賈普照

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029）

引言

當(dāng)我們布局離心機(jī)總體方案的時(shí)候，勢必要兼顧到各主要部件與其他分系統(tǒng)方案，即總體設(shè)計(jì)與部件方案設(shè)計(jì)基本是同時(shí)并舉，不會(huì)截然分開的。因?yàn)橛袝r(shí)不排除部件方案反過來影響到總體設(shè)計(jì)，因此，總體設(shè)計(jì)與部件方案設(shè)計(jì)始終是相輔相成關(guān)系。當(dāng)總體方案及部件方案既定之后，部件及分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)也將提上日程。

離心機(jī)部件設(shè)計(jì)所研究的對象雖歸屬于各部件或分系統(tǒng)，但也有著宏觀與微觀之分。比如部件結(jié)構(gòu)構(gòu)型及分系統(tǒng)方案就可劃為宏觀方面——它與總體設(shè)計(jì)的關(guān)系比較密切，依然是我們的研究重點(diǎn)；與前者相比，各部件和分系統(tǒng)個(gè)性與細(xì)節(jié)問題就屬微觀范疇了。

在研究離心機(jī)各部件及分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們依然以歷史或現(xiàn)實(shí)所呈現(xiàn)的各種具體方案或構(gòu)造為主，不會(huì)涉及一般的專業(yè)技術(shù)或分析計(jì)算。因?yàn)榍罢哒侨藗冹`活應(yīng)用各種技術(shù)手段，沉積于離心機(jī)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)與積累，具有其獨(dú)特性并秉持成功應(yīng)用（或失?。┑膶傩?，它們正是相應(yīng)專著所應(yīng)研究的主要內(nèi)容。如此，結(jié)構(gòu)圖或原理圖自然就成為最形象的范例了。為集中系統(tǒng)地分析比較它們，勢必需要?dú)w納羅列具有代表性的一些資料，包括散見于各章各節(jié)內(nèi)的有關(guān)部分，并分門別類地從另外的角

8.1.1.1 桁架結(jié)構(gòu)

8.1.1.2 框架結(jié)構(gòu)度去介紹或評價(jià)它們。

8.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)臂

轉(zhuǎn)臂是離心機(jī)轉(zhuǎn)子的基本構(gòu)件，是吊籃安裝的根基，它與試件吊籃或配重部分共同組成轉(zhuǎn)子的平衡體系；轉(zhuǎn)臂也是構(gòu)成離心機(jī)主要幾何參數(shù)——設(shè)計(jì)半徑的重要構(gòu)件；它與主軸系統(tǒng)聯(lián)合在一起成為離心機(jī)最主要的承力部件。以上這幾個(gè)功能與要求決定了轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)必然兼具細(xì)長而強(qiáng)固的雙重特點(diǎn)。

離心機(jī)轉(zhuǎn)臂在靜止?fàn)顟B(tài)下是以彎矩為主要荷載的懸臂梁，轉(zhuǎn)臂根部危險(xiǎn)截面上部為拉應(yīng)力區(qū)，下部為壓應(yīng)力區(qū)；運(yùn)轉(zhuǎn)起來后離心力轉(zhuǎn)變成主要載荷，轉(zhuǎn)臂受力狀態(tài)由梁轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓧U。對于不同離心機(jī)，由于端部質(zhì)量與加速度的不同，危險(xiǎn)截面上離心拉應(yīng)力與彎曲拉應(yīng)力之比也不盡相同。對于物體離心機(jī)來說轉(zhuǎn)臂主要是承拉構(gòu)件，而載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臂大致為拉、彎相當(dāng)?shù)臉?gòu)件。但不管哪一種轉(zhuǎn)臂，其截面強(qiáng)度均是以拉伸與彎曲二者拉應(yīng)力之和進(jìn)行計(jì)算的。

離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的整體構(gòu)型根據(jù)結(jié)構(gòu)高長之比可分為高轉(zhuǎn)臂型與低轉(zhuǎn)臂型兩類；根據(jù)外形相對于旋轉(zhuǎn)中心線是否對稱可分為對稱轉(zhuǎn)臂與不對稱轉(zhuǎn)臂兩類；就剛度而言又分為不等剛度、等剛度與變剛度轉(zhuǎn)臂等；絕大多數(shù)的轉(zhuǎn)臂與主軸支撐系統(tǒng)為剛性連接，但也有鉸連接的情況，分為固定式轉(zhuǎn)臂與活動(dòng)轉(zhuǎn)臂。后者就垂直面而言可為擺動(dòng)式（天平式）轉(zhuǎn)臂，或相對于臂中心線而言為自旋式轉(zhuǎn)臂等等。

離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，從集成方式看主要分為裝配式與焊接式兩類：由鍛造實(shí)桿、鋼帶等作為主承力件時(shí)，限于工藝等原因需要裝配成形；由其他軋制型鋼構(gòu)成桁架、框架、箱形等結(jié)構(gòu)時(shí)就可采用焊接成形。因此如果從結(jié)構(gòu)、用材、工藝等不同排列組合細(xì)分下去，就愈加琳瑯滿目了。

鑒于離心機(jī)轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)構(gòu)型具有特殊性，而整體構(gòu)型具有普適性，即幾乎每一種結(jié)構(gòu)構(gòu)型都有可能構(gòu)建出不同的整體構(gòu)型來，比如桁架式轉(zhuǎn)臂既可構(gòu)建為對稱轉(zhuǎn)臂也可構(gòu)建不對稱轉(zhuǎn)臂等等，筆者準(zhǔn)備以轉(zhuǎn)臂的整體構(gòu)型為主線來進(jìn)行闡述。

8.1.1 高轉(zhuǎn)臂構(gòu)型

高轉(zhuǎn)臂構(gòu)型的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)臂高于試件吊籃，至少與之相當(dāng)，設(shè)計(jì)者將轉(zhuǎn)臂當(dāng)作主要受力構(gòu)件處理。通常桁架臂與框架臂都屬于高轉(zhuǎn)臂構(gòu)型，被應(yīng)用在加速度不太高的離心機(jī)上。

8.1.1.1 桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的歷史源遠(yuǎn)流長，大抵緣自其比較適合于懸臂梁的特點(diǎn)，而最早的采用首先見諸載人離心機(jī)。作為載人離心機(jī)，因其轉(zhuǎn)臂半徑較長，座艙尺寸和質(zhì)量較大，徑向加速度數(shù)值不高，根部彎矩相對較大，受力形式更接近于梁，于是從最早的鼻祖機(jī)到最近的載人離心機(jī)都采用了桁架式轉(zhuǎn)臂。早者如本文概述部分已經(jīng)介紹過的1941年出現(xiàn)的“同盟國”第一臺載人離心機(jī)，現(xiàn)示于圖8-1。

圖 8-1 同盟國第一臺載人離心機(jī)Fig.8-1 First Ally manned centrifuge

早產(chǎn)的這臺離心機(jī)先天不足，存在不少問題，采用不平衡不對稱桁架機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂僅此一例。

讓我們探討一下它的問題：該轉(zhuǎn)子被固定在旁置臂端的主軸支撐系統(tǒng)上，它不僅不對稱，而且還沒有明顯的配重部分，主軸呈偏載態(tài)。座艙支點(diǎn)也被安置在轉(zhuǎn)臂最下端，整個(gè)轉(zhuǎn)子無論繞主軸還是相對于轉(zhuǎn)臂水平中心線，上下左右都處在質(zhì)量不對稱、動(dòng)靜不平衡的狀態(tài)。加上細(xì)而長的主軸，盡管頂天立地扎根于天花板與地基之間，但可想象，一旦旋轉(zhuǎn)起來必然晃晃悠悠，估計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度高不到哪里，尚且具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。看起來，這臺離心機(jī)的設(shè)計(jì)者當(dāng)時(shí)還未掌握到轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的“三昧”，只是簡單地將各個(gè)功能件搭建起來了。

同期，美國著名的 Mayo Clinic（梅奧診所）研究抗荷服所使用的載人離心機(jī)就出色多了，如圖8-2所示[1]。與上例不同的是它采用了對稱式轉(zhuǎn)臂，座艙（籠子）也放在轉(zhuǎn)臂中心線上，轉(zhuǎn)子的平衡得以極大改善。為了增強(qiáng)主軸剛性，將轉(zhuǎn)子高度擴(kuò)大至頂天立地的程度，主軸的橫向也伸出一大塊，為的是利用斜撐加強(qiáng)轉(zhuǎn)臂。在轉(zhuǎn)子底部鋪以鋼板，使轉(zhuǎn)子變成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)大舞臺?？傊?，好是好了，然而顯得不夠輕巧。

圖 8-2 Mayo Clinic研究抗荷服使用的離心機(jī)Fig.8-2 Mayo Clinic centrifuge for study of the use of anti-G suit

以上二機(jī)說明，當(dāng)時(shí)載人離心機(jī)一開始就是對稱臂與不對稱臂并蒂而現(xiàn)。但筆者估計(jì)該不對稱轉(zhuǎn)臂的出現(xiàn)偶然性較大，不一定是緣于加速度增長率的考慮，因?yàn)槟菚r(shí)戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動(dòng)性尚不太高，建造離心機(jī)的主要目的只是為取得穩(wěn)態(tài)加速度而已。

由于對稱轉(zhuǎn)臂的穩(wěn)定性使對稱臂載人離心機(jī)在英美流行了相當(dāng)一段時(shí)間，比如圖8-3所示而第4章已介紹過的NASA 20g載人離心機(jī)也是一例。該轉(zhuǎn)臂采用角鋼焊接而成，它除維持頂天立地的高對稱式桁架臂外，其他部分也有所改進(jìn)：其一是將兩端完全對稱起來，轉(zhuǎn)子平衡得以進(jìn)一步改善；其二是沒有了大舞臺的樣子，顯得輕巧多了。

圖 8-3 NASA 20 g離心機(jī)Fig.8-3 NASA 20 g centrifuge

圖8-4為英國QinetiQ's公司的載人離心機(jī)[2]，基本構(gòu)型同上，但轉(zhuǎn)子高度相對于屋子已有所降低，且將座艙與轉(zhuǎn)臂分開來，架在轉(zhuǎn)臂水平對稱面上，似可擺動(dòng)。該機(jī)不僅處理了平衡而且注意到風(fēng)阻問題，桁架臂采用了圓管焊接，座艙外形也刻意予以整流，外觀顯得漂亮了許多。

圖 8-4 英國QinetiQ's公司載人離心機(jī)Fig.8-4 British company QinetiQ's human centrifuge

桁架式轉(zhuǎn)臂除被載人離心機(jī)采用之外，少數(shù)物體離心機(jī)也曾采用過。例如圖 8-5所示的就是NASA Goddard中心現(xiàn)已停止使用的大型桁架式對稱臂物體離心機(jī)[3]，該機(jī)轉(zhuǎn)子像是板式或空心型鋼的焊接結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子半徑長120 ft（36.576 m）、重50萬 pound（2.268×105kg），可使 5 000 pound（約2 268 kg）有效載荷加速到30g；具有三自由度夾具，供試件安裝或定位于不同的角度與高度用。該離心機(jī)的載荷容量雖然并不太大，但結(jié)構(gòu)看起來強(qiáng)勁有力，敦實(shí)有余。

圖 8-5 NASA大型板條桁架式物體離心機(jī)Fig.8-5 NASA large-scale lath truss type object centrifuge

轉(zhuǎn)子平衡除采用對稱臂構(gòu)型之外，還有沒有其他辦法？于1959年開始研制、1962年使用的北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所第一代中型物體離心機(jī)也采用了桁架式轉(zhuǎn)臂，而且還是不對稱的板條結(jié)構(gòu)桁架式轉(zhuǎn)臂，如圖8-6所示 。

圖 8-6 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究第一代中型離心機(jī)Fig.8-6 BISEE’s first-generation medium-sized centrifuge

這是一臺不對稱臂依靠配重的方法取得轉(zhuǎn)子平衡的離心機(jī)。不對稱轉(zhuǎn)臂的采用可能是想減少一些風(fēng)阻，可是相對較大的配重吊籃以及板式結(jié)構(gòu)又使得風(fēng)阻縮減有限。此外，采用鋁制吊籃的根據(jù)也不足，鑄鋁件還會(huì)埋下強(qiáng)度隱患。總之，該設(shè)計(jì)也許顯得稚嫩，說明當(dāng)時(shí)對離心機(jī)整體構(gòu)型及部件間關(guān)系尚缺乏深入研究。隨后的改進(jìn)設(shè)計(jì)在克服某些缺陷上有所進(jìn)步，但該機(jī)最大貢獻(xiàn)在于用事實(shí)證明了不對稱轉(zhuǎn)臂通過配重方法可以取得轉(zhuǎn)子平衡，成為質(zhì)徑積平衡原理在離心機(jī)轉(zhuǎn)子上得以實(shí)現(xiàn)的實(shí)例；而曾經(jīng)有所顧忌的風(fēng)阻不平衡等問題并未發(fā)現(xiàn)有多大影響。

圖8-7可以作為處理不對稱轉(zhuǎn)臂另一思路的例子，那就是美國NASA Ames研究中心半徑為30 ft（9.144 m）的五自由度運(yùn)動(dòng)模擬器[4]，于1961年投入運(yùn)轉(zhuǎn)。其構(gòu)造非常有意思，雖然轉(zhuǎn)臂有一個(gè)配重端，但似乎又不足以有效平衡試驗(yàn)端，于是就在試驗(yàn)端附加了一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐系統(tǒng)，同時(shí)利用它還增加了上下方位的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成所謂五自由度離心機(jī)。其運(yùn)動(dòng)方式為：座艙俯仰±40°、滾轉(zhuǎn)±90°、偏航±70°，加上離心機(jī)在水平面內(nèi)的曲線運(yùn)動(dòng)以及沿垂直方向的上下移動(dòng)±1.75ft（±0.533 4 m），可以形成3個(gè)角位移加1個(gè)曲線位移及垂向直線位移所構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

圖 8-7 NASA Ames 中心五自由度運(yùn)動(dòng)模擬器Fig.8-7 NASA Ames 5-DOF motion simulator

不采用質(zhì)徑積平衡法，而類似在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)端提供垂直支撐，比如采用平滑的大直徑滾道構(gòu)建更大半徑離心機(jī)或用波形滾道為試驗(yàn)端附加垂直振動(dòng)等等的設(shè)想都曾出現(xiàn)過，但發(fā)展的結(jié)果仍然還是集中到對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡的思路上，并且實(shí)現(xiàn)了像前蘇聯(lián)巨型載人離心機(jī)那樣長的轉(zhuǎn)臂以及在試驗(yàn)端附加了各種振動(dòng)臺的離心機(jī)等等驕人結(jié)果。

對稱臂雖使轉(zhuǎn)子平衡得以改善，當(dāng)發(fā)展到長轉(zhuǎn)臂大載荷高性能載人離心機(jī)的時(shí)候，就出現(xiàn)了更多的不對稱轉(zhuǎn)臂離心機(jī)，比如圖8-8[5]和圖8-9[6]等均為20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)在美國NADC的動(dòng)態(tài)飛行模擬器，它們都有不對稱的桁架式轉(zhuǎn)臂。此時(shí)觀察該不對稱轉(zhuǎn)臂的選擇，應(yīng)該理解為已是基于理性分析后的主動(dòng)為之：因?yàn)榧热皇莿?dòng)態(tài)飛行模擬器，對啟動(dòng)過程必然有加速度增長率要求。前已述及，不對稱轉(zhuǎn)臂的慣性功率損耗是相對較小的。

圖 8-8 美國NADC動(dòng)態(tài)飛行模擬器之一Fig.8-8 One of US NADC dynamic flight simulator

圖 8-9 美國NADC動(dòng)態(tài)飛行模擬器之二Fig.8-9 Another of US NADC dynamic flight simulator

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所于20世紀(jì)60年代末開始研制的半徑為10 m（三軸艙）和12 m（單軸艙）特大型物體-人體兩用離心機(jī)，也是采用的不對稱桁架式轉(zhuǎn)臂。該機(jī)的兩用特征正好證明了桁架式轉(zhuǎn)臂的適應(yīng)性，成為一物兩證的實(shí)例，即桁架式轉(zhuǎn)臂既可適用于載人離心機(jī)，也可適用于物體離心機(jī)，見圖8-10和圖8-11。

圖 8-10 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所12 m半徑單軸艙載人離心機(jī)Fig.8-10 BISEE single-axle cabin manned centrifuge of radius of 12 m

圖 8-11 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所10 m半徑三軸艙載人離心機(jī)Fig.8-11 BISEE three-axle cabin manned centrifuge of radius of 10 m

從圖 8-11中可以看到該不對稱轉(zhuǎn)臂的一端是固定式配重，另一端為試驗(yàn)艙。不論單軸艙還是雙軸艙都是供人進(jìn)行試驗(yàn)的艙體，當(dāng)需要對飛船例行試驗(yàn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)臂試驗(yàn)端采用了4個(gè)可拆卸的雙向螺旋接頭結(jié)構(gòu)，可分別與三軸艙、單軸艙或整船專用叉頭間換接。其中單軸艙叉頭為加長型，它使半徑又增長了2 m，螺旋接頭如圖8-12所示。

圖 8-12 轉(zhuǎn)臂雙向螺旋接頭Fig.8-12 Arm’s stud joints

雙向螺旋接頭的結(jié)構(gòu)非常簡單，與轉(zhuǎn)臂外觀也較統(tǒng)一，適于承受很大的拉力；但螺旋間隙可能會(huì)影響到轉(zhuǎn)臂的橫向剛性。當(dāng)需要提高轉(zhuǎn)臂固有頻率的時(shí)候，螺旋接頭是否會(huì)成為瓶頸，值得注意。

不對稱轉(zhuǎn)臂載人離心機(jī)比比皆是，下面又是一些不對稱桁架式轉(zhuǎn)臂載人離心機(jī)的例子：圖 8-13和圖8-14在第3章已經(jīng)介紹過，是前蘇聯(lián)的TsF-7載人離心機(jī)；圖8-15為法國Latecoere公司的載人離心機(jī)。

圖 8-13 前蘇聯(lián)TsF-7離心機(jī)外觀之一Fig.8-13 One of former USSR TsF-7 centrifuge

圖 8-14 前蘇聯(lián)TsF-7離心機(jī)外觀之二Fig.8-14 Another of former USSR TsF-7 centrifuge

圖 8-15 法國Latecoere公司載人離心機(jī)Fig.8-15 French Latecoere Corporation human centrifuge

最近幾年 AMST公司研制的不對稱桁架式載人離心機(jī)如圖8-16和圖8-17所示[7]。

圖 8-16 AMST 2006年為德國研制的載人離心機(jī)之一Fig.8-16 AMST’s first human centrifuges developed for Germany in 2006

圖 8-17 AMST 2006年為德國研制的載人離心機(jī)之二Fig.8-17 AMST another human centrifuge developed for Germany in 2006

AMST公司桁架轉(zhuǎn)臂的節(jié)點(diǎn)非常精致，如圖8-18所示。

圖 8-18 AMST載人離心機(jī)桁架轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)Fig.8-18 AMST human centrifuge girder arm node

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，離心機(jī)已由使用者單打獨(dú)斗自行研制逐漸過渡到商品化階段，商品化不僅使產(chǎn)品質(zhì)量得以保證，外觀也越來越漂亮了。

概括起來看，本節(jié)不僅研究了桁架式轉(zhuǎn)臂，同時(shí)也探討了對稱臂與不對稱臂的問題，總之：

· 桁架式轉(zhuǎn)臂連綿了近七十年而長盛不衰，說明它在離心機(jī)世界具有較好的適應(yīng)性。

· 桁架式轉(zhuǎn)臂雖然被少數(shù)物體離心機(jī)時(shí)有采用，但大多數(shù)皆為載人離心機(jī)所青睞。

· 轉(zhuǎn)臂桁架大部分采用圓管構(gòu)造。雖然板條或角鋼桁架的工藝性較好，可鉚可焊，但風(fēng)阻稍大，也不如圓管美觀。

· 圓管桁架需要解決好焊接節(jié)點(diǎn)問題。

· 不對稱轉(zhuǎn)臂是載人離心機(jī)轉(zhuǎn)子的正確構(gòu)型，從其發(fā)展進(jìn)程和數(shù)量多寡上也可得以佐證。歷史上最早出現(xiàn)的不對稱轉(zhuǎn)臂或許是偶然的，但隨著加速度增長率提高就走向理性與必然，理由可見功率設(shè)計(jì)部分。

· 桁架式轉(zhuǎn)臂的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、工藝性好，風(fēng)阻較小、毋需整流；不足是固有頻率較低，值得進(jìn)一步與其他構(gòu)型進(jìn)行比較研究。

8.1.1.2 框架結(jié)構(gòu)

框架式轉(zhuǎn)臂可能源于英國，從受力和設(shè)計(jì)難度上講它是最簡潔的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)了，簡單到可以沒有吊斗或吊籃部分，試件直接安裝在轉(zhuǎn)臂框架的徑向橫端即可。

框架轉(zhuǎn)臂的特點(diǎn)是以封閉的矩形框?yàn)榛緲?gòu)件，模型箱或配重直接安放在框架端梁上，使框架形成為一個(gè)閉合的受力構(gòu)件。如果高度不夠，沿著高度方向逐一疊加框架即可，如圖8-19和圖8-20劍橋大學(xué) CUED實(shí)驗(yàn)室 10 m土工離心機(jī)便是如此，它的最高加速度為155g。

圖8 -19 CUED 10 m土工離心機(jī)轉(zhuǎn)臂外觀Fig.8-19 CUED 10 m geotechnical centrifuge arm

該轉(zhuǎn)臂每一層框架采用4根斷面為400 mm×200 mm、長10 m的熱軋空心型鋼與端部橋式結(jié)構(gòu)焊接而成，高度方向上疊加了兩層。

圖 8-20 CUED 10 m土工離心機(jī)轉(zhuǎn)子外觀Fig.8-20 CUED 10 m geotechnical centrifuge rotor

與 CUED離心機(jī)前后出現(xiàn)的曼徹斯特大學(xué)西蒙實(shí)驗(yàn)室（SIMON）離心機(jī)轉(zhuǎn)臂也是框架臂，可看作是 CUED離心機(jī)的增高版，以適應(yīng)更高試件的試驗(yàn)需要，如圖8-21和圖8-22所示，其最高加速度為140g。

圖 8-21 SIMON離心機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.8-21 SIMON centrifuge

圖 8-22 SIMON離心機(jī)外觀Fig.8-22 SIMON centrifuge

后來因?yàn)橥凉つＰ驮囼?yàn)有時(shí)確實(shí)需要擺動(dòng)式吊籃，劍橋大學(xué)不得不在既有框架臂基礎(chǔ)上著手改進(jìn)?？紤]到增加擺動(dòng)吊籃仍須維持原端梁受力情況，就創(chuàng)造了一個(gè)扭力棒機(jī)構(gòu)來懸掛吊籃：當(dāng)?shù)趸@被甩平且達(dá)到一定受力狀態(tài)時(shí)，該機(jī)構(gòu)可使吊籃在徑向移動(dòng)并緊靠在端梁之上，試件吊籃的全部離心力最終還是交由端梁承受，其結(jié)構(gòu)見圖8-23所示。

圖 8-23 擺動(dòng)平臺與扭力棒Fig.8-23 Swinging platform and torsion bars

因?yàn)楹蠹拥臄[動(dòng)式吊籃只需承受幾個(gè)G的重力，同時(shí)也受原有空間限制，吊籃柔弱一點(diǎn)并不要緊，它僅僅是扮演一個(gè)容納模型箱且使模型箱自然轉(zhuǎn)換方向的角色而已。

隨著劍橋大學(xué)在離心模擬技術(shù)方面影響力的擴(kuò)散，也傳播到日本和意大利。從而不但引起框架式轉(zhuǎn)臂的推廣，同時(shí)也將原本屬于改進(jìn)設(shè)計(jì)者的一記急智妙著——扭力棒式試件吊籃作為拓展新產(chǎn)品的高招予以推行。例如日本港灣技術(shù)研究所（PHRI）本應(yīng)在重新設(shè)計(jì)離心機(jī)時(shí)理順?biāo)悸?，但卻全盤接受了劍橋經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)的僅僅是采用了更為強(qiáng)勁的扭力棒機(jī)構(gòu)和更為像樣的吊籃而已，結(jié)構(gòu)關(guān)系、承力原理等等并沒有任何變化，該機(jī)如圖8-24和圖8-25所示，其最高加速度為100g。

圖 8-24 PHRI土工離心機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.8-24 PHRI geotechnical centrifuge rotor structure

圖 8-25 PHRI土工離心機(jī)外觀Fig.8-25 PHRI geotechnical centrifuge

圖8-26是PHRI離心機(jī)的扭力棒結(jié)構(gòu)，看起來它已經(jīng)足夠強(qiáng)大了，更像是一個(gè)偏心軸結(jié)構(gòu)。

圖 8-26 PHRI土工離心機(jī)扭力棒結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)Fig.8-26 Details of PHRI geotechnical centrifuge structure of the torque bar

日本土木研究所（PWRI）土工離心機(jī)的轉(zhuǎn)臂也是框架臂，如圖8-27所示，它的有效半徑為6.6 m。如果與PHRI土工離心機(jī)有效半徑定義相同的話，指的是主軸中心線至吊籃平臺面的距離，減去模型高度的一半0.5 m，則設(shè)計(jì)半徑為6.1 m，對于模型高為1m的離心機(jī)來說應(yīng)該屬于“奢華”級，可惜加速度僅達(dá)到150g。

它的吊籃強(qiáng)大到可以安置一個(gè)400 kN推力的振動(dòng)臺，為此還為扭力棒結(jié)構(gòu)增加了一套液壓固緊裝置，可以說這臺離心機(jī)已經(jīng)把這種結(jié)構(gòu)發(fā)展到了極致。

圖8 -27 PWRI土工離心機(jī)外觀圖Fig.8-27 PWRI geotechnical centrifuge

日本離心機(jī)的框架已經(jīng)不再是一一疊加了，而是干脆構(gòu)成了一個(gè)立體的空間框架。

當(dāng)框架式轉(zhuǎn)臂被推廣到意大利，貝加摩（Berfamo）結(jié)構(gòu)和模型實(shí)驗(yàn)研究所 ISMES要用它構(gòu)建 600g離心機(jī)的時(shí)候，其結(jié)果可能使得框架式轉(zhuǎn)臂走到了盡頭。因?yàn)樵摍C(jī)從1982年開始研制，截至1998年時(shí)加速度才達(dá)到90g。關(guān)于這臺離心機(jī)的詳細(xì)分析請見第3章。

ISMES離心機(jī)的經(jīng)驗(yàn)值得重視。我們說：轉(zhuǎn)子受力狀態(tài)固然十分重要，殊不知對于高加速度轉(zhuǎn)子來說，更重要的卻是它的平衡問題。這也充分說明宏觀設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵：本來是一個(gè)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一旦決策欠妥，影響的不僅僅是局部，而是決定著整機(jī)的命運(yùn)。

以上諸事例說明：框架臂與扭力棒擺動(dòng)吊籃組合結(jié)構(gòu)離心機(jī)，其最高加速度大多在150g左右。能不能說這種模式一定做不到更高的加速度？筆者的回答只能是：構(gòu)建高加速度離心機(jī)時(shí)務(wù)請慎用，除非針對它的固有問題已經(jīng)有了解決之道。

總之，框架式轉(zhuǎn)臂的特點(diǎn)是：

1）減化了吊籃的鉸聯(lián)接，增大了轉(zhuǎn)子受力的安全性；

2）結(jié)構(gòu)簡單；

3）工藝性好；

4）風(fēng)阻較大；

5）吊籃甩平遺留角大，增加了轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡；

6）雖然框架轉(zhuǎn)子的高風(fēng)阻可以通過增加驅(qū)動(dòng)功率和實(shí)驗(yàn)室減壓兩個(gè)方法予以改善，但動(dòng)不平衡的解決則較為困難。因此，框架臂加扭力棒吊籃的組合轉(zhuǎn)子做得不好，的確有可能限制到離心機(jī)加速度的提升。

（未完待續(xù)）

（References）

[1]Dr.Earl Wood.A research physician’s innovations bore fruit in unexpected ways[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.tributes.com/show/Earl-Wood-85597585

[2]QinetiQ human centrifuge[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.flickr.com/photos/qinetiq/4926273438/in/photostream/

[3]Centrifuges[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.explainthatstuff.com/centrifuges.html

[4]NASA Ames Research Center.Ames 5 degrees- ofmotion simulator[EB/OL].[2011-07-22].http：//grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-001812.html

[5]US Navy[EB/OL].[20110722].http：//www.mjwhitederm.com/US_Navy.html

[6]Mercury astronauts at the NADC centrifuge[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.navairdevcen.org/astronauts/

[7]AMST 公司網(wǎng)站[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.amst.co.at