CN104226492B - 一种超大型离心机离散化组合式臂架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大型离心机离散化组合式臂架，包括两个拉力带和连接于两个拉力带之间的多个相互平行且间隔排列的连接板，拉力带的中段安装有转臂支承板，拉力带由多个拉力带模块通过连接件连接而成，不同的拉力带模块的径向截面面积相同或不同，拉力带上以转臂支承板为中部到两个端头的径向截面面积分别呈阶梯状逐渐减小的结构。本发明通过将拉力带设计为模块化结构，并将不同拉力带模块的径向截面面积进行差异化设计，实现了分散加工和运输，现场组装方便，提高了制造、运输和应用的可行性，减少了荷载浪费、减少了材料、降低了研制成本，在满足超大型离心机臂架应用要求的前提下降低了整个臂架的总重量。

Description

一种超大型离心机离散化组合式臂架

技术领域

本发明涉及一种离心机臂架，尤其涉及一种超大型离心机离散化组合式臂架。

背景技术

离心机是一种利用旋转离心力来模拟特定超重力场加速度环境的重要科学试验装置，广泛应用于航空、航天、航海、兵器、交通、水利、医疗、能源及地球物理等领域的基础研究和产品研制，为国防建设、科学研究和国民经济建设等相关领域发展提供了重要的研究手段。

离心机的主要载荷是转动系统中吊篮、试件以及配重质量在高达数百g离心场下产生的离心力。几千吨离心力完全是由转臂系统承担的，而且其结构形式的选择直接关系到离心机风阻和惯性功率的大小。因此，转臂系统的设计是离心机尤其是大型离心机中最关键的部分。

随着相关科学研究的不断发展和深入，为满足不断增加的试件尺寸和试验精度要求，离心机试验装置的有效半径不断增加，半径达到及超过12米的超大型离心机研制需求不断提出。随之而来的是离心机的转臂结构尺寸超过了20米，重量达到了数百吨，对离心机转臂系统的结构设计，以及相关的制造、运输和现场安装带来了挑战。

通常，转臂系统中的核心结构——臂架结构支撑在传动系统的主轴上，驱动系统产生的扭矩通过主轴带动整个转臂系统旋转，臂架的两端联接着吊篮和配重系统。臂架结构主要承受离心力、吊篮和试件质量在离心场下产生的拉力、转臂水平面的驱动力矩以及自重产生的弯矩。其中沿转臂长度方向的离心力是主要载荷，通常可以达到几千吨。

臂架为悬臂梁结构，其主要形式包括焊接箱体结构、焊接或螺栓联接的框架式结构、整体梁式结构和复合梁式结构等。不论是哪种结构形式，其共性是：臂架结构中都有整体结构件承受巨大的离心拉力，也就是所谓的拉力带结构。拉力带的截面可以根据具体情况设计成不同形式，较为典型的是圆形、圆环形和矩形截面。离心机臂架系统通常包括两条以上的拉力带结构，拉力带通过横梁、定位环等结构，采用焊接或螺接的方式联接成为一个整体承力结构，满足传递力矩和抵抗弯矩的要求。其中拉力带为承受离心和重力的主要结构，在离心加速度高的设备中通常采用整体锻件或轧制板材作为拉力带主要结构件，对这些材料的力学性能和加工质量特性要求严格。

由于传统离心机的拉力带承力结构为整体式，随着离心机有效半径和容量的增加，超大型离心机的臂架结构尺寸达到20米以上，整体质量可超过200t，由高强度合金钢锻造而成的拉力带，不仅要求采用大吨位的锻压设备、而且对材料质量的高要求导致大型锻件的合格率较低；臂架系统由于超长、超重带来了加工工艺难度增加、整体运输困难和现场安装难度大等问题，研制成本倍增。另外，传统拉力带在其长度方向不同部位的径向截面面积(或宽度)相同，但拉力带在其长度方向不同部位的实际受力大小是不同的，为了满足最大受力处的承受需求，拉力带的其它受力较小的部位的径向面积(或宽度)也较大，导致了材料浪费和成本增加，同时也为运输和安装增加了更多的成本。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种模块化、变截面的超大型离心机离散化组合式臂架。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种超大型离心机离散化组合式臂架，包括两个拉力带和连接于两个所述拉力带之间的多个相互平行且间隔排列的连接板，所述拉力带的中段安装有转臂支承板，所述拉力带由多个拉力带模块通过连接件连接而成，不同的所述拉力带模块的径向截面面积相同或不同，所述拉力带上以所述转臂支承板为中部到两个端头的径向截面面积分别呈阶梯状逐渐减小的结构。

上述结构中，拉力带由多个拉力带模块构成，所以无论整个拉力带有多大体积和多长长度，都可以分散加工和运输，再现场组装；根据拉力带模块与转臂支撑板之间的不同距离确定拉力带模块的径向截面面积，能根据该模块所受的实际离心拉力确定其大小，从而使每个拉力带模块所受到的离心拉力尽量接近其承受荷载。

具体地，所有的所述拉力带模块中，靠近所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度大于远离所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度；或者，靠近所述转臂支承板的所述拉力带模块的水平宽度大于远离所述转臂支承板的所述拉力带模块的水平宽度；或者，靠近所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度和水平宽度分别大于远离所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度和水平宽度。这些结构均能实现改变拉力带模块的径向截面面积的目的。当拉力带模块为下述结构即包括两块单板时，拉力带模块的水平宽度指单板在水平方向的厚度。

所述拉力带模块包括两块竖直排列且相互平行的单板，所述连接件同时与所述连接板的端头和相邻的两个所述拉力带模块的单板的端头连接。采用两个单板组合的结构，既便于拉力带模块、连接板和连接件之间的连接，又具有连接稳固，便于加工和拆卸的优点。

作为优选，所述连接件包括大致呈“十”字形的四个端头，所述连接件的其中三个端头、所述连接板的两个端头和所述拉力带模块的单板的两个端头均设有小锥角连接孔，所述小锥角连接孔内安装有高强度小锥角合金衬套，所述高强度小锥角合金衬套内安装有连接锥销，所述连接锥销通过锁紧螺母锁紧；所述连接件上设有所述小锥角连接孔的三个端头中，其中一个端头穿过相邻的两个所述拉力带模块之间的一侧空隙后通过所述连接锥销与所述连接板连接，另外两个端头分别置于相邻的两个所述拉力带模块的两个单板的端头之间并分别通过所述连接锥销连接，所述连接件上没有设置所述小锥角连接孔的一个端头置于相邻的两个所述拉力带模块之间的另一侧空隙内。连接锥销采用极小锥角，它既可以保证准确定位又可以消除间隙，同时极小锥角(处于摩擦角内)产生较小的轴向力。由于小锥角连接孔即销孔处存在较大的承受载荷，会产生较大的接触应力，所以在小锥角连接孔内安装有锥角相同的高强度小锥角合金衬套，高强度小锥角合金衬套通过连接锥销与锁紧螺母进行预紧。

为了确保连接件与连接板之间连接稳固，所述连接件上与所述连接板连接的端头还通过紧固螺栓与所述连接板紧固连接。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将拉力带设计为模块化结构，实现了分散加工和运输，现场组装方便，在满足超大型离心机臂架的应用要求的前提下，提高了制造、运输和应用的可行性，降低了研制成本；通过将不同拉力带模块的径向截面面积进行差异化设计，使每一个拉力带模块所受到的离心拉力尽量接近其承受荷载，这样可以实现整个拉力带的最大化利用，减少荷载浪费、减少材料、节约成本，并降低整个臂架的总重量。

附图说明

图1是包含本发明所述组合式臂架的超大型离心机的立体图；

图2是本发明所述超大型离心机离散化组合式臂架的主视图；

图3是本发明所述超大型离心机离散化组合式臂架的局剖俯视图；

图4是图3中“A”部的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述超大型离心机离散化组合式臂架包括两个拉力带3和连接于两个拉力带3之间的多个相互平行且间隔排列的连接板2，拉力带3的中段安装有转臂支承板4，转臂支承板4用于连接臂架和主轴(图中未标记)；为了便于对离心机整体的理解，图1中还示出了用于支撑臂架的钟罩6，以及分别位于臂架两端的吊篮1和用于实现平衡的配重块5。主轴通过转臂支承板4带动臂架转动，臂架带动吊篮1和配重块5转动，吊篮1内装有实验试件，实验试件在旋转过程中被采集各种离心实验数据，达到实验的目的。

如图2、图3和图4所示，拉力带3由多个拉力带模块7通过连接件9连接而成，不同的拉力带模块7的径向截面面积不同(也可以部分相同)，拉力带3上以转臂支承板4为中部到两个端头的径向截面面积分别呈阶梯状逐渐减小的结构。在本例中，每一个拉力带模块7自身的径向截面面积和竖直宽度是一致的，除了与转臂支承板4对应的拉力带模块7在拉力带3的轴向方向的长度要长一些外，其它的拉力带模块7的长度均相同；所有的拉力带模块7中，靠近转臂支承板4的拉力带模块7的竖直宽度大于远离转臂支承板4的拉力带模块7的竖直宽度；或者，靠近转臂支承板4的拉力带模块7的水平宽度大于远离转臂支承板4的拉力带模块7的水平宽度；或者，靠近转臂支承板4的拉力带模块7的竖直宽度和水平宽度分别大于远离转臂支承板4的拉力带模块7的竖直宽度和水平宽度；这里的拉力带模块7的水平宽度是指单板71在水平方向的厚度。

如图3和图4所示，拉力带模块7包括两块竖直排列且相互平行的单板71，不同的拉力带模块7的单板71的厚度可以相同或不同，连接件9包括大致呈“十”字形的四个端头(图中未标记)，连接件9的其中三个端头、连接板2的两个端头和拉力带模块7的单板71的两个端头均设有小锥角连接孔(图中未标记)，所述小锥角连接孔内安装有高强度小锥角合金衬套11，高强度小锥角合金衬套11内安装有小锥角的连接锥销8，连接锥销8通过锁紧螺母(图中未标记)锁紧；连接件9上设有所述小锥角连接孔的三个端头中，其中一个端头(即图4中上部的端头)穿过相邻的两个拉力带模块7之间的一侧空隙后通过连接锥销8与连接板2连接，另外两个端头(即图4中左部和右部的端头)分别置于相邻的两个拉力带模块7的两个单板71的端头之间并分别通过连接锥销8连接，连接件9上没有设置所述小锥角连接孔的一个端头(即图4中下部的端头)置于相邻的两个拉力带模块7之间的另一侧空隙内；连接件9上与连接板2连接的端头(即图4中上部的端头)还通过紧固螺栓10与连接板2紧固连接。

如图1-图4所示，运行时，主轴带动转臂支承板4和臂架旋转，在旋转过程中，每个拉力带模块7承受的离心拉力都有差异，主要趋势是越靠近转臂支承板4的拉力带模块7承受的离心拉力就越大，越远离转臂支承板4的拉力带模块7承受的离心拉力就越小。所以，上述“靠近转臂支承板4的拉力带模块7的竖直宽度大于远离转臂支承板4的拉力带模块7的竖直宽度”的结构最好地适应了这种离心拉力变化的趋势，在保证离心机安全运行的同时，尽量减小了拉力带模块7的径向截面面积，减少了材料，节约了成本。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种超大型离心机离散化组合式臂架，包括两个拉力带和连接于两个所述拉力带之间的多个相互平行且间隔排列的连接板，所述拉力带的中段安装有转臂支承板，其特征在于：所述拉力带由多个拉力带模块通过连接件连接而成，不同的所述拉力带模块的径向截面面积相同或不同，所述拉力带上以所述转臂支承板为中部到两个端头的径向截面面积分别呈阶梯状逐渐减小的结构。

2.根据权利要求1所述的超大型离心机离散化组合式臂架，其特征在于：所有的所述拉力带模块中，靠近所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度大于远离所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度；或者，靠近所述转臂支承板的所述拉力带模块的水平宽度大于远离所述转臂支承板的所述拉力带模块的水平宽度；或者，靠近所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度和水平宽度分别大于远离所述转臂支承板的所述拉力带模块的竖直宽度和水平宽度。

3.根据权利要求1或2所述的超大型离心机离散化组合式臂架，其特征在于：所述拉力带模块包括两块竖直排列且相互平行的单板，所述连接件同时与所述连接板的端头和相邻的两个所述拉力带模块的单板的端头连接。

4.根据权利要求3所述的超大型离心机离散化组合式臂架，其特征在于：所述连接件包括大致呈“十”字形的四个端头，所述连接件的其中三个端头、所述连接板的两个端头和所述拉力带模块的单板的两个端头均设有小锥角连接孔，所述小锥角连接孔内安装有高强度小锥角合金衬套，所述高强度小锥角合金衬套内安装有连接锥销，所述连接锥销通过锁紧螺母锁紧；所述连接件上设有所述小锥角连接孔的三个端头中，其中一个端头穿过相邻的两个所述拉力带模块之间的一侧空隙后通过所述连接锥销与所述连接板连接，另外两个端头分别置于相邻的两个所述拉力带模块的两个单板的端头之间并分别通过所述连接锥销连接，所述连接件上没有设置所述小锥角连接孔的一个端头置于相邻的两个所述拉力带模块之间的另一侧空隙内。

5.根据权利要求4所述的超大型离心机离散化组合式臂架，其特征在于：所述连接件上与所述连接板连接的端头还通过紧固螺栓与所述连接板紧固连接。