基于螺栓預(yù)緊力監(jiān)測土工離心機(jī)不平衡力的方法研究

關(guān)鍵詞：地腳螺栓；軸向預(yù)緊力；土工離心機(jī)；不平衡力；擬合模型

中圖分類號：TU43 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 01. 012

0引言

在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)的裝配間隙和結(jié)構(gòu)的柔性，以及實(shí)驗(yàn)過程中模型破碎產(chǎn)生的質(zhì)心變化等，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生動態(tài)不平衡力［1-5］。動態(tài)不平衡力會影響離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，以及離心機(jī)主軸、軸套等的偏磨損，嚴(yán)重時(shí)也可能造成離心機(jī)基座的側(cè)移甚至傾覆。因此，在離心機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將運(yùn)行過程中的動態(tài)不平衡力控制在一定范圍內(nèi)，以保證離心機(jī)的安全性及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。為有效地控制動態(tài)不平衡力，動態(tài)不平衡力的實(shí)時(shí)監(jiān)測是離心機(jī)運(yùn)行安全系統(tǒng)的重要組成部分［6-9］。

大型土工離心機(jī)動態(tài)不平衡力的測量方法通常采用直接測量法［10-12］。該方法是在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上安裝力傳感器，通過力傳感器的信號變化來測量動態(tài)不平衡力的大小。這種方法會受到轉(zhuǎn)臂與轉(zhuǎn)臂支撐之間摩擦力的影響，造成不平衡測量的誤差。李心耀等［13］根據(jù)靜平衡原理，采用4個(gè)搖桿測力傳感器設(shè)計(jì)了靜平衡配平系統(tǒng)。劉顯軍等［14］設(shè)計(jì)了由水箱和測力傳感器等組成的新型自平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。李順利等［15-17］針對精密離心機(jī)，采用自動控制動平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高精度自動化平衡。楊亞非等［18］針對盤式離心機(jī)，給出了靜不平衡量的測試方法和計(jì)算式、配平原則和方法。此外，還可以采用在離心機(jī)基礎(chǔ)處測量支撐部件應(yīng)變的方法反推不平衡力的大?。?9］，但此類方法會弱化基礎(chǔ)連接剛度，對離心機(jī)安全運(yùn)行帶來新的問題。

綜上所述，采用直接測量的方法對離心機(jī)運(yùn)行中的動態(tài)不平衡力進(jìn)行測量，系統(tǒng)復(fù)雜度較高，且易對離心機(jī)局部連接剛度產(chǎn)生弱化，因此需采用間接測量離心機(jī)運(yùn)行不平衡力的方法，在不平衡力直接測試系統(tǒng)失效時(shí)，需保證離心機(jī)安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的冗余度，且保障監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

文中針對大型土工離心機(jī)，研究了基于地腳螺栓預(yù)緊力測量動態(tài)不平衡力變化的方法。先通過理論推導(dǎo)證明測試技術(shù)的可行性，再結(jié)合離心機(jī)動態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，測量了螺栓預(yù)緊軸向力變化峰值與不平衡質(zhì)量及運(yùn)行重力加速度g值的關(guān)系，建立了基于響應(yīng)面擬合獲得靜態(tài)不平衡質(zhì)量的方法，拓展了間接測量離心機(jī)運(yùn)行不平衡力的技術(shù)。

2TLJ-500型離心機(jī)不平衡力測試試驗(yàn)

2. 1不平衡力測試試驗(yàn)為驗(yàn)

證地腳螺栓預(yù)緊力測試技術(shù)的可行性，在TLJ-500型土工離心機(jī)上開展試驗(yàn)。離心機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)為單吊籃結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)端裝配吊籃，另一端為配重端，根據(jù)吊籃端不同的負(fù)載配置不同的配重塊，以配平離心機(jī)轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)基座通過12個(gè)地腳螺栓與地基相連，周向均布在基座上。

采用力傳感器測試預(yù)緊力變化，工況設(shè)計(jì)為不同不平衡質(zhì)量、不同離心機(jī)運(yùn)行重力加速度g值下直到運(yùn)行穩(wěn)定后，測試離心機(jī)每轉(zhuǎn)一圈地腳螺栓軸向預(yù)緊力的上下波動半峰值。試驗(yàn)中布置了4個(gè)測力傳感器，分別安裝在圖3（b）所示的４個(gè)地腳螺栓處（基座上面）。其中，1、2號測點(diǎn)位于180°對稱位置上，3號測點(diǎn)位于機(jī)室門對應(yīng)的位置，4號測點(diǎn)與1號測點(diǎn)成60°。由圖3可看出，螺栓的軸向力和預(yù)緊力與圖1中Y向?qū)?yīng)。

采用在吊籃施加不同配重的方式改變離心機(jī)運(yùn)行時(shí)的不平衡力矩，與靜載狀態(tài)下不平衡力相減，得到吊籃配重引起的測點(diǎn)壓力峰值隨配重和不平衡力矩變化的關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果表明，各測點(diǎn)壓力隨吊籃配重及不平衡力矩成線性變化；各測點(diǎn)因處于基座上不同位置，螺栓軸向力變化受與連接件的界面接觸狀態(tài)影響較大。由此會導(dǎo)致雖然理論上可以直接通過測試螺栓預(yù)緊力波動反推獲得，但試驗(yàn)獲得的各測點(diǎn)壓力變化斜率不同，測試結(jié)果并非完全理想，因此需要進(jìn)一步發(fā)展不平衡力辨識模型。

式（12）中等式右端第1項(xiàng)是初始不平衡產(chǎn)生的重力矩，為常數(shù)項(xiàng)；第2項(xiàng)為初始不平衡產(chǎn)生的離心力矩，僅與加速度有關(guān)；第3項(xiàng)為配重產(chǎn)生的重力矩，與配重有關(guān)而與加速度無關(guān)；第4項(xiàng)為配重質(zhì)量產(chǎn)生的離心力矩，與配重質(zhì)量和加速度均有關(guān)。因此，不平衡力矩是配重、加速度、配重與加速度乘積的函數(shù)。同一配重下，不平衡力矩隨加速度線性變化。同一加速度下，不平衡力矩隨配重質(zhì)量m 線性變化；轉(zhuǎn)臂初始不平衡產(chǎn)生的離心力隨著配重質(zhì)量m 的增加，其影響減小。采用響應(yīng)面法對各測點(diǎn)壓力隨配重質(zhì)量和加速度的變化關(guān)系進(jìn)行分析。分析各測點(diǎn)傳感器壓力隨配重質(zhì)量和加速度變化的試驗(yàn)結(jié)果，以測點(diǎn)1和測點(diǎn)4的數(shù)據(jù)為例，結(jié)果如圖5所示。

測點(diǎn)1和測點(diǎn)4的結(jié)果表明，測點(diǎn)上地腳螺栓軸向預(yù)緊力變化幅值與離心機(jī)加速度和配重質(zhì)量成線性關(guān)系。

3）各測點(diǎn)得到的地腳螺栓傳感器壓力變化規(guī)律一致表明：采用測試地腳螺栓預(yù)緊力變化來測轉(zhuǎn)臂不平衡力的方法是可行的。采用式（14）求與初始不平衡力相平衡的配重質(zhì)量時(shí)，應(yīng)選擇較大的加速度值。

3結(jié)論

研究表明，采用測試地腳螺栓預(yù)緊力變化來測轉(zhuǎn)臂不平衡力的方法具有一定工程可行性，通過理論模型及試驗(yàn)分析，獲得以下結(jié)論：

1）離心機(jī)受徑向不平衡力作用時(shí)，根據(jù)螺栓等級、預(yù)緊力大小、螺栓數(shù)目、離心機(jī)轉(zhuǎn)臂長度、轉(zhuǎn)臂離地面高度等參數(shù)不同，其地腳螺栓處軸向力變化可能會達(dá)到50%；離心機(jī)受天地向不平衡力作用時(shí)，地腳螺栓處軸向力變化可能會達(dá)到80%。

2）對離心機(jī)基座其中一個(gè)地腳螺栓的預(yù)緊力變化進(jìn)行測量可反推獲得動態(tài)不平衡力。對轉(zhuǎn)臂施加不同的配重，開展不同加速度下的離心試驗(yàn)，測量地腳螺栓預(yù)緊力的變化，再進(jìn)行響應(yīng)面擬合，可得地腳螺栓預(yù)緊力的變化與加速度和配重質(zhì)量的關(guān)系。

3）試驗(yàn)中應(yīng)保持不同配重的質(zhì)心一致；根據(jù)擬合式計(jì)算使轉(zhuǎn)臂平衡的配重質(zhì)量時(shí)，應(yīng)盡量采用較大的加速度來計(jì)算，以降低離心機(jī)未甩平帶來的誤差。

4）采用地腳螺栓監(jiān)測不平衡力方法還需要進(jìn)一步降低離心機(jī)振動導(dǎo)致的信號干擾等，采用合適的標(biāo)定方法以提升測試的精度。