TK-C500土工離心機(jī)計(jì)量特性及通用技術(shù)要求評(píng)價(jià)

高 輝，李建東

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 國(guó)家水運(yùn)監(jiān)測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心，天津 300456)

TK-C500土工離心機(jī)是港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心核心設(shè)施之一，針對(duì)港口水工建筑技術(shù)中存在的與巖土相關(guān)的技術(shù)難題，采用離心模擬試驗(yàn)的手段開(kāi)展研究，是可再現(xiàn)原型特性試驗(yàn)研究的行業(yè)重器。土工離心機(jī)按一定比尺建立物理模型，通過(guò)施加離心加速度增加土體重度，使得模型與原型達(dá)到應(yīng)力應(yīng)變相等、變形相似從而模擬土工結(jié)構(gòu)的受力、變形和破壞等現(xiàn)象。土工離心模擬試驗(yàn)技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證、材料參數(shù)研究、數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證、新巖土工程物理現(xiàn)象探索等方面有較大的應(yīng)用前景。

TK-C500大型土工離心機(jī)有效容量達(dá)到500 g·t(g·t代表離心機(jī)的容量，g代表加速度，t代表質(zhì)量)，500 g·t土工離心機(jī)最大加速度為250 g，最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑5 m，100 g下最大有效荷重5 t，250 g下最大有效荷重2 t[1]。離心機(jī)加速度范圍值為10～250 g，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度0.5%/F·S12 h；滿(mǎn)足一般大型水工建筑物模型試驗(yàn)的要求，模型比尺大，試驗(yàn)精度高。

計(jì)量是實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、保障量值準(zhǔn)確可靠的活動(dòng)，同時(shí)也是科學(xué)技術(shù)研究重要的組成部分。TK-C500土工離心機(jī)是土力學(xué)研究中的重要設(shè)備，其試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性是數(shù)值分析驗(yàn)證的依據(jù)，TK-C500的超大容量及科研設(shè)施設(shè)備在國(guó)內(nèi)處于前沿水平，面對(duì)如此先進(jìn)的科研設(shè)施，開(kāi)展基礎(chǔ)性計(jì)量測(cè)試研究是十分必要的。

1 計(jì)量特性

計(jì)量技術(shù)規(guī)范是通用計(jì)量活動(dòng)中的重要組成部分，是計(jì)量檢定和校準(zhǔn)的重要依據(jù)。由于TK-C500土工離心機(jī)是國(guó)內(nèi)少數(shù)的研發(fā)型試驗(yàn)設(shè)備，并不完全屬于工程中使用的常規(guī)計(jì)量器具，因此目前國(guó)內(nèi)所頒布的關(guān)于離心機(jī)的技術(shù)規(guī)范并不完全適用，但仍可為本次計(jì)量測(cè)試研究提供參考。

從學(xué)科發(fā)展來(lái)看，計(jì)量本是物理學(xué)的一個(gè)分支。隨著科技和社會(huì)的發(fā)展，人們通常將計(jì)量按照被測(cè)物理量分成十大專(zhuān)業(yè)計(jì)量領(lǐng)域，分別是長(zhǎng)度、熱工、力學(xué)、電磁、無(wú)線電、時(shí)間頻率、聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和電磁輻射。土工離心機(jī)的離心力本身無(wú)法直接進(jìn)行計(jì)量，可以通過(guò)拆解物理量對(duì)離心機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試。在離心機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，其關(guān)聯(lián)到的參數(shù)有很多，根據(jù)工程使用實(shí)際和通用計(jì)量技術(shù)要求，確定了安裝半徑、噪聲、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和加速度等物理量作為關(guān)鍵物理量。其中轉(zhuǎn)速和加速度計(jì)量屬于力學(xué)計(jì)量范疇，安裝半徑屬于長(zhǎng)度計(jì)量范疇，工作噪聲屬于聲學(xué)計(jì)量范疇[2]。根據(jù)研究結(jié)果，針對(duì)離心機(jī)提出以下計(jì)量特性，內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 離心機(jī)計(jì)量特性參數(shù)及通用技術(shù)要求Tab.1 Metrology index and general technical requirements for geotechnical centrifuges

2 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)

2.1 安裝半徑

離心機(jī)的半徑分為靜態(tài)半徑和動(dòng)態(tài)半徑，兩者之和稱(chēng)為離心機(jī)的工作半徑。當(dāng)離心機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于溫度、離心機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力等因素使得靜態(tài)半徑發(fā)生變化，由此區(qū)別出動(dòng)態(tài)半徑和靜態(tài)半徑。靜態(tài)半徑測(cè)量一般由反算法、標(biāo)準(zhǔn)桿拼接法等，動(dòng)態(tài)半徑測(cè)量，動(dòng)態(tài)半徑一般采用雙頻激光干涉儀搭配測(cè)微傳感器進(jìn)行檢測(cè)[3]。

本次測(cè)試參考GB/T 5170.16—2005《電子電工產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法 穩(wěn)態(tài)加速度試驗(yàn)用離心機(jī)》中的測(cè)試方法[4]，對(duì)轉(zhuǎn)臂進(jìn)行靜態(tài)半徑即安裝半徑進(jìn)行測(cè)量。采用一級(jí)鋼卷尺測(cè)量離心模型試驗(yàn)中取模型重心約1/3處至離心機(jī)轉(zhuǎn)軸中心的距離，測(cè)量結(jié)果從箱底沿軸線方向長(zhǎng)度為4.59 m。滿(mǎn)足出廠技術(shù)指標(biāo)要求。離心機(jī)出廠技術(shù)文件中約定有效半徑為4.5 m，離心機(jī)有效半徑越長(zhǎng)，模型加速度梯度越小，則在模擬精度一定的條件下，允許的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢栽酱?，這樣模型底部應(yīng)力大于原型底部應(yīng)力的誤差值可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2.2 輻射噪聲聲壓級(jí)

表2 離心機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果Tab.2 Noise test results of geotechnical centrifuges

土工離心機(jī)依巖土工程試驗(yàn)室大樓建設(shè)，跨試驗(yàn)室大樓三個(gè)樓層，本次測(cè)試在四個(gè)地點(diǎn)展開(kāi)，分別為總控室、上儀器艙、主機(jī)室防護(hù)門(mén)外和電機(jī)動(dòng)力室?？偪厥覂?nèi)設(shè)有PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)在不同的房間，操作人員可通過(guò)PLC控制土工離心機(jī)的運(yùn)行，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和查看視頻監(jiān)控。上儀器艙靠近風(fēng)冷裝置入口，通過(guò)軸承與離心機(jī)相連并同步轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試人員可以通過(guò)上儀器艙了解土工離心機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度，觀察其實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況。土工離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)臂和吊籃在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)速極高，土工離心機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中主機(jī)室防護(hù)門(mén)關(guān)閉，禁止人員靠近。電機(jī)動(dòng)力室位于試驗(yàn)室大樓地下1層。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定在離心機(jī)主體旁1 m處測(cè)量輻射噪聲聲壓級(jí)的數(shù)值。由于港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心建設(shè)的TK-C500土工離心機(jī)運(yùn)行功率大，設(shè)備主體跨越3層樓，因此本次測(cè)試的主要地點(diǎn)為上儀器艙和總控室，主機(jī)室門(mén)和地下動(dòng)力室作為監(jiān)測(cè)設(shè)備是否正常運(yùn)行的地點(diǎn)[5]。輻射噪聲聲壓級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

輻射噪聲隨著土工離心機(jī)的工作加速度增加而增加。總控室和上儀器艙都未超過(guò)90 dB?？偪厥覐?20 g開(kāi)始，隨加速度的增加，噪聲增加的幅度很小，最大噪聲為56 dB。各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的噪聲增加幅度和總控室的噪聲增加幅度規(guī)律相同。上儀器艙的最大噪聲為87 dB；機(jī)室門(mén)處最大噪音為98 dB，從180 g起噪聲超過(guò)90 dB；電機(jī)動(dòng)力室最大噪音為98 dB，從150 g開(kāi)始噪聲超過(guò)90 dB。輻射噪聲聲壓級(jí)主要考核總控室和上儀器倉(cāng)處，噪聲符合JJG972《離心式恒加速度試驗(yàn)機(jī)》要求，不超過(guò)90 dB[6]。

2.3 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、加速度示值誤差

轉(zhuǎn)速的計(jì)量測(cè)試通常有兩種方法[7]，一種是通過(guò)振動(dòng)測(cè)量的方法，它利用振動(dòng)傳感器測(cè)量離心機(jī)在工作時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的振動(dòng)信息，分析離心機(jī)的振動(dòng)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，該方法的測(cè)量前提是離心機(jī)在裝配完成后，由研發(fā)單位給出準(zhǔn)確離心機(jī)振動(dòng)規(guī)律與轉(zhuǎn)速之間準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系，但是在離心機(jī)內(nèi)部安裝測(cè)量傳感器并不方便，測(cè)量過(guò)程中有抗干擾性差、隨機(jī)誤差大等缺點(diǎn)，因此振動(dòng)測(cè)量方法的通用性不強(qiáng)。另一種方法是利用轉(zhuǎn)速頻率儀等高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)備對(duì)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行直接測(cè)量，這種光電測(cè)量方法是本次測(cè)試所采用的方法，也是目前最行之有效且適用范圍最廣的直接計(jì)量方式。通過(guò)在離心機(jī)的主軸或與主軸剛性連接的零部件上貼上反光標(biāo)簽，離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，光電轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)備打出的光源經(jīng)過(guò)反光標(biāo)簽的反射，會(huì)被光電傳感器內(nèi)部的光敏電阻等元件獲取并轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通過(guò)電子計(jì)數(shù)器并顯示相應(yīng)的離心機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法具有方便可靠、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

表3 離心機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及加速度示值誤差平均測(cè)試結(jié)果Tab.3 Average test result of indication error of rotating speed and acceleration of centrifuge

回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速示值誤差的測(cè)試地點(diǎn)選在總控室和上儀器艙，整個(gè)測(cè)試過(guò)程，全部在正常室溫的條件下開(kāi)展，室內(nèi)晝夜最大溫差為5℃，不對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制。在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況更改冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以保證土工離心機(jī)的正常運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)是否工作對(duì)室溫的影響較小，不影響測(cè)試的環(huán)境溫度。測(cè)試設(shè)備選取EMT260C型號(hào)的轉(zhuǎn)速表，設(shè)備經(jīng)過(guò)中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院校準(zhǔn)并處于有限溯源期內(nèi)。離心機(jī)開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)預(yù)熱15 min，在10～250 g加速度范圍內(nèi)選取10 g、50 g、80 g、100 g、120 g、150 g、180 g、200 g、230 g、250 g加速度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每點(diǎn)均勻記錄10個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔為2 min，使用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)。記錄離心機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速示值和光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)速示值，加速度采用間接測(cè)試法，根據(jù)式(1)計(jì)算加速度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)

式中：a0為離心機(jī)加速度，g；π為圓周率；n0為離心機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；R0為離心機(jī)有效半徑，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

土工離心機(jī)的離心加速度可從10 g加速至250 g，加速性能滿(mǎn)足TK-C500土工離心機(jī)技術(shù)要求。在全量程范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速示值相對(duì)誤差不大于±0.02%，滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)速度示值誤差不超過(guò)±2.5%的要求,加速度示值相對(duì)誤差不大于±0.29%，滿(mǎn)足加速度示值誤差不超過(guò)±10%的要求。

2.4 72 h連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性

按照常用加速度點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、不常用加速度點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間短的原則設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。對(duì)于常用的50 g、80 g、100 g和120 g內(nèi)采用加密測(cè)量，在正常的時(shí)間間隔內(nèi)，多增加若干點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，增加點(diǎn)的個(gè)數(shù)并不干擾原有的測(cè)量間隔，以驗(yàn)證短時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速和加速度穩(wěn)定性。72 h連續(xù)運(yùn)行考核是土工離心機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能力的重要指標(biāo)之一，也是水運(yùn)工程巖土模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)保障。72 h連續(xù)測(cè)量是采用不同g值不同運(yùn)行時(shí)間連續(xù)累計(jì)的方法進(jìn)行考核，具體運(yùn)行時(shí)間段分配如下：10 g運(yùn)行2 h；50 g運(yùn)行16 h；80 g運(yùn)行16 h；100 g運(yùn)行16 h；120 g運(yùn)行8 h；150 g運(yùn)行8 h；180 g運(yùn)行2 h；200 g運(yùn)行2 h；230 g運(yùn)行1 h；250 g運(yùn)行1 h。

表4 72 h連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性Tab.4 72-hour continuous operating stability

在測(cè)試過(guò)程中還需對(duì)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行溫度測(cè)量和電學(xué)指標(biāo)測(cè)量，保障離心機(jī)72 h全方位無(wú)警報(bào)運(yùn)行[9]。通過(guò)上位軟件采集已安裝在離心機(jī)的若干傳感器所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，選取上軸承溫度、中軸承溫度、供油溫度、機(jī)室溫度四個(gè)重要的位置進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，選取電樞電壓、電樞電流和不平衡配重等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，不平衡配重是離心機(jī)轉(zhuǎn)臂不平衡監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)過(guò)程中不平衡力調(diào)節(jié)與保護(hù)的重要指標(biāo)，當(dāng)不平衡配重超過(guò)了限值，離心機(jī)就處于危險(xiǎn)狀態(tài)，需要停機(jī)進(jìn)行配重調(diào)整，過(guò)程性能測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。同時(shí)根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，離心機(jī)可以在72 h內(nèi)連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行，加速度從10 g加速至250 g，在全量程范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性(標(biāo)準(zhǔn)差)不大于0.016 r/min。

表5 離心機(jī)通用技術(shù)要求測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test result of general technical requirements for centrifuges

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心TK-C500土工離心機(jī)驗(yàn)收工作，開(kāi)展土工離心機(jī)計(jì)量特性與計(jì)量測(cè)試方法的研究工作，對(duì)安裝半徑、輻射噪聲聲壓級(jí)、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和加速度示值誤差和72 h連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性等項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果基本滿(mǎn)足大型土工離心機(jī)的計(jì)量要求，測(cè)試過(guò)程也為大型土工離心機(jī)的驗(yàn)收及后續(xù)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支撐。土工離心機(jī)是離心模擬試驗(yàn)的重要設(shè)備，將在我國(guó)水運(yùn)工程建設(shè)中起到越來(lái)越重要的作用，近年來(lái)，針對(duì)離心模擬試驗(yàn)的需求，離心機(jī)輔助系統(tǒng)的多樣化研究工作也陸續(xù)開(kāi)展起來(lái)，其中包括離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)機(jī)械手、離心機(jī)降雨模擬裝置、潮汐發(fā)生裝置和造波裝置等專(zhuān)用設(shè)備的研究進(jìn)程也不斷的發(fā)展，技術(shù)也不斷的突破[10]。但是目前離心機(jī)的計(jì)量測(cè)試技術(shù)更多的以醫(yī)用離心機(jī)等室內(nèi)小型離心機(jī)為主，土工離心機(jī)的工程計(jì)量方法和技術(shù)的研究更應(yīng)滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)高g值和大容量的發(fā)展趨勢(shì)，因此，多功能離心機(jī)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)量測(cè)試在未來(lái)的科研工作中亟待開(kāi)展。