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離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)回顧與展望

[2013/1/10]

　　本文介紹了離心機的原理、分類及功能,重點回顧了實驗室用離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡單的發(fā)展歷程,明確了目前離心機采用的主要驅(qū)動結(jié)構(gòu),同時指出加強離心機動力特性的設(shè)計是提高我國離心機品質(zhì)的重要手段,并對驅(qū)動結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢作了展望。

　　離心機是根據(jù)物質(zhì)在水溶液中的密度、大小和形狀的區(qū)別在離心力場中進行物質(zhì)的分離、精制及純化的科學(xué)儀器。離心機根據(jù)其處理的規(guī)模可分為工業(yè)用離心機與實驗室用離心機。工業(yè)用離心機處理量大,而實驗室用離心機處理量相對地小,但分離效果好。本文只討論實驗室用離心機。

　　通常人們以產(chǎn)生離心加速度的大小作為標(biāo)準(zhǔn)對離心機進行分類[1]:產(chǎn)生離心加速度為數(shù)千倍重力加速度(g=98m/s2)的為低速離心機;能產(chǎn)生幾萬倍重力加速度的為高速離心機;能產(chǎn)生10萬倍重力加速度以上的為超速離心機。由低速到高速離心機的分離能力逐漸增強,結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜,技術(shù)難度也大大增加了。

　　離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)使離心機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),是離心機設(shè)計中的核心技術(shù)之一。為保證離心機可靠地運行,較高的分離效率,高質(zhì)量的分離效果,對離心機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)有如下基本要求:工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動小,運行穩(wěn)定可靠;轉(zhuǎn)速精度高;升降速快;噪聲低;體積小,結(jié)構(gòu)簡單。

　　有關(guān)離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面的文獻[2~5]集中在40~60年代,Anderson在文獻[5]中利用60年代轉(zhuǎn)子動力學(xué)的成果對離心機的運行穩(wěn)定性及引起失穩(wěn)的因素進行了闡述,這之后離心機已作為一種商品,有關(guān)離心機方面的研究論文很少公開發(fā)表。目前國內(nèi)的離心機市場主要被外商占領(lǐng),國內(nèi)離心機廠家多數(shù)處于停滯狀態(tài)。為扭轉(zhuǎn)這種局面,研究和回顧離心機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義。

　　1離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)回顧

　　離心機是集機械、力學(xué)、電器控制、制冷、真空、生物化學(xué)等多學(xué)科于一身的科學(xué)儀器,隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展,但其驅(qū)動結(jié)構(gòu)卻是由復(fù)雜到簡單。下面通過幾個典型的離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu),回顧其發(fā)展歷程。

　　11離心機的起源

　　1878年瑞典人DeLava1研制出牛奶分離器(見圖1),這是離心機的雛形[2]。該分離器通過皮帶傳遞力矩,使傳遞軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子中的牛奶在離心力場的作用下成為奶油。該機利用人力驅(qū)動,轉(zhuǎn)速可達3000r/min。

　　12油透平驅(qū)動離心機

　　瑞典物理化學(xué)家Svedberg[3]為了確定膠體顆粒大小的分布,將膠體混合到水中,再用光學(xué)方法測定溶液的濃度分布。1923年Svedberg將牛奶分離器進行改造,增加齒輪增速機構(gòu),研制出第一臺實驗用離心機,轉(zhuǎn)速10000r/min,離心加速度5000g,并能夠測最小直徑為5m膠體的沉降速度,但該離心機不能進行蛋白質(zhì)分子沉降研究,它需要更強大的離心力場。為達到更大的離心力場,Svedberg從1926年~1939年的十幾年間不斷進行改進,與蒸汽透平公司的Boestad合作研制成功油透平驅(qū)動超速離心機(見圖2),曾達到最高轉(zhuǎn)速75000r/min,最大離心加速度達429000g。該機器是用15馬力油泵打出壓力油,經(jīng)冷卻器后噴射油透平,橫放的離心轉(zhuǎn)子兩端各有透平,離心室不是真空而是由高壓容器供給氫氣,同時用真空泵保持266kPa左右的真空度,以求離心轉(zhuǎn)子的溫度穩(wěn)定。該機器后來由瑞典的LKB公司生產(chǎn)出售,從而大大地推動了生物化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

　　13空氣透平驅(qū)動離心機

　　Svedberg等在瑞典Uppsala大學(xué)研究油透平離心機的時候,美國正在進行空氣透平離心機的研究工作。EHenriot和EHuguenard在1925年發(fā)表了關(guān)于在圓錐面上刻槽,并用壓縮空氣吹這些槽,使陀螺型離心轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的裝置的文章(見圖3)。JWBeams等對這裝置進行改進后,對外徑為19mm的小陀螺用氫氣吹,可達到1200000r/min的轉(zhuǎn)速,但當(dāng)增大離心機轉(zhuǎn)子直徑時,空氣阻力就非常大,轉(zhuǎn)速升不上去。

　　14高速電機增速機構(gòu)離心機

　　前兩種結(jié)構(gòu)的離心機雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),但其體積龐大,整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,這不僅降低了機器的可靠性,同時噪聲很大,使用也不方便。隨著電機技術(shù)和制造業(yè)的發(fā)展,1945年EGPickels把空氣透平驅(qū)動離心機的空氣透平部分用高速電機所驅(qū)動的齒輪箱代替,制造出第一臺高速電機齒輪傳動離心機(見圖5)。該結(jié)構(gòu)的離心機在60年代末70年代初達到65000r/min,使用的是鋁合金離心機轉(zhuǎn)子。此類產(chǎn)品經(jīng)過20多年的生產(chǎn)實踐,鈦合金轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速75000~83000r/min(最大離心加速度約五六十萬倍重力加速度),機器穩(wěn)定性也得到大大提高。

　　我國離心機的研制始于1958年,經(jīng)過多年努力,中國科學(xué)院生物物理研究所于1974年末在我國第一次研制成功全部用國產(chǎn)元件材料的超速離心機[7]。該離心機也采用高速電機齒輪增速驅(qū)動結(jié)構(gòu),使用鈦合金離心機轉(zhuǎn)子,最高轉(zhuǎn)速60000r/min,這為國內(nèi)其后研制高速、低速離心機打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　15電機直接驅(qū)動離心機

　　電機直接驅(qū)動形式是目前最簡捷的驅(qū)動方式,該結(jié)構(gòu)對電機、支撐、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度及轉(zhuǎn)子的動平衡有更高的要求。

　　1940年JWBeams用電機取代空氣透平離心機的空氣透平,電機是商用電扇改裝的,變頻調(diào)速,驅(qū)動直徑為152mm離心機轉(zhuǎn)子,在30min達到60000r/min,需功率1600W。盡管該結(jié)構(gòu)比空氣透平機結(jié)構(gòu)簡單,但溫升很大,不便于推廣(見圖6)。

　　50年代瑞士人EWiedeman研制了變頻電機直接驅(qū)動的離心機UltragroTypU54,該機與以往的離心機不同,電機在下,轉(zhuǎn)子在上,因而操作方便,離心機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達65000r/min。從結(jié)構(gòu)上看,因為甩掉了齒輪箱,使離心機結(jié)構(gòu)進一步簡化、緊湊。

　　70年代后期,美國Beckman公司推出變頻電機直接驅(qū)動超速離心機,后來又在高速和低速離心機上也采用該驅(qū)動方式。變頻電機直接驅(qū)動成為離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主流。

　　2離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的展望

　　離心機由于科研與生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生,隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,驅(qū)動結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡單。目前離心機最高轉(zhuǎn)速可達120000r/min,最大離心加速度可達694000g,基本滿足科研的需要。

　　離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)趨向電機直接驅(qū)動方式,對于重量較大的離心機轉(zhuǎn)子通常采用雙層減振結(jié)構(gòu),對于較輕的離心機轉(zhuǎn)子通常采用單層減振結(jié)構(gòu),并且有雙層減振結(jié)構(gòu)向單層減振結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢。另外,驅(qū)動電機將由無刷電機(直流無刷電機和變頻電機)取代有刷電機,這樣不僅免去了定期更換碳刷的麻煩,而且提高了電機的可靠性,同時也降低了噪聲。雖然電機直接驅(qū)動方式為最簡捷的結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)需要對離心機驅(qū)動系統(tǒng)做比較深入的理論研究,否則很難做到優(yōu)化設(shè)計。這是我國離心機與國際先進水平離心機有較大差距的主要原因之一。

　　因此,我們應(yīng)該盡快將轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論及有限元方法等力學(xué)手段引入離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,在離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計中強化其動力特性的設(shè)計,這樣可以達到事半功倍的效果,也是改善我國離心機品質(zhì)的重要手段。

　　在離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)中支承軸承為滾珠軸承,隨著轉(zhuǎn)速增大,軸承發(fā)熱并伴有較大的噪聲,影響了離心機的品質(zhì)。因此,如果支承選用磁懸浮或氣懸浮軸承,將會使離心機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)有進一步的改進,離心機將更加完善。這有待于懸浮軸承的進一步發(fā)展。