一種新型平衡自調(diào)節(jié)系統(tǒng)在土工離心機(jī)上的應(yīng)用

， ，，，

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

1 研究背景

土工離心機(jī)是土力學(xué)研究和巖土離心模型試驗(yàn)的重要設(shè)備，平衡調(diào)整系統(tǒng)作為離心機(jī)的重要組成部分，將直接影響離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、安全性和使用壽命[1-4]。

土工離心機(jī)自身有一定的不平衡力承受范圍，早期的離心機(jī)沒(méi)有設(shè)計(jì)平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)者在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前，根據(jù)力矩平衡關(guān)系，采用配重塊將離心機(jī)兩端大約配平，然后開(kāi)展試驗(yàn)。這種方法不僅要求人工計(jì)算很準(zhǔn)確，還要求配重塊規(guī)格齊全，給試驗(yàn)帶來(lái)諸多不便[5-7]。

目前，大部分土工離心機(jī)上都已經(jīng)配備平衡調(diào)整系統(tǒng)，大多在轉(zhuǎn)臂上設(shè)計(jì)可移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，例如利用液壓缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)配重塊來(lái)回移動(dòng)，來(lái)調(diào)節(jié)離心機(jī)的平衡。這種機(jī)構(gòu)安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上，不僅增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且配重塊的質(zhì)量和移動(dòng)距離有限，不平衡調(diào)節(jié)范圍也不大[3,8-10]。

文中設(shè)計(jì)了一套平衡自調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)建了一套由電磁閥、傳感器、PLC控制器組成的反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)它向安裝在配重端的水箱中受控注水，來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工作端載荷變化引起的不平衡。當(dāng)工作端負(fù)載增加以后，傳感器測(cè)出不平衡力，注水閥打開(kāi)，水箱中開(kāi)始注水，直到不平衡力接近零，注水閥關(guān)閉，停止注水。將該系統(tǒng)應(yīng)用到某土工離心機(jī)上，試驗(yàn)結(jié)果表明，在離心場(chǎng)和負(fù)載任意增大時(shí)(只要不超出離心機(jī)的承載范圍)，該系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)離心機(jī)的平衡自調(diào)節(jié)。相對(duì)傳統(tǒng)的液壓缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)配重塊的平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、不平衡調(diào)節(jié)范圍更寬。

2 系統(tǒng)研制

2.1 離心機(jī)平衡原理

以不等長(zhǎng)臂土工離心機(jī)為例，如圖1所示，m1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量；r1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ唾|(zhì)心至旋轉(zhuǎn)中心的距離；m2為配重體的質(zhì)量；r2為配重體質(zhì)心至旋轉(zhuǎn)中心的距離；ω為離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角速度，則離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以后的不平衡力為

F=(m1r1-m2r2)ω2。

(1)

圖1 離心機(jī)平衡原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of centrifuge balance

由式(1)可知，在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前通過(guò)配平(即調(diào)整m2的值)，基本可以保證F值很小。但由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)心很難找準(zhǔn)，而且離心試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)模型垮塌、質(zhì)心移動(dòng)等情況，導(dǎo)致工作端載荷增大，從而產(chǎn)生未知不平衡力。這種不平衡力在離心機(jī)轉(zhuǎn)速ω越高時(shí)越明顯，因此，在離心機(jī)上增加實(shí)時(shí)的自平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)十分必要。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

目前土工離心機(jī)上配備的平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)大多安裝在轉(zhuǎn)臂上，例如利用液壓缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)配重塊來(lái)回移動(dòng)，來(lái)調(diào)節(jié)離心機(jī)的平衡。這種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加了離心機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且配重塊有限的質(zhì)量和移動(dòng)距離也限制了平衡調(diào)節(jié)范圍。

本文設(shè)計(jì)了一套由水箱、閥模塊、測(cè)力傳感器、控制器組成的平衡自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)在配重端放置了一水箱，可往箱中注水；在轉(zhuǎn)臂支承處安裝了4個(gè)測(cè)力傳感器，可測(cè)量離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后的不平衡力；在離心場(chǎng)很小的儀器艙內(nèi)安裝了閥模塊和控制器，與傳感器一起組成了反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)工作端負(fù)載增加時(shí)，通過(guò)反饋控制系統(tǒng)往水箱中受控注水，來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)載荷變化引起的不平衡。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the system composition

設(shè)水箱容量為m2，距旋轉(zhuǎn)中心的距離r2，則該系統(tǒng)不平衡力調(diào)節(jié)范圍為

F2=m2r2ω2。

(2)

由于m2可以任意設(shè)計(jì)(只要不超過(guò)離心機(jī)承載范圍)，且r2為轉(zhuǎn)臂的整個(gè)工作半徑，因此相對(duì)傳統(tǒng)的液壓缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)配重塊的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)的不平衡力調(diào)節(jié)范圍更大。另外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上加裝任何設(shè)備，試驗(yàn)后拆卸也十分方便，不影響離心機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

但是該系統(tǒng)是注水配重，僅適用于平衡預(yù)調(diào)節(jié)時(shí)配重端偏重的情況，因此在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前需要將配重端調(diào)重。

2.3 系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)控制原理如圖3所示：閥模塊由電磁開(kāi)關(guān)閥和流量計(jì)組成，一端與水箱相連，另一端與離心機(jī)供水接頭相連；控制器采用PLC，閥、傳感器的信號(hào)直接進(jìn)入相應(yīng)模塊，組成反饋控制系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Elementary diagram of control system

系統(tǒng)工作流程(如圖4所示)：

(1) 工作端負(fù)載增加后，傳感器測(cè)出不平衡力；

(2) 注水閥打開(kāi)，水箱中開(kāi)始注水；

(3) 不平衡力信號(hào)開(kāi)始變化，若不接近0，注水閥一直打開(kāi)，水箱中繼續(xù)注水，若接近0，注水閥關(guān)閉，水箱中停止注水；

(4) 流量計(jì)記錄本次注水量，完成一次自平衡調(diào)節(jié)。

圖4 系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.4 Work flow of the system

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將本平衡自調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝在長(zhǎng)江科學(xué)院CKY-200土工離心機(jī)上，如圖5所示，水箱容量200 kg，質(zhì)心距旋轉(zhuǎn)中心約3.5 m，系統(tǒng)最大不平衡力調(diào)節(jié)值約為700ω2；本離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上所裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)配重塊質(zhì)量約200 kg，移動(dòng)距離小于0.5 m，最大不平衡力調(diào)節(jié)值約為100ω2；可見(jiàn)，注水配平系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)范圍更寬。

圖5 應(yīng)用于某土工離心機(jī)上的平衡自調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.5 Photo of the self-adjusting balance system applied in a geotechnical centrifuge

采用該設(shè)備開(kāi)展了相關(guān)的平衡自調(diào)節(jié)試驗(yàn)。

(1) 離心機(jī)運(yùn)行前的平衡預(yù)調(diào)節(jié)。因?yàn)榛谧⑺淼呐渲囟酥荒茉黾优渲兀灶A(yù)配重時(shí)必須使工作端稍重一點(diǎn)。根據(jù)離心機(jī)平衡原理，利用配重塊進(jìn)行平衡預(yù)調(diào)整：模型箱及箱內(nèi)土料總重約550 kg，質(zhì)心距離旋轉(zhuǎn)中心約3.7 m；水箱重約120 kg，質(zhì)心距離旋轉(zhuǎn)中心約3.3 m，預(yù)先加配重塊400 kg，質(zhì)心距離旋轉(zhuǎn)中心約3.8 m；計(jì)算得到不平衡質(zhì)量約為Δm=(m1r1-m2r2-m3r3)/r=32 kg。

(2) 離心機(jī)升速過(guò)程的平衡自調(diào)節(jié)。預(yù)平衡調(diào)節(jié)完成后，離心機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，共經(jīng)歷4個(gè)階段，運(yùn)轉(zhuǎn)至100g，平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)共實(shí)現(xiàn)3次平衡自調(diào)節(jié)，水箱注水3次，如表1所示。可以看出：由于預(yù)平衡調(diào)節(jié)不可能使兩邊完全平衡，存在的不平衡量(Δm)在離心機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不明顯，但在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至高速時(shí)會(huì)放大。若沒(méi)有自平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，較大的不平衡力將給離心機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，必須停機(jī)進(jìn)行再次預(yù)平衡調(diào)節(jié)，給試驗(yàn)帶來(lái)諸多不便。

表1 離心機(jī)升速過(guò)程的平衡自調(diào)節(jié)結(jié)果Table 1 Results of self-adjusting balance in the presence of centrifuge speed acceleration

注：①不平衡力值為工作端力傳感器值減去配重端力傳感器值；②不平衡力值零檢測(cè)的閾值設(shè)定為50 kg。

(3) 離心機(jī)負(fù)載增大過(guò)程的平衡自調(diào)節(jié)。離心機(jī)穩(wěn)定在100g時(shí)，開(kāi)展了模擬降雨試驗(yàn)。共往模型箱中降雨10次，單次降雨10 kg；平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)也相應(yīng)往水箱中注水10次，完成10次平衡自調(diào)節(jié)，如表2所示?？梢钥闯鏊渥⑺柯黾?，這是由于注水越多、水位變高，導(dǎo)致質(zhì)心距離旋轉(zhuǎn)中心的距離減小的緣故。圖6為試驗(yàn)完成后模型箱和水箱的情況。

表2 離心機(jī)負(fù)載增大過(guò)程的平衡自調(diào)節(jié)結(jié)果Table 2 Results of self-adjusting balance in the presence of centrifuge load increase

圖6 平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test result of self-adjusting balance system

4 結(jié) 語(yǔ)

研制了一套平衡自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并應(yīng)用于土工離心機(jī)上，開(kāi)展了離心機(jī)升速過(guò)程和負(fù)載增大過(guò)程的自平衡調(diào)節(jié)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)的實(shí)時(shí)配平。相對(duì)傳統(tǒng)的液壓缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)配重塊的平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該注水配平系統(tǒng)不在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上安裝任何機(jī)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單；水流位移為轉(zhuǎn)臂的整個(gè)工作半徑，因此平衡調(diào)節(jié)范圍更寬。

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