精密離心機機箱設計研究

劉小剛，徐太棟，張映梅

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

引言

慣性導航和制導技術是航空、航天與航海領域里的一項核心技術，同步通訊衛星的準確定位、人類成功登上月球、航天飛機的飛行成功、導彈的準確定位，都采用了高精度的慣性導航和制導技術。精密離心機就是用于標定慣性導航和慣性制導系統中加速度計的專用設備。

高精度慣性儀表校準檢測裝置是精度達10-6級的精密離心機設備，其形式如圖1所示，電機通過空氣軸承帶動轉盤在給定速度下旋轉，從而使安裝在轉盤上的試件產生預定的加速度值；在轉動的同時徑向和軸向測微儀測出轉臺相應位置的位移數據，用于加速度值的修正。機箱作為該設備的重要組件之一，主要功能是防止環境氣流、灰塵等對離心機性能產生不良影響，以及外界意外碰撞對轉盤和軸承的損傷，并對電容測微儀提供穩定支承。其設計的優劣對確保系統高精度結構指標的實現具有重要意義。

1 功能特性分析

機箱主要由整流罩、活動艙門、整流罩支承架、檢修門、電容測微儀支承座等組成。按照離心機指標要求和總體布局，機箱要具備以下功能特性：

1）在離心機轉盤周圍形成一個規則的環形空間（即整流罩），使轉盤旋轉時的氣動影響盡可能小；

2）在試件安裝平臺上方開設活動艙門，便于試件的裝卸；機箱下部開設數個檢修門，便于對離心機下部設備的檢修調試；

3）緊貼轉盤外沿設置兩組共八個電容測微儀的測試點，以監控離心機運轉過程中轉盤的動態半徑、方位失準角、俯仰失準角變化情況，用于加速度值的修正。機箱應提供這八個測試點穩定可靠的支承。

2 流場分析

氣流擾動是導致精密離心機加速度偏離真值的因素之一，但目前還沒有精確的計算模型可供參考，氣流擾動對精密離心機加速度的影響只能通過定性分析。離心機旋轉時，空氣流場對精密離心機的影響主要體現在以下幾個方面：

1）風阻：即機械在空氣中運動時受到的來自空氣的阻力；

2）風阻波動：當旋轉體周圍鈍體存在明顯的漩渦脫落時，風阻波動所造成的電機轉速誤差將會造成加速度計所承受的加速度載荷誤差。因此應盡量減小風阻波動；

3）風阻溫升：精密離心機在旋轉時，其帶動整流罩內的空氣旋轉，賦予了空氣氣團動能。因此整流罩形狀越規則、光滑，風阻帶來的溫升越小。

3 結構設計

圖1 精密離心機

機箱采用箱體結構，要具有一定剛度，減小設備運行時箱體的振動，并且機箱內腔尺寸不得與離心機主機干涉。機箱上部對稱開設活動艙門，便于試件的裝卸。機箱下部開設三個檢修門，便于對離心機下部設備的檢修調試。機箱中部設計整流板，將基座等不規則部件與轉盤隔開，以消除不規則部件對轉盤旋轉時的氣動影響。另外，按照離心機總體設計要求，緊貼機箱對稱布置兩個測試架，用于安裝監測轉盤動態半徑和方位失準角、俯仰失準角的電容測微儀。

機箱設計主要尺寸和要求：離心機轉盤外徑φ2200mm；試件上表面距地面高度1110mm，離心機最大高度1530mm；在轉盤外沿電容測微儀布置二組共八個點；離心機最高轉速300r/min。

3.1 整流罩和整流罩支承架

整流罩是離心機轉盤和試件運轉的空間，不僅要求內表面平整、光滑，以使離心機有良好的運行環境，而且還要保證整體的外觀質量根據離心機指標要求。整流罩的內腔尺寸大于φ2300mm，這樣大尺寸的殼體件，焊接變形量非常大，因此考慮用厚板焊接，焊后再加工成形的方式，保證內外面的形狀、尺寸要求。整流罩支承架作為整流罩的支承件，與地基直接相連。它由鋼板以及型材焊接而成，局部加筋以提高整體剛度，工藝成熟。焊后熱處理控制變形，并通過加工、打磨，保證外觀光潔、平整。

艙門的材料選用鋁合金，質量較輕，這樣開啟輕便。罩體上開設四個有機玻璃觀測窗口，便于試驗運行過程的監測。艙門一端設置鉸鏈，并用氣彈簧支撐并限位，氣彈簧打開時的情況如圖2所示。氣彈簧最小伸展力F：

3.2 電容測微儀支承座

按照精密離心機總體設計要求，有兩組共8個電容測微儀的測試點（如圖3），監測轉盤動態半徑和方位失準角、俯仰失準角。整個座體剛度足夠，并且與整流罩隔離，盡可能減小外界振動對電容測微儀的影響，保證傳感器測試的準確性。電容測微儀安裝板可以上下左右移動，便于測試點位置的微調。

4 仿真計算

計算流體動力學（CFD）是指通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。通過分析比較， 仿真計算采用雷諾平均模擬方法（RANS），湍流模型選擇RNG湍流模型，壁面函數選擇尺度化壁面函數，離散格式選擇PRESTO和具有三階精度的QUICK格式，求解方法選擇MRF和滑移網格相結合的計算方法，網格形狀為六面體，同時用Hypermesh和ANSYS ICEM MESH兩種分網工具進行分網。

工況按無負載和帶負載二種情況，幾何模型如圖4所示。流體為287K時的空氣。

通過充分迭代，得到離心機轉盤風阻力矩、風阻力矩波動。其風阻力矩和風阻力矩波動值見表1。

圖2 氣彈簧工作示意圖支承座

圖3 電容測微儀支承座

圖4 流場仿真計算的幾何模型

通過表1可以看出，帶負載離心機與不帶負載相比，風阻力矩和風阻力矩波動幅值有較大幅度增加。這是因為負載臺的迎風面增加，阻力加大，同時尾部流體脫落形成漩渦，會增加力矩波動。安裝平臺所在平面某一時刻速度云圖如圖5所示，壓力分布云圖如圖6所示。離心機流場縱剖面的速度場云圖如圖7所示，流場縱剖面的壓力分布云圖如圖8所示。

表1 精密離心機轉盤風阻力矩及波動幅值

圖5 安裝平臺所在平面某時刻速度云圖

圖6 安裝平臺所在平面某時刻壓力分布云圖

圖7 離心機縱剖面某時刻速度場云圖

圖8 離心機縱剖面某時刻壓力分布云圖

圖9 精密離心機機箱外觀圖

通過仿真計算發現，帶負載離心機風阻力矩和力矩波動明顯大于不帶負載的力矩和力矩波動，也說明光滑的環形整流罩對保證離心機的運轉精度有重要意義。

5 結論

功能特性分析和流場分析表明，機箱設計的優劣對確保精密離心機系統高精度結構指標的實現具有重要意義。在滿足功能要求的前提下，綜合考慮了經濟性、維護性、人機工程、美觀等因素，針對特定要求的精密離心機機箱進行了結構設計和外觀設計。機箱外觀如圖9所示，可以看出該機箱簡潔美觀，無需特殊維護保養，具有較好的工藝性和經濟性。

同時，在無負載情況下，使精密離心機轉盤運行到轉速270r/min，對有無機箱兩種情況進行了對比試驗，實測封閉空間（有機箱）轉盤風阻力矩為58.29Nm，開放空間（無機箱）轉盤風阻力矩為82.38Nm。由此可看出，所設計的機箱可有效降低精密離心機的風阻力矩，這與理論分析也是一致的。

[1]聞邦春. 機械設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社, 2010.

[2]張映梅. 精密離心機機械系統技術方案[R]. 2011YQ13004702-FAZ14-05,總體工程研究所, 2011.

[3]徐太棟等. 10-6 精密離心機流場與溫度場仿真計算[R].2011YQ13004705-BGKD-02 ,電子科技大學, 2013.

[4]JB/T 10418 -2004,氣彈簧設計計算[S].