稳态加速度模拟试验设备_离心机设计3

第26卷第3期 航 天 器 环 境 工 程 2009年6月 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 287

稳态加速度模拟试验设备： 离心机设计（3）

贾普照 （北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

摘要：文章分3篇10章详细介绍了稳态加速度模拟试验设备——离心机的设计。 上篇对稳态加速度环境及其效应、相关试验方法和国家标准作了阐述；中篇（上）系统介绍了国内外离心机发展的历史，提供了较为全面具体的离心机结构概况，并对它们逐一进行小结与点评；中篇（下）对离心机进行基本理论分析，研究总体设计和部件设计问题，提出离心机设计原则及其计算方法；下篇通过一个国家“七五”科技攻关项目的实践作为实例，提供读者作设计参考。 在文章中，作者对多年来积累的技术资料和实践心得进行了系统的整理和归纳，梳理出一条在离心机研制中科学的设计思路和实用的工作程序。该文章对相关领域的研究人员和技术人员会有启发和帮助，同时对其他同类设备的设计也有触类旁通的作用。 文章主要探讨的对象是中型、大型、特大型航空航天物体离心机，土工离心机和载人离心机。 关键词：环境模拟；加速度；离心机；设计 中图分类号：V416.2；V216.5+6；TH122 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2009)03-0287-14

DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2009.03.019

中篇 离心机设计

离心机设计篇包括结构设计和设计计算两大部分，是本设计研究的重点。 本篇又分为中篇（上）3章、中篇（下）3章，共计6章分别来研究离心机的结构设计与分析计算以及总体设计与部件设计等问题。 前3章沿着历史的、地理的、整体的坐标分别对离心机的发展和概貌尽可能系统完整地予以归纳和描述，为的是对某个专题获得宏观了解；后3章在理论分析基础上，就离心机总体和主要部件设计进行深入具体的横向研究，目的是使设计者在理论与实际结合情况下，获得单元细节的设计能力和技巧。通过一纵一横交叉叙述，读者就可既系统又具体地认识并掌握对象。为叙述方便也为免除读者翻阅之苦，某些图片资料不得不重复出现，以扮演不同角色，使各部分自成体系。 需要说明的是，所叙内容繁简主要取决于掌握资料的多寡。一是因为累积的工夫不到，二是犹如沙漠觅水渴不及得。笔者的宗旨是唯恐不精不细，对所有搜集到的公开资料哪怕仅是只言片语，都是心怀欣喜，随之奉之于众。遗憾的是来自研制者和厂商的第一手资料太少太少，这是大家都能理解的缺憾。因此，热切欢迎各界人士不吝提供信息，或者著文补遗，众人拾柴，以尽可能充实这片园圃。深切期盼离心机设计界的广泛交流，以促进离心机整体技术的加速发展。

中篇 (上) 离心机发展与构造研究

离心机设计最重要的技术问题是总体布局与主机结构，它们决定着一台机器的性能、成本、风格甚 ———————————— 收稿日期：2009-04-09；修回日期：2009-04-24 作者简介：贾普照（1937-），男，研究员，主要从事离心机研制和运动模拟器设计工作。联系电话：（010）62351008；E-mail: jiapz@sina.com。 288 航 天 器 环 境 工 程 2009年第26卷 至是成败的关键，不仅影响眼前还波及未来运行期的长远表现和可改造性等等。虽然驱动控制、源讯传输以及数采处理等等系统也非常重要，但目前这部分技术的专业化、市场化和协作配套条件已相当成熟，基本不需要自行研制了，而且随着技术进步，它们的发展日新月异，数年后对其进行局部更新换代已屡见不鲜，但离心机总体和主机一旦制成就不好再变了，除非推倒重来。 离心机的总体设计和部件构造往往也是初涉者的难点所在，有鉴于此，我们将沿着历史发展脉络，踏着先人认识与实践的步伐，由浅入深地进入离心机这一纷繁多姿的非标准设备的设计领域。研究重点将放在总体设计与布局（包括建筑物）、转子形式（包括吊篮）、主轴支撑、机械传动等等主机的主要结构的设计上去，其他部件和系统不难在相应专业书籍或资料中找到介绍文字，本文不准备占用篇幅去叙述它们。 大多数人没有机会周游世界遍访“名机”大师，进行深入技术考察，即使有机会偶尔对某几个设备进行实地调研，往往也是行色匆匆、走马观花，现场往往还令人发懵，最后留下记忆的只是一堆“表象”，如同相片一般。这与潜心地静静的从历史角度、科学观点，系统探索离心机的发展脉络，研究其构造演变过程，由表及里地梳理琢磨相比较，后者可能得益更多，且更可得其精髓。当然，有条件二者皆备时最好。 中篇（上）部分，在编篡上力求系统化，行文尽量摆脱刻板僵化。囿于资料的有限，呈现内容可能厚薄不匀，但愿所述仍可略抚其脉。 历史和既往的画卷大多积淀着前人宝贵的经验，其中大部分是成功的，有些也许是教益。其实，教益往往更弥足珍贵。笔者会在文中适当位置随时表达个人的观点，每每有所评论或者小结以与读者交流，当然只是一家之言，抛砖引玉而已。对于离心机发展与构造进行系统研究，无非是试图把握出一个大致正确的技术发展方向来，少走弯路。 航空航天物体离心机和土工离心机在设计层面来说都属于一种设备，就载荷、加速度、连续运转时间以及复合其他环境的程度看，后者还均大大超越了前者。比如：前者离心加速度通常在100 g以下，后者在100 g以上；前者载荷容量100 gt以下，后者数百gt甚至上千gt；前者运转几min或十几min，后者有时要求10 h以上的连续运转。因此，重点研究土工离心机设计，也就解决了航空航天物体离心机的设计问题。 载人离心机除功率计算和转子部件与物体离心机有所不同之外，主机其他部分均可相互参考，它们属于同一类设备，只是设计特点不同。 由于国外载人离心机大部分都是商品，资料只有商家样本或网上自我推介的简单指标，关于设计、结构等等技术性介绍很难得到。为了掌握国内外发展动态，也适当收集了一些产品图片与说明，列入文中予以介绍，从设计角度衡量当然不解渴。 鉴于土工离心机的代表性和客观存在着一个绵长的发展历程，资料也相对丰富一些，本篇将以介绍土工离心机发展与构造入手并作为轴线，适时插入物体离心机和载人离心机而展开讨论。

第 3 章 苏英日意德离心机 目 录 引言 3.1 原苏联离心机 3.1.1 原苏联启蒙土工离心机

3.1.2 原苏联早期土工离心机 3.1.2.1 ЦНИИС离心机 3.1.2.2 МИИТ离心机 3.1.2.3 ЦНИПКИ ПШС离心机 贾普照：稳态加速度模拟试验设备 离心机设计（3） 289 3.1.2.4 УкрНИИС离心机 3.1.3 原苏联现代土工离心机AзИC-2 3.1.3.1 构造原理 3.1.3.2 低气压运转 3.1.3.3 独特的静动力学复合吊篮 3.1.3.4 安全销子转台 3.1.4 原苏联载人离心机 3.1.4.1 TsF-7离心机 3.1.4.2 TsF-18离心机 3.2 英国土工离心机 3.2.1 剑桥大学土工离心机

3.2.1.1 MKⅠ、MKⅡ离心机 3.2.1.2 CUED离心机 3.2.2 曼彻斯特大学土工离心机 3.2.2.1 UMIST离心机 3.2.2.2 SIMON离心机 3.3 日本离心机 3.3.1 PHRI土工离心机 3.3.2 PWRI土工离心机 3.3.3 日本航空自卫队载人离心机 3.4 意大利ISMES土工离心机 3.5 德国鲁尔大学土工离心机

引言 在土工离心机以及离心模拟试验领域，原苏联和英国都居于先行者位置。前者研发应用早，后者推广影响大。在相当长一段时间内，许多国家开展离心模拟或研制离心机，都是以它们作为楷模或是聘请他们的专家担当顾问，比如日本早期离心机和意大利唯一一台大型土工离心机，都受到英国剑桥机的影响；而德国离心机则属于俄式机。后来，日本的土工离心机及其研究成果也丰富起来，甚至离心机数量和质量都大大超过了英国。 这几个国家的离心机技术有着一定的姻缘关系，且同属一个发展梯队，故此把他们放在一起进行研究。 3.1 原苏联离心机

原苏联是利用离心机进行土力学模型试验最早、离心机数量较多、研究工作开展较好的国家，可以说是土工离心机模拟技术大国。 重点研究苏联土工离心机发展，可以看到一条构造由简到繁的前进脉络。当然，原苏联包括现在的俄罗斯并没有众多骄人的自制设备可以炫耀于世，但早、中期奠基的功劳，对土工离心机核心技术精准的把握和朴实无华的技术风格，值得研究与尊重。 1932年Г. И.Покровский和Н. Н. Давиденков提出了离心模拟试验方法，同年水工地质科学研究所（Гидротехгео）制造了第一台离心机，从此就开始了利用离心惯性力场的模型，进行各种岩土物理学和力学过程的研究。接着因И. С. Федоров建造了许多离心机而得以飞速发展，截

至1979年，为基础建设、军事设施和莫斯科-伏尔加运河工程等已经建造了20多台不同结构的离心机[1-3]。

早期离心机是在研究所车间里面诞生的，因陋就简，构造简单，基本上就是拿汽车或者拖拉机的标准部件（例如发动机、变速箱、后桥等）拼装而成；后来随着技术进步，逐渐改进为具有电动机、专用齿轮箱、专用支撑部件的构建方式，才转由正规制造厂生产。 3.1.1 原苏联启蒙土工离心机 图3-1是1936年基础工程公司И. С. Федоров 设计的Фундаментстрое即芬达门次特罗离心机运动原理图。电机1的动力和速度经变速箱2调节后，通过联轴节传给水平轴3，借助差动齿轮箱4转向，带动垂直轴5转动，而转臂6与垂直轴刚性连接，转臂端部铰挂着试验箱7，因此转子即可旋转起来。

图 3-1 Фундаментстрое离心机运动原理图 Fig. 3-1 The movement of centrifuge Фундаментстрое

我们应该向И. С. Федоров先生致敬，他的这个原理图，在70年后的今天仍然具有强大的生命力，特别是转子的原理，属于点穴之作。正因为如此，后来者万变不离其宗，始终秉持这个核心不放，才导引苏联离心机发展一路坦途。