稳态加速度模拟试验设备：离心机设计（16）

贾普照

（北京卫星环境工程研究所，北京 100029）

第7章 离心机总体设计（续Ⅲ）

目录

7.5 离心机总体构造

7.5.1 主轴系统与机械传动

7.5.2 上传动与下传动

7.5.3 吊篮甩动问题

7.5.4 对称臂与不对称臂

7.5.5 大电机与小电机

7.5.6 液压传动与电气传动

7.5.7 汇电环走线

7.6 离心机实验室

7.6.1 实验室构形

7.6.2 实验室温升

7.6.3 设备基础

7.5 离心机总体构造

在解决了离心机半径、功率等问题之后，离心机的总体构造必然会提上设计日程。

总体构造主要研究的是离心机总体布局和各主要部件基本构型，属于设备硬件设计的宏观重大决策内容。总体构造决定了设备的配置与特点，牵扯到方方面面，取决于科技原则、主观取向、客观可能、经济投入以及研制经验和能力、技术传统等等因素。

对离心机进行总体构造和技术决策的时候，经常被议及的问题往往有：上传动好还是下传动好，对称臂好还是不对称臂好，外形整流好还是不整流好，吊篮甩动好还是不甩动好，大电机好还是小电机好，液压传动好还是电气传动好，实验室是两层、三层还是单层等等。本文第3章到第5章已经呈现了离心机发展历程中的多样性及其趋势，可以部分回答上述问题；除外形整流已在功率计算中表达了作者观点之外，其余将逐一根据笔者经验讨论。

需要再次说明的是：存在的就是合理的，条条道路通罗马，对于技术路线和技术措施谁都不可能划出一条线来予以规定。因为除了技术和经济因素之外，设计工作乃是人类参与的最富有活力的创造性活动之一，主客观因素甚至设计者性格、好恶等都会对设计产生影响；更重要的是既然我们鼓励创新，就必须杜绝条条框框。因此，以下的讨论内容仅仅代表个人目前的一些看法而已，属于一管之见，虽然表达了倾向性意见，并不包含任何特别的褒贬，除了对某些已被事实证明确实会失手的那些部分外，其余仅供读者参考。

7.5.1 主轴系统与机械传动

离心机转子必须有一个支撑并保证其安全转动的主轴系统，而采用卧式电动机驱动的离心机，同时还必须配备一套具有机械转向和减速功能的机械系统。主轴系统与机械传动系统的配置关系通常有三种模式：积木式，混合式和一体式。

1）积木式

积木式基本就是各个主要要素间的按需搭建，是由每个各自独立的部件通过建筑物、支架、联轴器等等必要的辅助结构“因地制宜”地连接起来的一种总体布局方式，如图7-43所示。

图7 -43 积木式结构之一Fig.7-43 Case I of building-block structures

图中每个部件都是各自独立的：转子是独立的；主轴支撑系统是独立的；传动系统也是独立的，其实它就是一台标准减速器。整体上如果需要将尺寸加高，就设计一个中央支座；汇电环部件则因势安装在天花板上。

图 7-44也是一个积木式例子，前已述及，它是利用汽车减速器和后桥部件与新设计的主轴系统搭建而成。

积木式结构的主要特点就是采用独立部件逐一搭建而成，其特点是：

· 自行设计的工作量较小、建造速度快，经济性好；

· 缺点是整体性稍差，设计者受制于积木块元素；

· 积木式搭建的方式，最适合于初级设计者或者离心机厂商快速经济地完成任务；

· 假如设计方同时承包了设备与建筑物，其经济性则值得进一步推敲。

为了提高芯片良率，插入电路中缓冲器的数量为Nb，其值小于触发器数量的1%.除了缓冲器的数量，缓冲器的平均大小在列Ab给出.文献[10,11]在本文相同环境下实现后缓冲器面积增加为20.本文缓冲器面积增加的平均大小在列Ab给出，可知在同样的ISCAS89仿真环境下，相比文献[10,11]，本文以更小的面积损耗实现了良率提高.此外在TAU2013的仿真环境下也有同样效果.通过缓冲器使用量的压缩，最终得到缓冲器的面积小于文献[10,11]中的面积.

图 7-44 积木式结构之二Fig.7-44 Case II of building-block structures

2）混合式

混合式是主轴支撑系统与第二级减速齿轮副结合起来，设计成为一个转台部件，再另外增加一个独立的伞齿轮减速器以进行传动转向，如图7-45所示。

图7 -45 混合式结构Fig.7-45 Mixed structure

混合式的主要优点是：将主轴上下部分的空间都空出来了，以便分别安装汇电环和液压旋转接头，或者供其他特别的用途；同时，也减小了减速器规模，将主轴与齿轮副放在一个部件内，允许统一采用稀油润滑，改善了整个系统的润滑特别是冷却功能，当然也便于伞齿轮采用外购齿轮或标准减速器；转台外圆可被设计为制动器的制动圆盘；整体性有所改善。

混合式的缺点是自行设计工作量大，成本高。

3）一体式

一体式结构是指主轴系统和传动系统合二而一，设计成为一个综合式转台，从而构成了中传动布局。如图7-46所示。

一体式结构的主要优点：设备整体性更好，便于维修；特别是大大简化了实验室构造，乃是实现中传动布局的必然构造。

图7 -46 一体式结构Fig.7-46 Integrated structure

7.5.2 上传动与下传动

上传动与下传动属于大布局问题，主要讨论的是驱动系统与主机间相互位置的配置关系。

所谓上传动就是指卧式电动机-减速器-换向装置等机电驱动系统位于离心机主机室天花板以上（图7-47），而下传动则是指它们位于离心机主机室下部的地下室内（图7-48）。这两种布局方法一个在“天上”，一个在“地下”，完全不同。

上传动布局的主要优点是：

· 实验室建筑物不需要地下室，减少了基建难度和成本；

· 电气系统和机械传动系统位于干燥、通风环境之中，便于维护管理；

· 适用于地下水位较高，空气湿度大的地理环境。

主要缺点是：

· 主轴系统跨越地基与天花板之间，往往需要它们来共同支撑，使保证其同轴度的难度增大；

· 大型离心机的高度尺寸大，势必进一步造成主轴支撑距变长，刚度变弱；

· 较重的电动机和减速器不可能直接放在天花板上，因此通常需要通过一条长长的传动轴过渡，其同轴度不易保证，且使之扭转刚度变差，不适用于载人离心机等需要快动性的机型。

图7 -47 上传动布局Fig.7-47 Top transmission layout

图7 -48 下传动布局Fig.7-48 Under transmission layout

自然，对于大电机直接驱动的离心机来说，由于电动机十分笨重，只有下传动一种配置方法，不存在上传动的可能性。

此外，利弊权衡和离心机发展的动向都显示：

客观上存在着由上传动向下传动方向发展的趋势。该趋势在第3章到第5章的结构研究部分已经逐渐阐述到了，但这个原则也并不是完全绝对的。

对于驱动系统与主机的相互关系，除了上、下传动之外，还有一种中传动配置法值得考虑，即机电传动系统与离心机主机同居一室，既不需要地下室也可不需要借助天花板。

作为中型离心机来说，大抵均可采用中传动配置法，就是大型离心机也可如此配置。这种情况下，对航空航天物体离心机来说，由于加速度适中，风阻问题还不特别突出；但对大型土工离心机来说，为减少风阻，其措施不是必须为电动机加装整流罩（如图 7-49所示），就是必须在功率设计中计入裸露电动机和传动装置部分的风阻功率。

图7 -49 中传动布局Fig.7-49 Middle transmission layout

笔者还倾向于大型航空航天物体离心机也应尽可能考虑中传动配置，以减少基建成本和地下室潮湿、维护管理不便等问题。附带的好处是：由于转子转速相对不高和半径较长，实际上，靠近实验室中央的传动系统所增加的风阻损失有限；而且还可以利用室内风速直接降温，完全有可能拆除电动机原配通风机，使外观更加简洁。

20世纪90年代，我们出口的一台大型离心机已经成功地做了这个尝试。

同时，建议载人离心机不妨也向这个方向努力，其优点还可增加一条，即可缩短主轴传动链，提高传动刚性，结构上至少可以减少一个联轴器环节。

中传动配置的缺点是不能利用标准减速箱了，设计者必须同时具备主轴支撑和机械传动两种系统的设计能力；制造成本和研制周期都会增加。这种情况下，如果非要使用标准减速器，似乎也可参考图7-49的办法进行搭建。

顺便说一句，不论何种配置，出于安全考虑，强烈建议离心机主机与检测控制室不能处在同一平面上，不论保护墙如何之坚固。

7.5.3 吊篮甩动问题

吊篮甩动与否视情况而定，需要分类逐一进行分析。

作为航空航天物体离心机来说，因为试验对象都是结构件，吊篮甩动与否无关紧要，原则上不要求甩动。

只有中型物体离心机因为采用人工搬运试件进行安装，为创造一个安放平台，可采用能转动90°的转动式吊篮，当吊篮平台处于水平状态时安装试件；装好以后再将吊篮平台转动为垂直状态，加以固定后再行运转。

对于大型物体离心机，试件安装过程通常必须借助吊车帮助，采用固定式吊篮反而变得更为方便。如果有整流罩，只需打开上下整流罩，一次吊装就可以完成安装工序。

对于土工离心机和载人离心机，为了随时按合成加速度方向定位，试件吊篮和座舱必须是可以自由甩动的，而且运转过程中无需固定。

由于载人离心机加速度较低，而航空航天物体离心机的试件吊篮不必甩动，因此，它们的配重吊篮也就都不用甩动了。载人离心机甚至连配重吊篮都可以不要，直接在转臂配重端采用固定式配重加部分可移动配重即可。

而物体离心机为了精确调配质量和质心，需要稍微复杂一些的配重设计，但都不需要甩动，甚至可将转臂延长当作配重吊篮。

唯有土工离心机的配重吊篮存在着固定与甩动之分、之议。尽管许多土工离心机采用了固定配重也在正常工作，但笔者还是主张采用甩动式配重吊篮较好，理由如下：

为进行含水模型试验，土工离心机试件吊篮必须可以甩动，以便使模型无论在静止还是甩动过程中都可以保持其原始形态。但甩动过程受到转轴摩擦和重力加速度的双重影响。后者虽然只是区区一个g大小，理论上却总是使得试验吊篮不可能被完全甩平，从而使吊篮摆动半径与转臂中心线间会出现一个遗留角α，如图7-50所示。

图 7-50 吊篮摆动图Fig.7-50 Basket swinging chart

图中：r为摆动轴半径，mm；R为吊篮质心摆动半径，mm；α为摆动遗留角；e为摆动遗留距，mm；Fg为吊篮自重，N；Fn为吊篮径向力，N；Mf为摩擦力矩，N·m。

设吊篮质量为m，摆动轴摩擦系数为f，绕摆动轴中心可建立如下力矩平衡方程：

其中系数c=f×r/R。

举例：设f=0.1，r=130 mm，R=1 300 mm，n=300；则c=0.1×130/1300=0.01，α=0.764°，e=R×sinα=1 300×sin 0.764°=17.33 mm。

设吊篮质量为5 000 kg，在300g加速度下，此摆动遗距将造成对摆动轴水平线向上的一个力矩为5000×300×17.33/10=2.6×105N·m。除与自重力矩抵消一小部分，约等于 5 000×10×1.3×cos 0.764°=0.65×105N·m 外，其余绝大部分被摆动轴摩擦力矩传递给了转臂，其大小为

此力矩对于转臂受力是有利的，它减轻了转臂自重的弯矩；但若转臂两端二吊篮力矩不能平衡，无疑对主轴系统造成了动不平衡，如前所述，该不平衡仅靠处于转臂中心线上的固定配重采取单面平衡法是不可能被消除掉的。

另外，离心机启制动过程中或运转加速度变化的时候，试件吊篮摆角的大小就会有不同的变化，此力矩也随之改变。固定配重不可能适应变化着的所有情况，因此，土工离心机采用双摆动吊篮是一个很科学的平衡方法。由于转臂两端各有一个摆动吊篮，其摆动角不论在任何转数下都是相同的，它们对转臂随时都产生完全相同的两个反向力矩。该力矩既改善了转臂受力，又抵消了对主轴支承的附加载荷，从而大大提高了运转平稳性及主轴轴承寿命，使离心机达到动态平衡。

此外，双摆动吊篮必须与对称转臂相配合，个中道理不言自明。

从以上分析我们可以推断，有些离心机转臂一端为摆动吊篮，另一端为固定配重，尽管转臂上附加了移动式配重系统，只要该系统进行单面平衡的话，都不可能消除上述的力矩不平衡；包括它们都是在转动情况下进行的平衡，均不能称为动平衡，只能称之为转动状态下的静平衡，因为动平衡的核心是使力矩平衡或使力偶取得平衡。

兹将笔者对各类离心机吊篮连接方式的建议，归纳为表7-14。

表7 -14 各类离心机吊篮连接方式Table 7-14 Basket connection modes for each kind of centrifugal nacelle

7.5.4 对称臂与不对称臂

离心机设计半径主要确定的是试验端半径。试验端既定之后，配重端则可长可短，形成了所谓对称臂与不对称臂之说。其最大的考量点在于转动惯量和风阻问题，当然，配重方案的考量也是一个因素。

转动惯量与半径平方成正比。配重端的集中质量距转动中心越近其转动惯量越小，一般说来，其风阻也小一些，这是不对称转臂的优点。但是配重臂短了，必须要增加配重的质量，因此转子总质量将会增加，它的增量直接增加了主轴支撑的载荷而成为缺点。

因此，对于视转动惯量为主要矛盾的载人离心机而言，不对称臂转臂应该是不二的选择。只有物体离心机才存在可选、可议之处。

前边已经讨论过了土工离心机双甩动吊篮宜与对称转臂相配合的问题，剩下的就是航空航天物体离心机与不采用双甩动吊篮的土工离心机要不要再强调对称臂与不对称臂了。其实这已经是第二层次的选择，见仁见智而已。笔者个人仍倾向于对称臂，因为对称臂总质量小，支撑系统负担小，减小快速轴承的负担对保证其寿命是有价值的。轴承虽小，成本也有限，可一旦损坏就意味着大拆大卸，比较下来还不如稍稍增加一点功率配置更合算一些；何况，还可以想办法不让它增加功率。比如笔者所有的离心机配重吊篮都与转臂同高同形，形同转臂的一截延长段，转臂呈扁平整流状，风阻甚小。就是说，我们完全可以既利用其优点又克服其缺点，达致两全其美的结果。

因此，笔者倾向于：

· 载人离心机采取长短臂整流结构；

· 物体离心机采取等长臂整流结构。

7.5.5 大电机与小电机

所谓小电机就是采用卧式电动机加机械减速和换向传动装置的机电联合驱动系统，大电机即采用立式大扭矩电动机直接连接主轴的驱动方式（如图7-51[20]）。

图 7-51 AMST载人离心机大电机安装过程Fig.7-51 AMST human centrifuge big-size motor installation process

对于物体离心机而言，应该说不存在必须采用大电动机的理由，只有载人离心机由于强调提高机械系统的扭转刚度，于是取消一大串机械传动装置将转子与大电动机直接相连接，既避免了齿轮、键、联轴器间隙等非线性与弱刚度影响，又缩短了传动链，提高了整体刚性，才出现所谓大电动机的方案。

现在分析一下大电动机方案的优缺点：

· 优点是肯定的。直接驱动结构简单，维护管理简单，研制协作关系也简单；系统扭振刚度提高。

· 但是，大电动机方式至少还得保留一个大扭矩联轴器，用以连接电动机与主轴。如果采用固定联轴器，安装调整起来就非常困难。如果采用弹性联轴器，那还意味着没有完全摆脱非线性环节，只能说是部分解决了问题。

可是代价并不小：

· 没有了机械系统的减速比，也就没有了可以减小转子转动惯量和采用高转速电动机的可能性，这两个因素意味着整机转动惯量将成平方增加。低速大电动机和大扭矩联轴器自身的转动惯量都不小，与转子惯量1∶1叠加在一起，必然大大增加驱动功率。

· 功率和电流的增加意味着供电装置、线路、变电所等一系列设施的投资，就是说需要付出不小的经济代价。

笔者没有机会比较二者真正的技术经济，单从中国工程物理研究院结构力学研究所一号机改造情况可见一斑。这是一个大电动机系统改造为小电动机系统的例子。原设计为驱动功率1 000 kW的大电动机直接驱动系统，因为电动机年久锈蚀，于世纪之交改造为993 kW、718 r/min的小电动机加齿轮减速箱的系统。他们分解拆除了原来近50 t重的大电动机，再安装了一台4.2 t重的减速器和输出轴，再加上2 t横梁等辅助设施，计入新电动机和电机座等重量时，总重量不足原一只电动机重量之半[21]，这些还不算原来所配置的交流电动机-直流发动机组等供电调速部分（如果是的话）。可见，单单重量置换就有如此之大的差别，他们大换小的理由肯定是经过论证的。如果大电动机经济性更好的话，换个电动机岂不更方便，何必费力去改造系统？

实际上，当今世界就载人离心机来说，也是大电机和小电机方案并存不悖；就数量而言，小电机还偏多一些，说明技术上它们都能达到同样的水平，关键是要在经济性、可行性和维护管理上作比较，当然设计者的习惯和协作关系等也在决定因素之列。

7.5.6 液压传动与电气传动

前已述及，离心机驱动采用液压系统的也不少。如果单从维护管理角度出发，液压系统可被一票否决；可如果从体积小巧出发，电气系统又会被否决。比如笔者所在单位研制的特大型载人离心机，要将16台300 kW执行部件耦合到直径5 400 mm的转台上，只有液压马达做得到。

超载能力也是一个考虑点，特别是启动瞬间的力矩与功率能不能达到要求很关键，这里主要指的是载人离心机。

此外，还与设计者对于技术的熟悉程度以及与什么协作厂商合作也有关系。包括大电动机方案在内，比如原苏联TsF-18载人离心机是ASEA公司研制的，该公司本身就是大型发电站、送配电专业设备制造公司，他们采用大电机方案顺理成章。而熟悉液压技术的其他欧洲公司，使用液压驱动的就多了，他们自然都会扬长避短，同时也尽量使肥水不流外人田。

总之，在这个问题的决策上，除了前边提到的致命之处外，更多的是因人而异，见仁见智。

客观上，目前还是以电气驱动为主，尤其在国内。

7.5.7 汇电环走线

汇电环是离心机不可或缺的重要部件之一，通常被安排在主轴的上部，为的是环境清洁、空气干燥、可以保持滑环与电刷的良好接触以及环境绝缘，通过上走线与测控室比较接近，线缆可直接经天花板进入检测室，如图7-43和图7-47所示。

如果主机室中央有径向贯通的吊车或者建筑物没有天花板层，也不愿意搭固定支架时，缆线就要向下进入地沟，使实验室上部空间显得干净利落一些，如图7-46所示。

汇电环部件无论滑环还是电刷，只要二者产生相对转动都可以正常工作。因此，无论缆线上行还是下行，只要为它们建立起固定和转动两个联接环节才是主要任务。当然，同时使汇电环部件与主轴间具有良好的安装关系与同轴度也是必须的；但是，在某些困难情况下，也可以在确保汇电环部件可靠固定，保证其具有基本刚性及与离心机主轴具有一定的同轴度条件下，采用拨动方式来进行转动联系，就像机床拨盘装置一样，只要避免其产生大的晃动与振动即可。笔者在处理液压旋转接头部件时，已经采用过后面这种方法，顺利地将汇电环部件与液压接头部件成功地安置在离心机主轴的同一端。

当然正常情况下，汇电环部件与液压旋转接头不要装在同一端，后者最好装在主轴的下端，一方面便于与其配套的油源或气源靠近，同时也避免了维修时对汇电环的污染。

7.6 离心机实验室

实验室建筑物与离心机正常运行及其日常维护、使用有着密切关系，它们统一构成了一个相互影响的整体。在满足主机和辅助设备配置与安装基本要求外，离心机设计者需要对实验室提出自己的必要要求，与土建设计者共同合作完成任务。

规划实验室需要考虑的基本原则是：

1）安全原则。保证规定事故模态下的围墙、地基及建筑结构和实验室内外人员的绝对安全，包括实验室门窗的坚固程度与联锁保护措施等；

2）受力原则。确保设备基础及地脚螺栓在规定事故状态下的承力安全性，且具有良好的动态特性；

3）使用原则。应方便试件装卸，便于试验观察，顾及设备维修；

4）整流原则。安排合理的实验室空间尺寸、配置、内形及表面粗糙度；

5）散热原则。保证必要的室空及适当的热循环通路或散热措施；

6）降噪原则。考虑吸收或隔离机械噪声与气动噪声。

以上设计原则也不是一成不变，可因离心机种类不同而有所侧重，如：

· 对加速度不高的载人离心机，使用原则中特别应将紧急情况下快速接近座舱位置列入首位；

· 航空航天离心机则安全原则与使用原则并列；

· 土工离心机以安全、整流与散热最为重要。

7.6.1 实验室构形

根据前述设计原则，结合实践经验，针对不同离心机，提出如下实验室基本构形与尺寸建议，仅供参考。

1）离心机主机最好置于圆形半地下室内，地坑高度大于转子总高度；钢筋混凝土围墙的最小厚度对于大型土工离心机来说约为1 m（耐冲击能量约达107J[22]），载人离心机可减半，航空航天物体离心机折中处理。

2）主机坑直径由使用维修最小空间尺寸，计入适当的未来扩大使用预留量，考虑总功率大小及功率储备等情况而决定，一般在离心机最大半径上再加0.5～1.0 m。

3）对于高大的土工离心机实验室，为加快主机室风速和部分隔离气动噪声，可为主机地坑预制钢筋混凝土顶盖。顶盖须与建筑物牢固结合，且预留人员、试件及转子整体起吊时的窗口并加盖长方形钢制活动盖板，以供多次装拆并利于散热。

4）土工离心机地坑与顶盖形成的封闭空间，其高度尺寸主要取决于温升及散热设计。建议利用离心机的鼓风功能，在顶盖中央开圆形进风口，地坑围墙靠近顶盖圆周布置牢固可调的百叶窗出风口若干，直接或通过畅通的排风通道引出室外，以进行自流式通风散热循环（参见图7-52）。

5）对于非高大实验室，可采取图7-49布局，其圆柱形小屋顶周围即为进风口。

6）航空航天物体离心机和载人离心机不必加隔层或顶盖，一般也不考虑热设计问题，室空高度取决于吊车及实验室总体安排，可以安全实用美观为主。

7）中型离心机最好采用中传动布局，尽量不要地下室，以节省土建投入。当机器处于地面时，钢筋混凝土围墙厚度建议为0.5 m，墙外最好构筑高于设备高度、宽度大于1.5 m的填土围圈，以作为保护层的同时进行绿化。

8）中型土工离心机实验室一般不考虑散热问题，需要时与大型离心机同样处理之。

9）不论任何离心机，只要主机位于地面，实验室必须具有坚固的向外开启的钢结构大门；大门内表面最好为圆弧，与实验室内墙相吻合。

7.6.2 实验室温升

实验室温升设计主要针对的是土工离心机主机室；航空航天物体离心机和载人离心机由于加速度相对较低，运行时间较短，且实验室高大，一般毋需考虑温升问题。

假定离心机运行一段时间进入相对稳定状态以后，驱动功率最终将全部转换为热量，并首先加热室内空气。其温升及换气量可按式(7-69)～式(7-70)粗略估算。

1）温升

式中：Q为热量，kW；N为功率，kW；Δt为空气温升，℃/s；m为空气质量，kg；V为空气体积，m3；ρ为干空气平均密度，1.29 kg/m3；c为空气比热容，1.03 kJ/(kg·℃)。

2）换气量

式中：G为每秒换气量，kg/s；tp为排出空气温度，℃；tj为进入空气温度，℃。

图 7-52[23]可以作为一个大型土工离心机实验室构形的实例。

图7 -52 LXJ-4-450土工离心机及其实验室布局Fig.7-52 LXJ-4-450 geotechnical centrifuge and its laboratory layout

LXJ-4-450土工离心机实验室是一个三层式构造：电动机和长传动轴、伞齿轮减速器位于地下室，属于下传动方式；离心机主机被置于半地下室，并用厚钢筋水泥围墙挡护；主机室转台附近的地面设人员出入口（未绘出），由地下室可进入主机室，同时也可作为地下室与主机室的通风口，需要时可以连通；地下室还有润滑油源和制动用阻抗器，并另设独立通风通道（12）；主机坑上方加以钢筋混凝土顶层，中央为贯穿机坑直径的活动钢结构盖板，以备安装维修设备之用；顶层内形成半封闭空间和自流式循环通风体系；顶盖上表面与模型制作间取平，可共用一部吊车，通过顶盖安装孔（未画出）采用一次吊装的过程实现模型装卸作业；顶盖中央固定着汇电环部件，其上栏杆所维护的就是中央敞开式进风口，机坑壁的上部圆周部分分布着一系列百叶窗，作为出风口和排风通道（11）；供电装置位于地下室上层的电气室，环境干燥、明亮，便于维修管理，连接缆线也比较短；控制室与检测室则处于地平面以上的稍远处，以减少噪音和电气干扰。

主机室为水磨石地面，四角圆滑过渡，墙壁刷耐磨漆。

7.6.3 设备基础

设备基础不仅是使设备处于正确空间位置的基准，还是设备的根基，与设备、填土层等共同构成基组，保证设备安全受力和整体尺寸的稳定性，以维持设备长期稳定地运行。

土工离心机质量大、转速高、扰力大，是离心机设备基础中最需要关注的机型。根据实践经验，对它的基础设计提供如下基本要求，仅供参考：

1）除提供设备机电安装总图以外，特别要提供主机和其他配套设备的底座形状及其尺寸，地脚螺栓布置图，管道、线缆沟、穿孔等位置与尺寸。

2）提供主机及辅助设备基础受力图表，包括自重、重心位置、转动频率以及正常运转及事故状态下的力、力矩和扭矩等。

3）要求主机动力基础与建筑物基础分开，以减少房屋的振动水平。

4）基组总重心与基础底面形心应处在同一条z轴上，误差不大于2%的基底长。

5）对于框架式基础，竖向振动线位移的允许值参考低速电动机（＜500 r/min）可为0.16 mm[24]。

6）基础固有频率需与主机转动频率错开，最好大于主机频率25%以上。

7）主机地脚螺栓最好采用预埋方式，并提供准确尺寸及其公差。

此外，补充说明如下：土工离心机转子重达数十吨，远大于一般主轴转架的质量，也大于包含机械传动系统在内的转台部件质量，放在地面本身就可能已经是重心偏高、头重脚轻了，转动起来如果没有沉重的基础与之相匹配，在扰力作用下是非常不稳定的，所以基础的重量也是很重要的一个方面。根据文献[25]，对于重心较高的立车和插床，实践经验要求其基础重量为设备与工件总重量的1.5～1.7倍。因为离心机的重心高，转动质量大，建议其基础重量至少应为设备总重量的 2倍以上为宜。在同一本手册里，对于转速小于 500 r/min的旋转机械基础，允许的水平振幅为0.2 mm。

另，载人离心机转动频率一般在1 Hz以下，大型航空航天离心机为2 Hz左右，土工离心机转动频率一般在3.5～4 Hz上下，而一般实验室建筑物的自振频率约为1～4 Hz。因此，基础必须彼此分开，频率也要注意错开。

动力基础设计过程中，在基础重量、振幅、固有频率三者之间应该相互验证进行优化。

（第7章终，未完待续）

（References）

[20]AMST公司.Product overview[EB/OL].[2011-04-15].http：// www.amst.co.at/

[21]李荣林, 洪建忠.1号离心机改造——主传动系统设计[C]//2002年度中国宇航学会结构强度与环境工程专业委员会暨航天第十情报网学术交流会论文集

[22]Turner P.Geotechnical centrifuges[EB/OL].[2011-04-15].http：//www-g.eng.cam.ac.uk/125/achievements/centri fuges/index.htm

[23]朱思哲.土工离心模型试验室土建工程建置报告,“七五”国家科技攻关技术报告(合同编号 1-7-3-1)[R],1990-12

[24]GB 50040—96，动力机器基础设计规范[S], 1996

[25]第一机械工业部设计研究总院.动力机器基础设计手册[M].北京： 中国建筑科学出版社, 1983