本實用新型涉及一種離心機，尤其涉及一種能對巖土工程領(lǐng)域重大科研項目進行模擬試驗的大容量高速土工離心機。

背景技術(shù)：

近年來，隨著大型巖土工程的不斷涌現(xiàn)，常重力下的縮尺模型已不能再現(xiàn)原型特性，迫切需要超重力技術(shù)解決縮尺模擬問題。利用高速旋轉(zhuǎn)的離心機產(chǎn)生n倍重力加速度的超重力場，補償模型因縮尺造成的自重應(yīng)力損失，在模型尺度產(chǎn)生n倍的縮尺效應(yīng)、n2倍的縮時效應(yīng)、n3倍的強化能量效應(yīng)。

自1931年世界上第一臺半徑為0.25m的土工離心機在美國哥倫比亞大學(xué)誕生以來，經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，目前全世界土工離心機已有200余臺。利用這些土工離心機，在解決實際巖土工程問題過程中，取得了巨大成就。

然而，世界上容量超過500g·t的大型土工離心機卻不到10臺。其中最大的離心機是法國Actidyn公司1995年為美國陸軍工程師兵團水道試驗站(WES)建成1144g·t離心機，該離心機半徑7m，最大離心加速度350g。我國最大的離心機是中國物理工程研究院總體工程研究所為成都理工大學(xué)研制的500g·t土工離心機，以及正為鄭州大學(xué)研制的600g·t土工離心機。前者最大離心加速度為250g，后者最大離心加速度為200g。

現(xiàn)有的土工離心機可進行常規(guī)土工離心模擬試驗，并已取得了較好成效，但因其最大容量有限，承載的試驗?zāi)Ｐ洼^小，同時，其最大離心加速度也較低，亦不能為較小的試驗?zāi)Ｐ吞峁┹^大的離心場?，F(xiàn)有的土工離心機不具備對300米以上高壩安全性、千米級深地深海工程、百年跨度地下環(huán)境污染、平方公里尺度城市抗震、千米尺度飛行器撞擊及高能爆炸等重大科研項目進行試驗?zāi)M的能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種大容量高速土工離心機。

本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：

一種大容量高速土工離心機，包括土建基礎(chǔ)，所述土建基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置有同步電機、旋轉(zhuǎn)接頭、轉(zhuǎn)臂、豎直安裝的主軸和用于支撐所述主軸的傳動支承，所述轉(zhuǎn)臂上安裝有吊籃，所述土建基礎(chǔ)內(nèi)從上至下依次設(shè)置有三層機室，所述土建基礎(chǔ)的外頂面設(shè)置有上儀器艙支架及安裝在所述上儀器艙支架上的上儀器艙，所述主軸的上端與所述上儀器艙通過傳動軸連接，所述轉(zhuǎn)臂設(shè)置在中層機室，所述同步電機和所述旋轉(zhuǎn)接頭均設(shè)置在下層機室，所述旋轉(zhuǎn)接頭連接在所述同步電機的下轉(zhuǎn)動端；

所述主軸的下端依次穿過上層機室、中層機室并延伸至下層機室，所述主軸的下端通過聯(lián)軸器與所述同步電機的上轉(zhuǎn)動端連接；

所述傳動支承有兩個，且分別為上傳動支承和下傳動支承，所述上傳動支承固定安裝在上層機室內(nèi)的頂部，所述下傳動支承固定安裝在中層機室內(nèi)的底部，所述主軸貫穿兩個所述傳動支承；

所述轉(zhuǎn)臂包括主臂和疊裝在所述主臂上的輔臂，所述輔臂與所述主臂之間為可拆卸式連接結(jié)構(gòu)，上層機室內(nèi)設(shè)置有用于安裝輔臂的輔臂防護艙，所述輔臂防護艙與中層機室內(nèi)部相通；

所述吊籃包括兩個高速吊籃和兩個低速吊籃，所述主臂以所述主軸為中心對稱設(shè)置有兩個用于連接高速吊籃的鉸接位和兩個用于連接低速吊籃的鉸接位。

作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，所述主臂設(shè)置有輔臂限位孔，所述輔臂安裝于所述主臂的輔臂限位孔內(nèi)并通過緊固螺栓固定。

作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，所述土建基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置有預(yù)埋件，所述預(yù)埋件為上下兩端均設(shè)置有法蘭的筒狀金屬結(jié)構(gòu)，所述主軸貫穿所述預(yù)埋件，所述下傳動支承通過螺栓及螺母與所述預(yù)埋件固定連接。

作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，所述螺栓貫穿所述預(yù)埋件的上、下法蘭且兩端均通過螺母限位。

作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，所述上傳動支承為倒錐結(jié)構(gòu)，所述下傳動支承為正錐結(jié)構(gòu)，所述上傳動支承的底面安裝在所述土建基礎(chǔ)的外頂面，所述上傳動支承的錐端位于上層機室內(nèi)的頂部。

作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，所述土建基礎(chǔ)的機室為能夠抽真空的可密封結(jié)構(gòu)，所述傳動支承的軸承座與支承支架之間、所述傳動支承的密封蓋與所述主軸的上端面之間均設(shè)置有靜密封結(jié)構(gòu)，所述傳動支承的密封蓋與軸承座之間設(shè)置有動密封結(jié)構(gòu)。

本實用新型的有益效果在于：

1)采用雙吊籃對稱疊臂結(jié)構(gòu)，不僅可避免低速常規(guī)試驗所需功能模塊在高離心場下承受過高離心力而損壞，還有利于控制轉(zhuǎn)臂在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生較大不平衡力；

2)主軸采用上下支承方式，可增大主機承載不平衡力能力和降低各軸承的負載；

3)采用高速低真空運行方式，可降低轉(zhuǎn)臂在高離心加速度運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生巨大風(fēng)阻和避免轉(zhuǎn)臂端頭超音速帶來音爆音障等危害；

4)采用同步電機直接驅(qū)動方式，可提高離心機主機承載離心試驗過程中產(chǎn)生的沖擊振動能力；

5)離心機主機通過固定在土建基礎(chǔ)上的預(yù)埋件與土建基礎(chǔ)聯(lián)接，增強了主機與土建基礎(chǔ)聯(lián)接的可靠性，提高了主機抗傾覆力能力；

6)整機為容量超過1000gt、離心加速度高于1000g的大容量高速土工離心機，能夠?qū)r土工程領(lǐng)域重大科研項目進行模擬試驗。

附圖說明

圖1是本實用新型所述大容量高速土工離心機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型所述轉(zhuǎn)臂安裝有低速吊籃和輔臂時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型所述轉(zhuǎn)臂安裝有高速吊籃并拆掉輔臂時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型所述下傳動支承的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實用新型所述預(yù)埋件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實用新型所述上傳動支承的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-旋轉(zhuǎn)接頭，2-同步電機，3-聯(lián)軸器，4-下傳動支承，5-轉(zhuǎn)臂，6-輔臂防護艙，7-主軸，8-土建基礎(chǔ)，9-上傳動支承，10-上儀器艙支架，11-上儀器艙，12-低速吊籃，13-主臂，14-輔臂，15-高速吊籃，16-預(yù)埋件，17-螺母，18-螺栓，19-傳動軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明：

結(jié)合圖1、圖2和圖3所示，本實用新型包括土建基礎(chǔ)8，土建基礎(chǔ)8內(nèi)設(shè)置有同步電機2、旋轉(zhuǎn)接頭1、轉(zhuǎn)臂5、豎直安裝的主軸7和用于支撐主軸7的傳動支承，轉(zhuǎn)臂5上安裝有吊籃，土建基礎(chǔ)8內(nèi)從上至下依次設(shè)置有三層機室，土建基礎(chǔ)8的外頂面設(shè)置有上儀器艙支架10及安裝在上儀器艙支架10上的上儀器艙11，主軸7的上端與上儀器艙11通過傳動軸19連接，轉(zhuǎn)臂5設(shè)置在中層機室，同步電機2和旋轉(zhuǎn)接頭1均設(shè)置在下層機室，旋轉(zhuǎn)接頭1連接在同步電機2的下轉(zhuǎn)動端；主軸7的下端依次穿過上層機室、中層機室并延伸至下層機室，主軸7的下端通過聯(lián)軸器3與同步電機2的上轉(zhuǎn)動端連接；傳動支承有兩個，且分別為上傳動支承9和下傳動支承4，上傳動支承9固定安裝在上層機室內(nèi)的頂部，下傳動支承4固定安裝在中層機室內(nèi)的底部，主軸7貫穿兩個傳動支承；

轉(zhuǎn)臂5包括主臂13和疊裝在主臂13上的輔臂14，輔臂14與主臂13之間為可拆卸式連接結(jié)構(gòu)，上層機室內(nèi)設(shè)置有用于安裝輔臂14的輔臂防護艙6，輔臂防護艙6與中層機室內(nèi)部相通，吊籃包括兩個高速吊籃15和兩個低速吊籃12，主臂13以主軸7為中心對稱設(shè)置有兩個用于連接高速吊籃15的鉸接位和兩個用于連接低速吊籃12的鉸接位。

整個大容量高速土工離心機采用同步電機2直接驅(qū)動，同步電機2向上通過聯(lián)軸器3驅(qū)動下傳動支承4內(nèi)主軸7旋轉(zhuǎn)，向下帶動旋轉(zhuǎn)接頭1轉(zhuǎn)動。主軸7與轉(zhuǎn)臂5通過圓錐面進行支承和定位，通過脹套進行固聯(lián)。主軸7的轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)臂5一起旋轉(zhuǎn)，從而對安裝在轉(zhuǎn)臂5遠端的試驗?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生離心加速度。通過控制同步電機2轉(zhuǎn)速，可對試驗?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生不同量值的離心加速度。

主軸7由上下兩個傳動支承約束其徑向位移，從而對主軸7形成上下支承，這樣可提高主軸7承載轉(zhuǎn)臂5的不平衡力能力，同時降低傳動支承內(nèi)軸承的負載。同步電機2的轉(zhuǎn)軸、下傳動支承4處的主軸7部分均為空心軸，安裝后將形成通孔，以便旋轉(zhuǎn)接頭1所涉線纜通過該通道進入轉(zhuǎn)臂5。

轉(zhuǎn)臂5為雙吊籃對稱疊臂結(jié)構(gòu)。在低離心加速度運行時，主臂13兩端懸掛低速吊籃12，并與輔臂14疊合運行，如圖2所示。輔臂14上對稱安裝有下儀器艙、蓄能器、數(shù)采系統(tǒng)、動平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)等功能模塊(這些部件的安裝方式為現(xiàn)有技術(shù)，在此不多做說明)，通過這些功能模塊，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)臂5在低離心加速度下的常規(guī)土工試驗過程中的平衡調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集等功能。

在高離心加速度運行時，將輔臂14吊裝隱藏在輔臂防護艙6內(nèi)，此時，轉(zhuǎn)臂5僅有主臂13和高速吊籃15旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。為了降低轉(zhuǎn)臂5在高離心加速度運行過程中產(chǎn)生巨大風(fēng)阻和避免轉(zhuǎn)臂5端頭超音速帶來的音爆音障等危害，主機室(中層機室)需要被抽成低真空。

轉(zhuǎn)臂5設(shè)有四套不平衡力監(jiān)測系統(tǒng)，對稱安裝在轉(zhuǎn)臂5中的轉(zhuǎn)臂支承兩側(cè)，此為現(xiàn)有技術(shù)。

作為輔臂14在主臂13上的一種安裝方式，主臂13設(shè)置有輔臂14限位孔，輔臂14安裝于主臂13的輔臂14限位孔內(nèi)并通過緊固螺栓固定。

高速吊籃15采用專利技術(shù)“高轉(zhuǎn)速土工離心機吊籃兜裝消隙裝置，專利號：ZL 2016203008546”安裝在主臂13運行。

結(jié)合圖4和圖5所示，作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，土建基礎(chǔ)8內(nèi)設(shè)置有預(yù)埋件16，預(yù)埋件16為上下兩端均設(shè)置有法蘭的筒狀金屬結(jié)構(gòu)，主軸7貫穿預(yù)埋件16，下傳動支承4通過螺栓18及螺母17與預(yù)埋件16固定連接。

作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，螺栓18貫穿預(yù)埋件16的上、下法蘭且兩端均通過螺母17限位。

結(jié)合圖4和圖6所示，作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，上傳動支承9為倒錐結(jié)構(gòu)，下傳動支承4為正錐結(jié)構(gòu)，上傳動支承4的底面安裝在土建基礎(chǔ)8的外頂面，上傳動支承4的錐端位于上層機室內(nèi)的頂部。

下傳動支承4結(jié)構(gòu)及固定方式均借鑒專利“固體火箭發(fā)動機離心過載試驗系統(tǒng)，專利號：ZL 201520332501X”所涉相關(guān)技術(shù)。

為了使主機室(中層機室)形成密封腔并便于抽真空，作為本專利選擇的一種技術(shù)方案，土建基礎(chǔ)8的機室為能夠抽真空的可密封結(jié)構(gòu)，傳動支承的軸承座與支承支架之間、傳動支承的密封蓋與主軸7的上端面之間均設(shè)置有靜密封結(jié)構(gòu)，傳動支承的密封蓋與軸承座之間設(shè)置有動密封結(jié)構(gòu)。

以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。