一种新型平衡自调节系统在土工离心机上的应用

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(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621900)

1 研究背景

土工离心机是土力学研究和岩土离心模型试验的重要设备，平衡调整系统作为离心机的重要组成部分，将直接影响离心机运转的稳定性、安全性和使用寿命[1-4]。

土工离心机自身有一定的不平衡力承受范围，早期的离心机没有设计平衡调节机构。实验者在离心机运转前，根据力矩平衡关系，采用配重块将离心机两端大约配平，然后开展试验。这种方法不仅要求人工计算很准确，还要求配重块规格齐全，给试验带来诸多不便[5-7]。

目前，大部分土工离心机上都已经配备平衡调整系统，大多在转臂上设计可移动的机构，例如利用液压缸或电机驱动一个配重块来回移动，来调节离心机的平衡。这种机构安装在离心机转臂上，不仅增加了结构的复杂性，而且配重块的质量和移动距离有限，不平衡调节范围也不大[3,8-10]。

文中设计了一套平衡自调节系统。该系统构建了一套由电磁阀、传感器、PLC控制器组成的反馈控制系统，通过它向安装在配重端的水箱中受控注水，来实时调节工作端载荷变化引起的不平衡。当工作端负载增加以后，传感器测出不平衡力，注水阀打开，水箱中开始注水，直到不平衡力接近零，注水阀关闭，停止注水。将该系统应用到某土工离心机上，试验结果表明，在离心场和负载任意增大时(只要不超出离心机的承载范围)，该系统均能实现离心机的平衡自调节。相对传统的液压缸或电机驱动配重块的平衡调节机构，该系统结构更简单、不平衡调节范围更宽。

2 系统研制

2.1 离心机平衡原理

以不等长臂土工离心机为例，如图1所示，m1为试验模型的质量；r1为试验模型质心至旋转中心的距离；m2为配重体的质量；r2为配重体质心至旋转中心的距离；ω为离心机运转的角速度，则离心机运转以后的不平衡力为

F=(m1r1-m2r2)ω2。

(1)

图1 离心机平衡原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle of centrifuge balance

由式(1)可知，在离心机运转前通过配平(即调整m2的值)，基本可以保证F值很小。但由于试验模型的质心很难找准，而且离心试验时可能出现模型垮塌、质心移动等情况，导致工作端载荷增大，从而产生未知不平衡力。这种不平衡力在离心机转速ω越高时越明显，因此，在离心机上增加实时的自平衡调节系统十分必要。

2.2 系统结构组成

目前土工离心机上配备的平衡调整机构大多安装在转臂上，例如利用液压缸或电机驱动一个配重块来回移动，来调节离心机的平衡。这种调节机构增加了离心机结构的复杂性，而且配重块有限的质量和移动距离也限制了平衡调节范围。

本文设计了一套由水箱、阀模块、测力传感器、控制器组成的平衡自调节系统，如图2所示。该系统在配重端放置了一水箱，可往箱中注水；在转臂支承处安装了4个测力传感器，可测量离心机运转后的不平衡力；在离心场很小的仪器舱内安装了阀模块和控制器，与传感器一起组成了反馈控制系统。当工作端负载增加时，通过反馈控制系统往水箱中受控注水，来实时调节载荷变化引起的不平衡。

图2 系统结构组成示意图Fig.2 Schematic diagram of the system composition

设水箱容量为m2，距旋转中心的距离r2，则该系统不平衡力调节范围为

F2=m2r2ω2。

(2)

由于m2可以任意设计(只要不超过离心机承载范围)，且r2为转臂的整个工作半径，因此相对传统的液压缸或电机驱动配重块的调节结构，本系统的不平衡力调节范围更大。另外，系统结构简单，不在离心机转臂上加装任何设备，试验后拆卸也十分方便，不影响离心机的正常运转。

但是该系统是注水配重，仅适用于平衡预调节时配重端偏重的情况，因此在离心机运转前需要将配重端调重。

2.3 系统控制原理

系统控制原理如图3所示：阀模块由电磁开关阀和流量计组成，一端与水箱相连，另一端与离心机供水接头相连；控制器采用PLC，阀、传感器的信号直接进入相应模块，组成反馈控制系统。

图3 系统控制原理图Fig.3 Elementary diagram of control system

系统工作流程(如图4所示)：

(1) 工作端负载增加后，传感器测出不平衡力；

(2) 注水阀打开，水箱中开始注水；

(3) 不平衡力信号开始变化，若不接近0，注水阀一直打开，水箱中继续注水，若接近0，注水阀关闭，水箱中停止注水；

(4) 流量计记录本次注水量，完成一次自平衡调节。

图4 系统工作流程示意图Fig.4 Work flow of the system

3 试验验证

将本平衡自调节系统安装在长江科学院CKY-200土工离心机上，如图5所示，水箱容量200 kg，质心距旋转中心约3.5 m，系统最大不平衡力调节值约为700ω2；本离心机转臂上所装的电机驱动配重块质量约200 kg，移动距离小于0.5 m，最大不平衡力调节值约为100ω2；可见，注水配平系统平衡调节范围更宽。

图5 应用于某土工离心机上的平衡自调节系统Fig.5 Photo of the self-adjusting balance system applied in a geotechnical centrifuge

采用该设备开展了相关的平衡自调节试验。

(1) 离心机运行前的平衡预调节。因为基于注水原理的配重端只能增加配重，所以预配重时必须使工作端稍重一点。根据离心机平衡原理，利用配重块进行平衡预调整：模型箱及箱内土料总重约550 kg，质心距离旋转中心约3.7 m；水箱重约120 kg，质心距离旋转中心约3.3 m，预先加配重块400 kg，质心距离旋转中心约3.8 m；计算得到不平衡质量约为Δm=(m1r1-m2r2-m3r3)/r=32 kg。

(2) 离心机升速过程的平衡自调节。预平衡调节完成后，离心机开始运转，共经历4个阶段，运转至100g，平衡调节系统共实现3次平衡自调节，水箱注水3次，如表1所示。可以看出：由于预平衡调节不可能使两边完全平衡，存在的不平衡量(Δm)在离心机低速运转时不明显，但在离心机运转至高速时会放大。若没有自平衡调节系统，较大的不平衡力将给离心机带来严重的后果，必须停机进行再次预平衡调节，给试验带来诸多不便。

表1 离心机升速过程的平衡自调节结果Table 1 Results of self-adjusting balance in the presence of centrifuge speed acceleration

注：①不平衡力值为工作端力传感器值减去配重端力传感器值；②不平衡力值零检测的阈值设定为50 kg。

(3) 离心机负载增大过程的平衡自调节。离心机稳定在100g时，开展了模拟降雨试验。共往模型箱中降雨10次，单次降雨10 kg；平衡调节系统也相应往水箱中注水10次，完成10次平衡自调节，如表2所示。可以看出水箱注水量慢慢增加，这是由于注水越多、水位变高，导致质心距离旋转中心的距离减小的缘故。图6为试验完成后模型箱和水箱的情况。

表2 离心机负载增大过程的平衡自调节结果Table 2 Results of self-adjusting balance in the presence of centrifuge load increase

图6 平衡调节系统试验结果Fig.6 Test result of self-adjusting balance system

4 结 语

研制了一套平衡自调节系统，并应用于土工离心机上，开展了离心机升速过程和负载增大过程的自平衡调节试验，实现了离心机的实时配平。相对传统的液压缸或电机驱动配重块的平衡调节机构，该注水配平系统不在离心机转臂上安装任何机构，因此结构更简单；水流位移为转臂的整个工作半径，因此平衡调节范围更宽。

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