大容量振动离心机系统中离心机的设计和制造难度远远高于同离心机容量的常规土工离心机,离心机要求结构具有良好的抗振减振性能, 监控系统具有快速精确的响应特性。离心机的基本组成一般分为转动系统、传动系统、监控系统、驱动系统和辅助系统, 其中转动系统包含吊篮和转臂两主要部分 。

1　吊篮

大型振动离心机吊篮主要用于承担模型及模型箱、振动台或配重等离心静力荷载, 并能够承受和传递由模型破环、振动台一维或多维激振引起的各种动荷载, 它是离心机的重要组成部分, 是连接转臂和振动台、模型及模型箱的纽带。当离心机工作时, 它位于最大离心力场处, 所产生的巨大离心力是离心机运行时需要承担的主要荷载之一。其基本设计要求:有效净空大、强度和刚度高、外形流线好、安全可靠、变形小、不漏水、易于摄影摄像、方便振动台及模型箱或配重安装等。大型振动离心机吊篮设计的关键技术和难点主要有以下几个方面:

(1)合理选择吊篮和转臂的连接形式, 现有大型振动离心机吊篮与转臂连接形式主要有两种:自由悬挂-摆动式和半自由悬挂-摆动式, 分别见图1中UCDavis和图3中PWRI大型振动离心机。后者突出优点是不存在由自然重力和机械摩擦力引起的吊篮摆动遗留角, 转臂的动不平衡问题得到简化, 吊篮设计难度降低;缺点是需要专门的装置固定吊篮, 结构复杂, 造价高。现有大中型振动离心机多采用前者, 吊篮之内及自身的全部荷载由铰轴承担并传递, 因此铰轴是保证吊篮和转臂之间连接可靠性的关键部件。

(2)合理设计吊篮的结构型式, 吊篮的结构型式主要有框架结构和侧、底板组装结构, 前者结构简单, 承载能力有限, 多用于中小型振动离心机;而后者较适用于大型振动离心机。吊篮的结构应按照振动台的功能设计, 在振动台工作频宽内应无共振点, 具有一定的抗振能力和减振作用, 具有足够的刚度和强度;另外, 其设计还需考虑试验操作的简易性、数据采集系统的连接、摄影摄像观测系统的安装、传感器支架和附属设备的固定。

(3)合理确定吊篮和振动台动荷载之间的质量比, 对自由悬挂-摆动式吊篮而言, 振动台运动时移动部分与吊篮及振动台固定部分之间在位移、速度上存在耦合, 耦合大小与吊篮及振动台固定部分和移动部分的质量比成反比。振动负载质量设计参数已给定的条件下, 在离心机容量允许范围内, 应尽可能提高吊篮及振动台固定部分的总质量, 以增大吊篮及振动台固定部分与振动台动荷载之间的质量比, 减小耦合, 保证振动台的运动精度。

(4)合理设计吊篮整流罩型式, 离心机运行总功率由气阻功率、惯性功率和摩擦功率3部分组成, 其中离心机运行稳定后气阻功率占总功率的70%以上, 气阻功率的大小与吊篮、转臂的外形密切相关, 与风阻系数、迎风面积和旋转半径的3次方成正比。吊篮整流罩应选择合适的材料、设计良好的流线型外形, 以减小空气阻力, 降低气阻功率和离心机总驱动功率。据南京水利科学研究院实测经验表明, 对于离心加速度100g以上的离心机, 同样的电机电流, 吊篮整流罩添加前后离心加速度能够提高20g以上。