TK-C500土工离心机计量特性及通用技术要求评价

高 辉，李建东

(交通运输部天津水运工程科学研究所 国家水运监测装备产业计量测试中心，天津 300456)

TK-C500土工离心机是港口水工建筑技术国家工程研究中心核心设施之一，针对港口水工建筑技术中存在的与岩土相关的技术难题，采用离心模拟试验的手段开展研究，是可再现原型特性试验研究的行业重器。土工离心机按一定比尺建立物理模型，通过施加离心加速度增加土体重度，使得模型与原型达到应力应变相等、变形相似从而模拟土工结构的受力、变形和破坏等现象。土工离心模拟试验技术在岩土工程领域设计方案验证、材料参数研究、数学模型及数值分析计算结果验证、新岩土工程物理现象探索等方面有较大的应用前景。

TK-C500大型土工离心机有效容量达到500 g·t(g·t代表离心机的容量，g代表加速度，t代表质量)，500 g·t土工离心机最大加速度为250 g，最大转动半径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]。离心机加速度范围值为10～250 g，转速稳定度0.5%/F·S12 h；满足一般大型水工建筑物模型试验的要求，模型比尺大，试验精度高。

计量是实现单位统一、保障量值准确可靠的活动，同时也是科学技术研究重要的组成部分。TK-C500土工离心机是土力学研究中的重要设备，其试验结果的准确性是数值分析验证的依据，TK-C500的超大容量及科研设施设备在国内处于前沿水平，面对如此先进的科研设施，开展基础性计量测试研究是十分必要的。

1 计量特性

计量技术规范是通用计量活动中的重要组成部分，是计量检定和校准的重要依据。由于TK-C500土工离心机是国内少数的研发型试验设备，并不完全属于工程中使用的常规计量器具，因此目前国内所颁布的关于离心机的技术规范并不完全适用，但仍可为本次计量测试研究提供参考。

从学科发展来看，计量本是物理学的一个分支。随着科技和社会的发展，人们通常将计量按照被测物理量分成十大专业计量领域，分别是长度、热工、力学、电磁、无线电、时间频率、声学、光学、化学和电磁辐射。土工离心机的离心力本身无法直接进行计量，可以通过拆解物理量对离心机的性能进行测试。在离心机的正常运转中，其关联到的参数有很多，根据工程使用实际和通用计量技术要求，确定了安装半径、噪声、回转转速和加速度等物理量作为关键物理量。其中转速和加速度计量属于力学计量范畴，安装半径属于长度计量范畴，工作噪声属于声学计量范畴[2]。根据研究结果，针对离心机提出以下计量特性，内容见表1。

表1 离心机计量特性参数及通用技术要求Tab.1 Metrology index and general technical requirements for geotechnical centrifuges

2 测试方法及数据

2.1 安装半径

离心机的半径分为静态半径和动态半径，两者之和称为离心机的工作半径。当离心机主轴旋转时，由于温度、离心机内部结构受力等因素使得静态半径发生变化，由此区别出动态半径和静态半径。静态半径测量一般由反算法、标准杆拼接法等，动态半径测量，动态半径一般采用双频激光干涉仪搭配测微传感器进行检测[3]。

本次测试参考GB/T 5170.16—2005《电子电工产品环境试验设备基本参数检定方法 稳态加速度试验用离心机》中的测试方法[4]，对转臂进行静态半径即安装半径进行测量。采用一级钢卷尺测量离心模型试验中取模型重心约1/3处至离心机转轴中心的距离，测量结果从箱底沿轴线方向长度为4.59 m。满足出厂技术指标要求。离心机出厂技术文件中约定有效半径为4.5 m，离心机有效半径越长，模型加速度梯度越小，则在模拟精度一定的条件下，允许的试验模型可以越大，这样模型底部应力大于原型底部应力的误差值可以满足试验要求。

2.2 辐射噪声声压级

表2 离心机噪声测试结果Tab.2 Noise test results of geotechnical centrifuges

土工离心机依岩土工程试验室大楼建设，跨试验室大楼三个楼层，本次测试在四个地点展开，分别为总控室、上仪器舱、主机室防护门外和电机动力室。总控室内设有PLC控制系统和上位机监控系统，两个系统在不同的房间，操作人员可通过PLC控制土工离心机的运行，通过上位机监测系统运行参数和查看视频监控。上仪器舱靠近风冷装置入口，通过轴承与离心机相连并同步转动，测试人员可以通过上仪器舱了解土工离心机的实际转动速度，观察其实际运转情况。土工离心机转动半径较大，转动臂和吊篮在转动时产生的风速极高，土工离心机在运行过程中主机室防护门关闭，禁止人员靠近。电机动力室位于试验室大楼地下1层。国家标准和计量检定规程规定在离心机主体旁1 m处测量辐射噪声声压级的数值。由于港口水工建筑技术国家工程研究中心建设的TK-C500土工离心机运行功率大，设备主体跨越3层楼，因此本次测试的主要地点为上仪器舱和总控室，主机室门和地下动力室作为监测设备是否正常运行的地点[5]。辐射噪声声压级的测试数据如表2所示。

辐射噪声随着土工离心机的工作加速度增加而增加。总控室和上仪器舱都未超过90 dB。总控室从120 g开始，随加速度的增加，噪声增加的幅度很小，最大噪声为56 dB。各个观测点的噪声增加幅度和总控室的噪声增加幅度规律相同。上仪器舱的最大噪声为87 dB；机室门处最大噪音为98 dB，从180 g起噪声超过90 dB；电机动力室最大噪音为98 dB，从150 g开始噪声超过90 dB。辐射噪声声压级主要考核总控室和上仪器仓处，噪声符合JJG972《离心式恒加速度试验机》要求，不超过90 dB[6]。

2.3 回转转速、加速度示值误差

转速的计量测试通常有两种方法[7]，一种是通过振动测量的方法，它利用振动传感器测量离心机在工作时旋转机械产生的振动信息，分析离心机的振动与转速之间的关系，该方法的测量前提是离心机在装配完成后，由研发单位给出准确离心机振动规律与转速之间准确的函数关系，但是在离心机内部安装测量传感器并不方便，测量过程中有抗干扰性差、随机误差大等缺点，因此振动测量方法的通用性不强。另一种方法是利用转速频率仪等高精度转速测量设备对离心机的转速进行直接测量，这种光电测量方法是本次测试所采用的方法，也是目前最行之有效且适用范围最广的直接计量方式。通过在离心机的主轴或与主轴刚性连接的零部件上贴上反光标签，离心机转动后，光电转速测量设备打出的光源经过反光标签的反射，会被光电传感器内部的光敏电阻等元件获取并转换为脉冲信号，通过电子计数器并显示相应的离心机转速。该方法具有方便可靠、响应速度快、灵敏度高等优点[8]。

表3 离心机回转转速及加速度示值误差平均测试结果Tab.3 Average test result of indication error of rotating speed and acceleration of centrifuge

回转转速示值误差的测试地点选在总控室和上仪器舱，整个测试过程，全部在正常室温的条件下开展，室内昼夜最大温差为5℃，不对环境温度进行控制。在测试过程中，根据设备的实际运行情况更改冷却系统的运行状态，以保证土工离心机的正常运行。冷却系统是否工作对室温的影响较小，不影响测试的环境温度。测试设备选取EMT260C型号的转速表，设备经过中国测试技术研究院校准并处于有限溯源期内。离心机开机后系统预热15 min，在10～250 g加速度范围内选取10 g、50 g、80 g、100 g、120 g、150 g、180 g、200 g、230 g、250 g加速度点进行测量，每点均匀记录10个数据，每个数据之间的时间间隔为2 min，使用秒表进行计时。记录离心机回转转速示值和光电数字转速表转速示值，加速度采用间接测试法，根据式(1)计算加速度，测试结果见表3。

(1)

式中：a0为离心机加速度，g；π为圆周率；n0为离心机转速，r/min；R0为离心机有效半径，m；g为重力加速度，9.8 m/s2。

土工离心机的离心加速度可从10 g加速至250 g，加速性能满足TK-C500土工离心机技术要求。在全量程范围内，转速示值相对误差不大于±0.02%，满足回转速度示值误差不超过±2.5%的要求,加速度示值相对误差不大于±0.29%，满足加速度示值误差不超过±10%的要求。

2.4 72 h连续运行稳定性

按照常用加速度点运行时间长、不常用加速度点运行时间短的原则设置测试点。对于常用的50 g、80 g、100 g和120 g内采用加密测量，在正常的时间间隔内，多增加若干点测量数据，增加点的个数并不干扰原有的测量间隔，以验证短时间内的转速和加速度稳定性。72 h连续运行考核是土工离心机长时间运行能力的重要指标之一，也是水运工程岩土模拟试验的基础保障。72 h连续测量是采用不同g值不同运行时间连续累计的方法进行考核，具体运行时间段分配如下：10 g运行2 h；50 g运行16 h；80 g运行16 h；100 g运行16 h；120 g运行8 h；150 g运行8 h；180 g运行2 h；200 g运行2 h；230 g运行1 h；250 g运行1 h。

表4 72 h连续运行稳定性Tab.4 72-hour continuous operating stability

在测试过程中还需对关键机械结构组件进行温度测量和电学指标测量，保障离心机72 h全方位无警报运行[9]。通过上位软件采集已安装在离心机的若干传感器所监测到的数据，选取上轴承温度、中轴承温度、供油温度、机室温度四个重要的位置进行温度监测，选取电枢电压、电枢电流和不平衡配重等关键参数进行测试，不平衡配重是离心机转臂不平衡监测和试验过程中不平衡力调节与保护的重要指标，当不平衡配重超过了限值，离心机就处于危险状态，需要停机进行配重调整，过程性能测试数据见表5。同时根据大量试验数据统计，离心机可以在72 h内连续无故障运行，加速度从10 g加速至250 g，在全量程范围内，转速稳定性(标准差)不大于0.016 r/min。

表5 离心机通用技术要求测试结果Tab.5 Test result of general technical requirements for centrifuges

3 结语

本文依托港口水工建筑技术国家工程研究中心TK-C500土工离心机验收工作，开展土工离心机计量特性与计量测试方法的研究工作，对安装半径、辐射噪声声压级、回转转速和加速度示值误差和72 h连续运行稳定性等项目进行了测试。测试结果基本满足大型土工离心机的计量要求，测试过程也为大型土工离心机的验收及后续运行提供了强有力的支撑。土工离心机是离心模拟试验的重要设备，将在我国水运工程建设中起到越来越重要的作用，近年来，针对离心模拟试验的需求，离心机辅助系统的多样化研究工作也陆续开展起来，其中包括离心机振动台、离心机机械手、离心机降雨模拟装置、潮汐发生装置和造波装置等专用设备的研究进程也不断的发展，技术也不断的突破[10]。但是目前离心机的计量测试技术更多的以医用离心机等室内小型离心机为主，土工离心机的工程计量方法和技术的研究更应满足国内高g值和大容量的发展趋势，因此，多功能离心机综合试验系统的计量测试在未来的科研工作中亟待开展。