一种考虑摆动遗留角影响的土工离心机配平方法与流程

本发明属于离心机转子平衡技术领域，涉及一种土工离心机的配平方法，具体涉及一种考虑摆动遗留角影响的土工离心机配平方法的改进。

背景技术：

土工离心机转子平衡是离心机设计及试验过程中的一个大问题，涉及加速度指标能否实现以及安全运行等重要层面。旋转设备除静载外，还要承受包括转动不平衡所附加的动荷载。动荷载将引起设备强迫振动，轻者降低运转平稳性和精度、增大运动噪声、加速运动部件磨损，缩短使用寿命；重者使转子无法正常运转，不是轴承损坏，就是转速难以提高，达不到设计指标。

影响不平衡的主要因素有：

1)总体上，在于力学结构及其相互关系是否恰当，转子配平方法是否合理有效，监测系统是否灵敏可靠；

2)结构上，取决于转子尺寸高长比例、质量分布以及支撑系统刚度、精度和地基质量等；

现有的关于土工离心机的配平技术主要是：设计一个调节机构，通过液压、气压、电机驱动的方式，根据不平衡力监测装置的监测结果或配平需求，通过改变转臂上的移动配重块的位置，或者在配重吊篮上驱动可变质量体(包括可变位置的质量块和液体体积可变的水箱)，来达到离心机的动态平衡。

cn102652929a号发明专利申请公开了一种土工离心机在线动态平衡调节机构。该申请包括不平衡力监测装置、动态平衡调节装置和动态平衡配重块。该机构的工作原理为：当土工离心机处于不平衡状态，并达到一定程度时，不平衡力监测装置会输出对应的感应信号给平衡控制器，在平衡控制器的控制下，法兰带动转臂上的动态平衡配重块移动，从而实现对土工离心机进行在线动态平衡调节的目的。

cn203342956u号实用新型专利申请公开了一种土工离心机新型平衡自调节系统。该申请包括水箱、测力传感器、控制阀和控制器。该调节系统的工作原理为：当离心机工作端负载增加以后，传感器测出不平衡力，控制阀中的电磁开关阀打开，水箱中开始注水，直到不平衡力接近为零，电磁开关阀关闭，停止注水。

cn105080734a号发明专利申请公开了一种新型离心机静态配平装置。该配平装置包括配平框架、丝杠、移动配重块、电机、旋转传动装置和行走螺母。该装置的工作原理为：配平框架作为整个配平装置的安装基体，固定配重块安装于配平框架上远离其连接孔的一端，是配平装置的基础配重，电机驱动移动配重块，根据需要在丝杠上做远离或靠近连接孔的直线运动，从而实现改变整个配平装置的配重的目的。

cn107694771a号发明专利申请公开了一种土工离心机可调重心配重装置。该配重装置主要包括支架、丝杠、螺母、质量块、齿圈、齿轮、电机。该装置的工作原理为：该装置与离心机之间通过支架上的法兰固定，系统根据不平衡力测量传感器测量计算结果对是否需要移动质量块发出指令，通过遥控电机驱动质量块沿着丝杠做往复运动，以实现离心机动态或静态条件下的平衡调节。

cn108480065a号发明专利申请公开了一种动配平系统及具备动配平系统的离心机。该申请主要包括动配平系统和具备动配平系统的离心机。该申请的工作原理为：动平衡系统对称布置在离心机转轴两侧，动配平系统安装在转臂内设置的凹槽内，当离心机需要配平时，液压缸驱动配重滑块移动到指定位置，实时配平系统的不平衡力。

上述的配平技术的主要缺点是：

1)要求安装一个新的附加装置或对现有的离心机主体进行改装，可调节的机构不仅增加了结构的复杂性，加工复杂，安装调整麻烦和有限的配重量程也限制了其自身技术的发展，难以在现有的土工离心机设备上推广运行。通过不平衡力监测装置的监测结果，来实时的反馈控制移动机构进行配平操作，附加机构若没有调整协调好，额外增加给离心机的摩擦力会影响不平衡力的传递而造成监测数据的偏差，因此监测结果的精度与时效性也影响配平的最终效果。

2)目前的土工离心机配平方式大都是在试验前计算配重量，通过在配重吊篮放置配重块以实现配平操作，而上述配平技术的一些复杂性操作则增加了人工和材料的成本。

3)上述的配平技术均是基于对不平衡力的配平原理而设计的，而现有的土工离心机，吊篮的设计均采用的是摆动结构，由于重力加速度g的影响，导致离心机在转动过程中，吊篮不可能完全摆平，因此在吊篮摆动半径与转臂中心线之间出现了夹角作为摆动遗留角α，由于摆动遗留角的存在，不平衡力矩会对离心机转动平衡产生影响。

离心机转动时，支撑主轴的轴承的变形，直接影响离心机转动时的运动状态，因此，现有技术缺乏有效通过配平的方式有效控制离心机平稳转动时主轴轴承的变形量，无法控制离心机平稳运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述背景技术中的技术问题而提出一种土工离心机配平的方法，考虑1g重力场的摆动遗留角的影响，通过配平技术的改进直接有效控制主轴轴承的受力和变形，通过特殊配平方式有效控制离心机平稳转动时主轴轴承的变形量，直接使得离心机是否平稳运行。

本发明所采用的技术方案是：

所述方法包括建立土工离心机中试验端与配重端之间的质径积差值与离心机主轴的轴承受力和轴承变形之间的关系；利用上述建立的关系获得最优的质径积差值，在反算得到配重吊篮内放置的配重块质量，通过在配重吊篮内吊装安放计算得到的配重块组合，进行配平操作。

所述的质径积为质量与质量的质心到转轴中心线水平距离的乘积。

离心机的试验端与配重端存在一个质径积差值，建立稳态转动时考虑摆动角影响的离心机试验端与配重端的质心位置之间的关系，然后进行稳态运动时离心机整体的受力情况分析，进而建立质径积差值与主轴的轴承受力及轴承变形之间的关系。

所述的稳态转动为离心机转动达到设计的加速度值并保持不变的运动状态。所述的摆动遗留角为考虑1g重力场影响的结果。

方法具体如下：

1)建立以下公式的质径积差值与主轴的两个轴承之间的关系：

a、建立主轴轴承受力与质径积差值的关系：

其中，fn1表示主轴的上轴承受力，fn2表示主轴的下轴承受力，s1表示转臂中心线与上轴承的竖向高度距离，s2表示上轴承与下轴承的竖向高度距离；m2为土工离心机试验端总质量，r2为土工离心机试验端质心距离转轴中心线的水平距离；w为土工离心机的转动角速度，h1为配重端质心距离转臂中心线的竖向距离，g表示重力加速度，δh表示试验端与配重端质心在竖向距离的差值，δx表示土工离心机中试验端与配重端之间的质径积差值；h2为试验端质心距离转臂中心线的竖向距离，质径积为质量与质心到转轴中心线水平距离的乘积。

b、建立以下公式的质径积差值与主轴的两个轴承变形之间的关系：

其中，en1表示上轴承的变形刚度，en2表示下轴承的变形刚度；δn1表示上轴承的变形量，δn2表示下轴承的变形量；

2)在对上轴承或下轴承的受力及变形有严格控制的情况下，分别取上轴承受力fn1或者下轴承受力fn2等于零时的质径积差值作为最优质径积差值；

在要求离心机主轴轴承整体变形处于最小的情况下，取上轴承的变形量δn和下轴承的变形量δn2相同时的质径积差值作为最优质径积差值；

3)采用以下公式反算获得配重端总质量：

δx＝m2r2-m1l1

式中，m1为土工离心机配重端的总质量，l1为配重端质心距离转轴中心线的水平距离，m2为试验端总质量，r2为试验端质心距离转轴中心线的水平距离。

具体实施可再通过在配重吊篮内吊装安放计算得到的配重块组合，实现配平操作。

所述的土工离心机采用双对称臂的双摆动吊篮的离心机，且土工离心机主轴的轴承安置在转臂以下部位，依照距离顺序表示为上轴承和下轴承。

所述方法采用的土工离心机包括基座、主轴、转臂、上轴承、下轴承、配重块、配重端和试验端；主轴位于基座中，且主轴中部和底部分别通过上轴承和下轴承支撑旋转于基座中，转臂中部和主轴上端固接，转臂水平两端分别铰接配重端和试验端，配重端中放置配重块，试验端中放置待测物。

所述的配重端为配重吊篮，所述的试验端为试验吊篮。

所述的试验端，包括试验吊篮和模型在内的整体；所述的配重端，包括配重吊篮和配重物块在内的整体。

本发明的有益效果为：

本发明相比于已有的配平方法，可以考虑到由于1g重力场影响下的摆动遗留角的存在所带来的不平衡力矩对离心机转动的影响，克服已有的技术仅配平离心力而忽略其余不平衡动荷载对主轴的作用的缺点，通过配平技术的改进，直接对主轴轴承的受力和变形进行分析和控制。

本发明的配平方法可操作性强，通过调整配重块的组合可达到配平的目的，极大的节约了人工和材料的成本，无需对土工离心机机体构造进行改变，因此易于在现有的土工离心机设备上推广。

附图说明

图1为本发明采用的土工离心机的结构图；

图2为土工离心机稳态转动时的计算简图；

图3为实施例质径积差值与轴承变形之间的关系曲线图。

图4为实施例质径积差值与轴承受力之间的关系曲线图。

图中：基座1，主轴2，转臂3，上轴承4，下轴承5，配重块6，配重端7，试验端8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的实施例及其实施过程如下：

一、条件：采用双对称臂、双摆动吊篮的土工离心机。

如图1所示，土工离心机包括基座1、主轴2、转臂3、上轴承4、下轴承5、配重块6、配重端7和试验端8；主轴2位于基座1中，且主轴2中部和底部分别通过上轴承4和下轴承5支撑旋转于基座1中，转臂3中部和主轴2上端固接，转臂3水平两端分别铰接配重端7和试验端8，配重端7中放置配重块6，试验端8中放置待测物。配重端7为配重吊篮，所述的试验端8为试验吊篮。

二、参数：该离心机转臂长度d＝5m，模型试验设计加速度值a＝50g，g＝9.8m/s^-2，两个吊篮均重16t，试验端总重量m2＝30t，其质心到主轴的的水平距离r2＝7.25m。转臂中心线到上轴承的距离s1＝1.5m，上轴承到下轴承的距离s2＝2.5m，上轴承的变形刚度为en1＝2.5x10⁹n/m,下轴承的变形刚度为en2＝1.0x10⁹n/m。

三、过程：

步骤一：

计算质径积差值δx：

δx＝m2r2-m1l1

建立稳态转动时的试验端与配重端质心位置的几何关系：

对于本实施例δx值的优选范围为(-4tm～3.5tm),初定配重端的基础配重为m1＝28t，根据选定的δx值范围以及m1，推算出l1的一系列值；进而可以结合已有的参数，算出δh的一系列值；

步骤二、

建立主轴轴承受力与质径积差值的关系：

步骤三、建立主轴轴承变形与质径积差值的关系：

根据步骤一中计算得到的一系列不同的δx和δh的取值，通过步骤二和步骤三的计算得到对应的轴承约束力及变形的值的变化情况，并绘制表1和曲线图3和图4。

四、结果：

实验计算结果见下表1和图4所示：

表1优选实施例的计算数据

表中的m1表示按照δx＝m1l1的值换算得到的配重块质量，δf表示表示按照δx的值换算得到的不平衡离心力。

情形1：从数据表1的结果可以得到，当δx＝0，意味着此时离心力配平，然而由于遗留角的不平衡力矩的影响，两轴承仍产生一定的变形，并且变形方向相反。

情形2：按照本发明的配平改进方法，允许一个差值δx≈-0.72tm，对应的配重物块重约m1＝92kg，则两轴承的变形可以取到一个整体的最小值，这也可以从图4的曲线中看到，位于两个轴承变形曲线的交点。交点处对应的质径积差值作为最优的质径积差值。

此时与情形1相比，上轴承的变形值下降了20％，而下轴承的变形值则下降了超过70％，可见，按照本发明改进配平方式，在基础配重m1＝28t的基础上，增加一个重约92kg的配重物块，形成质径积差后，即可实现配平操作，且取得的效果是显著的。

情形3：若要求严格控制上轴承的变形，则按照本发明的配平方法，只需允许一个差值δx≈-0.4tm，对应的配重物块质量约51kg，即可实现配平需求，

情形4：要求严格控制下轴承的变形，则按照本发明的配平方法，只需允许一个差值δx≈-1.06tm，对应的配重物块质量约136kg，即可实现配平需求。

如表1中最后两行，上轴承和下轴承分别达到受力最小即等于0，此时变形最小，对应的质径积差值作为最优的质径积差值。

通过上述情形根据配平的需求(不同的控制要求)选择最优的质径积差值，反算得到配重吊篮内需要放置的配重块质量，通过在配重吊篮内吊装安放计算得到的配重块组合，实现配平操作。

由此可见，本发明的方法克服已有方法仅配平离心力而忽略其余不平衡动荷载对主轴的作用的缺点，配平可操作性强，通过调整配重块的组合可满足不同配平需求，在现有的土工离心机设备上易于推广。