán)境清潔、空氣干燥、可以保持滑環(huán)與電刷的良好接觸以及環(huán)境絕緣，通過(guò)上走線與測(cè)控室比較接近，線纜可直接經(jīng)天花板進(jìn)入檢測(cè)室，如圖7-43和圖7-47所示。

如果主機(jī)室中央有徑向貫通的吊車或者建筑物沒有天花板層，也不愿意搭固定支架時(shí)，纜線就要向下進(jìn)入地溝，使實(shí)驗(yàn)室上部空間顯得干凈利落一些，如圖7-46所示。

匯電環(huán)部件無(wú)論滑環(huán)還是電刷，只要二者產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)都可以正常工作。因此，無(wú)論纜線上行還是下行，只要為它們建立起固定和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)聯(lián)接環(huán)節(jié)才是主要任務(wù)。當(dāng)然，同時(shí)使匯電環(huán)部件與主軸間具有良好的安裝關(guān)系與同軸度也是必須的；但是，在某些困難情況下，也可以在確保匯電環(huán)部件可靠固定，保證其具有基本剛性及與離心機(jī)主軸具有一定的同軸度條件下，采用撥動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)系，就像機(jī)床撥盤裝置一樣，只要避免其產(chǎn)生大的晃動(dòng)與振動(dòng)即可。筆者在處理液壓旋轉(zhuǎn)接頭部件時(shí)，已經(jīng)采用過(guò)后面這種方法，順利地將匯電環(huán)部件與液壓接頭部件成功地安置在離心機(jī)主軸的同一端。

當(dāng)然正常情況下，匯電環(huán)部件與液壓旋轉(zhuǎn)接頭不要裝在同一端，后者最好裝在主軸的下端，一方面便于與其配套的油源或氣源靠近，同時(shí)也避免了維修時(shí)對(duì)匯電環(huán)的污染。

7.6 離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室建筑物與離心機(jī)正常運(yùn)行及其日常維護(hù)、使用有著密切關(guān)系，它們統(tǒng)一構(gòu)成了一個(gè)相互影響的整體。在滿足主機(jī)和輔助設(shè)備配置與安裝基本要求外，離心機(jī)設(shè)計(jì)者需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室提出自己的必要要求，與土建設(shè)計(jì)者共同合作完成任務(wù)。

規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室需要考慮的基本原則是：

1）安全原則。保證規(guī)定事故模態(tài)下的圍墻、地基及建筑結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外人員的絕對(duì)安全，包括實(shí)驗(yàn)室門窗的堅(jiān)固程度與聯(lián)鎖保護(hù)措施等；

2）受力原則。確保設(shè)備基礎(chǔ)及地腳螺栓在規(guī)定事故狀態(tài)下的承力安全性，且具有良好的動(dòng)態(tài)特性；

3）使用原則。應(yīng)方便試件裝卸，便于試驗(yàn)觀察，顧及設(shè)備維修；

4）整流原則。安排合理的實(shí)驗(yàn)室空間尺寸、配置、內(nèi)形及表面粗糙度；

5）散熱原則。保證必要的室空及適當(dāng)?shù)臒嵫h(huán)通路或散熱措施；

6）降噪原則?？紤]吸收或隔離機(jī)械噪聲與氣動(dòng)噪聲。

以上設(shè)計(jì)原則也不是一成不變，可因離心機(jī)種類不同而有所側(cè)重，如：

· 對(duì)加速度不高的載人離心機(jī)，使用原則中特別應(yīng)將緊急情況下快速接近座艙位置列入首位；

· 航空航天離心機(jī)則安全原則與使用原則并列；

· 土工離心機(jī)以安全、整流與散熱最為重要。

7.6.1 實(shí)驗(yàn)室構(gòu)形

根據(jù)前述設(shè)計(jì)原則，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同離心機(jī)，提出如下實(shí)驗(yàn)室基本構(gòu)形與尺寸建議，僅供參考。

1）離心機(jī)主機(jī)最好置于圓形半地下室內(nèi)，地坑高度大于轉(zhuǎn)子總高度；鋼筋混凝土圍墻的最小厚度對(duì)于大型土工離心機(jī)來(lái)說(shuō)約為1 m（耐沖擊能量約達(dá)107J[22]），載人離心機(jī)可減半，航空航天物體離心機(jī)折中處理。

2）主機(jī)坑直徑由使用維修最小空間尺寸，計(jì)入適當(dāng)?shù)奈磥?lái)擴(kuò)大使用預(yù)留量，考慮總功率大小及功率儲(chǔ)備等情況而決定，一般在離心機(jī)最大半徑上再加0.5～1.0 m。

3）對(duì)于高大的土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室，為加快主機(jī)室風(fēng)速和部分隔離氣動(dòng)噪聲，可為主機(jī)地坑預(yù)制鋼筋混凝土頂蓋。頂蓋須與建筑物牢固結(jié)合，且預(yù)留人員、試件及轉(zhuǎn)子整體起吊時(shí)的窗口并加蓋長(zhǎng)方形鋼制活動(dòng)蓋板，以供多次裝拆并利于散熱。

4）土工離心機(jī)地坑與頂蓋形成的封閉空間，其高度尺寸主要取決于溫升及散熱設(shè)計(jì)。建議利用離心機(jī)的鼓風(fēng)功能，在頂蓋中央開圓形進(jìn)風(fēng)口，地坑圍墻靠近頂蓋圓周布置牢固可調(diào)的百葉窗出風(fēng)口若干，直接或通過(guò)暢通的排風(fēng)通道引出室外，以進(jìn)行自流式通風(fēng)散熱循環(huán)（參見圖7-52）。

5）對(duì)于非高大實(shí)驗(yàn)室，可采取圖7-49布局，其圓柱形小屋頂周圍即為進(jìn)風(fēng)口。

6）航空航天物體離心機(jī)和載人離心機(jī)不必加隔層或頂蓋，一般也不考慮熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，室空高度取決于吊車及實(shí)驗(yàn)室總體安排，可以安全實(shí)用美觀為主。

7）中型離心機(jī)最好采用中傳動(dòng)布局，盡量不要地下室，以節(jié)省土建投入。當(dāng)機(jī)器處于地面時(shí)，鋼筋混凝土圍墻厚度建議為0.5 m，墻外最好構(gòu)筑高于設(shè)備高度、寬度大于1.5 m的填土圍圈，以作為保護(hù)層的同時(shí)進(jìn)行綠化。

8）中型土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室一般不考慮散熱問(wèn)題，需要時(shí)與大型離心機(jī)同樣處理之。

9）不論任何離心機(jī)，只要主機(jī)位于地面，實(shí)驗(yàn)室必須具有堅(jiān)固的向外開啟的鋼結(jié)構(gòu)大門；大門內(nèi)表面最好為圓弧，與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)墻相吻合。

7.6.2 實(shí)驗(yàn)室溫升

實(shí)驗(yàn)室溫升設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是土工離心機(jī)主機(jī)室；航空航天物體離心機(jī)和載人離心機(jī)由于加速度相對(duì)較低，運(yùn)行時(shí)間較短，且實(shí)驗(yàn)室高大，一般毋需考慮溫升問(wèn)題。

假定離心機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)以后，驅(qū)動(dòng)功率最終將全部轉(zhuǎn)換為熱量，并首先加熱室內(nèi)空氣。其溫升及換氣量可按式(7-69)～式(7-70)粗略估算。

1）溫升

式中：Q為熱量，kW；N為功率，kW；Δt為空氣溫升，℃/s；m為空氣質(zhì)量，kg；V為空氣體積，m3；ρ為干空氣平均密度，1.29 kg/m3；c為空氣比熱容，1.03 kJ/(kg·℃)。

2）換氣量

式中：G為每秒換氣量，kg/s；tp為排出空氣溫度，℃；tj為進(jìn)入空氣溫度，℃。

圖 7-52[23]可以作為一個(gè)大型土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)形的實(shí)例。

圖7 -52 LXJ-4-450土工離心機(jī)及其實(shí)驗(yàn)室布局Fig.7-52 LXJ-4-450 geotechnical centrifuge and its laboratory layout

LXJ-4-450土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)三層式構(gòu)造：電動(dòng)機(jī)和長(zhǎng)傳動(dòng)軸、傘齒輪減速器位于地下室，屬于下傳動(dòng)方式；離心機(jī)主機(jī)被置于半地下室，并用厚鋼筋水泥圍墻擋護(hù)；主機(jī)室轉(zhuǎn)臺(tái)附近的地面設(shè)人員出入口（未繪出），由地下室可進(jìn)入主機(jī)室，同時(shí)也可作為地下室與主機(jī)室的通風(fēng)口，需要時(shí)可以連通；地下室還有潤(rùn)滑油源和制動(dòng)用阻抗器，并另設(shè)獨(dú)立通風(fēng)通道（12）；主機(jī)坑上方加以鋼筋混凝土頂層，中央為貫穿機(jī)坑直徑的活動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)蓋板，以備安裝維修設(shè)備之用；頂層內(nèi)形成半封閉空間和自流式循環(huán)通風(fēng)體系；頂蓋上表面與模型制作間取平，可共用一部吊車，通過(guò)頂蓋安裝孔（未畫出）采用一次吊裝的過(guò)程實(shí)現(xiàn)模型裝卸作業(yè)；頂蓋中央固定著匯電環(huán)部件，其上欄桿所維護(hù)的就是中央敞開式進(jìn)風(fēng)口，機(jī)坑壁的上部圓周部分分布著一系列百葉窗，作為出風(fēng)口和排風(fēng)通道（11）；供電裝置位于地下室上層的電氣室，環(huán)境干燥、明亮，便于維修管理，連接纜線也比較短；控制室與檢測(cè)室則處于地平面以上的稍遠(yuǎn)處，以減少噪音和電氣干擾。

主機(jī)室為水磨石地面，四角圓滑過(guò)渡，墻壁刷耐磨漆。

7.6.3 設(shè)備基礎(chǔ)

設(shè)備基礎(chǔ)不僅是使設(shè)備處于正確空間位置的基準(zhǔn)，還是設(shè)備的根基，與設(shè)備、填土層等共同構(gòu)成基組，保證設(shè)備安全受力和整體尺寸的穩(wěn)定性，以維持設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。

土工離心機(jī)質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高、擾力大，是離心機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)中最需要關(guān)注的機(jī)型。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)它的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供如下基本要求，僅供參考：

1）除提供設(shè)備機(jī)電安裝總圖以外，特別要提供主機(jī)和其他配套設(shè)備的底座形狀及其尺寸，地腳螺栓布置圖，管道、線纜溝、穿孔等位置與尺寸。

2）提供主機(jī)及輔助設(shè)備基礎(chǔ)受力圖表，包括自重、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率以及正常運(yùn)轉(zhuǎn)及事故狀態(tài)下的力、力矩和扭矩等。

3）要求主機(jī)動(dòng)力基礎(chǔ)與建筑物基礎(chǔ)分開，以減少房屋的振動(dòng)水平。

4）基組總重心與基礎(chǔ)底面形心應(yīng)處在同一條z軸上，誤差不大于2%的基底長(zhǎng)。

5）對(duì)于框架式基礎(chǔ)，豎向振動(dòng)線位移的允許值參考低速電動(dòng)機(jī)（＜500 r/min）可為0.16 mm[24]。

6）基礎(chǔ)固有頻率需與主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率錯(cuò)開，最好大于主機(jī)頻率25%以上。

7）主機(jī)地腳螺栓最好采用預(yù)埋方式，并提供準(zhǔn)確尺寸及其公差。

此外，補(bǔ)充說(shuō)明如下：土工離心機(jī)轉(zhuǎn)子重達(dá)數(shù)十噸，遠(yuǎn)大于一般主軸轉(zhuǎn)架的質(zhì)量，也大于包含機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)部件質(zhì)量，放在地面本身就可能已經(jīng)是重心偏高、頭重腳輕了，轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)如果沒有沉重的基礎(chǔ)與之相匹配，在擾力作用下是非常不穩(wěn)定的，所以基礎(chǔ)的重量也是很重要的一個(gè)方面。根據(jù)文獻(xiàn)[25]，對(duì)于重心較高的立車和插床，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)要求其基礎(chǔ)重量為設(shè)備與工件總重量的1.5～1.7倍。因?yàn)殡x心機(jī)的重心高，轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量大，建議其基礎(chǔ)重量至少應(yīng)為設(shè)備總重量的 2倍以上為宜。在同一本手冊(cè)里，對(duì)于轉(zhuǎn)速小于 500 r/min的旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)，允許的水平振幅為0.2 mm。

另，載人離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一般在1 Hz以下，大型航空航天離心機(jī)為2 Hz左右，土工離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一般在3.5～4 Hz上下，而一般實(shí)驗(yàn)室建筑物的自振頻率約為1～4 Hz。因此，基礎(chǔ)必須彼此分開，頻率也要注意錯(cuò)開。

動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在基礎(chǔ)重量、振幅、固有頻率三者之間應(yīng)該相互驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化。

（第7章終，未完待續(xù)）

（References）

[20]AMST公司.Product overview[EB/OL].[2011-04-15].http：// www.amst.co.at/

[21]李榮林, 洪建忠.1號(hào)離心機(jī)改造——主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]//2002年度中國(guó)宇航學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與環(huán)境工程專業(yè)委員會(huì)暨航天第十情報(bào)網(wǎng)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集

[22]Turner P.Geotechnical centrifuges[EB/OL].[2011-04-15].http：//www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/centri fuges/index.htm

[23]朱思哲.土工離心模型試驗(yàn)室土建工程建置報(bào)告,“七五”國(guó)家科技攻關(guān)技術(shù)報(bào)告(合同編號(hào) 1-7-3-1)[R],1990-12

[24]GB 50040—96，動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S], 1996

[25]第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究總院.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京： 中國(guó)建筑科學(xué)出版社, 1983