整体式离心机动态配平装置的制作方法

本实用新型属于离心机动态配平技术领域，具体涉及整体式离心机动态配平装置。

背景技术：

所有的旋转类机械都应该尽量保证平衡，不平衡力使得离心机运转过程中产生动载荷进而引起设备振动，导致系统运转平稳性和精度降低、运动噪声增大、运动部件加速磨损、转子无法正常运转、寿命缩短甚至主机倾覆等，严重影响整个离心机的运行安全。因此，无论在离心机运转前还是运转过程中都需要对不平衡力进行配平。

目前，国内大多数的离心机配平都采用静态配平方法。即：以力矩平衡为原理，在非工作状态下，通过安装于吊篮中或臂架内的执行装置将一定质量的配重安装或移动至特定位置来实现静态配平。少部分较为先进的离心机采用了自动化程度较高的电动移动配平方式，可在非工作状态下，通过活动配重上的电机驱动传动机构，实现移动配重在框架上的平移，以改变配重质心位置的方式实现配平(一种大型离心机大量程静态平衡调节装置专利号：201310285476.X)；当移动配重不能满足配平范围时，通过增减固定配重块即可拓宽配平范围，该静态配平装置配平范围可达8t(一种新型离心机静态配平装置专利号：201520715025.X)。但是这种静态配平方法在离心机设备运转之后不具备动态调平能力。

据调查，某些离心机采用了动态配平的方法，其实现方法主要包括水配平方法、电机或液压驱动移动配重配平方法等。水配平方法的实现原理为在试件对侧的吊篮里放置一个水箱，通过控制阀控制向水箱中注水，直到不平衡力接近为零，以此在离心机工作过程中实现实时配平(土工离心机新型平衡自调节系统，专利号：201320405085.2)。电机驱动移动配重配平方法是以电机为动力源，通过螺旋进给装置作为执行元件，驱动配重块沿螺杆进行平移运动，实现动态配平(土工离心机在线动态平衡调节机构专利号：201210112913.3)。液压动配平系统是以液压缸为动力源，通过直接驱动配重块运动实现离心机的动态配平方法(动配平系统及具备动配平系统的离心机专利号：201810581694.0)。

1.采用增减配重块或电驱移动配重方式的静态配平方法，无法对离心旋转过程中由于试件状态变化产生的不平衡力进行动态配平或补偿。

离心机在进行土模型的溃坝等实验时，由于试件在离心场下发生垮塌、崩溃等过程会显著改变试件的质心位置，从而产生巨大的不平衡力。采用配重块式或电驱移动配重的静态配平方法一旦安装或调整完毕即不会再发生变化，在离心机工作状态下不具备对试件产生不平衡力的配平能力。

2.电机驱动式的静态/动态配平方法设计与选型难度大。

电机驱动式的配平装置在离心机工作过程中需要承受至少几十G的离心负载，而在强离心场环境下可靠工作的电机选型困难，同时传动机构的丝杠及螺母等核心部件更是难以满足高离心场的要求，配平装置的设计受限于离心机的转速与装置安装位置等诸多因素。

3.液压驱动方式响应速度慢、行程有限，配平能力有限。

液压驱动方式虽然具备较大的负载能力，但液压驱动过程较之电机驱动和水驱动响应速度相对较慢且行程有限，难以实现配重块的快速进给和大范围调控，导致液压驱动移动配重的方式配平能力十分有限。

4.水驱动式的动态配平方法，水流量精确控制难度大，配平精度有限，在强离心场下，易产生超调等负面效应。

水配平过程中水在强离心力作用下流速可达每秒百米，对水流量进行精确控制难度较大，配平精度难以控制。高速的水流对水箱及臂架的瞬间冲击巨大，容易造成设备激震，引入不安全因素。此外，水调平的过程水流向不可逆，仅能够实现单向注水，无法实现逆向排水，无法实现反馈式动态配平，在离心机大G值运转时极易发生配平超调。

5.传统技术的各配平方法受离心机容量、移动配重块质量、配重移动距离等多方面限制，配平范围和配平能力十分有限。

传统的配平方法都是基于配平装置自身质量或质心变化的局部配平原理，配平范围和配平效果直接受限于配重装置的自身质量及移动范围。配平装置质量小、移动范围小则导致配平能力不足；配平装置质量大、移动范围大则导致配平装置结构笨重，占用较大的工作空间同时显著增大离心机负载，将导致离心机的设计难度增加与综合性能指标下降。因此传统的各种配平方法配平能力非常有限，难以具备大范围配平能力。

为了解决以上问题我方研发出了一种整体式离心机动态配平装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种整体式离心机动态配平装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

整体式离心机动态配平装置，离心机包括转臂支承和拉力轴，拉力轴可移动的穿过转臂支承内部安装，拉力轴基于转臂支承的竖向轴心线对称分布，动态配平装置包括：

用于离心机的不平衡力测量和对不平衡力进行补偿和调节的不平衡力测量与运动控制部件。

具体地，不平衡力测量与运动控制部件包括：

伺服双向液压缸；伺服双向液压缸固定安装在拉力轴上，在转臂支承上与拉力轴接触的内侧设置有凹槽，伺服双向液压缸的液压杆置于凹槽内，并作用于转臂支承的两个方向；

两个测力传感器；两个测力传感器安装在伺服双向液压缸的液压杆两端，并用于采集工作状态中离心机的转臂的不平衡力；

两个直线位移传感器；两个直线位移传感器安装在伺服双向液压缸上并置于转臂支承的凹槽内，并用于测量伺服双向液压缸伸缩运动下拉力轴的实际轴向位移量，两个直线位移传感器的测量敏感方向均与液压缸运动方向平行。

优选地，不平衡力测量与运动控制部件为两个，且基于拉力轴对称分布；转臂支承上设置的凹槽为两个。

具体地，拉力轴为两根，且平行设置于同一横向平面内。

优选地，拉力轴与转臂支承之间设置有多组滚子链，多组滚子链沿离心机的转臂轴向均匀布设，每组滚子链的一个滚动面均与拉力轴切向滚动接触。

进一步地，每组滚子链包括四个滚子链，四个滚子链围成长方形，四个滚子链分别置于转臂支承的四个角部内侧并均通过一压盖固定。

更进一步地，滚子链包括保持架和可转动设置在保持架内的多个圆柱滚子，保持架的一端通过压盖抵紧，每个圆柱滚子的一侧均与拉力轴滚动接触，多个圆柱滚子的滚动方向均为拉力轴的轴向方向。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的整体式离心机动态配平装置：

1.本配平装置较之现有技术结构小巧紧凑。传统的配平方法均为基于装置自身质量的方式，自身重力较大；本配平装置的转臂支承结构与不平衡力测量及运动控制部件，装置结构简单、体积小巧、布局紧凑、质量轻便。

2.本配平装置较之现有技术配平范围更广。本配平装置在原理上基于转臂系统的整体式移动，配平能力仅与转臂系统自重和转臂轴向平动位移量有关，不受离心机容量、移动配重块质量、移动距离等多方面的限制，以臂架数百吨的质量和毫米级的位移量即可获得大范围的调节能力，具备足够的配平能力。

3.本配平装置较之现有技术可耐受G值更高。本配平装置的设计与安装位置在离心机转臂支承的侧壁与内部，距离心机的回转中心很近，离心场仅为数十倍重力加速度，对整个配平装置的耐受G值能力要求不高，装置可在大G值工况下可靠运行。

附图说明

图1为本实用新型的安装位置结构主视图；

图2为本实用新型中滚子链的安装结构示意图；

图3为本实用新型中滚子链的结构示意图；

图4为本实用新型中不平衡力测量与运动控制部件的结构示意图；

图5为本实用新型中的液压运动系统工作原理图；

图6为本实用新型的工作原理图；

图7为本实用新型中不平衡力测量与运动控制部件的工作流程图。

图中：1、不平衡力测量与运动控制部件；11、伺服双向液压缸；111、液控单向阀；112、三位四通液压阀；113、电控流量控制阀；114、溢流阀；115、伺服液压泵；12、测力传感器；13、直线位移传感器；2、转臂支承；3、拉力轴；4、定位环；5、吊篮；6、压盖；7、滚子链。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

实施例1，如图1所示，

整体式离心机动态配平装置，离心机包括转臂支承2和拉力轴3，拉力轴3可移动的穿过转臂支承2内部安装，拉力轴3基于转臂支承2的竖向轴心线对称分布，动态配平装置包括：

用于离心机的不平衡力测量和对不平衡力进行补偿和调节的不平衡力测量与运动控制部件1。

离心机还包括定位环4、吊篮5，试样及静态配重分别安装于离心机转臂两端吊篮5内。

在拉力轴3可移动的穿过转臂支承2内部安装的前提下，通过不平衡力测量与运动控制部件1能够有效的完成离心机的不平衡力测量和对不平衡力进行补偿和调节。

实施例2，如图4和图6所示，

本实施例与实施例1的区别在于：不平衡力测量与运动控制部件1包括：

伺服双向液压缸11；伺服双向液压缸11固定安装在拉力轴3上，在转臂支承2上与拉力轴3接触的内侧设置有凹槽，伺服双向液压缸11的液压杆置于凹槽内，并作用于转臂支承2的两个方向；

两个测力传感器12；两个测力传感器12安装在伺服双向液压缸11的液压杆两端，并用于采集工作状态中离心机的转臂的不平衡力；

两个直线位移传感器13；两个直线位移传感器13安装在伺服双向液压缸11上并置于转臂支承2的凹槽内，并用于测量伺服双向液压缸11伸缩运动下拉力轴3的实际轴向位移量，两个直线位移传感器13的测量敏感方向均与液压缸运动方向平行。

伺服双向液压缸11与转臂固连，液压缸两端部的测力传感器12与转臂支承2的侧壁面始终保持接触状态并具有一定的安装预紧力。在离心机运转过程中，当液压缸两端的测力传感器12采集并监测到转臂具有一定的轴向不平衡力时，驱动伺服液压缸向该方向伸出，据相对运动原理整个转臂臂架可在滚子链7的支承作用下相对于转臂支承2向相反方向发滑动位移，通过安装于液压缸支座的位移传感器实时反馈得到转臂拉力轴3与转臂支承2之间的实际位移量，进而结合测力传感器12的不平衡力数值对液压进给运动进行反馈运动控制，实现对不平衡力的补偿和调节。

实施例3，如图1和图6所示，

本实施例与实施例1或实施例2的区别在于：不平衡力测量与运动控制部件1为两个，且基于拉力轴3对称分布；转臂支承2上设置的凹槽为两个。

如图5所示，为本实施例中液压运动系统的工作原理图，伺服双向液压缸11由伺服液压泵115驱动，并经由上位机控制的电控流量控制阀113实现对两伺服双向液压缸11的液压油量的同步精确控制，伺服液压泵115与两个电控流量控制阀113之间的油路上还设置有溢流阀114，通过三位四通液压阀112实现伺服双向液压缸11的双向伸缩运动及停止，通过液控单向阀111实现伺服双向液压缸11在非工作状态下油路的封闭，使得伺服双向液压缸11在非工作状态下停止在任意位置，且停止后不会在转臂外力作用下移动，实现伺服双向液压缸11的可靠锁止，保证液压系统和转臂系统的安全。

如图7所示，为离心机转臂双闭环动态配平系统的工作流程，具体控制步骤如下：

(1)离心机开始运转且配平系统启动或复位后，开始执行离心机转臂动态配平程序；

(2)安装于伺服双向液压缸11两端的测力传感器12实时读取压力并求解为转臂两端的不平衡力F0；

(3)一旦监测到不平衡力F0超过了动态配平的启动响应阈值ε0，则启动求解配平所需的转臂整体平动量ΔL，进而控制伺服液压缸进行伸缩运动控制(若液压伺服系统为开启状态则跳过不平衡力F0校验步骤直接进行ΔL计算求解与液压缸的运动控制)；

(4)在伺服液压缸的伸缩运动下整个转臂将发生轴向偏移，经由位移传感器实时测量读取转臂的实际位移量Δl，实现对伺服液压缸运动执行的闭环反馈调节；

(5)当转臂实际平动量Δl运动至与期望值ΔL相等后，跳转至步骤(2)由测力传感器12再次监测转臂系统轴向不平衡力；

(6)在转臂平动调节的过程中，若实时不平衡力F0低于不平衡力容许偏差阈值ε1(ε1<ε0)后，说明整个转臂系统已达到较为理想的动态平衡状态，此时关闭并锁止液压系统以防止转臂与臂架在其他力作用下再发生轴向运动，保证系统的安全可靠运行，并跳转至步骤(2)；

(7)在转臂平动调节的过程中，若实时不平衡力F0仍然不满足配平指标时，将跳转至步骤(3)重新计算与更新所需的移动配平量并对转臂进行动态配平运动控制，直到满足不平衡力容许偏差指标；

(8)系统处于不断循环执行力监测和转臂动态配平的运动控制过程中，直至动态配平系统接收到关闭或异常信号后进程终止。

离心机转臂的整个动态配平调节过程是一个双闭环的控制过程，包含由转臂实际偏移平动量和液压伺服系统的运动控制之间的位置闭环反馈控制内环和由转臂不平衡力监测与不平衡力控制构成的力反馈闭环控制外环。通过双闭环控制的方法可以有效保证不平衡力动态配平系统的安全、可靠、精准运行，可以在离心机运转的工作状态下对不平衡力进行实时更新、在线监测和动态配平。

实施例4，如图1、图2和图6所示，

本实施例与实施例3的区别在于：拉力轴3为两根，且平行设置于同一横向平面内。

两根拉力轴3由多个定位环4固定。

实施例5，如图2和图7所示，

本实施例与实施例3的区别在于：拉力轴3与转臂支承2之间设置有多组滚子链7，多组滚子链7沿离心机的转臂轴向均匀布设，每组滚子链7的一个滚动面均与拉力轴3切向滚动接触。

实施例6，如图2和图6所示，

本实施例与实施例5的区别在于：每组滚子链7包括四个滚子链7，四个滚子链7围成长方形，四个滚子链7分别置于转臂支承2的四个角部内侧并均通过一压盖6固定。

实施例7，如图2和图3所示，

本实施例与实施例6的区别在于：滚子链7包括保持架和可转动设置在保持架内的多个圆柱滚子，保持架的一端通过压盖6抵紧，每个圆柱滚子的一侧均与拉力轴3滚动接触，多个圆柱滚子的滚动方向均为拉力轴3的轴向方向。

滚子链7位于转臂支承2与转臂之间，呈左右、上下对称的四向等载布局结构。转臂完全由滚子链7支承自重，并通过滚子链7与转臂支承2间接接触。整个转臂在受到不平衡力作用后，可在伺服双向液压缸11的伸缩运动和滚子链7的支承和约束下相对于转臂支承2发生轴向相对运动，其余方向自由度被完全约束。

实施例8，

本实施例与实施例1的区别在于：不平衡力测量与运动控制部件1包括：

伺服双向液压缸11；伺服双向液压缸11固定安装在转臂支承2上，在拉力轴3上与转臂支承2接触的部分设置有凹槽，伺服双向液压缸11的液压杆置于凹槽内，并作用于转臂支承2的两个方向；

两个测力传感器12；两个测力传感器12安装在伺服双向液压缸11的液压杆两端，并用于采集工作状态中离心机的转臂的不平衡力；

两个直线位移传感器13；两个直线位移传感器13安装在伺服双向液压缸11上并置于拉力轴3上的凹槽内，并用于测量伺服双向液压缸11伸缩运动下拉力轴3的实际轴向位移量，两个直线位移传感器13的测量敏感方向均与液压缸运动方向平行。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。