穩態加速度模擬試驗設備：離心機設計（9）

賈普照

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

第5章 中國離心機（續）

5.6 中國空間技術研究院離心機

北京衛星環境工程研究所40年的研制工作共涉及物體離心機、載人離心機和土工離心機3類，其中包括特大型、大型和中型離心機共計 8臺設備；另外審查指導了南京水利科學院光彈離心機的改進設計，使之起死回生，投入正常運轉。

需要說明的是，其中在20世紀90年代中期所出口的 2臺設備乃是成都航天工業烽火精密機械公司承接的任務，當時該所研制隊伍已經解體，筆者個人被聘去該公司主持突擊設計，在該公司組織下完成了研制任務。出于這種背景，也編入此節。

由中國科學院 581組到如今中國空間技術研究院北京衛星環境工程研究所（BISEE，Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering），歷經一系列體制變換，單位名稱較多，為簡便計，統一按“北京衛星環境工程研究所”代替前后不同名稱，只在北京衛星環境工程研究所成立之前，偶爾會采用當時單位名，以區分時間段。

下面述及的設備，除技術性介紹，有條件增加一點背景和細節，記錄任務來龍去脈，反映研制技術發展和過程狀態，前者著重旁人看不到的技術思路與脈絡演變，后者結合歷史添加一些分析探討內容及部分科技活動點滴等，虛實結合并行闡述，按門類和時間順序逐一展開如下[23,24]。

5.6.1 物體離心機

為本單位（北京衛星環境工程研究所）研制航天物體離心機是筆者進入離心機研制史40年的開始，而為國外研制兩臺物體離心機卻是筆者離心機研制史的結束，可見物體離心機既是巧合于首尾呼應，也是我們傾心傾力之所在。

5.6.1.1 第一代中型離心機和大型離心機

中國科學院 581組——科學院下設的一個“組”，名氣雖小，陣勢不小，課題前沿。1957年10月蘇聯第一顆人造地球衛星上天，1958年毛主席提出“我們也要搞人造衛星”的號召，當年，中國科學院成立了由錢學森任組長，趙九章、衛一清擔任副組長的1958年一號任務工作組，并在趙先生任所長的中國科學院地球物理研究所成立探空物理研究部，作為581組的活動地及孵化地[25]。

“兵馬未動，糧草先行。”星箭未動，環境模擬試驗設備自然應首先啟動。1959年9月在大躍進“大干快上”氛圍中，首次設計了旋轉半徑1.35 m、有效負載10 kg、最大加速度100 g、功率5 kW的部件級航天物體離心機。比我還早一、二年的幾位設計者，參照了汽車吊和國外照片以鋼板鉚接的三角形空間桁架作為轉臂，用鑄鋁件作為對稱吊籃，主軸支撐系統采用 4個滾子側向支撐著的轉盤以抗顛覆。不知何故，這個位于中央聯接轉臂和主軸的重要承力件也是一個鑄鋁件；轉子構成一個不對稱轉臂、對稱吊籃的構型，吊籃雖可轉動，但安裝試件以后需要旋轉90°到水平狀態并加以固定才可開車，因此還是屬于固定吊籃類型。

當時，對于離心機設計，尚處于未入門階段。

1960年9月整星級大型離心機開始設計。根據當時所規劃的衛星對象，設計指標為：半徑5 m，有效負載100 kg，最高加速度100 g，功率125 kW。與中型離心機相比加速度雖相同，但半徑增大近4倍，負載增大10倍，功率增大25倍，規模顯著擴大。由包括筆者在內的一批剛出校門的新大學生擔綱設計，大家都是初出茅廬，上無專家指導，旁缺資料參考，唯一參照的就是第 2章提起的一張圖片。大家群策群力、集思廣益，按部件逐一剖析，苦思冥想圖片構造，然后分工進行設計。筆者當時負責轉臺部件遂從此延續為專業戶。眾人在大躍進遺風猶存時代，快馬加鞭加班加點，很快就完成全機設計，并于1961年5月與中型離心機一同投產，然后，兩臺機器又統由筆者負責下廠研制。

駐廠生產過程終于提供了思考與反芻時間，筆者首先對中型離心機進行全面復核并抓緊進行邊生產邊改進設計。復核不僅僅針對圖紙尺寸，鋁制件促使從計算開始復核，這樣就導致一個人完整進行了一次整機分析與計算過程，因而對物體離心機設計特點及其總體與部件關系有了一個全面的初步認識：

1）發現物體離心機有效載荷主要與轉臂強度或剛度直接相關，而與驅動功率關系不大；

2）物體離心機影響驅動功率的主要因素是風阻，它只與轉臂半徑、試件尺寸（即迎風面積）和轉子形狀密切相關；

3）由于物體離心機不要求啟動速率，因此吊籃和轉臂重一點并沒有多大關系，吊籃沒有必要采用鑄鋁件，轉子中央的零件更不應該采用鑄鋁。

于是，在生產已進行的情況下，抓緊對中型離心機予以盡可能的補救與完善，設計了新鋼制吊籃，將有效負載提高到20 kg，載荷容量提高到2 gt，以及其他一系列改進，使結構更合理，設計更可靠，圖紙準確無誤，并于1962年2月從上海化工機械廠一次加工、一次初試成功出廠。

圖5-40為實驗室安裝好的中型離心機。

主機室利用已有地下室一個方形房間，控制臺置于樓上，樓板中央開大圓口供進行運轉觀察。離心機轉子白色部分即為原設計但已投產之鑄鋁件，中央鑄件已被附加鋼條直接將長短臂聯接而得以加強；鋁吊籃則用來供大尺寸輕部件進行低加速度試驗，新設計的另一對鋼制吊籃供重一些的小部件進行高加速度試驗；側向抗顛滾子也被中央支撐件下部自制大尺寸止推軸承替代；直流電動機帶動自制蝸輪蝸桿減速箱轉向并減速后，接自制電磁制動器并與主軸相聯，它們均放在原四方形大開口底座（現改為圓形封閉底座）內，22對自制匯電環套在主軸外部，匯電環電刷支架構成主軸支撐部件，均位于白色方形支撐件之內，電纜由下部引出。

圖5-40 BISEE第一代中型離心機Fig. 5-40 BISEE first-generation medium-sized centrifuge

該離心機規模不大，但是，它的所有零部件包括螺釘、彈簧等在內全都是自行畫圖逐件加工。“麻雀雖小，五臟俱全”，設計工作量可不小。這就是半個世紀以前在中國而且是上海的技術狀態和工作方式。

離心機原設計用的是交流電動機-直流發電機組即所謂由“Г-Д”組系統供電，用交流擴大機控制的調速系統驅動，這在當時屬于先進技術。后來，于20世紀80年代，已改為可控硅供電控制系統。目前該離心機仍在服役之中，機齡已近半百。

中型離心機改進的經驗對大型離心機產生了良性影響，中型離心機既然在功率和機械傳動不變條件下將有效負載提高一倍，大型離心機利用已訂貨電氣部分和已投產轉臺、減速器等大型鑄件，經過轉子部件改進能否提高其有效載荷呢？

在中型離心機已敷需要的情況下，經筆者呈書，為大型離心機爭取到進行全面改進設計和深入研究的一次絕好機會。同時，筆者開始走上離心機總體設計與組織研制崗位。在與1961年畢業的又一批新伙伴們共同努力下，原轉臺等部件不變，乘著科學院倡導的“三嚴”作風，經過認真改進設計，其實是重新設計和設計研究，進行吊籃模型風洞試驗、功率估算、部件結構與強度分析、結構探討甚至包括文件資料編制與科技工作管理等等工作內容后，不僅技術知識得以成長，設計方法與管理水平也得以提高，最終還實現了利用原投產大型鑄件和配套設備，使離心機旋轉半徑增長至6.5 m，吊籃負載增加到400 kg，轉臂負載增加到850 kg，加速度提高到95 g，功率卻仍然為125 kW。

該離心機總質量為23 t，于1967年初進入實驗室安裝調試，實驗室試車一次成功，并于夏季交付使用至今。它的服役機齡也在40年以上了。

改進設計后的大型離心機簡稱為“43型離心機”，“43”源出于該設備圖紙的序列編號。

改進后的中型離心機和大型離心機技術性能為

1）旋轉半徑（至試件中心）：1.35 m/6.5 m；

2）有效負載（吊籃承載/轉臂懸掛）：20 kg/850 kg；

3）負載尺寸：250mm×250mm×250mm/ 1200mm× 1200mm×1200mm（根據功率加適當整流罩）；

4）最大加速度：100 g/95 g；

5）裝機功率：5 kW/125 kW；

6）匯電環： 22對/184對；

7）離心機總質量：2 t/23 t。

設計：中國科學院581組。

制造：上海化工機械廠/上海精業機器廠、上海中華造船廠。

使用：北京衛星環境工程研究所。

使用情況：服役中。

離心機半徑增加意味著試件尺寸可以增大，而有效負載提高，滿足了迄今為止我國所有航天器的試驗需要。一次改進設計居然一勞永逸，斷絕了再研制機會，這既是“壞事”，當然也是好事。

同樣，經過驅動供電與控制系統以及匯電環部件的更新改造，目前它仍在服役之中。

筆者在退休之前剛好完成兩臺出口型離心機，當時就遺憾于沒有把最好的設備留在本所。后曾利用文章和技術報告形式規劃了兩臺新機器，其中包括準備配備大型復合振動臺，促進21世紀環模技術進步。但由于種種原因，未能遂愿。

圖5-41及圖5-42表示了大型離心機外形及其實驗室情況，離心機位于地平面以下半地坑式的鋼筋混凝土圍墻內，5 t吊車貫穿實驗室中央，直通大門外汽車停車位，設備及試件運輸、安裝過程，只需一起一吊即可完成，十分方便；控制室位于二樓圖中小門正上方，易于觀察和接近設備，實驗室高大明亮。當初實驗室設計時主要出于安全與使用方便，風阻計算按開放環境進行，并未顧及省功。

圖5-41 BISEE第一代大型離心機外形一Fig. 5-41 BISEE first-generation large-scale centrifuge shape 1

圖5-42 BISEE第一代大型離心機外形二Fig. 5-42 BISEE first-generation large-scale centrifuge shape 2

圖5-43為北京衛星環境工程研究所第一代大型離心機結構示意圖。

圖5-43 BISEE第一代大型離心機結構圖Fig. 5-43 Structure drawing of BISEE first-generation large-scale centrifuge

該機轉子為等長16Mn焊接工字梁主承力件加橫撐結構、鋁蒙皮整流的翼形臂，最初也設計了吊籃及整流罩，吊籃有效負載為400 kg，使用過程中使用者逐漸拋棄吊籃和整流罩，改用外形如圖5-41所示的框形夾具，只在整星或大部件試驗時，才換裝專用夾具，此時可在滿加速度條件下懸掛850 kg掛件，加速度不高時也可拆換為更重物件，其尺寸大小則受限于功率。

該離心機結構為：

· 采用機械傳動與主軸支撐合二而一的轉臺設計，它演變成為以后北京衛星環境工程研究所離心機設計的一個傳統特點；

轉臺設計了φ1 200 mm靜壓導軌用于抗顛覆，它是當時國內最大的高速靜壓導軌，試車中意外發現導軌壓力表還可反映轉子不平衡，用于轉子運轉前靜平衡。

圖 5-44為轉臺結構圖，大直徑固定式主軸與大直徑靜壓導軌構成強大的抗顛與抗徑向力支撐系統，其上雙列圓柱滾子軸承用于轉子精確定心，這種結構與筆者機床專業出身不無關系；轉臺通過矩形鑄鐵底座橫跨于地溝之上與地基強固聯接，設備與地基的強固性始終都是筆者所擔心的；匯電環無論在主軸下或主軸上，纜線均由下部引出，這些構形遂逐漸形成北京衛星環境工程研究所大部分離心機的設計特點。

圖5-44 BISEE大型離心機轉臺結構Fig. 5-44 BISEE large-scale centrifuge turntable structure

· 自行研制的銅-銅石墨套疊式匯電環80對，第一次采用斜置式碳刷（之后已改造為 184對合金環）；

· 第一次采用螺旋傘齒輪副-圓柱斜齒輪副相組合的傳動系統，這里的第一次意味著將成為本所離心機的傳統設計，區別僅在于二者分開或共處于一箱；

· 轉臺旋轉部分的外緣構成自制液壓抱閘制動器制動輪，與電氣制動相配合共有3種制動模式；

· 第一次采用流體循環潤滑系統（傳統設計之一）；

· 發電機-電動機組經電機擴大機調速，直流電動機驅動，具有手動和電位器-時間繼電器自動控制兩種方式（之后均已改造）。

無疑，所有部件都是自行設計、逐件制造而成，不同的是標準件已經可以外購了。

通過觀察第一代大型離心機，可以概括出作為北京衛星環境工程研究所物體離心機初步形成的設計特點如下：

· 對稱轉臂不對稱吊籃；

· 全整流轉子；

· 轉臂試驗端采用四點聯接形式，便于換裝吊籃和大型試件專用夾具；

· 采用主軸支撐與機械傳動合二而一的轉臺結構；

· 下支撐；

· 固定主軸-φ1 200靜壓導軌；

· 下傳動；

· 螺旋傘齒輪副加圓柱斜齒輪副機械傳動系統；

· 匯電環下行走線；

· 稀油循環潤滑；

· 高大實驗室設計。

5.6.1.2 第二代中型離心機

1973年5月，筆者工作從北京調整到蘭州，在繼續載人離心機同時，應現中國科學院空間技術中心前身（當時505所）要求，開始研制半徑3.5 m、負載30 kg、加速度150 g物體離心機。1975年2月完成該設計，1979年12月由天水電氣傳動研究所配套自制可控硅供電控制系統，蘭州石油化工機械廠制造主機完成任務，初調后一次成功出廠。時間拖得長，主要是因為用戶始終處在體制變動之中，安裝地點不落實，至今仍不知該設備下落。

然而在設計之初，利用本離心機研制任務，總體設計已有一點長遠想法，比如著手嘗試中型離心機模塊化和標準化的設計問題。基本設想是將離心機分為兩大塊：即一個包括主軸支撐、機械傳動、匯電環和電、液驅動及其控制等系統在內的支撐-轉動平臺和另一個包括轉臂及試驗吊籃、配重裝置在內的轉子系統所集成。前者設計成標準化的、經濟的、可滿足一定技術范圍且可適當擴展功能的基礎模塊；后者力爭確定為一個高功能結構形式并將其標準化、其尺寸模量可根據用戶要求再行改變的所謂準標準化模塊，以提高適應性，滿足一般用戶相近而不同的技術要求。這樣做的目的一方面為的是減少設計工作量、降低成本；另一方面也是針對當時協作關系不穩定的現實，謀求建立一個相對密切而長遠的協作配套與加工制造伙伴關系。可以說，在國家改革開放之前，我們從科技實踐當中已經萌發并開始了如何使離心機標準化和如何邁向商品化的初步打算與實踐活動。

當然，當時的標準化著眼點還是立足于設計出滿足用戶要求的一種變通性離心機，而不是從離心機系列化、型譜化出發的標準化工作。

除了總體，筆者仍進行轉臺設計，后來由于與載人離心機工作重疊，在設計全面完成以后，研制工作交付其他同志負責。

圖5-45表示了這臺離心機的結構示意。

圖5-45 BISEE 4.5 gt中型離心機Fig. 5-45 BISEE 4.5 gt medium-sized centrifuge

在一個底座上邊集成了全部支撐-轉動平臺部件，包括可控硅-直流電動機驅動及其控制系統（電氣部分在控制室）、電液式制動器、含一級機械減速傳動副和內置式匯電環裝置的轉臺部件。

該離心機主軸支撐已摒棄水平抗顛結構，以長跨距強主軸垂直支承結構取而代之，用不可避免的高度尺寸代替可節省的橫向尺寸；匯電環動靜部件分別與主軸及主軸支撐件合二而一，以標準軸承代替自制大型止推軸承，減速傳動部分以成品汽車后橋螺旋傘齒輪代替自制傘齒輪等等。

該機轉子為全整流等長鋼板焊接的框形結構加鋼蒙皮作為轉臂，轉臂蒙皮以鋼代鋁既經濟又牢固；鋼制可轉動式固定吊籃加鋁合金整流罩，采用鋁合金整流罩主要考慮較鋼整流罩易于加工。

同時，覺悟到轉子與其是被動抗顛，不如主動搞好平衡，為此，設計了機電式臂藏式自動平衡系統，那是一套水平傳感器控制下的伺服電動機—絲杠螺母系統；同時，首次將轉臂設計成為天平式結構，即轉臂與主軸呈鉸接為天平狀，開車之前及慢速啟動過程中均可進行自動平衡。

試件吊籃具有安裝（其平臺呈水平位置時）、運轉（平臺轉為垂直地面）及按特定角度固定等變方位功能，在進行合理平衡后，可對試件進行上下、橫向及多方位的加速度試驗。

這臺離心機被稱為第二代中型離心機，其主要技術性能為

1）旋轉半徑：3.5 m；

2）有效負載：30 kg；

3）載荷容量：4.5 gt；

4）試件尺寸：500 mm×500 mm×500 mm；

5）最大加速度：150 g；

6）裝機功率：30 kW；

7）匯電環：52個紫銅-銀石墨套疊式。

設計：北京衛星環境工程研究所。

電氣配套：天水電氣傳動研究所。

制造：蘭州石油化工機械廠等。

定貨單位：前505所。

它在技術上所體現的新認識和創新點可歸納為：

· 全整流等長臂不對稱吊籃結構；

· 中型離心機模塊化和標準化的雛形機；

· 集成式支撐-轉動平臺部件；

· 自動平衡式轉子——首次構建天平式轉臂，機電式自動平衡裝置；

· 轉臺第一次將匯電環、傳動和支承一體化；

· 第一次將加速度提高到150 g；

· 物體離心機轉臂蒙皮不再采用鋁材；

· 強化主軸垂直抗顛能力；

· 配置成品電-液式制動器；

· 采用市售汽車螺旋傘齒輪；

· 自制52個紫銅-銀石墨套疊式匯電環；

· 采用30 kW廠標產品：可控硅-直流電機調速系統。

可見，這臺離心機相對于第一臺來說，有了質的進步，在設計上開始有了自己的主意。

5.6.1.3 第三代中型離心機

1985年4月為原上海航天局某所研制旋轉半徑2.1 m，負載100 kg、加速度100 g，載荷容量10 gt離心機。這是一臺要求較為特殊的離心機，而且該項目拖期甚長、經濟效益甚微。設計方只是把它作為系列化第三代中型離心機的艱難嘗試。

它的技術指標除中型離心機首次將有效載荷提高為100 kg之外，還有4個第一次：

1）第一次要求試件安裝在轉臂上表面，不要吊籃；

2）第一次要求試驗加速度精度達到±1%，包括調速系統的加速度定位精度和穩定度以及轉臂半徑變形在內；

3）第一次要求具有雙轉臂，第二轉臂半徑為0.5 m，企圖打造一臺小試件準精密離心機；

4）第一次要求配備6 MPa高壓氣和 21 MPa高壓油旋轉接頭。

首先，不要吊籃只要臂端平臺，試件上置式安裝，給平衡設計帶來困難；其次，加速度精度現在看來不算什么，但在二十幾年以前那是需要自行研制的，還是有相當的困難；再者，高壓氣、液旋轉接頭也是首次接觸。

離心機于1986年11月就完成設計，后因用戶實驗室不落實，拖付經費，直至1994年5月才結束制造、完成實驗室安裝和調試。

主要技術指標為

1）旋轉半徑：長臂2.1 m；

短臂0.5 m；

2）最大有效負載：100 kg；

3）試件尺寸：400 mm×400 mm×400 mm；

4）最大加速度：100 g；

5）裝機功率：30 kW；

6）加速度控制精度：±1%；

7）匯電環：自制 66個紫銅-銀石墨強、弱電套疊式匯電環；

8） 氣、液旋轉接頭：6 MPa高壓氣1路，21 MPa高壓油旋轉接頭2路。

研制年代：1985 1994（因用戶場地與經費原因時間拖長）。

研制單位：北京衛星環境工程研究所。

制造：北京第三機床廠等。

使用單位：原上海航天局某所。

圖5-46為離心機結構圖，圖5-47為外形圖。

圖5-46 BISEE 10 gt中型離心機結構圖Fig. 5-46 Configuration of BISEE 10 gt medium-sized centrifuge

圖5-47 BISEE 10 gt中型離心機外形圖Fig. 5-47 BISEE 10 gt medium-sized centrifuge outline

這臺離心機在總體設計上改變了原來思路，成了探索新技術和新構造的機會，最后階段也是由于與大型土工離心機相重疊，在總體和全機設計完成以后，研制工作交由年輕人管理。

由于油、氣旋轉接頭的介入使布局發生改變，以及自行研制匯電環的困難性和個別研制的經濟性，產生了將離心機分為4大塊想法，即轉子部件、機械傳動與主軸支撐一體化轉臺、匯電環及旋轉接頭、電氣驅動與控制單元。雖然該離心機除旋轉接頭系外協解決外，其余都是自行設計、研制的，但已產生了將后兩者逐漸采取外協配套，而集中精力搞好主機的發展思路。因此，從這臺離心機開始就誕生了二級機械傳動系統與主軸支撐系統合一的結構，作為中型離心機的轉臺部件，它的主軸支撐采用機床主軸結構，由雙排圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承組所構成，為的是提高主軸定位精度，與小轉臂形成一個較高精度的加速度試驗系統；機械傳動也是由高精度一級螺旋傘齒輪副與一級斜齒圓柱齒輪副組成的小齒隙系統，輔以稀油潤滑。

轉臂還是天平式構造，由16 Mn鋼板與橫撐構成主承力件，試驗端在轉臂高度水平中心線上設置了安裝平臺，供進行試件側向試驗之用，平臺遠端另設一止推凸臺供安裝直角形夾具時幫助克服徑向離心力，以進行例行正向試驗；為增加抗彎剛度，轉臂設計為不等高全整流形，增加了一點制造難度；轉臂配重端與試驗端結構完全相同，但設計了專用的角度可調式配重裝置，允許在質量配平的同時還可調整其質心高度以與試件相適應，以便同時得到動靜雙平衡。

考慮到使用幾率，取消了制動器。

小轉臂與精確主軸精密定位，具有與機床主軸同等級精度，供小物件進行較高精度加速度試驗。

匯電環與旋轉接頭置于上方，纜線上行。

其基本結構特點為：

· 等長對稱臂，無吊籃；

· 是一臺試件上安裝以側向試驗為主的準精密離心機；

· 具備長、短兩套轉臂；

· 短臂為固定式，長臂為天平式構造；

· 配重既可平衡靜矩，又可平衡動矩；

· 強主軸支撐——錐孔雙排滾子軸承精密定心；

· 高精度螺旋傘齒輪-圓柱斜齒輪副兩級小齒隙傳動；

· 支承-傳動復合式轉臺；

· 66個紫銅-銀石墨強、弱電套疊式匯電環；

· 兩路高壓氣-液旋轉接頭；

· 30 kW可控硅-直流電機調速拖動；

· 自行研制的數字式給定、數字測速系統，加速度精度達到±1%。

不管怎么說，這臺中型離心機奠定了新型中型離心機的總體構架，技術上也跟蹤了國家機電發展水平，培養和鍛煉了隊伍。

5.6.1.4 出口中型離心機和大型離心機

1995年5月至1997年3月在不到兩年時間內，為某國突擊研制了兩臺物體離心機，分別是半徑2.5 m/5 m、負載100 kg/1 000 kg、加速度均為100 g、載荷容量為10 gt/100 gt的一中一大兩臺物體離心機，實現了中國特種離心機走出國門的突破。

從20世紀60年代到90年代，離心機研制速度越來越快，反映了國家整體研制水平的提升。在這種情況下，筆者仍然十分強調保證并加大其中設計時間的比例，因為精心設計乃是設備質量的保證。

圖5-48和圖5-49分別為中型離心機和大型離心機結構圖。

圖5-48 2.5 m-10 gt出口物體離心機Fig. 5-48 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-49 5 m-100 gt出口物體離心機Fig. 5-49 5 m-100 gt export object centrifuge

其技術概要如下。

5.6.1.4.1 2.5 m-10 gt中型離心機

這是一臺具有固定式試驗吊籃的通用中型物體離心機，是在三代機基礎上發展改進而來，轉臂開始采用圓形鋼管作為主承力件。為減輕重量，將16Mn軋制圓管對剖開來，分別置于臂前后兩端形成整流狀，上下再用鋼板焊接成為等高薄殼形加橫撐的框架結構，撐間留開口供穿線用，后覆以薄鋼皮，形成全整流形轉臂，結構剛性好，重量輕。

固定式鋼板焊接的試驗吊籃，不加整流罩，便于使用；配重端與轉臂等高，整流形；轉臂還是采用天平式懸掛結構，用于試前調平。

一體化轉臺：將主軸支承、兩級減速、潤滑系統、驅動電機集成為轉臺部件，無制動器，并增加了一個底座，首次將底座作為稀油潤滑源，整體性極佳，從工廠到現場整體運輸、整體安裝，大大縮減了現場作業時間和工作量，保證了設備精度。

外協配套的匯電環，下走線，纜線經穿越油池的密封波紋管穿出。

2.5 m-10 gt出口物體離心機外形見圖5-50、圖5-51和圖5-52。

圖5-50 2.5 m-10 gt出口物體離心機轉臺外形Fig. 5-50 Turntable shape of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-51 2.5 m-10 gt出口物體離心機試件吊籃端Fig. 5-51 Model basket end of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

圖5-52 2.5 m-10 gt出口物體離心機配重端Fig. 5-52 Counterweight end of 2.5 m-10 gt export object centrifuge

5.6.1.4.2 5 m-100gt大型離心機

大型物體離心機轉臂由于承力大，是將兩根完整合金鋼管直接與鋼板焊接而成，框架間同樣覆蓋薄鋼板，構成整流外形；試件吊籃也為固定式鋼板焊接結構，為節省功率覆以鋁合金蒙皮；兩級減速與主軸支承復合式轉臺，可惜考慮到無需跨越地溝、減輕整體重量、降低成本等原因，未設計底座，有些遺憾，潤滑油源則另制在外，總體性與現場安裝均不及中型離心機好。

二機各采用 16對/36對貴金屬專業配套匯電環，下出線。

分別采用45 kW/250 kW國產直流電動機加美國通用電氣公司可控硅拖動系統，該供電柜恰好可同時提供兩路電源，一柜帶二機，供電柜配備有PLC控制器實現可編程全自動控制。

離心機配置進口數采及CCD光學系統。

兩臺離心機與我們以前設計的機器相比較，應該說是屬于20世紀90年代機電雙優的產品。

5 m-100 gt出口物體離心機外形見圖5-53，圖5-54和圖5-55。

圖5-53 5 m-100 gt出口物體離心機轉臺部分Fig. 5-53 Turntable shape of 5 m-100 gt export object centrifuge

圖5-54 5 m-100 gt出口物體離心機試件吊籃端（整流罩拆除）Fig. 5-54 Model basket end of 5 m-100 gt export object centrifuge(removed the fairing )

圖5-55 5m-100gt出口物體離心機配重端Fig. 5-55 Counterweight end of 5m-100gt object centrifuge

這臺離心機總體設計上最大的突破就是實現了大型離心機一室化，一改通常大型離心機實驗室有地下室、主機室、頂室三層，至少是主機室和地溝兩層的總體布局形式，現在只需一層就大大簡化了實驗室建筑，也方便了安裝維修，電動機放在實驗室內，其自冷通風機還可不裝；其次就是實現了遠距離（數百m）的數字式全自動控制與檢測。

遺憾的是，限于時間和經濟原因，沒有來得及或者說沒有花精力和資金去研制離心機專用控制系統。

圖5-56 兩臺離心機供電柜及控制臺Fig 5 -56 Power cabinet and console for two centrifuges

這兩臺離心機可以說是筆者離心機領域的關門之作。從設計、加工、國內試車到運輸、安裝、調試成功，才不到兩年。盡管時間緊任務急，仍然抓住機會盡可能地使之有所前進，實現理想，終于達至基本目的。

筆者負責了兩臺離心機的總體設計，指導新人設計部件并與老伙伴設計了中型離心機主機。

縱觀數十年離心機研發史，大腦由空到有所悟，思維由個體到整體，認識漸近合理，設計由繁到簡。但是事無盡頭，物體離心機復合環境化已提上日程。

這兩臺離心機的主要技術指標為

1）旋轉半徑：2.5 m/5 m；

2）有效負載：100 kg/1 000 kg；

3）負載尺寸：500 mm×500 mm×500 mm/ 1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm（長×寬×高）；

4）最大加速度：100 g；

5）載荷容量：10 gt/100 gt；

6）裝機功率：45 kW/200 kW；

7）匯電環：16對/36對紫銅-銀石墨強、弱電套疊式匯電環。

研制時間：1995-05 1997-03。

任務承接與管理：成都航天工業烽火精密機械公司。

制造廠：第二重型機械廠、湖北荊州減速機廠等。

兩臺離心機結構特點，可歸納為：

· 等長臂不對稱吊籃；

· 軋制圓管焊接承力臂結構；

· 主軸支撐、傳動減速甚至與潤滑系統、驅動電機一體化；

· 大型離心機一室化；

· 遠距離全數字控制與檢測。

5.6.2 特大型人-物兩用離心機

時光回到20世紀60年代中期。被科技基礎和三年困難推遲的衛星計劃，在導彈技術取得進步的鼓舞下被重新提上日程。1964年12月，趙九章先生呈書周總理，認為目前條件已具備，可盡快開展衛星工程；隨之，1965年中國科學院接受周總理委托展開工作，繼而1966年1月，中國科學院衛星設計院即651設計院成立，開展了“東方紅一號”衛星的研制。原581組也隨之撤消重組[25]，筆者所在之設計組，則被分配到651設計院下屬的應用地球物理研究所工廠，簡稱581廠，繼續43型離心機研制。

651設計院歷史不長，兩年后，中國空間技術研究院成立，筆者所在的設計組又回到北京衛星環境工程研究所，屆時即43型大型離心機剛剛運行第二年。中國空間技術研究院的成立，開始醞釀特大型人-物兩用離心機（或稱68機，3號機）。

5.6.2.1 研制概況及教益

載人離心機任務于1968年6月開始了方案論證大調研，1969年初著手設計。從技術指標看，該離心機絕對是一臺超時代的攻關項目；從實踐過程看，是一臺懸念不斷、收獲頗豐的科技任務。40年前，載人飛行還十分神秘，用戶對設計指標怎么提也是開門難題。雖然航空載人離心機1965年已開始研制，可尚在過程之中，加速度醫學研究在中國還純屬空白。用戶從國外文獻里得到啟發，提出了相當于我們今天理解的所謂“三軸動態飛行模擬器且復合振動臺”這樣規模的一紙要求，交給了設計者。限于專業，他們也許并不知道這個指標有多高，而對設計者來說無疑困難重重。由于載人飛行計劃的推遲，這項任務從時間和壓力上得以釋放。但盡管如此，承載著高要求的離心機任務并沒有下馬。第一步依然足足走了3年，包括入題、初步設計和主要部件落實研制等等。當時方案最大的分歧點，發生在主軸和三軸艙系統上到底采用液壓還是電驅動之爭，最后，經錢學森親自拍板決定：“離心機人、物兩用；三軸電動，主軸液壓。”

“人、物兩用”即該離心機既可作高啟動率載人離心機用，還必須是一臺較高加速度的物體離心機，供飛船試驗。主軸采用液壓方案主要基于大功率可控硅技術尚不成熟，直流電動機繼續用交流電動機-直流發電機組供電甚顯落后；而小電動機集成方案既有同樣問題，且與液壓方案比較起來沒有后者體積小、快動性好，因而“液”勝過于“電”。其實，時至今日，即使大功率可控硅技術已臻成熟，載人離心機主軸驅動到底采用大電動機還是小電動機配機械減速器，抑或液壓馬達配機械減速器，孰好孰壞仍有其爭；至于“兩用”問題，以后會談到。

技術是硬東西，又經兩年按既定方向工作，對各種難題基本有所深入和研究，結合國情雙方逐漸達成一定共識，才將設計指標進行了部分縮減，基本敲定下來。此時已經五載了。說基本，一是因為用戶主要技術要求沒有松動，愿意縮減的只是用戶覺得可暫時不要的，比如復合振動臺，和限于實情確實達不到的指標，比如加速度啟動率等；二是盡管如此，關鍵技術依然成堆，攻關前途誰都難以預料；三是現在看來，所定指標還是很高，這樣就埋下了不確定因素。

回想起來，當時，沒有人能站在高處，重新審視一下航天醫學到底需要什么樣的離心機，技術指標有無可斧正之處；或者認真探討一下載人離心機與物體離心機二者互相兼容的利弊，到底兼容好還是不兼容更好。因此，終究跳不出既定圈圈，而不可能出現大刀闊斧的變化。如果當時認識到按第三代載人離心機指標進行研制的話，那結果將大不相同。自然，這種情況的發生，既與學術水平有關也帶有當時時代的特色。載人離心機研制過程，絕大部分是在“文化大革命”浪潮中進行的，而且其間還有一次重大的體制調整。這些形成了載人離心機研制中別具特色的經歷。

首先，在“抓革命，促生產”的口號下，設計人員只能在服從運動安排之余見縫插針地畫圖、計算、搞調研、跑生產。辦任何一件事都必需求機關、求承制、求供貨方，以至發展到必須積極主動地創造一切條件，才能推進一件件工作。比如，為大齒輪滾齒這道工序，加工前齒輪半精加工件要運進車間，加工中設備不得斷電，加工后爭取達到更高精度這3件事，本來都是承制廠該辦的事，可當時你要這樣想，那就只能無限制地等待。怎么辦呢，首先積極主動聯系推土機和施工隊伍，修好人家“深挖洞”后開膛劃肚的路；然后到有關部門申請增容指標，為承制車間增配雙路供電線路，再找施工隊伍架線；高精度滾齒刀呢，跑哈爾濱刀具廠聯系研制。當時就是這種情況，出于對國家和人民的責任感，使自己設計的東西盡早變成一個物件，只好“不待揚鞭自奮蹄”。在當時，技術人員“駐廠盯生產”是一大景觀，除份內技術工作以外，其他相關的服務和聯絡，樣樣都要親自操辦。

其次，在20世紀70年代，國家技術基礎薄弱，幾乎任何一個元器件都需自行研制，包括如今可輕易獲得的各種配套供應品，如離心機所需大至模擬計算機（數字計算機未敢奢望）、液壓泵、液壓馬達、電液伺服閥、高精度匯電環、可控硅供電系統、大型軸承、諧波減速器；小至高精度滾齒刀、軸承合金、液態密封膠等等，都要花精力一一去自行或組織研制。當時更沒有什么ISO9000標準和全面質量管理之說，因此產品質量完全取決于設計者的責任心、認識水平以及利用當時條件求得最佳結果的程度上。在設計手段上，尚無有限元、仿真計算等等先進方法，只有靠計算尺和手搖計算器。如此龐大的機械系統，連轉臂自然頻率也無法準確計算，三軸系統就更無能為力了。

再有，在1971年經過了一次體制調整，大部分科技人員包括離心機設計人員被調整到蘭州物理研究所。由于蘭州身處中國西部腹地，而離心機研制活動大部分都落實在東部先進城市，搬遷進一步拉遠了與協作區距離。為了查閱資料和工作上的協作，技術人員常年奔赴北京和東部城市；而回蘭州時順便捎回一些生活日需品，聊以改善一些艱苦的生活。一次出差經常是半年10個月回不了家，夏天出門得帶上冬衣，回來還得排幾宿買回程票。這種生態堪與今日農民工兄弟一比，盡管浪跡天涯目的不一樣，但同樣拋家離土，有時攜兒背女，奔波于旅途客棧，連續長達10余年動蕩顛簸，夫妻雙方多年面對家庭、孩子、生活、事業諸多艱辛與困難，遠非今日大學生所能想象與領受。因此，不要忘記，在中國歷史上，也曾出現過一支科技“農民工”隊伍，他們大抵是從事“兩彈一星”的科技工作者，在新中國動亂而茫然的那段歲月，正是他們的奉獻，才使空中奏響“東方紅”，點燃人們心中的希望。

歷經種種磨難，1976年底轉臺部件結束工廠制造，1978年下半年轉臺進入實驗室安裝。終于，載人離心機進入了總調試階段。

一聲令下，模擬計算機電信號通過電磁線圈，輕輕拉動電液伺服閥初級閥體，完成電液轉換，控制隨動伺服閥末級——大流量閥體移動；驅使動力油推動液壓作動筒——機械連桿機構運動，聯動機構帶動一系列杠桿系統，搖轉14臺變量液壓泵的斜盤擺角；14臺300 kW交流電動機驅動著的14臺變量泵，隨著斜盤擺動而輸出所控油流一起匯入主油管；主管路上方，旁置著許多閥門和其他裝置，起定壓保護作用，保證油流具備所需壓力，并將油流安全穩定地推入圍繞轉臺的大直徑環形管道中；經管道均勻化后再分為16路，分別通過精細過濾器，注入16臺安裝在轉臺周圍的定量式液壓馬達內；16臺液壓馬達在高壓油流驅使下，帶動各自小齒輪去共同推動一只大齒輪；于是，與大齒輪相連的數十t重轉子轉動起來了。而數十t轉子完全漂浮在一套大型全靜壓軸承系統上，所謂全靜壓軸承指的是轉子徑向和軸向都支撐在一層具有一定剛性的薄薄油膜上，因此轉子由靜止狀態只需克服液體摩擦，便能輕輕轉動起來。這一轉動標志著樓上樓下地下數千m2、重達數百t、龐大的、組成離心機軀體的所有微電子、大功率機、電、液及主機系統，包括全部硬件、軟件、固體、液體統統貫通了。

之后不久，單軸艙載人離心機系統終于在1982年底順利地完成調試。

單軸艙載人離心機系統的順利調試，意味著它已經是一臺載人離心機及一臺高載荷容量的物體離心機。用戶將來獨立面對的將是繼續調試一臺三軸艙系統離心機，對于它的命運，個人當時還是十分關切與不舍。

筆者在該離心機課題中，承擔轉臺設計和研制工作，無疑43型離心機靜壓軸承經歷鼓舞了自己，才敢向大尺寸全靜壓軸承系統沖擊。另一方面，筆者還協助相關領導，參與整機一系列研制、調試的技術組織與計劃管理工作，作為人生這特定年齡段來說，此生能獲如此難得的一項高科技、高強度鍛煉機會，也屬生逢其時，值得慶幸。

除設備本身，用戶方負責的離心機實驗室建設、大功率配電增容工程、轉臺海陸運輸、保障現場裝調條件等等，無不繁瑣而復雜。可見，為離心機課題付出的并不只是少數人，而是一大批人，一代人。對于這臺離心機整體情況，我們站在今天認識的技術角度分析：

1）由于其半徑較長和兩用要求，一方面使得轉子轉動慣量變得過分龐大；另一方面物體離心機高轉速，又使得驅動力矩不能利用更大減速比予以充分發揮；當然，執行件品種的單一，即液壓馬達轉速與出力只有一種選擇，使得變通余地很小；以及受最大運輸尺寸限制，大齒輪不可能再大，增加動力配置幾無可能，因此，它的動力和快動性必然是受限的。這樣，唯一能提高加速度啟動率的努力方向，只有縮減半徑和簡化三軸。

2）單軸艙離心機系統雖然已建立起一個離心機平臺，三軸艙系統本身也進行過地面初調，三軸系統與離心機安裝也沒有問題，大功即將告成，但不言而喻，三軸艙離心機系統乃是沖擊水平之所在，未走之路人們往往心中無底，因此，個人覺得其聯調難度可能不亞于單軸艙離心機系統。當然，我這里主要指的是總調試而不是整個的研制調試過程。

3）因為單軸艙的滾轉不需要控制，單軸艙離心機總調試主要考核的是從主控到主軸一系列機電液環節匹配問題，重點在于構建一個可控的轉動的離心機系統，特點是大系統、大載荷、大功率與大型機、電、液綜合技術。這些工作大部分其實在研制與安裝過程中，已分步驟一一解決了，總調試就是把它們串起來，發現新問題并達到預定指標。因此，單軸艙離心機研制重點在乎其漫長的過程之中。

4）而三軸艙離心機調試，是在平臺之上疊羅漢，三軸艙系統地面調試與平臺上調試會有很大不同，牽扯到三軸系統與轉臂等機械系統以及主軸電液系統間的動態匹配與控制問題。雖然相對是小系統、小功率，但因三軸艙處在加速度場內，其結構變形和動態受力將成為新變數，控制與協調內容也含有不少新問題。個人估計，如果說，其電控部分經過反復調試與不斷改進，有望最終獲解；但在計算機有限元與仿真計算出現之前，未經任何模型試制與調整，就僥幸把一個大型多自由度機械系統匹配得已經可以接受，其可能性不敢斷言，總覺得或大或小都會遇到一些問題。而機械系統又非用戶所長，出現問題，機械裝置改動性差的特點必然會形成攔路虎。遺憾的是，迄今為止尚不知其最終調試結果。

我們再看看以后的結局。

進一步發展的情況是，15年后的它，在20世紀90年代中后期，被新一代HYG08載人離心機所取代。

對于老機器，我們應該給它一個中肯的評價：

1）首先不會忘記它曾經的輝煌與奠基作用，以及長達15年間所完成的歷史使命；在技術上，它基本忠實地反映了歷史可能性，未曾愧對歷史，甚至有些方面某種程度上多少會推動國家一些技術進步。

2）另一方面，必究它的加速度啟動率不夠理想，機電液系統過于龐大，液壓系統管理起來頗為費力，技術改造似乎也無從下手。

3）更重要的是，用戶終于認識到半徑可以小到8 m，三軸艙系統可以不要，只要便于控制，便于管理，加速度啟動率有所提高就好了；再加上離心機電動系統的快速發展，自然就導致了更新換代的結果。

人們不能超越歷史，更無意阻攔歷史。自從68機下崗，期間個人時不時還惦記著，如何使這臺超大型設備有朝一日起死回生，繼續發揮余熱。比如，如果想提高其加速度啟動率，可以考慮更換較短較輕轉臂；提高運動功能，可另外附加一套新的雙軸艙系統；甚至載人之外，利用長臂加裝大振動臺，轉化成為一臺大容量低加速度動態土工離心機，就像加利福尼亞大學從 NASA接管過來航空航天物體離心機將其改造為美國國家土工離心機那樣，也是不錯選擇；總之，情之所系，魂牽夢繞，大有不離不棄之意。

不料，不久前聽說它已經被“處理”掉了；當它的經濟價值被認為不如它所占有的土地價值高時，那就不能不為之揪心了。慮此，倏感背寒，也頓生感懷。

拋開情感，忘卻冰冷機器里似曾滲透著、凝聚著中國一批風華正茂年輕人精華歲月和無法割舍的掛牽之后，我們將關注點轉投在該設備的技術方面，尤其是一些被逼出來的大膽創新之舉與汗水凝結的結果之上時，也許更有前瞻性或可發現其新價值，其中有些東西，時至今日也許還是值得人們去了解一下的，說不定它們對于離心機或者其他大型設備研制仍有一定啟發與借鑒作用。

該設備研制工作是由北京衛星環境工程研究所負責，用戶單位中國航天醫學工程研究所全程參與，主要協作單位是天水電氣傳動研究所，而生產廠商遍及上海、北京等東西南北各地。

5.6.2.2 技術指標

首先讓我們了解一下它的設計要求，看看 40年后的今天，是不是變得易如反掌和唾手可得。

先不說1968年當初的要求，就是1973年1月根據初期工作和國家技術條件，用戶與設計者協調改減后，最終確定的離心機設計指標為

1）旋轉半徑：

三軸艙——10 ×(1±1%) m；

單軸艙——12 ×(1±1%) m；

2）最大加速度：

三軸——15 g；

單軸——25 g；

物體——45 g；

3）加速度值增長率：

啟動1 s后＞1 g/s，上升至5 g；

5～10 g之間大于2 g/s；

4）座艙：

單軸艙——容積大于2.5 m×1.8 m×2.0 m，有效載荷500 kg；

三軸艙——內徑2.5 m，有效載荷300 kg；

5）三軸艙運動要求：

① 活動范圍（除修正重力加速度或切向加速度外）為

內環——0～360o；

中環——0～±30o；

外環——0～±30o；

② 角速度：

內環——0.01～0.5 rad/s；

中環——0.01～0.5 rad/s；

外環——0.01～0.5 rad/s；

③ 最大角加速度：

內環——0.5 rad/s2；

中環——0.5 rad/s2；

外環——0.5 rad/s2；

④ 跟隨性：

頻響：fc=0.5 Hz；

幅值誤差：∣ΔA∣≤5%；

相位：∣ΔΦ∣≤5%；

靜差：≤±0.5o；

⑤ 艙內噪音：≤90 dB；

6）單軸艙與三軸艙互換方便；

7）艙內供氣：

壓力——120 mm水柱；

流量≥150 L/min；

連續工作1 h；

8）座椅與躺床互換方便，各節角度可調；

9）艙內配置顯示儀表、操縱系統、電視監視、X光機、照相機等設備；

10）控制：

g值及3自由度運動可模擬試驗曲線；

航天員可控g值及3自由度運動；

11）匯電環：

①主軸——152環，計：

心電60環，1 mV，噪音小于10 μV；

腦電20環，10 μV，噪音小于1 μV；

物理電40環，20 mA，±0.1 ±100 V；

一般信號20環，1 A，5 45 V；

電源8環，5 A，220 V；

電源4環，15 A，380 V；

②三軸——104環，計：

心電20環，1 mV，噪音小于10 μV；

腦電20環，10 μV，噪音小于1 μV；

物理電40環，20 mA，±0.1 ±100 V；

一般信號20環，1 A，5 45 V；

電源4環，3 5 A，220 V。

改減的主要內容是：座艙內不再要求安裝振動臺；加速度啟動率大幅調低；而最低啟動率也指的是轉動1 s（不是1 g）后，等等。

這當然是一次重要變動，也是頭幾年工作的一些共識，由于當時部分圖紙已投入生產，較大的改變也不可能了，比如如果不強調從靜止啟動，可不考慮靜、動態摩擦過渡問題，全靜壓軸承系統就可省去，研制難度會大大降低等。

但是，以20多年后對HYG08載人離心機的要求反證，這個技術指標還是很高的，比如半徑長度8 m與12 m，1 g啟動與1 s啟動，特別是單軸艙與三軸艙的重大區別以及有無人機控制等等，這樣高要求的載人離心機至今我國不要說還未出現，可能尚無人問津。這個指標，除了未要求視景系統外，硬件基本就是一臺直徑龐大的三軸動態飛行模擬器，而且還是人、物兩用離心機。

現在看來，作為航天載人離心機，半徑8 m配置一個兩軸艙系統，具備滾轉與俯仰運動，將動態過程重力加速度與切向加速度效應處理好就很理想了，半徑短一些再少一條軸其技術難度將會降低很多。如果40年前按這個方向攻關，而且不考慮兩用并組織得更好一些的話，也許還是有一定實現可能的，且至今也不落后。

圖5-57和圖5-58分別表示出單軸艙和三軸艙載人離心機的外形。

我們看到的是一個直徑達30 m的大廳和一臺龐大的機器：離心機轉子質量達65 t（三軸艙系統），主機總質量為150 t；地下室還有數十臺套電動機-液壓泵、供電柜、液壓伺服控制系統、潤滑油源以及龐大的管路網及其安全保護裝置等等系統和設備；全機總質量約為200 t，裝機總電功率達到4 200 kW。

包括樓上模擬給定系統、監測控制系統、生理研究系統，洋洋灑灑，將當時從微電子到大功率機、電、液等能反映時代特征的技術集于一身的這樣一臺室內特大型試驗設備，終于由一紙技術指標展現在面前，當這個龐然大物擺在那里的時候，確實令人震驚，連研制者自己都沒有想象到。

圖5-57 BISEE單軸艙載人離心機外形Fig. 5-57 BISEE single axle cabin manned centrifuge shape

圖5-58 BISEE三軸艙載人離心機外形Fig. 5-58 BISEE three axle cabin manned centrifuge shape

離心機研制全過程，用戶單位始終和設計方密切合作，共同參與和監管，研制情況一目了然，試車過程與用戶共同操作，幾乎不用什么交接，就過渡過去了。設備使用過程中，用戶進一步對液壓補油系統、放氣系統、靜壓油源和補償系統、定點停車等環節進行了局部改進，使啟動瞬間的加速度增長率達到了 1.9 g/s[26,27]，這已大大超過了設計指標。在中國實現真正載人航天夢之前，正是利用它為國家航天醫學研究作出歷史性貢獻，同時也為未來載人離心機和動態飛行模擬器研制取得一定經驗與教訓。

此外，離心機作為物用時，轉臂可懸掛質量為5.5 t的大試件，半徑12 m處加速度可達45 g，轉臂最大負載容量約為250 gt，就是說，該離心機同時具有特大型物體離心機試驗潛力，如果加以利用的話。

如此規模的離心機當時堪稱亞洲第一，也可進入世界靠前行列

5.6.2.3 轉子

圖5-59為三軸艙載人離心機結構圖。

圖5-59 BISEE三軸艙載人離心機結構圖Fig. 5-59 BISEE triaxial cabin manned centrifuge structure drawing

三軸艙系統不是指三軸轉動離心機，而是指三軸艙系統本身就具有滾轉、俯仰和自旋3根軸；如果連離心機主軸算在內，應該是 4軸轉動離心機。但是在結構上三軸艙系統只能看到兩根軸系，其中俯仰軸是由內外框間大軸承形成的無軸轉動副，這個構造是一個關鍵設計，不但簡化了結構，而且為艙門開啟提供了敞開的空間，難度則完全系于大軸承上。當時如此大的輕型軸承還沒有，為此，自行研制了鋼絲滾道軸承。

質量為4.5 t的三軸艙系統由內外框及座艙兩大部件組成，內外框間形成直徑為3 400 mm自制大型鋼絲滾道軸承，框的轉動由可控硅-直流伺服電動機經諧波減速器-小齒輪，嚙合扇形齒輪副所驅動；滾轉軸和自旋軸也分別由各自可控硅-直流伺服電動機-諧波減速器系統驅動；三軸艙體為承力框加蒙皮結構；而質量為1.5 t的單軸艙體則為殼加筋結構。

三軸艙鋼絲軌道軸承雖然經過地面跑合，運轉自如，但在加速度場內，負載增加、內外框變形不一致等因素，均會影響其性能，無疑這個環節很可能會成為成敗的制約。

此外，鋼絲滾道軸承的剛度和與系統匹配情況也是一個未知因素。

圖5-60至圖5-63表示了單軸艙，三軸艙及其傳動的一些情況。

圖5-60 單軸艙在轉臂上Fig. 5-60 Single axle cabin on arm

圖5-61 三軸艙系統與地面支架Fig. 5-61 Triaxial cabin on the ground support

圖5-62 三軸艙系統在離心機上Fig. 5-62 Triaxial cabin system on centrifuge

圖5-63 三軸諧波與大齒輪傳動Fig 5 -63 The harmonic drive meshing with great gear of triaxial cabin system

轉臂為16Mn鋼管焊接結構，尺寸為15.4 m× 2.75 m×1.4 m的桁架式長短臂，短端長度為2.5 m，與三軸艙叉頭或單軸艙加長臂的換接均采用 4個雙向螺旋接頭結構，轉臂部件包含配重在內自身質量約為30 t。

圖5-64表示轉臂中央及配重端的局部圖，圖5-65表示雙頭螺旋接頭部分。

圖5-64 轉臂配重端及與轉臺的聯接Fig. 5-64 Arm’s counterweight end jointed with turntable

圖5-65 轉臂雙向螺旋接頭Fig. 5-65 Arm’s stud joints

5.6.2.4 主軸液壓驅動

離心機主軸驅動采用多泵多馬達系統，其構成為：14臺功率為270 kW的ZB740柱塞式變量泵并聯，將其調整斜盤統一由液壓作動筒-連桿系統操縱，后者受QDY1-C100型電液伺服閥根據模擬機給定曲線控制，以最高21 MPa壓力，將大至10 000 L/min的油液輸送給16臺ZM740定量式液壓馬達，形成一個龐大的組合容積式液壓調速系統。

圖5-66至圖5-70表示從300 kW交流電動機到液壓泵、伺服閥系統到液壓作動筒-連桿系統，直到進入轉臺前之龐大的液壓系統圖片。

圖5-66 14臺300 kW交流電動機組Fig. 5-66 14-300 kW AC motor group

圖5-67 14臺270 kW液壓泵組之一Fig. 5-67 One of the 14-270 kW hydraulic pump groups

圖5-68 伺服閥控制站Fig. 5-68 Servo valve control station

圖5-69 14臺泵組聯動杠桿機構的執行部件Fig. 5-69 The linked device executive component of 14-pump group

圖5-70 10 000 L/min高壓油液管道及其安全閥系統Fig. 5-70 10 000 L/min high pressure hydraulic pipeline and safety valve system

這一套輸入電功率高達4 200 kW的液壓驅動系統，不僅在當時，就是現在，國內外也不多見，其主要工作量除每一個關鍵部件需逐一進行研制外，系統集成和大流量管道系統也是陌生課題。

5.6.2.5 轉臺

該離心機轉臺不僅是承上啟下結構上的中心，上面承擔轉子重量，保證精密匯電環組安裝與正常轉動；下面與地基通過球面可調墊鐵調平與固定；同時，還承擔著16臺液壓馬達驅動力矩和驅動功率的動力耦合、完成機械減速功能；并保證轉子定位和低摩擦轉動，以及承受龐大的垂直與徑向負荷。

轉臺的核心結構是一個高精度大型人字齒輪及一組高質量全靜壓軸承系統：大型人字齒輪直徑為3 838 mm、質量為 22 t，將均勻環繞其圓周的 16個ZM740液壓馬達-小齒輪軸系，耦合成為5×105N·m驅動力矩。比液壓泵增加了兩臺液壓馬達，為的是增加啟動力矩，有利于驅動質量為65 t的轉子快速旋轉；大齒輪精度高達6-5-5級，傳動比為21.5，這個系統一舉完成了減速、精密傳動、動力耦合與多馬達同步功能。

轉子被一組直徑為2 300 mm的靜壓軸承和直徑為2 900 mm的靜壓導軌組成的特大型高速全靜壓系統所支承，以厚度為0.1 mm的剛性油膜解決靜、動態摩擦過渡和承載問題，構成全液體摩擦副，油膜補償元件為對稱油池間反饋式滑閥。

轉臺大底座被設計為垂直面兩半剖分，后再榫接、密封的拼合式結構，大齒輪的極限尺寸以及大底座拼接方案，都是受限于尚未確定的三線地區火車超限運輸尺寸的規定。

轉臺大齒輪加工利用萬噸水壓機、精密滾齒機等一流設備，轉臺總質量達到86 t。

圖5-71及圖5-72分別表示轉臺外形和結構，圖5-73表示液壓馬達及其供油管路。需要進一步說明的是：

· 采用人字齒輪為的是上下分別各分布8個小齒輪組，以抵消斜齒輪傳動所形成的軸向力；

· 小齒輪座與大底座采用鉗工刮配法，代替當時難以實現的多孔精密鏜孔定位工藝；

· 靜壓軸承加工采用了諸如大修加工設備、利用夜靜精車和鉗工翻刮等繁復的工藝措施；

· 靜壓軸承和靜壓導軌表面都覆蓋以專制軸承合金，其中大直徑軸承套采用軸承金屬噴涂工藝，一旦靜壓系統失效就轉化為壓力潤滑的滑動軸承，以保證運轉安全。

圖5-71 BISEE載人離心機轉臺部件外形圖Fig. 5-71 BISEE Manned centrifuge turntable outline

圖5-72 BISEE載人離心機轉臺部件結構圖Fig. 5-72 BISEE Manned centrifuge turntable structure drawing

圖5-73 轉臺16臺液壓馬達及其供油管路Fig. 5-73 16 hydraulic motors and oil pipelines of turntable

轉臺部件備有專用潤滑油源，提供靜壓軸承系統精濾的穩定壓力油和為16個齒輪傳動副及齒輪軸軸承系提供潤滑、冷卻用油。為簡化油路，二者均采用同一油品。

5.6.2.6 匯電環

40年前還是模擬量時代，主軸和三軸系統共有強、弱電匯電環7套，當時還沒有計算機預處理系統，用于心、腦微信號的模擬量必須長距離串聯傳輸，因此，要求研制出高精密、抗干擾匯電環及其傳輸系統，所以匯電環的研制周期甚至比整個機器還要漫長。

自行研制的精密匯電環特點：

· 強電采用金銅合金環、銀石墨刷、恒力彈簧；

· 弱電為金銀銅合金環, 金鎳絲；

· 匯電環均采用環氧樹脂整體澆鑄成形的結構，返工率很高。

電氣與控制

電氣部分分為：

· 主驅動為14×300 kW，總計4 200 kW交流電動機供電與控制系統；

· 三軸可控硅-直流伺服電動機驅動控制系統；

· 離心機給定與控制系統。

現在這些系統完全可以輕易地取得供應商高質量配套產品，而在當時困難重重，可控硅供電系統特別是模擬計算機都進行了漫長的研制過程。

茲用圖5-74至圖5-77給出了離心機電氣系統的外形圖，目的是對比一下30年前的技術狀態。

圖5-74 4 200 kW電源開關柜Fig. 5-74 4 200 kW power switch cabinet

圖5-75 離心機模擬給定系統Fig. 5-75 Centrifuge preset system

圖5-76 離心機控制臺Fig. 5-76 Centrifuge control bench

圖5-77 生理試驗控制臺Fig. 5-77 Physiological test control bench

該離心機主要由上海彭浦機器廠、上海四方鍋爐廠、上海液壓泵廠、上海造紙機器廠、上海汽輪機廠、上海儀器廠、第一重型機器廠、北京鍋爐廠、北京開關廠、天水電氣傳動研究所等數十家大型工廠和近百家協作單位協作和承制。

載人離心機結構特點：

· 長短臂，固定配重，鋼管焊接桁架式承力梁，臂端四接點雙螺紋聯接結構；

· 雙框式大型自制鋼絲滾道軸承三軸艙系統；

· 主軸大功率大流量多泵多馬達組合容積式液壓調速系統；

· 多馬達組合高精度齒輪傳動系統；

· 大直徑全靜壓高速軸承系統；

· 高精密匯電環；

· 可控硅-伺服電機控制系統；

· 模擬給定裝置。

載人離心機研制之時，最令人困擾的重大技術問題有：

9） 多馬達系統同步與調零問題：

· 14臺交流電動機同步；

· 液壓泵斜盤調零與同步；

· 電液伺服閥與系統調零；

· 16臺液壓馬達同步與大齒輪關系；

2）大流量液壓系統發熱、制冷及能量回收問題；

3）液壓管系補油、出氣、水擊、變形、阻尼等問題；

4）轉子大慣量與液壓系統流體大慣量對離心機快動性的影響與分析；

5）轉臺全靜壓軸承系統——關乎離心機轉動成敗的大問題；

6）三軸系統鋼絲軌道軸承——關乎三軸轉動成敗的大問題；

7）三軸與轉臂機械系統頻率匹配問題；

8）三軸與主軸控制系統協調問題；

9）航天員可控g值問題。

最后，報告一下剛剛落實的消息：

· 鑒于使用原因，主要任務利用單軸艙離心機已經滿足需要，為確保任務起見，三軸艙系統并沒有繼續調試下去；但無論地面或裝在臂上，三軸艙系統都可運轉自如，尚未發現任何重大問題；

· 保證離心機啟動時不跳閘，用戶還曾將大功率滿壓啟動改造為降壓啟動；

· 離心機最后還是被廢止了，原址已成為所工廠大樓。

最終去向已不重要，技術人員還是關心技術，盡管三軸艙系統未暴露大問題，表現的卻比設想的要好得多。

5.6.3 大型土工離心機

1986年 9月開始為中國水利水電科學院巖土工程研究所研制大型土工離心機，它系國家“七五”科技攻關某課題“17-1高土石壩技術研究”專題中的關鍵攻關技術。該離心機按時一次試車成功，于1991年3月經國家驗收，運行至今。

關于這臺離心機，在后面將作為設計實例將以詳盡介紹。這里只提綱挈領地作一簡介[28]，其方案設計圖見圖5-78和圖5-79。實際結果與此稍有不同，如轉臂的整流罩已改為前后對稱，而不是如圖所示的非對稱形。

圖5-78 BISEE 450 gt大型土工離心機及其建筑設計（正視圖）Fig. 5-78 BISEE 450 gt large geotechnical centrifuge and construction design (elevation view)

圖5-79 BISEE 450 gt大型土工離心機及其建筑設計(俯視圖)Fig. 5-79 BISEE 450 gt large geotechnical centrifuge and construction design (vertical view)

LXJ-4-450土工離心機主要技術指標如表5-7所示：

表5-7 BISEE LXJ-4-450土工離心機主要技術指標Table 5 -7 BISEE LXJ-4-450 geotechnical centrifuge major technical targets

LXJ-4-450土工離心機主要技術參數如表5-8所示：

表5-8 BISEE LXJ-4-450土工離心機主要技術參數Table 5 -8 BISEE LXJ-4-450 geotechnical centrifuge major technique parameters

LXJ-4-450土工離心機外形如圖5-80所示[29]：

圖5-80 BISEE LXJ-4-450土工離心機外形圖Fig. 5-80 BISEE LXJ-4-450 Geotechnical Centrifuge outline

該離心機是北京衛星環境工程研究所設計、用戶組織研制的一臺設備，由第一重型機器廠承制。

筆者負責總體設計和全機研制技術工作，由于其技術指標的重大跨越，又不得不從學校重新組織一批畢業生進行設計，其所費之心力和所得到的提高也是無與倫比的，也可以說正是經這臺離心機工作和充實之后，才奠定了本文的寫作意圖與基礎。

LXJ-4-450土工離心機結構特點：

·對稱轉臂；

·不對稱雙擺動吊籃；

·鍛造空心圓柱形鋼承力臂桿；

·試件長度方向與主軸平行的配置方式；

·全整流轉子；

·下支撐；

·下傳動。

縱觀中國空間技術研究院北京衛星環境工程研究所離心機，除載人離心機和第一臺中型離心機外，具有如下共同特點：

·對稱轉臂；

·不對稱吊籃；

·全整流轉子。

中型離心機絕大多數具有：

·天平式轉臂。

所有離心機都是：

·下支撐；

·下傳動；

·稀油潤滑。

離心機盡量做到：

·傳動與主軸支撐合一；

·匯電環引線從下部傳出；

·減少實驗室層次。

（未完待續）

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[23] 賈普照. 離心機研制技術志[R]

[24] 賈普照. 其他有關的未發表資料[Z]

[25] 潘厚任, 吳志誠, 何正華, 等. 趙九章先生與我國衛星事業[C]//趙九章紀念文集, 1997

[26] 曹宏年, 續玉麟, 楊萬春, 等. 68型人用離心機液壓系統分析及改造效果[J]. 航天醫學與醫學工程, 1997, 10 (2)

[27] 曹宏年, 楊萬春, 續玉麟, 等. 68型載人離心機轉臺靜壓支承油膜振蕩現象分析和改進[J]. 航天醫學與醫學工程, 1998, 11 (2)

[28] 賈普照. LXJ-4-4 5 0土工離心機設計報告[R].“七五”國家科技攻關技術報告. 1990-12

[29] 候瑜京. 大型土工離心機試驗設備簡介[Z]. 2009