离心机工作台工作半径研究.pdf

宇航计测技术2024 年2024 年 4 月第 44 卷 第 2 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementApr.2024Vol.44No.2文章编号:1000-7202(2024)02-0064-05DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.02.11离心机工作台工作半径研究陈 平1,廖 微2,张俊秀3,田明荣3,占宏伟3(1.海装驻北京地区第一军事代表室,北京 100076;2.军事科学院系统工程研究院,北京 102300;3.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)摘要:加速度准确度作为加速度引控开关等惯性传感器的重要参数之一,在工业及国防领域起着重要作用。加速度的准确度通常采用精密离心机标定,影响离心机准确度的主要有速率精度和旋转工作半径。针对这些问题重点从离心力引起的工作半径动态变化量角度出发,采用有限元分析法分析了在不同工作台直径、厚度及离心加速度条件下工作半径的变化量,通过对数据分析及对各个参量进行相互比较,得出在工作台设计过程中需要遵循的原则,为后续离心机工作台的设计及不确定度评定提供了参考依据。关键词:加速度标定;工作半径动态变化量;有限元分析中图分类号:V241,TH73文献标识码:A收稿日期:2023-11-01;修回日期:2024-02-21作者简介:陈平(1982-),女,高级工程师,学士,主要研究方向:装备控制系统。Research on Working Radius of Plate for Precision CentrifugeCHEN Ping1,LIAO Wei2,ZHANG Junxiu3,TIAN Mingrong3,ZHAN Hongwei3(1.Beijing first military representative office of the Navy Armament Department,Beijing 100076,China;2.The PLA Academy of Military Science Systems Engineering Institute,Beijing 102300,China;3.Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076,China)Abstract:Acceleration accuracy,as one of the critical parameters of inertial sensors such as acceleration referenceand control switches,plays a significant role in industrial and defense sectors.The calibration of acceleration accuracy iscommonly conducted using precision centrifuges,and main factors affecting the accuracy of the centrifuge are rate accuracyand the radius of rotation during operation.Addressing these issues,the dynamic changes in the operational radius caused bycentrifugal force is focused on,employing finite element analysis to examine the variations in operational radius underdifferent conditions of worktable diameter,thickness,and centrifugal acceleration.Through data analysis and comparativeevaluation of various parameters,principles to be followed in the design process of the worktable are identified,providing areference for the design and uncertainty evaluation of centrifuge worktables in subsequent stages.Keywords:Acceleration calibration;Dynamic variation of working radius;Finite element analysis0 引 言精密离心机是惯性仪器(如加速度计、引控开关等)标定的重要设备之一,其准确度直接决定了惯性仪器的性能1,2。影响离心机准确度指标的因素有很多,按照国家计量检定规程中精密离心机检第 2 期离心机工作台工作半径研究定规程3要求,决定最终加速度指标的因素有工作半径、角速度精度、失准角、轴线铅垂度、安装初始角及本地重力加速度。其中,工作半径及角速度精度对精密离心机的准确度影响较大4,因此着重阐述工作台工作半径对加速度值的影响。1 加速度标定原理在离心机试验中,离心机安装被测件处的理论加速度为a=2R(1)式中:a 向心加速度;离心机转速;R 工作半径。由式(1)求得全微分方程a=2R+2R(2)式中:a 向心加速度变化量;离心机转速变化量;R 工作半径变化量。由式(1)和式(2)可得aa=2+RR(3)以准确度为 0.001 级的离心机为例,工作半径合成标准不确定度为 5 10-5,以直径为 1 000 mm的工作台为例,则 R 要求在 0.012 5 mm 以内,因此工作半径变化所引起的误差对离心机加速度的影响不可忽视。2 离心机工作半径分析离心机的工作半径包括静态工作半径和工作半径动态变化量两部分,其中,静态半径可通过标准量块及工装的方式进行标定,结果较为准确。工作半径动态变化量相对而言没有行之有效的解决方法,国内外的文献中关于工作半径动态变化量影响因素主要有三个方面:主轴的回转误差、离心载荷及环境温度5。其中,回转误差主要取决于轴系的回转精度,对于气浮高精度离心机而言,回转精度可达亚微米级甚至纳米级6,因此对于工作台工作半径影响可以忽略。精密离心机所处的试验环境为恒温环境,同时根据材料膨胀与温度的关系,在该情况下,温度对工作半径的影响也可以忽略。因此,重点阐述工作台工作半径对加速度值的影响,分析工作台在不同半径、不同厚度及不同加速度情况下工作半径动态变化量及变化趋势,为高精度离心机工作台设计提供参考依据。3 工作半径动态变化量分析离心载荷引起的工作台变形量主要采用有限元的角度进行分析,随着计算机速度的提升及各大有限元商业软件的普及,采用有限元的方法计算静态和动态变形量及受力情况已经非常成熟,并且结果准确性也得到保证。为简化离心机工作台模型,同时尽可能减少变量,所选取的工作台参数应互相解耦,按常规负载重量为5 kg,以盘式工作台的结构形式,设计输入变量为工作台直径 d1、厚度 n1及加速度大小 a。输出变量有总变形量 L1、工作台自身向心力产生的变形量 L2及负载向心力产生的变形量 L3。计算出的变形量均为沿径向方向的变形量。d1=1 000 mm,n1=40 mm,a=10g 的有限元分析结果如图 1 所示,可见,离心力产生的变形量沿径向方向逐步增大,负载处变化量最大,同时对多组数据进行了比对,如表 1 所示。图 1 直径为 1 000 mm,厚度为 40 mm,加速度为 10g的变形量Fig.1 Deformation of diameter 1 000 mm,thickness 40 mm,acceleration 10g为保证分析结果的准确性,通过试验测试结果比对,试验用离心机如图 2 所示。图中离心机工作台面的直径为 1 500 mm,厚度为 80 mm,采用的测量设备为电感测微仪,如图 3 所示,分别测量在10g、20g 及 30g 离心加速度下工作台边沿的变形量,结果如表 2 所示。分析结果与测量结果基本一致,分析数据有效。56宇航计测技术2024 年表 1 有限元分析结果Tab.1 Analysis results of finite element序号d1/mmn1/mma/(m/s2)L1/10-4mmL2/10-4mmL3/10-4mm15004010g5.4900.299 85.19025004020g10.9800.599 510.38035004030g16.4900.398 116.09045008010g4.6560.297 34.36055008020g9.3120.595 68.72065008030g13.9100.898 113.01071 0004010g6.2301.560 04.70081 0004020g12.5103.130 09.38091 0004030g18.7504.620 014.130101 0008010g4.8131.562 03.251111 0008020g9.6033.123 06.480121 0008030g14.4604.687 09.773131 5004010g9.9033.692 06.211141 5004020g19.8107.385 012.425151 5004030g29.710 11.010 018.700161 5008010g8.2283.687 04.541171 5008020g16.4607.376 09.084181 5008030g24.640 11.020 013.620192 0004010g12.3006.670 05.630202 0004020g24.600 13.300 011.300212 0004030g36.800 20.050 016.750222 0008010g10.5216.670 03.853232 0008020g21.0417.376 09.084242 0008030g31.562 11.020 013.620图 2 试验用离心机实物图Fig.2 Physical image of experimental centrifuge图 3 电感测微仪实物图Fig.3 Physical image of inductance micrometer表 2 有限元分析结果与试验结果比较Tab.2 Comparison between finite element analysisresults and experimental results序号d1/mm n1/mma/(m/s2)有限元分析结果测量结果L1/10-4mmL1/10-4mm11 5008010g8.2288.66021 5008020g16.46017.02031 5008030g24.64025.3004 结果分析仿真数据及图表结果分析如下:1)负载一定的情况下,工作台的总变形量随着工作台直径的增大而增大,同时工作台总变形量随着加速度值的增大而增大,如图 4 所示。图 4 工作台直径与总变形量Fig.4 Worktable diameter and total deformation66第 2 期离心机工作台工作半径研究2)负载一定的情况下,工作半径的相对变化量与工作台的直径没有线性关系,工作半径的相对变化量会随着工作台的厚度的增大而减小,如图 5所示。图 5 工作台直径与相对变化量Fig.5 Worktable diameter and relative variation3)在不考虑负载的情况下,加速度值与工作台自身在离心力下产生的变形量成比例关系,并且变形量与厚度无关,如图 6 所示。图 6 加速度值与工作台自身形变Fig.6 Acceleration and deformation of worktable4)负载一定的情况下,随着工作台厚度的增加,总变形量减小,如图7 所示。结合图6 可以得出结论,工作台厚度的增加会减少负载向心力产生的工作台变形量,进而总变形量减小。5)负载一定的情况下,负载由于离心力引起的工作半径的变形量与总变形量的比值呈降低趋势,如图 8 所示。图 7 工作台厚度与总变形量Fig.7 Worktable thickness and total deformation图 8 工作台直径与变形量比值Fig.8 Ratio of worktable diameter to deformation5 结束语通过对离心机工作半径影响因素的分析及有限元方法,对工作台各个指标进行分析和结果的比对,从四个方面对工作台的设计提出相应的设计原则,对后续工作台的设计提供参考依据:1)在结构参数及负载参数一定的情况下,工作台工作半径的变化量随着加速度值的增大而增大,随着工作台直径的增大而增大,随着工作台厚度的增大而减小。从减小工作半径的变形量角度出发,应减小角速度值,减小工作台尺寸,增加厚度。2)增大工作台直径对工作半径相对变化量没76宇航计测技术2024 年有直接关系,在实际工作台直径的设计方面应根据负载大小,转速及加速度值作为输入条件对最终的工作半径相对变化量做优化设计,最终计算在其他条件一定的情况下更优的工作台直径。3)在工作台实际设计过程中,在其他约束条件及影响因素允许的情况下,厚度值应尽可能增大。4)在工作台厚度一致的情况下,随着工作台直径的增加,负载产生的变形量与总变形量的比值逐步降低,该趋势意味着,对于直径较小的工作台而言,减小总变形量的主要方法是优化负载的机械机构,降低负载的重量。对于直径较大的工作台而言,减小总变形量的主要方法是优化工作台结构,减小工作台自身的变形量。参考文献1 黎启胜.科学试验用离心机发展综述J.装备环境工程,2015,12(5):1-10.2 于治会.加速度计的静态校准J.宇航计测技术,2000,20(2):42-44.3 全国振动冲击转速计量技术委员会.精密离心机:JJG1066-2011S.北京:中国质检出版社,2011.4 成永博.基于多学科统一建模的精密离心机工作半径误差分离仿真研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013:1-3.5 杨巨宝.精密离心机半径值动态测试系统J.宇航计测技术,1994,13(2):5-7.6 徐磊磊.双排孔静压止推气浮轴承静动态特性研究D.四川:西南科技大学,2020:1-6.(上接第 63 页)4)缩小有效加热区尺寸在无法通过上述办法使炉温均匀性达到指定要求时,可采用缩小有效区的方法,使满足使用要求的空间可以继续使用。不过,该情况基于热处理炉缩小后的有效加热区尺寸及炉温均匀性检测结果满足产品热处理需求的前提,且在热处理工艺技术员同意的条件下才可进行。5)测温传感器失效4若测温传感器数量为 5 支的情况下出现传感器失效,则需停止炉温均匀性检测工作,待更换合格的测温传感器后,再重新开启检测过程;若测温传感器数量为 9 支的情况下出现传感器失效,则需考虑出现失效时的测量温度范围:若温度测量范围小于 1 093,则停止炉温均匀性检测工作,待更换合格的测温传感器后,再重新开启检测过程;若温度测量范围不小于1 093,则允许出现1 支测温传感器失效的情况;若失效数量不小于 2 支,则须停止炉温均匀性检测工作,待更换合格的测温传感器后,再重新开启检测过程。6)其他处理办法更换加热丝、更换保温材料等措施已属于设备大修范畴,此处不再详细描述。通过上述处理办法,消除不合格情况,使热处理炉炉温均匀性检测结果满足工艺技术指标要求。3 结束语在开展炉温均匀性检测工作时,主要是通过技术手段来确保热处理炉有效加热区的炉温均匀性,使炉内温度符合产品热处理工艺指标要求。炉温均匀性检测结果与工艺技术指标的符合性,对提高热处理产品的质量,解决热处理产品不合格等情况起到了积极的推动作用,为装备修理提供可靠的航空零部件材料,对保障装备修理周期和修理质量都具有十分重要的意义。参考文献1 马伟,刘晓晗,丁东,等.改善航空制件专用热处理炉温场J.金属加工(热加工),2013(3):28-30.2 高强,赵丽艳,张波.热处理炉温场检测技术研究J.东方机电,2007(4):55-58.3 张斌华.浅谈温度对热处理工艺的影响J.民营科技,2011(10):35.4 中国航空综合技术研究所,中国航空工业集团公司.航空制件热处理炉有效加热区测定方法:HB 5425-2012S.北京:中国航空综合技术研究所,2013.86