TK-C500土工離心機計量特性及通用技術要求評價

高 輝，李建東

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 國家水運監測裝備產業計量測試中心，天津 300456)

TK-C500土工離心機是港口水工建筑技術國家工程研究中心核心設施之一，針對港口水工建筑技術中存在的與巖土相關的技術難題，采用離心模擬試驗的手段開展研究，是可再現原型特性試驗研究的行業重器。土工離心機按一定比尺建立物理模型，通過施加離心加速度增加土體重度，使得模型與原型達到應力應變相等、變形相似從而模擬土工結構的受力、變形和破壞等現象。土工離心模擬試驗技術在巖土工程領域設計方案驗證、材料參數研究、數學模型及數值分析計算結果驗證、新巖土工程物理現象探索等方面有較大的應用前景。

TK-C500大型土工離心機有效容量達到500 g·t(g·t代表離心機的容量，g代表加速度，t代表質量)，500 g·t土工離心機最大加速度為250 g，最大轉動半徑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]。離心機加速度范圍值為10～250 g，轉速穩定度0.5%/F·S12 h；滿足一般大型水工建筑物模型試驗的要求，模型比尺大，試驗精度高。

計量是實現單位統一、保障量值準確可靠的活動，同時也是科學技術研究重要的組成部分。TK-C500土工離心機是土力學研究中的重要設備，其試驗結果的準確性是數值分析驗證的依據，TK-C500的超大容量及科研設施設備在國內處于前沿水平，面對如此先進的科研設施，開展基礎性計量測試研究是十分必要的。

1 計量特性

計量技術規范是通用計量活動中的重要組成部分，是計量檢定和校準的重要依據。由于TK-C500土工離心機是國內少數的研發型試驗設備，并不完全屬于工程中使用的常規計量器具，因此目前國內所頒布的關于離心機的技術規范并不完全適用，但仍可為本次計量測試研究提供參考。

從學科發展來看，計量本是物理學的一個分支。隨著科技和社會的發展，人們通常將計量按照被測物理量分成十大專業計量領域，分別是長度、熱工、力學、電磁、無線電、時間頻率、聲學、光學、化學和電磁輻射。土工離心機的離心力本身無法直接進行計量，可以通過拆解物理量對離心機的性能進行測試。在離心機的正常運轉中，其關聯到的參數有很多，根據工程使用實際和通用計量技術要求，確定了安裝半徑、噪聲、回轉轉速和加速度等物理量作為關鍵物理量。其中轉速和加速度計量屬于力學計量范疇，安裝半徑屬于長度計量范疇，工作噪聲屬于聲學計量范疇[2]。根據研究結果，針對離心機提出以下計量特性，內容見表1。

表1 離心機計量特性參數及通用技術要求Tab.1 Metrology index and general technical requirements for geotechnical centrifuges

2 測試方法及數據

2.1 安裝半徑

離心機的半徑分為靜態半徑和動態半徑，兩者之和稱為離心機的工作半徑。當離心機主軸旋轉時，由于溫度、離心機內部結構受力等因素使得靜態半徑發生變化，由此區別出動態半徑和靜態半徑。靜態半徑測量一般由反算法、標準桿拼接法等，動態半徑測量，動態半徑一般采用雙頻激光干涉儀搭配測微傳感器進行檢測[3]。

本次測試參考GB/T 5170.16—2005《電子電工產品環境試驗設備基本參數檢定方法 穩態加速度試驗用離心機》中的測試方法[4]，對轉臂進行靜態半徑即安裝半徑進行測量。采用一級鋼卷尺測量離心模型試驗中取模型重心約1/3處至離心機轉軸中心的距離，測量結果從箱底沿軸線方向長度為4.59 m。滿足出廠技術指標要求。離心機出廠技術文件中約定有效半徑為4.5 m，離心機有效半徑越長，模型加速度梯度越小，則在模擬精度一定的條件下，允許的試驗模型可以越大，這樣模型底部應力大于原型底部應力的誤差值可以滿足試驗要求。

2.2 輻射噪聲聲壓級

表2 離心機噪聲測試結果Tab.2 Noise test results of geotechnical centrifuges

土工離心機依巖土工程試驗室大樓建設，跨試驗室大樓三個樓層，本次測試在四個地點展開，分別為總控室、上儀器艙、主機室防護門外和電機動力室?？偪厥覂仍O有PLC控制系統和上位機監控系統，兩個系統在不同的房間，操作人員可通過PLC控制土工離心機的運行，通過上位機監測系統運行參數和查看視頻監控。上儀器艙靠近風冷裝置入口，通過軸承與離心機相連并同步轉動，測試人員可以通過上儀器艙了解土工離心機的實際轉動速度，觀察其實際運轉情況。土工離心機轉動半徑較大，轉動臂和吊籃在轉動時產生的風速極高，土工離心機在運行過程中主機室防護門關閉，禁止人員靠近。電機動力室位于試驗室大樓地下1層。國家標準和計量檢定規程規定在離心機主體旁1 m處測量輻射噪聲聲壓級的數值。由于港口水工建筑技術國家工程研究中心建設的TK-C500土工離心機運行功率大，設備主體跨越3層樓，因此本次測試的主要地點為上儀器艙和總控室，主機室門和地下動力室作為監測設備是否正常運行的地點[5]。輻射噪聲聲壓級的測試數據如表2所示。

輻射噪聲隨著土工離心機的工作加速度增加而增加?？偪厥液蜕蟽x器艙都未超過90 dB?？偪厥覐?20 g開始，隨加速度的增加，噪聲增加的幅度很小，最大噪聲為56 dB。各個觀測點的噪聲增加幅度和總控室的噪聲增加幅度規律相同。上儀器艙的最大噪聲為87 dB；機室門處最大噪音為98 dB，從180 g起噪聲超過90 dB；電機動力室最大噪音為98 dB，從150 g開始噪聲超過90 dB。輻射噪聲聲壓級主要考核總控室和上儀器倉處，噪聲符合JJG972《離心式恒加速度試驗機》要求，不超過90 dB[6]。

2.3 回轉轉速、加速度示值誤差

轉速的計量測試通常有兩種方法[7]，一種是通過振動測量的方法，它利用振動傳感器測量離心機在工作時旋轉機械產生的振動信息，分析離心機的振動與轉速之間的關系，該方法的測量前提是離心機在裝配完成后，由研發單位給出準確離心機振動規律與轉速之間準確的函數關系，但是在離心機內部安裝測量傳感器并不方便，測量過程中有抗干擾性差、隨機誤差大等缺點，因此振動測量方法的通用性不強。另一種方法是利用轉速頻率儀等高精度轉速測量設備對離心機的轉速進行直接測量，這種光電測量方法是本次測試所采用的方法，也是目前最行之有效且適用范圍最廣的直接計量方式。通過在離心機的主軸或與主軸剛性連接的零部件上貼上反光標簽，離心機轉動后，光電轉速測量設備打出的光源經過反光標簽的反射，會被光電傳感器內部的光敏電阻等元件獲取并轉換為脈沖信號，通過電子計數器并顯示相應的離心機轉速。該方法具有方便可靠、響應速度快、靈敏度高等優點[8]。

表3 離心機回轉轉速及加速度示值誤差平均測試結果Tab.3 Average test result of indication error of rotating speed and acceleration of centrifuge

回轉轉速示值誤差的測試地點選在總控室和上儀器艙，整個測試過程，全部在正常室溫的條件下開展，室內晝夜最大溫差為5℃，不對環境溫度進行控制。在測試過程中，根據設備的實際運行情況更改冷卻系統的運行狀態，以保證土工離心機的正常運行。冷卻系統是否工作對室溫的影響較小，不影響測試的環境溫度。測試設備選取EMT260C型號的轉速表，設備經過中國測試技術研究院校準并處于有限溯源期內。離心機開機后系統預熱15 min，在10～250 g加速度范圍內選取10 g、50 g、80 g、100 g、120 g、150 g、180 g、200 g、230 g、250 g加速度點進行測量，每點均勻記錄10個數據，每個數據之間的時間間隔為2 min，使用秒表進行計時。記錄離心機回轉轉速示值和光電數字轉速表轉速示值，加速度采用間接測試法，根據式(1)計算加速度，測試結果見表3。

(1)

式中：a0為離心機加速度，g；π為圓周率；n0為離心機轉速，r/min；R0為離心機有效半徑，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

土工離心機的離心加速度可從10 g加速至250 g，加速性能滿足TK-C500土工離心機技術要求。在全量程范圍內，轉速示值相對誤差不大于±0.02%，滿足回轉速度示值誤差不超過±2.5%的要求,加速度示值相對誤差不大于±0.29%，滿足加速度示值誤差不超過±10%的要求。

2.4 72 h連續運行穩定性

按照常用加速度點運行時間長、不常用加速度點運行時間短的原則設置測試點。對于常用的50 g、80 g、100 g和120 g內采用加密測量，在正常的時間間隔內，多增加若干點測量數據，增加點的個數并不干擾原有的測量間隔，以驗證短時間內的轉速和加速度穩定性。72 h連續運行考核是土工離心機長時間運行能力的重要指標之一，也是水運工程巖土模擬試驗的基礎保障。72 h連續測量是采用不同g值不同運行時間連續累計的方法進行考核，具體運行時間段分配如下：10 g運行2 h；50 g運行16 h；80 g運行16 h；100 g運行16 h；120 g運行8 h；150 g運行8 h；180 g運行2 h；200 g運行2 h；230 g運行1 h；250 g運行1 h。

表4 72 h連續運行穩定性Tab.4 72-hour continuous operating stability

在測試過程中還需對關鍵機械結構組件進行溫度測量和電學指標測量，保障離心機72 h全方位無警報運行[9]。通過上位軟件采集已安裝在離心機的若干傳感器所監測到的數據，選取上軸承溫度、中軸承溫度、供油溫度、機室溫度四個重要的位置進行溫度監測，選取電樞電壓、電樞電流和不平衡配重等關鍵參數進行測試，不平衡配重是離心機轉臂不平衡監測和試驗過程中不平衡力調節與保護的重要指標，當不平衡配重超過了限值，離心機就處于危險狀態，需要停機進行配重調整，過程性能測試數據見表5。同時根據大量試驗數據統計，離心機可以在72 h內連續無故障運行，加速度從10 g加速至250 g，在全量程范圍內，轉速穩定性(標準差)不大于0.016 r/min。

表5 離心機通用技術要求測試結果Tab.5 Test result of general technical requirements for centrifuges

3 結語

本文依托港口水工建筑技術國家工程研究中心TK-C500土工離心機驗收工作，開展土工離心機計量特性與計量測試方法的研究工作，對安裝半徑、輻射噪聲聲壓級、回轉轉速和加速度示值誤差和72 h連續運行穩定性等項目進行了測試。測試結果基本滿足大型土工離心機的計量要求，測試過程也為大型土工離心機的驗收及后續運行提供了強有力的支撐。土工離心機是離心模擬試驗的重要設備，將在我國水運工程建設中起到越來越重要的作用，近年來，針對離心模擬試驗的需求，離心機輔助系統的多樣化研究工作也陸續開展起來，其中包括離心機振動臺、離心機機械手、離心機降雨模擬裝置、潮汐發生裝置和造波裝置等專用設備的研究進程也不斷的發展，技術也不斷的突破[10]。但是目前離心機的計量測試技術更多的以醫用離心機等室內小型離心機為主，土工離心機的工程計量方法和技術的研究更應滿足國內高g值和大容量的發展趨勢，因此，多功能離心機綜合試驗系統的計量測試在未來的科研工作中亟待開展。