穩(wěn)態(tài)加速度模擬試驗設備：離心機設計（17）

賈普照

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029）

引言

當我們布局離心機總體方案的時候，勢必要兼顧到各主要部件與其他分系統(tǒng)方案，即總體設計與部件方案設計基本是同時并舉，不會截然分開的。因為有時不排除部件方案反過來影響到總體設計，因此，總體設計與部件方案設計始終是相輔相成關系。當總體方案及部件方案既定之后，部件及分系統(tǒng)的設計細節(jié)也將提上日程。

離心機部件設計所研究的對象雖歸屬于各部件或分系統(tǒng)，但也有著宏觀與微觀之分。比如部件結構構型及分系統(tǒng)方案就可劃為宏觀方面——它與總體設計的關系比較密切，依然是我們的研究重點；與前者相比，各部件和分系統(tǒng)個性與細節(jié)問題就屬微觀范疇了。

在研究離心機各部件及分系統(tǒng)設計時，我們依然以歷史或現(xiàn)實所呈現(xiàn)的各種具體方案或構造為主，不會涉及一般的專業(yè)技術或分析計算。因為前者正是人們靈活應用各種技術手段，沉積于離心機領域的經驗與積累，具有其獨特性并秉持成功應用（或失?。┑膶傩?，它們正是相應專著所應研究的主要內容。如此，結構圖或原理圖自然就成為最形象的范例了。為集中系統(tǒng)地分析比較它們，勢必需要歸納羅列具有代表性的一些資料，包括散見于各章各節(jié)內的有關部分，并分門別類地從另外的角

8.1.1.1 桁架結構

8.1.1.2 框架結構度去介紹或評價它們。

8.1 離心機轉臂

轉臂是離心機轉子的基本構件，是吊籃安裝的根基，它與試件吊籃或配重部分共同組成轉子的平衡體系；轉臂也是構成離心機主要幾何參數(shù)——設計半徑的重要構件；它與主軸系統(tǒng)聯(lián)合在一起成為離心機最主要的承力部件。以上這幾個功能與要求決定了轉臂的結構必然兼具細長而強固的雙重特點。

離心機轉臂在靜止狀態(tài)下是以彎矩為主要荷載的懸臂梁，轉臂根部危險截面上部為拉應力區(qū)，下部為壓應力區(qū)；運轉起來后離心力轉變成主要載荷，轉臂受力狀態(tài)由梁轉變?yōu)槔瓧U。對于不同離心機，由于端部質量與加速度的不同，危險截面上離心拉應力與彎曲拉應力之比也不盡相同。對于物體離心機來說轉臂主要是承拉構件，而載人離心機轉臂大致為拉、彎相當?shù)臉嫾５还苣囊环N轉臂，其截面強度均是以拉伸與彎曲二者拉應力之和進行計算的。

離心機轉臂的整體構型根據(jù)結構高長之比可分為高轉臂型與低轉臂型兩類；根據(jù)外形相對于旋轉中心線是否對稱可分為對稱轉臂與不對稱轉臂兩類；就剛度而言又分為不等剛度、等剛度與變剛度轉臂等；絕大多數(shù)的轉臂與主軸支撐系統(tǒng)為剛性連接，但也有鉸連接的情況，分為固定式轉臂與活動轉臂。后者就垂直面而言可為擺動式（天平式）轉臂，或相對于臂中心線而言為自旋式轉臂等等。

離心機轉臂的結構構型，從集成方式看主要分為裝配式與焊接式兩類：由鍛造實桿、鋼帶等作為主承力件時，限于工藝等原因需要裝配成形；由其他軋制型鋼構成桁架、框架、箱形等結構時就可采用焊接成形。因此如果從結構、用材、工藝等不同排列組合細分下去，就愈加琳瑯滿目了。

鑒于離心機轉臂結構構型具有特殊性，而整體構型具有普適性，即幾乎每一種結構構型都有可能構建出不同的整體構型來，比如桁架式轉臂既可構建為對稱轉臂也可構建不對稱轉臂等等，筆者準備以轉臂的整體構型為主線來進行闡述。

8.1.1 高轉臂構型

高轉臂構型的特點是轉臂高于試件吊籃，至少與之相當，設計者將轉臂當作主要受力構件處理。通常桁架臂與框架臂都屬于高轉臂構型，被應用在加速度不太高的離心機上。

8.1.1.1 桁架結構

桁架結構應用于離心機轉臂的歷史源遠流長，大抵緣自其比較適合于懸臂梁的特點，而最早的采用首先見諸載人離心機。作為載人離心機，因其轉臂半徑較長，座艙尺寸和質量較大，徑向加速度數(shù)值不高，根部彎矩相對較大，受力形式更接近于梁，于是從最早的鼻祖機到最近的載人離心機都采用了桁架式轉臂。早者如本文概述部分已經介紹過的1941年出現(xiàn)的“同盟國”第一臺載人離心機，現(xiàn)示于圖8-1。

圖 8-1 同盟國第一臺載人離心機Fig.8-1 First Ally manned centrifuge

早產的這臺離心機先天不足，存在不少問題，采用不平衡不對稱桁架機構的轉臂僅此一例。

讓我們探討一下它的問題：該轉子被固定在旁置臂端的主軸支撐系統(tǒng)上，它不僅不對稱，而且還沒有明顯的配重部分，主軸呈偏載態(tài)。座艙支點也被安置在轉臂最下端，整個轉子無論繞主軸還是相對于轉臂水平中心線，上下左右都處在質量不對稱、動靜不平衡的狀態(tài)。加上細而長的主軸，盡管頂天立地扎根于天花板與地基之間，但可想象，一旦旋轉起來必然晃晃悠悠，估計轉動速度高不到哪里，尚且具有相當?shù)奈ｋU性。看起來，這臺離心機的設計者當時還未掌握到轉子設計的“三昧”，只是簡單地將各個功能件搭建起來了。

同期，美國著名的 Mayo Clinic（梅奧診所）研究抗荷服所使用的載人離心機就出色多了，如圖8-2所示[1]。與上例不同的是它采用了對稱式轉臂，座艙（籠子）也放在轉臂中心線上，轉子的平衡得以極大改善。為了增強主軸剛性，將轉子高度擴大至頂天立地的程度，主軸的橫向也伸出一大塊，為的是利用斜撐加強轉臂。在轉子底部鋪以鋼板，使轉子變成了一個旋轉大舞臺?？傊?，好是好了，然而顯得不夠輕巧。

圖 8-2 Mayo Clinic研究抗荷服使用的離心機Fig.8-2 Mayo Clinic centrifuge for study of the use of anti-G suit

以上二機說明，當時載人離心機一開始就是對稱臂與不對稱臂并蒂而現(xiàn)。但筆者估計該不對稱轉臂的出現(xiàn)偶然性較大，不一定是緣于加速度增長率的考慮，因為那時戰(zhàn)斗機機動性尚不太高，建造離心機的主要目的只是為取得穩(wěn)態(tài)加速度而已。

由于對稱轉臂的穩(wěn)定性使對稱臂載人離心機在英美流行了相當一段時間，比如圖8-3所示而第4章已介紹過的NASA 20g載人離心機也是一例。該轉臂采用角鋼焊接而成，它除維持頂天立地的高對稱式桁架臂外，其他部分也有所改進：其一是將兩端完全對稱起來，轉子平衡得以進一步改善；其二是沒有了大舞臺的樣子，顯得輕巧多了。

圖 8-3 NASA 20 g離心機Fig.8-3 NASA 20 g centrifuge

圖8-4為英國QinetiQ's公司的載人離心機[2]，基本構型同上，但轉子高度相對于屋子已有所降低，且將座艙與轉臂分開來，架在轉臂水平對稱面上，似可擺動。該機不僅處理了平衡而且注意到風阻問題，桁架臂采用了圓管焊接，座艙外形也刻意予以整流，外觀顯得漂亮了許多。

圖 8-4 英國QinetiQ's公司載人離心機Fig.8-4 British company QinetiQ's human centrifuge

桁架式轉臂除被載人離心機采用之外，少數(shù)物體離心機也曾采用過。例如圖 8-5所示的就是NASA Goddard中心現(xiàn)已停止使用的大型桁架式對稱臂物體離心機[3]，該機轉子像是板式或空心型鋼的焊接結構。轉子半徑長120 ft（36.576 m）、重50萬 pound（2.268×105kg），可使 5 000 pound（約2 268 kg）有效載荷加速到30g；具有三自由度夾具，供試件安裝或定位于不同的角度與高度用。該離心機的載荷容量雖然并不太大，但結構看起來強勁有力，敦實有余。

圖 8-5 NASA大型板條桁架式物體離心機Fig.8-5 NASA large-scale lath truss type object centrifuge

轉子平衡除采用對稱臂構型之外，還有沒有其他辦法？于1959年開始研制、1962年使用的北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所第一代中型物體離心機也采用了桁架式轉臂，而且還是不對稱的板條結構桁架式轉臂，如圖8-6所示 。

圖 8-6 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究第一代中型離心機Fig.8-6 BISEE’s first-generation medium-sized centrifuge

這是一臺不對稱臂依靠配重的方法取得轉子平衡的離心機。不對稱轉臂的采用可能是想減少一些風阻，可是相對較大的配重吊籃以及板式結構又使得風阻縮減有限。此外，采用鋁制吊籃的根據(jù)也不足，鑄鋁件還會埋下強度隱患。總之，該設計也許顯得稚嫩，說明當時對離心機整體構型及部件間關系尚缺乏深入研究。隨后的改進設計在克服某些缺陷上有所進步，但該機最大貢獻在于用事實證明了不對稱轉臂通過配重方法可以取得轉子平衡，成為質徑積平衡原理在離心機轉子上得以實現(xiàn)的實例；而曾經有所顧忌的風阻不平衡等問題并未發(fā)現(xiàn)有多大影響。

圖8-7可以作為處理不對稱轉臂另一思路的例子，那就是美國NASA Ames研究中心半徑為30 ft（9.144 m）的五自由度運動模擬器[4]，于1961年投入運轉。其構造非常有意思，雖然轉臂有一個配重端，但似乎又不足以有效平衡試驗端，于是就在試驗端附加了一個可轉動的支撐系統(tǒng)，同時利用它還增加了上下方位的運動，構成所謂五自由度離心機。其運動方式為：座艙俯仰±40°、滾轉±90°、偏航±70°，加上離心機在水平面內的曲線運動以及沿垂直方向的上下移動±1.75ft（±0.533 4 m），可以形成3個角位移加1個曲線位移及垂向直線位移所構成的復合運動。

圖 8-7 NASA Ames 中心五自由度運動模擬器Fig.8-7 NASA Ames 5-DOF motion simulator

不采用質徑積平衡法，而類似在轉子試驗端提供垂直支撐，比如采用平滑的大直徑滾道構建更大半徑離心機或用波形滾道為試驗端附加垂直振動等等的設想都曾出現(xiàn)過，但發(fā)展的結果仍然還是集中到對轉子進行平衡的思路上，并且實現(xiàn)了像前蘇聯(lián)巨型載人離心機那樣長的轉臂以及在試驗端附加了各種振動臺的離心機等等驕人結果。

對稱臂雖使轉子平衡得以改善，當發(fā)展到長轉臂大載荷高性能載人離心機的時候，就出現(xiàn)了更多的不對稱轉臂離心機，比如圖8-8[5]和圖8-9[6]等均為20世紀60年代初出現(xiàn)在美國NADC的動態(tài)飛行模擬器，它們都有不對稱的桁架式轉臂。此時觀察該不對稱轉臂的選擇，應該理解為已是基于理性分析后的主動為之：因為既然是動態(tài)飛行模擬器，對啟動過程必然有加速度增長率要求。前已述及，不對稱轉臂的慣性功率損耗是相對較小的。

圖 8-8 美國NADC動態(tài)飛行模擬器之一Fig.8-8 One of US NADC dynamic flight simulator

圖 8-9 美國NADC動態(tài)飛行模擬器之二Fig.8-9 Another of US NADC dynamic flight simulator

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所于20世紀60年代末開始研制的半徑為10 m（三軸艙）和12 m（單軸艙）特大型物體-人體兩用離心機，也是采用的不對稱桁架式轉臂。該機的兩用特征正好證明了桁架式轉臂的適應性，成為一物兩證的實例，即桁架式轉臂既可適用于載人離心機，也可適用于物體離心機，見圖8-10和圖8-11。

圖 8-10 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所12 m半徑單軸艙載人離心機Fig.8-10 BISEE single-axle cabin manned centrifuge of radius of 12 m

圖 8-11 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所10 m半徑三軸艙載人離心機Fig.8-11 BISEE three-axle cabin manned centrifuge of radius of 10 m

從圖 8-11中可以看到該不對稱轉臂的一端是固定式配重，另一端為試驗艙。不論單軸艙還是雙軸艙都是供人進行試驗的艙體，當需要對飛船例行試驗的時候，轉臂試驗端采用了4個可拆卸的雙向螺旋接頭結構，可分別與三軸艙、單軸艙或整船專用叉頭間換接。其中單軸艙叉頭為加長型，它使半徑又增長了2 m，螺旋接頭如圖8-12所示。

圖 8-12 轉臂雙向螺旋接頭Fig.8-12 Arm’s stud joints

雙向螺旋接頭的結構非常簡單，與轉臂外觀也較統(tǒng)一，適于承受很大的拉力；但螺旋間隙可能會影響到轉臂的橫向剛性。當需要提高轉臂固有頻率的時候，螺旋接頭是否會成為瓶頸，值得注意。

不對稱轉臂載人離心機比比皆是，下面又是一些不對稱桁架式轉臂載人離心機的例子：圖 8-13和圖8-14在第3章已經介紹過，是前蘇聯(lián)的TsF-7載人離心機；圖8-15為法國Latecoere公司的載人離心機。

圖 8-13 前蘇聯(lián)TsF-7離心機外觀之一Fig.8-13 One of former USSR TsF-7 centrifuge

圖 8-14 前蘇聯(lián)TsF-7離心機外觀之二Fig.8-14 Another of former USSR TsF-7 centrifuge

圖 8-15 法國Latecoere公司載人離心機Fig.8-15 French Latecoere Corporation human centrifuge

最近幾年 AMST公司研制的不對稱桁架式載人離心機如圖8-16和圖8-17所示[7]。

圖 8-16 AMST 2006年為德國研制的載人離心機之一Fig.8-16 AMST’s first human centrifuges developed for Germany in 2006

圖 8-17 AMST 2006年為德國研制的載人離心機之二Fig.8-17 AMST another human centrifuge developed for Germany in 2006

AMST公司桁架轉臂的節(jié)點非常精致，如圖8-18所示。

圖 8-18 AMST載人離心機桁架轉臂節(jié)點Fig.8-18 AMST human centrifuge girder arm node

經過半個世紀的發(fā)展，離心機已由使用者單打獨斗自行研制逐漸過渡到商品化階段，商品化不僅使產品質量得以保證，外觀也越來越漂亮了。

概括起來看，本節(jié)不僅研究了桁架式轉臂，同時也探討了對稱臂與不對稱臂的問題，總之：

· 桁架式轉臂連綿了近七十年而長盛不衰，說明它在離心機世界具有較好的適應性。

· 桁架式轉臂雖然被少數(shù)物體離心機時有采用，但大多數(shù)皆為載人離心機所青睞。

· 轉臂桁架大部分采用圓管構造。雖然板條或角鋼桁架的工藝性較好，可鉚可焊，但風阻稍大，也不如圓管美觀。

· 圓管桁架需要解決好焊接節(jié)點問題。

· 不對稱轉臂是載人離心機轉子的正確構型，從其發(fā)展進程和數(shù)量多寡上也可得以佐證。歷史上最早出現(xiàn)的不對稱轉臂或許是偶然的，但隨著加速度增長率提高就走向理性與必然，理由可見功率設計部分。

· 桁架式轉臂的優(yōu)點是構造簡單、工藝性好，風阻較小、毋需整流；不足是固有頻率較低，值得進一步與其他構型進行比較研究。

8.1.1.2 框架結構

框架式轉臂可能源于英國，從受力和設計難度上講它是最簡潔的轉子結構了，簡單到可以沒有吊斗或吊籃部分，試件直接安裝在轉臂框架的徑向橫端即可。

框架轉臂的特點是以封閉的矩形框為基本構件，模型箱或配重直接安放在框架端梁上，使框架形成為一個閉合的受力構件。如果高度不夠，沿著高度方向逐一疊加框架即可，如圖8-19和圖8-20劍橋大學 CUED實驗室 10 m土工離心機便是如此，它的最高加速度為155g。

圖8 -19 CUED 10 m土工離心機轉臂外觀Fig.8-19 CUED 10 m geotechnical centrifuge arm

該轉臂每一層框架采用4根斷面為400 mm×200 mm、長10 m的熱軋空心型鋼與端部橋式結構焊接而成，高度方向上疊加了兩層。

圖 8-20 CUED 10 m土工離心機轉子外觀Fig.8-20 CUED 10 m geotechnical centrifuge rotor

與 CUED離心機前后出現(xiàn)的曼徹斯特大學西蒙實驗室（SIMON）離心機轉臂也是框架臂，可看作是 CUED離心機的增高版，以適應更高試件的試驗需要，如圖8-21和圖8-22所示，其最高加速度為140g。

圖 8-21 SIMON離心機結構Fig.8-21 SIMON centrifuge

圖 8-22 SIMON離心機外觀Fig.8-22 SIMON centrifuge

后來因為土工模型試驗有時確實需要擺動式吊籃，劍橋大學不得不在既有框架臂基礎上著手改進?？紤]到增加擺動吊籃仍須維持原端梁受力情況，就創(chuàng)造了一個扭力棒機構來懸掛吊籃：當?shù)趸@被甩平且達到一定受力狀態(tài)時，該機構可使吊籃在徑向移動并緊靠在端梁之上，試件吊籃的全部離心力最終還是交由端梁承受，其結構見圖8-23所示。

圖 8-23 擺動平臺與扭力棒Fig.8-23 Swinging platform and torsion bars

因為后加的擺動式吊籃只需承受幾個G的重力，同時也受原有空間限制，吊籃柔弱一點并不要緊，它僅僅是扮演一個容納模型箱且使模型箱自然轉換方向的角色而已。

隨著劍橋大學在離心模擬技術方面影響力的擴散，也傳播到日本和意大利。從而不但引起框架式轉臂的推廣，同時也將原本屬于改進設計者的一記急智妙著——扭力棒式試件吊籃作為拓展新產品的高招予以推行。例如日本港灣技術研究所（PHRI）本應在重新設計離心機時理順思路，但卻全盤接受了劍橋經驗，改進的僅僅是采用了更為強勁的扭力棒機構和更為像樣的吊籃而已，結構關系、承力原理等等并沒有任何變化，該機如圖8-24和圖8-25所示，其最高加速度為100g。

圖 8-24 PHRI土工離心機轉子結構Fig.8-24 PHRI geotechnical centrifuge rotor structure

圖 8-25 PHRI土工離心機外觀Fig.8-25 PHRI geotechnical centrifuge

圖8-26是PHRI離心機的扭力棒結構，看起來它已經足夠強大了，更像是一個偏心軸結構。

圖 8-26 PHRI土工離心機扭力棒結構細節(jié)Fig.8-26 Details of PHRI geotechnical centrifuge structure of the torque bar

日本土木研究所（PWRI）土工離心機的轉臂也是框架臂，如圖8-27所示，它的有效半徑為6.6 m。如果與PHRI土工離心機有效半徑定義相同的話，指的是主軸中心線至吊籃平臺面的距離，減去模型高度的一半0.5 m，則設計半徑為6.1 m，對于模型高為1m的離心機來說應該屬于“奢華”級，可惜加速度僅達到150g。

它的吊籃強大到可以安置一個400 kN推力的振動臺，為此還為扭力棒結構增加了一套液壓固緊裝置，可以說這臺離心機已經把這種結構發(fā)展到了極致。

圖8 -27 PWRI土工離心機外觀圖Fig.8-27 PWRI geotechnical centrifuge

日本離心機的框架已經不再是一一疊加了，而是干脆構成了一個立體的空間框架。

當框架式轉臂被推廣到意大利，貝加摩（Berfamo）結構和模型實驗研究所 ISMES要用它構建 600g離心機的時候，其結果可能使得框架式轉臂走到了盡頭。因為該機從1982年開始研制，截至1998年時加速度才達到90g。關于這臺離心機的詳細分析請見第3章。

ISMES離心機的經驗值得重視。我們說：轉子受力狀態(tài)固然十分重要，殊不知對于高加速度轉子來說，更重要的卻是它的平衡問題。這也充分說明宏觀設計非常關鍵：本來是一個部件的結構設計，一旦決策欠妥，影響的不僅僅是局部，而是決定著整機的命運。

以上諸事例說明：框架臂與扭力棒擺動吊籃組合結構離心機，其最高加速度大多在150g左右。能不能說這種模式一定做不到更高的加速度？筆者的回答只能是：構建高加速度離心機時務請慎用，除非針對它的固有問題已經有了解決之道。

總之，框架式轉臂的特點是：

1）減化了吊籃的鉸聯(lián)接，增大了轉子受力的安全性；

2）結構簡單；

3）工藝性好；

4）風阻較大；

5）吊籃甩平遺留角大，增加了轉子動不平衡；

6）雖然框架轉子的高風阻可以通過增加驅動功率和實驗室減壓兩個方法予以改善，但動不平衡的解決則較為困難。因此，框架臂加扭力棒吊籃的組合轉子做得不好，的確有可能限制到離心機加速度的提升。

（未完待續(xù)）

（References）

[1]Dr.Earl Wood.A research physician’s innovations bore fruit in unexpected ways[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.tributes.com/show/Earl-Wood-85597585

[2]QinetiQ human centrifuge[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.flickr.com/photos/qinetiq/4926273438/in/photostream/

[3]Centrifuges[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.explainthatstuff.com/centrifuges.html

[4]NASA Ames Research Center.Ames 5 degrees- ofmotion simulator[EB/OL].[2011-07-22].http：//grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2000-001812.html

[5]US Navy[EB/OL].[20110722].http：//www.mjwhitederm.com/US_Navy.html

[6]Mercury astronauts at the NADC centrifuge[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.navairdevcen.org/astronauts/

[7]AMST 公司網(wǎng)站[EB/OL].[2011-07-22].http：//www.amst.co.at