一种动态不平衡力调节系统及土工离心机的制作方法

本实用新型涉及离心机平衡技术领域，特别是一种动态不平衡力调节系统及土工离心机。

背景技术：

土工离心机在正常运行的过程中，由于吊篮内试件的质心状态变化、转臂自身未配平衡等多方面因素可导致离心机转臂产生缓慢/瞬时加载并可持续存在的不平衡力。当不平衡力超过一定阈值后，将显著恶化设备主轴及各关键部件的受力状态，加剧设备运行的振动、应变、噪声等，造成诸多不良影响；过大的不平衡力将迫使离心机进入紧急制动停机状态或直接导致离心机倾覆等严重事故。因此，动态配平系统是保证设备安全可靠运行的重要系统。随着土工离心机的g值提高，对配平系统的配平能力、配平速度均提出了越来越高的要求。

最常见的配平方法是通过移动配重质量式的配平。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)。这种基于移动配平质量块的方式其配平响应速度较为缓慢，配平能力十分有限，且这种驱动系统难以在高g值的大离心场下可靠工作。

专利201320405085.2《土工离心机新型平衡自调节系统》与专利201810843902.x《土工离心机动态平衡调节系统》公开了利用水在离心场下产生的附加离心力来实现动态配平的方法，但是这种基于液体在离心场下自主流动的配平方式配平误差很大，且水仅能够单向放出而无法逆向返回，不具备可逆调节能力，其配平能力也较为有限。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种动态不平衡力调节系统及土工离心机。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种动态不平衡力调节系统，包括第一压力容器和第二压力容器，所述第一压力容器和第二压力容器分别置于旋转装置的转动轴心线两侧，且第一压力容器和第二压力容器以旋转装置的转动轴心线对称分布；

所述第一压力容器和第二压力容器的结构相同，包括壳体，所述壳体内设置有活塞将壳体内部腔体隔开形成气体腔和液体腔，所述第一压力容器和第二压力容器的液体腔通过连通器管路连通；还包括控制单元，所述控制单元的输出端连通第一压力容器和第二压力容器的气体腔，控制单元改变所述气体腔内的压力来使第一压力容器和第二压力容器的液体腔内的液体转移。

具体的，所述控制单元包括进气支路和排气支路，所述进气支路包括地面供气支路和机载供气支路，所述地面供气支路包括地面供气管道、电气比例阀、第二先导电磁阀和第三先导电磁阀，所述地面供气管道的一端连通电气比例阀的进气端，所述电气比例阀的出气端均与第二先导电磁阀和第三先导电磁阀的进气端连通，所述第二先导电磁阀的出气端连通第一压力容器的气体腔，所述第三先导电磁阀的出气端连通第二压力容器的气体腔；

所述机载供气支路的出气端连通电气比例阀的进气端；

所述排气支路的进气端与第一压力容器、第二压力容器的气体腔连通。

具体的，所述排气支路包括第一先导电磁阀，第四先导电磁阀，所述第一压力容器的气体腔连通第一先导电磁阀的进气端，所述第一先导电磁阀的出气端连通第一排气管道，所述第二压力容器的气体腔连通第四先导电磁阀的进气端，所述第四先导电磁阀的出气端连通第二排气管道。

具体的，所述机载供气支路设置在旋转装置上，其包括储气罐、手动截止阀、减压阀，所述储气罐的出气端与手动截止阀的进气端连通，所述手动截止阀的出气端与减压阀的进气端连通，所述的减压阀的出气端与地面供气管道汇合后连通电气比例阀的进气端。

具体的，所述活塞与所述壳体的内腔滑动配合，所述活塞与壳体内腔接触的面上设置有密封件。

具体的，所述的第一排气管道的输出端连通第一节流阀，所述第一节流阀连通第一消音器；所述第二排气管道的输出端连通第二节流阀，所述第二节流阀连通第二消音器。

具体的，储气罐与手动截止阀连通的管道上设置有气压表，所述第一压力容器上设置有用于检测第一压力容器的气体腔压力的第一气压传感器和用于检测第一压力容器的液体腔压力的第一液体压力传感器；所述第二压力容器上设置有用于检测第二压力容器的气体腔压力的第二气压传感器和用于检测第二压力容器的液体腔压力的第二液体压力传感器。

具体的，所述连通器管路上设置有防护电磁阀。

一种土工离心机，包括转臂、转臂支撑和旋转主轴、动态不平衡力调节系统，所述的转臂固定在转臂支撑上且关于转臂支撑对称设置，所述的转臂支撑与旋转主轴固定连接，所述的动态不平衡力调节系统的第一压力容器和第二压力容器关于转臂支撑对称设置在转臂支撑两侧的转臂上；所述动态不平衡力调节系统的储气罐通过工装固定在旋转主轴上，所述动态不平衡力调节系统的手动截止阀、减压阀、电气比例阀、第一先导电磁阀、第二先导电磁阀、第三先导电磁阀、第四先导电磁阀、第一节流阀、第二节流阀、第一消音器、第二消音器和防护电磁阀集成阀组，且阀组固定设置在转臂支撑上。

具体的，第一压力容器和第二压力容器通过连接工装固定在转臂上，所述的动态不平衡力调节系统的连通器管路通过卡箍固定在转臂上。

本实用新型具有以下优点：

1、双倍的不平衡力调节能力。两压力容器组成的连通器内的液体总量保持恒定不变，在气体压差作用下进行液体转移的过程使转臂一侧液体量增加、另一侧液体量减少，因此单位质量液体的转移过程可在离心场下产生两倍的配平力效果，配平能力与配平效率显著提高。

2、系统快速响应能力。系统的动力源采用了高压气体，高压气体自身具有快速响应的优势。同时系统可在一侧供气的同时进行对侧排气，能够有效降低对供气压力与供气量的指标。系统响应更快，效率更高。

3、系统可实现往复连续可逆调节。本系统的液体总量保持恒定不变，且两侧压力容器内的气体压力与气体量可根据需求进行适时供气、排气，因此往复配平过程无累积效应，优于传统的水配平方法可实现往复连续的可逆调节。

4、可在大离心场下可靠工作。本实用新型配平系统利用高压气体作为执行器进行配平工作，避免了使用电机系统无法在大离心场下可靠工作的难题，适用于高g值大离心场下的工作状态，且在大离心场下其配平能力更强。

附图说明

图1为本实用新型的动态不平衡力调节系统结构示意图；

图2为本实用新型的第一压力容器和第二压力容器结构示意图；

图3为本实用新型的具有动态不平衡力调节系统的土工离心机结构示意图；

图中：1-转臂支撑，2-转臂，3-旋转主轴，4-第一压力容器，5-第二压力容器，6-连通器管路，7-储气罐，8-阀组，9-连接工装，10-壳体，11-气体腔，12-液体腔，13-活塞，14-密封件，15-防护电磁阀，16-第一先导电磁阀，17-第二先导电磁阀，18-第三先导电磁阀，19-第四先导电磁阀，20-电气比例阀，21-减压阀，22-手动截止阀，24-第一节流阀，25-第一消音器，26-第二节流阀，27-第二消音器，28-旋转接头，29-第一液体压力传感器，30-第一气压传感器，31-第二气压传感器，32-第二液体压力传感器，33-气压表。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1～3所示，一种动态不平衡力调节系统，包括第一压力容器4和第二压力容器5，所述第一压力容器4和第二压力容器5分别置于旋转装置的转动轴心线两侧，且第一压力容器4和第二压力容器5以旋转装置的转动轴心线对称分布；

所述第一压力容器4和第二压力容器5的结构相同，包括壳体10，第一压力容器4和第二压力容器5的中部结构为圆柱形、两端部为椭球形，以具备较高的承压耐压能力，所述壳体10内设置有活塞13将壳体10内部腔体隔开形成气体腔11和液体腔12，液体腔12内注入压力油或水，气体腔11内的高压气体可采用高压空气、氮气或其他惰性气体，壳体10上位于液体腔12侧的顶部开设有常闭换液口，用于初次注液及液体维护更换；液体口位于椭球端盖的中部偏下，与液体压力传感器及连通器管路6固连。压力容器气体侧椭球端盖开设有一个气压传感器接口及一个气源接口，分别与气压传感器及控制单元的管路连接，所述第一压力容器4和第二压力容器5的液体腔12通过连通器管路6连通；还包括控制单元，所述控制单元的输出端连通第一压力容器4和第二压力容器5的气体腔11，控制单元改变所述气体腔11内的压力来使第一压力容器4和第二压力容器5的液体腔12内的液体转移。本方案主要用于对土工离心机的转臂2进行平衡调节，也可以用于其他需要进行平衡力调节的领域；土工离心机在正常运行的过程中，由于吊篮内试件的质心状态变化、转臂2自身未配平衡等多方面因素可导致离心机转臂2产生缓慢/瞬时加载并可持续存在的不平衡力，当不平衡力超过一定阈值后，将显著恶化设备主轴及各关键部件的受力状态，加剧设备运行的振动、应变、噪声等，造成诸多不良影响，现有针对转臂2平衡力调节的系统存在配平误差大和只能单向进行调节不可逆的缺点，本方案为了解决上述问题，在旋转装置的两侧对称设置两个结构相同的第一压力容器4和第二压力容器5，其内部设置有气体腔11和液体腔12，且通过活塞13隔离开，这样活塞13在壳体10内部移动时可以改变气体腔11和液体腔12体积，而第一压力容器4和第二压力容器5内的液体腔12是连通的，由于第一压力容器4和第二压力容器5内的液体腔12内储存的液体的总量是不变的，这样第一压力容器4和第二压力容器5液体腔12内的液体通过连通器管路6进行相互转移，就可以改变第一压力容器4和第二压力容器5内的液体的储存量，进而改变第一压力容器4和第二压力容器5的重量，放大到旋转装置上就可以改变旋转装置转动的臂的重量配比，通过这种方式就可以达到平衡调节的效果；在具体实施时，只需要控制第一压力容器4和第二压力容器5内的气体腔11的压力就可以控制第一压力容器4和第二压力容器5内的活塞13移动，进而使第一压力容器4和第二压力容器5内的液体腔12内的液体转移，而第一压力容器4和第二压力容器5内的气体腔11的压力是通过控制单元来进行控制，控制单元通过向第一压力容器4和第二压力容器5内的气体腔11供气来改变其压力；

在进行气体压力控制时需要遵循的原则：压力容器内的气体压力应遵循最小压力原则、压差原则及低压原则。

最小压力原则：为保证构成连通器的基本物理条件，即保证离心场下管路中的液体连续性，压力容器内的最小气体压力应至少可克服连通器管路中液体在离心场下的静压强。即

式中，pmin为最低气体压力，ρ为液体密度，ωmax为离心机最大角速度，l为液体最远位置距旋转装置回转中心的最大距离。

压差原则：两侧压力容器中的气体压差与离心场下的液位压差始终保持平衡，即p左气-p右气＝p右液-p左液；

式中，p左气为第一压力容器4气体压力，p右气为第二压力容器5气体压力，p左液为第一压力容器4液体压力，p右液为第二压力容器5液体压力。

低压原则：为保证系统的安全工作，两侧压力容器内的气体压力均不宜过高，设定低压气体侧的工作压力始终为最小压力pmin。具体来说，当控制单元向右侧压力容器内进行充气增压时，右侧压力容器内的液体将遵循压差原则作用下转移至左侧压力容器，而左侧压力容器在总体积不变的情况下，由于液体量增大固然压缩气体侧体积，导致左侧气体压力也会随之增高，此时遵循低压原则，需将左侧增高的气体压力进行排气减压至最小压力pmin。

如图1所示，所述控制单元包括进气支路和排气支路，所述进气支路包括地面供气支路和机载供气支路，所述地面供气支路包括地面供气管道、电气比例阀20、第二先导电磁阀17和第三先导电磁阀18，所述地面供气管道的一端连通电气比例阀20的进气端，所述电气比例阀20的出气端均与第二先导电磁阀17和第三先导电磁阀18的进气端连通，所述第二先导电磁阀17的出气端连通第一压力容器4的气体腔11，所述第三先导电磁阀18的出气端连通第二压力容器5的气体腔11；

所述机载供气支路的出气端连通电气比例阀20的进气端；

所述排气支路的进气端与第一压力容器4、第二压力容器5的气体腔11连通，在使用时，进气支路对第一压力容器4和第二压力容器5进行供气，地面供气支路作为主气源，机载供气支路作为辅助气源，在进行调节时，地面气源通过地面供气管道输入气体到电气比例阀20，经过电气比例阀调节至预设气压后再分别经过第二先导电磁阀17和第三先导电磁阀18通入第一压力容器4和第二压力容器5，第二先导电磁阀17和第三先导电磁阀18均为常闭式先导阀，在进行配平时，根据检测到的不平衡力来确定第一压力容器4和第二压力容器5中的一个需要进行加压，需要加压的压力容器对应的常闭式先导阀开启，控制另一个压力容器的常闭式先导阀还是关闭的状态，同时将另一个压力容器的排气支路打开进行排气，这样就可以使第一压力容器4、第二压力容器5在压差的作用下进行液体转移，能够有效降低对供气压力与供气量的指标，排气时遵循低压原则保持气体压力为pmin，当系统不平衡力减小至阈值以下后，关闭各先导式电磁阀。

如图1所示，所述排气支路包括第一先导电磁阀16，第四先导电磁阀19，所述第一压力容器4的气体腔11连通第一先导电磁阀16的进气端，所述第一先导电磁阀16的出气端连通第一排气管道，所述第二压力容器5的气体腔11连通第四先导电磁阀19的进气端，所述第四先导电磁阀19的出气端连通第二排气管道，所述的第一排气管道的输出端连通第一节流阀24，所述第一节流阀24连通第一消音器25；所述第二排气管道的输出端连通第二节流阀26，所述第二节流阀26连通第二消音器27。第一压力容器4和第二压力容器5的排出的气体分别经过第一节流阀24和第二节流阀26减压节流后通过消音器排出，在进行排气时通过控制第一先导电磁阀16和第四先导电磁阀19的开闭来控制排气。

如图1所示，所述机载供气支路设置在旋转装置上，其包括储气罐7、手动截止阀22、减压阀21，所述储气罐7的出气端与手动截止阀22的进气端连通，所述手动截止阀22的出气端与减压阀21的进气端连通，所述的减压阀21的出气端与地面供气管道汇合后连通电气比例阀20的进气端。本实施例中的储气罐7设置有多个，储气罐7内的高压气体的压力为15mpa，多个储气罐7的出气端汇合后连通手动截止阀22，最后经减压阀21减压后与地面供气管道汇合，减压阀减压后的压力通常为1～3mpa。

如图3所示，所述活塞13与所述壳体10的内腔滑动配合，所述活塞13与壳体10内腔接触的面上设置有密封件14。

进一步的，储气罐7与手动截止阀22连通的管道上设置有气压表33，所述第一压力容器4上设置有用于检测第一压力容器4的气体腔11压力的第一气压传感器30和用于检测第一压力容器4的液体腔12压力的第一液体压力传感器29；所述第二压力容器5上设置有用于检测第二压力容器5的气体腔11压力的第二气压传感器31和用于检测第二压力容器5的液体腔12压力的第二液体压力传感器32。

进一步的，所述连通器管路6上设置有防护电磁阀15，在需要进行配平时打开防护电磁阀15，不需要配平时掉电常闭。

本实用新型的工作原理为：旋转装置两侧压力容器及连通器管路中的液体总量保持恒定不变，两侧压力容器中的气体压差与液位压差保持平衡，通过调控两侧气体压差来实现两侧压力容器内的液体转移，利用移动液体量在离心场下产生的附加离心力来实现对旋转装置不平衡力的动态补偿。

一种离心机动态不平衡力调节方法；

s1、在离心机的正常运转过程中，当监测到转臂2不平衡力时，配平系统启动；

s2、首先根据不平衡力的大小与方向，控制系统解算配平所需的转移水量及目标平衡气体压力；

s3、调节电气比例阀20至目标平衡气体压力；

s4、防护电磁阀15开启，需升压侧的供气支路先导式常闭电磁阀开启，对不平衡力侧的压力容器加压供气，压力容器内的液体遵循压差原则从产生不平衡力侧的压力容器中转移至对侧；

s5、对侧排气支路先导式常闭电磁阀开启，遵循低压原则保持气体压力为pmin；

s6、当系统不平衡力减小至阈值以下后，关闭防护电磁阀15，关闭各先导式常闭电磁阀；

s7、当动态配平过程发生超调、在转臂2对侧产生反向的不平衡力等状况时，在遵循最小压力原则与低压原则条件下按照步骤s2至步骤s6执行。

一种土工离心机，包括转臂2、转臂支撑1和旋转主轴3、所述的动态不平衡力调节系统，所述的转臂2固定在转臂支撑1上且关于转臂支撑1对称设置，所述的转臂支撑1与旋转主轴3固定连接，所述的动态不平衡力调节系统的第一压力容器4和第二压力容器5关于转臂支撑1对称设置在转臂支撑1两侧的转臂2上；第一压力容器4和第二压力容器5的气体腔11靠近旋转主轴3，液体腔12远离旋转主轴3，所述动态不平衡力调节系统的储气罐7通过工装固定在旋转主轴3上，所述动态不平衡力调节系统的手动截止阀22、减压阀21、电气比例阀20、第一先导电磁阀16、第二先导电磁阀17、第三先导电磁阀18、第四先导电磁阀19、第一节流阀24、第二节流阀26、第一消音器25、第二消音器27和防护电磁阀15集成阀组8，且阀组8固定设置在转臂支撑1上。

进一步的，第一压力容器4和第二压力容器5通过连接工装9固定在转臂2上，所述的动态不平衡力调节系统的连通器管路通过卡箍固定在转臂2上。本方案将动态不平衡力调节系统运用到土工离心机上，对土工离心机的转臂2进行动态平衡调节，本实施例将手动截止阀22、减压阀21、电气比例阀20、第一先导电磁阀16、第二先导电磁阀17、第三先导电磁阀18、第四先导电磁阀19、第一节流阀24、第二节流阀26、第一消音器25、第二消音器27和防护电磁阀15集中布局形成的模块化阀组8，这样方便安装，由于土工离心机在高g值下工作，所以距离转动中心越远会产生越大的离心力，为了减小离心场环境对各阀门及电子器件的影响，将其设置在小离心场梯度的旋转主轴3附近，即设置在转臂支撑1上，通过焊接的方式固定在转臂支撑1上。旋转主轴上设置有旋转接头28，地面供气管道经过旋转接头28后与电气比例阀20连通。

动态不平衡力调节系统在土工离心机上的工作原理如下：

1、动态系统配平力大小的计算方法为：式中δf为配平力，g为离心机当前工作g值，l为两压力容器中心距离，r为离心机的有效半径，δm为转移的液体质量。

2、动态配平系统的最大配平能力计算方法为：式中gmax为离心机最大工作g值，ρ为液体密度，v为压力容器容积。

3、在实际阀组器件选型与使用过程中，高压阀组器件选型及实施难度大，为保证系统的安全可靠运行，本配平系统的工作压力宜在3mpa以下，最大工作压力不应超过5mpa。

4、系统初次安装调试步骤

1)初始状态：罐体、工装支架、管路及各传感器安装完毕；

2)连通器管路的防护电磁阀15关闭，进气支路关闭，排气支路开启，压力容器内气体与大气连通；

3)开启常闭换液口并注入液体，使活塞13压缩气体侧容积减小至小于1/2总容积，并保障液体侧无剩余气体；第一压力容器4和第二压力容器5上均设置有换液口

4)保持换液口开启，排气支路关闭，进气支路开启并缓慢供气，推动活塞13使压力容器内的过量液体从换液口溢出；

5)活塞13移动至指定中位时，关闭换液口；

6)进气支路继续供气，直至压力容器内气压达到设定最低压力pmin。

5、系统安全与故障防护方法

1)系统掉电：

连通器管路的防护电磁阀15关闭状态，配平功能锁止；所有先导式常闭电磁阀关闭状态，气路关闭，因此系统掉电状态下系统自动处于安全状态。

2)气体相关故障：

1)气源失压：所有先导式常闭电磁阀关闭状态，气路关闭，液体状态不变，配平功能锁止；系统自动处于安全状态。

2)压力罐气体泄压：防护电磁阀15关闭，压力罐内水气分离，液体状态不变，配平功能锁止；系统自动处于安全状态。

3)液体相关故障：

罐体/管路液体泄露：若发生液体泄漏，液体压力传感器可监测到压力异常，此时必须采取紧急停机操作。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。