800型立式沉降离心机设计【含CAD高清图纸和说明书】
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含CAD高清图纸和说明书
800
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香港土质技术的离心机的发展香港九龙清水海湾香港科技大学C.K. Shen, X.S. Li, C.W.W. Ng and P.A. Van Laak美国戴维斯加州大学 B.L. Kutter美国联合学会K. Cappel and R.C. Tauscher摘要: 香港科技大学(HKUST)目前正在开发一台先进的400克-吨土质技术的离心机。在1998早期HKUST将安装一台不普通的8-米直径射线离心机。这台离心机独特之处在于它是使用一台飞行中的双轴水力振动器模仿在两个水平的方向动态问题的能力。在静态测试中,离心机可能运转高达150g ,但是被设计的双轴振动器的震动测试只达到75g。1 介绍在90 年代的十年里,我们看到了以研究和设计离心机塑造土质技术的结构实践有明显增大。离心机塑造构成为许多先前难以处理的土质技术问题的研究提供了一个强有力的工具, 它有益于对大规模土质技术基本系统的机械行业的发展, 通过直观比较(相似和结垢法则) 和计算机程序的证明以及对原型系统使用定标为随后分析。离心机塑造技术也成为对常规设计和分析技术补充的公用事业。近年来在改进土质技术离心机塑造方面的工艺和科学获得了重大进展。最近HKUST利用一些在仪器工作和先进的塑造技术开发它的新型离心机设施, 并在努力促进离心机技术的不断发展, 承担了新双轴离心机振动器的研制。意在发展尖端科技的能力, 离心机是为了满足以下的业绩目标: (1)大模式容器适应允许更加详细的塑造和在模型里面让出空间给广泛使用仪器, (2)提供广泛的手臂使用仪器为样板叁数的详细测量和领域载入和工程程序的模拟, (3)地震载入模拟和在平垂直线的双轴性能的进步对地心引力领域的产生改变。在考虑这些目的之后，HKUST 离心分离机的设计和表现规格被构思出来。这在本文里, 提供离心分离机设备的规格与双轴的地震水力振动器详细描述。给土质技术离心分离机设备的资金由经费委员会和大学共同提供。离心分离机和双轴的振动器由美国华盛顿伯灵屯公司设计和提供。这家公司在伺服水力学有多年经验而且已经参与一些离心分离机振动器的发展(Ketcham, 1991; Kutter, 1994; Van Laak, 1996)。在香港乃至世界这种设施不仅致力大学而且服务于土质技术的领域。2 在HKUST离心机离心分离机在位于来自校园的主要的短距离的一楝新的建筑物中被安装。 建筑物不仅安置土质技术 离心分离机设备 (GCF) 而且安置风和波隧道设备 (WWTF)。由于安全理由原因，离心分离机被安置在一间圆形的地下中。一个钢导管的网络附在墙壁的内部表面,在离心机操作期间通过哪些已冷却的水流通冷却必需品的地下室。离心机实验室的海拔和楼面平面图见1和2。图1在 HKUST 的离心机设备的视野高度图 2 计划视野离心分离机设备有一共计 255m2 工作室和一般的实验室空间。在主要实验室区域, 顶上有一台20 吨容量的台架起重机可移动在离心机装载和卸载离心机模型容器之上预制混凝土盘区。当需要时，起重机也用来交换静态的平台和振动器。 未用的平台或振动器被储存在离心分离机封入物的地板下。离心机通过使用CCTV 照相机和话筒监测, 并且在样式结算离开期间对讲机被使用在离心机分庭和控制室之间通信中。水力供应在一个房间的主要实验室区域下面位于与离心分离机相邻。表1 离心机的技术规格。关键项目规格负载能力400 g-tons手臂半径到摇摆的平台的中心3.82 m最大加速度150g负载大小态测试为1.5mx1.5mx1m, 动态测试为0.6mx0.6x0.4m 表1总结离心机的一些关键规格。为静态测试, 离心机可以由150g 决定操作,但是为动态测试, 双轴振动器由75g决定操作。总共, 制造了三个摇摆的平台。两个被设计为非震动的测试平台是相同的。每个这些静态平台可能容纳模型大小为1.5m1.5m1m和40,000 N的重量。第三个平台包括双轴振动器和联系的结构支持、水力多头管和反应马萨诸塞。振动器滑倒桌可能容纳载量高达0.6m x 0.6m x 0.4m和3000 N 的重量。由于动态平台的巨大, 为了使静态测试在比较高的超过75g 动态平台必须用一个静态平台替换。2.1主要轴承和驱动器图3 显示离心机的海拔部分。离心机手臂由一对被预先输入的铬镍钼耐热钢的滚柱 图 3 HKUST 400 g-吨的离心分离机轴承支撑一个常规轴运行。离心分离机被直接加倍到垂直驱动轴下端的一个水力辐形活塞马达驱动。因为切线摇动手臂应用的转力矩很大地超过必需的驱动转力矩，所以这驱动被选择。在摇动期间除非一台昂贵的水力传动器被提供分开变速箱否则以齿轮连起的驱动会很快的被振动转力矩损害。为了预防对水力马达和轴联结的损坏, 在摇荡机被操作的简短的期间对驱动马达的油流程被省略有效允许离心分离机靠惯性滑动。在摇动完成后，对驱动马达的流程是重建。在150g最大可允许不平衡状态是222 kN, 对应于149 公斤重量不平衡状态。平衡离心机是在平台成功的使用各种各样的大小重量安置没被使用为运载样式的容器。仔细的簿记使用保证离心机平衡严密维护在测量仪之内。被展开在离心机上的紧张标准度量用来检测类似从离心力和负载量不平衡出现和电动机在摇动期间装载的静态结构负荷。2.2 结构臂和装备 离心机的基础是一个逐渐变小的钢焊件被使用传送静态和动态装载从替换手臂到建筑物基础。结构的手臂是坚固地附到主轴上的钢焊件。 它的主要功能是支持这四根张紧皮带和传输从主轴到平台驱动扭矩。张紧皮带在末端被固定到结构臂上并且反对以轴承沿着他们长度安置的切线替代阻止.以这个安排, 所有失衡的装载从两个摇摆的桶通过结构手臂被传达给主轴, 当在缺少力量(一个完全平衡的情况) 大离心力在载重和配重之间通过套四条紧张皮带整个地被传送, 并且弯曲的片刻不适用于主轴。在震动期间的片刻除动态力量之外引起, 在主轴主要弯曲归结于不平衡状态力量。2.3 停止平台 避免有害物质物产生变动和注重提高者, 高度被注重的张紧皮带用机器制造用高强度钢没有焊接。对被焊接的装载道路的信赖继续在连接在紧张皮带和平台之间: 摇摆的平台由高强度标尺多样性运载插入通过通行证轴在张紧的皮带的末端的枢轴块。每个这些标尺没有高于装载13.3 kN, 哪些给安全因素大约3 由于每个的最后力是40kN。这次结构子系统同心度是非常宽容轻微的, 譬如由平台结构的小自转造成。提供四套20 把标尺。容纳震动桌的正切励磁的要求, 在悬浮平台的反冲要求一个额外自由程度自转, 由球状连接的插入达到在枢轴块之间在主要耳轴, 并且两对取决于在平台的边缘的块。然后各个平台被提供在振动器位移的两个正交方向两个自由度旋转。 由滑的摩擦从振动器在平台悬浮枢轴动态片刻被传达给离心机的手臂确定。所有滑落表面被以造成一个 摩擦系数0.03的一种专有的涂料处理。 因为张紧的竿对必需克服枢轴的摩擦的修剪力的传输是不适当的,他们可滑动地附到枢轴的块上的矩形结构管材的成员被装入, 但是不到那平台, 所以当竿在负荷之下伸展的时候他们在张紧方面不被强调。2.4 分离控制系统 离心机驱动使用易变200马力驱动电动机的容量压力补偿泵浦。被加压的油从主要泵浦通过水力辐形活塞马达在一条闭合的水力电路内散布。容量油的流速在这条电路里由泵浦的角度控制旋转斜盘的伺服阀和确定离心机旋转的速度。主要驱动泵浦以21 Mpa压力操作离心机,当泵浦被使用为供给振动器动力和在35Mpa压力下为控制驱动泵浦旋转斜盘操作.给离心机的水力泵开车并且摇动桌子一个位于离心力房间的水库 (图 1)对需要回转速度的类比信号比例项适用于对主要在高压水力电路附件的伺服阀的泵。除了调整对离心机驱动马达的油流量之外， 斜盘角度也决定主要驱动的油压线路。由于斜盘有非常高的回转率 (在几毫秒内做完整个行程), 除非整个水力的驱动系统被仔细控制，否则在加压上的主要驱动环存在潜能。为了使达到一种稳定状态需要时间减到最小, 使用一个成形的速度指令而不是一条线的斜坡。在离心机慢慢地转动并且阻力较小的情况下允许速度迅速被增加, 并且在高阻力情况下限制速度, 避免转力矩和液压操作过度。另外, 驱动电路液压的在被测量而且使用变弱驱动信号避免压力过度。 一个电脑程式用来实现在上面被描述的控制。除控制离心机的速度以外, 计算机被使用监测操作的参量譬如不平衡状态手臂,主要轴承的温度、液压机液体温度和压力, 和安全互锁的状态。在震动测试期间必需使用计算机实施阀门操作序列来操作振动器系统。输入每个自动被采集数据和被测量的参量对计算机硬盘促进机器表现长期监视和预定定期维护。3. 双轴振动器装配 HKUST 离心机合并一台双轴水力振动器,作为被模仿的震动励磁。在考虑震动状态是多向而许多已经利用的离心机震动模拟器是单向的, HKUST决定发展在自然里两个水平的方向同时模仿震动运动的一台双轴振动器为了。 由于这台振动器在两个方向上震动是可能的, 离心机和振动器的发展同时被进行,被设计振动器作为离心机的整体部分。采取这种联合设计方法为了尽可能隔绝离心机震动的能量, 和明确描述上面的悬浮设计。促进安装和维护, 而且允许离心机的操作在加速度大于75 g 为静态测试, 震动工作平台和它的桶形成一个从中止双臂可移动和替换装配。 以负载重量3000N, 总移动的重量(酬载和震动工作平台硬件) 是大约10000N 。为了要将在飞行中摇荡机的动态运行最佳化，大的反应块(4000 公斤) 已经被合并设计。震动工作平台由流体静力的自调整垫轴承支撑。比橡胶垫, 流体静力的轴承提供更高的压缩强度。橡胶垫位于在滑动平台之下只被使用提供集中力量。 振动器在每个震动的方向运用两对伺服器 (一对在离心机自转的正切方向和其他摇摆方向).各对振动器设置在震动的平台的反面并且对应的被作为设计单位, 应用相同力向各平台的边滑动。滑动平台的运行外表是在没有自转在飞行的二个正交方向震动。 流体静力垫轴承被使用在各个作动器活塞和滑动平台之间。这些轴承降低了滑动平台的行动的横向活塞轴接口的摩擦, 当在活塞之间提供高强度的连接并且在轴向方向滑动。表2 振动器的技术规格。关键项目规格振动方向二个原型水平方向最大振动的加速度35g最大振动的速度750 mm/s振动频率0-350 Hz摇动平台接受来自这10gpm的油,35Mpa 易变容量压力偿还泵。这个泵经过被装在离心分离机的顶端的附近的一个 35Mpa 水力的旋转关节提供油给摇荡机。为了提供足够的压力和流动到振动器活塞, 在震动前液压机液体被存放在四个2.5 加仑压力累加器里。各台伺服器有一条直径7.6cm的活塞,压力高达35Mpa, 每轴各对应用力32,000kgf。可移动在1000 公斤之下重量, 这力在各个震动的方向可产生35g加速度, 和一个典型的震动信号, 2 秒震动时间为各累加器充电是可达到的。振动器的关键术规格见表2。 图 4 双轴的摇荡机。振动器的由多个复杂的伺服器控制。因为被使用四台不同伺服器在三个自由度驱动滑动平台 (翻译在二个方向加上自转在飞机震动),并且必须对各台伺服器采取保证命令措施与运动学限制一致; 否则, 伺服器将导致振动器表现减弱。表3 滑动圆环和转台式连接装置的规格关键项目规格滑动圆环模拟信号为32, 模拟返回为8,力为16同轴8 为录影和高频率电缆设备, 4个高质量数字传输通道信号(计算机网络)空气出口2 在1400 kPa, 0.05 m3/min水出口2 在2000 kPa, 40 liters/min一个联合的模式和数字控制系统用来实施达到震动目标的运行。控制器的模式部份使用主要用于减少了压力反馈变弱。模式控制使用定义操作系统的点(定位点) 系统。当前在发展中的数字式震动控制系统了装备一台高速模式接口奔腾计算机实施的。数字系统有两个功能。在更低的层次,控制器根据了假定设计, 关于一个惯性框架震动平台在反应被修理; 在上部, 更正将被做根据平台的绝对加速度. 更低的层数使用中断服务实施控制器无限冲击反应。通过系统证明闭环控制器参量将由最佳振动器的调动。上部控制器是由于平台和离心机手臂振动的通过一个离线重申做法改正根本上错误。4 滑动圆环和转台式连接装置 对适当的离心分离机的机能，转台式连接和滑动圆环连接是必要的。他们被用于传输电力、信号,可压缩的液体像是空气、水和油控制各种不同的装置而且获得实验的数据。连接的一些规格见表3 。在HKUST, 二个连接被放在另一个上面而且展开在离心分离机室上面的地板上。这个架置安排使振动效应和从离心机和离心机分庭的一个更高的净空高度的梯度要求减到最小。这是重要考虑, 因为离心机分庭的几何半径和高度对电力消费-有很大影响。5 容器模式 二个样板的容器已经被发展。一是一个矩形的铝容器,为静态的测试设计, 尺寸约为 1245mmx1270mmx850mm, 而且结合一扇可选择的压克力的窗口。容器被设计为在加速旋转期间平均张力限制在模型之内到0.025%。为了动态测试, 有柔性层状类型的内壁的容器已经被研制了。这个容器在外形上是圆筒形的,内径550 毫米和高度500 毫米。容器由五十二个铝圆环构成, 在毗邻圆环之间使用滚珠轴承降低摩擦。层式容器设计为双向震动提供必要的边界样式条件。 6 结束 本文简要的描述新型HKUST 400 g 吨离心机设施, 与它的一些独特的设计特点。当产生一些设计挑战时, 双轴震动能力为探索新型土质技术复杂的动态系统提供机会。HKUST 设施将会为全世界研究团体所使用。参考文献Ketcham, S.A., Ko, H-. Y., and Sture, S., 1991.Performance
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