土工离心机多轴机器人系统设计综述

详细地介绍了土工离心机不停机状态下进行试验模拟的重要设备——离心机机器人系统。在总结国内外同类设备的基础上,重点针对近年来中国工程物理研究院总体工程所研制的土工离心机多轴机器人系统进行分析。对该类设备结构设计、电气控制系统设计的关键技术问题和难点进行了介绍。目前中国工程物理研究院总体工程研究所研制的土工离心机多轴机器人最大加载能力可以达到l扭矩±10 N·m,x,y,z方向加载力分别为±2 500,±2 500,±18 000 N,且具备循环加载能力。随着技术的发展,土工离心机机器人系统将在土工离心模型试验过程中发挥更加重要的作用。

渠道冻胀离心模型试验设备的研制

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。研制了一套在土工离心机中进行渠道冻胀模拟的试验设备,该设备主要包括冻融模型箱、循环冷却水系统、测量控制系统等组成。冻融模型箱采用内外两层结构,中间填充保温材料。循环冷却水系统采用12组半导体制冷片,利用其帕尔贴效应实现制冷/热。采用高压水泵驱动水流并结合风冷散热器,持续为制冷器循环冷却,实现了在离心机不具备水旋转接头下的循环水利用。开发了直流回弹式位移测量系统的安装装置,保证了测量系统的准确。利用该设备进行了北疆地区输水渠道的冻胀模拟,试验结果规律好,可以正确的模拟冻胀温度场和位移场。渠道冻胀离心模型试验设备的研制为寒冷地区输水渠道冻胀问题的研究提供了有力工具。

内支撑基坑开挖对近间距下立交道路影响离心机试验

首先,以同济TLJ-150复合土工离心机为平台,开发研制了基于液压自动控制的内支撑基坑全过程施工模拟开挖系统,通过分时排放规定高度的代土液体来模拟土体分层开挖,并通过支撑杆锁定装置模拟对挡土墙进行适时支撑,实现了在高速运转的离心机上对具有多道支撑的深基坑进行不停机状态的动态开挖模拟。其次,以上海地铁九号线源深路风井32.7 m深基坑开挖对相邻仅3 m的杨高路下立交道路影响为工程背景,具体介绍了离心机试验过程。通过与现场监测数据的对比,结果表明所开发的自动开挖系统能较好地模拟深基坑开挖过程。最后,通过基坑周边不同加固方案对相邻下立交道路保护的离心机试验结果分析,认为设置搅拌桩隔墙是减少下立交变形的有效手段,搅拌桩隔离墙对基坑开挖引起的土体位移具有遮拦效应。为了有效发挥保护作用,隔离墙深度应大于基坑开挖深度;但是,隔离墙的遮拦作用,在沿平行下立交纵向布置超过距基坑挡土墙边0.5倍开挖深度范围之外后,与没有隔离墙相比效果不明显,这个范围可以作为隔离墙纵向布置的边界值。

土工二维振动离心机转臂的设计研究

土工二维振动离心机是岩土地震工程试验研究最有效的试验设备,转臂是支承和驱动吊篮、振动台、试验模型和配重等高速旋转并达到离心试验加速度要求的关键部件.常规土工离心机转臂结构已不满足二维振动试验工况要求.为了使离心机能在常规土工试验、一维振动试验和二维振动试验各工况下稳定运行,将其转臂设计成具有工字梁的焊接框架结构.在对该结构布局和工作原理介绍的基础上,针对某二维振动离心机技术指标,对转臂结构进行了优化设计,并对优化结构进行了力学分析.其结果表明,焊接的框架结构满足二维振动试验工况要求,是一种比较合理的土工二维振动离心机转臂结构.

具有多道支撑的深基坑开挖离心模拟试验方法

动态离心模型试验可用来模拟具有多道支撑的深基坑开挖过程。在该试验中,通过分时排放规定高度的代土液体来模拟土体分层开挖,通过支撑杆对开挖面的连续墙进行适时支撑,以模拟基坑开挖到一定高度后的支撑施工,并通过模型中的传感器监测离心模型受力和变形情况。本文使用研制的深基坑开挖离心模拟试验装置,采用铝板制作地下连续墙,采用水玻璃作为代土液体,进行了多组重复试验,其结果表明,该离心试验能较好模拟真实深基坑开挖过程。

巨型多功能土工离心机吊篮的设计

吊篮是巨型多功能土工离心机的关键部件,它不仅要承载大离心载荷,还要承载振动等复合载荷,其结构直接影响离心机的规模和运行工况。针对某巨型土工离心机吊篮使用要求,首先分析确定其振动方向,然后设计其初始结构形式,并针对常规试验工况要求,用Pro/E软件对吊篮结构进行优化。以设计结构质量为优化目标,而以设计结构所受最大应力和最大位移为约束条件,找出了吊篮较合理的结构参数组合。最后对优化设计出的吊篮进行振动工况验证分析,结果表明该吊篮满足振动试验要求。巨型多功能土工离心机吊篮的设计可为同类产品的设计提供参考。

综合环境试验离心机静平衡调整系统设计

为了实现综合环境试验离心机自动、精确的配平,减小离心机运转过程中的不平衡力,设计了由电机-减速器、同步带、螺纹副、导轨滑块及4个摇杆测力传感器组成的静平衡调整系统。根据4个摇杆测力传感器的信息,移动配重块,实现静平衡调整。计算了配重块移动所需的电机功率和转矩,分析了调节螺母和拉力带组成的螺纹副在离心机满载荷运转时的应力、应变。结果表明,静平衡调整系统可以满足综合环境试验离心机配平的要求。

离心机振动台多功能层状剪切模型箱结构设计与分析

剪切模型箱是离心机振动台的关键部件,它既要承受较大的离心载荷,又要为试验模型的移动提供条件,其结构形式直接影响离心机振动台模拟试验的成败。为满足某离心机振动台的试验要求,设计了一种可用于高g值离心场的大体积层状剪切模型箱,主要由若干单层框、辊子排、滚动轴承、约束框架、给排水装置和联动片等组成。最后,对剪切模型箱的力学性能进行了分析。结果表明:设计的剪切模型箱可以满足试验工况和技术要求。

0.5～600MPa自动控制液压试验系统研制

0.5～600 MPa自动控制液压试验系统按照设定的压力时间折线自动调节压力上升。0.6 MPa的气体驱动双冲程气驱液压泵活塞输出63 MPa的液体压力,增压泵再将液体压力增压到600 MPa。由于双冲程气驱液压泵输出压力存在波动,为满足300 MPa以下压力控制精度的要求,在双冲程气驱液压泵后面增加了比例减压阀。PLC根据不同压力段通过气控阀自动选择液路控制压力。试验结果表明系统运行稳定。

同步带传动在离心机配平系统中的应用与研究

为了实现综合环境试验离心机的精确配平,设计了同步带传动来实现配重块在两根拉力带上的同步移动。同步带传动由电机—减速器、梯形齿同步带、小带轮、大带轮和张紧轮等组成。分析了同步带传动的压轴力和力矩传递状况,研究了同步带的传动精度。结果表明:同步带传动能实现离心机配平系统的平稳、精确调整。

航空装备高动态大型离心机研制

为开展飞行员航空防护救生装备在飞机稳态和动态加速度环境下的适应性、结构性能以及动态性能的验证,研制了国产首台高动态航空装备单臂式大型离心机。采用盒式梁整体结构设计了转臂臂架,实现了刚度强度性能与转动惯量的最优化结合;采用小回差减速机间接驱动方式以及多模态组合控制方式,实现了高精度、快速响应的驱动控制;设计了三轴滚转吊舱和自由摆动吊舱,使离心机既具备物体试验的能力,又具有航空航天载人离心机的基本功能。试验应用表明,离心机工作稳定可靠,为装备研制提供了一种重要的性能验证手段。

相对变形约束下某离心机吊篮拓扑优化设计

吊篮是离心机的承载结构,其质量直接影响到离心机的承载能力。基于HyperWorks/OptiStruct平台,以吊篮质量为目标函数,以吊篮平台最大变形为约束条件,采用变密度法对某离心机吊篮结构进行拓扑优化设计。有限元分析结果表明,拓扑优化后吊篮结构能够满足预设的最大变形约束条件,而且质量大为减小,很好地实现了轻量化目标。

载人离心机平衡调节系统设计

为了实现载人离心机精确的配平,减小运转过程中的不平衡力,设计了由手轮、丝杠-螺母、导轨-滑块、活动配重块、固定配重块等组成的平衡调节系统。根据测力传感器获得的数据计算不平衡量,移动活动配重块,实现平衡调节。计算了载人离心机静止时,实现活动配重块移动所需在手轮上施加的力和载人离心机运转时丝杠所承受的离心力。分析了固定配重块在载人离心机满载荷运转时的应力、应变。分析结果表明,平衡调节系统可以满足载人离心机的配平要求。

基于空气弹簧的振动离心机顺臂隔振技术研究

振动离心机是地震研究和飞行器离心振动复合环境试验研究的重要工具,顺臂振动是其重要的运行工况,而顺臂隔振是振动离心机在该工况下稳定运行的关键。在分析振动离心机顺臂振动工况的基础上,利用空气弹簧的动刚度小而轴向承载力大等特点,设计了一种安装于振动离心机转臂上可测不平衡力的顺臂隔振系统。基于隔振系统的力学模型,通过解析简化获得该系统的力传递率解析方程,并分析了影响该系统隔振能力的主要因素。针对某振动离心机,利用解析方程计算了其隔振系统的力传递率,并通过隔振系统力学模型对其传递力进行了仿真分析,理论计算及仿真所得的力传递率基本一致且均较小。结果表明:以空气弹簧为主体的顺臂隔振系统可有效隔离振动离心机的顺臂振动冲击,力传递率解析方程可用于隔振系统隔振能力评估计算。

400g-t复合环境试验离心机研制

目的研制一种容量达到400g-t的复合环境试验模拟离心机,能够实现离心-振动、离心-温度等复合环境模拟试验的开展。方法分解离心机的技术指标,进行总体部件设计、主驱动控制设计以及关键部件设计。系统配置静、动平衡检测装置,同时设计静态平衡调节装置。结果设计的静态平衡调节装置最大能调节6 t负载。系统预留多种复合模拟试验接口,可以实现离心-振动、离心-温度等复合环境模拟试验的开展。结论设计的400g-t综合环境试验离心机达到设计指标,满足工程应用与科学研究需求。

长转臂离心机转臂设计

目的根据离心机转臂结构特点,设计符合技术指标要求的转臂结构。方法首先根据离心机风阻功率分析,得到转臂高度范围,并通过转臂受力分析,初步确定转臂拉力带构型,接着以质量最轻为目标,以转臂垂向变形量和应力值为约束条件进行优化设计。结果通过初步拓扑设计及后续优化设计获得了理想的拉力带截面参数,并对优化后的转臂构型进行力学分析。结果表明,结构满足强度、刚度和动态性能要求。结论所设计结构满足技术指标要求。

四轴电驱多功能土工离心机器人的设计

电驱土工离心机器人结构紧凑、定位精度高,可在高离心场下完成复杂的试验操作。因其研制难度大而仅有几台问世,且性能参差不齐。现利用伺服电机驱动精密丝杠,丝杠螺母带动移动支架在直线导轨上精确地直线定位和伺服力矩电机精确地角度定位,研制可在100g离心场下实现大行程、高加我能力和高重复精度的四轴联动定位全电驱土工离心机器人。并针对该机器人,开发了工具更换和循环加栽等功能,有效拓展了土工离心模拟试验动态加栽能力。

长转臂离心机可移动配平系统设计

长转臂离心机是检验关键零部件在离心场下工作性能的重要装备。可移动配平系统用于实现离心机自动、精确配平,减小离心机工作过程中产生的不平衡力,是保障离心机正常、可靠运行的关键部件。根据离心机使用工况,设计了由电机、同步带、齿轮、丝杆—螺母、导轨滑块及测力传感器组成的可移动配平系统,阐述了该系统工作机制,确定了主要件的设计参数,并对关键零件进行了力学分析。结果表明:可移动配平系统能够有效改善离心机运行工况,满足配平要求。

自循环水冷却冻融离心模型试验装置研制

冻融离心模型试验装置的研发在国内尚处于起步阶段。装置根据半导体单元材料的Peltier效应(帕尔贴效应)设计了安装于双层结构冻融模型箱的热交换系统,实现了离心场下的冻融温变模拟。针对离心机设备无外接冷却水的问题,采用在离心机转臂上设置了由水箱、水泵和风冷散热器组成的自循环水冷却系统,利用离心机旋转时转臂与周围空气速度差产生的高速气流带走自循环水的热量,实现了无外接水源情况下的冻融离心试验。冻融离心试验结果表明,该试验装置满足试验需求。

快速过载系统箱形梁臂架主体的焊接制造

以快速过载系统的箱形梁臂架主体为例,介绍了其组对及焊接的详细过程和焊接后出现的变形及采取的措施。指出了合理的结构设计是这种大型薄壁箱形低碳钢焊接件制造成功的前提,以及组对对焊接质量的影响。同时提出了在焊接过程中充分采用辅助支撑及辅助筋板等主动预防变形方法对大型薄壁箱形结构焊接的重要性。