穩(wěn)態(tài)加速度模擬試驗(yàn)設(shè)備：離心機(jī)設(shè)計（9）

賈普照

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

第5章 中國離心機(jī)（續(xù)）

5.6 中國空間技術(shù)研究院離心機(jī)

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所40年的研制工作共涉及物體離心機(jī)、載人離心機(jī)和土工離心機(jī)3類，其中包括特大型、大型和中型離心機(jī)共計 8臺設(shè)備；另外審查指導(dǎo)了南京水利科學(xué)院光彈離心機(jī)的改進(jìn)設(shè)計，使之起死回生，投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

需要說明的是，其中在20世紀(jì)90年代中期所出口的 2臺設(shè)備乃是成都航天工業(yè)烽火精密機(jī)械公司承接的任務(wù)，當(dāng)時該所研制隊(duì)伍已經(jīng)解體，筆者個人被聘去該公司主持突擊設(shè)計，在該公司組織下完成了研制任務(wù)。出于這種背景，也編入此節(jié)。

由中國科學(xué)院 581組到如今中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所（BISEE，Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering），歷經(jīng)一系列體制變換，單位名稱較多，為簡便計，統(tǒng)一按“北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所”代替前后不同名稱，只在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所成立之前，偶爾會采用當(dāng)時單位名，以區(qū)分時間段。

下面述及的設(shè)備，除技術(shù)性介紹，有條件增加一點(diǎn)背景和細(xì)節(jié)，記錄任務(wù)來龍去脈，反映研制技術(shù)發(fā)展和過程狀態(tài)，前者著重旁人看不到的技術(shù)思路與脈絡(luò)演變，后者結(jié)合歷史添加一些分析探討內(nèi)容及部分科技活動點(diǎn)滴等，虛實(shí)結(jié)合并行闡述，按門類和時間順序逐一展開如下[23,24]。

5.6.1 物體離心機(jī)

為本單位（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）研制航天物體離心機(jī)是筆者進(jìn)入離心機(jī)研制史40年的開始，而為國外研制兩臺物體離心機(jī)卻是筆者離心機(jī)研制史的結(jié)束，可見物體離心機(jī)既是巧合于首尾呼應(yīng)，也是我們傾心傾力之所在。

5.6.1.1 第一代中型離心機(jī)和大型離心機(jī)

中國科學(xué)院 581組——科學(xué)院下設(shè)的一個“組”，名氣雖小，陣勢不小，課題前沿。1957年10月蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星上天，1958年毛主席提出“我們也要搞人造衛(wèi)星”的號召，當(dāng)年，中國科學(xué)院成立了由錢學(xué)森任組長，趙九章、衛(wèi)一清擔(dān)任副組長的1958年一號任務(wù)工作組，并在趙先生任所長的中國科學(xué)院地球物理研究所成立探空物理研究部，作為581組的活動地及孵化地[25]。

“兵馬未動，糧草先行?！毙羌磩?，環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備自然應(yīng)首先啟動。1959年9月在大躍進(jìn)“大干快上”氛圍中，首次設(shè)計了旋轉(zhuǎn)半徑1.35 m、有效負(fù)載10 kg、最大加速度100 g、功率5 kW的部件級航天物體離心機(jī)。比我還早一、二年的幾位設(shè)計者，參照了汽車吊和國外照片以鋼板鉚接的三角形空間桁架作為轉(zhuǎn)臂，用鑄鋁件作為對稱吊籃，主軸支撐系統(tǒng)采用 4個滾子側(cè)向支撐著的轉(zhuǎn)盤以抗顛覆。不知何故，這個位于中央聯(lián)接轉(zhuǎn)臂和主軸的重要承力件也是一個鑄鋁件；轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個不對稱轉(zhuǎn)臂、對稱吊籃的構(gòu)型，吊籃雖可轉(zhuǎn)動，但安裝試件以后需要旋轉(zhuǎn)90°到水平狀態(tài)并加以固定才可開車，因此還是屬于固定吊籃類型。

當(dāng)時，對于離心機(jī)設(shè)計，尚處于未入門階段。

1960年9月整星級大型離心機(jī)開始設(shè)計。根據(jù)當(dāng)時所規(guī)劃的衛(wèi)星對象，設(shè)計指標(biāo)為：半徑5 m，有效負(fù)載100 kg，最高加速度100 g，功率125 kW。與中型離心機(jī)相比加速度雖相同，但半徑增大近4倍，負(fù)載增大10倍，功率增大25倍，規(guī)模顯著擴(kuò)大。由包括筆者在內(nèi)的一批剛出校門的新大學(xué)生擔(dān)綱設(shè)計，大家都是初出茅廬，上無專家指導(dǎo)，旁缺資料參考，唯一參照的就是第 2章提起的一張圖片。大家群策群力、集思廣益，按部件逐一剖析，苦思冥想圖片構(gòu)造，然后分工進(jìn)行設(shè)計。筆者當(dāng)時負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)臺部件遂從此延續(xù)為專業(yè)戶。眾人在大躍進(jìn)遺風(fēng)猶存時代，快馬加鞭加班加點(diǎn)，很快就完成全機(jī)設(shè)計，并于1961年5月與中型離心機(jī)一同投產(chǎn)，然后，兩臺機(jī)器又統(tǒng)由筆者負(fù)責(zé)下廠研制。

駐廠生產(chǎn)過程終于提供了思考與反芻時間，筆者首先對中型離心機(jī)進(jìn)行全面復(fù)核并抓緊進(jìn)行邊生產(chǎn)邊改進(jìn)設(shè)計。復(fù)核不僅僅針對圖紙尺寸，鋁制件促使從計算開始復(fù)核，這樣就導(dǎo)致一個人完整進(jìn)行了一次整機(jī)分析與計算過程，因而對物體離心機(jī)設(shè)計特點(diǎn)及其總體與部件關(guān)系有了一個全面的初步認(rèn)識：

1）發(fā)現(xiàn)物體離心機(jī)有效載荷主要與轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度或剛度直接相關(guān)，而與驅(qū)動功率關(guān)系不大；

2）物體離心機(jī)影響驅(qū)動功率的主要因素是風(fēng)阻，它只與轉(zhuǎn)臂半徑、試件尺寸（即迎風(fēng)面積）和轉(zhuǎn)子形狀密切相關(guān)；

3）由于物體離心機(jī)不要求啟動速率，因此吊籃和轉(zhuǎn)臂重一點(diǎn)并沒有多大關(guān)系，吊籃沒有必要采用鑄鋁件，轉(zhuǎn)子中央的零件更不應(yīng)該采用鑄鋁。

于是，在生產(chǎn)已進(jìn)行的情況下，抓緊對中型離心機(jī)予以盡可能的補(bǔ)救與完善，設(shè)計了新鋼制吊籃，將有效負(fù)載提高到20 kg，載荷容量提高到2 gt，以及其他一系列改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)更合理，設(shè)計更可靠，圖紙準(zhǔn)確無誤，并于1962年2月從上海化工機(jī)械廠一次加工、一次初試成功出廠。

圖5-40為實(shí)驗(yàn)室安裝好的中型離心機(jī)。

主機(jī)室利用已有地下室一個方形房間，控制臺置于樓上，樓板中央開大圓口供進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)觀察。離心機(jī)轉(zhuǎn)子白色部分即為原設(shè)計但已投產(chǎn)之鑄鋁件，中央鑄件已被附加鋼條直接將長短臂聯(lián)接而得以加強(qiáng)；鋁吊籃則用來供大尺寸輕部件進(jìn)行低加速度試驗(yàn)，新設(shè)計的另一對鋼制吊籃供重一些的小部件進(jìn)行高加速度試驗(yàn)；側(cè)向抗顛滾子也被中央支撐件下部自制大尺寸止推軸承替代；直流電動機(jī)帶動自制蝸輪蝸桿減速箱轉(zhuǎn)向并減速后，接自制電磁制動器并與主軸相聯(lián)，它們均放在原四方形大開口底座（現(xiàn)改為圓形封閉底座）內(nèi)，22對自制匯電環(huán)套在主軸外部，匯電環(huán)電刷支架構(gòu)成主軸支撐部件，均位于白色方形支撐件之內(nèi)，電纜由下部引出。

圖5-40 BISEE第一代中型離心機(jī)Fig. 5-40 BISEE first-generation medium-sized centrifuge

該離心機(jī)規(guī)模不大，但是，它的所有零部件包括螺釘、彈簧等在內(nèi)全都是自行畫圖逐件加工?！奥槿鸽m小，五臟俱全”，設(shè)計工作量可不小。這就是半個世紀(jì)以前在中國而且是上海的技術(shù)狀態(tài)和工作方式。

離心機(jī)原設(shè)計用的是交流電動機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組即所謂由“Г-Д”組系統(tǒng)供電，用交流擴(kuò)大機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動，這在當(dāng)時屬于先進(jìn)技術(shù)。后來，于20世紀(jì)80年代，已改為可控硅供電控制系統(tǒng)。目前該離心機(jī)仍在服役之中，機(jī)齡已近半百。

中型離心機(jī)改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)對大型離心機(jī)產(chǎn)生了良性影響，中型離心機(jī)既然在功率和機(jī)械傳動不變條件下將有效負(fù)載提高一倍，大型離心機(jī)利用已訂貨電氣部分和已投產(chǎn)轉(zhuǎn)臺、減速器等大型鑄件，經(jīng)過轉(zhuǎn)子部件改進(jìn)能否提高其有效載荷呢？

在中型離心機(jī)已敷需要的情況下，經(jīng)筆者呈書，為大型離心機(jī)爭取到進(jìn)行全面改進(jìn)設(shè)計和深入研究的一次絕好機(jī)會。同時，筆者開始走上離心機(jī)總體設(shè)計與組織研制崗位。在與1961年畢業(yè)的又一批新伙伴們共同努力下，原轉(zhuǎn)臺等部件不變，乘著科學(xué)院倡導(dǎo)的“三嚴(yán)”作風(fēng)，經(jīng)過認(rèn)真改進(jìn)設(shè)計，其實(shí)是重新設(shè)計和設(shè)計研究，進(jìn)行吊籃模型風(fēng)洞試驗(yàn)、功率估算、部件結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)探討甚至包括文件資料編制與科技工作管理等等工作內(nèi)容后，不僅技術(shù)知識得以成長，設(shè)計方法與管理水平也得以提高，最終還實(shí)現(xiàn)了利用原投產(chǎn)大型鑄件和配套設(shè)備，使離心機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑增長至6.5 m，吊籃負(fù)載增加到400 kg，轉(zhuǎn)臂負(fù)載增加到850 kg，加速度提高到95 g，功率卻仍然為125 kW。

該離心機(jī)總質(zhì)量為23 t，于1967年初進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試，實(shí)驗(yàn)室試車一次成功，并于夏季交付使用至今。它的服役機(jī)齡也在40年以上了。

改進(jìn)設(shè)計后的大型離心機(jī)簡稱為“43型離心機(jī)”，“43”源出于該設(shè)備圖紙的序列編號。

改進(jìn)后的中型離心機(jī)和大型離心機(jī)技術(shù)性能為

1）旋轉(zhuǎn)半徑（至試件中心）：1.35 m/6.5 m；

2）有效負(fù)載（吊籃承載/轉(zhuǎn)臂懸掛）：20 kg/850 kg；

3）負(fù)載尺寸：250mm×250mm×250mm/ 1200mm× 1200mm×1200mm（根據(jù)功率加適當(dāng)整流罩）；

4）最大加速度：100 g/95 g；

5）裝機(jī)功率：5 kW/125 kW；

6）匯電環(huán)： 22對/184對；

7）離心機(jī)總質(zhì)量：2 t/23 t。

設(shè)計：中國科學(xué)院581組。

制造：上?；C(jī)械廠/上海精業(yè)機(jī)器廠、上海中華造船廠。

使用：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所。

使用情況：服役中。

離心機(jī)半徑增加意味著試件尺寸可以增大，而有效負(fù)載提高，滿足了迄今為止我國所有航天器的試驗(yàn)需要。一次改進(jìn)設(shè)計居然一勞永逸，斷絕了再研制機(jī)會，這既是“壞事”，當(dāng)然也是好事。

同樣，經(jīng)過驅(qū)動供電與控制系統(tǒng)以及匯電環(huán)部件的更新改造，目前它仍在服役之中。

筆者在退休之前剛好完成兩臺出口型離心機(jī)，當(dāng)時就遺憾于沒有把最好的設(shè)備留在本所。后曾利用文章和技術(shù)報告形式規(guī)劃了兩臺新機(jī)器，其中包括準(zhǔn)備配備大型復(fù)合振動臺，促進(jìn)21世紀(jì)環(huán)模技術(shù)進(jìn)步。但由于種種原因，未能遂愿。

圖5-41及圖5-42表示了大型離心機(jī)外形及其實(shí)驗(yàn)室情況，離心機(jī)位于地平面以下半地坑式的鋼筋混凝土圍墻內(nèi)，5 t吊車貫穿實(shí)驗(yàn)室中央，直通大門外汽車停車位，設(shè)備及試件運(yùn)輸、安裝過程，只需一起一吊即可完成，十分方便；控制室位于二樓圖中小門正上方，易于觀察和接近設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室高大明亮。當(dāng)初實(shí)驗(yàn)室設(shè)計時主要出于安全與使用方便，風(fēng)阻計算按開放環(huán)境進(jìn)行，并未顧及省功。

圖5-41 BISEE第一代大型離心機(jī)外形一Fig. 5-41 BISEE first-generation large-scale centrifuge shape 1

圖5-42 BISEE第一代大型離心機(jī)外形二Fig. 5-42 BISEE first-generation large-scale centrifuge shape 2

圖5-43為北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所第一代大型離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5-43 BISEE第一代大型離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-43 Structure drawing of BISEE first-generation large-scale centrifuge

該機(jī)轉(zhuǎn)子為等長16Mn焊接工字梁主承力件加橫撐結(jié)構(gòu)、鋁蒙皮整流的翼形臂，最初也設(shè)計了吊籃及整流罩，吊籃有效負(fù)載為400 kg，使用過程中使用者逐漸拋棄吊籃和整流罩，改用外形如圖5-41所示的框形夾具，只在整星或大部件試驗(yàn)時，才換裝專用夾具，此時可在滿加速度條件下懸掛850 kg掛件，加速度不高時也可拆換為更重物件，其尺寸大小則受限于功率。

該離心機(jī)結(jié)構(gòu)為：

· 采用機(jī)械傳動與主軸支撐合二而一的轉(zhuǎn)臺設(shè)計，它演變成為以后北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所離心機(jī)設(shè)計的一個傳統(tǒng)特點(diǎn)；

轉(zhuǎn)臺設(shè)計了φ1 200 mm靜壓導(dǎo)軌用于抗顛覆，它是當(dāng)時國內(nèi)最大的高速靜壓導(dǎo)軌，試車中意外發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌壓力表還可反映轉(zhuǎn)子不平衡，用于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)前靜平衡。

圖 5-44為轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖，大直徑固定式主軸與大直徑靜壓導(dǎo)軌構(gòu)成強(qiáng)大的抗顛與抗徑向力支撐系統(tǒng)，其上雙列圓柱滾子軸承用于轉(zhuǎn)子精確定心，這種結(jié)構(gòu)與筆者機(jī)床專業(yè)出身不無關(guān)系；轉(zhuǎn)臺通過矩形鑄鐵底座橫跨于地溝之上與地基強(qiáng)固聯(lián)接，設(shè)備與地基的強(qiáng)固性始終都是筆者所擔(dān)心的；匯電環(huán)無論在主軸下或主軸上，纜線均由下部引出，這些構(gòu)形遂逐漸形成北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所大部分離心機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)。

圖5-44 BISEE大型離心機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)Fig. 5-44 BISEE large-scale centrifuge turntable structure

· 自行研制的銅-銅石墨套疊式匯電環(huán)80對，第一次采用斜置式碳刷（之后已改造為 184對合金環(huán)）；

· 第一次采用螺旋傘齒輪副-圓柱斜齒輪副相組合的傳動系統(tǒng)，這里的第一次意味著將成為本所離心機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計，區(qū)別僅在于二者分開或共處于一箱；

· 轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)部分的外緣構(gòu)成自制液壓抱閘制動器制動輪，與電氣制動相配合共有3種制動模式；

· 第一次采用流體循環(huán)潤滑系統(tǒng)（傳統(tǒng)設(shè)計之一）；

· 發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組經(jīng)電機(jī)擴(kuò)大機(jī)調(diào)速，直流電動機(jī)驅(qū)動，具有手動和電位器-時間繼電器自動控制兩種方式（之后均已改造）。

無疑，所有部件都是自行設(shè)計、逐件制造而成，不同的是標(biāo)準(zhǔn)件已經(jīng)可以外購了。

通過觀察第一代大型離心機(jī)，可以概括出作為北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所物體離心機(jī)初步形成的設(shè)計特點(diǎn)如下：

· 對稱轉(zhuǎn)臂不對稱吊籃；

· 全整流轉(zhuǎn)子；

· 轉(zhuǎn)臂試驗(yàn)端采用四點(diǎn)聯(lián)接形式，便于換裝吊籃和大型試件專用夾具；

· 采用主軸支撐與機(jī)械傳動合二而一的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)；

· 下支撐；

· 固定主軸-φ1 200靜壓導(dǎo)軌；

· 下傳動；

· 螺旋傘齒輪副加圓柱斜齒輪副機(jī)械傳動系統(tǒng)；

· 匯電環(huán)下行走線；

· 稀油循環(huán)潤滑；

· 高大實(shí)驗(yàn)室設(shè)計。

5.6.1.2 第二代中型離心機(jī)

1973年5月，筆者工作從北京調(diào)整到蘭州，在繼續(xù)載人離心機(jī)同時，應(yīng)現(xiàn)中國科學(xué)院空間技術(shù)中心前身（當(dāng)時505所）要求，開始研制半徑3.5 m、負(fù)載30 kg、加速度150 g物體離心機(jī)。1975年2月完成該設(shè)計，1979年12月由天水電氣傳動研究所配套自制可控硅供電控制系統(tǒng)，蘭州石油化工機(jī)械廠制造主機(jī)完成任務(wù)，初調(diào)后一次成功出廠。時間拖得長，主要是因?yàn)橛脩羰冀K處在體制變動之中，安裝地點(diǎn)不落實(shí)，至今仍不知該設(shè)備下落。

然而在設(shè)計之初，利用本離心機(jī)研制任務(wù)，總體設(shè)計已有一點(diǎn)長遠(yuǎn)想法，比如著手嘗試中型離心機(jī)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計問題。基本設(shè)想是將離心機(jī)分為兩大塊：即一個包括主軸支撐、機(jī)械傳動、匯電環(huán)和電、液驅(qū)動及其控制等系統(tǒng)在內(nèi)的支撐-轉(zhuǎn)動平臺和另一個包括轉(zhuǎn)臂及試驗(yàn)吊籃、配重裝置在內(nèi)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所集成。前者設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)化的、經(jīng)濟(jì)的、可滿足一定技術(shù)范圍且可適當(dāng)擴(kuò)展功能的基礎(chǔ)模塊；后者力爭確定為一個高功能結(jié)構(gòu)形式并將其標(biāo)準(zhǔn)化、其尺寸模量可根據(jù)用戶要求再行改變的所謂準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化模塊，以提高適應(yīng)性，滿足一般用戶相近而不同的技術(shù)要求。這樣做的目的一方面為的是減少設(shè)計工作量、降低成本；另一方面也是針對當(dāng)時協(xié)作關(guān)系不穩(wěn)定的現(xiàn)實(shí)，謀求建立一個相對密切而長遠(yuǎn)的協(xié)作配套與加工制造伙伴關(guān)系?？梢哉f，在國家改革開放之前，我們從科技實(shí)踐當(dāng)中已經(jīng)萌發(fā)并開始了如何使離心機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化和如何邁向商品化的初步打算與實(shí)踐活動。

當(dāng)然，當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)化著眼點(diǎn)還是立足于設(shè)計出滿足用戶要求的一種變通性離心機(jī)，而不是從離心機(jī)系列化、型譜化出發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

除了總體，筆者仍進(jìn)行轉(zhuǎn)臺設(shè)計，后來由于與載人離心機(jī)工作重疊，在設(shè)計全面完成以后，研制工作交付其他同志負(fù)責(zé)。

圖5-45表示了這臺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)示意。

圖5-45 BISEE 4.5 gt中型離心機(jī)Fig. 5-45 BISEE 4.5 gt medium-sized centrifuge

在一個底座上邊集成了全部支撐-轉(zhuǎn)動平臺部件，包括可控硅-直流電動機(jī)驅(qū)動及其控制系統(tǒng)（電氣部分在控制室）、電液式制動器、含一級機(jī)械減速傳動副和內(nèi)置式匯電環(huán)裝置的轉(zhuǎn)臺部件。

該離心機(jī)主軸支撐已摒棄水平抗顛結(jié)構(gòu)，以長跨距強(qiáng)主軸垂直支承結(jié)構(gòu)取而代之，用不可避免的高度尺寸代替可節(jié)省的橫向尺寸；匯電環(huán)動靜部件分別與主軸及主軸支撐件合二而一，以標(biāo)準(zhǔn)軸承代替自制大型止推軸承，減速傳動部分以成品汽車后橋螺旋傘齒輪代替自制傘齒輪等等。

該機(jī)轉(zhuǎn)子為全整流等長鋼板焊接的框形結(jié)構(gòu)加鋼蒙皮作為轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂蒙皮以鋼代鋁既經(jīng)濟(jì)又牢固；鋼制可轉(zhuǎn)動式固定吊籃加鋁合金整流罩，采用鋁合金整流罩主要考慮較鋼整流罩易于加工。

同時，覺悟到轉(zhuǎn)子與其是被動抗顛，不如主動搞好平衡，為此，設(shè)計了機(jī)電式臂藏式自動平衡系統(tǒng)，那是一套水平傳感器控制下的伺服電動機(jī)—絲杠螺母系統(tǒng)；同時，首次將轉(zhuǎn)臂設(shè)計成為天平式結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)臂與主軸呈鉸接為天平狀，開車之前及慢速啟動過程中均可進(jìn)行自動平衡。

試件吊籃具有安裝（其平臺呈水平位置時）、運(yùn)轉(zhuǎn)（平臺轉(zhuǎn)為垂直地面）及按特定角度固定等變方位功能，在進(jìn)行合理平衡后，可對試件進(jìn)行上下、橫向及多方位的加速度試驗(yàn)。

這臺離心機(jī)被稱為第二代中型離心機(jī)，其主要技術(shù)性能為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：3.5 m；

2）有效負(fù)載：30 kg；

3）載荷容量：4.5 gt；

4）試件尺寸：500 mm×500 mm×500 mm；

5）最大加速度：150 g；

6）裝機(jī)功率：30 kW；

7）匯電環(huán)：52個紫銅-銀石墨套疊式。

設(shè)計：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所。

電氣配套：天水電氣傳動研究所。

制造：蘭州石油化工機(jī)械廠等。

定貨單位：前505所。

它在技術(shù)上所體現(xiàn)的新認(rèn)識和創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為：

· 全整流等長臂不對稱吊籃結(jié)構(gòu)；

· 中型離心機(jī)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的雛形機(jī)；

· 集成式支撐-轉(zhuǎn)動平臺部件；

· 自動平衡式轉(zhuǎn)子——首次構(gòu)建天平式轉(zhuǎn)臂，機(jī)電式自動平衡裝置；

· 轉(zhuǎn)臺第一次將匯電環(huán)、傳動和支承一體化；

· 第一次將加速度提高到150 g；

· 物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臂蒙皮不再采用鋁材；

· 強(qiáng)化主軸垂直抗顛能力；

· 配置成品電-液式制動器；

· 采用市售汽車螺旋傘齒輪；

· 自制52個紫銅-銀石墨套疊式匯電環(huán)；

· 采用30 kW廠標(biāo)產(chǎn)品：可控硅-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

可見，這臺離心機(jī)相對于第一臺來說，有了質(zhì)的進(jìn)步，在設(shè)計上開始有了自己的主意。

5.6.1.3 第三代中型離心機(jī)

1985年4月為原上海航天局某所研制旋轉(zhuǎn)半徑2.1 m，負(fù)載100 kg、加速度100 g，載荷容量10 gt離心機(jī)。這是一臺要求較為特殊的離心機(jī)，而且該項(xiàng)目拖期甚長、經(jīng)濟(jì)效益甚微。設(shè)計方只是把它作為系列化第三代中型離心機(jī)的艱難嘗試。

它的技術(shù)指標(biāo)除中型離心機(jī)首次將有效載荷提高為100 kg之外，還有4個第一次：

1）第一次要求試件安裝在轉(zhuǎn)臂上表面，不要吊籃；

2）第一次要求試驗(yàn)加速度精度達(dá)到±1%，包括調(diào)速系統(tǒng)的加速度定位精度和穩(wěn)定度以及轉(zhuǎn)臂半徑變形在內(nèi)；

3）第一次要求具有雙轉(zhuǎn)臂，第二轉(zhuǎn)臂半徑為0.5 m，企圖打造一臺小試件準(zhǔn)精密離心機(jī)；

4）第一次要求配備6 MPa高壓氣和 21 MPa高壓油旋轉(zhuǎn)接頭。

首先，不要吊籃只要臂端平臺，試件上置式安裝，給平衡設(shè)計帶來困難；其次，加速度精度現(xiàn)在看來不算什么，但在二十幾年以前那是需要自行研制的，還是有相當(dāng)?shù)睦щy；再者，高壓氣、液旋轉(zhuǎn)接頭也是首次接觸。

離心機(jī)于1986年11月就完成設(shè)計，后因用戶實(shí)驗(yàn)室不落實(shí)，拖付經(jīng)費(fèi)，直至1994年5月才結(jié)束制造、完成實(shí)驗(yàn)室安裝和調(diào)試。

主要技術(shù)指標(biāo)為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：長臂2.1 m；

短臂0.5 m；

2）最大有效負(fù)載：100 kg；

3）試件尺寸：400 mm×400 mm×400 mm；

4）最大加速度：100 g；

5）裝機(jī)功率：30 kW；

6）加速度控制精度：±1%；

7）匯電環(huán)：自制 66個紫銅-銀石墨強(qiáng)、弱電套疊式匯電環(huán)；

8） 氣、液旋轉(zhuǎn)接頭：6 MPa高壓氣1路，21 MPa高壓油旋轉(zhuǎn)接頭2路。

研制年代：1985 1994（因用戶場地與經(jīng)費(fèi)原因時間拖長）。

研制單位：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所。

制造：北京第三機(jī)床廠等。

使用單位：原上海航天局某所。

圖5-46為離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖5-47為外形圖。

圖5-46 BISEE 10 gt中型離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-46 Configuration of BISEE 10 gt medium-sized centrifuge

圖5-47 BISEE 10 gt中型離心機(jī)外形圖Fig. 5-47 BISEE 10 gt medium-sized centrifuge outline

這臺離心機(jī)在總體設(shè)計上改變了原來思路，成了探索新技術(shù)和新構(gòu)造的機(jī)會，最后階段也是由于與大型土工離心機(jī)相重疊，在總體和全機(jī)設(shè)計完成以后，研制工作交由年輕人管理。

由于油、氣旋轉(zhuǎn)接頭的介入使布局發(fā)生改變，以及自行研制匯電環(huán)的困難性和個別研制的經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)生了將離心機(jī)分為4大塊想法，即轉(zhuǎn)子部件、機(jī)械傳動與主軸支撐一體化轉(zhuǎn)臺、匯電環(huán)及旋轉(zhuǎn)接頭、電氣驅(qū)動與控制單元。雖然該離心機(jī)除旋轉(zhuǎn)接頭系外協(xié)解決外，其余都是自行設(shè)計、研制的，但已產(chǎn)生了將后兩者逐漸采取外協(xié)配套，而集中精力搞好主機(jī)的發(fā)展思路。因此，從這臺離心機(jī)開始就誕生了二級機(jī)械傳動系統(tǒng)與主軸支撐系統(tǒng)合一的結(jié)構(gòu)，作為中型離心機(jī)的轉(zhuǎn)臺部件，它的主軸支撐采用機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，由雙排圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承組所構(gòu)成，為的是提高主軸定位精度，與小轉(zhuǎn)臂形成一個較高精度的加速度試驗(yàn)系統(tǒng)；機(jī)械傳動也是由高精度一級螺旋傘齒輪副與一級斜齒圓柱齒輪副組成的小齒隙系統(tǒng)，輔以稀油潤滑。

轉(zhuǎn)臂還是天平式構(gòu)造，由16 Mn鋼板與橫撐構(gòu)成主承力件，試驗(yàn)端在轉(zhuǎn)臂高度水平中心線上設(shè)置了安裝平臺，供進(jìn)行試件側(cè)向試驗(yàn)之用，平臺遠(yuǎn)端另設(shè)一止推凸臺供安裝直角形夾具時幫助克服徑向離心力，以進(jìn)行例行正向試驗(yàn)；為增加抗彎剛度，轉(zhuǎn)臂設(shè)計為不等高全整流形，增加了一點(diǎn)制造難度；轉(zhuǎn)臂配重端與試驗(yàn)端結(jié)構(gòu)完全相同，但設(shè)計了專用的角度可調(diào)式配重裝置，允許在質(zhì)量配平的同時還可調(diào)整其質(zhì)心高度以與試件相適應(yīng)，以便同時得到動靜雙平衡。

考慮到使用幾率，取消了制動器。

小轉(zhuǎn)臂與精確主軸精密定位，具有與機(jī)床主軸同等級精度，供小物件進(jìn)行較高精度加速度試驗(yàn)。

匯電環(huán)與旋轉(zhuǎn)接頭置于上方，纜線上行。

其基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

· 等長對稱臂，無吊籃；

· 是一臺試件上安裝以側(cè)向試驗(yàn)為主的準(zhǔn)精密離心機(jī)；

· 具備長、短兩套轉(zhuǎn)臂；

· 短臂為固定式，長臂為天平式構(gòu)造；

· 配重既可平衡靜矩，又可平衡動矩；

· 強(qiáng)主軸支撐——錐孔雙排滾子軸承精密定心；

· 高精度螺旋傘齒輪-圓柱斜齒輪副兩級小齒隙傳動；

· 支承-傳動復(fù)合式轉(zhuǎn)臺；

· 66個紫銅-銀石墨強(qiáng)、弱電套疊式匯電環(huán)；

· 兩路高壓氣-液旋轉(zhuǎn)接頭；

· 30 kW可控硅-直流電機(jī)調(diào)速拖動；

· 自行研制的數(shù)字式給定、數(shù)字測速系統(tǒng)，加速度精度達(dá)到±1%。

不管怎么說，這臺中型離心機(jī)奠定了新型中型離心機(jī)的總體構(gòu)架，技術(shù)上也跟蹤了國家機(jī)電發(fā)展水平，培養(yǎng)和鍛煉了隊(duì)伍。

5.6.1.4 出口中型離心機(jī)和大型離心機(jī)

1995年5月至1997年3月在不到兩年時間內(nèi)，為某國突擊研制了兩臺物體離心機(jī)，分別是半徑2.5 m/5 m、負(fù)載100 kg/1 000 kg、加速度均為100 g、載荷容量為10 gt/100 gt的一中一大兩臺物體離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)了中國特種離心機(jī)走出國門的突破。

從20世紀(jì)60年代到90年代，離心機(jī)研制速度越來越快，反映了國家整體研制水平的提升。在這種情況下，筆者仍然十分強(qiáng)調(diào)保證并加大其中設(shè)計時間的比例，因?yàn)榫脑O(shè)計乃是設(shè)備質(zhì)量的保證。

圖5-48和圖5-49分別為中型離心機(jī)和大型離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-48 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)Fig. 5-48 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-49 5 m-100 gt出口物體離心機(jī)Fig. 5-49 5 m-100 gt export object centrifuge

其技術(shù)概要如下。

5.6.1.4.1 2.5 m-10 gt中型離心機(jī)

這是一臺具有固定式試驗(yàn)吊籃的通用中型物體離心機(jī)，是在三代機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)而來，轉(zhuǎn)臂開始采用圓形鋼管作為主承力件。為減輕重量，將16Mn軋制圓管對剖開來，分別置于臂前后兩端形成整流狀，上下再用鋼板焊接成為等高薄殼形加橫撐的框架結(jié)構(gòu)，撐間留開口供穿線用，后覆以薄鋼皮，形成全整流形轉(zhuǎn)臂，結(jié)構(gòu)剛性好，重量輕。

固定式鋼板焊接的試驗(yàn)吊籃，不加整流罩，便于使用；配重端與轉(zhuǎn)臂等高，整流形；轉(zhuǎn)臂還是采用天平式懸掛結(jié)構(gòu)，用于試前調(diào)平。

一體化轉(zhuǎn)臺：將主軸支承、兩級減速、潤滑系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)集成為轉(zhuǎn)臺部件，無制動器，并增加了一個底座，首次將底座作為稀油潤滑源，整體性極佳，從工廠到現(xiàn)場整體運(yùn)輸、整體安裝，大大縮減了現(xiàn)場作業(yè)時間和工作量，保證了設(shè)備精度。

外協(xié)配套的匯電環(huán)，下走線，纜線經(jīng)穿越油池的密封波紋管穿出。

2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)外形見圖5-50、圖5-51和圖5-52。

圖5-50 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臺外形Fig. 5-50 Turntable shape of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-51 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)試件吊籃端Fig. 5-51 Model basket end of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-52 2.5 m-10 gt出口物體離心機(jī)配重端Fig. 5-52 Counterweight end of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

5.6.1.4.2 5 m-100gt大型離心機(jī)

大型物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臂由于承力大，是將兩根完整合金鋼管直接與鋼板焊接而成，框架間同樣覆蓋薄鋼板，構(gòu)成整流外形；試件吊籃也為固定式鋼板焊接結(jié)構(gòu)，為節(jié)省功率覆以鋁合金蒙皮；兩級減速與主軸支承復(fù)合式轉(zhuǎn)臺，可惜考慮到無需跨越地溝、減輕整體重量、降低成本等原因，未設(shè)計底座，有些遺憾，潤滑油源則另制在外，總體性與現(xiàn)場安裝均不及中型離心機(jī)好。

二機(jī)各采用 16對/36對貴金屬專業(yè)配套匯電環(huán)，下出線。

分別采用45 kW/250 kW國產(chǎn)直流電動機(jī)加美國通用電氣公司可控硅拖動系統(tǒng)，該供電柜恰好可同時提供兩路電源，一柜帶二機(jī)，供電柜配備有PLC控制器實(shí)現(xiàn)可編程全自動控制。

離心機(jī)配置進(jìn)口數(shù)采及CCD光學(xué)系統(tǒng)。

兩臺離心機(jī)與我們以前設(shè)計的機(jī)器相比較，應(yīng)該說是屬于20世紀(jì)90年代機(jī)電雙優(yōu)的產(chǎn)品。

5 m-100 gt出口物體離心機(jī)外形見圖5-53，圖5-54和圖5-55。

圖5-53 5 m-100 gt出口物體離心機(jī)轉(zhuǎn)臺部分Fig. 5-53 Turntable shape of 5 m-100 gt export object centrifuge

圖5-54 5 m-100 gt出口物體離心機(jī)試件吊籃端（整流罩拆除）Fig. 5-54 Model basket end of 5 m-100 gt export object centrifuge(removed the fairing )

圖5-55 5m-100gt出口物體離心機(jī)配重端Fig. 5-55 Counterweight end of 5m-100gt object centrifuge

這臺離心機(jī)總體設(shè)計上最大的突破就是實(shí)現(xiàn)了大型離心機(jī)一室化，一改通常大型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室有地下室、主機(jī)室、頂室三層，至少是主機(jī)室和地溝兩層的總體布局形式，現(xiàn)在只需一層就大大簡化了實(shí)驗(yàn)室建筑，也方便了安裝維修，電動機(jī)放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其自冷通風(fēng)機(jī)還可不裝；其次就是實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離（數(shù)百m）的數(shù)字式全自動控制與檢測。

遺憾的是，限于時間和經(jīng)濟(jì)原因，沒有來得及或者說沒有花精力和資金去研制離心機(jī)專用控制系統(tǒng)。

圖5-56 兩臺離心機(jī)供電柜及控制臺Fig 5 -56 Power cabinet and console for two centrifuges

這兩臺離心機(jī)可以說是筆者離心機(jī)領(lǐng)域的關(guān)門之作。從設(shè)計、加工、國內(nèi)試車到運(yùn)輸、安裝、調(diào)試成功，才不到兩年。盡管時間緊任務(wù)急，仍然抓住機(jī)會盡可能地使之有所前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)理想，終于達(dá)至基本目的。

筆者負(fù)責(zé)了兩臺離心機(jī)的總體設(shè)計，指導(dǎo)新人設(shè)計部件并與老伙伴設(shè)計了中型離心機(jī)主機(jī)。

縱觀數(shù)十年離心機(jī)研發(fā)史，大腦由空到有所悟，思維由個體到整體，認(rèn)識漸近合理，設(shè)計由繁到簡。但是事無盡頭，物體離心機(jī)復(fù)合環(huán)境化已提上日程。

這兩臺離心機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：2.5 m/5 m；

2）有效負(fù)載：100 kg/1 000 kg；

3）負(fù)載尺寸：500 mm×500 mm×500 mm/ 1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm（長×寬×高）；

4）最大加速度：100 g；

5）載荷容量：10 gt/100 gt；

6）裝機(jī)功率：45 kW/200 kW；

7）匯電環(huán)：16對/36對紫銅-銀石墨強(qiáng)、弱電套疊式匯電環(huán)。

研制時間：1995-05 1997-03。

任務(wù)承接與管理：成都航天工業(yè)烽火精密機(jī)械公司。

制造廠：第二重型機(jī)械廠、湖北荊州減速機(jī)廠等。

兩臺離心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可歸納為：

· 等長臂不對稱吊籃；

· 軋制圓管焊接承力臂結(jié)構(gòu)；

· 主軸支撐、傳動減速甚至與潤滑系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)一體化；

· 大型離心機(jī)一室化；

· 遠(yuǎn)距離全數(shù)字控制與檢測。

5.6.2 特大型人-物兩用離心機(jī)

時光回到20世紀(jì)60年代中期。被科技基礎(chǔ)和三年困難推遲的衛(wèi)星計劃，在導(dǎo)彈技術(shù)取得進(jìn)步的鼓舞下被重新提上日程。1964年12月，趙九章先生呈書周總理，認(rèn)為目前條件已具備，可盡快開展衛(wèi)星工程；隨之，1965年中國科學(xué)院接受周總理委托展開工作，繼而1966年1月，中國科學(xué)院衛(wèi)星設(shè)計院即651設(shè)計院成立，開展了“東方紅一號”衛(wèi)星的研制。原581組也隨之撤消重組[25]，筆者所在之設(shè)計組，則被分配到651設(shè)計院下屬的應(yīng)用地球物理研究所工廠，簡稱581廠，繼續(xù)43型離心機(jī)研制。

651設(shè)計院歷史不長，兩年后，中國空間技術(shù)研究院成立，筆者所在的設(shè)計組又回到北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，屆時即43型大型離心機(jī)剛剛運(yùn)行第二年。中國空間技術(shù)研究院的成立，開始醞釀特大型人-物兩用離心機(jī)（或稱68機(jī)，3號機(jī)）。

5.6.2.1 研制概況及教益

載人離心機(jī)任務(wù)于1968年6月開始了方案論證大調(diào)研，1969年初著手設(shè)計。從技術(shù)指標(biāo)看，該離心機(jī)絕對是一臺超時代的攻關(guān)項(xiàng)目；從實(shí)踐過程看，是一臺懸念不斷、收獲頗豐的科技任務(wù)。40年前，載人飛行還十分神秘，用戶對設(shè)計指標(biāo)怎么提也是開門難題。雖然航空載人離心機(jī)1965年已開始研制，可尚在過程之中，加速度醫(yī)學(xué)研究在中國還純屬空白。用戶從國外文獻(xiàn)里得到啟發(fā)，提出了相當(dāng)于我們今天理解的所謂“三軸動態(tài)飛行模擬器且復(fù)合振動臺”這樣規(guī)模的一紙要求，交給了設(shè)計者。限于專業(yè)，他們也許并不知道這個指標(biāo)有多高，而對設(shè)計者來說無疑困難重重。由于載人飛行計劃的推遲，這項(xiàng)任務(wù)從時間和壓力上得以釋放。但盡管如此，承載著高要求的離心機(jī)任務(wù)并沒有下馬。第一步依然足足走了3年，包括入題、初步設(shè)計和主要部件落實(shí)研制等等。當(dāng)時方案最大的分歧點(diǎn)，發(fā)生在主軸和三軸艙系統(tǒng)上到底采用液壓還是電驅(qū)動之爭，最后，經(jīng)錢學(xué)森親自拍板決定：“離心機(jī)人、物兩用；三軸電動，主軸液壓?！?/p>

“人、物兩用”即該離心機(jī)既可作高啟動率載人離心機(jī)用，還必須是一臺較高加速度的物體離心機(jī)，供飛船試驗(yàn)。主軸采用液壓方案主要基于大功率可控硅技術(shù)尚不成熟，直流電動機(jī)繼續(xù)用交流電動機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組供電甚顯落后；而小電動機(jī)集成方案既有同樣問題，且與液壓方案比較起來沒有后者體積小、快動性好，因而“液”勝過于“電”。其實(shí)，時至今日，即使大功率可控硅技術(shù)已臻成熟，載人離心機(jī)主軸驅(qū)動到底采用大電動機(jī)還是小電動機(jī)配機(jī)械減速器，抑或液壓馬達(dá)配機(jī)械減速器，孰好孰壞仍有其爭；至于“兩用”問題，以后會談到。

技術(shù)是硬東西，又經(jīng)兩年按既定方向工作，對各種難題基本有所深入和研究，結(jié)合國情雙方逐漸達(dá)成一定共識，才將設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行了部分縮減，基本敲定下來。此時已經(jīng)五載了。說基本，一是因?yàn)橛脩糁饕夹g(shù)要求沒有松動，愿意縮減的只是用戶覺得可暫時不要的，比如復(fù)合振動臺，和限于實(shí)情確實(shí)達(dá)不到的指標(biāo)，比如加速度啟動率等；二是盡管如此，關(guān)鍵技術(shù)依然成堆，攻關(guān)前途誰都難以預(yù)料；三是現(xiàn)在看來，所定指標(biāo)還是很高，這樣就埋下了不確定因素。

回想起來，當(dāng)時，沒有人能站在高處，重新審視一下航天醫(yī)學(xué)到底需要什么樣的離心機(jī)，技術(shù)指標(biāo)有無可斧正之處；或者認(rèn)真探討一下載人離心機(jī)與物體離心機(jī)二者互相兼容的利弊，到底兼容好還是不兼容更好。因此，終究跳不出既定圈圈，而不可能出現(xiàn)大刀闊斧的變化。如果當(dāng)時認(rèn)識到按第三代載人離心機(jī)指標(biāo)進(jìn)行研制的話，那結(jié)果將大不相同。自然，這種情況的發(fā)生，既與學(xué)術(shù)水平有關(guān)也帶有當(dāng)時時代的特色。載人離心機(jī)研制過程，絕大部分是在“文化大革命”浪潮中進(jìn)行的，而且其間還有一次重大的體制調(diào)整。這些形成了載人離心機(jī)研制中別具特色的經(jīng)歷。

首先，在“抓革命，促生產(chǎn)”的口號下，設(shè)計人員只能在服從運(yùn)動安排之余見縫插針地畫圖、計算、搞調(diào)研、跑生產(chǎn)。辦任何一件事都必需求機(jī)關(guān)、求承制、求供貨方，以至發(fā)展到必須積極主動地創(chuàng)造一切條件，才能推進(jìn)一件件工作。比如，為大齒輪滾齒這道工序，加工前齒輪半精加工件要運(yùn)進(jìn)車間，加工中設(shè)備不得斷電，加工后爭取達(dá)到更高精度這3件事，本來都是承制廠該辦的事，可當(dāng)時你要這樣想，那就只能無限制地等待。怎么辦呢，首先積極主動聯(lián)系推土機(jī)和施工隊(duì)伍，修好人家“深挖洞”后開膛劃肚的路；然后到有關(guān)部門申請增容指標(biāo)，為承制車間增配雙路供電線路，再找施工隊(duì)伍架線；高精度滾齒刀呢，跑哈爾濱刀具廠聯(lián)系研制。當(dāng)時就是這種情況，出于對國家和人民的責(zé)任感，使自己設(shè)計的東西盡早變成一個物件，只好“不待揚(yáng)鞭自奮蹄”。在當(dāng)時，技術(shù)人員“駐廠盯生產(chǎn)”是一大景觀，除份內(nèi)技術(shù)工作以外，其他相關(guān)的服務(wù)和聯(lián)絡(luò)，樣樣都要親自操辦。

其次，在20世紀(jì)70年代，國家技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，幾乎任何一個元器件都需自行研制，包括如今可輕易獲得的各種配套供應(yīng)品，如離心機(jī)所需大至模擬計算機(jī)（數(shù)字計算機(jī)未敢奢望）、液壓泵、液壓馬達(dá)、電液伺服閥、高精度匯電環(huán)、可控硅供電系統(tǒng)、大型軸承、諧波減速器；小至高精度滾齒刀、軸承合金、液態(tài)密封膠等等，都要花精力一一去自行或組織研制。當(dāng)時更沒有什么ISO9000標(biāo)準(zhǔn)和全面質(zhì)量管理之說，因此產(chǎn)品質(zhì)量完全取決于設(shè)計者的責(zé)任心、認(rèn)識水平以及利用當(dāng)時條件求得最佳結(jié)果的程度上。在設(shè)計手段上，尚無有限元、仿真計算等等先進(jìn)方法，只有靠計算尺和手搖計算器。如此龐大的機(jī)械系統(tǒng)，連轉(zhuǎn)臂自然頻率也無法準(zhǔn)確計算，三軸系統(tǒng)就更無能為力了。

再有，在1971年經(jīng)過了一次體制調(diào)整，大部分科技人員包括離心機(jī)設(shè)計人員被調(diào)整到蘭州物理研究所。由于蘭州身處中國西部腹地，而離心機(jī)研制活動大部分都落實(shí)在東部先進(jìn)城市，搬遷進(jìn)一步拉遠(yuǎn)了與協(xié)作區(qū)距離。為了查閱資料和工作上的協(xié)作，技術(shù)人員常年奔赴北京和東部城市；而回蘭州時順便捎回一些生活日需品，聊以改善一些艱苦的生活。一次出差經(jīng)常是半年10個月回不了家，夏天出門得帶上冬衣，回來還得排幾宿買回程票。這種生態(tài)堪與今日農(nóng)民工兄弟一比，盡管浪跡天涯目的不一樣，但同樣拋家離土，有時攜兒背女，奔波于旅途客棧，連續(xù)長達(dá)10余年動蕩顛簸，夫妻雙方多年面對家庭、孩子、生活、事業(yè)諸多艱辛與困難，遠(yuǎn)非今日大學(xué)生所能想象與領(lǐng)受。因此，不要忘記，在中國歷史上，也曾出現(xiàn)過一支科技“農(nóng)民工”隊(duì)伍，他們大抵是從事“兩彈一星”的科技工作者，在新中國動亂而茫然的那段歲月，正是他們的奉獻(xiàn)，才使空中奏響“東方紅”，點(diǎn)燃人們心中的希望。

歷經(jīng)種種磨難，1976年底轉(zhuǎn)臺部件結(jié)束工廠制造，1978年下半年轉(zhuǎn)臺進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室安裝。終于，載人離心機(jī)進(jìn)入了總調(diào)試階段。

一聲令下，模擬計算機(jī)電信號通過電磁線圈，輕輕拉動電液伺服閥初級閥體，完成電液轉(zhuǎn)換，控制隨動伺服閥末級——大流量閥體移動；驅(qū)使動力油推動液壓作動筒——機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，聯(lián)動機(jī)構(gòu)帶動一系列杠桿系統(tǒng)，搖轉(zhuǎn)14臺變量液壓泵的斜盤擺角；14臺300 kW交流電動機(jī)驅(qū)動著的14臺變量泵，隨著斜盤擺動而輸出所控油流一起匯入主油管；主管路上方，旁置著許多閥門和其他裝置，起定壓保護(hù)作用，保證油流具備所需壓力，并將油流安全穩(wěn)定地推入圍繞轉(zhuǎn)臺的大直徑環(huán)形管道中；經(jīng)管道均勻化后再分為16路，分別通過精細(xì)過濾器，注入16臺安裝在轉(zhuǎn)臺周圍的定量式液壓馬達(dá)內(nèi)；16臺液壓馬達(dá)在高壓油流驅(qū)使下，帶動各自小齒輪去共同推動一只大齒輪；于是，與大齒輪相連的數(shù)十t重轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來了。而數(shù)十t轉(zhuǎn)子完全漂浮在一套大型全靜壓軸承系統(tǒng)上，所謂全靜壓軸承指的是轉(zhuǎn)子徑向和軸向都支撐在一層具有一定剛性的薄薄油膜上，因此轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)只需克服液體摩擦，便能輕輕轉(zhuǎn)動起來。這一轉(zhuǎn)動標(biāo)志著樓上樓下地下數(shù)千m2、重達(dá)數(shù)百t、龐大的、組成離心機(jī)軀體的所有微電子、大功率機(jī)、電、液及主機(jī)系統(tǒng)，包括全部硬件、軟件、固體、液體統(tǒng)統(tǒng)貫通了。

之后不久，單軸艙載人離心機(jī)系統(tǒng)終于在1982年底順利地完成調(diào)試。

單軸艙載人離心機(jī)系統(tǒng)的順利調(diào)試，意味著它已經(jīng)是一臺載人離心機(jī)及一臺高載荷容量的物體離心機(jī)。用戶將來獨(dú)立面對的將是繼續(xù)調(diào)試一臺三軸艙系統(tǒng)離心機(jī)，對于它的命運(yùn)，個人當(dāng)時還是十分關(guān)切與不舍。

筆者在該離心機(jī)課題中，承擔(dān)轉(zhuǎn)臺設(shè)計和研制工作，無疑43型離心機(jī)靜壓軸承經(jīng)歷鼓舞了自己，才敢向大尺寸全靜壓軸承系統(tǒng)沖擊。另一方面，筆者還協(xié)助相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，參與整機(jī)一系列研制、調(diào)試的技術(shù)組織與計劃管理工作，作為人生這特定年齡段來說，此生能獲如此難得的一項(xiàng)高科技、高強(qiáng)度鍛煉機(jī)會，也屬生逢其時，值得慶幸。

除設(shè)備本身，用戶方負(fù)責(zé)的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、大功率配電增容工程、轉(zhuǎn)臺海陸運(yùn)輸、保障現(xiàn)場裝調(diào)條件等等，無不繁瑣而復(fù)雜?？梢?，為離心機(jī)課題付出的并不只是少數(shù)人，而是一大批人，一代人。對于這臺離心機(jī)整體情況，我們站在今天認(rèn)識的技術(shù)角度分析：

1）由于其半徑較長和兩用要求，一方面使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量變得過分龐大；另一方面物體離心機(jī)高轉(zhuǎn)速，又使得驅(qū)動力矩不能利用更大減速比予以充分發(fā)揮；當(dāng)然，執(zhí)行件品種的單一，即液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與出力只有一種選擇，使得變通余地很??；以及受最大運(yùn)輸尺寸限制，大齒輪不可能再大，增加動力配置幾無可能，因此，它的動力和快動性必然是受限的。這樣，唯一能提高加速度啟動率的努力方向，只有縮減半徑和簡化三軸。

2）單軸艙離心機(jī)系統(tǒng)雖然已建立起一個離心機(jī)平臺，三軸艙系統(tǒng)本身也進(jìn)行過地面初調(diào)，三軸系統(tǒng)與離心機(jī)安裝也沒有問題，大功即將告成，但不言而喻，三軸艙離心機(jī)系統(tǒng)乃是沖擊水平之所在，未走之路人們往往心中無底，因此，個人覺得其聯(lián)調(diào)難度可能不亞于單軸艙離心機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)然，我這里主要指的是總調(diào)試而不是整個的研制調(diào)試過程。

3）因?yàn)閱屋S艙的滾轉(zhuǎn)不需要控制，單軸艙離心機(jī)總調(diào)試主要考核的是從主控到主軸一系列機(jī)電液環(huán)節(jié)匹配問題，重點(diǎn)在于構(gòu)建一個可控的轉(zhuǎn)動的離心機(jī)系統(tǒng)，特點(diǎn)是大系統(tǒng)、大載荷、大功率與大型機(jī)、電、液綜合技術(shù)。這些工作大部分其實(shí)在研制與安裝過程中，已分步驟一一解決了，總調(diào)試就是把它們串起來，發(fā)現(xiàn)新問題并達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。因此，單軸艙離心機(jī)研制重點(diǎn)在乎其漫長的過程之中。

4）而三軸艙離心機(jī)調(diào)試，是在平臺之上疊羅漢，三軸艙系統(tǒng)地面調(diào)試與平臺上調(diào)試會有很大不同，牽扯到三軸系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臂等機(jī)械系統(tǒng)以及主軸電液系統(tǒng)間的動態(tài)匹配與控制問題。雖然相對是小系統(tǒng)、小功率，但因三軸艙處在加速度場內(nèi)，其結(jié)構(gòu)變形和動態(tài)受力將成為新變數(shù)，控制與協(xié)調(diào)內(nèi)容也含有不少新問題。個人估計，如果說，其電控部分經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與不斷改進(jìn)，有望最終獲解；但在計算機(jī)有限元與仿真計算出現(xiàn)之前，未經(jīng)任何模型試制與調(diào)整，就僥幸把一個大型多自由度機(jī)械系統(tǒng)匹配得已經(jīng)可以接受，其可能性不敢斷言，總覺得或大或小都會遇到一些問題。而機(jī)械系統(tǒng)又非用戶所長，出現(xiàn)問題，機(jī)械裝置改動性差的特點(diǎn)必然會形成攔路虎。遺憾的是，迄今為止尚不知其最終調(diào)試結(jié)果。

我們再看看以后的結(jié)局。

進(jìn)一步發(fā)展的情況是，15年后的它，在20世紀(jì)90年代中后期，被新一代HYG08載人離心機(jī)所取代。

對于老機(jī)器，我們應(yīng)該給它一個中肯的評價：

1）首先不會忘記它曾經(jīng)的輝煌與奠基作用，以及長達(dá)15年間所完成的歷史使命；在技術(shù)上，它基本忠實(shí)地反映了歷史可能性，未曾愧對歷史，甚至有些方面某種程度上多少會推動國家一些技術(shù)進(jìn)步。

2）另一方面，必究它的加速度啟動率不夠理想，機(jī)電液系統(tǒng)過于龐大，液壓系統(tǒng)管理起來頗為費(fèi)力，技術(shù)改造似乎也無從下手。

3）更重要的是，用戶終于認(rèn)識到半徑可以小到8 m，三軸艙系統(tǒng)可以不要，只要便于控制，便于管理，加速度啟動率有所提高就好了；再加上離心機(jī)電動系統(tǒng)的快速發(fā)展，自然就導(dǎo)致了更新?lián)Q代的結(jié)果。

人們不能超越歷史，更無意阻攔歷史。自從68機(jī)下崗，期間個人時不時還惦記著，如何使這臺超大型設(shè)備有朝一日起死回生，繼續(xù)發(fā)揮余熱。比如，如果想提高其加速度啟動率，可以考慮更換較短較輕轉(zhuǎn)臂；提高運(yùn)動功能，可另外附加一套新的雙軸艙系統(tǒng)；甚至載人之外，利用長臂加裝大振動臺，轉(zhuǎn)化成為一臺大容量低加速度動態(tài)土工離心機(jī)，就像加利福尼亞大學(xué)從 NASA接管過來航空航天物體離心機(jī)將其改造為美國國家土工離心機(jī)那樣，也是不錯選擇；總之，情之所系，魂?duì)繅衾@，大有不離不棄之意。

不料，不久前聽說它已經(jīng)被“處理”掉了；當(dāng)它的經(jīng)濟(jì)價值被認(rèn)為不如它所占有的土地價值高時，那就不能不為之揪心了。慮此，倏感背寒，也頓生感懷。

拋開情感，忘卻冰冷機(jī)器里似曾滲透著、凝聚著中國一批風(fēng)華正茂年輕人精華歲月和無法割舍的掛牽之后，我們將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)投在該設(shè)備的技術(shù)方面，尤其是一些被逼出來的大膽創(chuàng)新之舉與汗水凝結(jié)的結(jié)果之上時，也許更有前瞻性或可發(fā)現(xiàn)其新價值，其中有些東西，時至今日也許還是值得人們?nèi)チ私庖幌碌?，說不定它們對于離心機(jī)或者其他大型設(shè)備研制仍有一定啟發(fā)與借鑒作用。

該設(shè)備研制工作是由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所負(fù)責(zé)，用戶單位中國航天醫(yī)學(xué)工程研究所全程參與，主要協(xié)作單位是天水電氣傳動研究所，而生產(chǎn)廠商遍及上海、北京等東西南北各地。

5.6.2.2 技術(shù)指標(biāo)

首先讓我們了解一下它的設(shè)計要求，看看 40年后的今天，是不是變得易如反掌和唾手可得。

先不說1968年當(dāng)初的要求，就是1973年1月根據(jù)初期工作和國家技術(shù)條件，用戶與設(shè)計者協(xié)調(diào)改減后，最終確定的離心機(jī)設(shè)計指標(biāo)為

1）旋轉(zhuǎn)半徑：

三軸艙——10 ×(1±1%) m；

單軸艙——12 ×(1±1%) m；

2）最大加速度：

三軸——15 g；

單軸——25 g；

物體——45 g；

3）加速度值增長率：

啟動1 s后＞1 g/s，上升至5 g；

5～10 g之間大于2 g/s；

4）座艙：

單軸艙——容積大于2.5 m×1.8 m×2.0 m，有效載荷500 kg；

三軸艙——內(nèi)徑2.5 m，有效載荷300 kg；

5）三軸艙運(yùn)動要求：

① 活動范圍（除修正重力加速度或切向加速度外）為

內(nèi)環(huán)——0～360o；

中環(huán)——0～±30o；

外環(huán)——0～±30o；

② 角速度：

內(nèi)環(huán)——0.01～0.5 rad/s；

中環(huán)——0.01～0.5 rad/s；

外環(huán)——0.01～0.5 rad/s；

③ 最大角加速度：

內(nèi)環(huán)——0.5 rad/s2；

中環(huán)——0.5 rad/s2；

外環(huán)——0.5 rad/s2；

④ 跟隨性：

頻響：fc=0.5 Hz；

幅值誤差：∣ΔA∣≤5%；

相位：∣ΔΦ∣≤5%；

靜差：≤±0.5o；

⑤ 艙內(nèi)噪音：≤90 dB；

6）單軸艙與三軸艙互換方便；

7）艙內(nèi)供氣：

壓力——120 mm水柱；

流量≥150 L/min；

連續(xù)工作1 h；

8）座椅與躺床互換方便，各節(jié)角度可調(diào)；

9）艙內(nèi)配置顯示儀表、操縱系統(tǒng)、電視監(jiān)視、X光機(jī)、照相機(jī)等設(shè)備；

10）控制：

g值及3自由度運(yùn)動可模擬試驗(yàn)曲線；

航天員可控g值及3自由度運(yùn)動；

11）匯電環(huán)：

①主軸——152環(huán)，計：

心電60環(huán)，1 mV，噪音小于10 μV；

腦電20環(huán)，10 μV，噪音小于1 μV；

物理電40環(huán)，20 mA，±0.1 ±100 V；

一般信號20環(huán)，1 A，5 45 V；

電源8環(huán)，5 A，220 V；

電源4環(huán)，15 A，380 V；

②三軸——104環(huán)，計：

心電20環(huán)，1 mV，噪音小于10 μV；

腦電20環(huán)，10 μV，噪音小于1 μV；

物理電40環(huán)，20 mA，±0.1 ±100 V；

一般信號20環(huán)，1 A，5 45 V；

電源4環(huán)，3 5 A，220 V。

改減的主要內(nèi)容是：座艙內(nèi)不再要求安裝振動臺；加速度啟動率大幅調(diào)低；而最低啟動率也指的是轉(zhuǎn)動1 s（不是1 g）后，等等。

這當(dāng)然是一次重要變動，也是頭幾年工作的一些共識，由于當(dāng)時部分圖紙已投入生產(chǎn)，較大的改變也不可能了，比如如果不強(qiáng)調(diào)從靜止啟動，可不考慮靜、動態(tài)摩擦過渡問題，全靜壓軸承系統(tǒng)就可省去，研制難度會大大降低等。

但是，以20多年后對HYG08載人離心機(jī)的要求反證，這個技術(shù)指標(biāo)還是很高的，比如半徑長度8 m與12 m，1 g啟動與1 s啟動，特別是單軸艙與三軸艙的重大區(qū)別以及有無人機(jī)控制等等，這樣高要求的載人離心機(jī)至今我國不要說還未出現(xiàn)，可能尚無人問津。這個指標(biāo)，除了未要求視景系統(tǒng)外，硬件基本就是一臺直徑龐大的三軸動態(tài)飛行模擬器，而且還是人、物兩用離心機(jī)。

現(xiàn)在看來，作為航天載人離心機(jī)，半徑8 m配置一個兩軸艙系統(tǒng)，具備滾轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動，將動態(tài)過程重力加速度與切向加速度效應(yīng)處理好就很理想了，半徑短一些再少一條軸其技術(shù)難度將會降低很多。如果40年前按這個方向攻關(guān)，而且不考慮兩用并組織得更好一些的話，也許還是有一定實(shí)現(xiàn)可能的，且至今也不落后。

圖5-57和圖5-58分別表示出單軸艙和三軸艙載人離心機(jī)的外形。

我們看到的是一個直徑達(dá)30 m的大廳和一臺龐大的機(jī)器：離心機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量達(dá)65 t（三軸艙系統(tǒng)），主機(jī)總質(zhì)量為150 t；地下室還有數(shù)十臺套電動機(jī)-液壓泵、供電柜、液壓伺服控制系統(tǒng)、潤滑油源以及龐大的管路網(wǎng)及其安全保護(hù)裝置等等系統(tǒng)和設(shè)備；全機(jī)總質(zhì)量約為200 t，裝機(jī)總電功率達(dá)到4 200 kW。

包括樓上模擬給定系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)、生理研究系統(tǒng)，洋洋灑灑，將當(dāng)時從微電子到大功率機(jī)、電、液等能反映時代特征的技術(shù)集于一身的這樣一臺室內(nèi)特大型試驗(yàn)設(shè)備，終于由一紙技術(shù)指標(biāo)展現(xiàn)在面前，當(dāng)這個龐然大物擺在那里的時候，確實(shí)令人震驚，連研制者自己都沒有想象到。

圖5-57 BISEE單軸艙載人離心機(jī)外形Fig. 5-57 BISEE single axle cabin manned centrifuge shape

圖5-58 BISEE三軸艙載人離心機(jī)外形Fig. 5-58 BISEE three axle cabin manned centrifuge shape

離心機(jī)研制全過程，用戶單位始終和設(shè)計方密切合作，共同參與和監(jiān)管，研制情況一目了然，試車過程與用戶共同操作，幾乎不用什么交接，就過渡過去了。設(shè)備使用過程中，用戶進(jìn)一步對液壓補(bǔ)油系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)、靜壓油源和補(bǔ)償系統(tǒng)、定點(diǎn)停車等環(huán)節(jié)進(jìn)行了局部改進(jìn)，使啟動瞬間的加速度增長率達(dá)到了 1.9 g/s[26,27]，這已大大超過了設(shè)計指標(biāo)。在中國實(shí)現(xiàn)真正載人航天夢之前，正是利用它為國家航天醫(yī)學(xué)研究作出歷史性貢獻(xiàn)，同時也為未來載人離心機(jī)和動態(tài)飛行模擬器研制取得一定經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

此外，離心機(jī)作為物用時，轉(zhuǎn)臂可懸掛質(zhì)量為5.5 t的大試件，半徑12 m處加速度可達(dá)45 g，轉(zhuǎn)臂最大負(fù)載容量約為250 gt，就是說，該離心機(jī)同時具有特大型物體離心機(jī)試驗(yàn)潛力，如果加以利用的話。

如此規(guī)模的離心機(jī)當(dāng)時堪稱亞洲第一，也可進(jìn)入世界靠前行列

5.6.2.3 轉(zhuǎn)子

圖5-59為三軸艙載人離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖5-59 BISEE三軸艙載人離心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-59 BISEE triaxial cabin manned centrifuge structure drawing

三軸艙系統(tǒng)不是指三軸轉(zhuǎn)動離心機(jī)，而是指三軸艙系統(tǒng)本身就具有滾轉(zhuǎn)、俯仰和自旋3根軸；如果連離心機(jī)主軸算在內(nèi)，應(yīng)該是 4軸轉(zhuǎn)動離心機(jī)。但是在結(jié)構(gòu)上三軸艙系統(tǒng)只能看到兩根軸系，其中俯仰軸是由內(nèi)外框間大軸承形成的無軸轉(zhuǎn)動副，這個構(gòu)造是一個關(guān)鍵設(shè)計，不但簡化了結(jié)構(gòu)，而且為艙門開啟提供了敞開的空間，難度則完全系于大軸承上。當(dāng)時如此大的輕型軸承還沒有，為此，自行研制了鋼絲滾道軸承。

質(zhì)量為4.5 t的三軸艙系統(tǒng)由內(nèi)外框及座艙兩大部件組成，內(nèi)外框間形成直徑為3 400 mm自制大型鋼絲滾道軸承，框的轉(zhuǎn)動由可控硅-直流伺服電動機(jī)經(jīng)諧波減速器-小齒輪，嚙合扇形齒輪副所驅(qū)動；滾轉(zhuǎn)軸和自旋軸也分別由各自可控硅-直流伺服電動機(jī)-諧波減速器系統(tǒng)驅(qū)動；三軸艙體為承力框加蒙皮結(jié)構(gòu)；而質(zhì)量為1.5 t的單軸艙體則為殼加筋結(jié)構(gòu)。

三軸艙鋼絲軌道軸承雖然經(jīng)過地面跑合，運(yùn)轉(zhuǎn)自如，但在加速度場內(nèi)，負(fù)載增加、內(nèi)外框變形不一致等因素，均會影響其性能，無疑這個環(huán)節(jié)很可能會成為成敗的制約。

此外，鋼絲滾道軸承的剛度和與系統(tǒng)匹配情況也是一個未知因素。

圖5-60至圖5-63表示了單軸艙，三軸艙及其傳動的一些情況。

圖5-60 單軸艙在轉(zhuǎn)臂上Fig. 5-60 Single axle cabin on arm

圖5-61 三軸艙系統(tǒng)與地面支架Fig. 5-61 Triaxial cabin on the ground support

圖5-62 三軸艙系統(tǒng)在離心機(jī)上Fig. 5-62 Triaxial cabin system on centrifuge

圖5-63 三軸諧波與大齒輪傳動Fig 5 -63 The harmonic drive meshing with great gear of triaxial cabin system

轉(zhuǎn)臂為16Mn鋼管焊接結(jié)構(gòu)，尺寸為15.4 m× 2.75 m×1.4 m的桁架式長短臂，短端長度為2.5 m，與三軸艙叉頭或單軸艙加長臂的換接均采用 4個雙向螺旋接頭結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臂部件包含配重在內(nèi)自身質(zhì)量約為30 t。

圖5-64表示轉(zhuǎn)臂中央及配重端的局部圖，圖5-65表示雙頭螺旋接頭部分。

圖5-64 轉(zhuǎn)臂配重端及與轉(zhuǎn)臺的聯(lián)接Fig. 5-64 Arm’s counterweight end jointed with turntable

圖5-65 轉(zhuǎn)臂雙向螺旋接頭Fig. 5-65 Arm’s stud joints

5.6.2.4 主軸液壓驅(qū)動

離心機(jī)主軸驅(qū)動采用多泵多馬達(dá)系統(tǒng)，其構(gòu)成為：14臺功率為270 kW的ZB740柱塞式變量泵并聯(lián)，將其調(diào)整斜盤統(tǒng)一由液壓作動筒-連桿系統(tǒng)操縱，后者受QDY1-C100型電液伺服閥根據(jù)模擬機(jī)給定曲線控制，以最高21 MPa壓力，將大至10 000 L/min的油液輸送給16臺ZM740定量式液壓馬達(dá)，形成一個龐大的組合容積式液壓調(diào)速系統(tǒng)。

圖5-66至圖5-70表示從300 kW交流電動機(jī)到液壓泵、伺服閥系統(tǒng)到液壓作動筒-連桿系統(tǒng)，直到進(jìn)入轉(zhuǎn)臺前之龐大的液壓系統(tǒng)圖片。

圖5-66 14臺300 kW交流電動機(jī)組Fig. 5-66 14-300 kW AC motor group

圖5-67 14臺270 kW液壓泵組之一Fig. 5-67 One of the 14-270 kW hydraulic pump groups

圖5-68 伺服閥控制站Fig. 5-68 Servo valve control station

圖5-69 14臺泵組聯(lián)動杠桿機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件Fig. 5-69 The linked device executive component of 14-pump group

圖5-70 10 000 L/min高壓油液管道及其安全閥系統(tǒng)Fig. 5-70 10 000 L/min high pressure hydraulic pipeline and safety valve system

這一套輸入電功率高達(dá)4 200 kW的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，不僅在當(dāng)時，就是現(xiàn)在，國內(nèi)外也不多見，其主要工作量除每一個關(guān)鍵部件需逐一進(jìn)行研制外，系統(tǒng)集成和大流量管道系統(tǒng)也是陌生課題。

5.6.2.5 轉(zhuǎn)臺

該離心機(jī)轉(zhuǎn)臺不僅是承上啟下結(jié)構(gòu)上的中心，上面承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量，保證精密匯電環(huán)組安裝與正常轉(zhuǎn)動；下面與地基通過球面可調(diào)墊鐵調(diào)平與固定；同時，還承擔(dān)著16臺液壓馬達(dá)驅(qū)動力矩和驅(qū)動功率的動力耦合、完成機(jī)械減速功能；并保證轉(zhuǎn)子定位和低摩擦轉(zhuǎn)動，以及承受龐大的垂直與徑向負(fù)荷。

轉(zhuǎn)臺的核心結(jié)構(gòu)是一個高精度大型人字齒輪及一組高質(zhì)量全靜壓軸承系統(tǒng)：大型人字齒輪直徑為3 838 mm、質(zhì)量為 22 t，將均勻環(huán)繞其圓周的 16個ZM740液壓馬達(dá)-小齒輪軸系，耦合成為5×105N·m驅(qū)動力矩。比液壓泵增加了兩臺液壓馬達(dá)，為的是增加啟動力矩，有利于驅(qū)動質(zhì)量為65 t的轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn)；大齒輪精度高達(dá)6-5-5級，傳動比為21.5，這個系統(tǒng)一舉完成了減速、精密傳動、動力耦合與多馬達(dá)同步功能。

轉(zhuǎn)子被一組直徑為2 300 mm的靜壓軸承和直徑為2 900 mm的靜壓導(dǎo)軌組成的特大型高速全靜壓系統(tǒng)所支承，以厚度為0.1 mm的剛性油膜解決靜、動態(tài)摩擦過渡和承載問題，構(gòu)成全液體摩擦副，油膜補(bǔ)償元件為對稱油池間反饋式滑閥。

轉(zhuǎn)臺大底座被設(shè)計為垂直面兩半剖分，后再榫接、密封的拼合式結(jié)構(gòu)，大齒輪的極限尺寸以及大底座拼接方案，都是受限于尚未確定的三線地區(qū)火車超限運(yùn)輸尺寸的規(guī)定。

轉(zhuǎn)臺大齒輪加工利用萬噸水壓機(jī)、精密滾齒機(jī)等一流設(shè)備，轉(zhuǎn)臺總質(zhì)量達(dá)到86 t。

圖5-71及圖5-72分別表示轉(zhuǎn)臺外形和結(jié)構(gòu)，圖5-73表示液壓馬達(dá)及其供油管路。需要進(jìn)一步說明的是：

· 采用人字齒輪為的是上下分別各分布8個小齒輪組，以抵消斜齒輪傳動所形成的軸向力；

· 小齒輪座與大底座采用鉗工刮配法，代替當(dāng)時難以實(shí)現(xiàn)的多孔精密鏜孔定位工藝；

· 靜壓軸承加工采用了諸如大修加工設(shè)備、利用夜靜精車和鉗工翻刮等繁復(fù)的工藝措施；

· 靜壓軸承和靜壓導(dǎo)軌表面都覆蓋以專制軸承合金，其中大直徑軸承套采用軸承金屬噴涂工藝，一旦靜壓系統(tǒng)失效就轉(zhuǎn)化為壓力潤滑的滑動軸承，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)安全。

圖5-71 BISEE載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臺部件外形圖Fig. 5-71 BISEE Manned centrifuge turntable outline

圖5-72 BISEE載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臺部件結(jié)構(gòu)圖Fig. 5-72 BISEE Manned centrifuge turntable structure drawing

圖5-73 轉(zhuǎn)臺16臺液壓馬達(dá)及其供油管路Fig. 5-73 16 hydraulic motors and oil pipelines of turntable

轉(zhuǎn)臺部件備有專用潤滑油源，提供靜壓軸承系統(tǒng)精濾的穩(wěn)定壓力油和為16個齒輪傳動副及齒輪軸軸承系提供潤滑、冷卻用油。為簡化油路，二者均采用同一油品。

5.6.2.6 匯電環(huán)

40年前還是模擬量時代，主軸和三軸系統(tǒng)共有強(qiáng)、弱電匯電環(huán)7套，當(dāng)時還沒有計算機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)，用于心、腦微信號的模擬量必須長距離串聯(lián)傳輸，因此，要求研制出高精密、抗干擾匯電環(huán)及其傳輸系統(tǒng)，所以匯電環(huán)的研制周期甚至比整個機(jī)器還要漫長。

自行研制的精密匯電環(huán)特點(diǎn)：

· 強(qiáng)電采用金銅合金環(huán)、銀石墨刷、恒力彈簧；

· 弱電為金銀銅合金環(huán), 金鎳絲；

· 匯電環(huán)均采用環(huán)氧樹脂整體澆鑄成形的結(jié)構(gòu)，返工率很高。

電氣與控制

電氣部分分為：

· 主驅(qū)動為14×300 kW，總計4 200 kW交流電動機(jī)供電與控制系統(tǒng)；

· 三軸可控硅-直流伺服電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)；

· 離心機(jī)給定與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)在這些系統(tǒng)完全可以輕易地取得供應(yīng)商高質(zhì)量配套產(chǎn)品，而在當(dāng)時困難重重，可控硅供電系統(tǒng)特別是模擬計算機(jī)都進(jìn)行了漫長的研制過程。

茲用圖5-74至圖5-77給出了離心機(jī)電氣系統(tǒng)的外形圖，目的是對比一下30年前的技術(shù)狀態(tài)。

圖5-74 4 200 kW電源開關(guān)柜Fig. 5-74 4 200 kW power switch cabinet

圖5-75 離心機(jī)模擬給定系統(tǒng)Fig. 5-75 Centrifuge preset system

圖5-76 離心機(jī)控制臺Fig. 5-76 Centrifuge control bench

圖5-77 生理試驗(yàn)控制臺Fig. 5-77 Physiological test control bench

該離心機(jī)主要由上海彭浦機(jī)器廠、上海四方鍋爐廠、上海液壓泵廠、上海造紙機(jī)器廠、上海汽輪機(jī)廠、上海儀器廠、第一重型機(jī)器廠、北京鍋爐廠、北京開關(guān)廠、天水電氣傳動研究所等數(shù)十家大型工廠和近百家協(xié)作單位協(xié)作和承制。

載人離心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

· 長短臂，固定配重，鋼管焊接桁架式承力梁，臂端四接點(diǎn)雙螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)；

· 雙框式大型自制鋼絲滾道軸承三軸艙系統(tǒng)；

· 主軸大功率大流量多泵多馬達(dá)組合容積式液壓調(diào)速系統(tǒng)；

· 多馬達(dá)組合高精度齒輪傳動系統(tǒng)；

· 大直徑全靜壓高速軸承系統(tǒng)；

· 高精密匯電環(huán)；

· 可控硅-伺服電機(jī)控制系統(tǒng)；

· 模擬給定裝置。

載人離心機(jī)研制之時，最令人困擾的重大技術(shù)問題有：

9） 多馬達(dá)系統(tǒng)同步與調(diào)零問題：

· 14臺交流電動機(jī)同步；

· 液壓泵斜盤調(diào)零與同步；

· 電液伺服閥與系統(tǒng)調(diào)零；

· 16臺液壓馬達(dá)同步與大齒輪關(guān)系；

2）大流量液壓系統(tǒng)發(fā)熱、制冷及能量回收問題；

3）液壓管系補(bǔ)油、出氣、水擊、變形、阻尼等問題；

4）轉(zhuǎn)子大慣量與液壓系統(tǒng)流體大慣量對離心機(jī)快動性的影響與分析；

5）轉(zhuǎn)臺全靜壓軸承系統(tǒng)——關(guān)乎離心機(jī)轉(zhuǎn)動成敗的大問題；

6）三軸系統(tǒng)鋼絲軌道軸承——關(guān)乎三軸轉(zhuǎn)動成敗的大問題；

7）三軸與轉(zhuǎn)臂機(jī)械系統(tǒng)頻率匹配問題；

8）三軸與主軸控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)問題；

9）航天員可控g值問題。

最后，報告一下剛剛落實(shí)的消息：

· 鑒于使用原因，主要任務(wù)利用單軸艙離心機(jī)已經(jīng)滿足需要，為確保任務(wù)起見，三軸艙系統(tǒng)并沒有繼續(xù)調(diào)試下去；但無論地面或裝在臂上，三軸艙系統(tǒng)都可運(yùn)轉(zhuǎn)自如，尚未發(fā)現(xiàn)任何重大問題；

· 保證離心機(jī)啟動時不跳閘，用戶還曾將大功率滿壓啟動改造為降壓啟動；

· 離心機(jī)最后還是被廢止了，原址已成為所工廠大樓。

最終去向已不重要，技術(shù)人員還是關(guān)心技術(shù)，盡管三軸艙系統(tǒng)未暴露大問題，表現(xiàn)的卻比設(shè)想的要好得多。

5.6.3 大型土工離心機(jī)

1986年 9月開始為中國水利水電科學(xué)院巖土工程研究所研制大型土工離心機(jī)，它系國家“七五”科技攻關(guān)某課題“17-1高土石壩技術(shù)研究”專題中的關(guān)鍵攻關(guān)技術(shù)。該離心機(jī)按時一次試車成功，于1991年3月經(jīng)國家驗(yàn)收，運(yùn)行至今。

關(guān)于這臺離心機(jī)，在后面將作為設(shè)計實(shí)例將以詳盡介紹。這里只提綱挈領(lǐng)地作一簡介[28]，其方案設(shè)計圖見圖5-78和圖5-79。實(shí)際結(jié)果與此稍有不同，如轉(zhuǎn)臂的整流罩已改為前后對稱，而不是如圖所示的非對稱形。

圖5-78 BISEE 450 gt大型土工離心機(jī)及其建筑設(shè)計（正視圖）Fig. 5-78 BISEE 450 gt large geotechnical centrifuge and construction design (elevation view)

圖5-79 BISEE 450 gt大型土工離心機(jī)及其建筑設(shè)計(俯視圖)Fig. 5-79 BISEE 450 gt large geotechnical centrifuge and construction design (vertical view)

LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表5-7所示：

表5-7 BISEE LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 5 -7 BISEE LXJ-4-450 geotechnical centrifuge major technical targets

LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表5-8所示：

表5-8 BISEE LXJ-4-450土工離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 5 -8 BISEE LXJ-4-450 geotechnical centrifuge major technique parameters

LXJ-4-450土工離心機(jī)外形如圖5-80所示[29]：

圖5-80 BISEE LXJ-4-450土工離心機(jī)外形圖Fig. 5-80 BISEE LXJ-4-450 Geotechnical Centrifuge outline

該離心機(jī)是北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所設(shè)計、用戶組織研制的一臺設(shè)備，由第一重型機(jī)器廠承制。

筆者負(fù)責(zé)總體設(shè)計和全機(jī)研制技術(shù)工作，由于其技術(shù)指標(biāo)的重大跨越，又不得不從學(xué)校重新組織一批畢業(yè)生進(jìn)行設(shè)計，其所費(fèi)之心力和所得到的提高也是無與倫比的，也可以說正是經(jīng)這臺離心機(jī)工作和充實(shí)之后，才奠定了本文的寫作意圖與基礎(chǔ)。

LXJ-4-450土工離心機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

·對稱轉(zhuǎn)臂；

·不對稱雙擺動吊籃；

·鍛造空心圓柱形鋼承力臂桿；

·試件長度方向與主軸平行的配置方式；

·全整流轉(zhuǎn)子；

·下支撐；

·下傳動。

縱觀中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所離心機(jī)，除載人離心機(jī)和第一臺中型離心機(jī)外，具有如下共同特點(diǎn)：

·對稱轉(zhuǎn)臂；

·不對稱吊籃；

·全整流轉(zhuǎn)子。

中型離心機(jī)絕大多數(shù)具有：

·天平式轉(zhuǎn)臂。

所有離心機(jī)都是：

·下支撐；

·下傳動；

·稀油潤滑。

離心機(jī)盡量做到：

·傳動與主軸支撐合一；

·匯電環(huán)引線從下部傳出；

·減少實(shí)驗(yàn)室層次。

（未完待續(xù)）

（

）

[23] 賈普照. 離心機(jī)研制技術(shù)志[R]

[24] 賈普照. 其他有關(guān)的未發(fā)表資料[Z]

[25] 潘厚任, 吳志誠, 何正華, 等. 趙九章先生與我國衛(wèi)星事業(yè)[C]//趙九章紀(jì)念文集, 1997

[26] 曹宏年, 續(xù)玉麟, 楊萬春, 等. 68型人用離心機(jī)液壓系統(tǒng)分析及改造效果[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 1997, 10 (2)

[27] 曹宏年, 楊萬春, 續(xù)玉麟, 等. 68型載人離心機(jī)轉(zhuǎn)臺靜壓支承油膜振蕩現(xiàn)象分析和改進(jìn)[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 1998, 11 (2)

[28] 賈普照. LXJ-4-4 5 0土工離心機(jī)設(shè)計報告[R].“七五”國家科技攻關(guān)技術(shù)報告. 1990-12

[29] 候瑜京. 大型土工離心機(jī)試驗(yàn)設(shè)備簡介[Z]. 2009