双吊篮对称叠臂离心试验装置的制作方法

本发明涉及一种离心试验装置，尤其涉及一种双吊篮对称叠臂离心试验装置。

背景技术：

为解决极端环境(深海、深空、深地)、超重力(高能、高速、高压)、大时空尺度(地质学演变、环境污染)中的高岩土应力和高渗透压下岩土体中固液气多相耦合作用、大平面尺度岩土体中污染物长期运移、高速高能冲击过程、超重力场下物质运动规律等重大科学和技术问题，迫切需要建设世界首台容量超过1000gt(g为重力加速度，t为质量单位，吨)、离心加速度超过1000g的大容量高速土工离心机。依托该离心机，可对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研究等重要课题进行离心模拟试验研究，为取得具有重大科学意义的创新成果，突破重大工程防灾减灾、能源开发、环境保护等战略性领域的科技瓶颈提供强有力支撑。

转臂是大容量高速土工离心机的关键部件，它不仅须支承和驱动吊篮、试验模型等在高离心加速度场安全稳定运行，还须承载大尺寸、大质量模型在低速(高离心场下，常规试验所需仪器仪表已不能使用)常规试验过程中完成各种常规离心模拟试验。目前，世界上还没有这样的离心机转臂结构可供参考。

按照传统技术，能实现高离心加速度的离心机转臂结构尺寸较小、负载低，转臂上不能安装任何功能模块，不能对试验模型进行常规数据采集、测试等功能；能承载大负载试验模型的转臂虽结构尺寸大，并集成了油水气管路、电缆、数采系统、平衡调节系统等功能模块，能进行常规数据采集、测试等，但该类转臂运行离心加速度却较低。

转臂为了承载大容量和大尺寸试验模型，其结构尺寸和质量均较大。当离心加速度较低时，虽转臂自身质量产生的离心力已很大，但其承载的离心力主要源于试验模型在离心场产生的离心力。随着离心加速度增加，因其最大容量没变，试验模型产生的离心力基本不变，但其自身质量产生的离心力将随离心加速度成正比增大，转臂的受力工况也随之愈发严酷。当离心加速度增大到很高时，转臂将不能通过增加材料的方式提高负载能力，所以离心加速度极大地影响着转臂受力工况和研制难度。因此，现有土工离心机的最大容量虽已超过1000gt，但其最大离心加速度却仅有350g。更没有同时满足容量超过1000gt、最大离心加速度超过1000g的土工离心机。

所以，现有高速离心机转臂结构尺寸小、负载低，不具备常规土工试验所需功能模块，只能进行小规模的爆炸等试验模拟；现有大负载离心机转臂虽结构尺寸大、负载高，并集成了油水气管路、电缆、数采系统、平衡调节系统等功能模块，但其运行速度较低，不能对模型提供高离心加速度。按相似比原理可知，这两种转臂均不具备超大规模土工离心模拟试验能力。

另外，在现有技术条件下，常规离心试验所涉油水气管路、电缆、数采系统、平衡调节系统等功能模块可承受的离心力有限，不能在高离心场下运行，但这些功能模块对于常规试验却必不可少。

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既能适应低速离心试验又能适应高速离心试验且能适应大负载离心试验的双吊篮对称叠臂离心试验装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种双吊篮对称叠臂离心试验装置，包括主机室、主转臂、主轴和吊篮，横向的所述主转臂的中心位置设有转臂支承安装腔且该安装腔内安装有转臂支承，竖向的所述主轴穿过所述转臂支承中心的转臂支承轴孔，所述主转臂置于所述主机室内并由所述主轴驱动旋转，所述双吊篮对称叠臂离心试验装置还包括用于安装各种试验用功能模块和仪器的辅转臂和辅转臂支承装置，所述吊篮包括高速吊篮和低速吊篮，所述主转臂的两端外侧分别设有用于安装两个所述低速吊篮的低速吊篮连接销孔；所述主转臂上位于靠近两端内侧的位置分别设有用于安装所述高速吊篮的高速吊篮安装腔，所述辅转臂的中心位置设有辅转臂轴孔，所述主轴穿过所述辅转臂轴孔且不带动所述辅转臂旋转，所述辅转臂位于所述主转臂的上方且能够在相互接触时被限位；所述主机室的顶部中心位置设有向上凹进的辅转臂防护舱，所述辅转臂支承装置安装于所述辅转臂防护舱内并能够在所述辅转臂防护舱内支承所述辅转臂。

上述结构将主转臂和辅转臂、高速吊篮和低速吊篮整合在一个整体转臂上，使整体转臂始终能够通过辅转臂安装各种试验用功能模块和仪器，并在主机室内设置辅转臂防护舱，使辅转臂在高速试验前可以快速移动至辅转臂防护舱中得到保护；其中，低速吊篮及其安装结构即为传统离心机中使用的常规吊篮，是极为常规的现有结构，高速吊篮及其安装结构是已经申请专利的比较新颖的结构，其专利号为“ZL 2016203008546”，专利名称为“高转速土工离心机吊篮兜装消隙装置”，也是现有技术。

为了使辅转臂在低速离心试验中与主转臂贴合并随主转臂同步旋转，所述主转臂的上表面上位于所述转臂支承安装腔四周的位置设有上凸的主转臂限位凸台，所述主转臂的上表面上位于所述主转臂限位凸台两端外侧的位置设有主转臂限位腔，所述辅转臂的下表面上位于所述辅转臂轴孔周边的位置设有与所述主转臂限位凸台配合的辅转臂凹槽，所述辅转臂的下表面上位于所述辅转臂凹槽两端外侧的位置设有下凸且与所述主转臂限位腔配合的辅转臂凸台。这种结构不但能够通过限位凸台与限位腔形成的止口结构实现辅转臂与主转臂同步旋转的功能，而且在进行高速离心试验前能够快速实现辅转臂与主转臂之间的分离，以达到快速将辅转臂吊入辅转臂防护舱内的目的；为了防止辅转臂与主转臂脱开，也可以在二者间增加螺钉，此为常规方式。

作为优选，所述辅转臂包括承力板和用于安装仪器的辅转臂仪器舱，所述承力板的中心位置设有承力板轴孔，所述承力板的上表面的两端分别设有反力座，所述辅转臂仪器舱安装于所述承力板的中部，所述辅转臂仪器舱的中心位置设有与所述承力板轴孔对应的仪器舱轴孔，所述承力板轴孔和所述仪器舱轴孔重叠构成所述辅转臂的辅转臂轴孔；所述辅转臂凹槽和所述辅转臂凸台均设于所述承力板的下表面上。这种结构不但能够安全、可靠地安装各种试验用功能模块和各种仪器，而且结构紧凑，防护性能优良，便于与主转臂配合。

具体地，所述辅转臂仪器舱的舱罩的外周壁上设有多个活动门，所述辅转臂仪器舱内设有用于安装各种仪器的仪器支架。

作为优选，所述辅转臂支承装置包括预埋钢板、支承板、移动支架、导轨、丝杠和电机，所述导轨、所述电机和所述丝杠均安装于所述预埋钢板上，所述丝杠由所述电机的转轴带动旋转，所述移动支架设于所述支承板上，所述移动支架套装于所述丝杠的丝杠螺母上。这种结构中，可以利用电机带动移动支架和支承板一起移动，先移动支承板使辅转臂可以被吊入辅转臂防护舱内，使辅转臂位于支承板的斜上方，然后再反向移动支承板并使其位于辅转臂的正下方，然后就可以将辅转臂置于支承板上，实现将辅转臂吊入辅转臂防护舱内并安装于支承板上的目的；这里没有对吊装辅转臂的装置进行具体说明，在实验室中可根据实际需要选择方便的设备如行车来完成辅转臂的吊装。

为了更加稳定地移动支承板，所述预埋钢板的中部设有尺寸略大于所述辅转臂的中心孔，所述支承板为两个且两个所述支承板靠近后的总尺寸大于所述辅转臂，每一个所述支承板的两端分别设有一个所述移动支架、一个所述导轨、一个所述丝杠和一个所述电机，每个所述支承板的一侧边缘的中部设有半圆形支承板轴孔，两个所述支承板的半圆形支承板轴孔对称排列构成所述支承板的支承板轴孔，所述主轴穿过所述支承板轴孔。

为了使辅转臂被吊入辅转臂防护舱内后支承板能够置于预埋钢板上以提高安装稳定性，所述辅转臂支承装置还包括液压缸，每一个所述支承板的两端分别设有一个或多个所述液压缸，所述液压缸的缸座安装于所述移动支架上，所述支承板的两端分别设有上凸的安装块，所述液压缸的活塞杆与所述安装块连接。这种结构在使用时需要在移动支承板之前先利用液压缸将支承板向上抬升，在将辅转臂吊装在支承板上之后再利用液压缸将支承板向下降至支承板置于预埋钢板上。

为了使辅转臂被吊入辅转臂防护舱内后支承板的下表面与预埋钢板的下表面尽量齐平，所述支承板的两端边缘和靠近所述预埋钢板的中心孔的孔壁的一侧边缘分别设有方角缺口，所述支承板能够通过自身的方角缺口卡装在所述预埋钢板上。

本发明的有益效果在于：

本发明将主转臂和辅转臂、高速吊篮和低速吊篮整合在一个组合的转臂上，并在主机室内设置辅转臂防护舱，使辅转臂在高速试验前可以快速移动至辅转臂防护舱中得到保护，从而使本双吊篮对称叠臂离心试验装置可以进行低速和高速离心试验，不仅可承载超过1000gt的试验模型在超过1000g的离心加速度下安全稳定运行，还可在较低离心加速度下承载大质量、大尺寸的试验模型进行各种常规离心模拟试验；更具体的优点为：

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，还有利于控制转臂产生较大不平衡力；

2、在高速离心试验过程中，将辅转臂隐藏在辅转臂防护舱内，不仅可防止辅转臂上各功能模块在高离心场下损坏和避免辅转臂上的零部件掉入转臂高速运转的主机室的风险，还可有效降低转臂在高速运转时的转动惯量和风阻；

3、能够在必要时将主机室尽量抽真空，从而采用高速低真空运行方式，可降低转臂在高离心加速度运行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。

附图说明

图1是本发明所述双吊篮对称叠臂离心试验装置的立体图，其中主机室为局剖结构；

图2是本发明所述双吊篮对称叠臂离心试验装置应用于低速离心试验时的主转臂和辅转臂的立体图；

图3是本发明所述双吊篮对称叠臂离心试验装置应用于高速离心试验时的主转臂的立体图，此时辅转臂隐藏于辅转臂防护舱内；

图4是本发明所述主转臂的立体图；

图5是本发明所述辅转臂应用时的立体图之一，图中能够看见上表面；

图6是本发明所述辅转臂应用时的立体图之二，图中能够看见下表面；

图7是本发明所述辅转臂的辅转臂仪器舱的立体图；

图8是本发明所述辅转臂支承装置的局剖立体图；

图9是图8中“A”的放大图；

图10是本发明所述辅转臂支承装置的支承板的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

下面先对本发明所述双吊篮对称叠臂离心试验装置的整体结构进行说明，再对其各部件具体结构进行说明。

如图1-图10所示，本发明所述双吊篮对称叠臂离心试验装置包括主机室8、主转臂11、辅转臂12、辅转臂支承装置5、主轴3和吊篮，主转臂11和用于安装各种试验用功能模块和仪器的辅转臂12共同构成本试验装置的转臂1，横向的主转臂11的中心位置设有转臂支承安装腔117且该安装腔内安装有转臂支承111，竖向的主轴3穿过转臂支承111中心的转臂支承轴孔112，主转臂11置于主机室8内并由主轴3驱动旋转，所述吊篮包括高速吊篮110和低速吊篮10，主转臂11的两端外侧分别设有用于安装两个低速吊篮10的低速吊篮连接销孔113；主转臂11上位于靠近两端内侧的位置分别设有用于安装高速吊篮110的高速吊篮安装腔114，高速吊篮安装腔114的腔壁上设有用于安装高速吊篮110的高速吊篮连接销孔115，高速吊篮安装腔114的外端腔壁表面为与高速吊篮110的外端弧形面对应的兜装弧形面119；辅转臂12的中心位置设有辅转臂轴孔，主轴3穿过所述辅转臂轴孔且不带动辅转臂12旋转，辅转臂12位于主转臂11的上方且能够在相互接触时被限位；主机室8的顶部中心位置设有向上凹进的辅转臂防护舱2，辅转臂支承装置5安装于辅转臂防护舱2内并能够在辅转臂防护舱2内支承辅转臂12。

如图4、图5、图6和图7所示，主转臂11的上表面上位于转臂支承安装腔117四周的位置设有上凸的主转臂限位凸台118，主转臂11的上表面上位于主转臂限位凸台118两端外侧的位置设有主转臂限位腔116；辅转臂12包括承力板123和用于安装仪器的辅转臂仪器舱124，承力板123的中心位置设有承力板轴孔120，辅转臂仪器舱124安装于承力板123的中部，辅转臂仪器舱124的中心位置设有与承力板轴孔120对应的仪器舱轴孔1240，承力板轴孔120和仪器舱轴孔1240重叠构成辅转臂12的辅转臂轴孔，承力板123的上表面的两端分别设有反力座(图中未标记)，所述反力座外侧安装有航空插板125，航空插板125上设有快换接头126，承力板123的上表面上位于辅转臂仪器舱124与两端的所述反力座之间的位置分别安装有动平衡调节系统121和蓄能器122；辅转臂仪器舱124的舱罩1241的外周壁上设有多个活动门1243，辅转臂仪器舱124内设有用于安装各种仪器的仪器支架1242；承力板123的下表面上位于承力板轴孔120周边的位置设有与主转臂限位凸台118配合的辅转臂凹槽128，承力板123的下表面上位于辅转臂凹槽128两端外侧的位置设有下凸且与主转臂限位腔116配合的辅转臂凸台127；在低速离心试验时，辅转臂凸台127置于主转臂限位腔116内，主转臂限位凸台118置于辅转臂凹槽128内，实现主转臂11和辅转臂12的限位连接，使主转臂11能够带动辅转臂12同步旋转。

如图8、图9和图10所示，辅转臂支承装置5包括预埋钢板51、支承板52、移动支架58、导轨57、丝杠56、液压缸55和电机50，预埋钢板51的中部设有尺寸略大于所述辅转臂的中心孔(图中未标记)，支承板52为两个且两个支承板52靠近后的总尺寸大于辅转臂12，每一个支承板52的两端分别设有一个移动支架58、一个导轨57、一个丝杠56、一个电机50和两个液压缸55(液压缸55也可以为一个或更多个)，每个支承板52的一侧边缘的中部设有半圆形支承板轴孔53，两个支承板52的半圆形支承板轴孔53对称排列构成支承板52的支承板轴孔，主轴3穿过所述支承板轴孔；支承板52的两端分别设有上凸的安装块54，支承板52与安装块54可以一体成型或焊接连接，液压缸55的缸座安装于移动支架58上，液压缸55的活塞杆与安装块54连接；支承板52的两端边缘和靠近预埋钢板51的中心孔的孔壁的一侧边缘分别设有方角缺口(图中未标记)，支承板52能够通过自身的方角缺口卡装在预埋钢板51上；导轨57、电机50和丝杠56均安装于预埋钢板51上，丝杠56由电机50的转轴带动旋转，移动支架58套装于丝杠56的丝杠螺母上。

图1中还示出了主机室8上方的上仪器舱4、建成主机室8的土建基础7和吊装孔盖板6，该吊装孔用于实现对主机室8内的设备吊装；主轴3由其下方的主电机主机驱动。

如图2所示，在进行低速离心试验时，两个低速吊篮10安装在主转臂11的两端，此时不装高速吊篮110，而且此时辅转臂12置于主转臂11上并通过辅转臂凸台127置于主转臂限位腔116内、主转臂限位凸台118置于辅转臂凹槽128内的方式实现主转臂11和辅转臂12的限位连接，使主转臂11能够带动辅转臂12同步旋转；如图1和图3所示，在进行高速离心试验时，两个高速吊篮110安装在主转臂11的两端内侧的高速吊篮安装腔114内，此时不装低速吊篮10，而且此时辅转臂12隐藏于主机室8的顶部的辅转臂防护舱2内并由支承板52支承，辅转臂12不随主轴3和主转臂11旋转。说明：辅转臂12不旋转且不影响辅转臂12内的各种仪器和功能模块的正常工作的方式采用现有技术完全能够轻易实现，在此不再赘述。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。