一种大容量高速土工离心机的制作方法

本发明涉及一种离心机，尤其涉及一种能对岩土工程领域重大科研项目进行模拟试验的大容量高速土工离心机。

背景技术：

近年来，随着大型岩土工程的不断涌现，常重力下的缩尺模型已不能再现原型特性，迫切需要超重力技术解决缩尺模拟问题。利用高速旋转的离心机产生n倍重力加速度的超重力场，补偿模型因缩尺造成的自重应力损失，在模型尺度产生n倍的缩尺效应、n2倍的缩时效应、n3倍的强化能量效应。

自1931年世界上第一台半径为0.25m的土工离心机在美国哥伦比亚大学诞生以来，经数十年的发展，目前全世界土工离心机已有200余台。利用这些土工离心机，在解决实际岩土工程问题过程中，取得了巨大成就。

然而，世界上容量超过500g·t的大型土工离心机却不到10台。其中最大的离心机是法国Actidyn公司1995年为美国陆军工程师兵团水道试验站(WES)建成1144g·t离心机，该离心机半径7m，最大离心加速度350g。我国最大的离心机是中国物理工程研究院总体工程研究所为成都理工大学研制的500g·t土工离心机，以及正为郑州大学研制的600g·t土工离心机。前者最大离心加速度为250g，后者最大离心加速度为200g。

现有的土工离心机可进行常规土工离心模拟试验，并已取得了较好成效，但因其最大容量有限，承载的试验模型较小，同时，其最大离心加速度也较低，亦不能为较小的试验模型提供较大的离心场。现有的土工离心机不具备对300米以上高坝安全性、千米级深地深海工程、百年跨度地下环境污染、平方公里尺度城市抗震、千米尺度飞行器撞击及高能爆炸等重大科研项目进行试验模拟的能力。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种大容量高速土工离心机。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种大容量高速土工离心机，包括土建基础，所述土建基础内设置有同步电机、旋转接头、转臂、竖直安装的主轴和用于支撑所述主轴的传动支承，所述转臂上安装有吊篮，所述土建基础内从上至下依次设置有三层机室，所述土建基础的外顶面设置有上仪器舱支架及安装在所述上仪器舱支架上的上仪器舱，所述主轴的上端与所述上仪器舱通过传动轴连接，所述转臂设置在中层机室，所述同步电机和所述旋转接头均设置在下层机室，所述旋转接头连接在所述同步电机的下转动端；

所述主轴的下端依次穿过上层机室、中层机室并延伸至下层机室，所述主轴的下端通过联轴器与所述同步电机的上转动端连接；

所述传动支承有两个，且分别为上传动支承和下传动支承，所述上传动支承固定安装在上层机室内的顶部，所述下传动支承固定安装在中层机室内的底部，所述主轴贯穿两个所述传动支承；

所述转臂包括主臂和叠装在所述主臂上的辅臂，所述辅臂与所述主臂之间为可拆卸式连接结构，上层机室内设置有用于安装辅臂的辅臂防护舱，所述辅臂防护舱与中层机室内部相通；

所述吊篮包括两个高速吊篮和两个低速吊篮，所述主臂以所述主轴为中心对称设置有两个用于连接高速吊篮的铰接位和两个用于连接低速吊篮的铰接位。

作为本专利选择的一种技术方案，所述主臂设置有辅臂限位孔，所述辅臂安装于所述主臂的辅臂限位孔内并通过紧固螺栓固定。

作为本专利选择的一种技术方案，所述土建基础内设置有预埋件，所述预埋件为上下两端均设置有法兰的筒状金属结构，所述主轴贯穿所述预埋件，所述下传动支承通过螺栓及螺母与所述预埋件固定连接。

作为本专利选择的一种技术方案，所述螺栓贯穿所述预埋件的上、下法兰且两端均通过螺母限位。

作为本专利选择的一种技术方案，所述上传动支承为倒锥结构，所述下传动支承为正锥结构，所述上传动支承的底面安装在所述土建基础的外顶面，所述上传动支承的锥端位于上层机室内的顶部。

作为本专利选择的一种技术方案，所述土建基础的机室为能够抽真空的可密封结构，所述传动支承的轴承座与支承支架之间、所述传动支承的密封盖与所述主轴的上端面之间均设置有静密封结构，所述传动支承的密封盖与轴承座之间设置有动密封结构。

本发明的有益效果在于：

1)采用双吊篮对称叠臂结构，不仅可避免低速常规试验所需功能模块在高离心场下承受过高离心力而损坏，还有利于控制转臂在运转过程中产生较大不平衡力；

2)主轴采用上下支承方式，可增大主机承载不平衡力能力和降低各轴承的负载；

3)采用高速低真空运行方式，可降低转臂在高离心加速度运转过程中产生巨大风阻和避免转臂端头超音速带来音爆音障等危害；

4)采用同步电机直接驱动方式，可提高离心机主机承载离心试验过程中产生的冲击振动能力；

5)离心机主机通过固定在土建基础上的预埋件与土建基础联接，增强了主机与土建基础联接的可靠性，提高了主机抗倾覆力能力；

6)整机为容量超过1000gt、离心加速度高于1000g的大容量高速土工离心机，能够对岩土工程领域重大科研项目进行模拟试验。

附图说明

图1是本发明所述大容量高速土工离心机的结构示意图；

图2是本发明所述转臂安装有低速吊篮和辅臂时的结构示意图；

图3是本发明所述转臂安装有高速吊篮并拆掉辅臂时的结构示意图；

图4是本发明所述下传动支承的安装结构示意图；

图5是本发明所述预埋件的结构示意图；

图6是本发明所述上传动支承的安装结构示意图；

图中：1-旋转接头，2-同步电机，3-联轴器，4-下传动支承，5-转臂，6-辅臂防护舱，7-主轴，8-土建基础，9-上传动支承，10-上仪器舱支架，11-上仪器舱，12-低速吊篮，13-主臂，14-辅臂，15-高速吊篮，16-预埋件，17-螺母，18-螺栓，19-传动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

结合图1、图2和图3所示，本发明包括土建基础8，土建基础8内设置有同步电机2、旋转接头1、转臂5、竖直安装的主轴7和用于支撑主轴7的传动支承，转臂5上安装有吊篮，土建基础8内从上至下依次设置有三层机室，土建基础8的外顶面设置有上仪器舱支架10及安装在上仪器舱支架10上的上仪器舱11，主轴7的上端与上仪器舱11通过传动轴19连接，转臂5设置在中层机室，同步电机2和旋转接头1均设置在下层机室，旋转接头1连接在同步电机2的下转动端；主轴7的下端依次穿过上层机室、中层机室并延伸至下层机室，主轴7的下端通过联轴器3与同步电机2的上转动端连接；传动支承有两个，且分别为上传动支承9和下传动支承4，上传动支承9固定安装在上层机室内的顶部，下传动支承4固定安装在中层机室内的底部，主轴7贯穿两个传动支承；

转臂5包括主臂13和叠装在主臂13上的辅臂14，辅臂14与主臂13之间为可拆卸式连接结构，上层机室内设置有用于安装辅臂14的辅臂防护舱6，辅臂防护舱6与中层机室内部相通，吊篮包括两个高速吊篮15和两个低速吊篮12，主臂13以主轴7为中心对称设置有两个用于连接高速吊篮15的铰接位和两个用于连接低速吊篮12的铰接位。

整个大容量高速土工离心机采用同步电机2直接驱动，同步电机2向上通过联轴器3驱动下传动支承4内主轴7旋转，向下带动旋转接头1转动。主轴7与转臂5通过圆锥面进行支承和定位，通过胀套进行固联。主轴7的转动带动转臂5一起旋转，从而对安装在转臂5远端的试验模型产生离心加速度。通过控制同步电机2转速，可对试验模型产生不同量值的离心加速度。

主轴7由上下两个传动支承约束其径向位移，从而对主轴7形成上下支承，这样可提高主轴7承载转臂5的不平衡力能力，同时降低传动支承内轴承的负载。同步电机2的转轴、下传动支承4处的主轴7部分均为空心轴，安装后将形成通孔，以便旋转接头1所涉线缆通过该通道进入转臂5。

转臂5为双吊篮对称叠臂结构。在低离心加速度运行时，主臂13两端悬挂低速吊篮12，并与辅臂14叠合运行，如图2所示。辅臂14上对称安装有下仪器舱、蓄能器、数采系统、动平衡调节系统等功能模块(这些部件的安装方式为现有技术，在此不多做说明)，通过这些功能模块，可实现转臂5在低离心加速度下的常规土工试验过程中的平衡调节、数据采集等功能。

在高离心加速度运行时，将辅臂14吊装隐藏在辅臂防护舱6内，此时，转臂5仅有主臂13和高速吊篮15旋转，如图3所示。为了降低转臂5在高离心加速度运行过程中产生巨大风阻和避免转臂5端头超音速带来的音爆音障等危害，主机室(中层机室)需要被抽成低真空。

转臂5设有四套不平衡力监测系统，对称安装在转臂5中的转臂支承两侧，此为现有技术。

作为辅臂14在主臂13上的一种安装方式，主臂13设置有辅臂14限位孔，辅臂14安装于主臂13的辅臂14限位孔内并通过紧固螺栓固定。

高速吊篮15采用专利技术“高转速土工离心机吊篮兜装消隙装置，专利号：ZL 2016203008546”安装在主臂13运行。

结合图4和图5所示，作为本专利选择的一种技术方案，土建基础8内设置有预埋件16，预埋件16为上下两端均设置有法兰的筒状金属结构，主轴7贯穿预埋件16，下传动支承4通过螺栓18及螺母17与预埋件16固定连接。

作为本专利选择的一种技术方案，螺栓18贯穿预埋件16的上、下法兰且两端均通过螺母17限位。

结合图4和图6所示，作为本专利选择的一种技术方案，上传动支承9为倒锥结构，下传动支承4为正锥结构，上传动支承4的底面安装在土建基础8的外顶面，上传动支承4的锥端位于上层机室内的顶部。

下传动支承4结构及固定方式均借鉴专利“固体火箭发动机离心过载试验系统，专利号：ZL 201520332501X”所涉相关技术。

为了使主机室(中层机室)形成密封腔并便于抽真空，作为本专利选择的一种技术方案，土建基础8的机室为能够抽真空的可密封结构，传动支承的轴承座与支承支架之间、传动支承的密封盖与主轴7的上端面之间均设置有静密封结构，传动支承的密封盖与轴承座之间设置有动密封结构。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。