賈普照

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029）

第7章 離心機總體設計（續(xù)Ⅲ）

目錄

7.5 離心機總體構(gòu)造

7.5.1 主軸系統(tǒng)與機械傳動

7.5.2 上傳動與下傳動

7.5.3 吊籃甩動問題

7.5.4 對稱臂與不對稱臂

7.5.5 大電機與小電機

7.5.6 液壓傳動與電氣傳動

7.5.7 匯電環(huán)走線

7.6 離心機實驗室

7.6.1 實驗室構(gòu)形

7.6.2 實驗室溫升

7.6.3 設備基礎

7.5 離心機總體構(gòu)造

在解決了離心機半徑、功率等問題之后，離心機的總體構(gòu)造必然會提上設計日程。

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

對離心機進行總體構(gòu)造和技術決策的時候，經(jīng)常被議及的問題往往有：上傳動好還是下傳動好，對稱臂好還是不對稱臂好，外形整流好還是不整流好，吊籃甩動好還是不甩動好，大電機好還是小電機好，液壓傳動好還是電氣傳動好，實驗室是兩層、三層還是單層等等。本文第3章到第5章已經(jīng)呈現(xiàn)了離心機發(fā)展歷程中的多樣性及其趨勢，可以部分回答上述問題；除外形整流已在功率計算中表達了作者觀點之外，其余將逐一根據(jù)筆者經(jīng)驗討論。

需要再次說明的是：存在的就是合理的，條條道路通羅馬，對于技術路線和技術措施誰都不可能劃出一條線來予以規(guī)定。因為除了技術和經(jīng)濟因素之外，設計工作乃是人類參與的最富有活力的創(chuàng)造性活動之一，主客觀因素甚至設計者性格、好惡等都會對設計產(chǎn)生影響；更重要的是既然我們鼓勵創(chuàng)新，就必須杜絕條條框框。因此，以下的討論內(nèi)容僅僅代表個人目前的一些看法而已，屬于一管之見，雖然表達了傾向性意見，并不包含任何特別的褒貶，除了對某些已被事實證明確實會失手的那些部分外，其余僅供讀者參考。

7.5.1 主軸系統(tǒng)與機械傳動

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

1）積木式

積木式基本就是各個主要要素間的按需搭建，是由每個各自獨立的部件通過建筑物、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

圖中每個部件都是各自獨立的：轉(zhuǎn)子是獨立的；主軸支撐系統(tǒng)是獨立的；傳動系統(tǒng)也是獨立的，其實它就是一臺標準減速器。整體上如果需要將尺寸加高，就設計一個中央支座；匯電環(huán)部件則因勢安裝在天花板上。

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

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

· 自行設計的工作量較小、建造速度快，經(jīng)濟性好；

· 缺點是整體性稍差，設計者受制于積木塊元素；

· 積木式搭建的方式，最適合于初級設計者或者離心機廠商快速經(jīng)濟地完成任務；

· 假如設計方同時承包了設備與建筑物，其經(jīng)濟性則值得進一步推敲。

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[10,11]在本文相同環(huán)境下實現(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[10,11]，本文以更小的面積損耗實現(xiàn)了良率提高.此外在TAU2013的仿真環(huán)境下也有同樣效果.通過緩沖器使用量的壓縮，最終得到緩沖器的面積小于文獻[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)與第二級減速齒輪副結(jié)合起來，設計成為一個轉(zhuǎn)臺部件，再另外增加一個獨立的傘齒輪減速器以進行傳動轉(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)點是：將主軸上下部分的空間都空出來了，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，也減小了減速器規(guī)模，將主軸與齒輪副放在一個部件內(nèi)，允許統(tǒng)一采用稀油潤滑，改善了整個系統(tǒng)的潤滑特別是冷卻功能，當然也便于傘齒輪采用外購齒輪或標準減速器；轉(zhuǎn)臺外圓可被設計為制動器的制動圓盤；整體性有所改善。

混合式的缺點是自行設計工作量大，成本高。

3）一體式

一體式結(jié)構(gòu)是指主軸系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)合二而一，設計成為一個綜合式轉(zhuǎn)臺，從而構(gòu)成了中傳動布局。如圖7-46所示。

一體式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點：設備整體性更好，便于維修；特別是大大簡化了實驗室構(gòu)造，乃是實現(xiàn)中傳動布局的必然構(gòu)造。

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

7.5.2 上傳動與下傳動

上傳動與下傳動屬于大布局問題，主要討論的是驅(qū)動系統(tǒng)與主機間相互位置的配置關系。

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

上傳動布局的主要優(yōu)點是：

· 實驗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)和機械傳動系統(tǒng)位于干燥、通風環(huán)境之中，便于維護管理；

· 適用于地下水位較高，空氣濕度大的地理環(huán)境。

主要缺點是：

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

· 大型離心機的高度尺寸大，勢必進一步造成主軸支撐距變長，剛度變?nèi)酰?/p>

· 較重的電動機和減速器不可能直接放在天花板上，因此通常需要通過一條長長的傳動軸過渡，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等需要快動性的機型。

圖7 -47 上傳動布局Fig.7-47 Top transmission layout

圖7 -48 下傳動布局Fig.7-48 Under transmission layout

自然，對于大電機直接驅(qū)動的離心機來說，由于電動機十分笨重，只有下傳動一種配置方法，不存在上傳動的可能性。

此外，利弊權(quán)衡和離心機發(fā)展的動向都顯示：

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

對于驅(qū)動系統(tǒng)與主機的相互關系，除了上、下傳動之外，還有一種中傳動配置法值得考慮，即機電傳動系統(tǒng)與離心機主機同居一室，既不需要地下室也可不需要借助天花板。

作為中型離心機來說，大抵均可采用中傳動配置法，就是大型離心機也可如此配置。這種情況下，對航空航天物體離心機來說，由于加速度適中，風阻問題還不特別突出；但對大型土工離心機來說，為減少風阻，其措施不是必須為電動機加裝整流罩（如圖 7-49所示），就是必須在功率設計中計入裸露電動機和傳動裝置部分的風阻功率。

圖7 -49 中傳動布局Fig.7-49 Middle transmission layout

筆者還傾向于大型航空航天物體離心機也應盡可能考慮中傳動配置，以減少基建成本和地下室潮濕、維護管理不便等問題。附帶的好處是：由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對不高和半徑較長，實際上，靠近實驗室中央的傳動系統(tǒng)所增加的風阻損失有限；而且還可以利用室內(nèi)風速直接降溫，完全有可能拆除電動機原配通風機，使外觀更加簡潔。

20世紀90年代，我們出口的一臺大型離心機已經(jīng)成功地做了這個嘗試。

同時，建議載人離心機不妨也向這個方向努力，其優(yōu)點還可增加一條，即可縮短主軸傳動鏈，提高傳動剛性，結(jié)構(gòu)上至少可以減少一個聯(lián)軸器環(huán)節(jié)。

中傳動配置的缺點是不能利用標準減速箱了，設計者必須同時具備主軸支撐和機械傳動兩種系統(tǒng)的設計能力；制造成本和研制周期都會增加。這種情況下，如果非要使用標準減速器，似乎也可參考圖7-49的辦法進行搭建。

順便說一句，不論何種配置，出于安全考慮，強烈建議離心機主機與檢測控制室不能處在同一平面上，不論保護墻如何之堅固。

7.5.3 吊籃甩動問題

吊籃甩動與否視情況而定，需要分類逐一進行分析。

作為航空航天物體離心機來說，因為試驗對象都是結(jié)構(gòu)件，吊籃甩動與否無關緊要，原則上不要求甩動。

只有中型物體離心機因為采用人工搬運試件進行安裝，為創(chuàng)造一個安放平臺，可采用能轉(zhuǎn)動90°的轉(zhuǎn)動式吊籃，當?shù)趸@平臺處于水平狀態(tài)時安裝試件；裝好以后再將吊籃平臺轉(zhuǎn)動為垂直狀態(tài)，加以固定后再行運轉(zhuǎn)。

對于大型物體離心機，試件安裝過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。

對于土工離心機和載人離心機，為了隨時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的，而且運轉(zhuǎn)過程中無需固定。

由于載人離心機加速度較低，而航空航天物體離心機的試件吊籃不必甩動，因此，它們的配重吊籃也就都不用甩動了。載人離心機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配重即可。

而物體離心機為了精確調(diào)配質(zhì)量和質(zhì)心，需要稍微復雜一些的配重設計，但都不需要甩動，甚至可將轉(zhuǎn)臂延長當作配重吊籃。

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

為進行含水模型試驗，土工離心機試件吊籃必須可以甩動，以便使模型無論在靜止還是甩動過程中都可以保持其原始形態(tài)。但甩動過程受到轉(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g大小，理論上卻總是使得試驗吊籃不可能被完全甩平，從而使吊籃擺動半徑與轉(zhuǎn)臂中心線間會出現(xiàn)一個遺留角α，如圖7-50所示。

圖 7-50 吊籃擺動圖Fig.7-50 Basket swinging chart

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

設吊籃質(zhì)量為m，擺動軸摩擦系數(shù)為f，繞擺動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。

設吊籃質(zhì)量為5 000 kg，在300g加速度下，此擺動遺距將造成對擺動軸水平線向上的一個力矩為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軸摩擦力矩傳遞給了轉(zhuǎn)臂，其大小為

此力矩對于轉(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，無疑對主軸系統(tǒng)造成了動不平衡，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，離心機啟制動過程中或運轉(zhuǎn)加速度變化的時候，試件吊籃擺角的大小就會有不同的變化，此力矩也隨之改變。固定配重不可能適應變化著的所有情況，因此，土工離心機采用雙擺動吊籃是一個很科學的平衡方法。由于轉(zhuǎn)臂兩端各有一個擺動吊籃，其擺動角不論在任何轉(zhuǎn)數(shù)下都是相同的，它們對轉(zhuǎn)臂隨時都產(chǎn)生完全相同的兩個反向力矩。該力矩既改善了轉(zhuǎn)臂受力，又抵消了對主軸支承的附加載荷，從而大大提高了運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性及主軸軸承壽命，使離心機達到動態(tài)平衡。

此外，雙擺動吊籃必須與對稱轉(zhuǎn)臂相配合，個中道理不言自明。

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

茲將筆者對各類離心機吊籃連接方式的建議，歸納為表7-14。

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

7.5.4 對稱臂與不對稱臂

離心機設計半徑主要確定的是試驗端半徑。試驗端既定之后，配重端則可長可短，形成了所謂對稱臂與不對稱臂之說。其最大的考量點在于轉(zhuǎn)動慣量和風阻問題，當然，配重方案的考量也是一個因素。

轉(zhuǎn)動慣量與半徑平方成正比。配重端的集中質(zhì)量距轉(zhuǎn)動中心越近其轉(zhuǎn)動慣量越小，一般說來，其風阻也小一些，這是不對稱轉(zhuǎn)臂的優(yōu)點。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)量將會增加，它的增量直接增加了主軸支撐的載荷而成為缺點。

因此，對于視轉(zhuǎn)動慣量為主要矛盾的載人離心機而言，不對稱臂轉(zhuǎn)臂應該是不二的選擇。只有物體離心機才存在可選、可議之處。

前邊已經(jīng)討論過了土工離心機雙甩動吊籃宜與對稱轉(zhuǎn)臂相配合的問題，剩下的就是航空航天物體離心機與不采用雙甩動吊籃的土工離心機要不要再強調(diào)對稱臂與不對稱臂了。其實這已經(jīng)是第二層次的選擇，見仁見智而已。筆者個人仍傾向于對稱臂，因為對稱臂總質(zhì)量小，支撐系統(tǒng)負擔小，減小快速軸承的負擔對保證其壽命是有價值的。軸承雖小，成本也有限，可一旦損壞就意味著大拆大卸，比較下來還不如稍稍增加一點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配重吊籃都與轉(zhuǎn)臂同高同形，形同轉(zhuǎn)臂的一截延長段，轉(zhuǎn)臂呈扁平整流狀，風阻甚小。就是說，我們完全可以既利用其優(yōu)點又克服其缺點，達致兩全其美的結(jié)果。

因此，筆者傾向于：

· 載人離心機采取長短臂整流結(jié)構(gòu)；

· 物體離心機采取等長臂整流結(jié)構(gòu)。

7.5.5 大電機與小電機

所謂小電機就是采用臥式電動機加機械減速和換向傳動裝置的機電聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)，大電機即采用立式大扭矩電動機直接連接主軸的驅(qū)動方式（如圖7-51[20]）。

圖 7-51 AMST載人離心機大電機安裝過程Fig.7-51 AMST human centrifuge big-size motor installation process

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

現(xiàn)在分析一下大電動機方案的優(yōu)缺點：

· 優(yōu)點是肯定的。直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，維護管理簡單，研制協(xié)作關系也簡單；系統(tǒng)扭振剛度提高。

· 但是，大電動機方式至少還得保留一個大扭矩聯(lián)軸器，用以連接電動機與主軸。如果采用固定聯(lián)軸器，安裝調(diào)整起來就非常困難。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)，只能說是部分解決了問題。

可是代價并不?。?/p>

· 沒有了機械系統(tǒng)的減速比，也就沒有了可以減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和采用高轉(zhuǎn)速電動機的可能性，這兩個因素意味著整機轉(zhuǎn)動慣量將成平方增加。低速大電動機和大扭矩聯(lián)軸器自身的轉(zhuǎn)動慣量都不小，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、變電所等一系列設施的投資，就是說需要付出不小的經(jīng)濟代價。

筆者沒有機會比較二者真正的技術經(jīng)濟，單從中國工程物理研究院結(jié)構(gòu)力學研究所一號機改造情況可見一斑。這是一個大電動機系統(tǒng)改造為小電動機系統(tǒng)的例子。原設計為驅(qū)動功率1 000 kW的大電動機直接驅(qū)動系統(tǒng)，因為電動機年久銹蝕，于世紀之交改造為993 kW、718 r/min的小電動機加齒輪減速箱的系統(tǒng)。他們分解拆除了原來近50 t重的大電動機，再安裝了一臺4.2 t重的減速器和輸出軸，再加上2 t橫梁等輔助設施，計入新電動機和電機座等重量時，總重量不足原一只電動機重量之半[21]，這些還不算原來所配置的交流電動機-直流發(fā)動機組等供電調(diào)速部分（如果是的話）。可見，單單重量置換就有如此之大的差別，他們大換小的理由肯定是經(jīng)過論證的。如果大電動機經(jīng)濟性更好的話，換個電動機豈不更方便，何必費力去改造系統(tǒng)？

實際上，當今世界就載人離心機來說，也是大電機和小電機方案并存不悖；就數(shù)量而言，小電機還偏多一些，說明技術上它們都能達到同樣的水平，關鍵是要在經(jīng)濟性、可行性和維護管理上作比較，當然設計者的習慣和協(xié)作關系等也在決定因素之列。

7.5.6 液壓傳動與電氣傳動

前已述及，離心機驅(qū)動采用液壓系統(tǒng)的也不少。如果單從維護管理角度出發(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)又會被否決。比如筆者所在單位研制的特大型載人離心機，要將16臺300 kW執(zhí)行部件耦合到直徑5 400 mm的轉(zhuǎn)臺上，只有液壓馬達做得到。

超載能力也是一個考慮點，特別是啟動瞬間的力矩與功率能不能達到要求很關鍵，這里主要指的是載人離心機。

此外，還與設計者對于技術的熟悉程度以及與什么協(xié)作廠商合作也有關系。包括大電動機方案在內(nèi)，比如原蘇聯(lián)TsF-18載人離心機是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)設備制造公司，他們采用大電機方案順理成章。而熟悉液壓技術的其他歐洲公司，使用液壓驅(qū)動的就多了，他們自然都會揚長避短，同時也盡量使肥水不流外人田。

總之，在這個問題的決策上，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)動為主，尤其在國內(nèi)。

7.5.7 匯電環(huán)走線

匯電環(huán)是離心機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，通過上走線與測控室比較接近，線纜可直接經(jīng)天花板進入檢測室，如圖7-43和圖7-47所示。

如果主機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，纜線就要向下進入地溝，使實驗室上部空間顯得干凈利落一些，如圖7-46所示。

匯電環(huán)部件無論滑環(huán)還是電刷，只要二者產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動都可以正常工作。因此，無論纜線上行還是下行，只要為它們建立起固定和轉(zhuǎn)動兩個聯(lián)接環(huán)節(jié)才是主要任務。當然，同時使匯電環(huán)部件與主軸間具有良好的安裝關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主軸具有一定的同軸度條件下，采用撥動方式來進行轉(zhuǎn)動聯(lián)系，就像機床撥盤裝置一樣，只要避免其產(chǎn)生大的晃動與振動即可。筆者在處理液壓旋轉(zhuǎn)接頭部件時，已經(jīng)采用過后面這種方法，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主軸的同一端。

當然正常情況下，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，同時也避免了維修時對匯電環(huán)的污染。

7.6 離心機實驗室

實驗室建筑物與離心機正常運行及其日常維護、使用有著密切關系，它們統(tǒng)一構(gòu)成了一個相互影響的整體。在滿足主機和輔助設備配置與安裝基本要求外，離心機設計者需要對實驗室提出自己的必要要求，與土建設計者共同合作完成任務。

規(guī)劃實驗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)和實驗室內(nèi)外人員的絕對安全，包括實驗室門窗的堅固程度與聯(lián)鎖保護措施等；

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

3）使用原則。應方便試件裝卸，便于試驗觀察，顧及設備維修；

4）整流原則。安排合理的實驗室空間尺寸、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?shù)臒嵫h(huán)通路或散熱措施；

6）降噪原則?？紤]吸收或隔離機械噪聲與氣動噪聲。

以上設計原則也不是一成不變，可因離心機種類不同而有所側(cè)重，如：

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

· 航空航天離心機則安全原則與使用原則并列；

· 土工離心機以安全、整流與散熱最為重要。

7.6.1 實驗室構(gòu)形

根據(jù)前述設計原則，結(jié)合實踐經(jīng)驗，針對不同離心機，提出如下實驗室基本構(gòu)形與尺寸建議，僅供參考。

1）離心機主機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于大型土工離心機來說約為1 m（耐沖擊能量約達107J[22]），載人離心機可減半，航空航天物體離心機折中處理。

2）主機坑直徑由使用維修最小空間尺寸，計入適當?shù)奈磥頂U大使用預留量，考慮總功率大小及功率儲備等情況而決定，一般在離心機最大半徑上再加0.5～1.0 m。

3）對于高大的土工離心機實驗室，為加快主機室風速和部分隔離氣動噪聲，可為主機地坑預制鋼筋混凝土頂蓋。頂蓋須與建筑物牢固結(jié)合，且預留人員、試件及轉(zhuǎn)子整體起吊時的窗口并加蓋長方形鋼制活動蓋板，以供多次裝拆并利于散熱。

4）土工離心機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計。建議利用離心機的鼓風功能，在頂蓋中央開圓形進風口，地坑圍墻靠近頂蓋圓周布置牢固可調(diào)的百葉窗出風口若干，直接或通過暢通的排風通道引出室外，以進行自流式通風散熱循環(huán)（參見圖7-52）。

5）對于非高大實驗室，可采取圖7-49布局，其圓柱形小屋頂周圍即為進風口。

6）航空航天物體離心機和載人離心機不必加隔層或頂蓋，一般也不考慮熱設計問題，室空高度取決于吊車及實驗室總體安排，可以安全實用美觀為主。

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

8）中型土工離心機實驗室一般不考慮散熱問題，需要時與大型離心機同樣處理之。

9）不論任何離心機，只要主機位于地面，實驗室必須具有堅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，與實驗室內(nèi)墻相吻合。

7.6.2 實驗室溫升

實驗室溫升設計主要針對的是土工離心機主機室；航空航天物體離心機和載人離心機由于加速度相對較低，運行時間較短，且實驗室高大，一般毋需考慮溫升問題。

假定離心機運行一段時間進入相對穩(wěn)定狀態(tài)以后，驅(qū)動功率最終將全部轉(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為進入空氣溫度，℃。

圖 7-52[23]可以作為一個大型土工離心機實驗室構(gòu)形的實例。

圖7 -52 LXJ-4-450土工離心機及其實驗室布局Fig.7-52 LXJ-4-450 geotechnical centrifuge and its laboratory layout

LXJ-4-450土工離心機實驗室是一個三層式構(gòu)造：電動機和長傳動軸、傘齒輪減速器位于地下室，屬于下傳動方式；離心機主機被置于半地下室，并用厚鋼筋水泥圍墻擋護；主機室轉(zhuǎn)臺附近的地面設人員出入口（未繪出），由地下室可進入主機室，同時也可作為地下室與主機室的通風口，需要時可以連通；地下室還有潤滑油源和制動用阻抗器，并另設獨立通風通道（12）；主機坑上方加以鋼筋混凝土頂層，中央為貫穿機坑直徑的活動鋼結(jié)構(gòu)蓋板，以備安裝維修設備之用；頂層內(nèi)形成半封閉空間和自流式循環(huán)通風體系；頂蓋上表面與模型制作間取平，可共用一部吊車，通過頂蓋安裝孔（未畫出）采用一次吊裝的過程實現(xiàn)模型裝卸作業(yè)；頂蓋中央固定著匯電環(huán)部件，其上欄桿所維護的就是中央敞開式進風口，機坑壁的上部圓周部分分布著一系列百葉窗，作為出風口和排風通道（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；控制室與檢測室則處于地平面以上的稍遠處，以減少噪音和電氣干擾。

主機室為水磨石地面，四角圓滑過渡，墻壁刷耐磨漆。

7.6.3 設備基礎

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

土工離心機質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高、擾力大，是離心機設備基礎中最需要關注的機型。根據(jù)實踐經(jīng)驗，對它的基礎設計提供如下基本要求，僅供參考：

1）除提供設備機電安裝總圖以外，特別要提供主機和其他配套設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）提供主機及輔助設備基礎受力圖表，包括自重、重心位置、轉(zhuǎn)動頻率以及正常運轉(zhuǎn)及事故狀態(tài)下的力、力矩和扭矩等。

3）要求主機動力基礎與建筑物基礎分開，以減少房屋的振動水平。

4）基組總重心與基礎底面形心應處在同一條z軸上，誤差不大于2%的基底長。

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

6）基礎固有頻率需與主機轉(zhuǎn)動頻率錯開，最好大于主機頻率25%以上。

7）主機地腳螺栓最好采用預埋方式，并提供準確尺寸及其公差。

此外，補充說明如下：土工離心機轉(zhuǎn)子重達數(shù)十噸，遠大于一般主軸轉(zhuǎn)架的質(zhì)量，也大于包含機械傳動系統(tǒng)在內(nèi)的轉(zhuǎn)臺部件質(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)動起來如果沒有沉重的基礎與之相匹配，在擾力作用下是非常不穩(wěn)定的，所以基礎的重量也是很重要的一個方面。根據(jù)文獻[25]，對于重心較高的立車和插床，實踐經(jīng)驗要求其基礎重量為設備與工件總重量的1.5～1.7倍。因為離心機的重心高，轉(zhuǎn)動質(zhì)量大，建議其基礎重量至少應為設備總重量的 2倍以上為宜。在同一本手冊里，對于轉(zhuǎn)速小于 500 r/min的旋轉(zhuǎn)機械基礎，允許的水平振幅為0.2 mm。

另，載人離心機轉(zhuǎn)動頻率一般在1 Hz以下，大型航空航天離心機為2 Hz左右，土工離心機轉(zhuǎn)動頻率一般在3.5～4 Hz上下，而一般實驗室建筑物的自振頻率約為1～4 Hz。因此，基礎必須彼此分開，頻率也要注意錯開。

動力基礎設計過程中，在基礎重量、振幅、固有頻率三者之間應該相互驗證進行優(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號離心機改造——主傳動系統(tǒng)設計[C]//2002年度中國宇航學會結(jié)構(gòu)強度與環(huán)境工程專業(yè)委員會暨航天第十情報網(wǎng)學術交流會論文集

[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.土工離心模型試驗室土建工程建置報告,“七五”國家科技攻關技術報告(合同編號 1-7-3-1)[R],1990-12

[24]GB 50040—96，動力機器基礎設計規(guī)范[S], 1996

[25]第一機械工業(yè)部設計研究總院.動力機器基礎設計手冊[M].北京： 中國建筑科學出版社, 1983