劉小剛，徐太棟，張映梅

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

引言

慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)是航空、航天與航海領(lǐng)域里的一項核心技術(shù)，同步通訊衛(wèi)星的準(zhǔn)確定位、人類成功登上月球、航天飛機的飛行成功、導(dǎo)彈的準(zhǔn)確定位，都采用了高精度的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)。精密離心機就是用于標(biāo)定慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中加速度計的專用設(shè)備。

高精度慣性儀表校準(zhǔn)檢測裝置是精度達(dá)10-6級的精密離心機設(shè)備，其形式如圖1所示，電機通過空氣軸承帶動轉(zhuǎn)盤在給定速度下旋轉(zhuǎn)，從而使安裝在轉(zhuǎn)盤上的試件產(chǎn)生預(yù)定的加速度值；在轉(zhuǎn)動的同時徑向和軸向測微儀測出轉(zhuǎn)臺相應(yīng)位置的位移數(shù)據(jù)，用于加速度值的修正。機箱作為該設(shè)備的重要組件之一，主要功能是防止環(huán)境氣流、灰塵等對離心機性能產(chǎn)生不良影響，以及外界意外碰撞對轉(zhuǎn)盤和軸承的損傷，并對電容測微儀提供穩(wěn)定支承。其設(shè)計的優(yōu)劣對確保系統(tǒng)高精度結(jié)構(gòu)指標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。

1 功能特性分析

機箱主要由整流罩、活動艙門、整流罩支承架、檢修門、電容測微儀支承座等組成。按照離心機指標(biāo)要求和總體布局，機箱要具備以下功能特性：

1）在離心機轉(zhuǎn)盤周圍形成一個規(guī)則的環(huán)形空間（即整流罩），使轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時的氣動影響盡可能??；

2）在試件安裝平臺上方開設(shè)活動艙門，便于試件的裝卸；機箱下部開設(shè)數(shù)個檢修門，便于對離心機下部設(shè)備的檢修調(diào)試；

3）緊貼轉(zhuǎn)盤外沿設(shè)置兩組共八個電容測微儀的測試點，以監(jiān)控離心機運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)盤的動態(tài)半徑、方位失準(zhǔn)角、俯仰失準(zhǔn)角變化情況，用于加速度值的修正。機箱應(yīng)提供這八個測試點穩(wěn)定可靠的支承。

2 流場分析

氣流擾動是導(dǎo)致精密離心機加速度偏離真值的因素之一，但目前還沒有精確的計算模型可供參考，氣流擾動對精密離心機加速度的影響只能通過定性分析。離心機旋轉(zhuǎn)時，空氣流場對精密離心機的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）風(fēng)阻：即機械在空氣中運動時受到的來自空氣的阻力；

2）風(fēng)阻波動：當(dāng)旋轉(zhuǎn)體周圍鈍體存在明顯的漩渦脫落時，風(fēng)阻波動所造成的電機轉(zhuǎn)速誤差將會造成加速度計所承受的加速度載荷誤差。因此應(yīng)盡量減小風(fēng)阻波動；

3）風(fēng)阻溫升：精密離心機在旋轉(zhuǎn)時，其帶動整流罩內(nèi)的空氣旋轉(zhuǎn)，賦予了空氣氣團(tuán)動能。因此整流罩形狀越規(guī)則、光滑，風(fēng)阻帶來的溫升越小。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 精密離心機

機箱采用箱體結(jié)構(gòu)，要具有一定剛度，減小設(shè)備運行時箱體的振動，并且機箱內(nèi)腔尺寸不得與離心機主機干涉。機箱上部對稱開設(shè)活動艙門，便于試件的裝卸。機箱下部開設(shè)三個檢修門，便于對離心機下部設(shè)備的檢修調(diào)試。機箱中部設(shè)計整流板，將基座等不規(guī)則部件與轉(zhuǎn)盤隔開，以消除不規(guī)則部件對轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時的氣動影響。另外，按照離心機總體設(shè)計要求，緊貼機箱對稱布置兩個測試架，用于安裝監(jiān)測轉(zhuǎn)盤動態(tài)半徑和方位失準(zhǔn)角、俯仰失準(zhǔn)角的電容測微儀。

機箱設(shè)計主要尺寸和要求：離心機轉(zhuǎn)盤外徑φ2200mm；試件上表面距地面高度1110mm，離心機最大高度1530mm；在轉(zhuǎn)盤外沿電容測微儀布置二組共八個點；離心機最高轉(zhuǎn)速300r/min。

3.1 整流罩和整流罩支承架

整流罩是離心機轉(zhuǎn)盤和試件運轉(zhuǎn)的空間，不僅要求內(nèi)表面平整、光滑，以使離心機有良好的運行環(huán)境，而且還要保證整體的外觀質(zhì)量根據(jù)離心機指標(biāo)要求。整流罩的內(nèi)腔尺寸大于φ2300mm，這樣大尺寸的殼體件，焊接變形量非常大，因此考慮用厚板焊接，焊后再加工成形的方式，保證內(nèi)外面的形狀、尺寸要求。整流罩支承架作為整流罩的支承件，與地基直接相連。它由鋼板以及型材焊接而成，局部加筋以提高整體剛度，工藝成熟。焊后熱處理控制變形，并通過加工、打磨，保證外觀光潔、平整。

艙門的材料選用鋁合金，質(zhì)量較輕，這樣開啟輕便。罩體上開設(shè)四個有機玻璃觀測窗口，便于試驗運行過程的監(jiān)測。艙門一端設(shè)置鉸鏈，并用氣彈簧支撐并限位，氣彈簧打開時的情況如圖2所示。氣彈簧最小伸展力F：

3.2 電容測微儀支承座

按照精密離心機總體設(shè)計要求，有兩組共8個電容測微儀的測試點（如圖3），監(jiān)測轉(zhuǎn)盤動態(tài)半徑和方位失準(zhǔn)角、俯仰失準(zhǔn)角。整個座體剛度足夠，并且與整流罩隔離，盡可能減小外界振動對電容測微儀的影響，保證傳感器測試的準(zhǔn)確性。電容測微儀安裝板可以上下左右移動，便于測試點位置的微調(diào)。

4 仿真計算

計算流體動力學(xué)（CFD）是指通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。通過分析比較， 仿真計算采用雷諾平均模擬方法（RANS），湍流模型選擇RNG湍流模型，壁面函數(shù)選擇尺度化壁面函數(shù)，離散格式選擇PRESTO和具有三階精度的QUICK格式，求解方法選擇MRF和滑移網(wǎng)格相結(jié)合的計算方法，網(wǎng)格形狀為六面體，同時用Hypermesh和ANSYS ICEM MESH兩種分網(wǎng)工具進(jìn)行分網(wǎng)。

工況按無負(fù)載和帶負(fù)載二種情況，幾何模型如圖4所示。流體為287K時的空氣。

通過充分迭代，得到離心機轉(zhuǎn)盤風(fēng)阻力矩、風(fēng)阻力矩波動。其風(fēng)阻力矩和風(fēng)阻力矩波動值見表1。

圖2 氣彈簧工作示意圖支承座

圖3 電容測微儀支承座

圖4 流場仿真計算的幾何模型

通過表1可以看出，帶負(fù)載離心機與不帶負(fù)載相比，風(fēng)阻力矩和風(fēng)阻力矩波動幅值有較大幅度增加。這是因為負(fù)載臺的迎風(fēng)面增加，阻力加大，同時尾部流體脫落形成漩渦，會增加力矩波動。安裝平臺所在平面某一時刻速度云圖如圖5所示，壓力分布云圖如圖6所示。離心機流場縱剖面的速度場云圖如圖7所示，流場縱剖面的壓力分布云圖如圖8所示。

表1 精密離心機轉(zhuǎn)盤風(fēng)阻力矩及波動幅值

圖5 安裝平臺所在平面某時刻速度云圖

圖6 安裝平臺所在平面某時刻壓力分布云圖

圖7 離心機縱剖面某時刻速度場云圖

圖8 離心機縱剖面某時刻壓力分布云圖

圖9 精密離心機機箱外觀圖

通過仿真計算發(fā)現(xiàn)，帶負(fù)載離心機風(fēng)阻力矩和力矩波動明顯大于不帶負(fù)載的力矩和力矩波動，也說明光滑的環(huán)形整流罩對保證離心機的運轉(zhuǎn)精度有重要意義。

5 結(jié)論

功能特性分析和流場分析表明，機箱設(shè)計的優(yōu)劣對確保精密離心機系統(tǒng)高精度結(jié)構(gòu)指標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。在滿足功能要求的前提下，綜合考慮了經(jīng)濟性、維護(hù)性、人機工程、美觀等因素，針對特定要求的精密離心機機箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和外觀設(shè)計。機箱外觀如圖9所示，可以看出該機箱簡潔美觀，無需特殊維護(hù)保養(yǎng)，具有較好的工藝性和經(jīng)濟性。

同時，在無負(fù)載情況下，使精密離心機轉(zhuǎn)盤運行到轉(zhuǎn)速270r/min，對有無機箱兩種情況進(jìn)行了對比試驗，實測封閉空間（有機箱）轉(zhuǎn)盤風(fēng)阻力矩為58.29Nm，開放空間（無機箱）轉(zhuǎn)盤風(fēng)阻力矩為82.38Nm。由此可看出，所設(shè)計的機箱可有效降低精密離心機的風(fēng)阻力矩，這與理論分析也是一致的。

[1]聞邦春. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2010.

[2]張映梅. 精密離心機機械系統(tǒng)技術(shù)方案[R]. 2011YQ13004702-FAZ14-05,總體工程研究所, 2011.

[3]徐太棟等. 10-6 精密離心機流場與溫度場仿真計算[R].2011YQ13004705-BGKD-02 ,電子科技大學(xué), 2013.

[4]JB/T 10418 -2004,氣彈簧設(shè)計計算[S].