精密离心机机箱设计研究

刘小刚，徐太栋，张映梅

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）

引言

惯性导航和制导技术是航空、航天与航海领域里的一项核心技术，同步通讯卫星的准确定位、人类成功登上月球、航天飞机的飞行成功、导弹的准确定位，都采用了高精度的惯性导航和制导技术。精密离心机就是用于标定惯性导航和惯性制导系统中加速度计的专用设备。

高精度惯性仪表校准检测装置是精度达10-6级的精密离心机设备，其形式如图1所示，电机通过空气轴承带动转盘在给定速度下旋转，从而使安装在转盘上的试件产生预定的加速度值；在转动的同时径向和轴向测微仪测出转台相应位置的位移数据，用于加速度值的修正。机箱作为该设备的重要组件之一，主要功能是防止环境气流、灰尘等对离心机性能产生不良影响，以及外界意外碰撞对转盘和轴承的损伤，并对电容测微仪提供稳定支承。其设计的优劣对确保系统高精度结构指标的实现具有重要意义。

1 功能特性分析

机箱主要由整流罩、活动舱门、整流罩支承架、检修门、电容测微仪支承座等组成。按照离心机指标要求和总体布局，机箱要具备以下功能特性：

1）在离心机转盘周围形成一个规则的环形空间（即整流罩），使转盘旋转时的气动影响尽可能小；

2）在试件安装平台上方开设活动舱门，便于试件的装卸；机箱下部开设数个检修门，便于对离心机下部设备的检修调试；

3）紧贴转盘外沿设置两组共八个电容测微仪的测试点，以监控离心机运转过程中转盘的动态半径、方位失准角、俯仰失准角变化情况，用于加速度值的修正。机箱应提供这八个测试点稳定可靠的支承。

2 流场分析

气流扰动是导致精密离心机加速度偏离真值的因素之一，但目前还没有精确的计算模型可供参考，气流扰动对精密离心机加速度的影响只能通过定性分析。离心机旋转时，空气流场对精密离心机的影响主要体现在以下几个方面：

1）风阻：即机械在空气中运动时受到的来自空气的阻力；

2）风阻波动：当旋转体周围钝体存在明显的漩涡脱落时，风阻波动所造成的电机转速误差将会造成加速度计所承受的加速度载荷误差。因此应尽量减小风阻波动；

3）风阻温升：精密离心机在旋转时，其带动整流罩内的空气旋转，赋予了空气气团动能。因此整流罩形状越规则、光滑，风阻带来的温升越小。

3 结构设计

图1 精密离心机

机箱采用箱体结构，要具有一定刚度，减小设备运行时箱体的振动，并且机箱内腔尺寸不得与离心机主机干涉。机箱上部对称开设活动舱门，便于试件的装卸。机箱下部开设三个检修门，便于对离心机下部设备的检修调试。机箱中部设计整流板，将基座等不规则部件与转盘隔开，以消除不规则部件对转盘旋转时的气动影响。另外，按照离心机总体设计要求，紧贴机箱对称布置两个测试架，用于安装监测转盘动态半径和方位失准角、俯仰失准角的电容测微仪。

机箱设计主要尺寸和要求：离心机转盘外径φ2200mm；试件上表面距地面高度1110mm，离心机最大高度1530mm；在转盘外沿电容测微仪布置二组共八个点；离心机最高转速300r/min。

3.1 整流罩和整流罩支承架

整流罩是离心机转盘和试件运转的空间，不仅要求内表面平整、光滑，以使离心机有良好的运行环境，而且还要保证整体的外观质量根据离心机指标要求。整流罩的内腔尺寸大于φ2300mm，这样大尺寸的壳体件，焊接变形量非常大，因此考虑用厚板焊接，焊后再加工成形的方式，保证内外面的形状、尺寸要求。整流罩支承架作为整流罩的支承件，与地基直接相连。它由钢板以及型材焊接而成，局部加筋以提高整体刚度，工艺成熟。焊后热处理控制变形，并通过加工、打磨，保证外观光洁、平整。

舱门的材料选用铝合金，质量较轻，这样开启轻便。罩体上开设四个有机玻璃观测窗口，便于试验运行过程的监测。舱门一端设置铰链，并用气弹簧支撑并限位，气弹簧打开时的情况如图2所示。气弹簧最小伸展力F：

3.2 电容测微仪支承座

按照精密离心机总体设计要求，有两组共8个电容测微仪的测试点（如图3），监测转盘动态半径和方位失准角、俯仰失准角。整个座体刚度足够，并且与整流罩隔离，尽可能减小外界振动对电容测微仪的影响，保证传感器测试的准确性。电容测微仪安装板可以上下左右移动，便于测试点位置的微调。

4 仿真计算

计算流体动力学（CFD）是指通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。通过分析比较， 仿真计算采用雷诺平均模拟方法（RANS），湍流模型选择RNG湍流模型，壁面函数选择尺度化壁面函数，离散格式选择PRESTO和具有三阶精度的QUICK格式，求解方法选择MRF和滑移网格相结合的计算方法，网格形状为六面体，同时用Hypermesh和ANSYS ICEM MESH两种分网工具进行分网。

工况按无负载和带负载二种情况，几何模型如图4所示。流体为287K时的空气。

通过充分迭代，得到离心机转盘风阻力矩、风阻力矩波动。其风阻力矩和风阻力矩波动值见表1。

图2 气弹簧工作示意图支承座

图3 电容测微仪支承座

图4 流场仿真计算的几何模型

通过表1可以看出，带负载离心机与不带负载相比，风阻力矩和风阻力矩波动幅值有较大幅度增加。这是因为负载台的迎风面增加，阻力加大，同时尾部流体脱落形成漩涡，会增加力矩波动。安装平台所在平面某一时刻速度云图如图5所示，压力分布云图如图6所示。离心机流场纵剖面的速度场云图如图7所示，流场纵剖面的压力分布云图如图8所示。

表1 精密离心机转盘风阻力矩及波动幅值

图5 安装平台所在平面某时刻速度云图

图6 安装平台所在平面某时刻压力分布云图

图7 离心机纵剖面某时刻速度场云图

图8 离心机纵剖面某时刻压力分布云图

图9 精密离心机机箱外观图

通过仿真计算发现，带负载离心机风阻力矩和力矩波动明显大于不带负载的力矩和力矩波动，也说明光滑的环形整流罩对保证离心机的运转精度有重要意义。

5 结论

功能特性分析和流场分析表明，机箱设计的优劣对确保精密离心机系统高精度结构指标的实现具有重要意义。在满足功能要求的前提下，综合考虑了经济性、维护性、人机工程、美观等因素，针对特定要求的精密离心机机箱进行了结构设计和外观设计。机箱外观如图9所示，可以看出该机箱简洁美观，无需特殊维护保养，具有较好的工艺性和经济性。

同时，在无负载情况下，使精密离心机转盘运行到转速270r/min，对有无机箱两种情况进行了对比试验，实测封闭空间（有机箱）转盘风阻力矩为58.29Nm，开放空间（无机箱）转盘风阻力矩为82.38Nm。由此可看出，所设计的机箱可有效降低精密离心机的风阻力矩，这与理论分析也是一致的。

[1]闻邦春. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社, 2010.

[2]张映梅. 精密离心机机械系统技术方案[R]. 2011YQ13004702-FAZ14-05,总体工程研究所, 2011.

[3]徐太栋等. 10-6 精密离心机流场与温度场仿真计算[R].2011YQ13004705-BGKD-02 ,电子科技大学, 2013.

[4]JB/T 10418 -2004,气弹簧设计计算[S].