高 輝，李建東

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 國家水運監(jiān)測裝備產(chǎn)業(yè)計量測試中心，天津 300456)

TK-C500土工離心機是港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心核心設(shè)施之一，針對港口水工建筑技術(shù)中存在的與巖土相關(guān)的技術(shù)難題，采用離心模擬試驗的手段開展研究，是可再現(xiàn)原型特性試驗研究的行業(yè)重器。土工離心機按一定比尺建立物理模型，通過施加離心加速度增加土體重度，使得模型與原型達到應(yīng)力應(yīng)變相等、變形相似從而模擬土工結(jié)構(gòu)的受力、變形和破壞等現(xiàn)象。土工離心模擬試驗技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域設(shè)計方案驗證、材料參數(shù)研究、數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析計算結(jié)果驗證、新巖土工程物理現(xiàn)象探索等方面有較大的應(yīng)用前景。

TK-C500大型土工離心機有效容量達到500 g·t(g·t代表離心機的容量，g代表加速度，t代表質(zhì)量)，500 g·t土工離心機最大加速度為250 g，最大轉(zhuǎn)動半徑5 m，100 g下最大有效荷重5 t，250 g下最大有效荷重2 t[1]。離心機加速度范圍值為10～250 g，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度0.5%/F·S12 h；滿足一般大型水工建筑物模型試驗的要求，模型比尺大，試驗精度高。

計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、保障量值準確可靠的活動，同時也是科學(xué)技術(shù)研究重要的組成部分。TK-C500土工離心機是土力學(xué)研究中的重要設(shè)備，其試驗結(jié)果的準確性是數(shù)值分析驗證的依據(jù)，TK-C500的超大容量及科研設(shè)施設(shè)備在國內(nèi)處于前沿水平，面對如此先進的科研設(shè)施，開展基礎(chǔ)性計量測試研究是十分必要的。

1 計量特性

計量技術(shù)規(guī)范是通用計量活動中的重要組成部分，是計量檢定和校準的重要依據(jù)。由于TK-C500土工離心機是國內(nèi)少數(shù)的研發(fā)型試驗設(shè)備，并不完全屬于工程中使用的常規(guī)計量器具，因此目前國內(nèi)所頒布的關(guān)于離心機的技術(shù)規(guī)范并不完全適用，但仍可為本次計量測試研究提供參考。

從學(xué)科發(fā)展來看，計量本是物理學(xué)的一個分支。隨著科技和社會的發(fā)展，人們通常將計量按照被測物理量分成十大專業(yè)計量領(lǐng)域，分別是長度、熱工、力學(xué)、電磁、無線電、時間頻率、聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和電磁輻射。土工離心機的離心力本身無法直接進行計量，可以通過拆解物理量對離心機的性能進行測試。在離心機的正常運轉(zhuǎn)中，其關(guān)聯(lián)到的參數(shù)有很多，根據(jù)工程使用實際和通用計量技術(shù)要求，確定了安裝半徑、噪聲、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和加速度等物理量作為關(guān)鍵物理量。其中轉(zhuǎn)速和加速度計量屬于力學(xué)計量范疇，安裝半徑屬于長度計量范疇，工作噪聲屬于聲學(xué)計量范疇[2]。根據(jù)研究結(jié)果，針對離心機提出以下計量特性，內(nèi)容見表1。

表1 離心機計量特性參數(shù)及通用技術(shù)要求Tab.1 Metrology index and general technical requirements for geotechnical centrifuges

2 測試方法及數(shù)據(jù)

2.1 安裝半徑

離心機的半徑分為靜態(tài)半徑和動態(tài)半徑，兩者之和稱為離心機的工作半徑。當(dāng)離心機主軸旋轉(zhuǎn)時，由于溫度、離心機內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力等因素使得靜態(tài)半徑發(fā)生變化，由此區(qū)別出動態(tài)半徑和靜態(tài)半徑。靜態(tài)半徑測量一般由反算法、標準桿拼接法等，動態(tài)半徑測量，動態(tài)半徑一般采用雙頻激光干涉儀搭配測微傳感器進行檢測[3]。

本次測試參考GB/T 5170.16—2005《電子電工產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法 穩(wěn)態(tài)加速度試驗用離心機》中的測試方法[4]，對轉(zhuǎn)臂進行靜態(tài)半徑即安裝半徑進行測量。采用一級鋼卷尺測量離心模型試驗中取模型重心約1/3處至離心機轉(zhuǎn)軸中心的距離，測量結(jié)果從箱底沿軸線方向長度為4.59 m。滿足出廠技術(shù)指標要求。離心機出廠技術(shù)文件中約定有效半徑為4.5 m，離心機有效半徑越長，模型加速度梯度越小，則在模擬精度一定的條件下，允許的試驗?zāi)Ｐ涂梢栽酱?，這樣模型底部應(yīng)力大于原型底部應(yīng)力的誤差值可以滿足試驗要求。

2.2 輻射噪聲聲壓級

表2 離心機噪聲測試結(jié)果Tab.2 Noise test results of geotechnical centrifuges

土工離心機依巖土工程試驗室大樓建設(shè)，跨試驗室大樓三個樓層，本次測試在四個地點展開，分別為總控室、上儀器艙、主機室防護門外和電機動力室?？偪厥覂?nèi)設(shè)有PLC控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)在不同的房間，操作人員可通過PLC控制土工離心機的運行，通過上位機監(jiān)測系統(tǒng)運行參數(shù)和查看視頻監(jiān)控。上儀器艙靠近風(fēng)冷裝置入口，通過軸承與離心機相連并同步轉(zhuǎn)動，測試人員可以通過上儀器艙了解土工離心機的實際轉(zhuǎn)動速度，觀察其實際運轉(zhuǎn)情況。土工離心機轉(zhuǎn)動半徑較大，轉(zhuǎn)動臂和吊籃在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的風(fēng)速極高，土工離心機在運行過程中主機室防護門關(guān)閉，禁止人員靠近。電機動力室位于試驗室大樓地下1層。國家標準和計量檢定規(guī)程規(guī)定在離心機主體旁1 m處測量輻射噪聲聲壓級的數(shù)值。由于港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心建設(shè)的TK-C500土工離心機運行功率大，設(shè)備主體跨越3層樓，因此本次測試的主要地點為上儀器艙和總控室，主機室門和地下動力室作為監(jiān)測設(shè)備是否正常運行的地點[5]。輻射噪聲聲壓級的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

輻射噪聲隨著土工離心機的工作加速度增加而增加?？偪厥液蜕蟽x器艙都未超過90 dB?？偪厥覐?20 g開始，隨加速度的增加，噪聲增加的幅度很小，最大噪聲為56 dB。各個觀測點的噪聲增加幅度和總控室的噪聲增加幅度規(guī)律相同。上儀器艙的最大噪聲為87 dB；機室門處最大噪音為98 dB，從180 g起噪聲超過90 dB；電機動力室最大噪音為98 dB，從150 g開始噪聲超過90 dB。輻射噪聲聲壓級主要考核總控室和上儀器倉處，噪聲符合JJG972《離心式恒加速度試驗機》要求，不超過90 dB[6]。

2.3 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、加速度示值誤差

轉(zhuǎn)速的計量測試通常有兩種方法[7]，一種是通過振動測量的方法，它利用振動傳感器測量離心機在工作時旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生的振動信息，分析離心機的振動與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，該方法的測量前提是離心機在裝配完成后，由研發(fā)單位給出準確離心機振動規(guī)律與轉(zhuǎn)速之間準確的函數(shù)關(guān)系，但是在離心機內(nèi)部安裝測量傳感器并不方便，測量過程中有抗干擾性差、隨機誤差大等缺點，因此振動測量方法的通用性不強。另一種方法是利用轉(zhuǎn)速頻率儀等高精度轉(zhuǎn)速測量設(shè)備對離心機的轉(zhuǎn)速進行直接測量，這種光電測量方法是本次測試所采用的方法，也是目前最行之有效且適用范圍最廣的直接計量方式。通過在離心機的主軸或與主軸剛性連接的零部件上貼上反光標簽，離心機轉(zhuǎn)動后，光電轉(zhuǎn)速測量設(shè)備打出的光源經(jīng)過反光標簽的反射，會被光電傳感器內(nèi)部的光敏電阻等元件獲取并轉(zhuǎn)換為脈沖信號，通過電子計數(shù)器并顯示相應(yīng)的離心機轉(zhuǎn)速。該方法具有方便可靠、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點[8]。

表3 離心機回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及加速度示值誤差平均測試結(jié)果Tab.3 Average test result of indication error of rotating speed and acceleration of centrifuge

回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速示值誤差的測試地點選在總控室和上儀器艙，整個測試過程，全部在正常室溫的條件下開展，室內(nèi)晝夜最大溫差為5℃，不對環(huán)境溫度進行控制。在測試過程中，根據(jù)設(shè)備的實際運行情況更改冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以保證土工離心機的正常運行。冷卻系統(tǒng)是否工作對室溫的影響較小，不影響測試的環(huán)境溫度。測試設(shè)備選取EMT260C型號的轉(zhuǎn)速表，設(shè)備經(jīng)過中國測試技術(shù)研究院校準并處于有限溯源期內(nèi)。離心機開機后系統(tǒng)預(yù)熱15 min，在10～250 g加速度范圍內(nèi)選取10 g、50 g、80 g、100 g、120 g、150 g、180 g、200 g、230 g、250 g加速度點進行測量，每點均勻記錄10個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)之間的時間間隔為2 min，使用秒表進行計時。記錄離心機回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速示值和光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)速示值，加速度采用間接測試法，根據(jù)式(1)計算加速度，測試結(jié)果見表3。

(1)

式中：a0為離心機加速度，g；π為圓周率；n0為離心機轉(zhuǎn)速，r/min；R0為離心機有效半徑，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

土工離心機的離心加速度可從10 g加速至250 g，加速性能滿足TK-C500土工離心機技術(shù)要求。在全量程范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速示值相對誤差不大于±0.02%，滿足回轉(zhuǎn)速度示值誤差不超過±2.5%的要求,加速度示值相對誤差不大于±0.29%，滿足加速度示值誤差不超過±10%的要求。

2.4 72 h連續(xù)運行穩(wěn)定性

按照常用加速度點運行時間長、不常用加速度點運行時間短的原則設(shè)置測試點。對于常用的50 g、80 g、100 g和120 g內(nèi)采用加密測量，在正常的時間間隔內(nèi)，多增加若干點測量數(shù)據(jù)，增加點的個數(shù)并不干擾原有的測量間隔，以驗證短時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速和加速度穩(wěn)定性。72 h連續(xù)運行考核是土工離心機長時間運行能力的重要指標之一，也是水運工程巖土模擬試驗的基礎(chǔ)保障。72 h連續(xù)測量是采用不同g值不同運行時間連續(xù)累計的方法進行考核，具體運行時間段分配如下：10 g運行2 h；50 g運行16 h；80 g運行16 h；100 g運行16 h；120 g運行8 h；150 g運行8 h；180 g運行2 h；200 g運行2 h；230 g運行1 h；250 g運行1 h。

表4 72 h連續(xù)運行穩(wěn)定性Tab.4 72-hour continuous operating stability

在測試過程中還需對關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)組件進行溫度測量和電學(xué)指標測量，保障離心機72 h全方位無警報運行[9]。通過上位軟件采集已安裝在離心機的若干傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，選取上軸承溫度、中軸承溫度、供油溫度、機室溫度四個重要的位置進行溫度監(jiān)測，選取電樞電壓、電樞電流和不平衡配重等關(guān)鍵參數(shù)進行測試，不平衡配重是離心機轉(zhuǎn)臂不平衡監(jiān)測和試驗過程中不平衡力調(diào)節(jié)與保護的重要指標，當(dāng)不平衡配重超過了限值，離心機就處于危險狀態(tài)，需要停機進行配重調(diào)整，過程性能測試數(shù)據(jù)見表5。同時根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，離心機可以在72 h內(nèi)連續(xù)無故障運行，加速度從10 g加速至250 g，在全量程范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性(標準差)不大于0.016 r/min。

表5 離心機通用技術(shù)要求測試結(jié)果Tab.5 Test result of general technical requirements for centrifuges

3 結(jié)語

本文依托港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心TK-C500土工離心機驗收工作，開展土工離心機計量特性與計量測試方法的研究工作，對安裝半徑、輻射噪聲聲壓級、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和加速度示值誤差和72 h連續(xù)運行穩(wěn)定性等項目進行了測試。測試結(jié)果基本滿足大型土工離心機的計量要求，測試過程也為大型土工離心機的驗收及后續(xù)運行提供了強有力的支撐。土工離心機是離心模擬試驗的重要設(shè)備，將在我國水運工程建設(shè)中起到越來越重要的作用，近年來，針對離心模擬試驗的需求，離心機輔助系統(tǒng)的多樣化研究工作也陸續(xù)開展起來，其中包括離心機振動臺、離心機機械手、離心機降雨模擬裝置、潮汐發(fā)生裝置和造波裝置等專用設(shè)備的研究進程也不斷的發(fā)展，技術(shù)也不斷的突破[10]。但是目前離心機的計量測試技術(shù)更多的以醫(yī)用離心機等室內(nèi)小型離心機為主，土工離心機的工程計量方法和技術(shù)的研究更應(yīng)滿足國內(nèi)高g值和大容量的發(fā)展趨勢，因此，多功能離心機綜合試驗系統(tǒng)的計量測試在未來的科研工作中亟待開展。