賈普照

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

第5章 中國離心機(jī)（續(xù)）

5.6 中國空間技術(shù)研究院離心機(jī)

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所40年的研制工作共涉及物體離心機(jī)、載人離心機(jī)和土工離心機(jī)3類，其中包括特大型、大型和中型離心機(jī)共計(jì) 8臺(tái)設(shè)備；另外審查指導(dǎo)了南京水利科學(xué)院光彈離心機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之起死回生，投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

需要說明的是，其中在20世紀(jì)90年代中期所出口的 2臺(tái)設(shè)備乃是成都航天工業(yè)烽火精密機(jī)械公司承接的任務(wù)，當(dāng)時(shí)該所研制隊(duì)伍已經(jīng)解體，筆者個(gè)人被聘去該公司主持突擊設(shè)計(jì)，在該公司組織下完成了研制任務(wù)。出于這種背景，也編入此節(jié)。

由中國科學(xué)院 581組到如今中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所（BISEE，Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering），歷經(jīng)一系列體制變換，單位名稱較多，為簡便計(jì)，統(tǒng)一按“北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所”代替前后不同名稱，只在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所成立之前，偶爾會(huì)采用當(dāng)時(shí)單位名，以區(qū)分時(shí)間段。

下面述及的設(shè)備，除技術(shù)性介紹，有條件增加一點(diǎn)背景和細(xì)節(jié)，記錄任務(wù)來龍去脈，反映研制技術(shù)發(fā)展和過程狀態(tài)，前者著重旁人看不到的技術(shù)思路與脈絡(luò)演變，后者結(jié)合歷史添加一些分析探討內(nèi)容及部分科技活動(dòng)點(diǎn)滴等，虛實(shí)結(jié)合并行闡述，按門類和時(shí)間順序逐一展開如下[23,24]。

5.6.1 物體離心機(jī)

為本單位（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）研制航天物體離心機(jī)是筆者進(jìn)入離心機(jī)研制史40年的開始，而為國外研制兩臺(tái)物體離心機(jī)卻是筆者離心機(jī)研制史的結(jié)束，可見物體離心機(jī)既是巧合于首尾呼應(yīng)，也是我們傾心傾力之所在。

5.6.1.1 第一代中型離心機(jī)和大型離心機(jī)

中國科學(xué)院 581組——科學(xué)院下設(shè)的一個(gè)“組”，名氣雖小，陣勢不小，課題前沿。1957年10月蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星上天，1958年毛主席提出“我們也要搞人造衛(wèi)星”的號(hào)召，當(dāng)年，中國科學(xué)院成立了由錢學(xué)森任組長，趙九章、衛(wèi)一清擔(dān)任副組長的1958年一號(hào)任務(wù)工作組，并在趙先生任所長的中國科學(xué)院地球物理研究所成立探空物理研究部，作為581組的活動(dòng)地及孵化地[25]。

“兵馬未動(dòng)，糧草先行?！毙羌磩?dòng)，環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備自然應(yīng)首先啟動(dòng)。1959年9月在大躍進(jìn)“大干快上”氛圍中，首次設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)半徑1.35 m、有效負(fù)載10 kg、最大加速度100 g、功率5 kW的部件級(jí)航天物體離心機(jī)。比我還早一、二年的幾位設(shè)計(jì)者，參照了汽車吊和國外照片以鋼板鉚接的三角形空間桁架作為轉(zhuǎn)臂，用鑄鋁件作為對稱吊籃，主軸支撐系統(tǒng)采用 4個(gè)滾子側(cè)向支撐著的轉(zhuǎn)盤以抗顛覆。不知何故，這個(gè)位于中央聯(lián)接轉(zhuǎn)臂和主軸的重要承力件也是一個(gè)鑄鋁件；轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個(gè)不對稱轉(zhuǎn)臂、對稱吊籃的構(gòu)型，吊籃雖可轉(zhuǎn)動(dòng)，但安裝試件以后需要旋轉(zhuǎn)90°到水平狀態(tài)并加以固定才可開車，因此還是屬于固定吊籃類型。

當(dāng)時(shí)，對于離心機(jī)設(shè)計(jì)，尚處于未入門階段。

1960年9月整星級(jí)大型離心機(jī)開始設(shè)計(jì)。根據(jù)當(dāng)時(shí)所規(guī)劃的衛(wèi)星對象，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：半徑5 m，有效負(fù)載100 kg，最高加速度100 g，功率125 kW。與中型離心機(jī)相比加速度雖相同，但半徑增大近4倍，負(fù)載增大10倍，功率增大25倍，規(guī)模顯著擴(kuò)大。由包括筆者在內(nèi)的一批剛出校門的新大學(xué)生擔(dān)綱設(shè)計(jì)，大家都是初出茅廬，上無專家指導(dǎo)，旁缺資料參考，唯一參照的就是第 2章提起的一張圖片。大家群策群力、集思廣益，按部件逐一剖析，苦思冥想圖片構(gòu)造，然后分工進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)臺(tái)部件遂從此延續(xù)為專業(yè)戶。眾人在大躍進(jìn)遺風(fēng)猶存時(shí)代，快馬加鞭加班加點(diǎn)，很快就完成全機(jī)設(shè)計(jì)，并于1961年5月與中型離心機(jī)一同投產(chǎn)，然后，兩臺(tái)機(jī)器又統(tǒng)由筆者負(fù)責(zé)下廠研制。

駐廠生產(chǎn)過程終于提供了思考與反芻時(shí)間，筆者首先對中型離心機(jī)進(jìn)行全面復(fù)核并抓緊進(jìn)行邊生產(chǎn)邊改進(jìn)設(shè)計(jì)。復(fù)核不僅僅針對圖紙尺寸，鋁制件促使從計(jì)算開始復(fù)核，這樣就導(dǎo)致一個(gè)人完整進(jìn)行了一次整機(jī)分析與計(jì)算過程，因而對物體離心機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其總體與部件關(guān)系有了一個(gè)全面的初步認(rèn)識(shí)：

1）發(fā)現(xiàn)物體離心機(jī)有效載荷主要與轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度或剛度直接相關(guān)，而與驅(qū)動(dòng)功率關(guān)系不大；

2）物體離心機(jī)影響驅(qū)動(dòng)功率的主要因素是風(fēng)阻，它只與轉(zhuǎn)臂半徑、試件尺寸（即迎風(fēng)面積）和轉(zhuǎn)子形狀密切相關(guān)；

3）由于物體離心機(jī)不要求啟動(dòng)速率，因此吊籃和轉(zhuǎn)臂重一點(diǎn)并沒有多大關(guān)系，吊籃沒有必要采用鑄鋁件，轉(zhuǎn)子中央的零件更不應(yīng)該采用鑄鋁。

于是，在生產(chǎn)已進(jìn)行的情況下，抓緊對中型離心機(jī)予以盡可能的補(bǔ)救與完善，設(shè)計(jì)了新鋼制吊籃，將有效負(fù)載提高到20 kg，載荷容量提高到2 gt，以及其他一系列改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)更合理，設(shè)計(jì)更可靠，圖紙準(zhǔn)確無誤，并于1962年2月從上海化工機(jī)械廠一次加工、一次初試成功出廠。

圖5-40為實(shí)驗(yàn)室安裝好的中型離心機(jī)。

主機(jī)室利用已有地下室一個(gè)方形房間，控制臺(tái)置于樓上，樓板中央開大圓口供進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)觀察。離心機(jī)轉(zhuǎn)子白色部分即為原設(shè)計(jì)但已投產(chǎn)之鑄鋁件，中央鑄件已被附加鋼條直接將長短臂聯(lián)接而得以加強(qiáng)；鋁吊籃則用來供大尺寸輕部件進(jìn)行低加速度試驗(yàn)，新設(shè)計(jì)的另一對鋼制吊籃供重一些的小部件進(jìn)行高加速度試驗(yàn)；側(cè)向抗顛滾子也被中央支撐件下部自制大尺寸止推軸承替代；直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)自制蝸輪蝸桿減速箱轉(zhuǎn)向并減速后，接自制電磁制動(dòng)器并與主軸相聯(lián)，它們均放在原四方形大開口底座（現(xiàn)改為圓形封閉底座）內(nèi)，22對自制匯電環(huán)套在主軸外部，匯電環(huán)電刷支架構(gòu)成主軸支撐部件，均位于白色方形支撐件之內(nèi)，電纜由下部引出。

圖5-40 BISEE第一代中型離心機(jī)Fig. 5-40 BISEE first-generation medium-sized centrifuge

該離心機(jī)規(guī)模不大，但是，它的所有零部件包括螺釘、彈簧等在內(nèi)全都是自行畫圖逐件加工。“麻雀雖小，五臟俱全”，設(shè)計(jì)工作量可不小。這就是半個(gè)世紀(jì)以前在中國而且是上海的技術(shù)狀態(tài)和工作方式。

離心機(jī)原設(shè)計(jì)用的是交流電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組即所謂由“Г-Д”組系統(tǒng)供電，用交流擴(kuò)大機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，這在當(dāng)時(shí)屬于先進(jìn)技術(shù)。后來，于20世紀(jì)80年代，已改為可控硅供電控制系統(tǒng)。目前該離心機(jī)仍在服役之中，機(jī)齡已近半百。

中型離心機(jī)改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)對大型離心機(jī)產(chǎn)生了良性影響，中型離心機(jī)既然在功率和機(jī)械傳動(dòng)不變條件下將有效負(fù)載提高一倍，大型離心機(jī)利用已訂貨電氣部分和已投產(chǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、減速器等大型鑄件，經(jīng)過轉(zhuǎn)子部件改進(jìn)能否提高其有效載荷呢？

在中型離心機(jī)已敷需要的情況下，經(jīng)筆者呈書，為大型離心機(jī)爭取到進(jìn)行全面改進(jìn)設(shè)計(jì)和深入研究的一次絕好機(jī)會(huì)。同時(shí)，筆者開始走上離心機(jī)總體設(shè)計(jì)與組織研制崗位。在與1961年畢業(yè)的又一批新伙伴們共同努力下，原轉(zhuǎn)臺(tái)等部件不變，乘著科學(xué)院倡導(dǎo)的“三嚴(yán)”作風(fēng)，經(jīng)過認(rèn)真改進(jìn)設(shè)計(jì)，其實(shí)是重新設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)研究，進(jìn)行吊籃模型風(fēng)洞試驗(yàn)、功率估算、部件結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)探討甚至包括文件資料編制與科技工作管理等等工作內(nèi)容后，不僅技術(shù)知識(shí)得以成長，設(shè)計(jì)方法與管理水平也得以提高，最終還實(shí)現(xiàn)了利用原投產(chǎn)大型鑄件和配套設(shè)備，使離心機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑增長至6.5 m，吊籃負(fù)載增加到400 kg，轉(zhuǎn)臂負(fù)載增加到850 kg，加速度提高到95 g，功率卻仍然為125 kW。

該離心機(jī)總質(zhì)量為23 t，于1967年初進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試，實(shí)驗(yàn)室試車一次成功，并于夏季交付使用至今。它的服役機(jī)齡也在40年以上了。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的大型離心機(jī)簡稱為“43型離心機(jī)”，“43”源出于該設(shè)備圖紙的序列編號(hào)。

改進(jìn)后的中型離心機(jī)和大型離心機(jī)技術(shù)性能為

1）旋轉(zhuǎn)半徑（至試件中心）：1.35 m/6.5 m；

2）有效負(fù)載（吊籃承載/轉(zhuǎn)臂懸掛）：20 kg/850 kg；

3）負(fù)載尺寸：250mm×250mm×250mm/ 1200mm× 1200mm×1200mm（根據(jù)功率加適當(dāng)整流罩）；

4）最大加速度：100 g/95 g；

5）裝機(jī)功率：5 kW/125 kW；

6）匯電環(huán)： 22對/184對；

7）離心機(jī)總質(zhì)量：2 t/23 t。

設(shè)計(jì)：中國科學(xué)院581組。

制造：上?；C(jī)械廠/上海精業(yè)機(jī)器廠、上海中華造船廠。

使用：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所。

使用情況：服役中。

離心機(jī)半徑增加意味著試件尺寸可以增大，而有效負(fù)載提高，滿足了迄今為止我國所有航天器的試驗(yàn)需要。一次改進(jìn)設(shè)計(jì)居然一勞永逸，斷絕了再研制機(jī)會(huì)，這既是“壞事”，當(dāng)然也是好事。

同樣，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)供電與控制系統(tǒng)以及匯電環(huán)部件的更新改造，目前它仍在服役之中。

筆者在退休之前剛好完成兩臺(tái)出口型離心機(jī)，當(dāng)時(shí)就遺憾于沒有把最好的設(shè)備留在本所。后曾利用文章和技術(shù)報(bào)告形式規(guī)劃了兩臺(tái)新機(jī)器，其中包括準(zhǔn)備配備大型復(fù)合振動(dòng)臺(tái)，促進(jìn)21世紀(jì)環(huán)模技術(shù)進(jìn)步。但由于種種原因，未能遂愿。

圖5-41及圖5-42表示了大型離心機(jī)外形及其實(shí)驗(yàn)室情況，離心機(jī)位于地平面以下半地坑式的鋼筋混凝土圍墻內(nèi)，5 t吊車貫穿實(shí)驗(yàn)室中央，直通大門外汽車停車位，設(shè)備及試件運(yùn)輸、安裝過程，只需一起一吊即可完成，十分方便；控制室位于二樓圖中小門正上方，易于觀察和接近設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室高大明亮。當(dāng)初實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)時(shí)主要出于安全與使用方便，風(fēng)阻計(jì)算按開放環(huán)境進(jìn)行，并未顧及省功。

圖5-41 BISEE第一代大型離心機(jī)外形一Fig. 5-41 BISEE first-generation large-scale centrifuge shape 1

圖5-42 BISEE第一代大型離心機(jī)外形二Fig. 5-42 BISEE first-generation large-scale centrifuge shape 2

圖5-43為北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所第一代大型離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5-43 BISEE第一代大型離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-43 Structure drawing of BISEE first-generation large-scale centrifuge

該機(jī)轉(zhuǎn)子為等長16Mn焊接工字梁主承力件加橫撐結(jié)構(gòu)、鋁蒙皮整流的翼形臂，最初也設(shè)計(jì)了吊籃及整流罩，吊籃有效負(fù)載為400 kg，使用過程中使用者逐漸拋棄吊籃和整流罩，改用外形如圖5-41所示的框形夾具，只在整星或大部件試驗(yàn)時(shí)，才換裝專用夾具，此時(shí)可在滿加速度條件下懸掛850 kg掛件，加速度不高時(shí)也可拆換為更重物件，其尺寸大小則受限于功率。

該離心機(jī)結(jié)構(gòu)為：

· 采用機(jī)械傳動(dòng)與主軸支撐合二而一的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)，它演變成為以后北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所離心機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)傳統(tǒng)特點(diǎn)；

轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)了φ1 200 mm靜壓導(dǎo)軌用于抗顛覆，它是當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的高速靜壓導(dǎo)軌，試車中意外發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌壓力表還可反映轉(zhuǎn)子不平衡，用于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)前靜平衡。

圖 5-44為轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，大直徑固定式主軸與大直徑靜壓導(dǎo)軌構(gòu)成強(qiáng)大的抗顛與抗徑向力支撐系統(tǒng)，其上雙列圓柱滾子軸承用于轉(zhuǎn)子精確定心，這種結(jié)構(gòu)與筆者機(jī)床專業(yè)出身不無關(guān)系；轉(zhuǎn)臺(tái)通過矩形鑄鐵底座橫跨于地溝之上與地基強(qiáng)固聯(lián)接，設(shè)備與地基的強(qiáng)固性始終都是筆者所擔(dān)心的；匯電環(huán)無論在主軸下或主軸上，纜線均由下部引出，這些構(gòu)形遂逐漸形成北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所大部分離心機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖5-44 BISEE大型離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig. 5-44 BISEE large-scale centrifuge turntable structure

· 自行研制的銅-銅石墨套疊式匯電環(huán)80對，第一次采用斜置式碳刷（之后已改造為 184對合金環(huán)）；

· 第一次采用螺旋傘齒輪副-圓柱斜齒輪副相組合的傳動(dòng)系統(tǒng)，這里的第一次意味著將成為本所離心機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，區(qū)別僅在于二者分開或共處于一箱；

· 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)部分的外緣構(gòu)成自制液壓抱閘制動(dòng)器制動(dòng)輪，與電氣制動(dòng)相配合共有3種制動(dòng)模式；

· 第一次采用流體循環(huán)潤滑系統(tǒng)（傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之一）；

· 發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組經(jīng)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)調(diào)速，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有手動(dòng)和電位器-時(shí)間繼電器自動(dòng)控制兩種方式（之后均已改造）。

無疑，所有部件都是自行設(shè)計(jì)、逐件制造而成，不同的是標(biāo)準(zhǔn)件已經(jīng)可以外購了。

通過觀察第一代大型離心機(jī)，可以概括出作為北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所物體離心機(jī)初步形成的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

· 對稱轉(zhuǎn)臂不對稱吊籃；

· 全整流轉(zhuǎn)子；

· 轉(zhuǎn)臂試驗(yàn)端采用四點(diǎn)聯(lián)接形式，便于換裝吊籃和大型試件專用夾具；

· 采用主軸支撐與機(jī)械傳動(dòng)合二而一的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)；

· 下支撐；

· 固定主軸-φ1 200靜壓導(dǎo)軌；

· 下傳動(dòng)；

· 螺旋傘齒輪副加圓柱斜齒輪副機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)；

· 匯電環(huán)下行走線；

· 稀油循環(huán)潤滑；

· 高大實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)。

5.6.1.2 第二代中型離心機(jī)

1973年5月，筆者工作從北京調(diào)整到蘭州，在繼續(xù)載人離心機(jī)同時(shí)，應(yīng)現(xiàn)中國科學(xué)院空間技術(shù)中心前身（當(dāng)時(shí)505所）要求，開始研制半徑3.5 m、負(fù)載30 kg、加速度150 g物體離心機(jī)。1975年2月完成該設(shè)計(jì)，1979年12月由天水電氣傳動(dòng)研究所配套自制可控硅供電控制系統(tǒng)，蘭州石油化工機(jī)械廠制造主機(jī)完成任務(wù)，初調(diào)后一次成功出廠。時(shí)間拖得長，主要是因?yàn)橛脩羰冀K處在體制變動(dòng)之中，安裝地點(diǎn)不落實(shí)，至今仍不知該設(shè)備下落。

然而在設(shè)計(jì)之初，利用本離心機(jī)研制任務(wù)，總體設(shè)計(jì)已有一點(diǎn)長遠(yuǎn)想法，比如著手嘗試中型離心機(jī)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)問題?；驹O(shè)想是將離心機(jī)分為兩大塊：即一個(gè)包括主軸支撐、機(jī)械傳動(dòng)、匯電環(huán)和電、液驅(qū)動(dòng)及其控制等系統(tǒng)在內(nèi)的支撐-轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和另一個(gè)包括轉(zhuǎn)臂及試驗(yàn)吊籃、配重裝置在內(nèi)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所集成。前者設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)化的、經(jīng)濟(jì)的、可滿足一定技術(shù)范圍且可適當(dāng)擴(kuò)展功能的基礎(chǔ)模塊；后者力爭確定為一個(gè)高功能結(jié)構(gòu)形式并將其標(biāo)準(zhǔn)化、其尺寸模量可根據(jù)用戶要求再行改變的所謂準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化模塊，以提高適應(yīng)性，滿足一般用戶相近而不同的技術(shù)要求。這樣做的目的一方面為的是減少設(shè)計(jì)工作量、降低成本；另一方面也是針對當(dāng)時(shí)協(xié)作關(guān)系不穩(wěn)定的現(xiàn)實(shí)，謀求建立一個(gè)相對密切而長遠(yuǎn)的協(xié)作配套與加工制造伙伴關(guān)系?？梢哉f，在國家改革開放之前，我們從科技實(shí)踐當(dāng)中已經(jīng)萌發(fā)并開始了如何使離心機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化和如何邁向商品化的初步打算與實(shí)踐活動(dòng)。

當(dāng)然，當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化著眼點(diǎn)還是立足于設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的一種變通性離心機(jī)，而不是從離心機(jī)系列化、型譜化出發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

除了總體，筆者仍進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)，后來由于與載人離心機(jī)工作重疊，在設(shè)計(jì)全面完成以后，研制工作交付其他同志負(fù)責(zé)。

圖5-45表示了這臺(tái)離心機(jī)的結(jié)構(gòu)示意。

圖5-45 BISEE 4.5 gt中型離心機(jī)Fig. 5-45 BISEE 4.5 gt medium-sized centrifuge

在一個(gè)底座上邊集成了全部支撐-轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)部件，包括可控硅-直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)（電氣部分在控制室）、電液式制動(dòng)器、含一級(jí)機(jī)械減速傳動(dòng)副和內(nèi)置式匯電環(huán)裝置的轉(zhuǎn)臺(tái)部件。

該離心機(jī)主軸支撐已摒棄水平抗顛結(jié)構(gòu)，以長跨距強(qiáng)主軸垂直支承結(jié)構(gòu)取而代之，用不可避免的高度尺寸代替可節(jié)省的橫向尺寸；匯電環(huán)動(dòng)靜部件分別與主軸及主軸支撐件合二而一，以標(biāo)準(zhǔn)軸承代替自制大型止推軸承，減速傳動(dòng)部分以成品汽車后橋螺旋傘齒輪代替自制傘齒輪等等。

該機(jī)轉(zhuǎn)子為全整流等長鋼板焊接的框形結(jié)構(gòu)加鋼蒙皮作為轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂蒙皮以鋼代鋁既經(jīng)濟(jì)又牢固；鋼制可轉(zhuǎn)動(dòng)式固定吊籃加鋁合金整流罩，采用鋁合金整流罩主要考慮較鋼整流罩易于加工。

同時(shí)，覺悟到轉(zhuǎn)子與其是被動(dòng)抗顛，不如主動(dòng)搞好平衡，為此，設(shè)計(jì)了機(jī)電式臂藏式自動(dòng)平衡系統(tǒng)，那是一套水平傳感器控制下的伺服電動(dòng)機(jī)—絲杠螺母系統(tǒng)；同時(shí)，首次將轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)成為天平式結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)臂與主軸呈鉸接為天平狀，開車之前及慢速啟動(dòng)過程中均可進(jìn)行自動(dòng)平衡。

試件吊籃具有安裝（其平臺(tái)呈水平位置時(shí)）、運(yùn)轉(zhuǎn)（平臺(tái)轉(zhuǎn)為垂直地面）及按特定角度固定等變方位功能，在進(jìn)行合理平衡后，可對試件進(jìn)行上下、橫向及多方位的加速度試驗(yàn)。

這臺(tái)離心機(jī)被稱為第二代中型離心機(jī)，其主要技術(shù)性能為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：3.5 m；

2）有效負(fù)載：30 kg；

3）載荷容量：4.5 gt；

4）試件尺寸：500 mm×500 mm×500 mm；

5）最大加速度：150 g；

6）裝機(jī)功率：30 kW；

7）匯電環(huán)：52個(gè)紫銅-銀石墨套疊式。

設(shè)計(jì)：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所。

電氣配套：天水電氣傳動(dòng)研究所。

制造：蘭州石油化工機(jī)械廠等。

定貨單位：前505所。

它在技術(shù)上所體現(xiàn)的新認(rèn)識(shí)和創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為：

· 全整流等長臂不對稱吊籃結(jié)構(gòu)；

· 中型離心機(jī)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的雛形機(jī)；

· 集成式支撐-轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)部件；

· 自動(dòng)平衡式轉(zhuǎn)子——首次構(gòu)建天平式轉(zhuǎn)臂，機(jī)電式自動(dòng)平衡裝置；

· 轉(zhuǎn)臺(tái)第一次將匯電環(huán)、傳動(dòng)和支承一體化；

· 第一次將加速度提高到150 g；

· 物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臂蒙皮不再采用鋁材；

· 強(qiáng)化主軸垂直抗顛能力；

· 配置成品電-液式制動(dòng)器；

· 采用市售汽車螺旋傘齒輪；

· 自制52個(gè)紫銅-銀石墨套疊式匯電環(huán)；

· 采用30 kW廠標(biāo)產(chǎn)品：可控硅-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

可見，這臺(tái)離心機(jī)相對于第一臺(tái)來說，有了質(zhì)的進(jìn)步，在設(shè)計(jì)上開始有了自己的主意。

5.6.1.3 第三代中型離心機(jī)

1985年4月為原上海航天局某所研制旋轉(zhuǎn)半徑2.1 m，負(fù)載100 kg、加速度100 g，載荷容量10 gt離心機(jī)。這是一臺(tái)要求較為特殊的離心機(jī)，而且該項(xiàng)目拖期甚長、經(jīng)濟(jì)效益甚微。設(shè)計(jì)方只是把它作為系列化第三代中型離心機(jī)的艱難嘗試。

它的技術(shù)指標(biāo)除中型離心機(jī)首次將有效載荷提高為100 kg之外，還有4個(gè)第一次：

1）第一次要求試件安裝在轉(zhuǎn)臂上表面，不要吊籃；

2）第一次要求試驗(yàn)加速度精度達(dá)到±1%，包括調(diào)速系統(tǒng)的加速度定位精度和穩(wěn)定度以及轉(zhuǎn)臂半徑變形在內(nèi)；

3）第一次要求具有雙轉(zhuǎn)臂，第二轉(zhuǎn)臂半徑為0.5 m，企圖打造一臺(tái)小試件準(zhǔn)精密離心機(jī)；

4）第一次要求配備6 MPa高壓氣和 21 MPa高壓油旋轉(zhuǎn)接頭。

首先，不要吊籃只要臂端平臺(tái)，試件上置式安裝，給平衡設(shè)計(jì)帶來困難；其次，加速度精度現(xiàn)在看來不算什么，但在二十幾年以前那是需要自行研制的，還是有相當(dāng)?shù)睦щy；再者，高壓氣、液旋轉(zhuǎn)接頭也是首次接觸。

離心機(jī)于1986年11月就完成設(shè)計(jì)，后因用戶實(shí)驗(yàn)室不落實(shí)，拖付經(jīng)費(fèi)，直至1994年5月才結(jié)束制造、完成實(shí)驗(yàn)室安裝和調(diào)試。

主要技術(shù)指標(biāo)為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：長臂2.1 m；

短臂0.5 m；

2）最大有效負(fù)載：100 kg；

3）試件尺寸：400 mm×400 mm×400 mm；

4）最大加速度：100 g；

5）裝機(jī)功率：30 kW；

6）加速度控制精度：±1%；

7）匯電環(huán)：自制 66個(gè)紫銅-銀石墨強(qiáng)、弱電套疊式匯電環(huán)；

8） 氣、液旋轉(zhuǎn)接頭：6 MPa高壓氣1路，21 MPa高壓油旋轉(zhuǎn)接頭2路。

研制年代：1985 1994（因用戶場地與經(jīng)費(fèi)原因時(shí)間拖長）。

研制單位：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所。

制造：北京第三機(jī)床廠等。

使用單位：原上海航天局某所。

圖5-46為離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖5-47為外形圖。

圖5-46 BISEE 10 gt中型離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-46 Configuration of BISEE 10 gt medium-sized centrifuge

圖5-47 BISEE 10 gt中型離心機(jī)外形圖Fig. 5-47 BISEE 10 gt medium-sized centrifuge outline

這臺(tái)離心機(jī)在總體設(shè)計(jì)上改變了原來思路，成了探索新技術(shù)和新構(gòu)造的機(jī)會(huì)，最后階段也是由于與大型土工離心機(jī)相重疊，在總體和全機(jī)設(shè)計(jì)完成以后，研制工作交由年輕人管理。

由于油、氣旋轉(zhuǎn)接頭的介入使布局發(fā)生改變，以及自行研制匯電環(huán)的困難性和個(gè)別研制的經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)生了將離心機(jī)分為4大塊想法，即轉(zhuǎn)子部件、機(jī)械傳動(dòng)與主軸支撐一體化轉(zhuǎn)臺(tái)、匯電環(huán)及旋轉(zhuǎn)接頭、電氣驅(qū)動(dòng)與控制單元。雖然該離心機(jī)除旋轉(zhuǎn)接頭系外協(xié)解決外，其余都是自行設(shè)計(jì)、研制的，但已產(chǎn)生了將后兩者逐漸采取外協(xié)配套，而集中精力搞好主機(jī)的發(fā)展思路。因此，從這臺(tái)離心機(jī)開始就誕生了二級(jí)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸支撐系統(tǒng)合一的結(jié)構(gòu)，作為中型離心機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)部件，它的主軸支撐采用機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，由雙排圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承組所構(gòu)成，為的是提高主軸定位精度，與小轉(zhuǎn)臂形成一個(gè)較高精度的加速度試驗(yàn)系統(tǒng)；機(jī)械傳動(dòng)也是由高精度一級(jí)螺旋傘齒輪副與一級(jí)斜齒圓柱齒輪副組成的小齒隙系統(tǒng)，輔以稀油潤滑。

轉(zhuǎn)臂還是天平式構(gòu)造，由16 Mn鋼板與橫撐構(gòu)成主承力件，試驗(yàn)端在轉(zhuǎn)臂高度水平中心線上設(shè)置了安裝平臺(tái)，供進(jìn)行試件側(cè)向試驗(yàn)之用，平臺(tái)遠(yuǎn)端另設(shè)一止推凸臺(tái)供安裝直角形夾具時(shí)幫助克服徑向離心力，以進(jìn)行例行正向試驗(yàn)；為增加抗彎剛度，轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)為不等高全整流形，增加了一點(diǎn)制造難度；轉(zhuǎn)臂配重端與試驗(yàn)端結(jié)構(gòu)完全相同，但設(shè)計(jì)了專用的角度可調(diào)式配重裝置，允許在質(zhì)量配平的同時(shí)還可調(diào)整其質(zhì)心高度以與試件相適應(yīng)，以便同時(shí)得到動(dòng)靜雙平衡。

考慮到使用幾率，取消了制動(dòng)器。

小轉(zhuǎn)臂與精確主軸精密定位，具有與機(jī)床主軸同等級(jí)精度，供小物件進(jìn)行較高精度加速度試驗(yàn)。

匯電環(huán)與旋轉(zhuǎn)接頭置于上方，纜線上行。

其基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

· 等長對稱臂，無吊籃；

· 是一臺(tái)試件上安裝以側(cè)向試驗(yàn)為主的準(zhǔn)精密離心機(jī)；

· 具備長、短兩套轉(zhuǎn)臂；

· 短臂為固定式，長臂為天平式構(gòu)造；

· 配重既可平衡靜矩，又可平衡動(dòng)矩；

· 強(qiáng)主軸支撐——錐孔雙排滾子軸承精密定心；

· 高精度螺旋傘齒輪-圓柱斜齒輪副兩級(jí)小齒隙傳動(dòng)；

· 支承-傳動(dòng)復(fù)合式轉(zhuǎn)臺(tái)；

· 66個(gè)紫銅-銀石墨強(qiáng)、弱電套疊式匯電環(huán)；

· 兩路高壓氣-液旋轉(zhuǎn)接頭；

· 30 kW可控硅-直流電機(jī)調(diào)速拖動(dòng)；

· 自行研制的數(shù)字式給定、數(shù)字測速系統(tǒng)，加速度精度達(dá)到±1%。

不管怎么說，這臺(tái)中型離心機(jī)奠定了新型中型離心機(jī)的總體構(gòu)架，技術(shù)上也跟蹤了國家機(jī)電發(fā)展水平，培養(yǎng)和鍛煉了隊(duì)伍。

5.6.1.4 出口中型離心機(jī)和大型離心機(jī)

1995年5月至1997年3月在不到兩年時(shí)間內(nèi)，為某國突擊研制了兩臺(tái)物體離心機(jī)，分別是半徑2.5 m/5 m、負(fù)載100 kg/1 000 kg、加速度均為100 g、載荷容量為10 gt/100 gt的一中一大兩臺(tái)物體離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)了中國特種離心機(jī)走出國門的突破。

從20世紀(jì)60年代到90年代，離心機(jī)研制速度越來越快，反映了國家整體研制水平的提升。在這種情況下，筆者仍然十分強(qiáng)調(diào)保證并加大其中設(shè)計(jì)時(shí)間的比例，因?yàn)榫脑O(shè)計(jì)乃是設(shè)備質(zhì)量的保證。

圖5-48和圖5-49分別為中型離心機(jī)和大型離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-48 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)Fig. 5-48 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-49 5 m-100 gt出口物體離心機(jī)Fig. 5-49 5 m-100 gt export object centrifuge

其技術(shù)概要如下。

5.6.1.4.1 2.5 m-10 gt中型離心機(jī)

這是一臺(tái)具有固定式試驗(yàn)吊籃的通用中型物體離心機(jī)，是在三代機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)而來，轉(zhuǎn)臂開始采用圓形鋼管作為主承力件。為減輕重量，將16Mn軋制圓管對剖開來，分別置于臂前后兩端形成整流狀，上下再用鋼板焊接成為等高薄殼形加橫撐的框架結(jié)構(gòu)，撐間留開口供穿線用，后覆以薄鋼皮，形成全整流形轉(zhuǎn)臂，結(jié)構(gòu)剛性好，重量輕。

固定式鋼板焊接的試驗(yàn)吊籃，不加整流罩，便于使用；配重端與轉(zhuǎn)臂等高，整流形；轉(zhuǎn)臂還是采用天平式懸掛結(jié)構(gòu)，用于試前調(diào)平。

一體化轉(zhuǎn)臺(tái)：將主軸支承、兩級(jí)減速、潤滑系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成為轉(zhuǎn)臺(tái)部件，無制動(dòng)器，并增加了一個(gè)底座，首次將底座作為稀油潤滑源，整體性極佳，從工廠到現(xiàn)場整體運(yùn)輸、整體安裝，大大縮減了現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間和工作量，保證了設(shè)備精度。

外協(xié)配套的匯電環(huán)，下走線，纜線經(jīng)穿越油池的密封波紋管穿出。

2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)外形見圖5-50、圖5-51和圖5-52。

圖5-50 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)外形Fig. 5-50 Turntable shape of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-51 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)試件吊籃端Fig. 5-51 Model basket end of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-52 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)配重端Fig. 5-52 Counterweight end of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

5.6.1.4.2 5 m-100gt大型離心機(jī)

大型物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臂由于承力大，是將兩根完整合金鋼管直接與鋼板焊接而成，框架間同樣覆蓋薄鋼板，構(gòu)成整流外形；試件吊籃也為固定式鋼板焊接結(jié)構(gòu)，為節(jié)省功率覆以鋁合金蒙皮；兩級(jí)減速與主軸支承復(fù)合式轉(zhuǎn)臺(tái)，可惜考慮到無需跨越地溝、減輕整體重量、降低成本等原因，未設(shè)計(jì)底座，有些遺憾，潤滑油源則另制在外，總體性與現(xiàn)場安裝均不及中型離心機(jī)好。

二機(jī)各采用 16對/36對貴金屬專業(yè)配套匯電環(huán)，下出線。

分別采用45 kW/250 kW國產(chǎn)直流電動(dòng)機(jī)加美國通用電氣公司可控硅拖動(dòng)系統(tǒng)，該供電柜恰好可同時(shí)提供兩路電源，一柜帶二機(jī)，供電柜配備有PLC控制器實(shí)現(xiàn)可編程全自動(dòng)控制。

離心機(jī)配置進(jìn)口數(shù)采及CCD光學(xué)系統(tǒng)。

兩臺(tái)離心機(jī)與我們以前設(shè)計(jì)的機(jī)器相比較，應(yīng)該說是屬于20世紀(jì)90年代機(jī)電雙優(yōu)的產(chǎn)品。

5 m-100 gt出口物體離心機(jī)外形見圖5-53，圖5-54和圖5-55。

圖5-53 5 m-100 gt出口物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)部分Fig. 5-53 Turntable shape of 5 m-100 gt export object centrifuge

圖5-54 5 m-100 gt出口物體離心機(jī)試件吊籃端（整流罩拆除）Fig. 5-54 Model basket end of 5 m-100 gt export object centrifuge(removed the fairing )

圖5-55 5m-100gt出口物體離心機(jī)配重端Fig. 5-55 Counterweight end of 5m-100gt object centrifuge

這臺(tái)離心機(jī)總體設(shè)計(jì)上最大的突破就是實(shí)現(xiàn)了大型離心機(jī)一室化，一改通常大型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室有地下室、主機(jī)室、頂室三層，至少是主機(jī)室和地溝兩層的總體布局形式，現(xiàn)在只需一層就大大簡化了實(shí)驗(yàn)室建筑，也方便了安裝維修，電動(dòng)機(jī)放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其自冷通風(fēng)機(jī)還可不裝；其次就是實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離（數(shù)百m）的數(shù)字式全自動(dòng)控制與檢測。

遺憾的是，限于時(shí)間和經(jīng)濟(jì)原因，沒有來得及或者說沒有花精力和資金去研制離心機(jī)專用控制系統(tǒng)。

圖5-56 兩臺(tái)離心機(jī)供電柜及控制臺(tái)Fig 5 -56 Power cabinet and console for two centrifuges

這兩臺(tái)離心機(jī)可以說是筆者離心機(jī)領(lǐng)域的關(guān)門之作。從設(shè)計(jì)、加工、國內(nèi)試車到運(yùn)輸、安裝、調(diào)試成功，才不到兩年。盡管時(shí)間緊任務(wù)急，仍然抓住機(jī)會(huì)盡可能地使之有所前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)理想，終于達(dá)至基本目的。

筆者負(fù)責(zé)了兩臺(tái)離心機(jī)的總體設(shè)計(jì)，指導(dǎo)新人設(shè)計(jì)部件并與老伙伴設(shè)計(jì)了中型離心機(jī)主機(jī)。

縱觀數(shù)十年離心機(jī)研發(fā)史，大腦由空到有所悟，思維由個(gè)體到整體，認(rèn)識(shí)漸近合理，設(shè)計(jì)由繁到簡。但是事無盡頭，物體離心機(jī)復(fù)合環(huán)境化已提上日程。

這兩臺(tái)離心機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：2.5 m/5 m；

2）有效負(fù)載：100 kg/1 000 kg；

3）負(fù)載尺寸：500 mm×500 mm×500 mm/ 1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm（長×寬×高）；

4）最大加速度：100 g；

5）載荷容量：10 gt/100 gt；

6）裝機(jī)功率：45 kW/200 kW；

7）匯電環(huán)：16對/36對紫銅-銀石墨強(qiáng)、弱電套疊式匯電環(huán)。

研制時(shí)間：1995-05 1997-03。

任務(wù)承接與管理：成都航天工業(yè)烽火精密機(jī)械公司。

制造廠：第二重型機(jī)械廠、湖北荊州減速機(jī)廠等。

兩臺(tái)離心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可歸納為：

· 等長臂不對稱吊籃；

· 軋制圓管焊接承力臂結(jié)構(gòu)；

· 主軸支撐、傳動(dòng)減速甚至與潤滑系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體化；

· 大型離心機(jī)一室化；

· 遠(yuǎn)距離全數(shù)字控制與檢測。

5.6.2 特大型人-物兩用離心機(jī)

時(shí)光回到20世紀(jì)60年代中期。被科技基礎(chǔ)和三年困難推遲的衛(wèi)星計(jì)劃，在導(dǎo)彈技術(shù)取得進(jìn)步的鼓舞下被重新提上日程。1964年12月，趙九章先生呈書周總理，認(rèn)為目前條件已具備，可盡快開展衛(wèi)星工程；隨之，1965年中國科學(xué)院接受周總理委托展開工作，繼而1966年1月，中國科學(xué)院衛(wèi)星設(shè)計(jì)院即651設(shè)計(jì)院成立，開展了“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星的研制。原581組也隨之撤消重組[25]，筆者所在之設(shè)計(jì)組，則被分配到651設(shè)計(jì)院下屬的應(yīng)用地球物理研究所工廠，簡稱581廠，繼續(xù)43型離心機(jī)研制。

651設(shè)計(jì)院歷史不長，兩年后，中國空間技術(shù)研究院成立，筆者所在的設(shè)計(jì)組又回到北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，屆時(shí)即43型大型離心機(jī)剛剛運(yùn)行第二年。中國空間技術(shù)研究院的成立，開始醞釀特大型人-物兩用離心機(jī)（或稱68機(jī)，3號(hào)機(jī)）。

5.6.2.1 研制概況及教益

載人離心機(jī)任務(wù)于1968年6月開始了方案論證大調(diào)研，1969年初著手設(shè)計(jì)。從技術(shù)指標(biāo)看，該離心機(jī)絕對是一臺(tái)超時(shí)代的攻關(guān)項(xiàng)目；從實(shí)踐過程看，是一臺(tái)懸念不斷、收獲頗豐的科技任務(wù)。40年前，載人飛行還十分神秘，用戶對設(shè)計(jì)指標(biāo)怎么提也是開門難題。雖然航空載人離心機(jī)1965年已開始研制，可尚在過程之中，加速度醫(yī)學(xué)研究在中國還純屬空白。用戶從國外文獻(xiàn)里得到啟發(fā)，提出了相當(dāng)于我們今天理解的所謂“三軸動(dòng)態(tài)飛行模擬器且復(fù)合振動(dòng)臺(tái)”這樣規(guī)模的一紙要求，交給了設(shè)計(jì)者。限于專業(yè)，他們也許并不知道這個(gè)指標(biāo)有多高，而對設(shè)計(jì)者來說無疑困難重重。由于載人飛行計(jì)劃的推遲，這項(xiàng)任務(wù)從時(shí)間和壓力上得以釋放。但盡管如此，承載著高要求的離心機(jī)任務(wù)并沒有下馬。第一步依然足足走了3年，包括入題、初步設(shè)計(jì)和主要部件落實(shí)研制等等。當(dāng)時(shí)方案最大的分歧點(diǎn)，發(fā)生在主軸和三軸艙系統(tǒng)上到底采用液壓還是電驅(qū)動(dòng)之爭，最后，經(jīng)錢學(xué)森親自拍板決定：“離心機(jī)人、物兩用；三軸電動(dòng)，主軸液壓?！?/p>

“人、物兩用”即該離心機(jī)既可作高啟動(dòng)率載人離心機(jī)用，還必須是一臺(tái)較高加速度的物體離心機(jī)，供飛船試驗(yàn)。主軸采用液壓方案主要基于大功率可控硅技術(shù)尚不成熟，直流電動(dòng)機(jī)繼續(xù)用交流電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組供電甚顯落后；而小電動(dòng)機(jī)集成方案既有同樣問題，且與液壓方案比較起來沒有后者體積小、快動(dòng)性好，因而“液”勝過于“電”。其實(shí)，時(shí)至今日，即使大功率可控硅技術(shù)已臻成熟，載人離心機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)到底采用大電動(dòng)機(jī)還是小電動(dòng)機(jī)配機(jī)械減速器，抑或液壓馬達(dá)配機(jī)械減速器，孰好孰壞仍有其爭；至于“兩用”問題，以后會(huì)談到。

技術(shù)是硬東西，又經(jīng)兩年按既定方向工作，對各種難題基本有所深入和研究，結(jié)合國情雙方逐漸達(dá)成一定共識(shí)，才將設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了部分縮減，基本敲定下來。此時(shí)已經(jīng)五載了。說基本，一是因?yàn)橛脩糁饕夹g(shù)要求沒有松動(dòng)，愿意縮減的只是用戶覺得可暫時(shí)不要的，比如復(fù)合振動(dòng)臺(tái)，和限于實(shí)情確實(shí)達(dá)不到的指標(biāo)，比如加速度啟動(dòng)率等；二是盡管如此，關(guān)鍵技術(shù)依然成堆，攻關(guān)前途誰都難以預(yù)料；三是現(xiàn)在看來，所定指標(biāo)還是很高，這樣就埋下了不確定因素。

回想起來，當(dāng)時(shí)，沒有人能站在高處，重新審視一下航天醫(yī)學(xué)到底需要什么樣的離心機(jī)，技術(shù)指標(biāo)有無可斧正之處；或者認(rèn)真探討一下載人離心機(jī)與物體離心機(jī)二者互相兼容的利弊，到底兼容好還是不兼容更好。因此，終究跳不出既定圈圈，而不可能出現(xiàn)大刀闊斧的變化。如果當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)到按第三代載人離心機(jī)指標(biāo)進(jìn)行研制的話，那結(jié)果將大不相同。自然，這種情況的發(fā)生，既與學(xué)術(shù)水平有關(guān)也帶有當(dāng)時(shí)時(shí)代的特色。載人離心機(jī)研制過程，絕大部分是在“文化大革命”浪潮中進(jìn)行的，而且其間還有一次重大的體制調(diào)整。這些形成了載人離心機(jī)研制中別具特色的經(jīng)歷。

首先，在“抓革命，促生產(chǎn)”的口號(hào)下，設(shè)計(jì)人員只能在服從運(yùn)動(dòng)安排之余見縫插針地畫圖、計(jì)算、搞調(diào)研、跑生產(chǎn)。辦任何一件事都必需求機(jī)關(guān)、求承制、求供貨方，以至發(fā)展到必須積極主動(dòng)地創(chuàng)造一切條件，才能推進(jìn)一件件工作。比如，為大齒輪滾齒這道工序，加工前齒輪半精加工件要運(yùn)進(jìn)車間，加工中設(shè)備不得斷電，加工后爭取達(dá)到更高精度這3件事，本來都是承制廠該辦的事，可當(dāng)時(shí)你要這樣想，那就只能無限制地等待。怎么辦呢，首先積極主動(dòng)聯(lián)系推土機(jī)和施工隊(duì)伍，修好人家“深挖洞”后開膛劃肚的路；然后到有關(guān)部門申請?jiān)鋈葜笜?biāo)，為承制車間增配雙路供電線路，再找施工隊(duì)伍架線；高精度滾齒刀呢，跑哈爾濱刀具廠聯(lián)系研制。當(dāng)時(shí)就是這種情況，出于對國家和人民的責(zé)任感，使自己設(shè)計(jì)的東西盡早變成一個(gè)物件，只好“不待揚(yáng)鞭自奮蹄”。在當(dāng)時(shí)，技術(shù)人員“駐廠盯生產(chǎn)”是一大景觀，除份內(nèi)技術(shù)工作以外，其他相關(guān)的服務(wù)和聯(lián)絡(luò)，樣樣都要親自操辦。

其次，在20世紀(jì)70年代，國家技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，幾乎任何一個(gè)元器件都需自行研制，包括如今可輕易獲得的各種配套供應(yīng)品，如離心機(jī)所需大至模擬計(jì)算機(jī)（數(shù)字計(jì)算機(jī)未敢奢望）、液壓泵、液壓馬達(dá)、電液伺服閥、高精度匯電環(huán)、可控硅供電系統(tǒng)、大型軸承、諧波減速器；小至高精度滾齒刀、軸承合金、液態(tài)密封膠等等，都要花精力一一去自行或組織研制。當(dāng)時(shí)更沒有什么ISO9000標(biāo)準(zhǔn)和全面質(zhì)量管理之說，因此產(chǎn)品質(zhì)量完全取決于設(shè)計(jì)者的責(zé)任心、認(rèn)識(shí)水平以及利用當(dāng)時(shí)條件求得最佳結(jié)果的程度上。在設(shè)計(jì)手段上，尚無有限元、仿真計(jì)算等等先進(jìn)方法，只有靠計(jì)算尺和手搖計(jì)算器。如此龐大的機(jī)械系統(tǒng)，連轉(zhuǎn)臂自然頻率也無法準(zhǔn)確計(jì)算，三軸系統(tǒng)就更無能為力了。

再有，在1971年經(jīng)過了一次體制調(diào)整，大部分科技人員包括離心機(jī)設(shè)計(jì)人員被調(diào)整到蘭州物理研究所。由于蘭州身處中國西部腹地，而離心機(jī)研制活動(dòng)大部分都落實(shí)在東部先進(jìn)城市，搬遷進(jìn)一步拉遠(yuǎn)了與協(xié)作區(qū)距離。為了查閱資料和工作上的協(xié)作，技術(shù)人員常年奔赴北京和東部城市；而回蘭州時(shí)順便捎回一些生活日需品，聊以改善一些艱苦的生活。一次出差經(jīng)常是半年10個(gè)月回不了家，夏天出門得帶上冬衣，回來還得排幾宿買回程票。這種生態(tài)堪與今日農(nóng)民工兄弟一比，盡管浪跡天涯目的不一樣，但同樣拋家離土，有時(shí)攜兒背女，奔波于旅途客棧，連續(xù)長達(dá)10余年動(dòng)蕩顛簸，夫妻雙方多年面對家庭、孩子、生活、事業(yè)諸多艱辛與困難，遠(yuǎn)非今日大學(xué)生所能想象與領(lǐng)受。因此，不要忘記，在中國歷史上，也曾出現(xiàn)過一支科技“農(nóng)民工”隊(duì)伍，他們大抵是從事“兩彈一星”的科技工作者，在新中國動(dòng)亂而茫然的那段歲月，正是他們的奉獻(xiàn)，才使空中奏響“東方紅”，點(diǎn)燃人們心中的希望。

歷經(jīng)種種磨難，1976年底轉(zhuǎn)臺(tái)部件結(jié)束工廠制造，1978年下半年轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室安裝。終于，載人離心機(jī)進(jìn)入了總調(diào)試階段。

一聲令下，模擬計(jì)算機(jī)電信號(hào)通過電磁線圈，輕輕拉動(dòng)電液伺服閥初級(jí)閥體，完成電液轉(zhuǎn)換，控制隨動(dòng)伺服閥末級(jí)——大流量閥體移動(dòng)；驅(qū)使動(dòng)力油推動(dòng)液壓作動(dòng)筒——機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)一系列杠桿系統(tǒng)，搖轉(zhuǎn)14臺(tái)變量液壓泵的斜盤擺角；14臺(tái)300 kW交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)著的14臺(tái)變量泵，隨著斜盤擺動(dòng)而輸出所控油流一起匯入主油管；主管路上方，旁置著許多閥門和其他裝置，起定壓保護(hù)作用，保證油流具備所需壓力，并將油流安全穩(wěn)定地推入圍繞轉(zhuǎn)臺(tái)的大直徑環(huán)形管道中；經(jīng)管道均勻化后再分為16路，分別通過精細(xì)過濾器，注入16臺(tái)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)周圍的定量式液壓馬達(dá)內(nèi)；16臺(tái)液壓馬達(dá)在高壓油流驅(qū)使下，帶動(dòng)各自小齒輪去共同推動(dòng)一只大齒輪；于是，與大齒輪相連的數(shù)十t重轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來了。而數(shù)十t轉(zhuǎn)子完全漂浮在一套大型全靜壓軸承系統(tǒng)上，所謂全靜壓軸承指的是轉(zhuǎn)子徑向和軸向都支撐在一層具有一定剛性的薄薄油膜上，因此轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)只需克服液體摩擦，便能輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)起來。這一轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)志著樓上樓下地下數(shù)千m2、重達(dá)數(shù)百t、龐大的、組成離心機(jī)軀體的所有微電子、大功率機(jī)、電、液及主機(jī)系統(tǒng)，包括全部硬件、軟件、固體、液體統(tǒng)統(tǒng)貫通了。

之后不久，單軸艙載人離心機(jī)系統(tǒng)終于在1982年底順利地完成調(diào)試。

單軸艙載人離心機(jī)系統(tǒng)的順利調(diào)試，意味著它已經(jīng)是一臺(tái)載人離心機(jī)及一臺(tái)高載荷容量的物體離心機(jī)。用戶將來獨(dú)立面對的將是繼續(xù)調(diào)試一臺(tái)三軸艙系統(tǒng)離心機(jī)，對于它的命運(yùn)，個(gè)人當(dāng)時(shí)還是十分關(guān)切與不舍。

筆者在該離心機(jī)課題中，承擔(dān)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)和研制工作，無疑43型離心機(jī)靜壓軸承經(jīng)歷鼓舞了自己，才敢向大尺寸全靜壓軸承系統(tǒng)沖擊。另一方面，筆者還協(xié)助相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，參與整機(jī)一系列研制、調(diào)試的技術(shù)組織與計(jì)劃管理工作，作為人生這特定年齡段來說，此生能獲如此難得的一項(xiàng)高科技、高強(qiáng)度鍛煉機(jī)會(huì)，也屬生逢其時(shí)，值得慶幸。

除設(shè)備本身，用戶方負(fù)責(zé)的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、大功率配電增容工程、轉(zhuǎn)臺(tái)海陸運(yùn)輸、保障現(xiàn)場裝調(diào)條件等等，無不繁瑣而復(fù)雜。可見，為離心機(jī)課題付出的并不只是少數(shù)人，而是一大批人，一代人。對于這臺(tái)離心機(jī)整體情況，我們站在今天認(rèn)識(shí)的技術(shù)角度分析：

1）由于其半徑較長和兩用要求，一方面使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變得過分龐大；另一方面物體離心機(jī)高轉(zhuǎn)速，又使得驅(qū)動(dòng)力矩不能利用更大減速比予以充分發(fā)揮；當(dāng)然，執(zhí)行件品種的單一，即液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與出力只有一種選擇，使得變通余地很小；以及受最大運(yùn)輸尺寸限制，大齒輪不可能再大，增加動(dòng)力配置幾無可能，因此，它的動(dòng)力和快動(dòng)性必然是受限的。這樣，唯一能提高加速度啟動(dòng)率的努力方向，只有縮減半徑和簡化三軸。

2）單軸艙離心機(jī)系統(tǒng)雖然已建立起一個(gè)離心機(jī)平臺(tái)，三軸艙系統(tǒng)本身也進(jìn)行過地面初調(diào)，三軸系統(tǒng)與離心機(jī)安裝也沒有問題，大功即將告成，但不言而喻，三軸艙離心機(jī)系統(tǒng)乃是沖擊水平之所在，未走之路人們往往心中無底，因此，個(gè)人覺得其聯(lián)調(diào)難度可能不亞于單軸艙離心機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)然，我這里主要指的是總調(diào)試而不是整個(gè)的研制調(diào)試過程。

3）因?yàn)閱屋S艙的滾轉(zhuǎn)不需要控制，單軸艙離心機(jī)總調(diào)試主要考核的是從主控到主軸一系列機(jī)電液環(huán)節(jié)匹配問題，重點(diǎn)在于構(gòu)建一個(gè)可控的轉(zhuǎn)動(dòng)的離心機(jī)系統(tǒng)，特點(diǎn)是大系統(tǒng)、大載荷、大功率與大型機(jī)、電、液綜合技術(shù)。這些工作大部分其實(shí)在研制與安裝過程中，已分步驟一一解決了，總調(diào)試就是把它們串起來，發(fā)現(xiàn)新問題并達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。因此，單軸艙離心機(jī)研制重點(diǎn)在乎其漫長的過程之中。

4）而三軸艙離心機(jī)調(diào)試，是在平臺(tái)之上疊羅漢，三軸艙系統(tǒng)地面調(diào)試與平臺(tái)上調(diào)試會(huì)有很大不同，牽扯到三軸系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臂等機(jī)械系統(tǒng)以及主軸電液系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)匹配與控制問題。雖然相對是小系統(tǒng)、小功率，但因三軸艙處在加速度場內(nèi)，其結(jié)構(gòu)變形和動(dòng)態(tài)受力將成為新變數(shù)，控制與協(xié)調(diào)內(nèi)容也含有不少新問題。個(gè)人估計(jì)，如果說，其電控部分經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與不斷改進(jìn)，有望最終獲解；但在計(jì)算機(jī)有限元與仿真計(jì)算出現(xiàn)之前，未經(jīng)任何模型試制與調(diào)整，就僥幸把一個(gè)大型多自由度機(jī)械系統(tǒng)匹配得已經(jīng)可以接受，其可能性不敢斷言，總覺得或大或小都會(huì)遇到一些問題。而機(jī)械系統(tǒng)又非用戶所長，出現(xiàn)問題，機(jī)械裝置改動(dòng)性差的特點(diǎn)必然會(huì)形成攔路虎。遺憾的是，迄今為止尚不知其最終調(diào)試結(jié)果。

我們再看看以后的結(jié)局。

進(jìn)一步發(fā)展的情況是，15年后的它，在20世紀(jì)90年代中后期，被新一代HYG08載人離心機(jī)所取代。

對于老機(jī)器，我們應(yīng)該給它一個(gè)中肯的評(píng)價(jià)：

1）首先不會(huì)忘記它曾經(jīng)的輝煌與奠基作用，以及長達(dá)15年間所完成的歷史使命；在技術(shù)上，它基本忠實(shí)地反映了歷史可能性，未曾愧對歷史，甚至有些方面某種程度上多少會(huì)推動(dòng)國家一些技術(shù)進(jìn)步。

2）另一方面，必究它的加速度啟動(dòng)率不夠理想，機(jī)電液系統(tǒng)過于龐大，液壓系統(tǒng)管理起來頗為費(fèi)力，技術(shù)改造似乎也無從下手。

3）更重要的是，用戶終于認(rèn)識(shí)到半徑可以小到8 m，三軸艙系統(tǒng)可以不要，只要便于控制，便于管理，加速度啟動(dòng)率有所提高就好了；再加上離心機(jī)電動(dòng)系統(tǒng)的快速發(fā)展，自然就導(dǎo)致了更新?lián)Q代的結(jié)果。

人們不能超越歷史，更無意阻攔歷史。自從68機(jī)下崗，期間個(gè)人時(shí)不時(shí)還惦記著，如何使這臺(tái)超大型設(shè)備有朝一日起死回生，繼續(xù)發(fā)揮余熱。比如，如果想提高其加速度啟動(dòng)率，可以考慮更換較短較輕轉(zhuǎn)臂；提高運(yùn)動(dòng)功能，可另外附加一套新的雙軸艙系統(tǒng)；甚至載人之外，利用長臂加裝大振動(dòng)臺(tái)，轉(zhuǎn)化成為一臺(tái)大容量低加速度動(dòng)態(tài)土工離心機(jī)，就像加利福尼亞大學(xué)從 NASA接管過來航空航天物體離心機(jī)將其改造為美國國家土工離心機(jī)那樣，也是不錯(cuò)選擇；總之，情之所系，魂?duì)繅衾@，大有不離不棄之意。

不料，不久前聽說它已經(jīng)被“處理”掉了；當(dāng)它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值被認(rèn)為不如它所占有的土地價(jià)值高時(shí)，那就不能不為之揪心了。慮此，倏感背寒，也頓生感懷。

拋開情感，忘卻冰冷機(jī)器里似曾滲透著、凝聚著中國一批風(fēng)華正茂年輕人精華歲月和無法割舍的掛牽之后，我們將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)投在該設(shè)備的技術(shù)方面，尤其是一些被逼出來的大膽創(chuàng)新之舉與汗水凝結(jié)的結(jié)果之上時(shí)，也許更有前瞻性或可發(fā)現(xiàn)其新價(jià)值，其中有些東西，時(shí)至今日也許還是值得人們?nèi)チ私庖幌碌模f不定它們對于離心機(jī)或者其他大型設(shè)備研制仍有一定啟發(fā)與借鑒作用。

該設(shè)備研制工作是由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所負(fù)責(zé)，用戶單位中國航天醫(yī)學(xué)工程研究所全程參與，主要協(xié)作單位是天水電氣傳動(dòng)研究所，而生產(chǎn)廠商遍及上海、北京等東西南北各地。

5.6.2.2 技術(shù)指標(biāo)

首先讓我們了解一下它的設(shè)計(jì)要求，看看 40年后的今天，是不是變得易如反掌和唾手可得。

先不說1968年當(dāng)初的要求，就是1973年1月根據(jù)初期工作和國家技術(shù)條件，用戶與設(shè)計(jì)者協(xié)調(diào)改減后，最終確定的離心機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：

三軸艙——10 ×(1±1%) m；

單軸艙——12 ×(1±1%) m；

2）最大加速度：

三軸——15 g；

單軸——25 g；

物體——45 g；

3）加速度值增長率：

啟動(dòng)1 s后＞1 g/s，上升至5 g；

5～10 g之間大于2 g/s；

4）座艙：

單軸艙——容積大于2.5 m×1.8 m×2.0 m，有效載荷500 kg；

三軸艙——內(nèi)徑2.5 m，有效載荷300 kg；

5）三軸艙運(yùn)動(dòng)要求：

① 活動(dòng)范圍（除修正重力加速度或切向加速度外）為

內(nèi)環(huán)——0～360o；

中環(huán)——0～±30o；

外環(huán)——0～±30o；

② 角速度：

內(nèi)環(huán)——0.01～0.5 rad/s；

中環(huán)——0.01～0.5 rad/s；

外環(huán)——0.01～0.5 rad/s；

③ 最大角加速度：

內(nèi)環(huán)——0.5 rad/s2；

中環(huán)——0.5 rad/s2；

外環(huán)——0.5 rad/s2；

④ 跟隨性：

頻響：fc=0.5 Hz；

幅值誤差：∣ΔA∣≤5%；

相位：∣ΔΦ∣≤5%；

靜差：≤±0.5o；

⑤ 艙內(nèi)噪音：≤90 dB；

6）單軸艙與三軸艙互換方便；

7）艙內(nèi)供氣：

壓力——120 mm水柱；

流量≥150 L/min；

連續(xù)工作1 h；

8）座椅與躺床互換方便，各節(jié)角度可調(diào)；

9）艙內(nèi)配置顯示儀表、操縱系統(tǒng)、電視監(jiān)視、X光機(jī)、照相機(jī)等設(shè)備；

10）控制：

g值及3自由度運(yùn)動(dòng)可模擬試驗(yàn)曲線；

航天員可控g值及3自由度運(yùn)動(dòng)；

11）匯電環(huán)：

①主軸——152環(huán)，計(jì)：

心電60環(huán)，1 mV，噪音小于10 μV；

腦電20環(huán)，10 μV，噪音小于1 μV；

物理電40環(huán)，20 mA，±0.1 ±100 V；

一般信號(hào)20環(huán)，1 A，5 45 V；

電源8環(huán)，5 A，220 V；

電源4環(huán)，15 A，380 V；

②三軸——104環(huán)，計(jì)：

心電20環(huán)，1 mV，噪音小于10 μV；

腦電20環(huán)，10 μV，噪音小于1 μV；

物理電40環(huán)，20 mA，±0.1 ±100 V；

一般信號(hào)20環(huán)，1 A，5 45 V；

電源4環(huán)，3 5 A，220 V。

改減的主要內(nèi)容是：座艙內(nèi)不再要求安裝振動(dòng)臺(tái)；加速度啟動(dòng)率大幅調(diào)低；而最低啟動(dòng)率也指的是轉(zhuǎn)動(dòng)1 s（不是1 g）后，等等。

這當(dāng)然是一次重要變動(dòng)，也是頭幾年工作的一些共識(shí)，由于當(dāng)時(shí)部分圖紙已投入生產(chǎn)，較大的改變也不可能了，比如如果不強(qiáng)調(diào)從靜止啟動(dòng)，可不考慮靜、動(dòng)態(tài)摩擦過渡問題，全靜壓軸承系統(tǒng)就可省去，研制難度會(huì)大大降低等。

但是，以20多年后對HYG08載人離心機(jī)的要求反證，這個(gè)技術(shù)指標(biāo)還是很高的，比如半徑長度8 m與12 m，1 g啟動(dòng)與1 s啟動(dòng)，特別是單軸艙與三軸艙的重大區(qū)別以及有無人機(jī)控制等等，這樣高要求的載人離心機(jī)至今我國不要說還未出現(xiàn)，可能尚無人問津。這個(gè)指標(biāo)，除了未要求視景系統(tǒng)外，硬件基本就是一臺(tái)直徑龐大的三軸動(dòng)態(tài)飛行模擬器，而且還是人、物兩用離心機(jī)。

現(xiàn)在看來，作為航天載人離心機(jī)，半徑8 m配置一個(gè)兩軸艙系統(tǒng)，具備滾轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)態(tài)過程重力加速度與切向加速度效應(yīng)處理好就很理想了，半徑短一些再少一條軸其技術(shù)難度將會(huì)降低很多。如果40年前按這個(gè)方向攻關(guān)，而且不考慮兩用并組織得更好一些的話，也許還是有一定實(shí)現(xiàn)可能的，且至今也不落后。

圖5-57和圖5-58分別表示出單軸艙和三軸艙載人離心機(jī)的外形。

我們看到的是一個(gè)直徑達(dá)30 m的大廳和一臺(tái)龐大的機(jī)器：離心機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量達(dá)65 t（三軸艙系統(tǒng)），主機(jī)總質(zhì)量為150 t；地下室還有數(shù)十臺(tái)套電動(dòng)機(jī)-液壓泵、供電柜、液壓伺服控制系統(tǒng)、潤滑油源以及龐大的管路網(wǎng)及其安全保護(hù)裝置等等系統(tǒng)和設(shè)備；全機(jī)總質(zhì)量約為200 t，裝機(jī)總電功率達(dá)到4 200 kW。

包括樓上模擬給定系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)、生理研究系統(tǒng)，洋洋灑灑，將當(dāng)時(shí)從微電子到大功率機(jī)、電、液等能反映時(shí)代特征的技術(shù)集于一身的這樣一臺(tái)室內(nèi)特大型試驗(yàn)設(shè)備，終于由一紙技術(shù)指標(biāo)展現(xiàn)在面前，當(dāng)這個(gè)龐然大物擺在那里的時(shí)候，確實(shí)令人震驚，連研制者自己都沒有想象到。

圖5-57 BISEE單軸艙載人離心機(jī)外形Fig. 5-57 BISEE single axle cabin manned centrifuge shape

圖5-58 BISEE三軸艙載人離心機(jī)外形Fig. 5-58 BISEE three axle cabin manned centrifuge shape

離心機(jī)研制全過程，用戶單位始終和設(shè)計(jì)方密切合作，共同參與和監(jiān)管，研制情況一目了然，試車過程與用戶共同操作，幾乎不用什么交接，就過渡過去了。設(shè)備使用過程中，用戶進(jìn)一步對液壓補(bǔ)油系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)、靜壓油源和補(bǔ)償系統(tǒng)、定點(diǎn)停車等環(huán)節(jié)進(jìn)行了局部改進(jìn)，使啟動(dòng)瞬間的加速度增長率達(dá)到了 1.9 g/s[26,27]，這已大大超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)。在中國實(shí)現(xiàn)真正載人航天夢之前，正是利用它為國家航天醫(yī)學(xué)研究作出歷史性貢獻(xiàn)，同時(shí)也為未來載人離心機(jī)和動(dòng)態(tài)飛行模擬器研制取得一定經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

此外，離心機(jī)作為物用時(shí)，轉(zhuǎn)臂可懸掛質(zhì)量為5.5 t的大試件，半徑12 m處加速度可達(dá)45 g，轉(zhuǎn)臂最大負(fù)載容量約為250 gt，就是說，該離心機(jī)同時(shí)具有特大型物體離心機(jī)試驗(yàn)潛力，如果加以利用的話。

如此規(guī)模的離心機(jī)當(dāng)時(shí)堪稱亞洲第一，也可進(jìn)入世界靠前行列

5.6.2.3 轉(zhuǎn)子

圖5-59為三軸艙載人離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-59 BISEE三軸艙載人離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-59 BISEE triaxial cabin manned centrifuge structure drawing

三軸艙系統(tǒng)不是指三軸轉(zhuǎn)動(dòng)離心機(jī)，而是指三軸艙系統(tǒng)本身就具有滾轉(zhuǎn)、俯仰和自旋3根軸；如果連離心機(jī)主軸算在內(nèi)，應(yīng)該是 4軸轉(zhuǎn)動(dòng)離心機(jī)。但是在結(jié)構(gòu)上三軸艙系統(tǒng)只能看到兩根軸系，其中俯仰軸是由內(nèi)外框間大軸承形成的無軸轉(zhuǎn)動(dòng)副，這個(gè)構(gòu)造是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)，不但簡化了結(jié)構(gòu)，而且為艙門開啟提供了敞開的空間，難度則完全系于大軸承上。當(dāng)時(shí)如此大的輕型軸承還沒有，為此，自行研制了鋼絲滾道軸承。

質(zhì)量為4.5 t的三軸艙系統(tǒng)由內(nèi)外框及座艙兩大部件組成，內(nèi)外框間形成直徑為3 400 mm自制大型鋼絲滾道軸承，框的轉(zhuǎn)動(dòng)由可控硅-直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)諧波減速器-小齒輪，嚙合扇形齒輪副所驅(qū)動(dòng)；滾轉(zhuǎn)軸和自旋軸也分別由各自可控硅-直流伺服電動(dòng)機(jī)-諧波減速器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；三軸艙體為承力框加蒙皮結(jié)構(gòu)；而質(zhì)量為1.5 t的單軸艙體則為殼加筋結(jié)構(gòu)。

三軸艙鋼絲軌道軸承雖然經(jīng)過地面跑合，運(yùn)轉(zhuǎn)自如，但在加速度場內(nèi)，負(fù)載增加、內(nèi)外框變形不一致等因素，均會(huì)影響其性能，無疑這個(gè)環(huán)節(jié)很可能會(huì)成為成敗的制約。

此外，鋼絲滾道軸承的剛度和與系統(tǒng)匹配情況也是一個(gè)未知因素。

圖5-60至圖5-63表示了單軸艙，三軸艙及其傳動(dòng)的一些情況。

圖5-60 單軸艙在轉(zhuǎn)臂上Fig. 5-60 Single axle cabin on arm

圖5-61 三軸艙系統(tǒng)與地面支架Fig. 5-61 Triaxial cabin on the ground support

圖5-62 三軸艙系統(tǒng)在離心機(jī)上Fig. 5-62 Triaxial cabin system on centrifuge

圖5-63 三軸諧波與大齒輪傳動(dòng)Fig 5 -63 The harmonic drive meshing with great gear of triaxial cabin system

轉(zhuǎn)臂為16Mn鋼管焊接結(jié)構(gòu)，尺寸為15.4 m× 2.75 m×1.4 m的桁架式長短臂，短端長度為2.5 m，與三軸艙叉頭或單軸艙加長臂的換接均采用 4個(gè)雙向螺旋接頭結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臂部件包含配重在內(nèi)自身質(zhì)量約為30 t。

圖5-64表示轉(zhuǎn)臂中央及配重端的局部圖，圖5-65表示雙頭螺旋接頭部分。

圖5-64 轉(zhuǎn)臂配重端及與轉(zhuǎn)臺(tái)的聯(lián)接Fig. 5-64 Arm’s counterweight end jointed with turntable

圖5-65 轉(zhuǎn)臂雙向螺旋接頭Fig. 5-65 Arm’s stud joints

5.6.2.4 主軸液壓驅(qū)動(dòng)

離心機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)采用多泵多馬達(dá)系統(tǒng)，其構(gòu)成為：14臺(tái)功率為270 kW的ZB740柱塞式變量泵并聯(lián)，將其調(diào)整斜盤統(tǒng)一由液壓作動(dòng)筒-連桿系統(tǒng)操縱，后者受QDY1-C100型電液伺服閥根據(jù)模擬機(jī)給定曲線控制，以最高21 MPa壓力，將大至10 000 L/min的油液輸送給16臺(tái)ZM740定量式液壓馬達(dá)，形成一個(gè)龐大的組合容積式液壓調(diào)速系統(tǒng)。

圖5-66至圖5-70表示從300 kW交流電動(dòng)機(jī)到液壓泵、伺服閥系統(tǒng)到液壓作動(dòng)筒-連桿系統(tǒng)，直到進(jìn)入轉(zhuǎn)臺(tái)前之龐大的液壓系統(tǒng)圖片。

圖5-66 14臺(tái)300 kW交流電動(dòng)機(jī)組Fig. 5-66 14-300 kW AC motor group

圖5-67 14臺(tái)270 kW液壓泵組之一Fig. 5-67 One of the 14-270 kW hydraulic pump groups

圖5-68 伺服閥控制站Fig. 5-68 Servo valve control station

圖5-69 14臺(tái)泵組聯(lián)動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件Fig. 5-69 The linked device executive component of 14-pump group

圖5-70 10 000 L/min高壓油液管道及其安全閥系統(tǒng)Fig. 5-70 10 000 L/min high pressure hydraulic pipeline and safety valve system

這一套輸入電功率高達(dá)4 200 kW的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅在當(dāng)時(shí)，就是現(xiàn)在，國內(nèi)外也不多見，其主要工作量除每一個(gè)關(guān)鍵部件需逐一進(jìn)行研制外，系統(tǒng)集成和大流量管道系統(tǒng)也是陌生課題。

5.6.2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)

該離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)不僅是承上啟下結(jié)構(gòu)上的中心，上面承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量，保證精密匯電環(huán)組安裝與正常轉(zhuǎn)動(dòng)；下面與地基通過球面可調(diào)墊鐵調(diào)平與固定；同時(shí)，還承擔(dān)著16臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)功率的動(dòng)力耦合、完成機(jī)械減速功能；并保證轉(zhuǎn)子定位和低摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，以及承受龐大的垂直與徑向負(fù)荷。

轉(zhuǎn)臺(tái)的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)高精度大型人字齒輪及一組高質(zhì)量全靜壓軸承系統(tǒng)：大型人字齒輪直徑為3 838 mm、質(zhì)量為 22 t，將均勻環(huán)繞其圓周的 16個(gè)ZM740液壓馬達(dá)-小齒輪軸系，耦合成為5×105N·m驅(qū)動(dòng)力矩。比液壓泵增加了兩臺(tái)液壓馬達(dá)，為的是增加啟動(dòng)力矩，有利于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量為65 t的轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn)；大齒輪精度高達(dá)6-5-5級(jí)，傳動(dòng)比為21.5，這個(gè)系統(tǒng)一舉完成了減速、精密傳動(dòng)、動(dòng)力耦合與多馬達(dá)同步功能。

轉(zhuǎn)子被一組直徑為2 300 mm的靜壓軸承和直徑為2 900 mm的靜壓導(dǎo)軌組成的特大型高速全靜壓系統(tǒng)所支承，以厚度為0.1 mm的剛性油膜解決靜、動(dòng)態(tài)摩擦過渡和承載問題，構(gòu)成全液體摩擦副，油膜補(bǔ)償元件為對稱油池間反饋式滑閥。

轉(zhuǎn)臺(tái)大底座被設(shè)計(jì)為垂直面兩半剖分，后再榫接、密封的拼合式結(jié)構(gòu)，大齒輪的極限尺寸以及大底座拼接方案，都是受限于尚未確定的三線地區(qū)火車超限運(yùn)輸尺寸的規(guī)定。

轉(zhuǎn)臺(tái)大齒輪加工利用萬噸水壓機(jī)、精密滾齒機(jī)等一流設(shè)備，轉(zhuǎn)臺(tái)總質(zhì)量達(dá)到86 t。

圖5-71及圖5-72分別表示轉(zhuǎn)臺(tái)外形和結(jié)構(gòu)，圖5-73表示液壓馬達(dá)及其供油管路。需要進(jìn)一步說明的是：

· 采用人字齒輪為的是上下分別各分布8個(gè)小齒輪組，以抵消斜齒輪傳動(dòng)所形成的軸向力；

· 小齒輪座與大底座采用鉗工刮配法，代替當(dāng)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)的多孔精密鏜孔定位工藝；

· 靜壓軸承加工采用了諸如大修加工設(shè)備、利用夜靜精車和鉗工翻刮等繁復(fù)的工藝措施；

· 靜壓軸承和靜壓導(dǎo)軌表面都覆蓋以專制軸承合金，其中大直徑軸承套采用軸承金屬噴涂工藝，一旦靜壓系統(tǒng)失效就轉(zhuǎn)化為壓力潤滑的滑動(dòng)軸承，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)安全。

圖5-71 BISEE載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)部件外形圖Fig. 5-71 BISEE Manned centrifuge turntable outline

圖5-72 BISEE載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)部件結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-72 BISEE Manned centrifuge turntable structure drawing

圖5-73 轉(zhuǎn)臺(tái)16臺(tái)液壓馬達(dá)及其供油管路Fig. 5-73 16 hydraulic motors and oil pipelines of turntable

轉(zhuǎn)臺(tái)部件備有專用潤滑油源，提供靜壓軸承系統(tǒng)精濾的穩(wěn)定壓力油和為16個(gè)齒輪傳動(dòng)副及齒輪軸軸承系提供潤滑、冷卻用油。為簡化油路，二者均采用同一油品。

5.6.2.6 匯電環(huán)

40年前還是模擬量時(shí)代，主軸和三軸系統(tǒng)共有強(qiáng)、弱電匯電環(huán)7套，當(dāng)時(shí)還沒有計(jì)算機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)，用于心、腦微信號(hào)的模擬量必須長距離串聯(lián)傳輸，因此，要求研制出高精密、抗干擾匯電環(huán)及其傳輸系統(tǒng)，所以匯電環(huán)的研制周期甚至比整個(gè)機(jī)器還要漫長。

自行研制的精密匯電環(huán)特點(diǎn)：

· 強(qiáng)電采用金銅合金環(huán)、銀石墨刷、恒力彈簧；

· 弱電為金銀銅合金環(huán), 金鎳絲；

· 匯電環(huán)均采用環(huán)氧樹脂整體澆鑄成形的結(jié)構(gòu)，返工率很高。

電氣與控制

電氣部分分為：

· 主驅(qū)動(dòng)為14×300 kW，總計(jì)4 200 kW交流電動(dòng)機(jī)供電與控制系統(tǒng)；

· 三軸可控硅-直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；

· 離心機(jī)給定與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)在這些系統(tǒng)完全可以輕易地取得供應(yīng)商高質(zhì)量配套產(chǎn)品，而在當(dāng)時(shí)困難重重，可控硅供電系統(tǒng)特別是模擬計(jì)算機(jī)都進(jìn)行了漫長的研制過程。

茲用圖5-74至圖5-77給出了離心機(jī)電氣系統(tǒng)的外形圖，目的是對比一下30年前的技術(shù)狀態(tài)。

圖5-74 4 200 kW電源開關(guān)柜Fig. 5-74 4 200 kW power switch cabinet

圖5-75 離心機(jī)模擬給定系統(tǒng)Fig. 5-75 Centrifuge preset system

圖5-76 離心機(jī)控制臺(tái)Fig. 5-76 Centrifuge control bench

圖5-77 生理試驗(yàn)控制臺(tái)Fig. 5-77 Physiological test control bench

該離心機(jī)主要由上海彭浦機(jī)器廠、上海四方鍋爐廠、上海液壓泵廠、上海造紙機(jī)器廠、上海汽輪機(jī)廠、上海儀器廠、第一重型機(jī)器廠、北京鍋爐廠、北京開關(guān)廠、天水電氣傳動(dòng)研究所等數(shù)十家大型工廠和近百家協(xié)作單位協(xié)作和承制。

載人離心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

· 長短臂，固定配重，鋼管焊接桁架式承力梁，臂端四接點(diǎn)雙螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)；

· 雙框式大型自制鋼絲滾道軸承三軸艙系統(tǒng)；

· 主軸大功率大流量多泵多馬達(dá)組合容積式液壓調(diào)速系統(tǒng)；

· 多馬達(dá)組合高精度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)；

· 大直徑全靜壓高速軸承系統(tǒng)；

· 高精密匯電環(huán)；

· 可控硅-伺服電機(jī)控制系統(tǒng)；

· 模擬給定裝置。

載人離心機(jī)研制之時(shí)，最令人困擾的重大技術(shù)問題有：

9） 多馬達(dá)系統(tǒng)同步與調(diào)零問題：

· 14臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)同步；

· 液壓泵斜盤調(diào)零與同步；

· 電液伺服閥與系統(tǒng)調(diào)零；

· 16臺(tái)液壓馬達(dá)同步與大齒輪關(guān)系；

2）大流量液壓系統(tǒng)發(fā)熱、制冷及能量回收問題；

3）液壓管系補(bǔ)油、出氣、水擊、變形、阻尼等問題；

4）轉(zhuǎn)子大慣量與液壓系統(tǒng)流體大慣量對離心機(jī)快動(dòng)性的影響與分析；

5）轉(zhuǎn)臺(tái)全靜壓軸承系統(tǒng)——關(guān)乎離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)成敗的大問題；

6）三軸系統(tǒng)鋼絲軌道軸承——關(guān)乎三軸轉(zhuǎn)動(dòng)成敗的大問題；

7）三軸與轉(zhuǎn)臂機(jī)械系統(tǒng)頻率匹配問題；

8）三軸與主軸控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)問題；

9）航天員可控g值問題。

最后，報(bào)告一下剛剛落實(shí)的消息：

· 鑒于使用原因，主要任務(wù)利用單軸艙離心機(jī)已經(jīng)滿足需要，為確保任務(wù)起見，三軸艙系統(tǒng)并沒有繼續(xù)調(diào)試下去；但無論地面或裝在臂上，三軸艙系統(tǒng)都可運(yùn)轉(zhuǎn)自如，尚未發(fā)現(xiàn)任何重大問題；

· 保證離心機(jī)啟動(dòng)時(shí)不跳閘，用戶還曾將大功率滿壓啟動(dòng)改造為降壓啟動(dòng)；

· 離心機(jī)最后還是被廢止了，原址已成為所工廠大樓。

最終去向已不重要，技術(shù)人員還是關(guān)心技術(shù)，盡管三軸艙系統(tǒng)未暴露大問題，表現(xiàn)的卻比設(shè)想的要好得多。

5.6.3 大型土工離心機(jī)

1986年 9月開始為中國水利水電科學(xué)院巖土工程研究所研制大型土工離心機(jī)，它系國家“七五”科技攻關(guān)某課題“17-1高土石壩技術(shù)研究”專題中的關(guān)鍵攻關(guān)技術(shù)。該離心機(jī)按時(shí)一次試車成功，于1991年3月經(jīng)國家驗(yàn)收，運(yùn)行至今。

關(guān)于這臺(tái)離心機(jī)，在后面將作為設(shè)計(jì)實(shí)例將以詳盡介紹。這里只提綱挈領(lǐng)地作一簡介[28]，其方案設(shè)計(jì)圖見圖5-78和圖5-79。實(shí)際結(jié)果與此稍有不同，如轉(zhuǎn)臂的整流罩已改為前后對稱，而不是如圖所示的非對稱形。

圖5-78 BISEE 450 gt大型土工離心機(jī)及其建筑設(shè)計(jì)（正視圖）Fig. 5-78 BISEE 450 gt large geotechnical centrifuge and construction design (elevation view)

圖5-79 BISEE 450 gt大型土工離心機(jī)及其建筑設(shè)計(jì)(俯視圖)Fig. 5-79 BISEE 450 gt large geotechnical centrifuge and construction design (vertical view)

LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表5-7所示：

表5-7 BISEE LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 5 -7 BISEE LXJ-4-450 geotechnical centrifuge major technical targets

LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表5-8所示：

表5-8 BISEE LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 5 -8 BISEE LXJ-4-450 geotechnical centrifuge major technique parameters

LXJ-4-450土工離心機(jī)外形如圖5-80所示[29]：

圖5-80 BISEE LXJ-4-450土工離心機(jī)外形圖Fig. 5-80 BISEE LXJ-4-450 Geotechnical Centrifuge outline

該離心機(jī)是北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所設(shè)計(jì)、用戶組織研制的一臺(tái)設(shè)備，由第一重型機(jī)器廠承制。

筆者負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)和全機(jī)研制技術(shù)工作，由于其技術(shù)指標(biāo)的重大跨越，又不得不從學(xué)校重新組織一批畢業(yè)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，其所費(fèi)之心力和所得到的提高也是無與倫比的，也可以說正是經(jīng)這臺(tái)離心機(jī)工作和充實(shí)之后，才奠定了本文的寫作意圖與基礎(chǔ)。

LXJ-4-450土工離心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

·對稱轉(zhuǎn)臂；

·不對稱雙擺動(dòng)吊籃；

·鍛造空心圓柱形鋼承力臂桿；

·試件長度方向與主軸平行的配置方式；

·全整流轉(zhuǎn)子；

·下支撐；

·下傳動(dòng)。

縱觀中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所離心機(jī)，除載人離心機(jī)和第一臺(tái)中型離心機(jī)外，具有如下共同特點(diǎn)：

·對稱轉(zhuǎn)臂；

·不對稱吊籃；

·全整流轉(zhuǎn)子。

中型離心機(jī)絕大多數(shù)具有：

·天平式轉(zhuǎn)臂。

所有離心機(jī)都是：

·下支撐；

·下傳動(dòng)；

·稀油潤滑。

離心機(jī)盡量做到：

·傳動(dòng)與主軸支撐合一；

·匯電環(huán)引線從下部傳出；

·減少實(shí)驗(yàn)室層次。

（未完待續(xù)）

（

）

[23] 賈普照. 離心機(jī)研制技術(shù)志[R]

[24] 賈普照. 其他有關(guān)的未發(fā)表資料[Z]

[25] 潘厚任, 吳志誠, 何正華, 等. 趙九章先生與我國衛(wèi)星事業(yè)[C]//趙九章紀(jì)念文集, 1997

[26] 曹宏年, 續(xù)玉麟, 楊萬春, 等. 68型人用離心機(jī)液壓系統(tǒng)分析及改造效果[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 1997, 10 (2)

[27] 曹宏年, 楊萬春, 續(xù)玉麟, 等. 68型載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)靜壓支承油膜振蕩現(xiàn)象分析和改進(jìn)[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 1998, 11 (2)

[28] 賈普照. LXJ-4-4 5 0土工離心機(jī)設(shè)計(jì)報(bào)告[R].“七五”國家科技攻關(guān)技術(shù)報(bào)告. 1990-12

[29] 候瑜京. 大型土工離心機(jī)試驗(yàn)設(shè)備簡介[Z]. 2009