關(guān)鍵詞：地腳螺栓；軸向預緊力；土工離心機；不平衡力；擬合模型

中圖分類號：TU43 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 01. 012

0引言

在離心機運轉(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)的裝配間隙和結(jié)構(gòu)的柔性，以及實驗過程中模型破碎產(chǎn)生的質(zhì)心變化等，可能導致結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生動態(tài)不平衡力［1-5］。動態(tài)不平衡力會影響離心機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，以及離心機主軸、軸套等的偏磨損，嚴重時也可能造成離心機基座的側(cè)移甚至傾覆。因此，在離心機設計和試驗時，應將運行過程中的動態(tài)不平衡力控制在一定范圍內(nèi)，以保證離心機的安全性及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。為有效地控制動態(tài)不平衡力，動態(tài)不平衡力的實時監(jiān)測是離心機運行安全系統(tǒng)的重要組成部分［6-9］。

大型土工離心機動態(tài)不平衡力的測量方法通常采用直接測量法［10-12］。該方法是在離心機轉(zhuǎn)臂上安裝力傳感器，通過力傳感器的信號變化來測量動態(tài)不平衡力的大小。這種方法會受到轉(zhuǎn)臂與轉(zhuǎn)臂支撐之間摩擦力的影響，造成不平衡測量的誤差。李心耀等［13］根據(jù)靜平衡原理，采用4個搖桿測力傳感器設計了靜平衡配平系統(tǒng)。劉顯軍等［14］設計了由水箱和測力傳感器等組成的新型自平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。李順利等［15-17］針對精密離心機，采用自動控制動平衡執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)了高精度自動化平衡。楊亞非等［18］針對盤式離心機，給出了靜不平衡量的測試方法和計算式、配平原則和方法。此外，還可以采用在離心機基礎(chǔ)處測量支撐部件應變的方法反推不平衡力的大小［19］，但此類方法會弱化基礎(chǔ)連接剛度，對離心機安全運行帶來新的問題。

綜上所述，采用直接測量的方法對離心機運行中的動態(tài)不平衡力進行測量，系統(tǒng)復雜度較高，且易對離心機局部連接剛度產(chǎn)生弱化，因此需采用間接測量離心機運行不平衡力的方法，在不平衡力直接測試系統(tǒng)失效時，需保證離心機安全運行監(jiān)測系統(tǒng)的冗余度，且保障監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

文中針對大型土工離心機，研究了基于地腳螺栓預緊力測量動態(tài)不平衡力變化的方法。先通過理論推導證明測試技術(shù)的可行性，再結(jié)合離心機動態(tài)運行試驗，測量了螺栓預緊軸向力變化峰值與不平衡質(zhì)量及運行重力加速度g值的關(guān)系，建立了基于響應面擬合獲得靜態(tài)不平衡質(zhì)量的方法，拓展了間接測量離心機運行不平衡力的技術(shù)。

2TLJ-500型離心機不平衡力測試試驗

2. 1不平衡力測試試驗為驗

證地腳螺栓預緊力測試技術(shù)的可行性，在TLJ-500型土工離心機上開展試驗。離心機主體結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)為單吊籃結(jié)構(gòu)，試驗端裝配吊籃，另一端為配重端，根據(jù)吊籃端不同的負載配置不同的配重塊，以配平離心機轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)基座通過12個地腳螺栓與地基相連，周向均布在基座上。

采用力傳感器測試預緊力變化，工況設計為不同不平衡質(zhì)量、不同離心機運行重力加速度g值下直到運行穩(wěn)定后，測試離心機每轉(zhuǎn)一圈地腳螺栓軸向預緊力的上下波動半峰值。試驗中布置了4個測力傳感器，分別安裝在圖3（b）所示的４個地腳螺栓處（基座上面）。其中，1、2號測點位于180°對稱位置上，3號測點位于機室門對應的位置，4號測點與1號測點成60°。由圖3可看出，螺栓的軸向力和預緊力與圖1中Y向?qū)?/p>

采用在吊籃施加不同配重的方式改變離心機運行時的不平衡力矩，與靜載狀態(tài)下不平衡力相減，得到吊籃配重引起的測點壓力峰值隨配重和不平衡力矩變化的關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果表明，各測點壓力隨吊籃配重及不平衡力矩成線性變化；各測點因處于基座上不同位置，螺栓軸向力變化受與連接件的界面接觸狀態(tài)影響較大。由此會導致雖然理論上可以直接通過測試螺栓預緊力波動反推獲得，但試驗獲得的各測點壓力變化斜率不同，測試結(jié)果并非完全理想，因此需要進一步發(fā)展不平衡力辨識模型。

式（12）中等式右端第1項是初始不平衡產(chǎn)生的重力矩，為常數(shù)項；第2項為初始不平衡產(chǎn)生的離心力矩，僅與加速度有關(guān)；第3項為配重產(chǎn)生的重力矩，與配重有關(guān)而與加速度無關(guān)；第4項為配重質(zhì)量產(chǎn)生的離心力矩，與配重質(zhì)量和加速度均有關(guān)。因此，不平衡力矩是配重、加速度、配重與加速度乘積的函數(shù)。同一配重下，不平衡力矩隨加速度線性變化。同一加速度下，不平衡力矩隨配重質(zhì)量m 線性變化；轉(zhuǎn)臂初始不平衡產(chǎn)生的離心力隨著配重質(zhì)量m 的增加，其影響減小。采用響應面法對各測點壓力隨配重質(zhì)量和加速度的變化關(guān)系進行分析。分析各測點傳感器壓力隨配重質(zhì)量和加速度變化的試驗結(jié)果，以測點1和測點4的數(shù)據(jù)為例，結(jié)果如圖5所示。

測點1和測點4的結(jié)果表明，測點上地腳螺栓軸向預緊力變化幅值與離心機加速度和配重質(zhì)量成線性關(guān)系。

3）各測點得到的地腳螺栓傳感器壓力變化規(guī)律一致表明：采用測試地腳螺栓預緊力變化來測轉(zhuǎn)臂不平衡力的方法是可行的。采用式（14）求與初始不平衡力相平衡的配重質(zhì)量時，應選擇較大的加速度值。

3結(jié)論

研究表明，采用測試地腳螺栓預緊力變化來測轉(zhuǎn)臂不平衡力的方法具有一定工程可行性，通過理論模型及試驗分析，獲得以下結(jié)論：

1）離心機受徑向不平衡力作用時，根據(jù)螺栓等級、預緊力大小、螺栓數(shù)目、離心機轉(zhuǎn)臂長度、轉(zhuǎn)臂離地面高度等參數(shù)不同，其地腳螺栓處軸向力變化可能會達到50%；離心機受天地向不平衡力作用時，地腳螺栓處軸向力變化可能會達到80%。

2）對離心機基座其中一個地腳螺栓的預緊力變化進行測量可反推獲得動態(tài)不平衡力。對轉(zhuǎn)臂施加不同的配重，開展不同加速度下的離心試驗，測量地腳螺栓預緊力的變化，再進行響應面擬合，可得地腳螺栓預緊力的變化與加速度和配重質(zhì)量的關(guān)系。

3）試驗中應保持不同配重的質(zhì)心一致；根據(jù)擬合式計算使轉(zhuǎn)臂平衡的配重質(zhì)量時，應盡量采用較大的加速度來計算，以降低離心機未甩平帶來的誤差。

4）采用地腳螺栓監(jiān)測不平衡力方法還需要進一步降低離心機振動導致的信號干擾等，采用合適的標定方法以提升測試的精度。